Prądowe parametryczne źródła rezonansowe do zasilania odbiorników łukowych

ZESZY TY N A U K O W E P O LITEC H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: ELEK TR Y K A z. 172

2000 N r kol. 1470

Tadeusz R O D A CK I W itold B R Y ŁK A

PRĄDOWE PARAMETRYCZNE ŹRÓDŁA REZONANSOWE DO ZASILANIA ODBIORNIKÓW ŁUKOWYCH

S treszczen ie. O pracow anie dotyczy param etrycznego prądow ego rezonansow ego źródła prądow ego służącego do zasilania różnorodnych odbiorników łukow ych. Przedstaw iona tu została ogólna zasada działania tego urządzenia oraz podstaw ow e rodzaje źródeł rezonansow ych i ich praktyczne sposoby realizacji. O pisane zostały rów nież sposoby regulacji prądu roboczego w pow yższych układach.

PARAMETRICAL CURRENT POWER SOURCES FOR SUPPLYING OF ARC RECEIVERS

S u m m a ry . This paper concerns the problem o f the param etrical current sources, which use property o f alternating current circuit w ith electric resonance. These sources can be applied to supply various arc receivers. The paper contains principle o f operation and methods o f realization o f param etrical sources. M ethods o f control o f w ork current are given, too.

1. W P R O W A D Z E N IE

N ow oczesne technologie z zastosow aniem nagrzew ania łukow ego i plazm ow ego należą do najbardziej uniw ersalnych i najszybciej rozw ijających się. C harakteryzują się one m ałą ilością stadiów przeróbki m ateriału i niew ielką ilością odpadów, dużą szybkością i w ysoką ja k o ścią obróbki elem entów konstrukcyjnych. Jest m ożliw e elastyczne sterow anie przy w ykorzystaniu najnow ocześniejszych środków autom atyki. Technologia łukow a znajduje zastosow anie w elektrom etalurgii żelaza i metali kolorow ych, w procesach przeróbki metali i stopów z niskogatunkow ych odpadów i złom u, do uzyskiw ania stopów jakościow ych, bezpośredniej redukcji metali z tlenków , do spajania i cięcia detali, do obróbki wymiarowej i pow ierzchniow ej oraz przy otrzym yw aniu m ateriałów optycznych i półprzewodnikow ych struktur m onokrystalicznych.

124 T.R odacki ,W .Bryłka

Procesy elektrochem iczne i elektrotechnologiczne należą do najbardziej energochłonnych, dlatego problem konstruow ania w yspecjalizow anych układów, o najlepszych w łasnościach techniczno-ekonom icznych do zasilania tego typu urządzeń, jest bardzo istotny. S pecyfika znacznej części urządzeń elektroterm icznych polega na tym , że u zyskują one optym alne w arunki pracy przy ustabilizow anym prądzie roboczym . Dla urządzeń łu kow ych objaw ia się to popraw ą stabilności w yładow ania, dla urządzeń podlegających praw u F aradaya (elektrolizery, urządzenia elektrochem iczne) - stabilizacją technologicznego procesu, a dla urządzeń elektronow ych - redukcją strukturalnej niestabilności pow stającej w w yniku w zajem nego naśw ietlania katody i nagrzew anego wsadu.

Należy zauw ażyć, że w urządzeniach tych opór obciążenia zm ienia się zazw yczaj w bardzo szerokim zakresie, czasem od zera do nieskończoności. Stabilizacja prądu przy zmiennej im pedancji w ew nętrznej obciążenia je st m ożliw a w yłącznie z układem zasilania o stromej charakterystyce zew nętrznej. C harakterystykę ta k ą m ożna otrzym ać za pom ocą dodatkowych rezystancji lub reaktancji, co je s t jed n ak nieekonom iczne i technologicznie nieracjonalne.

R óżnego rodzaju przekształtniki m echaniczne lub system y zasilające budow ane w postaci zam kniętych układów regulacji autom atycznej często charakteryzują się n iską sprawnością.

