Электрическая цепь индукционных печей состоит из источника питания, соленоида и емкости. Соленоидом является индуктор печи, который относится одновременно и к ее механическому оборудованию. Поэтому конструкция индуктора будет рассмотрена позже. Источники питания. В зависимости от емкости и назначения индукционные тигельные печи питают токами различной частоты — от 500 до 1000000 Гц. Для промышленных печей емкостью от нескольких сот килограммов и до нескольких тонн наиболее часто используют токи частотой 500—10000 Гц, печи емкостью более 6 т могут питаться токами промышленной частоты (50 Гц), а небольшие промышленные и лабораторные печи требуют питания токами весьма большой частоты Источниками питания индукционных печей токами высокой частоты служат преобразователи частоты — высокочастотные генераторы. В настоящее время пользуются главным образом генераторами двух видов — ламповыми и машинными преобразователями.
Генератором высокочастотных колебаний в ламповом преобразователе является колебательный контур, широко используемый также в радиопередающих и принимающих устройствах. Если к такому контуру, подвести напряжение и зарядить обкладки конденсатора, а затем замкнуть рубильник, то конденсатор начнет разряжаться и в контуре появится ток. При прохождении тока через индуктивность в момент его нарастания в ней создается запас энергии, противодействующий изменению силы тока. После разрядки конденсатора этот запас поддерживает ослабевающую силу тока в контуре, вследствие чего обкладки конденсатора вновь заряжаются, но при этом получают обратную полярность. Конденсатор вновь разряжается и в контуре периодически протекает ток одного или противоположного направления.
|
|
Рис 1. Тигельная печь 1 - индуктор, 2 - тигель с металлом, 3 - магнитный поток Частота тока в контуре, т. е. частота собственных колебаний контура, зависит от соотношения активного сопротивления, индуктивности и емкости. Собственные колебания контура являются затухающими, так как энергия конденсатора постепенно превращается в тепловую и выделяется в активном сопротивлении. Чтобы колебания контура превратить в незатухающие, в него необходимо периодически подводить энергию, т. е. подзаряжать контур. Такую подзарядку осуществляют при помощи генераторной лампы — триода, включенной в цепь контура. Цепь в лампе между анодом и катодом замыкается электронами, испускаемыми нагретым катодом.
Цепь будет замыкаться лишь в том случае, если на сетке, расположенной между катодом и анодом, потенциал будет положительным. В противном случае эмиттированные катодом электроны будут отбрасываться полем сетки обратно к катоду. Таким образом, управляя потенциалом на сетке, можно регулировать силу тока в цепи лампы и колебательного контура. Импульсы питающего тока должны быть согласованы по фазе с колебаниями контура.
Это обеспечивается тем, что на сетку подается потенциал с частотой собственных колебаний контура. Такую связь контура с цепью сетки называют обратной связью, так как через нее одна часть схемы воздействует на другую. Поскольку генераторная лампа пропускает ток только в одном направлении, ее целесообразно питать выпрямленным током от ламповых выпрямителей, питаемых в свою очередь трехфазным током от высоковольтного трансформатора напряжением 10—13 кВ. Чтобы использовать оба полупериода питающего тока, ставят два блока выпрямителей, подающих на лампу выпрямленное напряжение обоих полупериодов последовательно из каждой фазы. В настоящее время выпускают генераторные лампы мощностью до 100 кВт.
|
|
Если мощность установки требует установки нескольких ламп, то их включают параллельно. Число ламп в установках обычно не превышает четырех. Срок службы генераторных ламп составляет примерно 1000 ч работы. Коэффициент полезного действия их равен примерно 80%. Машинные преобразователи. Для питания индукционных печей применяют машинные генераторы двух типов: обычные синхронные и индукторные. Число пар полюсов ограничивается трудностью исполнения обмотки, скорость вращения ротора — возникновением больших центробежных сил. Поэтому такие генераторы используют для получения токов частотой до 1000 Гц Токи частотой более 1000 Гц (до 10000 Гц) получают при помощи машинных генераторов индукторного типа. Генератор этого типа отличается тем, что обе обмотки — и обмотка возбуждения и рабочая обмотка — размещены в статоре, а на роторе обмоток не имеется.
