DE19617191C2

DE19617191C2 - Einrichtung zur Gleichstromversorgung für einen Gleichstromlichtbogenofen

Info

Publication number: DE19617191C2
Application number: DE19617191A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Meusel; Eberhard Dipl Ing Schmid; Jochen Dipl Ing Schnapparelle
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1996-04-29
Filing date: 1996-04-29
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2016-04-30
Also published as: DE19617191A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Gleichstromver sorgung für einen Gleichstromlichtbogenofen mit einem Gleich richter und mit einer zur Einrichtung zur Gleichstromversor gung parallelgeschalteten Blindleistungskompensationsein richtung.

Netzgeführte Stromrichter werden in Hochstromausführung zur Speisung von Gleichstromlichtbogenöfen, z. B. in der Stahlin dustrie, eingesetzt. Die Steuerung der Stromrichter bewirkt neben der gewünschten Einstellung der Leistung des Gleich stromlichtbogenofens eine vom Steuerwinkel der Stromrichter abhängige Blindleistungsaufnahme, deren Mittelwert gewisse Grenzen nicht überschreiten darf, um den meist von Energie versorgungsunternehmen vorgegebenen Wert des Leistungsfaktors nicht zu überschreiten bzw. zu unterschreiten. Um den mittleren Leistungsfaktor einzuhalten, werden der Lichtbo genofenspeisung oft Kompensationseinrichtungen, wie sie z. B. die DE 43 27 894 A1 oder der Artikel "Robuste Filter in der Energieversorgung" P. A. Forsyth, G. Krause, T. Peter, etz Band 114, 1993, Heft 22, S. 1382-1385, offenbaren, parallelge schaltet. Diese übernehmen, wie z. B. der Artikel "Robuste Filter in der Energieversorgung" P. A. Forsyth, G. Krause, T. Peter, etz Band 114, 1993, Heft 22, S. 1382-1385, lehrt, auch eine Filterung, um das speisende Netz von unerwünschten harmonischen Strömen des Stromrichters bzw. des Gleichstrom lichtbogenofens freizuhalten bzw. diese auf einen vorgege benen Wert zu begrenzen. Diese Kompensationsanlagen werden bekanntermaßen als Kondensatorbänke oder als Filterkreise ausgeführt. In Betriebspausen des Lichtbogenofens ist der Stromrichter ebenfalls nicht in Betrieb und damit liegt die Kompensationsanlage allein am Speisenetz und erhöht dort die Speisespannung möglicherweise über zulässige Grenzen hinaus.

