用于高功率用户装置的供电设备的制作方法

1.本发明涉及一种用于用户装置的供电设备，特别是涉及一种电炉，所述电炉用于钢铁生产的钢铁应用，或者也用于处理其他金属或玻璃材料的行业，或者通常用于需要为高功率负载(例如大约30-40mw以上)供电的应用。
2.根据本发明的供电设备尤其是允许通过电力线路将由电网供应的电能传输到用户装置，从而将负载损耗降低到最小。
3.用于用户装置的电力线路将包括在用户装置和电网之间串联和/或并联的一个或多个电力设备。
4.术语电力设备在此处和此后的描述中表示能够变换或转换电压和电流的电机，但也表示电气和/或电子装置，诸如电感器、整流器、转换器、逆变器或其他装置。
5.但是，特别应用于钢铁工业的用户装置不仅能够是任何需要高标准电力的装置，例如熔化炉、加热炉或其他装置，例如优选由交流电供电的电弧炉、感应炉、钢包炉或其他装置。


背景技术：

6.众所周知，存在钢铁应用，其中用户装置，例如上面提到的炉之一，需要通常需要高功率以及高电流的高效的供电系统。
7.因此，该供电系统通常提供能源，即，电网，其通过供电线路连接到用户装置，沿着供电线路设置有一系列电力设备，即，供电线路提供在电网和用户装置之间将电力设备彼此连接的一系列中间段。
8.目前，能源、用户装置和中间段之间的已知连接由导电材料构成；特别地，大多数连接线由铜、铝或其他金属合金制成。
9.为了传输高电流，已知使用高截面电缆，因为这些截面根据电气工程系统中的已知定律来确定尺寸。因此，这种电缆能够达到具有分别高达200-400mm并联连接在一起的直径的截面，使得它们能够传输数千安培，从能量传输效率的角度来看，随之增加了成本、重量和损耗。
10.众所周知，传输电能的便利性随着电压的增加而增加。电传输线路中的能量损耗主要是由于因焦耳效应造成的损耗，通过焦耳效应，在电缆中流动的电流产生热量。由于线路传输的功率等于电压与电流的乘积，因此可以理解，在给定相同功率的情况下，增加电压就足以减小电流，并且因此减少损耗。除了在使用非常高的直流电压(dc)和由此导致的低直流电流的特定情况或应用中，能量的传输通常以交流电(ac)完成，这允许显著减少由于焦耳效应引起的损耗。
11.然而，使用高电压来防止能量传输期间的损耗具有局限性，主要是由于电缆绝缘问题和系统在发生故障的情况下的内在安全。
12.例如，如果用户装置是由交流电供电的电弧炉，则电炉通常由通过hv/mv(高压/中压)变压器的高压线供电，因此次级变压器的电压能够从10kv变化到30kv。
13.此外，在交流系统中，与导体尺寸以及产生的电磁场的相互作用相关的电容和电感也变得相关。由于焦耳效应，这些现象导致进一步的损耗，因此对向用户负载提供有功功率没有贡献。
14.在电炉的电力线路中，或者在需要高运行电流的用户装置的任何情况下，通常将电网连接到它自己的hv/mv变电站，该变电站能够距离最终用户装置几百米远。
15.通常，变电站然后通过附加的mv/mv(中压/中压)降压变压器连接到用户装置(例如熔化炉)的电源装置；这些电源装置通常距离用户装置几十米，以便能够提供高电流，同时试图遏制上述损耗。
16.然而，在能源(即，电网和/或变电站或中间电力设备、电源装置)和用户装置之间提供这种短距离的需要经常被证明是非常严格的限制，这在需要对现有线路和设施进行改变或重组的情况下有成为障碍的风险。
17.特别地，这种限制可能是一个问题，例如，如果希望或有必要增加能源和用户装置之间的距离，或者即使希望将熔化炉的供电系统与熔化炉本身所在的钢铁厂分开，将所述供电系统和所述熔化炉设立在例如两个分开的且相对较远的建筑物中。
18.文献cn101458989a描述了一种用于电弧炉或感应炉的变压器。文献cn106602566a描述了一种连接到可再生能源的供电系统，该供电系统包括用于以直流电为负载供电的交流电供电子系统。jph01315222a描述了一种在供电系统中使用的网络保护器。us2016/0141081a1描述了供电和氢能的组合基础设施。
