Электрический КПД и коэффициент мощности

Для рассматриваемой системы «индуктор – металл» электрический КПД η_э представляет собой отношение

. (158)

Хотя выражение (158) не содержит явной зависимости η_э от частоты f, электрический КПД системы «индуктор – металл» сильно зависит от частоты (рис. 85) из-за соотношения коэффициентов k_иР/k_мP с учетом рис. 83 и 84. При высоких частотах k_иP → 1 и k_мР → 1, в результате чего электрический КПД достигает предельного значения:

. (159)

Рис. 85. Зависимость электрического КПД системы
«индуктор – металл» от частоты при разных значениях отношения D_вт/D_м (числа у кривых) (по данным А.М. Вайнберга)

Поэтому для ИТП данных размеров при данных физических свойствах нагреваемого металла существует некоторая «критическая» частота f_крз, выше которой электрический КПД от частоты практически не зависит (см. рис. 85):

f_раб > f_крз.

В этой области из широкого диапазона возможных частот выбирают f_раб, исходя из экономических соображений (минимальные капитальные затраты на электрооборудование печной установки).

Анализ зависимости η_э = χ(f)на основании формул (150), (153), (158), (159) и рис. 85 позволяет сделать следующие выводы:

1. С увеличением размеров тигля D_ми h_м критическая частота понижается (кривые для D_м = 20, 100 и 200 мм при условном отношении D_вт/D_м= 1). Поэтому ИТП большой вместимости могут работать удовлетворительно со значительно меньшими частотами (вплоть до промышленной 50 Гц), чем ИТП малой вместимости, которые называют высокочастотными печами.

2. Электрический КПД зависит от соотношения геометрических размеров: D_вт/D_м, h_и/h_м,a также (по данным Г.И. Бабата) D_м/h_м, D_вт/h_и.Поэтому при проектировании ИТП необходимо выбирать рациональные соотношения всех геометрических размеров системы «индуктор – металл».

3. Электрический КПД зависит от соотношения ρ_и/(μ_rρ_м): чем это отношение меньше, тем η_э выше. Поэтому индукционный нагрев ферромагнитных материалов (μ_r > 1) с большим удельным сопротивлением ρ_м электротехнически более выгоден, чем нагрев цветных металлов. Например, при нагреве медного цилиндра в медном индукторе при идеальных условиях предельный электрический КПД . Фактически D_вт > D_м и h_и> h_мт.е. будет даже меньше 0,5. Лишь по мере разогрева цилиндра, когда ρ_м увеличится в несколько раз, КПД процесса нагрева меди может дойти до приемлемой величины. По этой причине очень часто цветные металлы плавят в металлических, графитовых или графитошамотных тиглях, при этом материал тигля выполняет роль вспомогательного нагревателя с высоким ρ_м и тем самым резко повышает электрический КПД индукционной плавки.

4. Поскольку электрический КПД зависит от отношения «активных» поверхностей и «активных» диаметров D_вт/D_м, в ИТП дроблением загружаемой металлошихты можно получить неравенство s_вт < s_m и тем самым иметь η_э > . Как указывалось выше, для холодной меди (ρ_и = ρ_м)идеальный составляет 50 %. Практически при плавке холодной кусковой меди электрический КПД имеет величину порядка 80 %.

Ранее полученные условия минимальной частоты (152) и критической частоты (см. рис. 85) являются необходимыми, но еще недостаточными для получения высокого электрического КПД системы «индуктор – металл». В частности, η_э зависит от конструкции индуктора.

Естественный коэффициент мощности (рис. 86)

(160)

сильно зависит от величины зазора между индуктором и металлом: чем толще футеровка тигля, тем больше реактивная мощность Q₃и тем ниже коэффициент мощности.

Рациональные соотношения геометрических размеров системы «индуктор – металл» показаны на рис. 87 в зависимости от вместимости ИТП (по стали).

Рис. 86. Зависимость естественного коэффициента мощности
ИТП от относительного диаметра «металла» D_м/ δ_экв.м
для разных значений соотношения D_вт/D_м (числа у кривых)

Рис. 87. Геометрические соотношения сталеплавильных ИТП
разной вместимости:
1 – толщина футеровки ∆_фут; 2 – средний диаметр металла в тигле D_м.ср; 3 – D_м/h_м; 4 – D_вт/h_и; 5 – D_вт/ D_м; 6 – h_и/h_м

Механическое оборудование

ИТП состоит из следующих основных конструктивных элементов (рис. 88): водоохлаждаемого индуктора,футеровки, важнейшей частью которой является тигель с сигнализатором контроля состояния футеровки, корпусас ферромагнитным (внешний магнитопровод)или электромагнитным экраном, вспомогательных механизмов наклона корпуса, подъема и поворота свода.