Aus der DE 43 27 894 A1 ist bekannt, daß Überkompensation z. B. mit sogenannten dynamischen Kompensationsanlagen vermieden werden kann. Dabei ist zur Kompensation der Blindleistung des Lichtbogenofens ein dreiphasiger Blindleistungskompensator vorgesehen, der Blindleistung in Abhängigkeit der vom Licht bogenofen erzeugten Blindleistung in das den Lichtbogenofen speisenden Energieversorgungsnetz abgibt. Solche Anlagen sind jedoch teuer und haben einen hohen Platzbedarf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine möglichst einfache Ein richtung zur Vermeidung von Überkompensation, d. h. zur Kom pensation der von einer Blindleistungskompensationseinrich tung erzeugten Blindleistung bei Betriebspausen des Lichtbo genofens, anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung zur Gleichstromversorgung für einen Gleichstromlichtbogenofen mit einem Gleichrichter und mit einer Blindleistungskompensa tionseinrichtung zur Kompensation der durch den Gleichrichter erzeugten Blindleistung gelöst, wobei die Einrichtung zur Gleichstromversorgung gleichstromseitig zumindest einen Gleichstromparallelzweig mit zumindest einem Schaltelement aufweist, das bei Betrieb des Gleichstromlichtbogenofens geöffnet ist und das bei Unterbrechung des durch den Gleich stromlichtbogenofen fließenden Gleichstroms schließbar ist, so daß zumindest ein Teil der in der Blindleistungskompensa tionseinrichtung erzeugten Blindleistung durch den durch den Gleichrichter fließenden Strom kompensiert wird. Auf diese Weise ist es möglich, auf dynamische Kompensationsanlagen zur Verringerung der von Blindleistungskompensationsanlagen in Betriebspausen eines Gleichstromlichtbogenofens erzeugten Blindleistung zu verzichten.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Einrichtung zur Gleichstromversorgung steuerbare Halbleiter auf, und ist zumindest einen steuerbaren Halbleiter derart steuernd ausgebildet, daß die bei Unterbrechung des durch den Gleichstromlichtbogenofen fließenden Gleichstroms durch die Blindleistungskompensationseinrichtung erzeugte Blindleistung zumindest zum Teil kompensiert wird. Auf diese Weise ist es möglich, die notwendige Blindleistung bei unterbrochenem Gleichstrom durch den Gleichstromlichtbogenofen zu erzeugen. Dies gilt umso mehr, wenn, wie in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die Brückenhälften des Gleichrichters getrennt angesteuert werden, d. h. die Steuerwinkel der Brückenhälften unterschiedlich gewählt wer den können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Gleichstromparallelzweig eine zusätzliche Indukti vität auf. Diese Induktivität kann gegebenenfalls notwendig sein, wenn die Induktivitäten des Gleichrichters nicht aus reichen, die notwendige Blindleistung zu erzeugen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Schaltelement zum Schließen des Gleichstromparallel zweigs als mechanischer Schalter oder als steuerbarer Halbleiter ausgebil det. Als steuerbare Halbleiter kommen dabei insbesondere Thyristoren, GTO's oder IGBT's in Frage.

Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten ergeben sich aus nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den Unteransprü chen. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Gleichstromversorgung

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Gleichstromversorgung in alter nativer Ausgestaltung

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Gleich stromversorgung mit einem Seriengleichrichter

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Gleich stromversorgung mit einem Parallelgleichrichter

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Gleich stromversorgung mit einem Parallelgleichrichter in alternativer Ausgestaltung

Fig. 6 eine zwölfpulsige wirkende erfindungsgemäße Ein richtung zur Gleichstromversorgung

