CZ283921B6 - Řízený napájecí zdroj - Google Patents

Abstract

Zdroj pro technologické potřeby, v nichž se používá elektrický oblouk, má měnič (2) střídavého proudu na stejnosměrný proud obsahující odpovídající transformátor (13) a usměrňovač (17) s diodami (18 - 20) ve formě můstkového obvodu a připojený k odpovídajícímu transformátoru (13). Do diagonály stejnosměrného proudu můstku, která je výstupem usměrňovače (18), jsou včleněny elektrody (4, 5), mezi kterými se vytváří elektrický oblouk. Obvod (3) pro řízení napětí na elektrodách (4, 5) má komparátor (6) pro srovnávání skutečného usměrněného napětí s referenční hodnotou. Dále napájecí zdroj obsahuje ústrojí (10) pro řízení polohy elektrod (4, 5), jehož vstup je připojen ke komparátoru (6) pro měnění polohy elektrod (4, 5) vůči sobě navzájem. Napájecí zdroj má jednofázový měnič (2) střídavého proudu na stejnosměrný proud, mající dva obvody (22, 23) pro posun fáze zapojené sériově a připojené k odpovídajícímu transformátoru (13). Jeden obvod (22) obsahuje tlumivku (28) a dŕ

Description

Řízený napájecí zdroj

Oblast techniky

Vynález se týká topných systémů pracujících s elektrickým výbojem a zejména řízených napájecích zdrojů. Vynález může být použit v elektrických obloukových pecích, jakož i v jiných podobných zařízeních, v nichž se používá pracovního režimu se spojením na krátko.

Dosavadní stav techniky

V oboru jsou známy dva způsoby konstruování elektrického obvodu elektrických obloukových pecí. Podle jednoho způsobu je napájecí zdroj založen na neřízeném nebo řízeném reaktoru zapojeném sériově s primárním vinutím řídicího transformátoru. Sekundární vinutí tohoto transformátoru je připojeno k diodovému usměrňovači, který- sám je připojen k elektrodám pece.

Systémy založené na diodovém usměrňovači s neřízeným reaktorem mají nízký účiník a působí velké kolísání napětí v napájecí síti.

Pro udržování elektrického oblouku na stejné délce jsou určeny regulátory polohy elektrod a pro řízení výkonu během procesuje použit velký počet transformačních stupňů.

Aby se vyloučil negativní účinek na jiné spotřebitele v síti nízkého a středního výkonového pásma se používají dynamické kompenzátory jalového výkonu. To zvětšuje hmotnost a celkové rozměry napájecího zdroje jako celku.

Je znám měnič střídavého proudu na stejnosměrný proud s neřízeným usměrňovačem zapojený v můstkovém obvodu obsahujícím odpovídající transformátor, jehož sekundární vinutí má odbočku přímo připojenou k jednomu vstupu usměrňovacího můstku, zatímco konec a začátek sekundárního vinutí jsou připojeny ke zbývajícím vstupům usměrňovacího můstku přes odpovídající kondenzátor nebo tlumivku. Měnič byl navržen pro napájení elektrického oblouku a umožňuje zlepšovat účiník a redukovat kolísání napájecího napětí v síti. Použití tohoto měniče se známými ústrojími pro ovládání polohy elektrody zdrojů oblouku, v nichž nejsou řízené prvky (například elektrické obloukové pece s diodovým usměrňovačem nebo pro pece pracující se střídavým proudem), však vyžaduje přepínač a transformátor s velkým počtem řídicích kroků. To zmenšuje pracovní spolehlivost napájecího zdroje, zhoršuje jeho hmotnostní a rozměrové vlastnosti, přičemž však není zajištěno průběžné řízení výstupního výkonu, které je velmi důležité pro účinný chod procesu.

Kromě toho nedovolují vy šší proudové harmonické složky, aby tento měnič byl používán v sítích s malým výkonem. Tento měnič může být obtížně použit v pecích s vysokým výkonem a u pecí s nízkým napětím oblouku.

Použití obvodu se řízeným reaktorem umožňuje zmenšit počet řídicích kroků transformátoru, protože indukční reaktance reaktoru může být ovládána. Toho se však dosahuje komplikováním řešení reaktoru a použitím složitého systému pro jeho řízení. Přemagnetovávání tyčí reaktoru v tomto systému vyžaduje poměrně dlouhou dobu, takže kompenzace rychlé proudové výchylky elektrické obloukové pece je nedostatečná, a kolísání napětí v síti nemůže být přiměřeně zmenšováno. Kromě toho má takový napájecí zdroj nízký účiník a vysokou úroveň vyšších harmonických složek spotřebovávaného proudu.

Výše uvedená technická řešení proto nenašla široké praktické uplatnění.

Je dále znám řízený napájecí zdroj pro elektrickou obloukovou pec založený na tyristorovém usměrňovači. Napájecí zdroj obsahuje řízený měnič střídavého proudu na stejnosměrný proud a ústrojí pro řízení obloukové pece. Měnič má krokově řízený transformátor, jehož sekundární vinutí je připojeno k tyristorovému můstku, který poskytuje stejnosměrný proud do elektrod pece přes vysokovýkonovou vyhlazovací tlumivku.

- 1 CZ 283921 B6

Zařízení pro řízení proudu oblouku má obvod pro řízení proudu oblouku regulátorem proudu, jehož vstup je napájen rozdílem mezi zvolenou referenční hodnotou a naměřenou skutečnou hodnotou stejnosměrného proudu oblouku. Výstupní signál regulátoru proudu se sčítá s naměřenou skutečnou hodnotou napětí oblouku, která se používá jako zvolená hodnota proudu a vede se do tyristorového usměrňovače. Zařízení pro řízení oblouku má také obvod pro regulaci napětí s jednotkou pro řízení polohy elektrody pro nastavování mezery mezi elektrodou a taviči lázní, a regulátor napětí, na jehož vstup je přiváděn rozdíl zvolené hodnoty napětí oblouku a naměřené hodnoty. Výstupní signál regulátoru napětí je veden na vstup zařízení pro řízení polohy elektrod. Obvody pro řízení proudu a napětí a tvarovač impulzů pro vysílání řídicích impulzů do tyristorů tvoří složitý řídicí systém v napájecím zdroji. Takový napájecí zdroj jako celek je složitý vzhledem k přítomnosti speciálního systému pro řízení tyristorů, vyznačuje se velkou hmotností a velkými rozměry, jakož i vysokým instalovaným výkonem silového vybavení.

Napájecí zdroj vybavený tyristorovým usměrňovačem dovoluje plynule řídit proud usměrňovače, což je potřebné jednak pro řízení výkonu oblouku tak, aby vyhovoval technologickým požadavkům, a jednak pro omezování kolísání proudu oblouku včetně provozního zkratového proudu. Vzhledem k pomalé odezvě však tyristorový usměrňovač nemůže měnit vstupní napětí následující rychlé výchylky napětí oblouku, takže je zapotřebí vysokovýkonné vyhlazovací tlumivky.

Aby se předešlo častým přerušováním oblouku, musí být jmenovité napětí oblouku nejméně o 20-25 % nižší, než je napětí řízeného usměrňovače při chodu naprázdno. Tato skutečnost vede k odpovídajícímu zvýšení instalovaného výkonu transformátoru a snížení jmenovitého účiníku na 0,7-0,8.

Tyristorový usměrňovač deformuje tvar průběhu proudu spotřebovávaného z napájecí sítě, což vede k nepřípustné deformaci křivky síťového napětí a rušení provozu u jiných spotřebitelů této sítě v případě nedostatečného zkratového výkonu napájecí sítě.

Pro kompenzování vyšších harmonických složek proudu ajalového výkonu se používá filtru a kompenzační jednotky . Jestliže řízený usměrňovač nedovoluje přiměřeně kompenzovat kolísání napětí v dané síti, je zapotřebí provést dynamickou kompenzaci jalové složky proudu, a to komplikuje napájecí systém.

Je znám třífázový napájecí zdroj pro jednoelekrodovou tavnou pec obsahující transformátor, jehož primární vinutí jsou připojena na silové napájecí vedení a k sekundárním vinutím transformátoru je připojen řízený tyristorový usměrňovač založený na můstkovém obvodu, a k jednomu výstupu tyristorového usměrňovače je ve stejnosměrném obvodu připojen reaktor. Elektroda tavné pece je připojena ke druhému vstupu tyristorového usměrňovače. Relativně vysoká jalová složka ve spotřebovávaném proudu, jejíž hodnota sleduje kolísání napětí všiti, nedovoluje přiměřeně toto kolísání snížit.

Podstata vynálezu

Vynález si klade jako hlavní úkol vytvořit řízený napájecí zdroj, který by umožňoval snížit úroveň kolísání napětí v napájecí síti a snížit velikost vyšších harmonických složek v napájecím proudu sítě při použití jednoduchých prostředků spočívajících v obměně zapojení napájecího zdroje.

Tohoto cíle je dosaženo řízeným napájecím zdrojem pro technologické potřeby, v nichž se používá elektrický oblouk, obsahující měnič střídavého proudu na stejnosměrný proud s transformátorem a usměrňovačem vytvořeným ve formě můstkového obvodu a připojeným k transformátoru, přičemž do diagonály stejnosměrného proudu můstku, která tvoří výstup usměrňovače, jsou včleněny elektrody, mezi kterými se vytváří elektrický oblouk, dále obsahující obvod pro řízení napětí na elektrodách, mající komparátor pro srovnávání skutečného

-2 CZ 283921 B6 usměrněného napětí s referenční hodnotou, a ústrojí pro řízení polohy elektrod, jehož vstup je připojen ke komparátoru pro měnění polohy elektrod vůči sobě navzájem, jehož podstatou je, že napájecí zdroj má nejméně jeden měnič střídavého proudu na stejnosměrný proud v počtu měničů odpovídajícím počtu fází, přičemž měnič má dva obvody pro posun fáze, zapojené sériově přes první spojovací bod a připojené k transformátoru, přičemž jeden obvod obsahuje tlumivku a druhý obvod obsahuje kondenzátor, přičemž každý obvod pro posun fáze je připojen k odpovídajícímu vstupu usměrňovače, a dále obsahuje přídavný usměrňovači člen, mající svůj druhý spojovací bod připojený k prvnímu spojovacímu bodu obvodů pro posun fáze, přičemž přídavné usměrňovači členy jsou připojené k výstupu usměrňovače ve stejné polaritě s usměrňovacími členy usměrňovače připojeného k elektrodám.

Podle jednoho provedení vynálezu má transformátor dvě sekundární vinutí, přičemž první obvod pro posun fáze je tvořen prvním sekundárním vinutím transformátoru a tlumivkou, zatímco druhý obvod pro posun fáze je tvořen druhým sekundárním vinutím transformátoru, a kondenzátorem, přičemž sekundární vinutí jsou zapojena ve stejném smyslu, přičemž první spojovací bod mezi obvody pro posun fáze je spojen bezprostředně s druhým spojovacím bodem mezi přídavnými usměrňovacími členy.

Podle jiného provedení má měnič střídavého proudu na stejnosměrný proud druhý transformátor, jehož sekundární vinutí je zapojeno sériově s prvním obvodem pro posun fáze a ve stejném smyslu se sekundárním vinutím prvního transformátoru, přičemž první obvod pro posun fáze obsahuje sekundární vinutí prvního transformátoru a tlumivku a druhý obvod pro posun fáze obsahuje druhý transformátor a kondenzátor, zapojený sériově s primárním vinutím druhého transformátoru.

Podle dalšího provedení vynálezu má měnič střídavého proudu na stejnosměrný proud druhý transformátor, jehož sekundární vinutí je zapojeno sériově a ve stejném smyslu s druhým sekundárním vinutím prvního transformátoru, přičemž první obvod pro posun fáze obsahuje první sekundární vinutí prvního transformátoru a tlumivku, a druhý obvod pro posun fáze obsahuje druhé sekundární vinutí prvního transformátoru, druhý transformátor a kondenzátor zapojený sériově s primárním vinutím druhého transformátoru.