Рис. 88. Схема ИТП серии ИСТ конструкции ВНИИЭТО: 1 – механизм подъема и пово-рота свода; 2 – огнеупорный тигель; 3 – индуктор; 4 – фер-ромагнитный экран; 5 – кожух; 6 – сигнализатор состояния футеровки тигля; 7 – механизм наклона

Индуктор

Индуктор предназначен для создания переменного магнитного поля заданной напряженности, а также является важным элементом крепления тигля, удерживающим его от смещения при наклоне печи для слива жидкого металла. Поэтому конструкция индуктора должна удовлетворять не только электротехническим требованиям, но и требованиям механической жесткости и прочности при действии сил, стремящихся сдвинуть тигель.

Индуктор изготовляют из медной трубки специального профиля (рис. 89), что обеспечивает минимальные электрические потери при условии (155), размещение на высоте индуктора h_ирасчетного числа витков N по условию (147) и водяное охлаждение, необходимое для снижения удельного электрического сопротивления ρ_и ≈ 2·10^–8 Ом·м.

Рис. 89. Профиль трубки индуктора:
а – круглый (ГОСТ 617–72); б – овальный; в – квадратный (ГОСТ 16774–78);
г – прямоугольный (ГОСТ 16774–78); д – неравностенный (D-образный)

Профилирование медных трубок, кроме того, уменьшает среднюю величину зазора между индуктором и расплавляемым металлом и несколько увеличивает электрический КПД системы «индуктор – металл».

Индуктор представляет собой цилиндрическую катушку, образованную либо винтообразно навитой медной трубкой с постоянным углом наклона (спиральная навивка), либо плоскими витками, соединенными между собой короткими наклонными участками трубки (навивка с переходом). Достоинством первой конструкции является простота навивки индуктора. Во втором случае, хотя изготовление индуктора сложнее, торцы индуктора оказываются плоскими, и их конструктивно проще крепить между стяжными плитами. Крепление индуктора можно осуществить двумя способами:

1. Каждый виток индуктора приваренными или припаянными к трубке несколькими латунными шпильками (разведенными друг от друга на 120° или 90°) крепят к вертикальным неэлектропроводным (например, асбестоцементным) стойкам, которые одновременно являются деталями крепления тигля. При такой конструкции крепления витки индуктора могут быть неизолированными (роль электрической изоляции выполняет воздушный промежуток между витками порядка 1...2 см).

2. Все витки плотно сжимают между двумя стяжными плитами
(из изолирующего материала) и фиксируют вертикальными неэлектропроводными стойками, предотвращающими смещение витков и тигля при наклоне печи. При такой конструкции крепления витки индуктора изолируют прокладками из миканита, стеклолентой или обмазкой изолирующего состава (минимальная толщина 1,5 мм), обеспечивая напряжение на 1 мм изоляционного зазора в пределах от 10 до 40 В.

Система водяного охлаждения индуктора предназначена для отвода активной мощности, теряемой в индукторе (Р_и), и мощности тепловых потерь теплопроводностью от расплавленного металла через футеровку тигля (Ф_т.п). Надежная работа обеспечивается выполнением следующих условий:

1) механических примесей в охлаждающей воде должно быть не более 80 г/м³ и величина карбонатной (временной) жесткости должна быть не выше 7 г-экв/м³;

2) температура отходящей (нагретой) воды должна быть такой, чтобы предотвратить накипеобразование: обычно ее принимают 310...315 К, что соответствует температуре стенки индуктора 315...325 К. Если эта температура вследствие неблагоприятного состава воды получается слишком низкой, то целесообразно вместо увеличения расхода охлаждающей воды проводить ее химическую обработку, при которой температуру воды можно сильно повысить вплоть до кипения (при полном умягчении);

3) температура индуктора не должна быть ниже температуры окружающего воздуха, так как в противном случае на индукторе будет конденсироваться влага из воздуха, что приведет к пробою между витками;

