Проектирование промышленных печей токи по фазам

Схемы индукционных печей

Схема индукционной канальной печи

Почти все конструкции промышленных индукционных канальных печей выполняются с отъемными индукционными единицами. Индукционная единица представляет собой электропечной трансформатор с футерованным каналом для размещения расплавленного металла. Индукционная единица состоит из следующих элементов, кожуха, магнитопровода, футеровки, индуктора.

Индукционные единицы выполняются как однофазными, так и двухфазными (сдвоенными) с одним или двумя каналами на один индуктор. Индукционная единица подключается ко вторичной стороне (стороне НН) электропечного трансформатора с помощью контакторов, имеющих дугогасящие устройства. Иногда включаются два контактора с параллельно работающими силовыми контактами в главной цепи.

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.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Учебное пособие: Проектирование внутрицехового электроснабжения Разработка проекта

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кузбасский государственный технический университет»

Кафедра электроснабжения горных и промышленных предприятий

Проектирование внутрицехового электроснабжения

Часть II . Проектирование электроснабжения силовых электроприемников цеха

Методические указания по курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «Системы электроснабжения» для студентов всех форм обучения специальности «Электроснабжение»

Составитель Т.Л. Долгопол

Утверждены на заседании кафедры

Протокол № 3 от 10.02.2009

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией по специальности 140211

Протокол № 3 от 10.02.2009

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Данные методические указания необходимо рассматривать как продолжение первой части «Проектирование осветительных установок».

При проектировании внутрицехового электроснабжения необходимо учитывать некоторые характеристики силовых электроприемников (ЭП): режим работы, коэффициент мощности, количество фаз, род тока. В связи с этим ниже приводятся характеристики отдельных групп силовых ЭП.

Для всех ЭП важным показателем является их номинальная мощность. Для электродвигателей номинальные мощности выражаются в киловаттах: для однодвигательных ЭП – p _н , кВт; для многодвигательных – суммарная номинальная мощность – P _н , кВт. Номинальной (установленной) мощностью плавильных электропечей и сварочных установок является мощность питающих их трансформаторов, выраженная в киловольт-амперах (кВА). Это же относится и к трансформаторам преобразовательных и выпрямительных агрегатов.

Основной группой промышленных потребителей электроэнергии являются электродвигатели. В установках, не требующих регулирования скорости в процессе работы, применяются электродвигатели переменного тока: асинхронные с короткозамкнутым или с фазным ротором, синхронные. При напряжении до 1 кВ и мощности до 100 кВт экономически целесообразнее применять асинхронные двигатели, а свыше 100 кВт – синхронные; при напряжении 10 кВ и мощности до 630 кВт – асинхронные двигатели, 450 кВт и выше – синхронные. Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются в мощных электроприводах с тяжелыми условиями пуска.

К общепромышленным установкам относятся вентиляторы, насосы, компрессоры, воздуходувки и т. д. В них применяются асинхронные и синхронные двигатели трехфазного переменного тока частотой 50 Гц напряжением от 380 В до 10 кВ. Диапазон их мощностей различен – от долей киловатта (электродвигатели задвижек, затворов, насосов подачи смазки и т. п.) до десятков мегаватт (воздуходувки доменных печей, кислородные турбокомпрессоры). Основным агрегатам (насосы, вентиляторы) присущ продолжительный режим работы. Электродвигатели задвижек, затворов и т. п. работают в кратковременном режиме. Их коэффициент мощности находится в пределах 0,8–0,85. Синхронные двигатели работают в режиме перевозбуждения.

Данная группа электроприемников относится, как правило, к I категории по надежности электроснабжения. Некоторые вентиляционные и компрессорные установки относятся ко второй категории.

Наиболее многочисленной группой приемников электроэнергии являются металлорежущие станки. Напряжение сети, питающей двигатели станков, 380 или 660 В, частота 50 Гц. На станках, где требуется высокая частота вращения и регулирование скорости, применяют двигатели постоянного тока; в остальных случаях – асинхронные с короткозамкнутым ротором. По надежности электроснабжения станки основных цехов предприятий относят ко II категории, а вспомогательных цехов – к III категории по надежности электроснабжения.

К электротехнологическим установкам относятся электронагревательные и электролизные установки, установки электрохимической, электроискровой и ультразвуковой обработки металлов, электросварочное оборудование. Наиболее распространенной группой электронагревательных установок являются электрические печи сопротивления, которые подразделяются на печи косвенного нагрева и прямого нагрева.