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Gleichstromversorgung für einen Gleichstrom lichtbogenofen 11. Diese weist einen Transformator 2 und einen Gleichrichter auf, der über den Transformator 2 mit einem Energieversorgungsnetz 1 verbunden ist. Der Gleichrich ter weist je drei Brückenzweige 6 und 7 sowie Drosselspulen 8 auf. Zur Kompensation der vom Gleichrichter erzeugten Blind leistung bei Betrieb des Gleichstromlichtbogenofens 11 ist dem Transformator 2 eine Blindleistungskompensations einrichtung 3 parallelgeschaltet. Diese weist Filterkreise, bestehend aus Spulen 4 und Kondensatoren 5, auf. In alterna tiver Ausgestaltung kann eine Blindleistungskompensationsein richtung auch aus reinen Kondensatorbänken bestehen. Der Gleichstromlichtbogenofen 11 ist über einen Gleichstromzweig 13 parallel zum Gleichrichter geschaltet. Der Gleichstrom zweig 13 weist zusätzlich zwei Schalter 9 und 10 auf, die zur Herstellung einer sichtbaren Trennstrecke gemäß VDE-Vor schriften bei bestimmten Arbeiten am Ofen geöffnet werden müssen. Eine derartige Unterbrechung ist z. B. notwendig, wenn der Gleichstromlichtbogenofen 11 neu mit Schrott beschickt werden muß. Bei den bekannten Einrichtungen zur Gleichstromversorgung kommt es bei Unterbrechung des Gleichstromkreises 13 sowie bei Sperrung der Thyristoren zur Überkompensation, d. h. zur Blindleistungserzeugung durch die Blindleistungskompensationseinrichtungen. Bei der erfin dungsgemäßen Einrichtung zur Gleichstromversorgung wird bei Unterbrechung des Gleichstromzweiges 13 durch Öffnen der Schalter 9 und 10 der Schalter 12 im Gleichstromparallelzweig 15 geschlossen, so daß der Gleichrichter auch bei unterbro chenem Gleichstromzweig 13 Blindleistung erzeugt. Die Steuer winkel α₁ und α₂ der gesteuerten Halbleiter in den Brücken zweigen 6 und 7 werden dabei derart gewählt, daß die vom Gleichrichter erzeugte Blindleistung die von der Blindlei stungskompensationseinrichtung 3 erzeugte Blindleistung kom pensiert.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung zu der erfindungs gemäßen Einrichtung zur Gleichstromversorgung aus Fig. 1. Die Ausführung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich gegenüber der Aus führung gemäß Fig. 1 durch eine zusätzliche Induktivität 14.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Gleich stromversorgung für einen Gleichstromlichtbogenofen mit einem Seriengleichrichter. Bezugszeichen 1, 3, 4, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 und 15 entsprechen dabei derselben Zuordnung wie in Fig. 2. Bezugszeichen 20 bezeichnet einen Transformator und Bezugszeichen 14 eine optionale zusätzliche Induktivität. Bei unterbrochenem Gleichstromzweig 13 wird der Schalter 12 ge schlossen und die Steuerwinkel α₁ und α₂ der gesteuerten Halbleiter der Brückenzweige 21, 22, 23 und 24 derart ge wählt, daß mit der durch den Gleichricher erzeugten Blindlei stung die Blindleistung der Blindleistungskompensationsein richtung 3 zumindest zum Teil kompensiert wird.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Gleich stromversorgung für einen Gleichstromlichtbogenofen mit einem Parallelgleichrichter. Bezugszeichen 1, 3, 4, 5, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 und 20 entsprechen dabei derselben Zuordnung wie in Fig. 3. Bezugszeichen 25 und 26 bezeichnen Drosselspu len und Bezugszeichen 27, 28, 29 und 30 Brückenzweige mit gesteuerten Halbleitern, insbesondere Thyristoren, mit den Steuernwinkeln α₁ und α₂. Der Gleichstromparallelzweig ist dabei nicht parallel zum Gesamtgleichrichter, sondern paral lel zur Serienschaltung der Brückenzweige 29 und 30 geschal tet. Bei Unterbrechung des Gleichstromzweiges 13, z. B. durch die Schalter 9 und 10, wird der Schalter 12 geschlossen, und die Steuerwinkel α₁ und α₂ der gesteuerten Halbleiter der Brückenzweige 27, 28, 29 und 30 derart gewählt, daß mit der durch den Gleichrichter erzeugten Blindleistung die Blindlei stung der Blindleistungskompensationseinrichtung 3 zumindest zum Teil kompensiert wird.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Gleich stromversorgung für einen Gleichstromlichtbogenofen mit einem Parallelgleichrichter wie in Fig. 4, jedoch mit einer alter nativen Verschaltung des Gleichstromparallelzweiges 15. Im Gegensatz zu der Schaltung aus Fig. 4 ist der Gleichstrom parallelzweig 15 dem Gleichrichter parallel geschaltet.

Die Induktivität 14 in Fig. 4 und 5 kann ggf. weggelassen werden.