4) необходимый напор воды при входе в индуктор по условиям заводских водопроводных магистралей следует ограничить до 200 кПа. Если по расчету необходимый напор превышает этот предел, систему водоохлаждения приходится секционировать и все секции охлаждения индуктора присоединять к охлаждающей магистрали параллельно (секционирование системы водоохлаждения индуктора не означает электрического секционирования, т.е. параллельного присоединения секций индуктора к источнику питания. Индуктор может иметь несколько секций охлаждения, не имея электрических секций. Число секций охлаждения определяют на основании теплового и гидравлического расчетов системы охлаждения индуктора);

5) скорость течения охлаждающей воды должна быть определенной: не менее 0,5 м/с для создания турбулентного движения воды, предотвращающего осаждение на стенках трубки индуктора механических примесей и выпадающих из воды растворенных солей (вследствие уменьшения их растворимости при нагреве воды) и не более 1,5 м/с, чтобы не увеличивать потери давления сверх допустимого значения (~200 кПа).

В правильно спроектированной системе охлаждения при движении воды по винтовой линии индуктора под действием центробежных сил возникает вторичная циркуляция, усиливающая турбулентность течения, что характеризуют числом Рейнольдса Re > 18500(D_о/D_вт)^0,28,где D_отв– гидравлический диаметр отверстия трубки индуктора. При этом коэффициент конвективной теплопередачи α_вд= 2...8 кВт/(м²∙К).

На крупных печах выше индуктора, а иногда также и ниже его располагают разомкнутые водоохлаждаемые катушки, которые не имеют электрического питания и служат лишь для охлаждения верхней и нижней части стенки тигля.

Футеровка

Огнеупорная футеровка ИТП имеет следующие составные части:

1) тигель, образующий плавильное пространство и определяющий вместимость печи. Форма тигля (см. рис. 88) должна обеспечивать удобство ведения металлургического процесса, минимальные тепловые потери, достаточно высокий электрический КПД согласно (158) и достаточную механическую прочность в условиях ферростатического давления и электродинамического воздействия жидкого металла;

2) крышку, футерованную огнеупором (на крупных печах – свод);

3) подину, служащую основанием, на которое устанавливают тигель и индуктор. Обычно подину укладывают на нижнюю раму каркаса печи или на кожух в виде нескольких текстолитовых (на стекловолокне) плит или изготовляют из стандартных прямых и фасонных шамотных кирпичей;

4) леточную керамику (носок), предназначенную для создания струи жидкого металла при сливе его из тигля (при наклоне печи). Носок выкладывают из стандартных прямых или фасонных шамотных кирпичей;

5) «воротник», соединяющий тигель и леточную керамику.

Работа футеровки тигля характеризуется тяжелыми условиями: тепловое, коррозийное и эрозийное воздействие жидкого металла, химическая коррозия шлака, статическое давление столба жидкого металла (40...80 кПа), механические усилия при загрузке шихты и особенно при осаживании образующихся в процессе плавки «мостов». Поэтому тигель является одним из самых ответственных элементов ИТП, в значительной мере определяющих ее эксплуатационную надежность.

В настоящее время ИТП футеруют следующими методами:

1) набивкой по шаблону непосредственно в печи, когда сваренный из листовой стали шаблон по форме внутренней поверхности тигля устанавливают на подине точно по оси печи, порошкообразные огнеупорные массы засыпают в зазор между индуктором и шаблоном и послойно трамбуют пневматической или электрический трамбовкой. Набивать футеровку необходимо до максимально возможной плотности (2,5...3 т/м³). Контактную поверхность стенки тигля делают гладкой, без пустот и раковин. После спекания она должна быть слегка покрыта глазурью. Спекание стенки тигля должно в процессе эксплуатации происходить послойно, чтобы в течение всего срока службы тигля существовал буферный, неспекшийся, порошкообразный слой, исключающий образование сквозных (по всей толщине тигля) трещин и проникновение жидкого металла к виткам водоохлаждаемого индуктора;

2) внепечным методом, при котором тигли трамбуют, прессуют или формуют в специальных разборных пресс-формах. Тигли, изготовленные внепечным способом, устанавливают в индуктор печи с засыпкой бокового пространства порошкообразными огнеупорными материалами, что предупреждает прорыв жидкого металла к индуктору через сквозные трещины, которые могут образовываться в предварительно обожженных тиглях. Футеровку при таком методе можно заменить быстрее, что сокращает простои печей;

