Требования ПУЭ к установкам индукционного
Оборудование установок индукционных и диэлектрического нагрева с трансформаторами, двигатель-генераторами, тиристорными и ионными преобразователями или ламповыми генераторами и конденсаторами может устанавливаться в отдельных помещениях и непосредственно в цехе в технологическом потоке производства категорий Г и Д по строительным нормам и правилам; указанные отдельные помещения должны быть не ниже II степени огнестойкости.
Для улучшения использования трансформаторов и преобразователей в контурах индукторов должны устанавливаться конденсаторные батареи. Для облегчения настройки в резонанс конденсаторные батареи в установках со стабилизируемой частотой следует разделять на две части – постоянно включенную и регулируемую.
Взаимное расположение элементов установок должно обеспечивать наименьшую длину токопроводов резонансных контуров в целях уменьшения активного и индукционного сопротивлений.
Применение кабелей со стальной броней и прокладка проводов в стальных трубах для цепей с повышенной – средней– частотой до 10 кГц допускаются только при обязательном использовании жило,
одного кабеля или проводов в одной тубе для прямого и обратного направлений тока. Применение кабелей со стальной броней (за исключением специальных кабелей) и прокладка проводов в стальных трубах для цепей с частотой более 10 кГц не допускается.
Кабели со стальной броней и провода в стальных трубах, применяемые в электрических цепях промышленной, повышенной – средней или пониженной частоты, должны прокладываться так, чтобы броня и трубы не нагревались от внешнего электромагнитного поля.
Для защиты установок от повреждений при «проедании» тигля индукционных печей и при нарушении изоляции сетей повышенной – средней и высокой – частот относительно корпуса (земли) рекомендуется устройство электрической защиты с действием на сигнал или отключение.
Двигатель –генераторы установок частот 8 кГц и более должны снабжаться ограничителями холостого хода, отключающими возбуждение генератора во время длительных пауз между рабочими циклами, когда останов двигатель-генераторов нецелесобразен.
Для улучшения загрузки по времени генераторов повышенной –средней и высокой частот рекомендуется применять режим «ожидания» там, где это допускается по условиям технологии.
Установки индукционные и диэлектрические нагрева высокой частоты должны иметь экранирующие устройства для снижения уровня напряженности электромагнитного поля на рабочих местах до значений, определяемых действующими санитарными правилами.
7.2 Электрооборудование плавильных установок промышленной частоты
Промышленность выпускает 2 группы индукционных установок на f = 50Гц: тигельные печи и канальные. Они предназначены для плавки черных и цветных металлов и их сплавов.
Вместе с печами комплектно поставляется все оборудование: вводное устройство (КРУ вместе с печным выключателем), электрический печной трансформатор, КБ, шкафы, щиты и пульты управления, токопроводы, КС. Поэтому при проектировании электрической части установки нет необходимости в разработке схем и выборе оборудования, требуется только привязка печи к системе электроснабжения и водоснабжения.
Комплектность поставки оборудования для установки тигельных печей возможна в следующих вариантах: одна печь и один комплект электрооборудования, две печи и один комплект электрооборудования, три печи и два комплекта электрооборудования.
В комплект электрооборудования входят: электропечной трансформатор, щит управления и сигнализации, в который встроен АРИР, КБ, панели контакторов, маслонапорная установка к системе гидропривода наклона печи, пульт управления наклоном, сигнализатор состояния футеровки и изоляции индуктора, нагреватель для сушки индуктора. В комплект могут быть включены 2 печных трансформатора: один для питания печи в режиме расплавления и перегрева металла, второй – вспомогательный – для поддержания постоянной температуры в печи. Мощность второго трансформатора составляет 25% от P; трансформаторы могут подключаться то к одной, то к другой печи.
Рис.7.1 Типовая принципиальная схема плавильной печи
с одним комплектом оборудования.
Для печей мощностью до 2500 кВт предусматриваются одно- и трехфазные трансформаторы, для печей Р > 4000 кВт – трехфазные. В случае питания печи с однофазным индуктором от переходного печного трансформатора применяют симметрирующее устройство.