Печи сопротивления получают питание от трехфазных сетей переменного тока частотой 50 Гц, в основном напряжением 380/220 В или на более высокое напряжение через понижающие трансформаторы. Выпускаются печи в одно- и трехфазном исполнении, мощностью до нескольких тысяч киловатт. Характер нагрузки их ровный, однако, однофазные печи для трехфазных сетей представляют несимметричную нагрузку. Коэффициент мощности для печей прямого действия 0,7–0,9, для печей косвенного действия – 1,0. Печи сопротивления относятся ко II категории по надежности электроснабжения.

Индукционные плавильные печи выпускаются со стальным сердечником и без него, мощностью до 4500 кВА. Питание индукционных печей и установок закалки и нагрева осуществляется от трехфазных сетей переменного тока частотой 50 Гцнапряжением 380/220 В и выше в зависимости от мощности.

Индукционные плавильные печи без сердечника и установки закалки и нагрева токами высокой частоты получают питание переменным током частотой до 40 МГц от преобразовательных установок, которые, в свою очередь, питаются от сетей переменного тока промышленной частоты.

Печи со стальными сердечниками выпускаются в одно-, двух- и трехфазном исполнении. Коэффициент мощности их колеблется в пределах 0,2–0,8 (у индукционных установок повышенной частоты – от 0,06 до 0,25).

Все перечисленные печи иустановки индукционного нагрева относятся к приемникам IIкатегории по надежности электроснабжения.

Дуговые электрические печи по способу нагрева разделяются на печи прямого, косвенного и смешанного нагрева. Дуговые печи получают питание от сетей переменного тока промышленной частоты напряжением до 110 кВ через специальные понижающие печные трансформаторы. Мощности современных дуговых электропечей достигают 100–125 MBА.

В период расплавления шихты возникают частые эксплуатационные короткие замыкания в процессе плавки и бестоковые паузы при выпуске стали и новой загрузке печи, в результате чего в питающих сетях наблюдаются толчковые нагрузки. Нагрузка от однофазных печей несимметричная. Коэффициент мощности 0,85–0,95. В отношении надежности электроснабжения дуговые печи относятся к приемникам первой категории.

Вакуумные электрические печи для выплавки высококачественных сталей и специальных сплавов относятся к приемникам особой группы первой категории, так как перерыв в питании вакуумных насосов приводит к дорогостоящему браку.

Электротехнологические установки, работающие на постоянном или переменном токе частотой, отличной от 50 Гц, питаются от преобразовательных установок, характеристики которых определяются режимом электротехнологической установки. Например, мощности электролизных установок для получения алюминия зависят от их производительности и достигают 150–180 МВА. Питание преобразовательных установок электролиза осуществляется трехфазным переменным током частотой 50 Гц напряжением до 110 кВ (в зависимости от мощности). Нагрузка их равномерная, симметричная. Коэффициент мощности составляет 0,8–0,9. Электролизные установки относятся к приемникам I категории по надежности электроснабжения.

Электросварочное оборудование питается напряжением 380 или 220 В переменного тока промышленной частоты.

Для дуговой сварки на переменном токе применяют сварочные трансформаторы однофазного и трехфазного исполнения. Источником постоянного тока при сварке служат вращающиеся и статические преобразователи.

Для автоматической дуговой сварки под слоем флюса или в защитном газе используют как трансформаторы, так и преобразователи трехфазного исполнения на напряжение 380 В.

Сварочные агрегаты для контактной сварки имеют однофазное исполнение.

Электросварочное оборудование работает в повторно-кратковременном режиме работы. Однофазные сварочные приемники (трансформаторы и другие установки) дают неравномерную нагрузку по фазам трехфазной питающей сети. Коэффициент их мощности колеблется в пределах 0,3–0,7. Сварочные установки по степени надежности относятся ко II категории.

Электропривод подъемно-транспортных устройств имеет повторно-кратковременный режим работы и относится ко II категории по надежности электроснабжения. На кран-балках и тельферах установлены двигатели с короткозамкнутым ротором, а на мостовых кранах – двигатели с фазным ротором.

До расчета электрической нагрузки следует привести характеристики ЭП цеха согласно табл. 10.

Таблица 10Характеристики электроприемников цеха

Параметры выбора электропечного трансформатора – советы профессионалов

Кроме электропечей, в которых нагрев производится при помощи нагревателя или индуктора, есть плавильные печи, нагрев металла в которых производится при помощи электрической дуги. Это электродуговые печи.