W śród urządzeń zapew niających stabilizację prądu obciążenia, obok energoelektronicznych układów przekształcających, rezonansow e źródła prądow e w ydają się bardzo obiecujące z uw agi na korzystne w łasności stabilizacyjne i w zględy ekonom iczne.

2. Z A S A D A D Z IA Ł A N IA

P aram etrycznym , rezonansow ym źródłem prądow ym przyjęto nazyw ać statyczny układ przekształcający złożony z nieregulow anych pasyw nych elem entów połączonych według określonego schem atu i posiadający strom o opadającą charakterystykę zew nętrzną [2]. Zasada działania takiego układu opiera się na w ykorzystaniu rezonansu w obw odzie prądu przem iennego. U kład zasilany je s t z trójfazow ej sieci prądu przem iennego. O bciążenie Z A w łącza się w gw iazdę w ten sposób, że jego jed en zacisk w łącza się bezpośrednio w fazę A, natom iast drugi poprzez indukcyjność L i pojem ność C do dw óch pozostałych faz sieci.

Prądow e param etryczne źródła. 125

Rys. 1. S chem at zasadniczy param etrycznego źródła prądowego Fig. 1. Fundam ental schem e o f a param etrical source

Schem at z rysunku 1 m ożna opisać układem rów nań wynikających z praw Kirchoffa:

ZąI A + ^ B ^ R = U A B '

Z( i ( + Z j A = u CA, (1)

Ia + I r + I i: = ° -

Rozw iązanie układu rów nań (1) w zględem prądu IA m a postać:

I A = UabZc UcaZb (2)

Z A ( ^ B

Zc ) ZgZc

U kład odgryw a rolę źródła prądow ego w zględem fazy A, jeśli spełniony je st warunek:

Z B+ Z c = 0 , (3)

stąd ja>L = j — , (3a)

( O t

zatem Zh = - Z c = j X . (3b)

Jest to rów noznaczne w łączeniu idealnej pojem ności i idealnej indukcyjności o równych w artościach reaktancji. R ezystancje tych elem entów są równe zeru, a wartości im pedancji w ynikają z w arunku rezonansu dla częstotliw ości napięcia zasilania. W takim przypadku prąd obciążenia wynosi:

126 T.R odacki .W .Bryłka

1 — — U rc

I \ = - j (U AB + U c a ) = j — — ■ (4)

X X

N apięcie na obciążeniu je s t proporcjonalne do im pedancji obciążenia

U A* = Z j A-

Fizyczne zasady działania układu m ożna przedstaw ić w następujący sposób. Przy zw artej im pedancji obciążenia Z A potencjał zerowego punktu w ęzłow ego 0 je st równy potencjałow i fazy A i prąd w gałęzi obciążenia określa się w ektorow ą sum ą prądów elem entów biernych w łączonych na napięcia fazowe sieci. Im w iększa w artość im pedancji Z A, tym układ je st b liższy pracy rezonansow ej i tym w iększe są napięcia na elem entach biernych oraz w yższy je s t potencjał punktu zerow ego w zględem punktu A. W zrost napięcia na roboczej gałęzi kom pensuje w zrost im pedancji obciążenia, w zw iązku z czym prąd płynący przez obciążenie nie zm ienia się. Z w arcie obciążenia nie w yw ołuje w zrostu prądu obciążenia i je st norm alnym roboczym trybem pracy układu. Przerw a w obw odzie obciążenia doprow adza do rezonansu w obw odzie BOC, składającym się z szeregow o połączonej pojem ności C i indukcyjności L o jednakow ych reaktancjach. Prądy i napięcia na reaktancjach układu gw ałtow nie r o s n ą a napięcie na obciążeniu dąży przy tym do nieskończoności.

Przerw a w fazie A je s t aw aryjnym trybem pracy i konieczne je st natychm iastow e w yłączenie układu.