19.因此，本发明的一个目的是提供一种用于钢铁应用的供电设备，该供电设备允许以有效、经济的方式将一个或多个用户装置(甚至是那些具有高能量吸收的用户装置)连接到至少一个电能源，并且该供电设备限制了由于供电线路上的电能传输引起的正常损耗，例如由于焦耳效应引起的损耗。
20.本发明的另一个目的是提供一种用于钢铁应用的供电设备，该供电设备大致免于与各种部件之间的距离相关的约束，即，该供电设备提供了一种有效的用于电能的传输系统，该传输系统允许在必要时以有效的方式在供电设备的部件之间提供非常可变和灵活的距离，例如由于需要扩大钢铁厂、安装新组件或其他。
21.本发明的另一个目的是提供一种供电设备，该供电设备是高效的，并且同时是可扩展的和通用的，并且在负载和所需供电方面能够容易地适用于不同应用。
22.申请人已经设计、测试和实施了本发明，以克服现有技术的缺点，并获得这些和其他目的和优点。


技术实现要素：

23.本发明被提出并且特征在于独立权利要求。从属权利要求描述了本发明的其他特征或主要发明构思的变型。
24.根据上述目的，根据本发明的用于用户装置的供电设备，特别是用于钢铁工业应用，或者用于玻璃或金属加工应用，包括用于连接到供应市电电压和市电电流的电网的装置，以及用于连接装置和所述用户装置之间的连接的至少一条电力线路，其中所述电力线路包括连接在所述连接装置和所述用户装置之间、能够给所述用户装置供电的供电系统。
25.特别地，所述电网能够是供应高压电能的电网。优选地，所述电网是三相类型的电
网，其以交流电提供市电电压和市电电流。
26.所述供电系统包括至少一个供电模块，所述至少一个供电模块包括至少一个变压器，所述至少一个变压器设置有连接到至少一个次级变压器的至少一个初级变压器，连接到所述次级变压器的至少一个整流器，以及连接到位于所述用户装置上游的所述至少一个整流器的至少一个转换器。
27.所述至少一个整流器和所述至少一个转换器通过直流电中的至少一个中间连接电路连接，也称为直流环节。
28.根据本发明的一个特征方案，所述中间连接电路包括由至少一根超导电缆制成的至少一段线路。
29.特别地，所述中间电路在直流电中将供电系统的第一部分和供电系统的第二部分彼此分开，所述第一部分被配置为将由电网供应的交流电中的电能转换为具有期望电压值和电流值的直流电中的电能，所述第二部分被配置为将直流电中的电能转换为交流电中的电能，并调节供应给所述用户装置的电压和电流的值和频率。
30.有利的是，通过使用一根或多根超导电缆来制造一段或多段电力线路，能够生产供电设备，特别是用于钢铁工业应用，其允许以限制通过在供电线路上传输电能引起的正常损耗(例如由于焦耳效应引起的损耗)的有效、经济的方式，即使在高能量吸收的情况下，将至少一个用户装置连接到至少一个电网。
31.由于使用超导电缆来制造中间连接电路的至少一部分，所以能够以能够忽略的损耗将供电系统的第一部分和第二部分彼此分开和隔开，例如隔开几十到几百米之间，或者甚至几千米。
32.因此，本供电设备基本上免于与电网和用户装置之间的距离相关的约束，或者也免于与各种部件和电力设备之间的距离相关的约束，即，其允许在必要时且以有效的方式在供电设备的部件之间提供非常可变和灵活的距离，例如由于需要扩建钢铁厂、安装新部件或其他。
33.在一些实施例中，所述用户装置能够是以交流电供电的电炉，例如电弧炉。
34.由于使用超导电缆来制造中间连接电路的至少一部分，所以能够将供电系统的第一部分和第二部分彼此分开和隔开，例如分开几十米到几百米之间。