3) из фасонных огнеупорных изделий. Толщина изделий (кольца, блоки, секционные шпунтовые* изделия, стандартный кирпич клиновидной формы) должна быть такой, чтобы при кладке их образовалось пространство (кольцевой зазор) размером 25...30 мм между наружной стенкой кладки и витками индуктора для создания буферного слоя из порошкообразных материалов;

4) послойной наваркой футеровки при торкретировании или плазменном напылении контактных рабочих слоев на изготовленную любым методом футеровку (особенно полезно при горячих ремонтах футеровки). Метод напыления позволяет сделать химически чистую и высокоогнеупорную (из материалов высшей огнеупорности) контактную поверхность футеровки в соответствии с требованиями к выплавляемым сталям и сплавам.

Для ИТП применяют кислую, основную и нейтральную огнеупорную футеровку, каждая из которых имеет многочисленные составы, что позволяет для данного технологического процесса плавки подобрать соответствующие футеровочные материалы, рецептуру огнеупорных масс и технологию изготовления тигля.

Срок службы футеровки небольшой и колеблется в зависимости от вместимости и различного химического состава тиглей (табл. 25).

Таблица 25

Срок службы футеровки ИТП разной вместимости
(по данным М.Г. Трофимова)

Вместимость, кг	Стойкость, число плавок
максимальная	минимальная	средняя
До 50
До 150
До 500
До 2500
Более 2500

Следует отметить, что стойкость основной футеровки ниже стойкости кислой футеровки, причем главный недостаток основной футеровки – образование трещин.

Для контроля состояния футеровки тигля применяют сигнализаторы тока утечки типов АСЦО и состояния футеровки дифференциального типа СФИД-24-12, работающие по принципу контроля активного сопротивления футеровки в ходе эксплуатации ИТП.

Металл в тигле заземляют пучком 4...6 нихромовых проволок диаметром 0,5...0,8 мм, закладываемых в футеровку подины и закрепляемых под гайку на контактной шпильке из нержавеющей стали
(см. рис. 88, позиция 6), которую также заземляют. Датчиками сигнализатора СФИД служат 22 ленточных электрода, располагаемых вертикально по образующей внешней поверхности футеровки тигля и контролирующих разность минимального и среднего активного сопротивления футеровки, что позволяет выявить аварийные участки. При уменьшении сопротивления тигля (начало проедания тигля, появление трещин в футеровке) возрастает ток, протекающий через обмотку реле аварийной сигнализации. Иногда сигнальное устройство дополняют системой автоматического выключения и выдува воды из индуктора сжатым воздухом после отключения печи от источника питания. Последнее мероприятие устраняет опасность взрыва (при соприкосновении жидкого металла и воды).

Корпус

Корпус является основой печи, механически соединяющей в единое целое все конструктивные элементы, и состоит из неподвижной и наклоняющейся частей. Специфическая особенность ИТП – наличие вокруг индуктора сильного электромагнитного поля, достигающего на промышленных ИТП 10...100 кА/м, что создает трудности при конструировании корпуса (поглощение электромагнитных волн в металлических массах, потери мощности печи и нежелательный нагрев корпуса).

На неподвижной части корпуса, называемой станиной или опорной рамой, крепят подшипники механизма наклона.

Наклоняющаяся часть корпуса может иметь следующие конструкции:

1) на малых ИТП – каркас в форме прямоугольного параллелепипеда, ребра которого выполнены из неэлектропроводного (деревянные или асбестоцементные брусья) или немагнитного материала (алюминиевые сплавы, бронзы или немагнитная сталь), причем для уменьшения электрических потерь отдельные металлические детали корпуса соединяют между собой через электроизолирующие прокладки. В таком каркасе индуктор прикрепляют к нижней и верхней асбестоцементным плитам;

2) на средних и крупных ИТП корпус изготовляют в виде цилиндрической обечайки из стального толстого листа (см. рис. 88, позиция 4) с вырезами (окнами) для доступа к индуктору или в виде «беличьей клетки», образованной вертикальными металлическими стойками, прикрепленными к нижнему и верхнему опорным кольцам.

