В сталелитейной промышленности дуговые печи являются основным оборудованием для производства стали. Хотя их крупномасштабное и сверхмощное развитие повысило эффективность производства, их асимметричные, изменяющиеся во времени и нелинейные характеристики нагрузки привели к значительным колебаниям реактивной мощности в линиях электроснабжения, что привело к таким проблемам, как фликер напряжения и увеличение потерь в линии, что серьёзно угрожает стабильности сети и непрерывности производства. Технология компенсации реактивной мощности, являющаяся ключевым решением этих проблем, позволяет в режиме реального времени компенсировать колебания реактивной мощности и оптимизировать качество электроэнергии за счёт создания быстродействующей системы компенсации. В данной статье, основанной на профессиональной технической литературе, объясняются основные принципы, конструкция системы управления и логика применения компенсации реактивной мощности в линиях электроснабжения дуговых печей, что позволяет предприятиям обеспечить стабильную работу дуговых печей.и
I. Основные проблемы электроснабжения дуговых печей: почему компенсация реактивной мощности так важна ?
В период плавки дуговых печей частые изменения трехфазного сопротивления приводят к многочисленным проблемам с качеством электроэнергии в линиях электроснабжения, и компенсация реактивной мощности является целевым решением:
1. Значительные колебания реактивной мощности: компенсация реактивной мощности необходима для компенсации смещения
Ток дуги дуговых печей носит случайный характер, что приводит к значительным кратковременным колебаниям реактивной мощности (частота колебаний достигает 10–50 Гц). Без своевременной компенсации это может привести к частым колебаниям напряжения в сети (диапазон колебаний напряжения до ±10%), что нарушает нормальную работу прецизионного оборудования управления (например, ПЛК и датчиков) на территории завода и может даже привести к остановке соседних производственных линий, что приводит к экономическим потерям. Однако системы компенсации реактивной мощности способны динамически корректировать выходную мощность, компенсируя колебания реактивной мощности в режиме реального времени и стабилизируя напряжение в сети.
2. Асимметрия трёхфазного тока: компенсация реактивной мощности необходима для балансировки
Нелинейные характеристики нагрузки дуговых печей приводят к возникновению большого количества токов обратной последовательности (до 15–20%), что приводит к серьёзной асимметрии трёхфазного тока. Это дополнительно увеличивает потери в трансформаторах и линиях электропередачи (увеличение потерь до 10–15%) и ускоряет старение изоляции оборудования. Благодаря специальной топологии схемы и алгоритмам управления, компенсация реактивной мощности позволяет эффективно балансировать трёхфазные нагрузки, снижать влияние токов обратной последовательности и продлевать срок службы оборудования.
3. Гармоническое загрязнение: для совместной фильтрации
Ток дуги содержит несколько гармоник, таких как 3-й, 5-й и 7-й порядки. При прямом попадании в сеть эти гармоники могут нарушить работу систем релейной защиты и даже спровоцировать резонансные аварии. В системах компенсации реактивной мощности компенсаторы и фильтры работают совместно, не только компенсируя реактивную мощность, но и поглощая гармонические токи, контролируя общий коэффициент гармонических искажений сети в пределах, допустимых национальными стандартами (≤5%), и улучшая совместимость сетей.
II. Принципы компенсации реактивной мощности в линиях электроснабжения дуговых печей: построение быстродействующей компенсационной сети
Основная цель компенсации реактивной мощности в линиях электроснабжения дуговых печей — превратить компенсатор в быстроуправляемую сеть реактивной мощности. Благодаря параллельной топологии постоянных конденсаторов и тиристорно-управляемых реакторов (ТУР) достигается точное регулирование реактивной мощности. Конкретные принципы следующие:
1. Топология компенсатора: совместная логика конденсаторов и TCR
Система компенсации реактивной мощности использует параллельную структуру «постоянные конденсаторы (FC) + тиристорно-управляемые реакторы (TCR)»:
- Постоянные конденсаторы (FC): трехфазная конденсаторная батарея, соединенная по схеме «треугольник», обеспечивает базовую емкостную реактивную мощность для компенсации установившейся потребности в реактивной мощности дуговой печи и снижения нагрузки на регулировку TCR;
- Тиристорно-управляемые реакторы (TCR): подключенные параллельно ПЧ, TCR изменяют выход индуктивной реактивной мощности путем регулировки угла открытия тиристора (α') — чем меньше угол открытия, тем больше индуктивная реактивная мощность; чем больше угол открытия, тем меньше индуктивная реактивная мощность.