35.在一些实施例中，所述供电系统能够包括多个供电模块，各个供电模块包括具有各自的初级变压器和次级变压器的至少一个变压器、连接到次级变压器的整流器、直流电中的中间电路和转换器。
36.优选地，各个供电模块包括用于供电电网的各相的次级变压器、整流器和转换器。
37.各个供电模块的所述整流器和所述转换器能够共享同一个中间电路。
38.根据进一步的实施例，所述供电系统的所述第一部分，即，各个供电模块的第一部分，能够位于第一建筑物内，并且所述供电系统的所述第二部分，即，各个供电模块的第二部分，能够位于第二建筑物内，其中各个供电模块的这些部分通过由至少一个超导电缆制成的一段或多段线路连接。
39.有利的是，由于连接模块的第一和第二部分的所述段线路处于直流电中并且由超导体电缆制成，所以供电系统在电网和用户装置之间具有几乎为零的损耗。
40.这也是由于超导体电缆在运送直流电方面特别有效的事实。
41.以这种方式，能够将供电模块的部件彼此分开和隔开甚至几十米，而没有由于焦耳效应导致的电压和电流损耗的问题，因此允许对可用空间进行非常通用的管理。
42.在此处和此后的描述中，通过“超导电缆”，我们指的是由被定义为hts(高温超导)的半陶瓷或陶瓷材料，或被定义为lts(低温超导)的金属材料制成的电缆。这些材料，如果置于针对于它们中的每一种的临界温度，则具有对电流的通过基本上零电阻的特性。特别地，所讨论的超导电缆是像根据陶瓷基、或金属基或盐基的bcs(bardeen-cooper-schrieffer)超导理论那样定义的电缆。
43.根据一些实施例，能够设置有连接在所述转换器或每个转换器的下游和所述用户装置的上游的电感器。
44.根据可能的实施例，所述电力线路能够包括至少第一高压/中压变压器，其位于用于连接到所述电网的装置的下游，并且连接到所述供电系统的至少一个变压器。
45.根据一些实施例，所述供电系统能够通过由至少一根超导电缆制成的至少一段线路连接到所述变压器和/或所述电弧炉。
46.根据一些实施例，所述次级变压器和所述整流器能够通过由至少一根超导电缆制成的至少一段线路来连接。
47.根据进一步的实施例，所述转换器和所述电炉通过穿过所述电感器并由至少一根超导电缆制成的一段或多段线路连接。
48.根据其他实施例，所述供电系统的所有段线路都由超导电缆制成。
附图说明
49.本发明的这些和其他方案、特征以及优点将从接下来的一些实施例的描述中变得明白易懂，参照附图将所述实施例作为非限制性示例给出，其中：
[0050]-图1是根据本发明第一实施例的用于钢铁工业应用的电力设备的示意图；
[0051]-图2是根据本发明第二实施例的用于钢铁工业应用的电力设备的示意图；
[0052]-图3是根据本发明第三实施例的用于钢铁工业应用的电力设备的示意图。
[0053]
为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来标识附图中相同的共同元件。所理解的是，一个实施例的元件和特征能够方便地结合到其他实施例中而无需进一步阐明。
具体实施方式
[0054]
现在我们将详细参照本发明的可能的实施例，其中的一个以上的示例在附图中示出。各个示例是以本发明的图示的方式而提供的，并且不应理解为对本发明的限制。例如，示出或者描述的一个以上的特征，因为它们是一个实施例的一部分，所以能够结合其他实施例而变化或者采用，从而产生其他实施例。所理解的是，本发明应当包括所有这些修改和变型。
[0055]
参考附图，例如参见图1，根据本发明的用于用户装置12(例如用于钢铁工业应用或用于玻璃或金属加工行业的电弧炉)的供电设备10a包括用于连接到电网11的装置和用于将电网11连接到电弧炉12的至少一个电力线路13，其中电力线路13包括位于电网11和电弧炉12之间的一个或多个电力设备。
[0056]
电力线路13能够设置有用于连接到电网11和用户装置12的装置。