Podle ještě dalšího provedení vy nálezu obsahuje měnič střídavého proudu na stejnosměrný proud druhý transformátor, jehož sekundární vinutí je zapojeno sériově a ve stejném smyslu s druhým sekundárním vinutím prvního transformátoru, přičemž první obvod pro posun fáze obsahuje první transformátor a tlumivku zapojenou sériově s primárním vinutím prvního transformátoru, zatímco druhý obvod pro posun fáze obsahuje druhý transformátor a kondenzátor zapojený sériově s primárním vinutím druhého transformátoru.

Když má transformátor nejméně jedno další přídavné sekundární vinutí, může měnič střídavého proudu na stejnosměrný proud obsahovat nejméně jeden přídavný obvod pro posun fáze, odpovídající příslušnému přídavnému sekundárnímu vinutí transformátoru v množství odpovídajícím počtu přídavných sekundárních vinutí transformátoru, přičemž každý přídavný obvod obsahuje odpovídající přídavné sekundární vinutí transformátoru a tlumivku nebo kondenzátor, přičemž napájecí zdroj dále obsahuje nejméně jednu dvojici dalších přídavných usměrňovačích členů, kde jedna dvojice dalších přídavných usměrňovačích členů připadá vždy najeden přídavný obvod pro posun fáze, a kde další přídavné usměrňovači členy jsou zapojeny se stejnou polaritou se všemi přídavnými usměrňovacími členy.

Spojení druhého spojovacího bodu přídavných usměrňovačích členů s prvním spojovacím bodem obvodů pro posun fáze může být provedeno přes obvod pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu. Obvod pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu může obsahovat tlumivku.

Podle dalšího znaku vynálezu má druhý obvod pro posun fáze nejméně jeden další kondenzátor, jehož jedna svorka je připojena k usměrňovači ve formě můstkového obvodu přes dva vlastní usměrňovači členy spojené přes třetí spojovací bod a připojené k výstupu usměrňovače ve stejné

- j polaritě s polaritou usměrňovačích členů usměrňovače ve formě můstkového obvodu, zatímco zbývající svorky všech kondenzátorů jsou spolu spojeny.

Podle dalšího provedení vynálezu, v němž řízený napájecí zdroj má více fází, obsahuje zdroj v každé fázi nejméně jeden jednofázový měnič střídavého proudu na stejnosměrný proud, přičemž všechny jednofázové měniče jsou zapojeny na straně stejnosměrného proudu paralelně a jsou připojeny k elektrodám. Mezi každou elektrodu a odpovídající výstup přídavných usměrňovačích členů jednofázového měniče každé fáze je s výhodou vložena přídavná tlumivka.

V měniči střídavého proudu na stejnosměrný proud každé fáze obsahuje podle dalšího znaku vícefázového provedení druhý obvod pro posun fáze s kondenzátorem dvě vinutí, uspořádaná v rozdílných fázích transformátoru a zapojená sériově vůči sobě a s kondenzátorem.

Podle dalšího znaku vícefázového provedení jsou sériově zapojené obvody pro fázový posun všech fází zapojeny do trojúhelníka, přičemž usměrňovači členy všech fází jsou kombinovány do společného usměrňovače s dvojicemi usměrňovačích členů, kde každá dvojice usměrňovačích členů, zapojených se stejnou polaritou, odpovídá jedné fázi.

Alternativně jsou sériově zapojené obvody pro fázový posun všech fází zapojeny do hvězdy, přičemž každá skupina usměrňovačích členů stejné polarity je kombinována v jedné fázi do jednoho společného usměrňovacího členu, kde dvojice společných usměrňovačích členů v každé fázi je připojena k odpovídajícímu přípojnému bodu zapojení do hvězdy.

Podle další alternativy jsou sériově zapojené obvody pro fázový posun všech fází zapojeny do trojúhelníka se skluzem, kde každá dvojice usměrňovačích členů stejné polarity jedné fáze a dvojice přídavných usměrňovačích členů stejné fáze jsou kombinovány do jednoho společného usměrňovacího členu, kde dvojice společných usměrňovačích členů v každé fázi je připojena v odpovídajícím přípojném bodě k uvedenému zapojení do trojúhelníka se skluzem (slip-delta, klouzavého trojúhelníka). Pod pojmem zapojení do trojúhelníka se skluzem se rozumí, že ve všech fázích je konec obvodu pro fázový posun jedné fáze připojen ke spojení obvodů pro fázový posun další fáze. V tomto případě napětí při chodu naprázdno vzrůstá a vnější charakteristika zdroje se mění.

Každá skupina usměrňovačích členů, obsahující nejméně dva usměrňovači členy odlišné fáze a zapojené paralelně, může být nahrazena jedním usměrňovacím členem.

Navrhované technické řešení umožňuje vytvořit jednoduchý řízený napájecí zdroj, například pro elektrickou obloukovou pec, vyznačující se nízkou hmotností a malými rozměry, s jednoduchým konstrukčním řešením, s vysokým účiníkem a nízkým proudem vyšších harmonických složek ve spotřebovávaném proudu a s nízkou úrovní kolísání napětí vyvolávaného v napájecí síti.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých znázorňuje obr. 1 schéma zapojení řízeného napájecího zdroje podle vynálezu, obr. 2a, 2b a 2c ukazují verze zapojení měniče střídavého proudu na stejnosměrný proud, použitého v napájecím zdroji podle vynálezu, obr. 3 schéma stejného měniče podle vynálezu s kondenzátorem v obvodu primárního vinutí, obr. 4 schéma stejného měniče podle vynálezu s kondenzátorem a tlumivkou v obvodu primárního vinutí, obr. 5 schéma stejného měniče, podle vynálezu, v němž je kapacitní obvod pro posun fáze vřazen s vinutími na jednotlivých transformátorech, obr. 6 další provedení měniče střídavého proudu na stejnosměrný proud, majícího více než dva obvody pro posun fáze, podle vynálezu, obr. 7 schéma stejného měniče, majícího tlumení rychlosti vzrůstu proudu, podle vynálezu, obr. 8 schéma ještě dalšího provedení měniče střídavého proudu na stejnosměrný proud majícího několik tlumicích obvodů rychlosti vzrůstu proudu, podle vynálezu, obr. 9 schéma měniče, v němž obvod pro posun fáze má přídavné kondenzátory, podle vynálezu, obr. 10 schéma provedení měniče, majícího prvky zapojeny paralelně, podle vynálezu, obr. 11 schéma třífázového řízeného zdroje podle vynálezu..

-4 CZ 283921 B6 obr. 12 schéma provedení třífázového měniče střídavého proudu na stejnosměrný proud, použitého v napájecím zdroji, a majícího obvody pro tlumení vzrůstu rychlosti proudu, podle vynálezu, obr. 13 schéma třífázového řízeného zdroje majícího přídavné tlumivky ve stejnosměrném obvodu, podle vynálezu, obr. 14 schéma třífázového měniče střídavého proudu na stejnosměrný proud, použitého v napájecím zdroji podle vynálezu, v němž kapacitní obvody pro posun fáze mají dvě vinutí pro dvě jednotlivé fáze transformátoru, obr. 15 schéma stejného měniče podle vynálezu, v němž mají kapacitní obvody pro posun fáze dvě vinutí pro dvě jednotlivé fáze transformátoru, obr. 16 schéma stejného měniče, majícího obvody pro posun fáze zapojené do trojúhelníka, podle vynálezu, obr. 17 schéma stejného měniče, majícího obvody pro posun fáze a obvody pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu zapojené do trojúhelníka, podle vynálezu, obr. 18 schéma stejného měniče, majícího obvody pro posun fáze a obvody pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu zapojené do hvězdy, podle vynálezu, obr. 19 schéma stejného měniče, majícího obvody pro posun fáze a obvody pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu zapojené do trojúhelníka se skluzem, podle vynálezu, obr. 20 schéma stejného měniče podle vynálezu, v němž obvod pro fázový posun jedné fáze je připojen k přídavným usměrňovačům druhé fáze, obr. 21 schéma stejného měniče, majícího přepínače pro zapojení obvodů pro posun fáze do hvězdy, podle vynálezu, obr. 22 diagram rozdělení provozních režimů měniče v závislosti na napětí na elektrodách, obr. 23 vektorový diagram provozu jednofázového napájecího zdroje, a obr. 24 vektorový diagram provozu jednofázového napájecího zdroje majícího obvod pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu.

Příklady provedení vynálezu

Řízený napájecí zdroj pro procesy používající elektrický oblouk je vysvětlován na příkladu napájecího zdroje pro elektrickou obloukovou pec 1 (obr. 1). Napájecí zdroj obsahuje měnič 2 střídavého proudu na stejnosměrný proud a obvod 3 pro řízení napětí mezi elektrodami 4 a 5, mezi nimiž je vytvořen elektrický oblouk. Obvod 3 má komparátor 6 pro srovnávání skutečného napětí přivedeného na záporný vstup 7 s předem stanovenou hodnotou napětí přivedenou na kladný vstup 8. K. výstupu komparátoru 6 je připojeno ústrojí pro řízení polohy elektrody 4, zahrnující samotný regulátor 9 a podřízenou jednotku 10 měnící polohu elektrody 4 prostřednictvím konzoly 11, na níž je elektroda 4 uložena.

Vstup 7 komparátoru 6 je připojen k výstupu měniče 2 přes měřicí převodník 12.

Měnič 2 je vytvořen jako jednofázové ústrojí a obsahuje odpovídající transformátor 13 mající primární vinutí 14 a dvě sekundární kumulativní vinutí 15 a 16, usměrňovač 17 připojený k transformátoru 13 a založený na usměrňovačích členech 18, 19, 20 a 21 ve formě polovodičových diod, spojených v můstkovém obvodu. Diagonála stejnosměrného proudu usměrňovače 12 je vý stupem měniče 2 a je připojena k elektrodám 4 a 5 elektrické obloukové pece lak měřícímu převodníku 12.

Měnič 2 má také obvody 22 a 23 pro posun fáze, zapojené sériově, a dva přídavné usměrňovači členy 24 a 25, mající spojovací bod 26 připojený ke spojovacímu bodu 27 obvodů pro posun fáze. K výstupu usměrňovače 17 jsou také připojeny přídavné usměrňovači členy 24 a 25 ve stejné polaritě, jako polovodičové diody usměrňovačích členů 20, 21, připojené k elektrodám 4, 5.

Jak je znázorněno na obr. 1, obsahuje první obvod 22 pro posun fáze první sekundární vinutí 15 připojené k tlumivce 28, zatímco druhý obvod 23 pro posun fáze má druhé sekundární vinutí 16 připojené ke kondenzátoru 29, a spojovací bod 27 obvodů pro posun fáze je připojen přímo ke spojovacímu bodu 26 přídavných usměrňovačích členů 24 a 25. Tlumivka 28 a kondenzátor 29 mají své druhé výstupy připojené ke diagonále střídavého proudu usměrňovače 17.

Na obr. 2 jsou znázorněna možná provedení obvodů 22 a 23 pro posun fáze a jejich spojovacího bodu 27, který může být spojení 27’ (obr. 2a) svorek tlumivky 28 a kondenzátoru 29, nebo spojení 27 (obr. 2b) svorek prvního sekundárního vinutí 15 v prvním obvodu 22 a kondenzátoru

- 5 CZ 283921 B6

29, nebo spojení 27’ (obr. 2c) svorek tlumivky 28 a druhého sekundárního vinutí 16 v druhém obvodu 23.

Usměrňovači členy 18, 19 můstkového obvodu, které jsou připojeny k prvnímu obvodu 22 pro posun fáze, mohou být učiněny řiditelnými (obr. 2a). To umožňuje regulovat účiník napájecího zdroje a může být využito ve všech provedeních jednofázového nebo třífázového zdroje.

Níže jsou rozebrána j iná provedení obvodů 22 a 23 pro fázový posun.

V případě nízkých napětí by neměl být kondenzátor 29 (obr. 1) vřazen do obvodu druhého sekundárního vinutí 16 transformátoru 13. Kapacita kondenzátoru 29 vykazuje nepřímo úměrnou závislost na čtverci napětí. Nízké napětí tak zvyšuje kapacitu, velikost a cenu kondenzátoru 29. To se může vyloučit, jestliže kondenzátor 29 je připojen k primárnímu obvodu transformátoru 11.