Для снижения напряженности электромагнитного поля вблизи корпуса ИТП между индуктором и корпусом устанавливают:

– пакеты внешних магнитопроводов (ферромагнитные экраны) из листовой электротехнической стали толщиной 0,2 мм при средних частотах (допустимая индукция 0,5...1 Тл) или 0,35...0,5 мм при частоте 50 Гц (допустимая индукция 0,9...1,4 Тл);

– медный (алюминиевый) лист (электромагнитный экран).

Применение экранов позволяет уменьшить габариты корпуса
(т.е. ИТП), дает возможность изготовлять каркас корпуса из проката обычной углеродистой стали (вместо немагнитной стали) и тем самым уменьшить стоимость ИТП.

Механизм наклона

Механизм наклона печи предназначен для слива металла и является одним из важных узлов конструкции любой плавильной печи. Для того чтобы уменьшить длину струи металла и не перемещать разливочный ковш в соответствии с перемещением носка печи (как это имеет место, например, при эксплуатации ДСП), ось наклона ИТП помещают вблизи носка.

Для наклона печей малой вместимости (60 и 160 кг) используют тельфер* печного пролета цеха, предназначенный для загрузки шихты в тигель. Для наклона печи крюк тельфера сцепляют с серьгой, укрепленной на подвижной части корпуса. При вращении барабана тельфера крюк поворачивает печь на требуемый угол (порядка 95...100°).

Основной частью гидравлического механизма наклона (см. рис. 88, позиция 6), являются рабочие цилиндры одностороннего действия, установленные по одному с каждой стороны печи. Плунжеры цилиндров, шарнирно связанные с корпусом печи, под давлением рабочей жидкости (обычно масла) перемещаются вверх и наклоняют печь. Цилиндры устанавливают на шарнирах, позволяющих цилиндрам в процессе наклона печи поворачиваться в соответствии с дугой, описываемой головкой плунжера. Печь опускается под действием силы тяжести, когда в цилиндрах снимают давление рабочей жидкости.

Электрооборудование

Электрическая схема

Питание ИТП может быть индивидуальное или централизованное. При централизованном питании несколько источников питания (преобразователей частоты) объединены в одну преобразовательную станцию с общими (сборными) выходными шинами, к которым подключают ИТП. При индивидуальном питании каждую ИТП подключают к отдельному источнику. Однако из-за низкой стойкости футеровки тигля целесообразно иметь электропечные установки, включающие две ИТП и один комплект электрооборудования или три ИТП и два комплекта электрооборудования. При этом одна или две ИТП непрерывно работают (до выхода из строя тигля), а в резервной ИТП набивают, сушат и готовят тигель к плавке.

Схема питания ИТП (рис. 90) содержит основное электрооборудование – источник питания ИП и различное вспомогательное электрооборудование: для согласования напряжения источника питания и индуктора – согласующие (контурные) трансформаторы СТр, для симметрирования нагрузки на трехфазную сеть при питании однофазных ИТП промышленной частоты – симметрирующие устройства СУ, для компенсации реактивной индуктивной мощности индуктора П и для создания колебательного контура – конденсаторные батареи КБ постоянной или переменной емкости. В некоторых случаях в схеме может быть стабилизатор напряжения СНН, преобразовательный трансформатор Тр, тиристорный возбудитель ТВ и т.д.

Рис. 90. Однолинейные электрические схемы ИТП

Электропечные установки индукционного нагрева питают от трехфазной силовой сети общего назначения 380 В или от цеховых распределительных устройств напряжением 6 или 10 кВ.

Установки на частоту 50 Гц обычно укомплектованы элементами общего электротехнического назначения (см. рис. 90, г). Специальное оборудование для ИТП средней и высокой частоты завод-изготовитель поставляет комплектно по соответствующему типовому проекту института «Тяжпромэлектропроект», ВНИИЭТО или ВНИИТВЧ. В состав комплекта, помимо ИТП, основного и вспомогательного электрооборудования, входит вводное устройство ПУ или комплектное распределительное устройство КРУ с высоковольтным выключателем ВВ, шкафы (блоки) управления ШУ, регулирования, защиты, сигнализации и КИП ШУРЗК (или БУРЗК), станции управления с АРЭР и вторичный токопровод, включая гибкую часть
(см. рис. 90, б–г).

