Applicazione dei Thyristors nel controllo elettrico di potenza dell'arco per la fabbricazione dell'acciaio

I sistemi di controllo dell'acciaio, che si basano su un sistema di controllo dell'acciaio, sono i seguenti:

Comprendere i Thyristors: Il dispositivo di commutazione del nucleo

Il tiristor è un dispositivo semiconduttore a tre strati che funziona come un interruttore a bistecche. Può essere girato da uno stato ad alta impedenza (off) ad uno stato a bassa impedenza (on) applicando un breve impulso positivo corrente al suo terminale di cancello. Una volta condotto, il tiristor rimane bloccato fino a quando la maggior parte delle gocce correnti anodi-cathode sotto una soglia corrente di tenuta corrente.

I sistemi di controllo dei veicoli a motore più complessi, come i transistor a potenza o i transistor bipolari a porte isolate (IGBT), i tiri offrono vantaggi distinti per le applicazioni ultra-alta potenza. Possono gestire correnti di sovratensione estremamente elevate (dieci volte la corrente nominale per brevi periodi) e sopportare alte tensioni con minime perdite di conduzione.

Controllo di potenza a base di Thyristor nelle forne elettriche dell'arco

Come funziona il controllo di potenza

In un tipico sistema elettrico EAF, un'alimentazione ad alta tensione (spesso 33-220 kV) è abbassata da un trasformatore di forno a una tensione inferiore (tipicamente 400-1,200 V) a corrente molto alta. Il trasformatore secondario è collegato ai tre elettrodi attraverso un insieme di reattori e un controllo di tensione basato su tiristor. Il controllore di tensione è essenzialmente un regolatore di tensione ACAF di trifase o, più comunemente in EAFring

Il rapporto tra l'angolo di cottura e la tensione di uscita è non lineare. Per una coppia di tiritori monofase (SCR posteriori), la tensione di uscita media varia con il comfort dell'angolo di cottura. In una configurazione di tre fasi, tipicamente un retifier di ponte a sei canali o un controllo di tensione di tensione AC con tiristori anti-paralleli per fase, il regolatore deve sincronizzare gli impulsi di cancello con la linea di raschi.

Topologie del circuito per il controllo di potenza EAF

Varie configurazioni del circuito di tiro sono utilizzate negli impianti EAF. Il più comune è il controllore di tensione AC, dove due tiristori antiparalleli vengono posizionati in serie con ogni fase del trasformatore del forno primario o secondario.

Un altro sistema di controllo è il ]]registratore controllato con il circuito del forno DC, dove l'alimentazione AC è prima rettificata a DC utilizzando un ponte di tiro, poi alimentato al forno attraverso un reattore di lisciatura. In questa configurazione, la potenza consegnata all'arco può essere controllata indipendentemente dalla tensione della linea AC, e il reattore aiuta a stabilizzare la corrente dell'arco.

Thyristor Stacks e Sistemi di raffreddamento

Le correnti di carico non utilizzate nei gruppi di pressione, sono soggette a un'enorme pressione termica, poiché i sistemi di raffreddamento a flusso sono in grado di generare un flusso di calore a bassa tensione di diversi kilovolt e una corrente continua di diversi kiloampli.

Vantaggi operativi del controllo del Thyristor nei EAF

L'adozione del controllo di potenza basato su tiristor ha portato numerosi vantaggi ai produttori di acciaio, direttamente impatto efficienza del processo, qualità del prodotto e costi operativi.

  • Regolazione di potenza precisa[[]: Il controllo del angolo di cablaggio consente una regolazione fine della potenza da quasi zero a pieno valore di uscita. Questa precisione consente agli operatori di ottimizzare il profilo di fusione per diversi tipi di rottami, ridurre al minimo la sovraffumazione e ridurre i rifiuti energetici.
  • Fast Dynamic Response[[]: i controllori di Thyristor possono cambiare la potenza consegnata all'arco all'interno di un unico ciclo (16-20 ms per sistemi Hz 50/60). Questa risposta rapida smorza le instabilità dell'arco causate da scarti di cavità, movimento elettrodo, o sags di tensione.
  • Alta efficienza e bassa perdite[]: I tiristori hanno cali di tensione in avanti tipicamente tra 1.0 e 1.8 V a corrente nominale. Le perdite di conduzione nell'elettronica di potenza sono una piccola frazione della potenza totale del forno (spesso inferiore allo 0,5%).
  • Ridotto consumo di elettrodi[[]: Il controllo di tenuta dell'arco riduce gli sbalzi di corrente erratica che causano un eccessivo consumo di punta dell'elettrodo.
  • Fattore di potenza migliorato[[]: I controllori del Thyristor possono essere integrati con compensatori statici Var (SVCs) o filtri attivi per correggere il fattore di potenza di innesto causato dalla reattività del forno.
  • Ripetibilità del processo avanzata[[[]: I controlli digitali memorizzano profili di potenza precisi per diversi gradi d'acciaio, garantendo condizioni termiche e metallurgiche costanti dal calore al calore.