В этих установках плавление металла осуществляется при помощи электрической дуги, возникающей между графитовыми электродами и содержимым печи. В отличие от плавилен других конструкций, графитовые электроды не меняют состав плавящегося металла. Выбор электропечного трансформатора зависит от мощности и производительности устройства.

В зависимости от мощности такие печи делятся на две группы:

• Промышленные. Предназначены для плавки стали и чугуна.
• Лабораторные. Эти устройства применяются в ювелирных мастерских для плавки драгметаллов, а также для изготовления литых деталей небольшого размера.

1. Устройство промышленных дуговых печей
2. Схема питания дуговой печи
3. Мощность
4. Элементы
5. Особенности
6. Дуговые печи постоянного тока
7. Печные трансформаторы
8. Подвод электроэнергии
9. Особенности эксплуатации печного трансформатора
10. Устройство печных трансформаторов
11. Лабораторные электродуговые печи
12. Трансформатор для лабораторной дуговой печи
13. Особенности плавки в лабораторных печах
14. Электропечные трансформаторы для печей других типов

Устройство промышленных дуговых печей

Эти печи являются эффективной заменой доменных и мартеновских печей, а также печей для переплавки метала в литейном производстве. Емкость этих установок до 400 тонн при температуре до 3000°С.

В печах переменного тока плавление осуществляется электрической дугой, возникающей между тремя графитовыми электродами. Расплавленный металл собирается на поде печи и стекает по специальному желобу.

Питание электродов осуществляется при помощи понижающего трансформатора для электродуговой печи, подключенного к линии высокого напряжения. Электрическая схема подключения печного трансформатора позволяет менять напряжение на электродах:

• в начале плавки оно выше, для обеспечения стабильной дуги при недостатке расплавленного металла;
• в середине и конце процесса необходимое напряжение ниже, для предотвращения превышения величины тока.

Для большей стабильности и управляемости процессом плавки при выгорании графита и понижении уровня шихты электроды делаются подвижными, а их привод подключается к системам автоматики.

Информация! При помощи электродуговых печей в химической промышленности производится фосфора, карбид кальция и другая продукция.

Схема питания дуговой печи

Электродуговые печи – это мощные потребители электроэнергии. Для уменьшения потерь в кабелях трансформаторы и системы управления током располагаются рядом с печами. Участок от подстанции до электродов называется “короткая сеть”.

Чаще всего подключение дуговых сталеплавильных печей (ДСП) к линии высокого напряжения производится через свою высоковольтную подстанцию, на которой находятся масляные выключатели и разъединители. Напряжение питания составляет 6-110кВ. В больших цехах, где установлены несколько ДСП и другое оборудование, подстанция и система выключателей общая для всех выключателей.

Мощность

Мощность печных трансформаторов достигает 300МВА при выходном напряжении от 50В в печах небольшой мощности до 1200В в самых больших и производительных аппаратах. Выходное напряжение регулируется в процессе работы переключением выводов первичной обмотки.

Мощность плавки регулируется также перемещением электродов – при изменении длины дуги меняется ее сопротивление и ток. Эта регулировка осуществляется программно-адаптивным регулятором, подключенным к приводу графитовых стержней. Привод есть двух видов:

• Электромеханический – перемещение производится электродвигателями. Малораспространен из-за задержки при запуске на время разгона электродвигателя и невозможности его мгновенной остановки и реверса.
• Гидравлический – более современный и безинерционный. Движение стержней производится гидравлической системой, давление масла в которой поддерживается все время плавки.

Элементы

Электрическая схема электродуговой плавильни состоит из следующих элементов:

• подходящие кабеля высокого напряжения;
• понижающий трансформатор;
• дроссель, уменьшающий ток короткого замыкания;
• коммутационная аппаратура, управляющая напряжением и током плавки;
• короткая сеть;
• графитовые электроды с системой приводов;
• измерительные и защитные устройства.

Во время работы для обеспечения стабильности процесса напряжение на электродах и ток необходимо регулировать. Это осуществляется двумя способами – изменением выходного напряжения трансформатора и механическим перемещением электродов и изменением длины дуги.

Особенности

Особенности устройства печных трансформаторов и схема управления должны обеспечивать нормальную работу в следующих ситуациях:

• первоначальный поджиг дуги и начало плавки;
• повторное зажигание дуги в течении 3 секунд при ее обрывах;
• устранение короткого замыкания, возникающего при обвале шихты;
• плавное изменение мощности в диапазоне 20-125% от номинальной.