Z w yrażenia (2) w ynika, że w rzeczyw istym źródle prądow ym z cew kam i o skończonej dobroci (straty aktyw ne w kondensatorach są znikom o małe i m ożna je pom inąć) niem ożliw e je st osiągnięcie absolutnej niezm ienności prądu IA , przy zm ianach im pedancji Z A. W łasności układu rzeczyw istego są tym bliższe w łasnościom układu idealnego, im w iększa je st dobroć cew ek Q. Przy praw idłow o skonstruow anej cewce, gdzie dobroć Q > 30, zm iany prądu IA przy zm ianach im pedancji obciążenia w pełnym zakresie od zw arcia do w artości znamionowej w ynoszą od 4 -6 %.

W ektorow y w ykres napięć i prądów źródła przedstaw iono na rys. 2. Prąd obciążenia IA m a w artość sta łą i zaw sze w yprzedza w ektor napięcia U b c o kat n/2. Przy obciążeniu czynno- indukcyjnym w ektor napięcia UA0 wyprzedza w ektor prądu IA o kąt (pA.

Prądowe param etryczne źródła... 127

A

C

'I

B NOM

Rys. 2. W ykres w ektorow y prądów i napięć param etrycznego źródła prądow ego Fig. 2. V ectorial current and voltage diagram

Trójfazow e źródło prądu m ożna uzyskać przez odpow iednie połączenie trzech źródeł jednofazow ych. Param etryczne źródło prądu może być w ykorzystane do zasilania odbiornika stałym prądem . Jak w iadom o, prostow nik zniekształca przebiegi prądów fazowych transform atora, co je s t rów noznaczne pojaw ieniu się w yższych harm onicznych naruszających rezonansow y tryb pracy układu. Param etryczne źródła prądow e zazwyczaj popraw nie pracują w zespole z prostow nikam i, które nie pow odują przerw w przebiegach fazow ych prądów transform atora (trójfazow y lub jednofazow y układ m ostkow y), albo pow odującym takie przerwy w pobliżu przejścia przebiegu przez zero (układ gwiazda odw rócona - gwiazda z dław ikiem w ygładzającym ).

3.U K Ł A D Z T R A N SFO R M A T O R E M DO PA SO W U JĄ C YM

W praktyce zasilanie w szystkich odbiorników przeprow adza się przez transform ator dopasow ujący T r (rys.3). Przy zm ianie im pedancji obciążenia proporcjonalnie zm ienia się napięcie na pierw otnym uzw ojeniu transform atora. Roboczy punkt na krzywej m agnesow ania (rys.4) przem ieszcza się od punktu 0 (Uzw»0), odpow iadającem u zw arciow em u trybowi pracy, w górę do punktu A, odpow iadającem u pracy przy znamionowej impedancji obciążenia. Transform atory mocy przeznaczone do pracy w param etrycznym źródle prądu dobiera się w ten sposób, że punkt A odpow iadający ich znam ionow em u trybowi pracy, w celu zachow ania w łaściw ości stabilizujących układu, położony je st na liniowym odcinku charakterystyki w pobliżu kolana krzywej m agnesowania. Zm iana napięcia na uzwojeniu