Sfide e strategie di mitigazione

Nonostante i loro vantaggi, i sistemi basati su tiristor presentano sfide che devono essere affrontate nella progettazione e nel funzionamento.

Distorsione armonica

I circuiti di tiro con controllo di fase generano correnti armoniche che rifluiscono nella rete di utilità. Le armoniche predominanti sono il 5, 7, 11 e 13, con magnitudine che dipendono dall'angolo di cottura. A bassa potenza di uscita (angolo di cottura), il contenuto armonico aumenta significativamente.

  • Filtri armonici passivi[[]: Filtri a frequenza armonica dominante della serie LC, spesso combinati con un filtro ad alta velocità.
  • 12-pulse o configurazioni a più alta spinta[]: Utilizzando due ponti a sei-pulse, a rotazione di 30 gradi, alcune armoniche cancellano.
  • Filtri di potenza attivi[[]: Inverter basati su IGBT avanzati iniettano armoniche controfase per annullare la distorsione dinamicamente, che vengono sempre più utilizzate nelle piante moderne.

Potenza reattiva e Flicker

L'operazione EAF provoca fluttuazioni rapide nella domanda di potenza reattiva a causa dell'instabilità dell'arco. Queste fluttuazioni si manifestano come flicker di tensione sulla griglia di trasmissione, disturbando altri consumatori.

Interferenza elettromagnetica (EMI)

Il rapido commutamento delle alte correnti genera un rumore elettromagnetico che può influenzare i sistemi di strumentazione elettronica e di comunicazione vicini. L'uso corretto di schermatura, messa a terra e l'uso di circuiti snubber (reti C) attraverso ogni tiristor ridurre dv/dt e lo stress di / dt mentre sopprime le emissioni irradiate. Inoltre, i driver di cancello di tiro devono essere isolati elettricamente dal sistema di controllo per prevenire l'interferenza comune-modo.

Attuazione e soluzioni di progettazione di sistema

L'integrazione di un controllore di potenza del tiristor in un EAF richiede un'attenta ingegneria in più domini. Lo stack del tiristor deve essere posizionato il più vicino possibile al trasformatore del forno per ridurre al minimo le gocce di tensione induttiva in cavi ad alta corrente. Le barre sono spesso isolate ad aria o barre di rame raffreddate ad acqua. Il sistema di controllo include un controllo di logica programmabile (PLC) o un processore digitale del segnale (DSP) che esegue automaticamente i sistemi di calcolo incorporano i raschio di calcolo proprietari per l'adattamento degli algoritmi di rilevamento.

I sistemi di protezione sono critici. Il rilevamento sovracorrente, i sovraccarichi termici e i fusibili ad azione rapida proteggono i tiristori dalle condizioni di guasto. Un circuito di porco (un tiristoro di cortocircuito o un rompicapo) può rapidamente deviare la corrente in caso di guasto di un misfire o di un errore di commutazione.

La Commissione prevede la verifica della rotazione delle fasi, della tempistica delle porte e della condivisione corrente tra dispositivi paralleli. Gli operatori sintonizzano anche i guadagni del circuito di controllo per abbinare le dinamiche del forno, spesso utilizzando un simulatore prima del funzionamento live. Le attività di manutenzione includono l'ispezione periodica delle perdite d'acqua, il serraggio delle connessioni della barra degli autobus e il monitoraggio della temperatura di giunzione del tiristor tramite sensori ottici o termici incorporati nello stack.

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Tendenze future nel controllo di potenza EAF

I progressi nei semiconduttori a banda larga, come il carburo di silicio (SiC) MOSEFTs e IGBTs, offrono frequenze di commutazione più elevate e perdite inferiori. Tuttavia, i loro attuali rating e la robustezza applicati in ambienti industriali attualmente li limitano a applicazioni di potenza più bassa o a filtri attivi negli impianti EAF.

Conclusioni

I Thyristors hanno trasformato il controllo elettrico del forno ad arco da una pratica grossolana, limitata meccanica in un sistema di regolazione elettronica preciso, veloce ed altamente efficiente.Permettendo di regolare dinamica della tensione e della corrente con perdite minime, i controllori basati su tiristor migliorano direttamente l'economia e la qualità della produzione di acciaio. La tecnologia continua a maturare, con progressi nel raffreddamento, nel funzionamento parallelo e nella mitigazione armonica spingendo ulteriormente i confini.