Ротор собирают из фигурных пластин электротехнической стали таким образом, что в собранном виде на его поверхности образуются чередующиеся продольные выступы и впадины. Обмотка возбуждения питается постоянным током и создает постоянное по величине и по направлению магнитное поле. При вращении ротора против пазов обмотки возбуждения поочередно оказываются зубцы и впадины и магнитные силовые линии замыкаются то по ротору, то по воздуху, в результате чего образуется пульсирующее магнитное поле. Под действием этого поля в рабочей обмотке наводится изменяющаяся по величине и направлению э. д. с.
|
|
Ротор машинного генератора приводится во вращение трехфазным асинхронным двигателем, выполняемым либо в отдельном корпусе, либо заодно с корпусом генератора. Чтобы различать конструктивное исполнение, агрегаты с обособленным приводным электродвигателем принято называть генераторами, а со встроенным электродвигателем — преобразователями. К. п. д. современных машинных генераторов достаточно высок и составляет 80—90%. Конденсаторы.
Уже отмечалось, что вследствие значительного зазора между индуктором и садкой индукционная тигельная печь обладает большой индуктивностью, снижающей общий Cos ф. Для компенсации индуктивной мощности индуктора установки тигельных печей снабжают конденсаторами, которые, будучи включенными в цепь печи, служат источниками, покрывающими безваттную мощность печи. Так как самоиндукция создает положительный сдвиг фаз (сила тока отстает от величины напряжения), а емкость — отрицательный (сила тока опережает величину напряжения), то при равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений сдвига фаз не будет, кривая изменения силы тока совпадает с кривой изменения величины напряжений и cos ф = 1. Это условие соблюдается автоматически в контуре со свободными колебаниями, поэтому в установках с ламповым генератором cos ф всегда равен единице. В установки же, питаемые от машинных генераторов, для равенства индуктивного xL и емкостного сопротивлений хс необходимо включать конденсаторные батареи. Так как xL = соL, а хс — 1/соС, то cos ср = 1 при соL = 1/соС, где со — угловая частота, равная со = 2nf. Емкость конденсатора зависит от величины поверхности обкладок, расстояния между обкладками и свойств диэлектрика, заполняющего пространство между обкладками, а именно от его диэлектрической проницаемости.
Конденсаторы применяют, как правило, собранными в группы (батареи), составленные из последовательно или параллельно соединенных элементов. При последовательном соединении 1/(ЕС) = ЦСХ + 1 /С2 + 1/С3 + • • • + 1 /Сn; при параллельном соединении ЕС=C1 + С2 + Сз+.-.+Сn. Что касается мощности, то последовательное и параллельное соединения равноценны, но предпочтительнее параллельное соединение конденсаторов, так как оно обеспечивает небольшой по силе ток генератора и отсутствие перенапряжения на индукторе печи и конденсаторах. В установках индукционных печей применяют бумажно-масляные и керамические конденсаторы.
В бумажно-масляных конденсаторах обкладками служит алюминиевая фольга толщиной 0,007—0,015 мм, а диэлектриком — парафинированная или пропитанная маслом бумага. Конденсаторы наматывают из лент в виде рулона, а затем опрессовывают в плоский пакет. Пакеты погружают в банку с трансформаторным маслом, которую во избежание загрязнения масла герметично закрывают. Реактивную мощность конденсатора можно повысить, если отводить выделяющееся в нем тепло, погружая в масло змеевик, питаемый проточной водой, или пропуская воду между двойными стенками банки. Для увеличения теплоотдачи излучением банки снаружи окрашивают в черный цвет. В высокочастотных установках с ламповыми генераторами широко применяют керамические конденсаторы.
Обкладками в таких конденсаторах служит тончайший слой серебра, напыленный на внутреннюю и наружную поверхности конденсатора перед обжигом керамики. Преимуществом керамических диэлектриков является их высокая диэлектрическая проницаемость (у отдельных сортов керамики она достигает 1000 против 3—4 у промасленной бумаги); недостатком — трудность изготовления тонкостенных конденсаторов. Значительная толщина диэлектрика снижает емкость конденсатора, поэтому эти конденсаторы изготавливают на малые емкости. Для получения необходимых емкости, мощности и напряжения на обкладках отдельные конденсаторы собирают в большие группы — батареи, соединенные последовательно или параллельно.В процессе нагрева и плавления шихты электрические и магнитные свойства ее меняются. Это приводит к изменению индуктивного сопротивления печи. В контуре со свободными колебаниями изменение индуктивности вызывает такое изменение частоты тока, что соL = 1/(cоС).