Na obr. 3 má měnič 2 druhý transformátor 30, tvořící s kondenzátorem 29 druhý obvod 23 pro posun fáze, přičemž v tomto případě je kondenzátor 29 zapojen sériově s primárním vinutím 31 druhého transformátoru 30 a tento sériový obvod je zapojen paralelně s primárním vinutím £4 prvního transformátoru 13, zatímco sekundární vinutí 32 prvního transformátoru 13 má jednu svorku připojenou ke spojovacímu bodu 27 obvodů 22 a 23 a druhou svorku připojenou k diagonále střídavého proudu usměrňovače 17.

Tlumivka 28 může být také připojena k primárnímu vinutí 14 prvního transformátoru 13, jak je znázorněno na obr. 4, zatímco první sekundární vinutí 15 téhož transformátoru 13 přes jeho jednu svorku je připojeno ke spojovacímu bodu 27 obvodů 22 a 23 a přes druhou svorku je připojeno k usměrňovači 17.

Takové řešení měniče 2 umožňuje zmenšovat proud přes tlumivku 28, čímž se zjednodušuje její konstrukce s velkými proudy elektrického oblouku a nízkým napětím.

Druhé sekundární vinutí 16 prvního transformátoru 13 může být zapojeno paralelně a ve stejném smyslu se sekundárním vinutím 32 (obr. 5) druhého transformátoru 30. Přitom je spojovací bod 27 obvodů 22 a 23 pro posun fáze spojovací bod vinutí 15 a 16 prvního transformátoru 13. Kondenzátor 29 je zapojen sériově s primárním vinutím 31 druhého transformátoru 30 a tento sériový obvod je zapojen paralelně s primárním vinutím 14 prvního transformátoru 13 a se síťovým napětím. V tomto případě je tento obvod 23’ pro posun fáze tvořen sekundárním vinutím 16 prvního transformátoru 13 a druhým transformátorem 30 s kondenzátorem 29 spojeným s primárním vinutím 31 druhého transformátoru 30.

Takové řešení měniče 2 umožňuje mít napětí kondenzátoru 29 přibližně dvakrát tak velké, jako je napájecí napětí.

Aby se vyloučilo nebezpečí výskytu feromagnetické rezonance v obvodech s kondenzátorem 29 v paralelním vedení (obr. 3, 4, 5), kondenzátor 29 nebo sekundární vinutí 32 druhého transformátoru 30 musí být připojen paralelně k obvodům zajišťujícím výboj kondenzátoru 29 v případě náhlého poklesu proudu oblouku.

Měnič 2 může být opatřen transformátorem 13' (obr. 6) majícím několik sekundárních vinutí 15. 16 a 33. V takovém měniči 2 je počet obvodů 22, 23 a 24 pro posun fáze rovný počtu sekundárních vinutí 15, 16 a 33. Pro zjednodušení výkresu ukazuje obr. 6 tři obvody 22. 23 a 34 pro posun fáze, v nichž má jeden obvod nejméně jeden kondenzátor 29, další obvod (obvod 22) má tlumivku a zbývající obvod (přídavný obvod 34) má kondenzátor nebo tlumivku (ve výkrese je znázorněno provedení s tlumivkou 35 v přídavném obvodu 34).

Každý přídavný obvod 34 pro posun fáze obsahuje dva přídavné usměrňovači členy 36 a 37 připojené k přídavnému usměrňovacímu členu 24 a 25 ve stejné polaritě, přičemž spojovací bod 38 těchto usměrňovačích členů je připojen ke spojovacímu bodu 39 obvodů 23 a 34 pro posun fáze.

-6CZ 283921 B6

Spojovací bod 27 obvodů pro posun fáze je připojen ke spoji přídavných usměrňovačích členů 24 a 25 nejen přímo, jak je znázorněno na obr. 1 až 6. Při nedostatečném zkratovém výkonu napájecí sítě je toto spojení s výhodou provedeno přes obvod 40 (obr. 7) pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu, který obvykle zahrnuje tlumivku 41. Přitom takový obvod může být použit v jakémkoli zvýše popisovaných provedeních obvodů 22 a 23 pro posun fáze. Například podle obr. 1 až 6 může mít měnič nejméně jeden obvod 42 pro zmenšování rychlosti vzrůstu proudu (obr. 8), kterého je zapotřebí, když měnič 2 má více než jeden obvod (23 a 43) pro posun fáze, zahrnující kondenzátor 44 připojený k přídavnému sekundárnímu vinutí 45 prvního transformátoru 13.

Každý přídavný obvod 42 zahrnuje vlastní tlumivku 46, zatímco měnič 2 má přídavné usměrňovači členy 36, 37 pro každý přídavný obvod 43 pro posun fáze.

Jestliže napájecí zdroj má přiměřený výkon, může být kondenzátor 29 (obr. 1) vytvořen ve formě sad několika kondenzátorů zapojených paralelně. Množství kondenzátorů přímo zapojených paralelně je však omezeno z bezpečnostních důvodů. Za těchto podmínek bylo shledáno jako vhodné, aby druhý obvod 23 pro fázový posun obsahoval několik kondenzátorů 29, 47 (obr. 9).

V tomto případě má každý přídavný kondenzátor 47 jednu svorku připojenou ke spojovacímu bodu 48 přídavných usměrňovačích členů 49 a 50, které jsou připojeny k výstupu usměrňovače 17 se stejnou polaritou s usměrňovačům členy 24 a 25. Druhý výstup kondenzátorů 47 je kombinován s odpovídající svorkou hlavního kondenzátorů 29.

Na obr. 10 je znázorněno ještě další provedení měniče 2, v němž první obvod 22 pro posun fáze obsahuje přídavnou tlumivku 51 a druhý obvod 23 pro posun fáze obsahuje přídavný kondenzátor 47, přičemž množství přídavných tlumivek 51 a kondenzátorů 47 je určováno podobně jako v provedení z obr. 9.

V daném provedení sestává měnič 2 z prvků malého výkonu (tlumivky 28, 51: kondenzátory 29, 47, usměrňovače 17, 53), pracujících ve skutečnosti paralelně, a toto je účelné u napájecích sítí s velkými výkony.

V tomto provedení měnič 2 obsahuje v jeho diagonále se střídavým proudem také druhý můstkový obvod 53 s přídavnou tlumivkou 51 a kondenzátor 47. Můstkový obvod 53 je založen na usměrňovačích členech 54, 55, 56 a 57, které jsou spojeny ve stejné polaritě s usměrňovacími členy 18-21 hlavního můstkového obvodu. Můstkový obvod 53 je připojen výstupu měniče 2.

Jestliže je řízený napájecí zdroj třífázové zařízení, má v každé fázi nejméně jeden jednofázový měnič 58 (obr. 11), 59 a 60 střídavého proudu na stejnosměrný proud, přičemž všechny měniče 58 až 60 jsou zapojeny paralelně na stejnosměrné straně ajsou připojeny k elektrodám 4. 5. Transformátor 13 je třífázová jednotka mající odpovídající primární vinutí 61, 62 a 63 v každé fázi. Je také možné používat jednotlivé transformátory v každé fázi, přičemž vinutí těchto transformátorů jsou zapojena stejným způsobem, jako vinutí třífázového transformátoru.

Usměrňovače 17 (obr. 1) všech jednofázových transformátorů 58-60 (obr. 11) jsou kombinovány do jediného usměrňovače 17’, který je realizován zodpovídajících polovodičových diod 18-21 pro každou fázi ve formě jediného můstkového obvodu.

Třífázový měnič 2', vytvořený jak je popsáno výše, má také v každé fázi dva obvody 22 a 23 pro posun fáze a dva přídavné usměrňovači členy 24 a 25 odpovídající uvedeným obvodům pro posun fáze. Tím jsou usměrňovači členy 24 a 25 všech fází zapojeny ve stejné polaritě s usměrňovacími členy 18-21 společného můstkového obvodu ajsou připojeny k výstupu usměrňovače 17’. Spojovací bod 26 dvojice usměrňovačích členů 24 a 25 je připojen ke spojovacímu bodu 27 obvodu 22 a 23 pro posun fáze u odpovídající fáze.

Obr. 12 znázorňuje jednofázové měniče, které tvoří třífázový měnič 2', přičemž každý z těchto měničů má obvod 40 pro tlumení rychlosti vzestupu proudu obvodem zahrnujícím druhý obvod pro posun fáze a kondenzátor 29.

- Ί CZ 283921 B6

Je možné také provedení vynálezu, ve kterém mezi každou elektrodu 4 (obr. 13) a 5 a odpovídající výstup přídavných usměrňovačích členů 24 a 25, je vložena přídavná odpovídající tlumivka 64 a 65. která také umožňuje zmenšovat rychlost zvyšování proudu v obvodech všech tří fází, které zahrnují druhý obvod 23 pro fázový posun, mající kondenzátor 29. V tomto případě je zapotřebí pouze dvou tlumivek 64 a 65.

Každý třífázový měnič znázorněný na obr. 11 až 13 může být vytvořen z jednofázových měničů znázorněných na obr. 1 až 10, popsaných výše. Každá fáze těchto třífázových měničů může být také vytvořena z několika paralelně zapojených měničů na stejnosměrné straně. V tomto případě je možné zapojit paralelně v jedné fázi jakékoli jednofázové měniče znázorněné na obr. 1 až 10.

V třífázovém napájecím zdroji může být druhý obvod 23 pro posun fáze opatřen dvěma vinutími 66 (obr. 14) a 67 transformátoru 13, která jsou uložena v různých fázích tohoto transformátoru 13. Vinutí 55, 67 a kondenzátor 29 jsou zapojeny sériově a tvoří obvod 23' pro posun fáze. Umístění vinutí 66 a 67 v různých fázích zajišťuje rozdělení rázu přepínacího proudu obvodem 23' pro posun fáze mezi dvěma fázemi transformátoru 13, a to zmenšuje amplitudu vyšších harmonických složek v primárních vinutích 61-63 a v proudu spotřebovávaném z napájecí sítě.

Ve stejném třífázovém napájecím zdroji jsou zapojeny přídavné tlumivky 64 a 65, jak je znázorněno na obr. 13, pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu.

Třífázový měnič 2' pro řízený napájecí zdroj, mající třífázový obvod 23', s kondenzátorem 20 a dvěma vinutími 66 a 67 v různých fázích, podle výše uvedených zásad, může mít obvody 40 (obr. 15) pro tlumení vzrůstu proudu, které spojují spojovací bod 27 obvodu 22 a 23 pro posun fáze se spojovacím bodem 26 přídavných usměrňovačích členů 24. 25 ve všech tří fázích. Každý obvod 40 obsahuje tlumivku 41.

Sériově zapojené obvody 22, 23 pro fázový posun všech fází vytvářejí obvodové zapojení do trojúhelníka, jak je znázorněno na obr. 16. Přitom je výstupní část druhého obvodu 23 pro fázový posun první fáze obsahující kondenzátor 29 připojena k výstupu prvního obvodu 22' pro fázový posun druhé fáze obsahující tlumivku 28, zatímco výstupy druhých obvodů 23' a 23 pro fázový posun druhé a třetí fáze jsou zapojeny podobně k připojení druhého obvodu 23 v první fázi. Tímto způsobem jsou vytvořené spojovací body 68, 69 a 70 obvodů pro fázový posun jednotlivých fází vrcholy trojúhelníka a tyto spojení vytvářejí dráhy pro proud z jedné fáze měniče do druhé, což působí změny jeho vnější charakteristiky.

Usměrňovače 17 všech jednofázových měničů mohou být ve formě znázorněné na obr. 11 nebo mohou být kombinovány ve společném usměrňovači vytvořeném ve formě jediného usměrňovače 71 ve formě můstkového obvodu 71 s usměrňovacími členy 72 a 73 ve formě polovodičových diod a spojovací body 68, 69 a 70 obvodů 22, 23 pro fázový’ posun různých fází jsou připojeny k odpovídajícímu vstupu můstkového obvodu společného usměrňovače 71, který je diagonálou střídavého proudu tohoto obvodu.

