На многих промышленных предприятиях нашей необъятной Родины применяются мощные однофазные электрические печи. При большом количестве одновременно работающих таких печей имеет место несимметричное потребление тока по фазам питающего напряжения, говоря проще «перекос» по фазам. Как устранить эти перекосы, не меняя саму печь?
Собственно, чем плохи эти перекосы по фазам? Во-первых, несимметричные токи создают несимметричные напряжения питания, что может быть нежелательно для электроснабжения других потребителей. Но с этим недостатком еще худо-бедно можно жить и мириться. Главный недостаток – это неэффективное использование энергетических мощностей предприятия. Рассмотрим гипотетический пример.
Предположим, что имеется трехфазная питающая линия, рассчитанная ток до 1000 А, и пусть в некоторый момент времени из-за работы однофазных печей нагрузка по фазам распределилась следующим образом: Iа = 200 А, Ib = 500 А, Ic = 800 А. При этом, очевидно, что распределив нагрузки поровну между всеми фазами токи стали бы равны Ia = Ib = Ic = 500 А и был бы запас по току питающей линии еще на 500 А, что позволило бы подключить мощную трехфазную нагрузку на 500 А, например, электродвигатель мощностью 250 кВт. Однако в настоящий момент ток фазы С Ic = 800 А является лимитирующим фактором, что дает возможность подключить нагрузку только 200 А (двигатель 90 кВт). Отсюда вывод: равномерное распределение мощностей по фазам ведет к высвобождению больших энергетических мощностей (в нашем примере 150-160 кВт), которые как правило на предприятиях в дефиците.
Какие же варианты существуют при модернизации однофазных печей. Первое, что приходит на ум – это решение проблемы «в лоб» – то есть замена однофазной печи на трехфазную – чрезвычайно дорого. Печи стоят сотни тысяч, а то и миллионы рублей, плюс работы по демонтажу старой печи и монтажу новой и переналадка технологического процесса на новой печи… При этом стоимость высвобожденных киловаттов энергетических мощностей будет очень высока и, скорее всего, сравнима со строительством новых мощностей с нуля. Поэтому поставим вопрос по другому: как равномерно распределить мощность по всем трем фазам не меняя саму печь, а модернизировав только полностью или частично ее электрооборудование?
Решения есть, для этого необходимо использовать тиристорные и транзисторные преобразователи напряжения. Рассмотрим различные варианты по принципу от простого к сложному.
Если нагрузка (нагрузкой будем называть нагревательные элементы печи) питается без трансформатора от однофазного или межфазного напряжения, то это самый простой случай. Равномерно распределить мощность по всем трем фазам поможет трехфазный тиристорный выпрямитель:
Рисунок 1 Трехфазный управляемый выпрямитель
Гораздо более сложным является случай, когда нагрузка запитана от вторичной обмотки понижающего трансформатора. Какие здесь могут быть варианты?
Если напряжение вторичной обмотки относительно велико (50-100 В или выше), то целесообразно включить тиристорный выпрямитель во вторичную обмотку трансформатора:
Рисунок 2 Регулируемый трехфазный выпрямитель во «вторичке» трансформатора
Разумеется, в данном случае необходимо установка замена старого однофазного трансформатора на новый трехфазный.
Если же напряжение вторичной обмотки трансформатора 30..50 В, то более дешевой оказывается схема, приведенная на рисунке 3.
Рисунок 3 Тиристорный регулятор напряжения и трехфазный диодный мост
Схема оказывается более дешевой за счет того, что управляемые вентили (тиристоры) включены на стороне первичной обмотки трансформатора и работают на малых токах, а выпрямление тока ведется с помощью обычных диодов, которые гораздо дешевле тиристоров. Такая схема целесообразна при токах «вторички» до 1..2 кА.
При еще меньших значениях напряжения вторичной обмотки применение диодных или тиристорных выпрямителей нецелесообразно из-за больших энергетических потерь. Дело в том, что при протекании тока через диоды или тиристоры на них падает напряжение около 1 В, которое рассеивается в бесполезный нагрев. Например, если выходное напряжение 10 В, то при работе мостового выпрямителя на диодах падает 2 В (в каждый момент времени работает два диода), а это значит что на диодах рассеивается порядка 20% мощности. При этом цена и габариты такого преобразователя растут в геометрической прогрессии.
Здесь на помощь может придти синхронный выпрямитель на полевых транзисторах. Не углубляясь в его внутреннее устройство (это не является целью данной статьи), скажем лишь что он является тем же самым выпрямителем, только не на диодах, а на полевых транзисторов. С помощью современных полевых транзисторов возможно создание выпрямителей с очень низким падением напряжения – 0,1.. 0,2 В. К сожалению, из-за особенностей полевых транзисторов это возможно только при низких напряжениях – но в данном примере это как раз то что нужно.
Рисунок 4 Тиристорный регулятор тока и синхронный выпрямитель
В этом случае схема преобразователя напряжения становится следующей: регулирование напряжение по первичной стороне трансформатора осуществляет все тот же тиристорный регулятор, а на стороне низкого напряжения переменное трехфазное напряжение с помощью синхронного выпрямителя преобразуется в постоянное. Такой преобразователь имеет смысл применять при напряжениях вторичной обмотки 10..30 В и токах до нескольких килоампер.
Если же ни один из перечисленных вариантов не подходит, то остается только один – самый сложный и самый дорогой, но зато подходящий для всех однофазных печей. Это пара трехфазный выпрямитель и однофазный инвертор:
Рисунок 5 Трехфазный выпрямитель и однофазный инвертор
В этой схеме диодный мост выпрямляет трехфазное напряжение в постоянное, а инвертор это преобразует его в однофазный переменный ток. Инвертор работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то есть регулирование напряжения ведется путем изменения времени включения и выключения силовых транзисторов. Синусный фильтр предназначен для подавления высших гармонических составляющих. Такой преобразователь имеет наибольшую стоимость, но имеет один важный плюс – не требует обязательной замены старого однофазного трансформатора.
Компания ООО «Звезда Электроника» готова предложить различные варианты тиристорных преобразователей напряжения, мощности, тока модернизации печей вашего предприятия.