[0057]
根据一些实施例，用户装置12能够是用交流电12ac供电的类型的电弧炉。
[0058]
电网11例如能够是提供高压电能的电网，特别是以具有预定的市电电压、电流和频率值的交流电。
[0059]
用户装置12也可以是不同类型的熔化炉或加热炉，诸如感应炉、钢包炉或其他，而不是用交流电供电的电弧炉12。
[0060]
设备10a能够包括位于电网11下游的第一变压器14，例如配置为将高压能量转换成中压能量的高压/中压(hv/mv)变压器，其能够通过传统类型的导体17连接到电网11。
[0061]
电力设备10a还包括以交流电为电弧炉12供电的供电系统19，该供电系统19能够通过一段线路27连接到第一变压器14，在该线路27上存在交流市电电压和交流市电电流。
[0062]
根据一些变型，供电系统19能够通过连接设备直接连接到电网11。
[0063]
供电系统19能够包括第一部分15和第二部分16，第一部分15被配置为将市电电流和市电电压从交流电转换成直流电，并且第二部分16被配置为将电流和电压从直流电转换成交流电以供应给电炉12，这两个部分通过中间电路38彼此连接，中间电路38在直流电中工作，并且能够至少部分地用一个或多个超导电缆制造。
[0064]
这允许电能大致无损耗地从供电系统19的第一部分15传输到第二部分16，并且因此能够根据工厂的配置或后勤需求将第一部分15和第二部分16彼此分开，甚至将它们隔开数百米或几公里。
[0065]
供电系统19能够包括至少一个变压器33，该至少一个变压器33连接到一段线路27用于供应市电电压和交流电，并且被配置为将市电电压和交流电转换成基极电压和交流电。
[0066]
根据一些实施例，电网11能够是三相。市电电压和市电电流具有预定的市电频率。市电频率是在50hz和60hz之间选择的值，也就是说，基于安装电炉12的国家的电网频率。
[0067]
变压器33能够包括磁力联接到至少一个次级变压器35的初级变压器34。
[0068]
变压器33能够包括磁力联接到初级变压器34的多个次级变压器35。
[0069]
提供各种次级变压器35的技术方案允许减少电网侧干扰的影响，或者通过变压器33和整流器36的组合来减少电网上交换的谐波含量和无功功率。
[0070]
根据一些实施例，为电网11的各相设置次级变压器35。
[0071]
由变压器33提供的基极电压和基极电流具有由变压器33本身的设计特性预先定义和设定的基极电压、基极电流和基础频率。
[0072]
特别地，基础频率大致等于上面标识的市电频率。
[0073]
另一方面，基极电压和基极电流通过变压器33本身的变压比分别与市电电压和市电电流相关联。
[0074]
例如能够是多抽头类型的变压器33可以设置有调节装置(未示出)，该调节装置设置为根据具体要求选择性地调节变压器33的电变压比。
[0075]
供电系统19还包括至少一个整流器36，其沿着电力线路13a布置在变压器33的下游，特别是连接到次级变压器35。
[0076]
根据一些实施例，例如参考图3和4描述的，供电系统19能够包括多个整流器36，所述多个整流器36连接到变压器33并且被配置为将基极电压和基极交流电变换成直流电压
和直流电流。
[0077]
整流器36优选设置为连接在每个次级变压器35的下游。
[0078]
具体地，整流器36允许将基极电压和基极交流电流整流成相应的直流电压和直流电流。
[0079]
整流器36能够从包括二极管电桥和晶闸管电桥的组中选择。
[0080]
根据可能的技术方案，例如，整流器36包括从包括二极管、scr(可控硅整流器)、gto(门极可关断晶闸管)、igct(集成门极换流晶闸管)、mct(金属氧化物半导体可控晶闸管)、bjt(双极结晶体管)、mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管)、igbt(绝缘栅双极型晶体管)以及sic(碳化硅装置)的组中选择的装置。