128 T .R odacki .W .Bryłka

pierw otnym transform atora (rys.4) doprow adza do zm iany prądu m agnesującego Io transform atora. Jeżeli układ źródła prądow ego posiada w łasność utrzym yw ania niezm iennego prądu IA w uzw ojeniu pierw otnym transform atora, a prąd obciążenia I o b c określony je st jako sum a w ektorow a p rądu uzw ojenia pierw otnego Ia i prądu m agnesow ania Io, zm iana prądu m agnesującego Io w prow adza dodatkow y błąd regulacji prądu obciążenia I0 bc W typow ych transform atorach błąd ten je s t m niejszy niż 1% w pełnym zakresie zmiany im pedancji obciążenia. Przy zasilaniu obciążenia przez transform ator przerw a w obwodzie odbiornika nie doprow adza do rezonansu napięć na reaktyw nych elem entach układu. W tym przypadku (przy I o b c = 0 ) cały prąd gałęzi obciążenia IA je st prądem m agnesującym I0j transform atora i prąd Ioj osiąga w artość 10-20 razy w yższą od prądu Io n o m - Prądowi Ioj odpow iada now y p unkt roboczy B na krzywej m agnesow ania i napięcie Uj na pierwotnym uzw ojeniu transform atora. Położenie punktu B określone je s t kształtem krzywej m agnesow ania transform atora i w yborem roboczego punktu U n o m przy znam ionow ym prądzie obciążenia. W ten sposób, dzięki nieliniow em u charakterow i krzywej m agnesowania, przerw a w obw odzie obciążenia nie pow oduje tak gw ałtow nego w zrostu napięcia w yjściow ego. D la standardow ych transform atorów m ocy w artość Uj zaw iera się w granicach

1 , 2 — 1 , 3 5 U n o m •

A

Rys. 3. U kład źródła z transform atorem dopasow ującym Fig. 3. S chem e o f a source w ith m atching transform er

Prądowe param etryczne źródła. 129

Rys. 4. K rzyw a m agnesow ania transform atora Fig. 4. B-H curve

4. M E T O D Y R E G U L A C JI PRĄDU RO BO C Z EG O

Istnieją dw ie m ożliw ości regulacji prądu U gałęzi z obciążeniem . Pierw szy sposób pozw ala na płynną regulację prądu IA (praktycznie w zakresie od 100% do 50% ) w wyniku płynnej zm iany napięcia zasilającego. D latego przed źródłem prądu pow inien być włączony autotransform ator dobrany na znam ionow ą m oc źródła. Taki sposób regulacji znacznie podnosi koszty urządzenia, pogarsza je g o energetyczne w łaściw ości i m oże być stosowany jedynie w źródłach stosunkow o niskiej mocy.

D ragi sposób pozw ala na płynną regulację prądu IA w przedziałach 100-25% na drodze synchronicznej zm iany o pora biernych gałęzi źródła. N a rys.6 pokazany je st prostszy układ, pozw alający przez przełączanie tylko pojem nościow ych elem entów, na uzyskanie zmiany reaktancji źródła przy ścisłym zachow aniu równow agi ram ion z elem entam i biernym i. Przy przełączeniu części baterii kondensatorów ram ienia pojem nościow ego OC do gałęzi indukcyjnej OB rezonans zostanie zachowany, przy czym reaktancja obw odu wzrośnie.

Rys. 5. Stopniow a regulacja prądu obciążenia przez równoległe przełączenie części pojemności do gałęzi z indukcyjnością

Fig. 5. G radual control o f the receiver current by switching the part o f capacitors to inductive Branch

130 T.R odacki .W .Bryłka

A

Rys. 6. Płynna regulacja prądu obciążenia przy podłączeniu obciążenia przez autotransform ator

Fig. 6. Fluent control of the receiver current when using an autotransform er

A

Rys. 7. Stopniow a regulacja prądu obciążenia przez przełączanie zw ojów transform atora Fig. 7. G radual control o f the receiver current w hen using a coil sw itching transform er

Przy p odłączeniu obciążenia przez transform ator dopasow ujący pojaw ia się m ożliw ość regulacji prądu obciążenia n a drodze zm iany przekładni transform atora płynnej, jeśli w układzie w ykorzystuje się autotransform ator (rys.6), lub stopniowej (rys.7). Regulacja przebiega w dół od w artości nom inalnej. W układzie przedstaw ionym na rys.7 skokow ą zm ianę prądu gałęzi roboczej uzyskuje się przez przełączanie poszczególnych stopni ( W u do W i n) pierw otnego uzw o jen ia transform atora za pom ocą styczników (I do N).