Для уменьшения тока короткого замыкания и бросков мощности последовательно с электродами включается дроссель. Он устанавливается рядом с трансформатором печным понижающим с нужными техническими характеристиками и вместе с ним помещается в бак с маслом для лучшего охлаждения.

Дуговые печи постоянного тока

Плавильные установки переменного тока имеют ряд недостатков:

• низкая производительность;
• повышенный расход электродов и угар шихты;
• большой, до 100 дБ, шум;
• выбросы вредных газов.

От этих недостатков свободны установки постоянного тока. Дуговые печи постоянного тока (ДППТ) имеют один центральный графитный катод, установленный на своде, и несколько металлических анодов, установленных на поде. Для уменьшения угара аноды охлаждаются находящимися внутри них каналами с водой.

Важно! Соприкосновение воды с расплавленным металлом приводит к взрыву, поэтому состояние и внутренняя температура анодов контролируются датчиками.

Печные трансформаторы

Электроаппаратура печей рассчитывается на эксплуатацию в особых условиях. Для их питания устанавливаются печные трансформаторы, устройство и принцип работы которых отличается от обычных силовых трансформаторов.

Подвод электроэнергии

Электропечи – это потребители высокой мощности. В сталеплавильных цехах они соединены в системы из нескольких печных трансформаторов и высоковольтных подстанций. Печные трансформаторы предназначены для работы в условиях постоянных колебаний нагрузки и обладают низким коэффициентом мощности – cos φ. Для его повышения целесообразна установка компенсаторов реактивной энергии.

Важно! Отключение электроэнергии на срок более нескольких минут приводит к остыванию металла и аварийной остановке печи. Поэтому при проектировании необходимо предусмотреть резервный подвод к этим установкам высокого напряжения.

Особенности эксплуатации печного трансформатора

Конструкция печных трансформаторов и принцип работы должны учитывать особенности эксплуатации:

• большой ток в обмотках низкого напряжения;
• необходимость ограничивать ток короткого замыкания;
• толчки и вибрация обмоток, возникающая при резких изменениях нагрузки;
• необходимость осуществления регулировки выходного напряжения в широком диапазоне под нагрузкой.

Устройство печных трансформаторов

Эти аппараты аналогичны по конструкции и техническим характеристикам силовым установкам той же мощности с некоторыми особенностями:

• Возможность регулировки выходного напряжения. Осуществляется переключением выводов первичной обмотки. Их количество может достигать 16 штук. В устройствах большой мощности переключатели находятся в самом трансформаторе и имеют дистанционный привод.
• Работа в режиме короткого замыкания. Для уменьшения бросков тока устанавливается дроссель и (или) повышенное рассеивание магнитного потока.
• Работа в условиях постоянных бросков тока приводит к повышенному износу обмоток и изоляторов. Поэтому они изготавливаются повышенной прочности.

Лабораторные электродуговые печи

В лабораториях и мастерских используются небольшие дуговые печи, с питанием от сварочного трансформатора. Эти установки есть фабричного производства и самодельные.

Собрать такую электродуговую печь емкостью в 5 -10 кг можно в глиняном горшке. Два электрода просовываются через отверстия в стенках. Снаружи горшок покрывается слоем теплоизоляции. Дуга зажигается при сведении и последующем разведении графитовых стержней. Оно осуществляется вручную или электроприводом.

Размеры печи, объем плавильной камеры и производительность печки определяются расстоянием между электродами, которое зависит от выбора напряжения выходного трансформатора:

• 25-30В – 100мм;
• 50-60В – 150мм.

Например, в плавильной камере размером 100*65*50мм при напряжении 30В можно расплавить 70-80 грамм металла. Для лабораторных условий это считается установкой средних размеров.

Трансформатор для лабораторной дуговой печи

Основные технические требования и принцип работы таких установок такие же, как и для промышленных ДСП. Этим условиям соответствуют сварочные трансформаторы. Допускается применение в качестве электропечных обычных аппаратов мощностью более 1кВА. При отсутствии таких устройств используются два трансформатора, включенные на параллельную работу.

Соединительные провода для уменьшения нагрева используются сечением 10мм² в надежной, можно двойной изоляции.

Совет! Можно взять два трансформатора мощностью 0,63кВА 380/12В и соединить первичные обмотки параллельно, а вторичные последовательно.