7.3. Принципы построения регуляторов электрического режима плавильных печей и нагревателей
Необходимость управления электрическим режимом ИЭТУ обусловлена изменением их параметров по ходу нагрева и имеет целью обеспечение требуемого технологического процесса и допустимых условий эксплуатации электрооборудования. Цель управления канальными и тигельными печами в период расплавления шихты состоит в том, чтобы как можно быстрее и с наименьшими затратами энергии нагреть металл до заданной температуры. Легко показать, что эта цель достигается при полном использовании установленной мощности источника питания.
Электрический режим канальных печей стабилен. Задача минимизации времени расплавления шихты в этих печах решается на стадии проектирования установки выбором соответствующего печного трансформатора и согласованием его параметров с параметрами индукционных единиц.
Индукционные тигельные печи характеризуются широким диапазоном изменения активного и реактивного сопротивлений системы индуктор—загрузка по ходу плавки.
На рисунке приведены две характерные кривые изменения активного сопротивления R ц по ходу плавки в тигельной печи. Кривая соответствует режимам плавки магнитных материалов. Изменение и здесь обусловлено как изменением электромагнитных свойств расплавляемого материала, так и изменением формы загрузки—расплавлением шихты и образованием расплава. Поэтому кривая 1 имеет сложный характер.
При плавке немагнитных материалов (кривая 2) сопротивление монотонно уменьшается приблизительно в 1,4—1,6 раза. Примерно такой же характер изменения имеет реактивное сопротивление, по ходу плавки оно уменьшается в 1,3—1,6 раза.
При выборе абсолютных значений параметров элементов силовой схемы печи за базовый принимается режим работы печи в конце периода расплавления. В этот момент загрузка (расплав) имеет достоверные размеры и свойства, что позволяет рассчитывать с достаточной точностью параметры индуктора.
Активная мощность, потребляемая индуктором в период расплавления шихты, должна оставаться постоянной. Для этого напряжение индуктора должно регулироваться в пределах
(7.1)
где Rи min Rи max—экстремальные значения сопротивления индуктора по ходу плавки;
|
Рис. 7.2. Изменение активного сопротивления индуктора по ходу плавки
(t— время расплавления): 1— 1000кг, 500кВт, 1000Гц; 2—6000 кг, 1000кВт, 50 Гц
Rи.к., Uи.к. —сопротивление и напряжение индуктора в конце периода расплавления. Напряжение Uи, В, определяется из равенства
(7.2)
 |
Для поддержания коэффициента мощности на выводах источника питания на номинальном уровне необходимо регулировать емкость компенсирующей конденсаторной батареи. Для распространенной в промышленности силовой схемы печей в виде параллельного колебательного контура диапазон изменения емкости С определяется кратностью изменения сопротивления Xи по ходу плавки:
(7.3)
В период выдержки расплава перед разливкой параметры индуктора остаются постоянными. Регулирование мощности в расплаве осуществляется изменением напряжения источника питания по заданной программе или по какому-либо технологическому параметру, например температуре.
Таким образом, основной задачей регулирования электрического режима индукционных тигельных печей является получение максимального коэффициента использования установленной мощности источника питания при переменных по ходу плавки сопротивлениях индуктора. При неизменных значениях параметров источника питания (
) эта задача может быть решена с помощью регулируемых элементов силовой схемы установки.
Среди большого разнообразия возможных схем питания индукционных печей, позволяющих регулировать напряжение индуктора при постоянном напряжении источника, выделим несколько сравнительно легко реализуемых в промышленных установках. Схема с автотрансформаторным включением индуктора широко применяется в печах, работающих на средних частотах с электромашинным преобразователем. Обмотка индуктора имеет в верхней части несколько отпаек. Подключение генератора к одной из отпаек производится контакторами при снятом рабочем напряжении.Полное напряжение индуктора Uи определяется из приближенного равенства
(7.4)
где Wи—полное число витков индуктора и число витков, подключенных к генератору, определяющее его нагрузку.