Например, типовой силовой шкаф ШС (см. рис. 90, в) имеет двухполюсный разъединитель Р с водоохлаждаемыми контактами типа ВЛДФ-2; контактор-выключатель В типа К1000, имеющий коммутационную износостойкость водоохлаждаемых контактов до 1000 циклов при разрывной силе тока до 2,4 кА; измерительные трансформаторы тока ТТ (катушечные типа ТКЧ и шинные типа ТШЧ) и трансформаторы напряжения ТН (высокочастотные однофазные сухие типа ВОС).

Режим работы элементов схемы питания ИТП контролируют с помощью КИП. Число измерительных трансформаторов (ТН и ТТ) и КИП получается достаточно большим из-за наличия нескольких силовых электрических цепей: силовая цепь источника питания ИП; цепь ИП – КБ, цепь колебательного контура КБ – П, где может быть выделена цепь конденсаторов КБ, особенно при наличии переменной части, и цепь индуктора П, если предусмотрена автотрансформаторная схема его подключения к ИП.

В установках ИТП средней частоты применяют амперметры (типа Ц 330), вольтметры, ваттметры (типа Д 30), фазометры и частотомеры.

Поскольку по ходу плавки в ИТП изменяются электрофизические свойства расплавляемой металлошихты, происходит изменение активной и реактивной мощности металла (Р_м и Q_м)и всей системы «индуктор – металл», что вызывает необходимость автоматического регулирования электрического режима АРЭР установки. Возможны четыре способа АРЭР установки ИТП:

– изменение напряжения ИП,

– изменение частоты тока,

– изменение резонансной настройки колебательного контура П – КБ,

– изменение сопротивления контура.

В высокочастотных установках (см. рис. 90, а) напряжение на контуре регулируют с помощью блока БУРЗК, управляющего высоковольтным выпрямителем (блок БВ), а сопротивление контура «согласовывают» через воздушный трансформатор СТр.

АРЭР тиристорного ИП (см. рис. 90, б) заключается в резонансном регулировании колебательного контура за счет управления выпрямителем (шкаф ШВ) и инвертором (шкаф ШИ). Современные тиристорные ИП типа ТПЧ имеют пределы регулирования выходного напряжения от 50 до 125 % (от номинального), а частоты – от 80 до 100 %.

Для АРЭР установок ИТП, питающихся от электромашинного ИП (см. рис. 90, в), применяют станцию управления типа ШДА-4200, в которую входят три локальных регулятора: возбуждения генератора (ТВ), настройки колебательного контура (АРИК) переключением переменной емкости КБ и двухпозиционный регулятор сопротивления контура, т.е. «нагрузки» (АРН), в результате переключения автотрансформаторной схемы питания индуктора, который в печах типа ИСТ имеет, как правило, одну отпайку.

Коммутацию КБ для изменения емкости проводят ступенчато (дискретно) с использованием контакторов, без нагрузки, причем пауза между двумя переключениями должна быть 0,5...1,5 с для разряда переключаемых конденсаторов. Для ограничения числа контакторов группы емкости КБ включают по двоичному коду, при котором каждый последующий контактор включает емкость, в 2 раза большую, чем предыдущий, а изменение общей величины емкости достигается изменением комбинаций включенных групп, что позволяет с помощью N контакторов получить 2^N возможных ступеней емкости: 5 контакторов – 32 ступени, 6 контакторов – 64 ступени. Если мощность самых крупных групп конденсаторов превышает коммутационную способность существующих контакторов, эти группы набирают из нескольких параллельно включенных более мелких групп, каждую из которых коммутируют индивидуальным контактором в своем разрядном контуре.

При регулировании cos φ ИП целесообразно отключать не выключателем В (см. рис. 90, б), а снятием напряжения с обмотки возбуждения ОВГ с помощью реле РВГ или регулятора ТВ.

Регулятор АРИР установки ИТП промышленной частоты (см. рис. 90, г) поддерживает заданную силу тока переключением под нагрузкой ступеней напряжения ИП и переменной части КБ.

Регулятор АРИС обеспечивает симметричную загрузку питающей трехфазной сети по току регулированием индуктивности и емкости управляемого симметрирующего устройства СУ, подключенного к индуктору П по схеме «треугольника» (схема Штейнметца*).

Основная особенность вторичного токопровода силовой цепи ИТП средней и высокой частоты состоит в увеличении активного (из-за ярко выраженного поверхностного эффекта и эффекта близости) и особенно индуктивного (прямо пропорционально частоте тока) сопротивления.