При этом cos ф не меняется и равен единице. В установках, питаемых от машинных генераторов, частота не зависит от величины индуктивности. Поэтому изменение L приводит к нарушению равенства соL = 1 /(соС) и уменьшению cos ф. Чтобы поддержать cos ф = 1, при изменении L необходимо изменять величину С. По этой причине в установках с машинными генераторами часть конденсаторных батарей включают в цепь печи постоянно, а часть можно включать или выключать из цепи по ходу плавки.
На рис. 1 приведена схема питания однофазной индукционной единицы канальной печи. Реле максимального тока РМ1 и РМ2 служат для контроля и отключения печи при перегрузках и коротких замыканиях.
Трехфазные трансформаторы используются для питания трехфазных или двухфазных печей, имеющих либо общий трехфазный магнитопровод, либо два или три отдельных магнитопровода стержневого типа.
Для питания печи в период рафинирования металла и для поддержания режима холостого хода служат автотрансформаторы для более точного регулирования мощности в период доводки металла до нужного химического состава (при спокойном, без бурления, режиме расплавления), а также для начальных пусков печи при первых плавках, которые проводятся при малом объеме металла в ванне для обеспечения постепенной сушки и спекания футеровки. Мощность автотрансформатора выбирают в пределах 25—30% мощности основного трансформатора.
Для контроля температуры воды и воздуха, охлаждающих индуктор и кожух индукционной единицы, устанавливают электроконтактные термометры, выдающие сигнал при превышении температуры свыше допустимой. Питание печи автоматически отключается при повороте печи для слива металла. Для контроля положения печи служат конечные выключатели, сблокированные с приводом электропечи. У печей и миксеров непрерывного действия при сливе металла и загрузке новых порций шихты отключение индукционных единиц не производится.
Рис. 1. Принципиальная схема питания индукционной единицы канальной печи: ВМ — выключатель мощности, КЛ — контактор, Тр — трансформатор, С — конденсаторная батарея, И — индуктор, ТН1, ТН2 — трансформаторы напряжения, 777, ТТ2 — трансформаторы тока, Р — разъединитель, ПР — предохранители, РМ1, РМ2 — реле максимального тока.
Для обеспечения надежного питания при эксплуатации и в аварийных случаях приводные двигатели механизмов наклона индукционной печи, вентилятора, привод загрузочно-разгрузочных устройств и системы управления питаются от отдельного трансформатора собственных нужд.
Схема индукционной тигельной печи
Промышленные индукционные тигельные печи емкостью более 2 т и мощностью свыше 1000 кВт питаются от трехфазных понижающих трансформаторов с регулированием вторичного напряжения под нагрузкой, подключаемых к высоковольтной сети промышленной частоты.
Печи выполняют однофазными, и для обеспечений равномерной нагрузки фаз сети в цепь вторичного напряжения подключают симметрирующее устройство, состоящее из реактора L с регулированием индуктивности методом изменения воздушного зазора в магнитной цепи и конденсаторной батареи Сс, подключаемых с индуктором по схеме треугольника (см. АРИС на рис. 2). Силовые трансформаторы мощностью 1000, 2500 и 6300 кВ-А имеют 9 - 23 ступени вторичного напряжения с автоматическим регулированием мощности на желаемом уровне.
Печи меньших емкости и мощности питаются от однофазных трансформаторов мощностью 400 - 2500 кВ-А, при потребляемой мощности свыше 1000 кВт также устанавливают симметрирующие устройства, но на стороне ВН силового трансформатора. При меньшей мощности печи и питании от высоковольтной сети 6 или 10 кВ можно отказаться от симметрирующего устройства, если колебания напряжения при включении и выключении печи будут находиться в допустимых пределах.
На рис. 2 приведена схема питания индукционной печи промышленной частоты. Печи снабжаются регуляторами электрического режима АРИР, которые в заданных пределах обеспечивают поддержание напряжения, мощности Рп и cosфи путем изменения числа ступеней напряжения силового трансформатора и подключения дополнительных секций конденсаторной батареи. Регуляторы и измерительная аппаратура размещены в шкафах управления.