[0081]
一个或多个次级变压器35能够通过由至少一根超导电缆制成的一段线路28连接到对应的整流器36。
[0082]
供电系统19能够包括多个转换器37，所述多个转换器37连接到整流器36并被配置为将直流电压和直流电流转换成电压和交流电流，用于为电弧炉12的电极供电。
[0083]
优选地，转换器36设置为连接在各个整流器35下游。
[0084]
例如，转换器37能够包括从包括scr(可控硅整流器)、gto(门极可关断晶闸管)、igct(集成门极换流晶闸管)、mct(金属氧化物半导体可控晶闸管)、bjt(双极结晶体管)、mosfet(金属氧化物半导体场效应管)、igbt(绝缘栅双极型晶体管)和sic(碳化硅装置)的组中选择的装置。
[0085]
根据可能的技术方案，一个或各个整流器36通过在直流电流中工作的至少一个中间电路38连接到转换器37。
[0086]
一个或多个变压器33和一个或多个整流器36包括在供电系统19的第一部分15中，而一个或多个整流器36包括在供电系统19的第二部分16中。
[0087]
中间电路38被配置为存储直流电能，并在供电系统19的第二部分16和第一部分15之间产生分隔，并且特别是在示例情况下，在电弧炉12的电极和整流器36之间，以及因此与电网11产生分隔。
[0088]
特别地，由金属熔化处理导致的快速功率波动通过中间电路38被部分过滤，减轻了对电网11侧的影响。
[0089]
该中间电路38包括由至少一根超导电缆制成的一段或多段线路31。
[0090]
由于使用了由至少一根或多根超导电缆制成的一段或多段这样的线路31，能够增加连接到电网11的装置和电弧炉12之间的距离，在传统的工厂中，根据工厂的不同需要，例如部件或零件的扩展、增加或分隔，或者其他，该距离通常包括在几米与大约20-40米之间。
[0091]
与该行业中通常使用的导体电缆相比，这些超导电缆的特征在于具有小得多的截面尺寸，并且在直流电dc中几乎为零损耗，在交流电流ac中损耗极低。
[0092]
例如，这种超导电缆能够至少部分地由二硼化镁或其他开发为实现超导的合金制成。与该行业中使用的铜导体电缆的截面相比，超导电缆的截面非常小；因此，对于相同的截面，超导电缆传输的电流比传统电缆多得多。
[0093]
例如，在确定电力电缆的尺寸时，这些电力电缆从铜的大约1.5a/mm2的能力到直流dc超导电缆的大约1000a/mm2的能力。
[0094]
优选地，由一根或多根超导电缆制成的多段线路31被强制冷却到20-30k(-240℃)
的温度。事实上，这使得所述段线路31的电阻变为能够忽略的值，甚至在直流dc中几乎为零，从而允许大量电子有利地通过，并因此传输大量电流。
[0095]
这种冷却能够例如通过制冷剂流体流过的多段线路31的同轴涂层来实现，制冷剂流体诸如是诸如氮气或氦气的液态气体，多段线路能够由另一种简单的或有波纹的管制成。
[0096]
制成这些多段线路31的超导电缆也能够或多或少是刚性的，以便允许直的或弯曲的地下安装。
[0097]
如果电网的各相都有整流器36和转换器37，那么所有的整流器36和转换器37能够共享由超导电缆制成的相同的中间电路38。
[0098]
在图1-3所示的供电系统19中，包括具有一个或多个整流器36和一个或多个转换器37的变压器33的每个单元作为整体限定了供电模块39。
[0099]
根据使用需要，供电系统19能够设置1个与“n”个之间的供电模块，或者其能够设置有彼此并联地连接到电网11和电弧炉12的多个供电模块39。
[0100]