Za těchto podmínek jsou usměrňovači členy 18, 19 první fáze (obr. 11) a paralelně zapojené usměrňovači členy 20, 21 druhé fáze (nebo usměrňovači členy 20, 21 třetí fáze) jsou spojeny do jediné dvojice usměrňovačích členů 72, 73 (obr. 16), a usměrňovači členy 18, 19 a 20, 21 zbývajících fází jsou spojeny podobným způsobem. Paralelní zapojení usměrňovačích členů 18. 19 a usměrňovačích členů 20. 21 se objevuje, když je zapojení obvodu pro fázový posun v měniči 2' (obr. 11) do trojúhelníka.

Třífázový měnič 2' (obr. 17), v němž jsou sériově zapojené obvody 22, 23 pro posun fáze zapojeny do trojúhelníka, může byt podle výše uvedeného řešení opatřen obvody 40 pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu.

Obr. 18 ukazuje, že sériově zapojené obvody 22, 23 pro fázový posun všech fází jsou zapojeny do hvězdy, a v tomto případě napětí při chodu měniče naprázdno vzrůstá v násobku odmocniny ze tří, zatímco jeho zkratový proud se mění bezvýznamně. Svorky v prvním obvodu 22 pro fázový posun, včetně tlumivky 28, všech tří fází (nebo svorek druhého obvodu 23 pro fázový

- 8 CZ 283921 B6 posun obsahujícího kondenzátor 29 všech tří fází) jsou vzájemně spojeny a tvoří spojovací bod (uzel) 74 zapojení hvězdy. Toto zapojení vede ke vzrůstu proudu napájecího zdroje při chodu naprázdno. V tomto případě usměrňovače 17 všech jednofázových měničů mohou být připojeny paralelně na stejnosměrné straně podle obr. 11, nebo mohou být stavebně spojeny do společného usměrňovače (obr. 18) vytvořeného ve formě můstkového obvodu 75 s usměrňovacími členy 20, 21 (nebo 18, 19) a 76. 77 ve formě polovodičových diod, přičemž volné konce obvodů 23 (nebo 22) fázového posunu všech tří fází jsou připojeny k odpovídajícím usměrňovacím členům 20. 21 (nebo 18, 19) a spojovací bod 74 obvodů 22 (nebo 23) fázového posunu všech fází jsou připojena k usměrňovacím členům 76. 77.

Obr. 14 znázorňuje měnič 2 se třemi sériově zapojenými obvody 22, 23 a 23' v každé fázi, které jsou vzájemně spojeny do hvězdy v bodě 74.

Sériově zapojený obvod 2, 3 pro fázový posun všech fází může být také zapojen do trojúhelníka se skluzem (obr. 19), kde ve všech fázích je konec 78 obvodu 23 pro fázový posun (nebo konec 79 obvodu 22) jedné fáze připojen ke spojovacímu bodu 27 obvodů pro fázový posun druhé fáze.

V tomto případě napětí při chodu naprázdno vzrůstá a vnější charakteristika zdroje se mění.

V tomto systému je výstupní konec 78 druhého obvodu 23 pro fázový posun první fáze, obsahující kondenzátor 29 (nebo výstupní konec 79 prvního obvodu 22 pro fázový posun obsahující tlumivku 28) připojen ke spojovacímu bodu 27 obvodů 22, 23 pro fázový posun druhé fáze (nebo spojovacímu bodu 27 obvodů 22, 23 třetí fáze), zatímco výstupní konce 78, 78 druhých obvodů 23 (nebo výstupní konce 79 prvních obvodů 22) pro fázový posun ve druhé a třetí fázi jsou připojeny ke spojovacím bodům 27 obvodů pro fázový posun podobně jako zapojení v první fázi.

Usměrňovače 71 všech tří fází jsou zapojeny paralelně na stejnosměrné straně podle obr. 11, nebo ve všech třech fázích usměrňovači členy 20, 21 (obr. 19) (nebo 18, 19) ve formě polovodičových diod usměrňovačů 17 jedné fáze jsou stavebně spojeny s přídavnými usměrňovacími členy 24, 25 druhé a třetí fáze v jedné dvojici společných usměrňovačích členů 80, 81, usměrňovači členy (polovodičové diody) 18, 19 (nebo 20, 21) všech tří fází tvoří jeden společný můstkový obvod 82, a výstupní konce 79 prvního obvodu 22 pro fázový posun (nebo výstupní konce 78 druhých obvodů 23 pro fázový posun) všech tří fází jsou připojeny k odpovídajícím vstupům společného můstkového obvodu 82, které jsou jeho diagonálami stejnosměrného proudu.

Třífázové měniče 2', v nichž jednofázové obvody 22, 23 tří fází jsou zapojeny do hvězdy nebo do trojúhelníka se skluzem, mají v každé fázi obvod 40 pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu, který· spojuje spojovací bod 27 obvodů 22, 23 pro fázový posun jedné fáze s odpovídajícím spojovacím bodem 26 přídavných usměrňovačích členů 24, 25 (obr. 18) nebo s odpovídajícím spojovacím bodem 88 přídavných společných usměrňovačích členů 80, 81 (obr. 19). Každý obvod 40 obsahuje tlumivku 41.

Třífázový měnič 2 (obr. 20) má v každé fázi obvod 40 pro tlumení vzrůstu rychlosti proudu, a v tomto měniči v každé fázi je konec 78 druhého obvodu 23 pro posun fáze obsahujícího kondenzátor 29. nebo konec 79 prvního obvodu 22 pro posun fáze obsahující tlumivku 22 připojen k přípojnému bodu 83 přídavného společného usměrňovacího členu 80, 81 a obvodu 40 pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu ve druhé fázi. Takové spojení snižuje zatížení na obvodu 40 pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu (ve srovnání se zapojením z obr. 19).

Zapojení obvodů pro posun fáze jednotlivých fází do trojúhelníka, hvězdy a trojúhelníka se skluzem může být provedeno ve všech třífázových měničích, které jsou složeny z jednofázových měničů podle obr. 1 až 8 a obr. 10, jejich zapojením paralelně na stejnosměrné straně, jak je popsáno výše.

Spojení mezi obvody pro fázový posun různých fází jsou provedena bud’ stacionárně, nebo pomocí přepínačů 84 (obr. 21). Přepínače 84 dovolují měnit výstupní charakteristiku napětí proudu měniče 2” při chodu naprázdno stupňovitě.

-9CZ 283921 B6

Řízený napájecí zdroj pro elektrickou obloukovou pec pracuje následovně. Před chodem je komparátor napájen existující hodnotou usměrněného napětí Uj, které je poněkud vyšší, než je napětí měniče U_do při chodu naprázdno. V tomto případě je kladný signál vytvořen na výstupu komparátoru 6 a elektroda 4 pece 1 je zdvižena do její krajní horní polohy. Současně se napětí z paralelního vedeni se střídavým proudem vede do transformátoru 13 měniče 2. Když je elektroda 4 pece 1 zdvižena, není měnič 2 zatížen a na reaktivních prvcích (tlumivka 28 a kondenzátor 29) se nepozoruje žádný pokles napětí. Na výstupu usměrňovače 17 se objeví napětí U_do chodu naprázdno. Napětí při chodu naprázdno je součet napětí obou sekundárních vinutí 5 a 16 transformátoru 13.

Pro uvedení zdroje v činnost, se vede zvolená hodnota usměrněného napětí Lk na komparátor 6, přičemž napětí Us je nižší, než je napětí měniče 2 při chodu naprázdno. Na výstupu komparátoru 6 vzniká záporný signál, který působí pohyb elektrody 4 směrem dolů, který pokračuje, až se objeví v obvodu 1 krátké spojení. V tomto případě klesne výstupní napětí měniče 2 téměř na nulu, což má za následek, že se objeví na výstupu komparátoru 6 kladný signál, a elektroda 4 se začne pohybovat vzhůru. Tím se vytvoří elektrický oblouk mezi elektrodou 4 a vsázkou, přičemž délka tohoto elektrického oblouku se začíná zvětšovat. Při elektrickém oblouku s velkým výkonem v peci (v pásmu vysokých proudů) závisí napětí na délce oblouku v přibližně přímé úměrnosti a téměř nezávisí na proudu I_d napájecího zdroje.

Během pohybu elektrody 4 vzhůru se délka oblouku a napětí Ui přes oblouk zvyšuje. Převodník 2 reaguje na výchylku zatížení, která je vyjádřena změnou napětí oblouku parametrickým způsobem, tj. nastavováním nových hodnot proudu a napětí bez řídicí činnosti. Napětí U, požadované pro danou délku se získá automaticky vzhledem ke změně úbytků napětí a proudových fází na tlumivce 28 a kondenzátoru 29, které jsou zapojeny sériově s obloukem. Elektroda 4 se zdvíhá a délka oblouku se zvětšuje, až se usměrněné napětí U_d stane rovným zvolené hodnotě usměrněného napětí Us· V tomto případě bude signál na výstupu regulátoru 9 napětí nula a elektroda 4 se zastaví. Potom se poloha elektrody 4 koriguje samočinně, když se vsázka taví. Změna zvoleného napětí Us má za následek změnu délky oblouku, až se získá nové napětí.

Výše popsané řízení je možné vzhledem ke kombinaci vlastností plazmy, řídicího obvodu polohy elektrod a měniče s reaktivními prvky v silových obvodech. V tomto schématu je elektrická veličina tj. napětí na oblouku a současně na výstupu měniče řízena mechanicky pohybem elektrody 4. Měnič 2 nepotřebuje řízené usměrňovače.

Jelikož se napětí oblouku U_t může měnit od nuly v režimu pracujícímu s krátkým spojením do napětí U_dn měniče 2, můžeme rozlišovat tři jednotlivé pracovní režimy měniče 2. První režim odpovídá práci při velkých zátěžových proudech a se spojením nakrátko, druhý režim odpovídá práci ve jmenovitých podmínkách a okolo nich, a třetí režim odpovídá práci v při nízkých zátěžových proudech nebo v blízkosti chodu naprázdno. Pro jednofázový napájecí zdroj v souladu s obvodem znázorněným na obr. 1 je na obr. 22 uvedeno rozdělení I_d = f (U_d). Tyto tři pracovní režimy se liší složením, sledem a trváním proudových smyček v měniči 2, kterých je celkem šest (obr. 1).

První smyčka je vinutí 15, tlumivka 28, usměrňovači člen 18. pec 1, usměrňovači člen 25 a vinutí 15. Druhá smyčka je vinutí 16, kondenzátor 29, usměrňovači člen 20, pec 1, usměrňovači člen 25 a vinutí 16. Třetí smyčka je vinutí 16, kondenzátor 29, usměrňovači člen 20, pec 1, usměrňovači člen 19, tlumivka 28 a vinutí 16. Čtvrtá smyčka je tlumivka 28, vinutí 15. usměrňovači člen 24, pec 1. usměrňovači člen 19 a tlumivka 28. Pátá smyčka je kondenzátor 29, vinutí 16, usměrňovači člen 24, pec 1, usměrňovači člen 21 a kondenzátor 29. Konečně šestá smyčka je vinutí 15, tlumivka 28, usměrňovači člen 18, pec 1, usměrňovači člen 21, kondenzátor 29, vinutí 16 a vinutí j_5.

V první a čtvrté smyčce je pec napájena z indukčního prvního obvodu 22 pro posun fáze, ve druhé a páté smyčce je pec napájena z druhého obvodu 23 pro posun fáze. Přitom je napájecí napětí v těchto zdrojích rovné napětí sekundárních vinutí 15 nebo 16. Ve třetí a čtvrté smyčce je

- 10CZ 283921 B6 pec napájena z obvodů 22 a 23 pro posun fáze, zapojených sériově, a napájecí napětí v těchto smyčkách je rovné součtu napětí v obou sekundárních vinutích 15 a 16. V těchto tří dvojicích smyček je jedna z nich, například první, v první půlvlně, zatímco druhá, například čtvrtá, je ve druhé půlvlně.

