Электрическая система

Принцип работы электродуговой печи подобен обычной лампочке. Электричество пропускается через среду с определенным сопротивлением. Электроэнергия преобразуется в теплоту по первому закону Джоуля:(ФОРМУЛА)

P мощность [Вт], R сопротивление [Ом]

Так как целью является максимальный расход электроэнергии, печь работает с очень высоким током и относительно низким напряжением. Цели поставщика электроэнергии прямо противоположны, и электроэнергия поступает на площадку с очень высоким напряжением. Напряжение понижается трансформаторами по следующей формуле:(ФОРМУЛА)

V_p первичное (= поступающее) напряжение, V_s вторичное (= исходящее) напряжение, N_p количество первичных обмоток, N_s количество вторичных обмоток.

Два высоковольтных трансформатора, расположенные на подстанции завода, понижают "сетевое" напряжение до 35кВ для трансформаторов печи. Фиксированные компенсаторы ВАр снижают сетевые помехи, компенсируют реактивную мощность и улучшают коэффициент мощности. Используя второй комплект вторичной обмотки, ВВ трансформаторы также подают ток 10кВ на низковольтные трансформаторы завода и крупные электродвигатели (например, вытяжных вентиляторов вспомогательного обеспыливания).

Таблица 3.6 Свойства трансформаторов завода

Трансформатор	Напряжение на первичнои обмотке	Напряжение на вторичной обмотке		Количес тво отводов
ВВ трансформатор (2х)	220 кВ	35/10 кВ
Трансформатор печи (4х)	35 кВ	745 - 1660 В
НВ трансформатор(~40x)	10 кВ	400/690 В

Перед трансформатором печи, переменный ток разделяется на два отдельных трехфазных. Один из трансформаторов выдает вторичное напряжение "звезда", а второй - "треугольник". Между двумя наборами 3 фаз используется смещение фаз 30° (см. Рисунок 6), что дает более ровное питание пост. тока.

Рисунок 6: Трансформация потенциала в печи (отображенное на графике вторичное напряжение - максимально возможное со средним потенциалом 1050 В)

Регулировка вторичного напряжения на трансформаторе печи выполняется переключателем отводов, который выбирает количество первичных обмоток (N_p). Повышение положения отвода вызывает снижение вторичного напряжения, и наоборот. Переключатель отводов - моторизованный, и работает под нагрузкой, то есть изменение вторичного напряжения происходит без его прерывания.

Выход трансформатора печи проходит через две системы тиристора и выпрямителя, где выполняется преобразование переменного тока в постоянный (см. рис. 7 - черные линии обозначают переменный ток, синие - постоянный). Реактор пост. тока "сглаживает" напряжение кажущаяся, реактивная и активная мощность.

Рисунок 7. Схема электропитания тока. Рисунок 8. Чертеж реактора постоянного тока

В электрических печах существует три основных показателя электроэнергии:

- Сколько энергии закуплено у поставщика.

- Сколько электроэнергии потеряно в трансформаторах, кабелях, электродах и прочи результате индукции.

- Сколько электроэнергии фактически использовано для расплавки материала.

Целью является максимально эффективное использование приобретенной электроэнергии, то есть максимально использовать ее для производства металла и минимально терять в виде теплоты оборудования или вследствие индукции. Три основных термина, описывающие электроэнергию:

МВА=S=Кажущаяся мощность: Это электроэнергия, поставленная поставщиком на трансформатор, которая затем проходит от трансформатора через сильноточные шины, электроды и ванну.

МВар=Q=Реактивная мощность: Это электроэнергия, потерянная в сильноточных шинах, электродах и печи в результате индукции.

МВт =P = Активная или реальная мощность: Это энергия, использованная для нагрева материалов в соответствии с их сопротивлением в Омах. Малая часть уходит на шины, гибкие элементы, зажимы, и часть на электроды без питания. Основная часть расходуется на электроды, покрытые загруженным материалом, и дугу во внутренней зоне реакции.

Корреляцию между кажущейся, активной и реактивной мощностью можно отобразить при помощи теоремы Пифагора (см. рисунок 9)

В электрических печах различают энергию, использованную на расплавку и проч. (МВт), и энергию, потерянную в результате индукции (МВар).

Cos ф - это соотношение между активной (или реальной) мощностью и энергией, поступившей от трансформатора (кажущаяся мощность), и поэтому он является показателем эффективности использования приобретенной энергии. Множество заводов эксплуатируют печи, поддерживая определенное значение cos ф на фиксированном уровне, так как они знают, что это значение поддерживает оптимальное соотношение между вводом энергии и потерями на индукцию (на основе тока): (ФОРМУЛА)

Рисунок 10. Соотношение между нагрузкой, активной и реактивной мощностью

Объединяя уравнение 3.11 с уравнениями 3.8 и 3.10, получаем следующее:(ФОРМУЛА)

Даже если cosφ близок к 1, это не означает, что энергия используется эффективно! Например, если сопротивление оборудование выше сопротивления дуги, большое количество энергии теряется на нагревательное оборудование и охлаждающую воду.

Наконец, повышение cosφ до максимума приведет к ситуации, когда электроды расположены слишком высоко и производство не проходит качественно. Оптимальный cosφ обычно зависит от геометрии печи и сырья. Оптимальный cosφ для такой работы будет определяться при вводе печи в эксплуатацию, так, как только тогда можно узнать точное поведение и свойства сырья.

Таким образом, мы видим, что более эффективно использовать более высокий коэффициент мощности, то есть когда электроды находятся относительно высоко, но это приведет к повышенным теплопотерям от печи, и, возможно, недостаточной теплоте продукта для обеспечения удовлетворительного выпуска плавки. Если коэффициент мощности слишком низкий, проникновение электродов слишком большое.

В таком случае, кроме пониженное эффективности электроэнергии, существует повышенная опасность повреждения футеровки печи. Особенно при пониженной нагрузке печи, зона реакции может настолько сократиться, что под электродом станет невозможно обеспечить стандартную ванну.

Оптимальные условия эксплуатации, особенно в отношении выпуска плавки, можно ожидать только при работе печи на или около номинальной нагрузки. Выпуск плавки может быть затруднен, если печь эксплуатируется длительное время с нагрузкой менее 60% от номинальной [3]