При необходимости расплавить небольшое количество металла плавка осуществляется в графитовом тигеле или в углублении, сделанном в графитовом порошке. Один из выходов сварочного трансформатора присоединяется к тигелю, а второй к электроду. В его качестве используются стержни от батареек или щетки от электродвигателей. Он зажимается в держатель для ручной электросварки и весь процесс проводится вручную при контроле через сварочный щиток.

Важно! Щетки используются только графитные с удаленными медными питателями. Медь в медно-графитовых щетках меняет состав плавящегося металла.

Особенности плавки в лабораторных печах

При плавке драгметаллов они помещаются в стеклянную колбу, предохраняющую расплав от выгорания. После остывания стекло покрывает металл легко удаляемой коркой.

При переплавке разнородных металлов первым плавится более тугоплавкий, а в расплав вводится легкоплавкие добавки. Например, при изготовлении бронзы первой плавится медь, а затем в расплав добавляется олово.

Одним из самых используемых типов электропечей в тяжелой промышленности являются печи сопротивления. Печные трансформаторы в их составе используют, когда нагреватели электропечи выполнены из материала, сопротивление которого имеет сильную зависимость от температуры. Также использование трансформатора дает возможность применять нагреватели большего сечения, что способствует увеличению их ресурса.

Выходное напряжение большинства трансформаторов, питающих электропечи сопротивления, регулируется ступенчато, без возбуждения, изменением числа витков первичной обмотки. Мощность печных трансформаторов в составе таких электропечей, как правило, находится в пределах от 10 до 250 кВА.

Электропечные трансформаторы для печей других типов

Кроме дуговых для плавки и нагрева металла используются используются индукционные печи и электрические установки с нагревателями из нихромовой проволоки диаметром до 20мм.

Принцип работы таких аппаратов исключает короткое замыкание и состоит из двух фаз:

• Нагрев. Производится на максимальной мощности.
• Выдержка и остывание. В этих режимах необходимо понижать мощность в индукционных печах или периодически отключать нагреватели.

Для обеспечения работы таких электропечей используются обычные силовые трансформаторы, мощность и напряжение которых определяется конкретными условиями и конструкцией установки.

2.Электротермические установки,электроустановки нагрева сопротивлением

Принцип действия таких установок основан на законе Джоуля-Ленца. Количество теплоты, выделяющейся в проводнике, при прохождении по нему электрического тока зависит от сопротивления проводника, электрического тока в цепи, времени его прохождения.

Источником теплоты в установках являются нагревательные элементы (НЭ).
Выбор материала и конструкции НЭ определяется особенностями технологического процесса и конструкции установки.
По температурным пределам работы НЭ подразделяют на 3 группы:

— низкотемпературные, нагрев до 230-430 °С;
— среднетемпературные, нагрев до 630-1030 °С;
— высокотемпературные, нагрев до 2230-3030 °С.

Для изготовления НЭ с рабочей температурой до 1230 °С наиболее распространенным материалом являются:

• нихромы —сплав никеля (75-78 %) и хрома (около 25 %);
• фехрали —- сплав железа (73 %), хрома (13 %), алюминия (4 %);
• хромоникелевые жаропрочные стали — сплав железа (до 61 %), хрома (22-27 %), никеля (17-20 %).

Для высокотемпературных НЭ наиболее распространены карборунды (спекание кремнезема и угля — SiC), керамика, графит, тугоплавкие металлы (молибден, тантал, вольфрам) и др.
По форме среднетемпературные НЭ выполняются в виде зигзагов (проволочных и ленточных) или спиралей, а высокотемпературные — в виде стержней круглого или квадратного сечения и труб.
Для низкотемпературного нагрева широко применяются трубчатые электронагреватели — ТЭНы.
ТЭН представляет собой металлическую трубку, заполненную теплопроводным электроизоляционным материалом, в которой находится электронагревательная спираль.
ТЭНы электробезопасны, могут работать в любой среде, стойки к вибрациям.
Мощность до 15 кВт, напряжение до 380 В, ресурс до 40 тыс. ч, рабочая температура до 730 °С.
Примерами электроустановок нагрева сопротивлением являются: электрические печи сопротивления (ЭПС) и различные нагревательные устройства, обеспечивающие технологические процессы производства.