Činnost měniče 2 v režimu I (obr. 22) probíhá následovně. Při činnosti v režimu I se tvoří první a druhá proudová smyčka v první půlvlně, zatímco čtvrtá a pátá proudová smyčka se tvoří ve druhé půlvlně. Třetí a čtvrtá smyčka jsou prakticky nepřítomné. Proudy a napětí v obvodu před usměrňovačem 17 v prvním režimu mají přibližně sinusový tvar. Vzhledem ktéto skutečnosti zde můžeme použít vektorový diagram, který platí pro nízké obloukové napětí (obr. 23). Indexy vektorů proudů, napětí a EMS na obr. 23 odpovídají vztahovým značkám prvků na obr. 1. Napětí na vstupu usměrňovače jsou dána uvedena jako Uh, Ur2 aU^. Úbytek napětí na ekvivalentní indukční reakci rozptylového pole vinutí 15 je označeno jako U^. Vektorový diagram (obr. 23) je konstruován vzhledem k bodu spojení obvodů 22 a 23 pro posun fáze. V tomto případě obrací během přenosu ze sekundárního obvodu transformátoru 13 do primárního obvodu vektory proudu a napětí jednoho z vinutí 16 obracejí svůj směr, zatímco vektory proudu a napětí druhého z vinutí 15 nemění svůj směr. Proudy Ι₁₃ a Ii₆ sekundárního vinutí, vztažené k primárnímu vinutí, jsou uvedeny jako I’_l5 a Ι’ιβ- Tyto proudy jsou rovné pokud jde o velikost a otočené o stejný úhel v různých směrech vzhledem EMS vektorům Ei> aE₁₆ sekundárních vinutí 15, 16. Toho je dosaženo například tím, že napětí sekundárních vinutí 15 a 16 jsou uvažována stejná, zatímco reaktance reaktivních prvků (tlumivky 28 a kondenzátorů 29) v obvodech 22, 23 pro fázový posun jsou zvoleny z podmínky x₂ = x_t + x_s, (1) kde x₂ je indukční reaktance tlumivky 23, je kapacitní reaktance kondenzátorů 29 a x_s je indukční reaktance rozptylového pole transformátoru 13.

Geometrický součet proudů I'_l5 a I'i₆ je spotřebovaný proud I₁₄ kompenzovány v prvním pracovním režimu. Ze spojení 27 obou obvodů 22 a 23 pro posun fáze prochází proud 1, který'je geometrickým součtem proudů > a I73 a v prvním pracovním režimu je tento proud mnohem vyšší, než je proud na větvích (L₂ nebo E3).

Obzvláštní případ pracovního režimu I je režim spojení nakrátko. V tomto případě je napětí na výstupu usměrňovače 27 rovné nule, stejně jako na jeho vstupu. To je ekvivalentní případu, kdy jsou obě svorky tlumivky 28 připojeny k vinutí 15 a obě svorky kondenzátorů 29 jsou připojeny k vinutí 16 (začátek a konec každého obvodu 22 a 23 pro posun fáze jsou vzájemně spojeny nakrátko). Napětí vinutí 15 a 16 transformátoru 13 jsou vyvážena úbytkem napětí přes reaktivní prvky (tlumivka 28 a kondenzátor 29), které omezují proud. V tomto případě jsou proudy v obvodech 22 a 23 prakticky ve fázi vzhledem ke spojení těchto větví. Součet těchto proudů nebo výsledný proud 1 prochází z tohoto spojení obvodů 22 a 23 do případných usměrňovačích členů 24 a 25, kde je usměrňován a potom teče do elektrod 4, 5 pece 1 spojených nakrátko. Proud spojení nakrátko pece 1 je proto omezován na úroveň součtu proudů obou obvodů 22 a 23 pro posun fáze. Stejné proudy obvodů 22 a 23 jsou sečteny v primárním vinutí 14 téměř v opačné fázi, a ze sítě střídavého proudu je spotřebováván pouze malý proud pro krytí energetických ztrát. Za podmínek spojení nakrátko tvoří tlumivka 28 a kondenzátor 29 paralelní LC-obvod. v němž se energetická výměna mezi reaktivními prvky (28, 29) děje přes sekundární vinutí 15. 16 transformátoru 13.

Měnič 2 v režimu III (obr. 22) pracuje následovně. Během činnosti v režimu III je třetí proudová smyčka v jedné půlvlně a druhá proudová smyčka ve druhé půlvlně. Ze spojovacího bodu 27 obvodů 22 a 23 pro posun fáze do přídavných usměrňovačích členů 24 a 25 neprochází proud.

Tlumivka 28 a kondenzátor 29 jsou spojeny sériově a jejich reaktance jsou zvoleny podle

- 11 CZ 283921 B6 podmínky (1) uvedené výše. Je proto vytvořen sériový LC-obvod, a úbytky napětí na reaktivních prvcích (tlumivka 28. kondenzátor 29) pro první harmonickou složku jsou vzájemně kompenzovány. Pec 1 je napájena přes usměrňovač 17 s přibližně aritmetickým součtem napětí vinutí 15 a 16. V tomto pracovním režimu je proud přerušován a objevuje se v každé půlvlně, když okamžité napětí na sériově zapojených sekundárních vinutích 15 a 16 je vyšší, než je napětí oblouku. V tomto případě vzniknou vy šší proudové harmonické složky a určitá indukční složka. Podíl vyšších harmonických složek je relativně malý, protože LC-obvod potlačuje některé vyšší harmonické složky .

Účinek stabilizace výkonu oblouku ve jmenovitém pracovním režimu 85 (obr. 22) se projevuje následovně. Při přepnutí obvodů 22 a 23' omezujících proud společně se sekundárními vinutími 15 a 16 transformátoru 13 z paralelního zapojení na sériové a opačně se změní transformační poměr transformátoru 13. V případě přechodu z režimu III, v němž jsou sekundární vinutí 15 a 16 zapojena sériově, do režimu se spojením nakrátko, ve kterém jsou tato sekundární vinutí 1.5 a 16 zapojena paralelně, je transformační poměr téměř dvakrát tak velký.

V režimu II se v každé půlvlně přívodního napětí obvody 22 a 23 pro posun fáze mění z paralelního zapojení a zpět, a poměr přítomnosti paralelního zapojení k době trvání sériového zapojení se mění kontinuálně v závislosti na napětí oblouku. To je ekvivalentní kontinuálnímu měnění transformačního poměru transformátoru 13..

Při jmenovitých pracovních podmínkách, které jsou definovány maximálním spotřebovávaným střídavým proudem I_u (obr. 22), bude proud 1 pece poněkud vyšší, než proud jednoho sekundárního vinutí 15 (16). napětí pece 1 je poněkud nižší, než je součet napětí obou sekundárních vinutí 15 a 16. zatímco vstupní výkon pece 1 (bereme-li v úvahu aktivní ztráty) je rovný 95-96 % výkonu transformátoru 13 v tomto pracovním režimu. S malou výchylkou napětí oblouku z od jmenovitého napětí U_dn se spotřebovávaný proud Iu (obr. 22) mění nevýznamně, stejně jako i výkon pece 1. To vyplývá ze skutečnosti, že pokles napětí oblouku na účet změny transformačního poměru má za následek takový vzrůst proudu oblouku, že součin proudu a napětí se mění jen nepatrně. Kolísání napětí oblouku, objevující se při chodu, působí nevýznamné změny výkonu, a pec 1 má prakticky stabilní maximální vstupní výkon.

Napájecí zdroj umožňuje řídit výkon oblouku. Jestliže napětí oblouku výrazně poklesne vzhledem ke jmenovitému napětí, začnou spotřebovávaný střídavý proud T (obr. 22) a vstupní výkon pece 1 klesat. To dovoluje řídit výkon oblouku pece 1 měněním polohy elektrody 4. Když se například elektroda 4 spouští, délka a napětí oblouku jsou zmenšeny a měnič 2 odpovídá tomuto působení nastavením nové hodnoty proudu a napětí. Součin nových hodnot proudu a napětí je nižší, než je součin starých hodnot, takže výkon je při nově nastaveném bodu nižší. Při takovém řízení v rozmezí od 100 do 60 % jmenovitého výkonu 86 (obr. 22) zůstává účinnost prakticky stejná. S dalším vzrůstem řídicího pásma začne účinnost klesat a následné řízení se stane neúčinné. Účinik zůstává v celém pásmu řízení vysoký zatímco vyšší harmonické složky spotřebovávaného střídavého proudu nejprve vzrůstají přibližně o 30 % a potom začnou klesat.

V regulačním procesu se oblouk zkracuje. Na konci regulačního procesu bude napětí přesahovat jmenovitou hodnotu dvakrát až třikrát, zatímco proud bude přesahovat jmenovitou hodnotu o 30 až 50 %, tj. pokles výkonu je provázen vzrůstem proudu oblouku. Délka oblouku proto neklesá úměrně k poklesu výkonu, ale vyšší rychlostí. Pokles výkonu je tak doprovázen přechodem na kratší oblouk. Práce s krátkým obloukem může být odůvodněná v určité fázi procesu tavení, aby se zmenšil destrukční účinek oblouku na vnitřní obložení pece L

Stupeň zkracování oblouku může být také v případě potřeby zmenšován. Toho se dosahuje zvětšováním obvodů 22. 23. 34 měniče 2 omezujících proud, jak je znázorněno na obr. 6. Obecně mohou být přidány jak indukční obvody 34. tak i kapacitní obvody. Parametry obvodů 22, 23 a 34 jsou zvoleny tak, že v prvé řadě je při režimu s krátkým spojením součet reaktivního (jalového) výkonu Q_c kondenzátoru 29 rovný součtu reaktivních (jalových) výkonů Oi tlumivek

28, 35 a induktancí Qs_L rozptylového pole transformátoru 13. tj.

- 12 CZ 283921 B6

Σ Q_c - Σ Q_l + Qsl (2).

Za druhé musí být celková reaktance všech sériově zapojených obvodů 22, 23 a 34 pro posun fáze blízká nule. Vzrůst množství obvodů nezpůsobuje zvláštní změny v činností napájecího zdroje. Vzrůst těchto obvodů však má za následek vzrůst napětí při chodu naprázdno a nebo proudu měniče 2 při spojení nakrátko. Například pro větve se stejným napětím a reaktancí tlumivky 28, kondenzátoru 29 a tlumivky 35 je napětí LL· napájecího zdroje při chodu naprázdno

Ud_o nU_br a zkratový proud napájecího zdroje je

Ids nl_sb (3) (4).

Výsledný výkon S_br obvodů pro posun fáze

Σ S_br = nl_sbr U_br (5) a poměr

U_do k / Σ S_br = n (6) kde n je počet obvodů 22, 23 a 34,

Udo je napětí napájecího zdroje při chodu naprázdno,

Ids je proud napájecího zdroje při spojení nakrátko,

Uhr je jmenovité napětí jednofázového obvodu 22 pro fázový posun (nebo obvodu 23, nebo obvodu 24),

Is_br je proud jednofázového obvodu 22 pro fázový posun (nebo obvodu 23, nebo obvodu 24) při spojení nakrátko, a

S_br je celkový výkon jednofázového obvodu 22 pro fázový posun (nebo obvodu 23. nebo obvodu 24).

Z výrazu (6) je zřejmé, že součin napětí při chodu naprázdno a zkratového proudu vzrůstá přibližně v přímé úměrnosti s počtem obvodů 22, 23 a 34. Tento účinek je vysvětlován tím, že zvětšování počtu sekundárních vinutí 15, 16, 33 transformátoru 13 zvyšuje rozsah změny transformačního koeficientu, a vinutí jsou přepínána z paralelního zapojení na sériové zapojení.

Třífázový napájecí zdroj, mající měnič střídavého proudu na stejnosměrný proud s třemi obvody pro posun fáze pracuje podobným způsobem (obr. 14).

Hlavní chod měniče probíhá ve druhém pracovním režimu, kde se proudové obvody přepínají každou púlvlnu napětí na napájecích prvcích, a to potom deformuje sinusový tvar proud procházejícího těmito prvky. Z tohoto důvodu je také průběh proudu spotřebovávaného v obvodu také nesinusovitý, zatímco harmonické složky tohoto proudu pod jmenovitými pracovními podmínkami dosahují přibližně 15 až 20 %.