При совместной работе преобразователь частоты выдаёт фиксированный ёмкостный ток, а терморегулятор тока (ТКР) — регулируемый индуктивный ток. Сочетание этих двух токов создаёт плавно регулируемый ток компенсации, позволяющий в режиме реального времени отслеживать изменения реактивной мощности дуговой печи и обеспечивать её стабильность в линии электроснабжения.
2. Правила компенсации: вывод соотношения между током компенсации и реактивной мощностью
Для достижения цели компенсации реактивной мощности необходимо вывести зависимость между током компенсации и реактивной мощностью нагрузки дуговой печи, используя метод симметричных составляющих и концепцию комплексной мощности. Предполагая, что напряжение питающей сети представляет собой симметричное трёхфазное напряжение (напряжение фазы A равно V, напряжение фазы B равно a²V, напряжение фазы C равно aV, где a равно e^(-j2π/3)), а реактивные мощности фаз A, B и C дуговой печи равны Qa, Qb и Qc соответственно, требуемый ток компенсации для каждой фазы компенсатора можно описать следующим образом:
- Компенсационный ток между фазами A и B: равен (реактивной мощности фазы A + реактивной мощности фазы B - реактивной мощности фазы C), деленной на (√3, умноженное на напряжение V);
- Компенсационный ток между фазами B и C: равен (реактивной мощности фазы B + реактивной мощности фазы C - реактивной мощности фазы A), деленной на (√3, умноженное на напряжение V);
- Компенсационный ток между фазами C и A: равен (реактивной мощности фазы C + реактивной мощности фазы A - реактивной мощности фазы B), деленной на (√3, умноженное на напряжение V).
Эти соотношения являются основной основой для проектирования систем компенсации реактивной мощности , гарантируя, что ток компенсации может точно соответствовать потребности нагрузки в реактивной мощности и достигать эффективной компенсации реактивной мощности.
III. Система управления компенсацией реактивной мощности линий электроснабжения дуговых печей: четырёхжильные соединения, обеспечивающие точность
Исходя из вышеизложенных правил компенсации реактивной мощности , система управления должна обладать возможностями «быстрого обнаружения, точного расчета, запуска в реальном времени и коррекции в замкнутом контуре». Она состоит из четырёх основных звеньев, обеспечивающих скорость и точность реагирования компенсации:
1. Канал обнаружения реактивной мощности: регистрация потребности в реактивной мощности нагрузки в режиме реального времени
Являясь «центром восприятия»
компенсации реактивной мощности , этот звено собирает сигналы напряжения и тока каждой фазы дуговой печи с помощью датчиков напряжения и тока, создает схему детектирования на твердотельных компонентах и объединяет операции дифференцирования и умножения для расчета реактивной мощности каждой фазы в режиме реального времени (реактивная мощность равна произведению напряжения, тока и синуса разности фаз между ними, где разность фаз – это угол между напряжением и током). Звено детектирования должно отфильтровывать гармонические составляющие тока дуги, обеспечивая погрешность определения реактивной мощности ≤2% и время отклика ≤1 мс, предоставляя достоверные данные для последующих расчетов компенсации.
2. Ссылка на расчет тока реактора: определение целевого значения регулирования TCR
На основе реактивной мощности нагрузки, выдаваемой звеном контроля реактивной мощности, и выражений правила компенсации реактивной мощности рассчитывается эффективное значение требуемого тока компенсации. Затем, согласно соотношению «Эффективное значение тока компенсации = Ток постоянного конденсатора - Ток TCR», в обратном порядке определяется эффективное значение тока основной гармоники, который должен выдавать TCR. Это звено должно обеспечивать точность расчёта, чтобы избежать недокомпенсации или перекомпенсации из-за расчётных отклонений.