U niw ersalny u kład pozw alający na płynną regulację prądu roboczej gałęzi IA przedstaw ia rys. 8 . R óżni się on od rozpatryw anego powyżej tym, że w fazę A szeregowo z obciążeniem w łączona je st dodatkow a indukcyjność Ld, sprzężona m agnetycznie z indukcyjnością L w fazie B. C ew ki Ld i L m ogą być w łączone zgodnie lub przeciwnie.

Prądow e param etryczne źródła. 131

Prąd IA o k reślo n y jest następującym wyrażeniem :

gdzie: X D - opór dodatkowej indukcyjności Ld,

M - w spółczynnik sprzężenia m agnetycznego cew ek L i Ld-

A

Rys. 8. Schem at sterow anego źródła parametrycznego Fig. 8. Schem e o f a steerable parametrical source

Przez płynną zm ianę indukcyjności w zajem nej m ożliw a je st płynna regulacja prądu IA.

Przy każdej z w artości w spółczynnika M w artość prądu Ia nie zależy od impedancji obciążenia. Z e w zrostem głębokości regulacji prądu Ia rośnie zainstalow ana m oc reaktywnych elem entów układu. E konom icznie uzasadniona je st płynna regulacja prądu w zakresie do 50%

w artości znam ionow ej. Jeśli wym agany je st wyższy zakres regulacji, należy zastosować regulację m ieszaną - stopniow ą przez przełączanie zw ojów transform atora i płynną wewnątrz każdego stopnia.

Poniżej przedstaw iono przykłady schem atów praktycznie zrealizow anych urządzeń, które w ykorzystują w swej strukturze param etryczne prądowe źródła rezonansow e [1], Na rysunku 9 zaprezentow ano układ zasilania odbiorników plazmowych. Dzięki zastosowaniu styczników Q Si, Q S2,QS3 uzyskuje się w tym układzie m ożliw ość różnorodnego przełączania prostow ników zasilających. Istnieje m ożliw ość ich podłączenia szeregowego, równoległego oraz odłączenia dow olnego z prostow ników . Rysunek 10 przedstaw ia trójfazowy układ zasilania pieca łukow ego.

132 T .R o d a c k i,W .Bryłka

Rys. 9. Podstaw ow y schem at źródła zasilania odbiorników plazm ow o-łukow ych Fig. 9. F undam ental schem e o f a source for supplying plasm a-arc receivers

Rys. 10. T ransform atorow y agregat do zasilania łukow ych pieców do topienia stali, w ykorzystujący param etryczne źródło prądowe

Fig. 10. T ransform er pow er source w ith a param etrical current source for steel m elting arc furnace supply

Prądow e param etryczne źródła.. 133

5. U W A G I K O Ń C O W E

E konom iczne w łasności układu param etrycznego są bardzo wysokie. Straty w układzie w ystępują w łaściw ie tylko w aktywnych oporach cewek. Przy popraw nie skonstruowanych cew kach (Q > 30) znam ionow a sprawność nie sterowanego źródła przew yższa 99%, a sterow anego źródła 97% . W łasnością charakterystyczną układu trójfazowego źródła jest przekształcanie w zględem sieci fazowego zm iennego kąta obciążenia na przeciw ny. Oznacza to, Ze przy indukcyjnym charakterze obciążenia układ zwraca do sieci moc b ierną i może służyć do kom pensacji indukcyjnego obciążenia innych odbiorników. Praktycznie wartość w spółczynnika m ocy coscp przy znam ionow ym obciążeniu nie spada poniżej 0,85 (poj.).

Istotny je s t fakt, że układy te są odporne na przepięcia i przetężenia, co stanowi ich niew ątpliw ą zaletę. P ow ażnym m ankam entem om aw ianych układów je st dosyć duży błąd regulacji, utrzym ujący się na poziom ie 4—6%. N ie bez znaczenia są rów nież znaczne gabaryty elem entów układu, a w konsekwencji i sam ego urządzenia. U kłady rezonansowe charakteryzują się popraw nym i param etram i elektrycznym i i ekonom icznym i, cechuje je prostota konstrukcji, niezaw odność pracy i odporność na niekorzystne czynniki zewnętrzne.