Переключение контакторов осуществляется из условия максимальной загрузки генератора. Обычно по конструктивным соображениям можно реализовать не более одной-двух отпаек. Поэтому такая схема не позволяет получить высокий коэффициент использования установленной мощности генератора.
Большую глубину регулирования напряжения индуктора позволяет получить схема с использованием дополнительного трансформатора (рис. 7.3,б). Мощность трансформатора зависит от требуемой глубины регулирования.
Рис. 7.3. Схемы питания индукционных тигельных печей
При реверсировании включения одной из обмоток справедливо следующее выражение:
(7.5)
где KТ— коэффициент трансформации трансформатора; ЕТ — ЭДС вторичной обмотки.
Соотношение между мощностью трансформатора PТ=EТIн и мощностью нагрузки Pн=Uн max Iн выражается через коэффициент трансформации k Т:
(7.6)
Отсюда видно, что мощностьртвсегда меньше Рн.
Преимуществом этой схемы является отсутствие в ней значительных бросков тока при включении установки, так как заряд конденсатора происходит через вторичную обмотку трансформатора, имеющую некоторое индуктивное сопротивление.
Схема с трансформатором применяется в печах промышленной частоты, регулирование обычно осуществляют коммутацией первичной обмотки, так как ток в ней меньше. В печах, работающих на средних частотах, эта схема не нашла применения из-за конструктивных и технологических сложностей изготовления таких трансформаторов с высоким КПД и большим числом ступеней трансформации.
Большими согласующими возможностями обладают схемы со смешанным включением компенсирующей емкости. Последовательно-параллельная (рис. 7.3, в) и параллельно-последовательная (рис.7.3, г) схемы позволяют регулировать напряжение U и в пределах от U0 до U max.
Максимальное значение получается в режимах, близких к последовательному резонансу между емкостью С и индуктором. Для машинных преобразователей частоты и печных трансформаторов cosφ = 1, индуктор плавильных печей обычно имеет cosφ= 0,05—0,2. Поэтому
(7.7)
Для поддержания постоянной мощности индуктора по ходу плавки требуется гораздо более узкий диапазон изменения емкости, который реализуется ступенчатым изменением емкостей конденсаторных батарей. Широкому распространению этих схем питания в промышленных установках препятствует отсутствие высоконадежных коммутаторов емкостей, особенно на средних частотах.
В печах для плавки алюминия кроме стабилизации мощности важно также обеспечить одноконтурную циркуляцию металла в тигле с уменьшающимся к зеркалу расплава вектором скорости. Этого можно достичь при двухконтурной схеме питания индуктора (рис. 7.3, д).
Исследования режимов работы печи ИАТ-6 с питанием по этой схеме показали возможность получения одноконтурной циркуляции металла с пониженной скоростью на зеркале расплава. Существенную роль в осуществлении такой циркуляции играет сдвиг фаз токов в секциях индуктора, создающий эффект бегущего магнитного поля.
К недостаткам двухконтурной схемы относится сложность алгоритма управления ее элементами. Алгоритм двухканального управления вектором состояния системы можно разработать на основании рабочих характеристик, полученных расчетным путем. Систему управления печью целесообразно строить с использованием микроЭВМ. Ввиду сложности алгоритма и системы управления целесообразно использовать эту схему только при необходимости активно воздействовать на циркуляцию металла.
В печах промышленной частоты возникает еще одна задача регулирования электрического режима—согласование однофазного индуктора с трехфазным трансформатором. Симметрирующие устройства, распределяющие равномерно однофазную нагрузку на три фазы, могут выполняться как управляемыми, так и неуправляемыми. Выбор типа симметрирующего устройства определяется диапазоном изменения потребляемой индуктором мощности при неизменном напряжении сети.
Рассмотрим случай одновременного питания от трехфазного трансформатора симметричной трехфазной нагрузки полной мощностью и однофазной нагрузки мощностью So. Глубина изменения мощности однофазной нагрузки λ о определяется из равенства
(7.8)
где So min, So max — минимальная и максимальная мощности нагрузки в процессе плавки.