Skoky napětí deformují průběh proudu tím více, čím nižší je induktance v tomto proudovém obvodu nebo smyčce. Nejmenší induktanci mají druhá a pátá proudová smyčka, procházející kondenzátorem 29.

Měnič 2 znázorněný na obr. 7 je proto opatřen obvodem pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu ve formě tlumivky 41, který je jeden z prvků tvořících druhou a pátou smyčku, zvyšujících jejich

- 13 CZ 283921 B6 celkovou induktanci. čímž je umožňováno dvakrát snižovat úroveň vyšších harmonických složek v proudu spotřebovávaném z napájecí sítě. V prvním a ve druhém pracovním režimu vzniká na přídavné tlumivce 41 úbytek napětí z proudu první harmonické složky. Vektor tohoto napětí U₄i (obr. 41) má přibližně podobnou fázi jako napětí na prvním sekundárním vinutí 15 transformátoru 13. Napětí U₄₁ vykonává přibližně stejné působení na vstup usměrňovače 17 a stejné zvýšení napětí na druhé sekundární vinutí 16. Použití přídavné tlumivky proto mění poměr reaktivních (jalových) výkonů na reaktivních prvcích, tj. tlumivce 28. 41 a kondenzátoru 29.

Pro zachování kompenzace jalové složky spotřebovávaného proudu jsou parametry transformátoru 13. tlumivek 28, 41 a kondenzátoru 29 zvoleny tak, že sledují vyváženost jalových výkonů při podmínkách se spojením nakrátko, tj. jalový výkon kondenzátoru 29 je shodný se součtem jalových výkonů tlumivek 28 a 41 a rozptylových polí transformátoru 13. To zajišťuje kompenzaci jalového výkonu. Ve jmenovitém pracovním režimu je proud procházející přídavnou tlumivkou přibližně dvakrát tak nízký, jako proud procházející kondenzátorem 29 a tlumivkou 28 (obr. 22). Zapojení přídavné tlumivky 41 k bodu 27 spojení obvodu 23 obsahujícího kondenzátor 29, a obvodu 22 s tlumivkou 28, a k elektrodám 4. 5 peci přes přídavné usměrňovači členy 24 a 25 je výhodnější, než zapojení přídavné tlumivky sériově s kondenzátorem 29 v obvodu 23 pro posun fáze.

Přídavná tlumivka 41 je v obvodu střídavého proudu měniče 2 (obr. 7 a 8) nebo tlumivka 64 (65) je v obvodu stejnosměrného proudu měniče 2' (obr. 14). Použití přídavné tlumivky 64 (65) v obvodu stejnosměrného proudu měniče 2' zajišťuje konstrukční výhodu v třífázových napájecích zdrojích, kde je možné kombinovat tlumivky všech tri fází v jediné tlumivce 64 nebo 65. Potlačení vyšších harmonických složek v obvodu s přídavnými tlumivkami 64, 65 v obvodech stejnosměrného proudu je poněkud horší, než v podobném provedení s přídavnou tlumivkou 41 v obvodech střídavého proudu měniče 2 (obr. 7, 8).

Kromě známých metod zvyšování počtu fází může být úroveň vyšších harmonických složek v třífázových napájecích zdrojích snížena použitím dvou vinutí 66 a 67 ve druhých obvodech 23 pro posun fáze, které jsou umístěny v různých fázích transformátoru 13 (obr. 14, 15). Toto působení mění fázi napájecího napětí v ostatních obvodech pro posun fáze z přibližně 30 %. V tomto případě má každá fáze transformátoru 13 pro napájení druhých obvodů 23 pro posun fáze místo jednoho sekundárního vinutí 16 dvě vinutí 66, 67. Skok přepínacího proudu přes obvod 23 pro posun fáze je potom rozdělen mezi dvěma fázemi transformátoru 13. a to zmenšuje amplitudu vyšších harmonických složek v proudu spotřebovávaném z napájecí sítě.

Když není při pracovních podmínkách pece zapotřebí celý výkon pece, může být tento napájecí výkon využit pro generování reaktivního (jalového) výkonu do napájecí sítě. Za tímto účelem jsou usměrňovači členy 18 (obr. 2a) a 19 ve druhém obvodu 23 pro posun fáze obsahujícím tlumivku 28 vytvořeny jako řízené usměrňovači členy 18 a 19, například tyristory. Při nepřítomnosti řídicích impulzů na tyristorech neprotéká prvním obvodem 22 pro posun fáze žádný proud a pec je napájena druhým obvodem 23 pro posun fáze. Kondenzátor 29 v tomto obvodě 23 působí dopředný fázový posun proudu vinutí 16 transformátoru 13 vzhledem k fázi napětí tohoto vinutí 16. Přitom se do sítě přivádí vinutím 14 transformátoru jalový výkon, přičemž maximální hodnota tohoto výkonu je rovná přibližně 30 % jmenovitého výkonu zdroje. Řízením úhlu otevření usměrňovačích členů 18 a 19 se řízený jalový· výkon kontinuálně zmenšuje prakticky na nulu. Takovým způsobem závisí generování jalového výkonu také na délce oblouku v peci 1, a zvětšování délky oblouku zmenšuje generování reakčního výkonu.

Na druhé straně snižuje redukce proudu obvodem 22 pro posun fáze aktivní výkon přiváděný do pece 1. Generování jalového výkonu s maximálním aktivním výkonem, tj. ve jmenovitém pracovním režimu, je proto nemožné.

Řízené usměrňovači členy 18 a 19 rozšiřují kromě řízení jalového výkonu rozpětí kontinuálního řízení aktivního výkonu. Když jsou usměrňovači členy 18 a 19 učiněny nevodivými a s nevýznamným poklesem řídicí účinnosti řízením polohy elektrod, je aktivní výkon snížen na

- 14 CZ 283921 B6 přibližně 15 až 20% jmenovité hodnoty. V tomto případě je do sítě stále generován jalový výkon.

V třífázovém napájecím zdroji majícím jednofázový měnič 58-60 v každé fázi jsou tyto jednofázové měniče 58-60 zapojeny paralelně na stejnosměrné straně. Výstupní napětí paralelně zapojeného jednofázového měniče 58-60 je přibližně stejné, jako během činnosti těchto jednofázových měničů 58-60 samostatně, zatímco výstupní proud je přibližně trojnásobný jako proud kteréhokoli měniče 58 (59, 60). Způsob chodu jednofázového měniče 58-60 v sestavě tohoto napájecího zdroje se lehce liší od chodu těchto měničů 58-60, uvažovaných samostatně.

Jestliže třífázový napájecí zdroj má v každé fázi jednofázový měnič 58-60 s přídavnou tlumivkou 64, 65 v obvodě na stejnosměrný proud, je napětí vznikající na tlumivkách 64 a 65 přenášeno do přídavných usměrňovačích členů 24 a 25 všech tří fází. Změna v proudu, který- prochází přídavnými usměrňovacími členy 24 (nebo 25) v jedné fázi mění přepínací podmínky přídavných usměrňovačích členů 24 (nebo 25) ve zbývajících fázích. To má za následek určité odlišnosti v chodu jednofázových měničů 58-60 v sestavě třífázového napájecího zdroje ve srovnání s chodem těchto jednofázových měničů 2 (obr. 1) uvažovaných samostatně. Zejména nemají přídavné tlumivky 64 a 65 prakticky žádný účinek na rovnováhu jalových výkonů v režimu se spojením nakrátko.

Jestliže jsou v třífázovém napájecím zdroji s měničem 2' (obr. 11), formálně majícím jeden jednofázový měnič 58-60 v každé fázi, sériové obvody z obvodů 22, 23 fázového posunu měničů 58-60 zapojeny do trojúhelníka (obr. 16, 17) nebo do hvězdy (obr. 18) nebo do trojúhelníka se skluzem, není na reaktivních prvcích obvodů 22, 23 pro posun fáze napětí, např. v operačním režimu při chodu na prázdno. Napětí měniče 2' při chodu na prázdno bude stejné, jako v nepřítomnosti reaktivních prvků v obvodu, tj. odpovídá zapojení sekundárních vinutí 15, 16 transformátoru 13 do trojúhelníka, nebo do hvězdy, nebo do trojúhelníka se skluzem. Při režimu se spojením nakrátko je začátek a konec každého obvodu 22, 23 pro posun fáze v kterékoli fázi jsou spolu můstkově spojeny přes usměrňovač 17 a nakrátko spojené elektrody 4 a 5 pece £. Podmínky kompenzace jalového výkonu při režimu se spojením nakrátko budou proto prakticky stejné jako v nepřítomnosti spojení mezi obvody 22 a 23 pro fázový posun různých fází.

Proud procházející elektrodami 4 a 5 pece £ spojenými nakrátko však bude menší, než je součet proudů obvodů 22. 23 pro posun fáze. To vyplývá ze skutečnosti, že ve spojovacích bodech 68, 69, 70 (obr. 16) nebo 74 (obr. 18) nebo 27 obvodů 22, 23 pro posun fáze v různých fázích prochází pouze část proudu obvodu 22 (23) usměrňovacími členy 18-21 a elektrodami 4, 5 pece £, zatímco druhá část tohoto proudu prochází přímo obvodem 22 (23) pro posun fáze. Je to zřetelně patrné v zapojení do trojúhelníka (obr. 16), kde zkratový proud pece je větší než jmenovitý proud pouze o 20-30 %.

Při jmenovitých pracovních podmínkách a v pásmu řízení výkonu proudu také procházejí z jedné fáze měniče do druhé přes spojovací bod 68, 69, 70 (obr. 16) nebo 74 (obr. 18) nebo 27 (obr. 19) obvodů 22 a 23 pro posun fáze v rozdílných fázích. Velikost těchto mezifázových proudů závisí zejména na fázovém posunu proudu ve spojeních obvodů 22, 23. Tyto úhly fázového posunu závisí na specifickém schématu zapojení obvodů a, v souladu se zapojením znázorněným na obr. 16, 17, 18 a 19 jsou tyto úhly rozdílné. Když je obvod 22 fázového posunu jedné fáze, obsahující kondenzátor 29. připojen k obvodu druhé fáze (obr. 16, 17 a obr. 19), mění se fázový posun mezi proudy těchto obvodů 22, 23 v závislosti na zatížení, tj. na délce oblouku v peci £. Je třeba poznamenat, že v obyčejných třífázových transformátorech je fázový posun mezi proudy v sekundárních vinutích £5, 16 rozdílných fází transformátoru 13 prakticky konstantní při jakémkoli zatížení. Rozdíl v mezifázových spojeních bude mít za následek, že výstupní charakteristiky napájecího zdroje s měniči podle obr. 16, 18 a 19 se liší jak od sebe navzájem, tak i od charakteristik napájecího zdroje vyznačujícího se paralelním chodem měničů 58-60 všech fází. Výstupní charakteristika napájecího zdroje znázorněného na obr. 16 a 17 je také závislá na sledu fází třífázového napájecího napětí. Změna ve sledu fází mění jmenovitý výkon

- 15 CZ 283921 B6 více než dvojnásobně ajmenovité napětí téměř dvojnásobně. Takový účinek umožňuje získat regulační stupeň jednoduchým způsobem.

Tento účinek vyplývá ze skutečnosti, že změna sledu fází mění podmínky sčítání konstantního fázového posunu třífázového napájecího systému (120°) a proměnlivého fázového posunu z napětí reaktivních prvků. Jestliže druhý obvod 23 pro posun fáze s kondenzátorem 29 je v první fázi a přidružený první obvod 22 pro posun fáze s tlumivkou 28 je ve druhé fázi, proměnlivý fázový posun reaktivních prvků (tlumivky 28, kondenzátoru 29) zmenšuje konstantní fázový posun třífázového napájecího zdroje. Ten snižuje vzrůst mezifázového proud a zvyšuje proud usměrňovacími členy 72, 73 v peci L Jestli je naopak první obvod 22 pro posun fáze s tlumivkou 28 v první fázi a přidružený druhý obvod 23 pro posun fáze s kondenzátorem 29 je ve druhé fázi, zvětší proměnlivý fázový posun konstantní fázový posun. Toto působení zvětší mezifázový proud, protože s celkovým fázovým posunem 180° je tento proud maximální a zmenšuje proud přes usměrňovači členy 72, 73.