D odatkow ą zaletą je st m ożliw ość kom pensacji mocy biernej. O bok półprzew odnikow ych układów przekształtnikow ych źródła rezonansow e są bardzo obiecującym rozwiązaniem technicznym . M ożna w ykorzystać jako układy zasilające między innym i łukow e piece do topienia stali, próżniow e piece łukow e, piece plazm owe, urządzenia elektronowe, elektrolizery i urządzenia do obróbki w ym iarow ej. Należy pam iętać, że każde z tych urządzeń posiada odm ienne warunki pracy, zatem konieczny je st właściw y dobór parametrów i konstrukcji źródła, które będzie spełniało staw iane m u przez odbiornik w ym agania.

LITER A TU R A

1. Liebiedinskaja N. A.: Istoczniki pitanija eliektrotierm iczieskich i eliektrosw arocznych ustanow ok.N ow osibirskij Eliektrotiechniczieskij Institut, N ow osybirsk 1981.

2. Smielanskij M. J.: A w tom aticzieskoje riegulirow anije eliektriczieskich piecziej.

M askowskij O rdiena L ienina Eliektrotiechniczieskij Institut, M oskw a 1979.

3. K ruczynin M .A. Saw icki A.: U rządzenia elektrotechnologiczne z nagrzewaniem łukowym i plazm ow ym , W ydaw nictw o Politechniki Częstochowskiej, Częstochow a 1997.

134

Recenzent: Dr hab. inż. C zesław Sajdak, prof. Pol. Śl.

______________________________ T .R o d a c k i,W .Bryłka

W płynęło do R edakcji dnia 4 kw ietnia 2000 r.

A b s tr a c t

Param etrical current source is a circuit com posed o f reactive inductive and capacity com ponents. The circuit m ust have a steep falling output characteristic. The principle o f operation is based on property o f alternating current circuit w ith electric resonance. Because o f connecting the receiver through a m atching transform er, we can avoid abrupt increase in voltage on the receiver in case o f rupturing o f electrical arc. It can be achieved by an appropriate location o f w orking point on the B-H curve o f the transform er. There are a few m ethods o f w ork current control. W e can m ake it by changing the supply voltage o f the source or changing reactance o f reactive branches (by sw itching a few capacitors from the capacity branch to the inductive branch). D ue to connecting the receiver through autotransform er or coil sw itching transform er, w e can change the current o f the receiver, too. For the work current control w e can also use an additional coil, coupled w ith the m ain coil o f the source. By m odulation o f m agnetic coupling coefficient o f coils, the value o f current can be changed. A com bination o f control m ethods is possible. W e can com bine the gradual and fluent methods o f current control inside the each stage.

Econom ical properties o f such a source are favorable. Losses o f energy in the circuit appear only in resistance o f the coils. If the coils are properly constructed (Q>30), the declared value o f efficiency is very high (97-99 percent). The very im portant property is the fact that the source can transform the value o f the receiver phase angle to the opposite one. It m eans that at an inductive receiver, the circuit returns the passive pow er to the pow er network and it can be used for com pensation o f inductive load o f other receivers. Practically the value o f cosij) does not decrease below 0,85 (capacity m eaning). Param etrical sources are resistant to overcurrent and overvoltage. Serious shortcom ing o f these circuits is a significant value o f control error (4-6 percent). U nfortunately the dim ensions o f the com ponents are significant, so the source is sizeable.

R esum ing the param etrical sources have got good electrical and econom ical param eters. V ery sim ple structure m akes them be reliable. The possibility o f com pensation o f reactive pow er is a very im portant advantage, too. For these reasons, the param etrical sources are a very interesting technical solution.

T he param etrical sources can be used for supplying the arc furnaces for steel m elting, vacuous arc and plasm a furnaces, contouring arc attachm ents, electrolysers and other arc receivers. W e have to rem em ber that each device has got different w orking conditions, so the pow er supply m ust be chosen properly.