Коэффициент несимметрии напряжения сети
(7.9)
где Sк.з — мощность короткого замыкания в точке подключения нагрузки.
Исходя из допустимой несимметрии напряжений, равной 2%, получим выражение для допустимой глубины изменения мощности:
(7.10)
При выполнении условия (7.11) несимметрия не превышает допустимой и можно применять нерегулируемое симметрирующее устройство. Если условие (7.11) не выполняется и мощность однофазной нагрузки достаточно большая, то симметрирующее устройство должно быть управляемым.
Имеется большое число схем симметрирующих устройств, из которых в ИЭТУ наибольшее распространение нашли схема Штейнметца (рис. 11.3, а) и схема с дросселем-делителем (рис. 11.3,6). Для полного симметрирования активной однофазной нагрузки по схеме Штейнметца требуется следующее соотношение токов:
(7.11)
Для этой схемы необходимо обязательное доведение коэффициента мощности нагрузки до 1,0. При индуктивно-активной однофазной нагрузке резко ухудшается коэффициент мощности трехфазной сети.
Схема с дросселем-делителем позволяет симметрировать активно-индуктивную нагрузку, причем минимальная мощность всех реактивных элементов получается при φ=30°. Такое преимущество делает эту схему предпочтительной в индукционных установках, имеющих всегда невысокий cosφ.
Для схемы с дросселем-делителем условия симметрирования нагрузки с φ =30° записываются в виде
(7.12)
где Ry— активное сопротивление нагрузки в параллельной схеме замещения; Х— сопротивление взаимной индуктивности плеч дросселя.
В регулируемых устройствах для выполнения условий (7.11) или (7.12) при переменных параметрах нагрузки необходимо изменять емкость конденсаторной батареи С и индуктивность дросселя L.
Известно, что при коммутации индуктивной нагрузки контакторами срок службы последних оказывается низким из-за возникновения дуги на контактах при разрыве цепи. В то же время коммутация емкостной нагрузки на промышленной частоте не вызывает значительных трудностей и может осуществляться под напряжением контакторами с гашением дуги. Поэтому целесообразно применять такой вариант включения симметрирующих элементов, который позволил бы осуществлять изменение симметрирующих сопротивлений только путем переключения емкости при неизменной индуктивности.
Такая схема представлена на рис. 12.3, в. При замкнутых контактах 1К и разомкнутых 2К эта схема полностью идентична схеме на рис. 12.3, б с эквивалентной емкостью С=Сц+С +С. Переключение емкостей С и С (при размыкании 1К и замыкании 2К) приводит к росту сопротивления емкостного плеча схемы. Одновременно возрастают сопротивления индуктивных плеч схемы из-за частичной компенсации их емкостями C и С. Это состояние схемы соответствует нижнему уровню мощности однофазной нагрузки.
Управляемые симметрирующие устройства с дросселем-делителем широко используются в промышленных плавильных печах.
Рассмотрим задачи регулирования электрического режима индукционных нагревателей. При отсутствии существенных возмущений нагреватели не имеют регуляторов теплового режима и качественный нагрев заготовок осуществляется только путем стабилизации или программным изменением электрических параметров установки. Широкое распространение нашли системы стабилизации напряжения источника питания.
В индукционных нагревателях стальных заготовок периодического действия, а также в переходных режимах работы нагревателей непрерывного действия существенно изменяются параметры индуктора по ходу нагрева. Задачей системы управления в этих случаях кроме стабилизации или программного изменения напряжения является поддержание других электрических параметров установки в допустимых пределах. В большинстве случаев эта задача сводится к поддержанию номинального значения коэффициента мощности cos< на выводах источника питания.
При питании нагревателей от машинных преобразователей частоты или печных трансформаторов задача решается ступенчатым изменением емкости компенсирующей конденсаторной батареи.
В установках с ламповыми генераторами оптимальное согласование переменной нагрузки с источником осуществляется изменением режима генерации, а в установках с ТПЧ— воздействием на угол опережения, следовательно, и на частоту тока.