Источники питания

Для питания высокочастотных ИТП применяют статические преобразователи частоты на электронных лампах (ламповые генераторы). Основными элементами такого ИП являются (см. рис. 90, а): трехфазный силовой (анодный) трансформатор (блок БП), повышающий напряжение с 380 В до 5...8,4 кВ; высоковольтный выпрямитель (блок БВ), выполненный по трехфазной мостовой схеме с нулевым вентилем и преобразующий переменный ток в постоянный напряжением 6...11 кВ (анодное напряжение); трехэлектродная генераторная лампа (блок БГ), преобразующая энергию постоянного тока в энергию электрических колебаний высокой частоты f.

Рабочая частота f зависит от индуктивности L и емкости С колебательной системы:

. (161)

Колебательная система состоит из анодного контура и нагрузочного контура КБ – СТр – П. Двухконтурная схема ИП позволяет лучше стабилизировать частоту и обеспечивать оптимальную настройку установки при изменяющихся параметрах ИТП во время плавки.

На аноде генераторной лампы теряется значительная доля энергии электронов, ускоряемых электрическим полем лампы. Поэтому электрический КПД высокочастотных ИПневысокий и должен быть согласно ГОСТ 21139–87 не менее 0,6...0,65.

Для плавки стали применяют высокочастотные установки типа ВЧИ-ПТ 1,0/0,44; 16/0,44 или 25/0,07; для нагрева газов и получения низкотемпературной плазмы – типа ВЧГ-12-60/5,28; для выращивания монокристаллов – типа «Кристалл» [числитель – номинальная мощность колебательного контура («колебательная мощность»), кВт; знаменатель – рабочая частота, МГц].

Для питания ИТП средней частоты применяют статические преобразователи частоты на тиристорах (ТПЧ) и электромашинные преобразователи.

ТПЧ имеет следующие функциональные элементы, собранные в шкафы (см. рис. 90, б): преобразовательный трансформатор Тр и вводное устройство (шкаф ввода питания ШВП); звено постоянного тока в виде тиристорного выпрямителя (шкаф ШВ), собранного по схеме трехфазного симметричного управляемого моста и предназначенного для преобразования трехфазного тока промышленной частоты в постоянный ток; сглаживающий фильтр (реактор значительной индуктивности с магнитопроводом) для сглаживания пульсаций выпрямленного тока; тиристорный инвертор (шкаф ШИ) – основной элемент ТПЧ, собранный по мостовой схеме с самовозбуждением и преобразующий постоянный ток в однофазный переменный повышенной (средней) частоты, зависящей от схемы управления (шкаф ШУРЗК) и резонансной частоты колебательного контура КБ – П согласно (161). При изменении во время плавки сопротивления колебательного контура автоматически изменяется выходная частота инвертора (± 20 %), что не требует переключения КБ и является существенным преимуществом ТПЧ, которые имеют высокий КПД (согласно ГОСТ 20962–75 не менее 0,92 при частоте до 1 кГц; 0,90 при 2,4...4 и 0,85 при 8...10 кГц), возможность многократного включения и отключения, что исключает режим холостого хода. Согласно ГОСТ 16370–80 выпускают ТПЧ мощностью до 3,2 МВт на частоты от 0,5 до 8 кГц с выходным напряжением 400, 800 и 1600 В. Коэффициент мощности на входе ТПЧ составляет 0,90...0,92.

Электромашинные преобразователи являются двигатель-генерато-рными агрегатами в составе приводного трехфазного асинхронного двигателя промышленной частоты и однофазного синхронного генератора средней частоты. Обмотка возбуждения ОВГ, питаемая от источника постоянного (выпрямленного) тока (на рис. 90, в – тиристорный возбудитель ТВ), и рабочие обмотки переменного тока расположены в пазах статора. Ротор имеет также зубчатую форму, но не имеет обмоток. Число зубцов и пазов на роторе в два раза меньше, чем на статоре (полюсный шаг в два раза больше). При вращении ротора его зубцы создают местные пульсации^*магнитного потока в зазоре и зубцовой зоне статора. Частота пульсаций, а следовательно, и частота изменения индуктируемого* тока f прямо пропорциональны числу зубцов ротора N и частоте его вращения п (обычно составляет 50 с^–1):

f = Nn = 50N. (162)