3. Нелинейное преобразование: преобразование в угол
Выходная индуктивная реактивная мощность TCR регулируется углом отпирания тиристора (α'). Следовательно, система управления компенсацией реактивной мощности должна преобразовывать рассчитанный основной ток TCR в соответствующий угол отпирания с помощью нелинейного алгоритма преобразования. Расчетное соотношение угла отпирания можно описать следующим образом: основной ток TCR равен (напряжению V, деленному на произведение угловой частоты источника питания и индуктивности реактора), умноженному на (1 минус 2, умноженные на угол отпирания, деленный на π, минус синус удвоенного угла отпирания, деленный на π) (где угловая частота источника питания равна ω, а индуктивность реактора равна L). Точность преобразования должна достигать ±1°, чтобы TCR мог точно реагировать на требования регулирования реактивной мощности.
4. Схема формирования управляющего импульса: управление временем
Эта связь формирует соответствующие импульсы управления тиристорами на основе преобразованного угла отпирания (α'), обеспечивая их открытие при определенных фазах напряжения сети для точного регулирования индуктивной реактивной мощности TCR. В то же время, система должна включать сигналы сброса и функции обнаружения пересечения нуля для предотвращения ложных срабатываний импульсов и обеспечения стабильной работы системы компенсации реактивной мощности . Кроме того, для повышения надежности система управления должна быть дополнена замкнутым контуром тока для коррекции отклонений посредством сигнала обратной связи по току TCR, обеспечивая точность компенсации.
IV. Практическая ценность компенсации реактивной мощности в линиях электроснабжения дуговых печей: три основных преимущества
Благодаря внедрению вышеперечисленных принципов компенсации реактивной мощности и систем управления линии электроснабжения дуговых печей могут достичь значительного повышения производительности и экономической выгоды, которые отражаются в следующих трех аспектах:
1. Повышение стабильности электропитания и подавление мерцания
Система компенсации реактивной мощности обладает высокой скоростью реагирования (до 5,6 мс), что позволяет в режиме реального времени компенсировать колебания реактивной мощности дуговой печи. Она снижает значение фликера напряжения (кратковременного фликера Pst) с уровня, превышающего нормативный (например, 2,5), до значения, допускаемого национальными стандартами (≤1,0), что позволяет избежать сбоев оборудования и остановок производственной линии, вызванных колебаниями напряжения, и повышает непрерывность производства.
2. Оптимизация коэффициента мощности и снижение затрат
Компенсация реактивной мощности позволяет повысить коэффициент мощности линии электроснабжения дуговой печи с 0,7–0,8 до более чем 0,95. Это не только позволяет избежать штрафов за электроэнергию, связанных с низким коэффициентом мощности, но и снижает загрузку оборудования для преобразования и распределения электроэнергии (например, трансформаторов и распределительных шкафов), снижая тем самым расходы на оплату электроэнергии. Годовая экономия может достигать сотен тысяч юаней.
3. Сокращение потерь в линии и продление срока
Благодаря балансировке трёхфазных нагрузок и снижению тока обратной последовательности за счёт компенсации реактивной мощности потери в линии электропередачи могут быть снижены на 10–15%. При этом снижается нагрев трансформатора (например, с 60 до 52 К), увеличивается срок службы изоляции оборудования, сокращаются расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание, а также инвестиции в замену оборудования.
V. Заключение: Компенсация реактивной мощности — основная гарантия эффективного электроснабжения дуговых печей
В связи с развитием крупных и сверхмощных дуговых печей технология компенсации реактивной мощности стала ключом к решению проблем их электроснабжения. Создание компенсационной сети «постоянные конденсаторы + TCR» и её сочетание с быстродействующей системой управления позволяет добиться точного регулирования реактивной мощности, эффективно подавляя колебания напряжения, оптимизируя коэффициент мощности и снижая потери в линии.
Если ваша компания столкнулась с такими проблемами, как нестабильное электроснабжение и низкое качество электроэнергии в дуговых печах, пожалуйста, оставьте нам сообщение с указанием таких параметров, как мощность дуговой печи и уровень напряжения сети. Компания Hengrong Electric CO., LTD. использует нашу профессиональную технологию компенсации реактивной мощности, чтобы разработать индивидуальное решение для вас!