Fig. 6 zeigt eine zwölfpulsig wirkende erfindungsgemäße Ein richtung zur Gleichstromversorgung. Diese weist in der bei spielhaften Ausgestaltung zwei Drehstromtransformatoren 35 und 36 mit je einer Primärwicklung 37 bzw. 40 sowie je zwei Sekundärwicklungen 38 und 39 bzw. 41 und 42 auf. Die Primär wicklungen 37 und 40 der Transformatoren 35 und 36 sind an ein Energieversorgungsnetz 34, in diesem Fall ein Mittelspan nungsnetz, angeschlossen. In der beispielhaften Ausgestaltung sind die Primärwicklungen 37 und 40 in extended Delta und die Sekundärwicklungen 38, 39, 41 und 42 im Stern verschaltet. Die beiden Dreiwicklertransformatoren 35 und 36 können auch durch vier Zweiwicklertransformatoren ersetzt werden. Die Ausgänge der Sekundärwicklungen 38, 39, 41 und 42 sind je mit einem dreiphasigen Gleichstromzweig 45, 46, 47 und 48 ver schaltet. Die Gleichstromzweige 45, 46, 47 und 48 weisen je einen Gleichrichter auf, wie er in Fig. 1 beschrieben ist. Jeder Gleichstromzweig weist je zwei Brückenhälften 55 und 56, 58 und 59, 52 und 53 bzw. 61 und 62 mit Halbleitern (Thyristoren) sowie je eine Drosselspule 51, 54, 57 bzw. 60 auf. Die Gleichstromzweige 45, 46, 47 und 48 sind in einem Gleichstromkreis 64 parallelgeschaltet. Dabei lassen sich je zwei Gleichstromzweige 45 und 46 bzw. 47 und 48 zu sechspul sig wirkenden Gleichstromzweigen 43 bzw. 44 zusammenfassen.

Die Steuerwinkel des ersten dreipulsigen Gleichstromkreises 46 des ersten sechspulsigen Gleichstromkreises 43 sind α_11a und α_12a, die Steuerwinkel des zweiten dreipulsigen Gleich stromkreises 45 des ersten sechspulsigen Gleichstromkreises 43 sind α_12b und α_11b, die Steuerwinkel des ersten dreipul sigen Gleichstromkreises 47 des zweiten sechspulsigen Gleich stromkreises 44 sind α_21a und α_22a und die Steuerwinkel des zweiten dreipulsigen Gleichstromkreises 48 des zweiten sechs pulsigen Gleichstromkreises 44 sind α_22b und α_21b, α_11a und α_11b, α_12a und α_12b, α_21a und α_21b sowie α_22a und α_22b sind in der Theorie identisch, werden aber in der Praxis gering fügig unterschiedlich eingestellt, um die Teilgleichströme in den Brücken gleich zu halten. Ferner werden die Steuerwinkel derartig eingestellt, daß α_11a ungefähr gleich α_11b ungefähr gleich α_21a ungefähr gleich α_21b und α_12a ungefähr gleich α_12b ungefähr gleich α_22a ungefähr gleich α_22b ist. Durch diese Einstellung der Steuerwinkel sind die beiden dreipulsi gen Gleichstromkreise 45 und 46 bzw. 47 und 48 der sechspul sigen Gleichstromkreise 43 bzw. 44 um je 180° phasenverscho ben.

Die Primärwicklungen 37 und 40 der Transformatoren 35 und 36 sind gegeneinander um 30° phasenverschoben, was zu einer Pha senverschiebung von 30° der sechspulsigen Gleichstromzweige 43 und 44 führt. Durch diese 30° Phasenverschiebung der sech spulsigen Gleichstromkreise 43 bzw. 44 ergibt ihre Parallel schaltung einen zwölfpulsigen Gleichstromkreis 64. Durch diese Ausführungsform werden nicht nur die 2. und 4. - wie bei einem sechspulsigen Gleichrichter -, sondern auch die 5. und 7. Harmonische der Versorgungsspannung des Energieversor gungsnetzes 34 unterdrückt, so daß diese Ausführungsform für besonders hohe Leistungen geeignet ist. Ein weiterer Vorteil der zwölfpulsigen Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Gleichstromversorgung ist, daß sie bei Ausfall eines Transformators bei verminderter Leistungsfähigkeit als sechs pulsige Einrichtung zur Gleichstromversorgung betrieben werden kann. Auf diese Weise kann der Betrieb auch bei Ausfall eines Transformators 37 oder 40 aufrechterhalten werden, was zu einer deutlichen Erhöhung der Verfügbarkeit der Einrichtung zur Gleichstromversorgung insgesamt führt. Die zwölfpulsige Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Gleichstrom versorgung ist also eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zum Betrieb eines Lichtbogenofens 63, insbesondere für große Leistungen.