在图3中以示例方式示出的实施例中，示出了单个供电模块39，而在图1和2中，示出了用数字1、2、n表示的3个模块，其中n能够等于3或更大，例如10、12、24、40、48、60或中间值，或者大于60。
[0101]
几个供电模块39的组合允许获得供电系统19，该供电系统19能够相对于将被供电的电弧炉12的具体尺寸而改变尺寸。
[0102]
在每一个转换器37的下游，还能够设置电感器40，其有助于供电系统19的总电抗。
[0103]
位于转换器37下游和电弧炉12上游的多段线路30能够至少部分地由至少一根超导电缆制成。
[0104]
根据一些实施例，将高压/中压变压器14和中压/中压变压器33彼此连接的所述段线路27也能够由至少一根超导电缆制成。
[0105]
由于超导电缆的使用，所述段线路27能够根据任何长度制成，从少许直到一公里以上。目前，在为电弧炉供电的电力设备中，该段线路27为大约几十米或者几百米。
[0106]
由于使用了一根或多根超导电缆，甚至一千米以上的超导电缆，也能够以明显更长的长度制作将各个转换器37连接到电炉12的所述段线路30(其长度目前等于大约30米)。
[0107]
在图2和3的电力设备10b、10c的示例中，供电系统19大致被分成两个单独的建筑物41和42，例如建筑物41能够是变电站，而建筑物42能够是钢铁厂。
[0108]
特别地，配置为将市电电流和市电电压从交流电转换成直流电的供电系统19的第一部分15能够布置在第一建筑物41中，而配置为将电流和电压从直流电转换成交流电以供应给电炉12的供电系统19的第二部分16能够与电炉12一起布置在第二建筑物42中。
[0109]
第一部分15和第二部分16通过由一根或多根超导电缆制成的直流电中的所述段线路31相互连接。
[0110]
因此，我们假设供电系统19的一个或各个供电模块39被分成两个单独的部分，包含在第一建筑物41中的第一部分39a和包含在第二建筑物42中的第二部分39b。这些部分39a和39b通过由至少一根超导电缆制成的所述线路段31连接。
[0111]
电力线路13d从电网11开始展开，其电连续性在建筑物41的整流器36和建筑物42的转换器之间通过所述段线路31来保证。从一个建筑物到另一个建筑物的这些段线路31特
别是在直流电中损耗几乎等于零地限定中间电路38的所述段线路31。这些段线路31由一根或多根超导电缆制成，因此能够随意选择两个建筑物41和42之间的距离，并且甚至能够是大约一公里以上。
[0112]
举例来说，我们假设位于第一建筑物41中的第一部分39a包括变压器33和整流器36，而位于第二建筑物42中的第二部分39b包括转换器37、电感器40和将电流运送到电弧炉12的所述段线路30。
[0113]
如图1的示例所示，这些段线路30也能够由一根或多根超导电缆制成。
[0114]
如前所述，为了正常运行，各段线路27、28、30、31的超导电缆需要以非常强有力的方式冷却。
[0115]
这能够使用例如适当定位在电力设备10a-10c中的低温冷却单元来完成。例如在由二硼化镁制成的超导体的情况下，冷却手段通常是氦。
[0116]
然而，根据构成超导电缆的材料的类型，可以想到诸如氧气、氮气、氢气和/或它们的组合的其他气体。
[0117]
对于需要高电流的应用，诸如感应熔化炉或感应加热炉或其他，也能够采用超导电缆。
[0118]
清楚的是，在不脱离本发明的领域和范围的情况下，可以对上述电力设备进行部件的修改和/或添加。
[0119]
同样清楚的是，尽管已经参考一些具体的示例描述了本发明，但是本领域的技术人员无疑应当能够实现具有如在权利要求书中提出的特征的许多其他等同替代形式的电力设备，并且因此全部落入由此限定的保护范围内。
[0120]
在下面的权利要求书中，括号中的附图标记的唯一目的是便于阅读：它们不应该被认为是关于具体权利要求中要求保护的领域的限制性因素。