По конструкции агрегатов преобразователи могут быть двух- или однокорпусные, горизонтальные или вертикальные, с воздушным или водяным охлаждением. Рабочие обмотки генераторов разделяют на 2–4 секции, что позволяет иметь 2–3 ступени выходного напряжения, которые, согласно ГОСТ 16370–80, должны быть 200, 400, 800 или 1600 В. В настоящее время выпускают электромашинные преобразователи серий ВПЧ и ВЭП мощностью до 100 кВт на частоту 2,4 и 8 кГц, серии ОПЧ мощностью до 500 кВт на частоту 1; 2,4; 4 и 10 кГц. КПД преобразователей ВПЧ не ниже 0,7...0,75; ВЭП0,75...0,8; ОПЧ 0,85...0,9.

Достоинствами электромашинных преобразователей, определившими их широкое применение в качестве источников питания для ИТП, являются высокая надежность, устойчивость к перегрузкам по току, возможность параллельной работы генераторов (для увеличения мощности), простота и большая глубина регулирования мощности (при резком снижении КПД). Недостатками таких источников питания являются: большое время разгона (до 15 с) и останова (до 45 мин), недопустимость частых пусков, необходимость пускового устройства ПУ (см. рис. 90, в) для запуска приводного асинхронного двигателя, имеющего 6–7-кратный пусковой ток, и переключений в силовой цепи ИТП при АРЭР (переменная емкость КБ, отпайки индуктора).

Крупные ИТП питают переменным током частотой 150 или 250 Гц от статических умножителей частоты трансформаторного типа. Принцип действия умножителей частоты основан на искажении формы кривой напряжения за счет насыщения специальных магнитопроводов и выделении высших (обычно третьей или пятой) гармоник во вторичной цепи. КПД ~0,85...0,92.

Для питания ИТП промышленной частоты применяют электропечные одно- и трехфазные понижающие трансформаторы (см. рис. 90, г) мощностью 0,4; 1; 1,6 и 2,5 MB∙А, имеющие большую глубину регулирования вторичного напряжения на 9–17 ступенях, причем на трех – пяти ступенях обеспечивается постоянная мощность (с соответствующим увеличением силы тока, массы активных материалов и типовой мощности трансформатора). Трехфазные трансформаторы имеют в комплекте элементы симметрирующего устройства СУ (см. рис. 90, г).

Конденсаторы

В установках ИТП применяют контурные конденсаторы статических преобразователей частоты для создания колебательного контура и получения регулируемой резонансной рабочей частоты f_paб = varia, согласно (161), и косинусные конденсаторы для увеличения коэффициента мощности cos φ путем компенсации реактивной индуктивной мощности ИТП промышленной частоты и в случае электромашинных преобразователей фиксированной рабочей частоты f_paб = const, согласно (162).

Необходимость компенсации Q_Σ = Q_м + Q_з + Q_и имеет технические и экономические причины. При низком коэффициенте мощности (см. рис. 86) резко возрастает установленная мощность электрооборудования S = P/cos φ ≈ Q_Σ, занимается излишняя мощность питающей подстанции, усложняется токопровод, возрастают электрические потери в линии электропередачи и в самом источнике питания, возникают электротехнические проблемы создания электромашинных преобразователей большой мощности. Соответственно увеличивается стоимость электротехнической части установки ИТП, возрастают расходы по переделу по статье «Технологическая электроэнергия».

Необходимо подчеркнуть, что косинусные конденсаторы не влияют на естественный cos φ системы «индуктор – металл», а изменяют cos φ системы ИТП – КБ, приводя номинальную мощность S источника питания в соответствие с отдаваемой им активной мощностью Р:

≈ P. (163)

Такое решение имеет экономическое обоснование, ибо стоимость единицы реактивной (емкостной) мощности конденсатора может быть меньше стоимости единицы полной мощности источника питания. По данным В.П. Вологдина, соотношение стоимостей для частоты 50 Гц составляет 2:1, для 10³ Гц 1 : 2, для 10⁴ Гц 1:20. Поэтому при частотах выше 500 Гц необходимо и выгодно применять конденсаторы. В установках ИТП промышленной частоты применяют конденсаторы, которые имеют значительно меньшие электрические потери (до 2,5 Вт/квар) по сравнению с источником питания (не менее 70 Вт/кВ·А).