Pro výkonnější zdroje je často obtížné realizovat prvky pro vysoké proudy a výkony, například počet kondenzátorů přímo zapojených paralelně je omezen z bezpečnostních důvodů, nejsou k dispozici žádné usměrňovače pro velmi vysoké proudy atd. V takových případech je napájecí zdroj sestaven z jednotek srovnatelně nízkého výkonu, pracujících paralelně. Tyto jednotky obsahují reaktivní prvky (kondenzátory a tlumivky), jak je znázorněno na obr. 8 a 9 ukazujících snížení počtu přímo zapojených kondenzátorů usměrňovačů, reaktoru a sad kondenzátorů.

Měnič 2 sestavený z prvků relativně nízkého výkonu zapojených paralelně (obr. 9, 10) nezpůsobí žádné podstatné odlišnosti v chodu napájecího zdroje. Proudy mezi jednotlivými sadami kondenzátorů 29, 47 jsou rozděleny úměrně ke kapacitám těchto sad, zatímco proudy mezi jednotlivými tlumivkami 28, 51 jsou rozděleny nepřímo úměrně vzhledem k indukčnosti těchto tlumivek.

V některých případech, například pro elektrické obloukové svařování, musí být napájecí napětí nižší než 100 V. Kondenzátor 29, který v tomto napájecím zdroji je v sekundárním obvodu odpovídajícího transformátoru 13. je pod nízkým napětím. Kapacita tohoto kondenzátoru 29 je nepřímo úměrná na druhé mocnině napětí. Nízké napětí má proto za následek zvýšení kapacity, velikosti i ceny kondenzátoru 29. Tomu se lze vyhnout, jestliže je kondenzátor 29 vložen do obvodu primárního vinutí 14 odpovídajícího transformátoru 13 podle zapojení znázorněného na obr. 3 nebo 4. Tímto způsobem je pracovní napětí kondenzátoru 29 přibližně rovné napájecímu napětí, zatímco v druhém případě je přibližně dvojnásobkem tohoto napětí.

Provedení napájecích zdrojů s měniči znázorněnými na obr. 3, 4, 5. kde kondenzátor 29 nebo tlumivka 28 jsou v primárním vinutí transformátorů 13 a 30. mají téměř stejné výstupní charakteristiky jako provedení s kondenzátorem 29 a tlumivkou 28 v sekundárních obvodech transformátoru 13 (obr. 1. 2). Vzhledem ktéto skutečnosti neprochází prakticky žádný proud mezi elektrodami 4 a 5 v provozním režimu elektrického oblouku. Odlišnosti mezi těmito provedeními prakticky nejsou ani při práci usměrňovačů 17 a přídavných usměrňovačích členů 24,25.

Druhý transformátor 30 (obr. 3) má v obvodu primárního vinutí 31 kondenzátor 29 a tato skutečnost má za následek změnu napětí na primárním vinutí 31. když proud prochází přes kondenzátor 29. V režimu chodu naprázdno pro magnetizování druhého transformátoru 30 prochází malý proud, a to vede ke zvýšení napětí na primární vinutí 31 nad napětí sítě. V režimu napájecího zdroje při spojení nakrátko napětí obou vinutí druhého transformátoru 30 jsou blízká nule. Napětí druhého transformátoru 30 a indukce v jeho magnetickém obvodu se proto mění v závislosti na proudu oblouku v rozmezí od nuly do jmenovité hodnoty.

Práce provedení napájecího zdroje znázorněného na obr. 5, kde druhý obvod 23 pro fázový posun obsahuje sekundární vinutí 32 druhého transformátoru 30 a sekundární vinutí 16 prvního transformátoru 13 zapojené sériově a ve stejné polaritě se liší od provedení podle obr. 3 v zásadě v tom, že v režimu spojení nakrátko je sekundární vinutí 32 druhého transformátoru 30 zapojeno

- 16 CZ 283921 B6 přes usměrňovač 17, přídavné usměrňovači členy 24, 25 a nakrátko spojené elektrody 4, 5 paralelně vůči druhému sekundárnímu vinutí 16 prvního transformátoru 13. Vinutí 32 ve druhém transformátoru 30 tak bude hrát roli primárního vinutí, zatímco vinutí 31 hraje roli sekundárního vinutí, V tomto případě se fáze na vinutí 31 liší přibližně o 180° od fáze napětí vsítí. Na kondenzátor 29 je přiveden přibližně součet napětí vinutí 31 a napájecího napětí. Změna napětí oblouku vede ke změně v amplitudě napětí na druhém transformátoru 30 v relativně malých mezích, zatímco fáze tohoto napětí se mění o 180°.

Stejnosměrná složka napětí kondenzátoru 29, vznikající vzhledem velkým spádům napětí oblouku mezi elektrodami 4, 5 v měničích znázorněných na obr. 3, 4 a 5 působí nasycení magnetického obvodu druhého transformátoru 30 a vznik feromagnetických oscilací mezi kondenzátorem 29 a druhým transformátorem 30. Pro zabránění tomuto nežádoucímu jevu musí být ke kondenzátoru 29 a nebo vinutí 32 druhého transformátoru 30 paralelně zapojeny obvody, které když proud výrazně poklesne, zajistí výboj kondenzátoru 29 a zaniknutí energie náboje nashromážděného v elektrickém poli tohoto kondenzátoru. Takový obvod může například sestávat ze saturačního reaktoru a rezistoru zapojených sériově, nebo z regulačního usměrňovače a rezistoru zapojených sériově.

Vřazení tlumivky 28 do primárního obvodu prvního transformátoru 13 (obr. 4) má za následek změnu napětí na prvním transformátoru 13 v rozmezí přibližně od nuly k napětí sítě, ale je zde nebezpečí ferorezonance.

Jak bylo uvedeno výše, popisovaný regulovatelný napájecí zdroj umožňuje snížit úroveň vyšších harmonických složek v proudu spotřebovávaném ze sítě dosti jednoduchými prostředky. To zmenšuje negativní účinek napájecího zdroje na napájecí síť.

Pokles vyšších harmonických složek ve spotřebovávaném proudu se dosahuje především vzhledem k tomu, že napájecí zdroj nemá prvky se řízením fáze, například řízený reaktor nebo tyristory. Je dobře známo, že při řízení fáze není na začátku půlvlny v síti proud, zatímco v určitém okamžiku, například uprostřed poloviční periody dochází k nasycení oceli jádra reaktoru řídicím proudem, nebo je řídicí impulz vyslán do tyristoru, a síťový proud prudce vzroste na hodnotu určovanou odporem proti zátěži. Sinusová vlna proudu je tak deformována. Navržený napájecí zdroj nemá takové deformace vzhledem k nepřítomnosti řízených prvků. Naproti tomu deformace sinusové vlny vzniká také v neřízeném můstkovém zapojení usměrňovače, kde probíhá přirozený proces činit některé usměrňovače vodivými a jiné nevodivými ve spojení s přepínáním proudových smyček. Přepínací proces mění napětí na prvních obvodu stupňovité a sinusovitý tvar proudu procházejícího těmito prvky je doformován. Skoky napětí mění průběh proudu ze sinusového tvaru tím více, čím nižší je indukčnost tohoto proudového obvodu. Proudové smyčky procházející sadou kondenzátorů baterií a odbočkou sekundárního vinutí transformátoru vykazují nejmenší induktanci. Přídavná tlumivka v odbočném obvodu transformátoru umožňuje zvýšit induktanci těchto smyček, čímž se snižuje úroveň vyšších harmonických složek ve spotřebovávaném proudu. Dosažitelná úroveň vyšších harmonických složek ve spotřebovávaném proudu za všech pracovních podmínek nepřesahuje 68 % jmenovitého proudu, bez zvětšení počtu fází měniče a 2-3 % při zvýšeném počtu fází měniče na dvanáct, zatímco úroveň harmonických složek v tyristorovém usměrňovači je odpovídajícím způsobem 20 až 25 % a 10-15 %.

Redukce výchylky napětí v síti a nízká úroveň vyšších harmonických složek dovolují navrhovanému napájecímu zdroji pracovat bez druhého dynamického kompenzátoru a filtrů všitích, ve kterých zkratový výkon sítě převyšuje výkon napájecího zdroje pouze 12-15 krát. Snížení požadovaného zkratového výkonu třikrát až čtyřikrát výrazně zvyšuje množství těch sítí, kde není dynamické kompenzace zapotřebí. Náklady napájecího zdroje podle známého stavu techniky s dynamickým kompenzátorem budou přibližně o 50 až 60 % vyšší, než bez tohoto kompenzátoru. Když se použije navrhovaného napájecího zdroje místo tyristorového napájecího zdroje dle známého stavu techniky, poklesnou náklady na zařízení 2,2 krát.

- 17 CZ 283921 B6

Snížení negativního účinku na síť je také vyjádřeno ve snížení kolísání napětí sítě, které se dosahuje tím, že vzhledem ke vzájemné kompenzaci jalových složek proudů sady kondenzátorů a reaktorů je jalová složka spotřebovávaného proudu navrhovaného napájecího zdroje v celém pracovním pásmu od chodu naprázdno až po spojení nakrátko relativně nízká. Maximální hodnota jalové složky je rovná 20-40 % aktivní složky jmenovitého režimu. V usměrňovači podle známého stavu techniky je jalová složka v oblasti spojení nakrátko prakticky rovná celkovému proudu a dosahuje až 100-120 % aktivní složky jmenovitého režimu. Kolísání napětí v navrhovaném napájecím zdroji je tak zmenšeno 3 krát až 4 krát.

Navrhovaný napájecí zdroj má vyšší účinnost, než tyristorový napájecí zdroj podle známého stavu techniky. Účinnost je zvýšena na účet snížení ztrát výkonu v transformátoru a v reaktorech, a také vzhledem k nahrazení tyristorů diodami.

Účinnost transformátoru v napájecím zdroji dle známého stavu techniky je přibližně rovná účinnosti v navrhovaném řešení. Naproti tomu v navrhovaném napájecím zdroji jsou jak výkon transformátoru, tak i ztráty v něm poloviční.

Vzhledem k vysokému instalovanému výkonu reaktorů v navrhovaném napájecím zdroji je celková ztráta výkonu v těchto reaktorech tolikrát nižší.

V napájecím zdroji dle známého stavu techniky zátěžový proud prochází dvěma sériově zapojenými tyristory usměrňovacího můstku, zatímco v navrhovaném napájecím zdroji tento proud prochází přes dvě sériově zapojené diody. Jelikož úbytek napětí na tyristorů je přibližně dvakrát tak velký, jako na diodě, ztráty výkonu v tyristorovém usměrňovacím můstku jsou také přibližně dvakrát tak velké, jako v diodovém můstku.

V důsledku toho ztráty v navrhovaném napájecím zdroji činí celkem přibližně 60 % ztrát oproti napájecím zdrojům dle známého stavu techniky. Účinnost navrhovaného napájecího zdroje s výkonem 70 MW je přibližně 0,98, což je o 1,5-2% vyšší, než u tyristorového napájecího zdroje dle známého stavu techniky.

Navrhovaný napájecí zdroj se vyznačuje vysokou stabilitou oblouku, protože napětí při chodu naprázdno přesahuje jmenovité napětí o 30-40 %. To je 1,5-2 krát více než v tyristorovém napájecím zdroji dle známého stavu techniky. Vyšší rezerva napětí zmenšuje počet přerušení oblouku.

Navrhovaný napájecí zdroj dovoluje kontinuálně řídit vstupní výkon pece v rozmezí od 65 do 100 % jmenovitého výkonu bez řízených usměrňovačích členů nebo stupňovitého přepínání. Přitom regulace prakticky nezhoršuje účiník, nezvyšuje úroveň vyšších harmonických složek a nesnižuje účinnost.