Die Einrichtung zur Gleichstromversorgung weist ferner einen Gleichstromparallelzweig 15 mit einem Schaltelement und einer optionalen Induktivität 14 auf. Zur Kompensation der vom Gleichrichter ereugten Blindleistung ist eine Blindlei stungskompensationseinrichtung 3 den Transformatoren 35 und 36 parallelgeschaltet. Die Blindleistungskompensationsein richtung 3 weist Induktivitäten 4 und Kondensatoren 5 auf. In alternativer Ausgestaltung besteht die Blindleistungskompen sationseinrichtung aus Kondensatorbänken. Wird der Gleich stromzweig 64 durch öffnen der Schalter 9 und 10 unterbro chen, so wird der Schalter 12 geschlossen. In diesem Fall werden die Steuerwinkel α_11a, α_12a, α_11b, α_12b, α_21a, α_22a, α_21b, α_22b der gesteuerten Halbleiter der Brückenzweige 52, 53, 55, 56, 58, 59, 61, 62 derart gesteuert, daß mit der im Gleich richter erzeugten Blindleistung die Blindleistung der Blind leistungskompensationseinrichtung 3 kompensiert wird.

Claims

1. Einrichtung zur Gleichstromversorgung für einen Gleich stromlichtbogenofen (11) mit einem Gleichrichter und mit ei ner Blindleistungskompensationseinrichtung (3) zur Kompen sation der durch den Gleichrichter erzeugten Blindleistung, wobei die Einrichtung zur Gleichstromversorgung gleichstrom seitig zumindest einen Gleichstromparallelzweig (15) mit zu mindest einem Schaltelement (12) aufweist, das bei Betrieb des Gleichstromlichtbogenofens (11) geöffnet ist und das bei Unterbrechung des durch den Gleichstromlichtbogenofen (11) fließenden Gleichstroms schließbar ist, so daß zumindest ein Teil der in der Blindleistungskompensationseinrichtung (3) erzeugten Blindleistung durch den durch den Gleichrichter fließenden Strom kompensiert wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalterelement (12) zumindest ein steuerbarer Halb leiter derart steuernd ausgebildet ist, daß die bei Unterbre chung des durch den Gleichstromlichtbogenofen (11) fließenden Gleichstroms durch die Blindleistungskompensationseinrichtung (3) erzeugte Blindleistung zumindest zum Teil kompensiert wird.

3. Einrichtung zur Gleichstromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromparallelzweig (15) zumindest eine Induk tivität, insbesondere eine Spule (14), aufweist.

4. Einrichtung zur Gleichstromversorgung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (12) als mechanischer Schalter ausge bildet ist.

5. Einrichtung zur Gleichstromversorgung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (12) als Thyristor, als GTO, d. h. als Gate-Turn-Off-Thyristor, oder als IGBT, d. h. als Insulated- Gate-Bipolar-Transistor, ausgebildet ist.

6. Einrichtung zur Gleichstromversorgung nach einem oder meh reren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie die Brückenhälften (6, 7) des Gleichrichters getrennt ansteuernd ausgebildet ist.

7. Einrichtung zur Gleichstromversorgung nach einem oder meh reren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen sechspulsig wirkenden Gleichrichter aufweist, der zwei parallel geschaltete, dreipulsige Gleichstromkreise aufweist.

8. Einrichtung zur Gleichstromversorgung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zwölfpulsig wirkenden Gleichrichter aufweist, der zwei parallel geschaltete, sechspulsige Gleichstromkreise (45, 46, 47, 48) aufweist, von denen wiederum je zwei bau gleiche dreipulsige, Gleichstromkreise (45, 46, 47, 48) auf weisen.