Рис. 2. Схема питания индукционной тигельной печи от силового трансформатора с симметрирующим устройством и регуляторами режима печи: ПСН — переключатель ступеней напряжения, С — симметрирующая емкость, L — реактор симметрирующего устройства, С-Ст - компенсирующая конденсаторная батарея, И — индуктор печи, АРИС — регулятор симметрирующего устройства, АРИР — регулятор режима, 1K—NK — контакторы управления емкостью батареи, ТТ1, ТТ2 — трансформаторы тока.
На рис. 3 приведена принципиальная схема питания индукционных тигельных печей от машинного преобразователя средней частоты. Печи оснащены автоматическими регуляторами электрического режима, системой сигнализации «проедания» тигля (для высокотемпературных печей), а также сигнализацией о нарушении охлаждения в водоохлаждаемых элементах установки.
Рис. 3. Схема питания индукционной тигельной печи от машинного преобразователя средней частоты со структурной схемой автоматического регулирования режима плавки: М — приводной двигатель, Г —генератор средней частоты, 1K—NK — магнитные пускатели, ТИ — трансформатор напряжения, ТТ — трансформатор тока, ИП — индукционная печь, С — конденсаторы, ДФ — датчик фазы, ПУ — переключающее устройство, УФР — усилитель-фазорегулятор, 1КЛ, 2КЛ — линейные контакторы, БС — блок сравнения, БЗ — блок защиты, ОВ — обмотка возбуждения, РН — регулятор напряжения.
Схема индукционной закалочной установки
На рис. 4 приведена принципиальная электрическая схема питания индукционного закалочного станка от машинного преобразователя частоты. Помимо источника питания М—Г схема включает в себя силовой контактор К, закалочный трансформатор ТрЗ, на вторичную обмотку которого включен индуктор И, компенсирующую конденсаторную батарею Ск, трансформаторы напряжения и тока ТН и 1TT, 2ТТ, измерительные приборы (вольтметр V, ваттметр W, фазометр) и амперметры тока генератора и тока возбуждения, а также реле максимального тока 1РМ, 2РМ для защиты источника питания от коротких замыканий и перегрузок.
Рис. 4. Принципиальная электрическая схема индукционной закалочной установки: М —приводной двигатель, Г — генератор, ТН, ТТ — трансформаторы напряжения и тока, К — контактор, 1PM, 2РМ, ЗРМ — реле тока, Рк — разрядник, А, V, W — измерительные приборы, ТрЗ — закалочный трансформатор, OВГ —обмотка возбуждения генератора, РР — разрядный резистор, РВ — контакты реле возбуждения, PC — регулируемое сопротивление.
Для питания старых индукционных установок для термообработки деталей используют электромашинные преобразователи частоты — приводной двигатель синхронного или асинхронного типа и генератор средней частоты индукторного типа, в новых индукционных установках - статические преобразователи частоты.
Схема промышленного тиристорного преобразователя частоты для питания индукционной закалочной установки показана на рис. 5. Схема тиристорного преобразователя частоты состоит из выпрямителя, блока дросселей, преобразователя (инвертора), цепей контроля и вспомогательных узлов (реакторов, теплообменников и пр.). По способу возбуждения инверторы выполняются с независимым возбуждением (от задающего генератора) и с самовозбуждением.
Тиристорные преобразователи могут устойчиво работать как с изменением частоты в широком диапазоне (при самонастраивающемся колебательном контуре в соответствии с изменяющимися параметрами нагрузки), так и при неизменной частоте с широким диапазоном изменения параметров нагрузки в связи с изменением активного сопротивления нагреваемого металла и его магнитных свойств (для ферромагнитных деталей).
Рис. 5. Принципиальная схема силовых цепей тиристорного преобразователя типа ТПЧ-800-1: L — сглаживающий реактор, БП — блок пуска, ВА — выключатель автоматический.
Преимуществами тиристорных преобразователей являются отсутствие вращающихся масс, малые нагрузки на фундамент и малое влияние коэффициента использования мощности на снижение КПД, КПД составляет 92 - 94% при полной нагрузке, а при 0,25 снижается только на 1 - 2%. Кроме того, поскольку частота может быть легко изменена в определенном диапазоне, нет необходимости регулирования емкости для компенсации реактивной мощности колебательного контура.