Když je navrhovaný napájecí zdroj vybaven řízenými usměrňovacími členy, je dolní mez bezestupňové regulace výkonu snížena na 15-20% jmenovité hodnoty. V tomto případě není regulace spojena se spotřebou jalového výkonu ze sítě, ale naopak se jalový výkon generuje do sítě. Zvětšení vy šších harmonických složek a pokles účinnosti během regulace výkonu bude mnohem menší, než u napájecího zdroje dle známého stavu techniky.

V případě třífázového napájecího zdroje majícího obvody pro fázový posun v zapojení do trojúhelníka je možné získat jeden krok regulace změněním sledu fází napájecího napětí.

Při druhém pracovním režimu měnič pracuje následovně. Ve druhém režimu je každá půlvlna rozdělena na čtyři intervaly s rozdílnými proudovými smyčkami. V prvním intervalu jsou vytvořeny druhá a první nebo první a pátá smyčka. Ve druhém intervalu jsou vytvořeny druhá a třetí nebo pátá a šestá smyčka. Ve třetím intervalu jsou vytvořeny třetí a šestá smyčka. Ve čtvrtém intervalu jsou vytvořeny třetí a čtvrtá nebo šestá a první smyčka pro odpovídající první nebo druhou půlvlnu. První interval se získá, když napětí napájecího zdroje prochází nulou. S takovým sledem proudový ch smyček v jedné půlvlně napětí napájecího zdroje se obvody 22 a 23 pro fázový posun přepnou z paralelního zapojení do sériového zapojení a naopak. Přitom je

- 18 CZ 283921 B6 paralelní zapojení přítomné v oblastí přechodu napájecího napětí nulou, zatímco v oblasti maximálního napětí je zapojení sériové.

Kondenzátor 29 a tlumivka 28 vřazené do obvodů 22 a 23 jsou také přepínány z paralelního zapojení do sériového a zpět. V obou verzích zapojení jsou jalové výkony na kondenzátoru 29 a tlumivce 28 vzájemně kompenzovány. Ve druhém provozním režimu je tedy jalová složka ve spotřebovávaném střídavém proudu relativně nízká.

Claims (16)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Řízený napájecí zdroj pro technologické potřeby, v nichž se používá elektrický oblouk, obsahující měnič střídavého proudu na stejnosměrný proud s transformátorem a usměrňovačem vytvořeným ve formě můstkového obvodu a připojeným k transformátoru, přičemž do diagonály stejnosměrného proudu můstku, která tvoří výstup usměrňovače, jsou včleněny elektrody, mezi kterými se vytváří elektrický oblouk, dále obsahující obvod pro řízení napětí na elektrodách, mající komparátor pro srovnávání skutečného usměrněného napětí s referenční hodnotou, a ústrojí pro řízení polohy elektrod, jehož vstup je připojen ke komparátoru pro měnění polohy elektrod vůči sobě navzájem, vyznačený tím, že napájecí zdroj má nejméně jeden měnič (2; 58, 59, 60) střídavého proudu na stejnosměrný proud v počtu měničů odpovídajícím počtu fází, přičemž měnič (2; 58, 59, 60) má dva obvody (22, 23) pro posun fáze, zapojené sériově přes první spojovací bod (27) a připojené k transformátoru (13), přičemž jeden obvod obsahuje tlumivku (28) a druhý obvod obsahuje kondenzátor (29), přičemž každý obvod (22, 23) pro posun fáze je připojen k odpovídajícímu vstupu usměrňovače (17), a dále obsahuje přídavné usměrňovači členy (24, 25), mající svůj druhý spojovací bod (26) připojený k prvnímu spojovacímu bodu (27) obvodů (22, 23) pro posun fáze, přičemž přídavné usměrňovači členy (24, 25) jsou připojené k výstupu usměrňovače (17) ve stejné polaritě s usměrňovačími členy (18, 19, 21) usměrňovače (17) připojeného k elektrodám (4, 5).
2. 2. Řízený napájecí zdroj podle nároku 1, vyznačený tím, že transformátor (13) má dvě sekundární vinutí (15. 16), přičemž první obvod (22) pro posun fáze je tvořen prvním sekundárním vinutím (15) transformátoru (13) a tlumivkou (28), zatímco druhý obvod (23) pro posun fáze je tvořen druhým sekundárním vinutím (16) transformátoru (13), a kondenzátorem (29), přičemž sekundární vinutí (15, 16) jsou zapojena ve stejném smyslu, přičemž první spojovací bod (27) mezi obvody (22, 23) pro posun fáze je spojen bezprostředně s druhým spojovacím bodem (26) mezi přídavnými usměrňovacími členy (24, 25).
3. 3. Řízený napájecí zdroj podle nároku 1, vyznačený tím, že měnič (2) střídavého proudu na stejnosměrný proud má druhý transformátor (30), jehož sekundární vinutí (32) je zapojeno sériově s prvním obvodem (22) pro posun fáze ave stejném smyslu se sekundárním vinutím (15) prvního transformátoru (13), přičemž první obvod (22) pro posun fáze obsahuje sekundární vinutí (15) prvního transformátoru (13) a tlumivku (28) a druhý obvod (23) pro posun fáze obsahuje druhý transformátor (30) a kondenzátor (29), zapojený sériově s primárním vinutím (31) druhého transformátoru (30).
4. 4. Řízený napájecí zdroj podle nároku 1, vyznačený tím, že měnič (2) střídavého proudu na stejnosměrný proud má druhý transformátor (30), jehož sekundární vinutí (32) je zapojeno sériově a ve stejném smyslu s druhým sekundárním vinutím (16) prvního transformátoru (13), přičemž první obvod (22) pro posun fáze obsahuje první sekundární vinutí (15) prvního transformátoru (13) a tlumivku (28), a druhý obvod (23) pro posun fáze obsahuje druhé sekundární vinutí (16) prvního transformátoru (13), druhý transformátor (30) a kondenzátor (29) zapojený sériově s primárním vinutím (31) druhého transformátoru (30).

   - 19CZ 283921 B6
5. 5. Řízený napájecí zdroj podle nároku 1, vyznačený tím, že měnič střídavého proudu na stejnosměrný proud obsahuje druhý transformátor (30), jehož sekundární vinutí (32) je zapojeno sériově a ve stejném smyslu s druhým sekundárním vinutím (16) prvního transformátoru (13), přičemž první obvod (22) pro posun fáze obsahuje první transformátor (13) a tlumivku (28) zapojenou sériově s primárním vinutím (14) prvního transformátoru (13), zatímco druhý obvod (23) pro posun fáze obsahuje druhý transformátor (30) a kondenzátor (29) zapojený sériově s primárním vinutím (31) druhého transformátoru (30).
6. 6. Řízený napájecí zdroj podle nároku 2, vyznačený tím, že transformátor (13’) má nejméně jedno další přídavné sekundární vinutí (33), přičemž měnič (2) střídavého proudu na stejnosměrný proud obsahuje nejméně jeden přídavný obvod (34) pro posun fáze, odpovídající příslušnému přídavnému sekundárnímu vinutí (33) transformátoru (13') v množství odpovídajícím počtu přídavných sekundárních vinutí (33) transformátoru (13'), přičemž každý přídavný obvod (34) obsahuje odpovídající přídavné sekundární vinutí (33) transformátoru (13') a tlumivku (35) nebo kondenzátor (29), přičemž napájecí zdroj dále obsahuje nejméně jednu dvojici dalších přídavných usměrňovačích členů (36, 37), kde jedna dvojice dalších přídavných usměrňovačích členů (36, 37) připadá vždy najeden přídavný obvod (34) pro posun fáze, a kde další přídavné usměrňovači členy (36, 37) jsou zapojeny se stejnou polaritou se všemi přídavnými usměrňovacími členy (24, 25).
7. 7. Řízený napájecí zdroj podle nejméně jednoho z nároků laž6, vyznačený tím, že spojení druhého spojovacího bodu (26) přídavných usměrňovačích členů (24, 25) s prvním spojovacím bodem (27) obvodů (22, 23) pro posun fáze je provedeno přes obvod (40) pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu.
8. 8. Řízený napájecí zdroj podle nároku 7, vyznačený tím, že obvod (40) pro tlumení rychlosti vzrůstu proudu obsahuje tlumivku (41).
9. 9. Řízený napájecí zdroj podle nejméně jednoho z nároků laž8, vyznačený tím, že druhý obvod (23) pro posun fáze má nejméně jeden další kondenzátor (47), jehož jedna svorka je připojena k usměrňovači (17) ve formě můstkového obvodu přes dva vlastní usměrňovači členy (49, 50) spojené přes třetí spojovací bod (48) a připojené k výstupu usměrňovače (17) ve stejné polaritě s polaritou usměrňovačích členů (18-21) usměrňovače (17) ve formě můstkového obvodu, zatímco zbývající svorky všech kondenzátorů (29, 47) jsou spolu spojeny.
10. 10. Řízený napájecí zdroj podle nejméně jednoho z nároků laž9, vyznačený tím, že obsahuje v každé fázi nejméně jeden jednofázový měnič (58, 59, 60) střídavého proudu na stejnosměrný proud, přičemž všechny jednofázové měniče (58, 59, 60) jsou zapojeny na straně stejnosměrného proudu paralelně a jsou připojeny k elektrodám (4, 5).
11. 11. Řízený napájecí zdroj podle nároku 10, vyznačený tím, že mezi každou elektrodu (4, 5) a odpovídající výstup přídavných usměrňovačích členů (24, 25) jednofázového měniče (58, 59, 60) každé fáze je vložena přídavná tlumivka (64, 65).
12. 12. Řízený napájecí zdroj podle nároku 10 nebo 11, vyznačený tím, že v měniči střídavého proudu na stejnosměrný proud každé fáze obsahuje druhý obvod (23) pro posun fáze s kondenzátorem (29) dvě vinutí (66, 67), uspořádaná v rozdílných fázích transformátoru (13) a zapojená sériově vůči sobě a s kondenzátorem (29).
13. 13. Řízený napájecí zdroj podle nároku 10 nebo 12, vyznačený tím, že sériově zapojené obvody (22, 23) pro fázový posun všech fází jsou zapojeny do trojúhelníka, přičemž usměrňovači členy všech fází jsou kombinovány do společného usměrňovače (71) s dvojicemi

    -20 CZ 283921 B6 usměrňovačích členů (72, 73), kde každá dvojice usměrňovačích členů, zapojených se stejnou polaritou, odpovídá jedné fázi.
14. 14. Řízený napájecí zdroj podle nároku 10 nebo 12, vyznačený tím, že sériově zapojené obvody (22, 23) pro fázový posun všech fází jsou zapojeny do hvězdy, přičemž každá skupina usměrňovačích členů (18; 19) stejné polarity je kombinována v jedné fázi do jednoho společného usměrňovacího členu (75; 76), kde dvojice společných usměrňovačích členů (75; 76) v každé fázi je připojena k odpovídajícímu přípojnému bodu (74) zapojení do hvězdy.
15. 15. Řízený napájecí zdroj podle nároku 10 nebo 12, vyznačený tím, že sériově zapojené obvody (22, 23) pro fázový posun všech fází jsou zapojeny do trojúhelníka se skluzem, kde každá dvojice usměrňovačích členů (20; 21) stejné polarity jedné fáze a dvojice přídavných usměrňovačích členů (24; 25) stejné fáze jsou kombinovány do jednoho společného usměrňovacího členu (80; 81), kde dvojice společných usměrňovačích členů (80; 81) v každé fázi je připojena v odpovídajícím přípojném bodě (83) k uvedenému zapojení do trojúhelníka se skluzem.
16. 16. Řízený napájecí zdroj podle nejméně jednoho z nároků 13 až 15, vyznačený tím, že každá skupina usměrňovačích členů, obsahující nejméně dva usměrňovači členy odlišné fáze a zapojené paralelně (18, 20, 19; 19, 21; 18, 18, 18; 19, 19, 19; 20, 24; 21, 25) je nahrazena jedním usměrňovacím členem (72, 73, 76, 75, 80, 81).