ЭПС применяются для технологических операций в машиностроении, металлургии, легкой промышленности и т. п.
По исполнению печи выпускаются косвенного и прямого действия, по назначению — нагревательные и плавильные, по режиму работы — периодически и непрерывно действующие. По конструкции:
• периодического действия — колпаковые, элеваторные, камерные, шахтные;
• непрерывного действия — конвейерные, толкательные, протяжные.
ЭПС для плавки металлов. Предназначены для выплавки олова, свинца, цинка и других металлов с температурой плавления до 530 «С.
По конструктивному исполнению такие печи делят на тигельные и камерные (или ванные).
Тигельная ЭПС представляет собой металлический сосуд — тигель, помещенный в цилиндрический корпус, выполненный из огнеупорного материала (футеровка). НЭ расположены на футеровке снаружи тигля. КПД печи 50-55 %, удельный расход ЭЭ при плавке алюминия 700-750 кВт • ч/кг.
Камерная ЭПС предназначена для переплавки алюминия на слитки. Она имеет больший объем, КПД до 60-65 %, удельный расход ЭЭ составляет 600-650 кВт • ч/кг.
Во всех типах ЭПС возможен внутренний и внешний обогрев.
При внутреннем обогреве нагреватели ТЭНы размещены в расплавленном металле и работают при температуре не выше 570 °С
При внешнем расположении открытых высокотемпературных нагревателей можно получить температуру в рабочем пространстве печи до 930 °С

Принципиальная электрическая схема управления ЭПС (рис. 1.2-4)

Предназначена для управления защиты и сигнализации однозонной камерной ЭПС.
Основные элементы схемы:

AT — автотрансформатор трехфазный, для питания нагревателя печи;
АД с ЭМТ — асинхронный двигатель с электромагнитным тормозом, для подъема и опускания двери камеры, реверсивный;
КП и КО — контакторы подъема и опускания двери камеры;
ВКП и ВКО — выключатели конечные поднятого и опущенного состояния двери;
КЛ — контактор линейный для подключения и отключения AT к сети;
РП — реле промежуточное, для коммутации цепи КЛ;
ДГ — датчик температуры печи. Органы управления.
УП — универсальный переключатель («ручное»-0-«автоматическое»), для выбора режима управления;
НТК— прибор теплоконтроля, для управления в автоматическом режиме;
Кн.П, Ки.О, Кн.С — кнопки «Подъем», «Опускание», «Стоп» двери.

Режимы работы:
— автоматический — основной, от ПТК;
— ручной — резервный, от У П.

ЭЛЕКТРОШЛАКОВЫЕ КАК ПОТРЕБИТЕЛИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Электрошлаковые печи являются одними из основных агрегатов специальной электрометаллургии, позволяющими получать слитки и отливки высокого качества. Они широко применяются на металлургических и машиностроительных заводах. Масса выплавляемых слитков и отливок лежит в пределах от нескольких десятков килограммов до сотен тонн. Для электрошлаковых процессов существует широкая номенклатура печей различных конструкций с установленной мощностью от 630 до 15000 кВ?А. Электрошлаковые печи разделяются на металлургические печи электрошлакового переплава (ЭШП), в которых получают гладкие слитки различных фор сечения, и на печи электрошлакового литья (ЭШЛ), предназначенные для получения отливок сложной формы.

Основным элементом электрошлаковой печи является ванна расплавленного шлака, который является электролитом и имеет достаточно высокую ионную проводимость. Электрошлаковый процесс в принципе бездуговой, что обеспечивается подбором питающего ванну напряжения (35-55)В, положением электрода в шлаке и уровнем вводимой мощности. Поэтому электрошлаковая печь как приёмник электроэнергии представляет собой печь сопротивления косвенного действия с жидким нагревателем.

Обычно электрошлаковые печи питаются переменным током промышленной частоты. Это связано с тем, что на переменном токе интенсивно развито рафинирование металла шлаком.

Для улучшения электрических характеристик крупных печей, а в последнее время и печей средней ёмкости иногда используется переменный ток пониженной частоты (2-10) Гц. Обычно питание таких установок производится реверсивным постоянным током с помощью двух преобразователей типа ТВ-9. Вообще возможно питание не только симметричным, но и несимметричным током, в результате чего возникает управляемая постоянная составляющая тока, которая может быть использована для электрохимической оптимизации металлургических процессов.

Однако применение многоамперных тиристорных преобразователей усложняет и удорожает установку, снижает надёжность её работы. Поэтому пока наиболее распространённым родом тока является переменный ток промышленной частоты. Питание электрошлаковых печей производятся в зависимости от мощности либо от цеховой сети напряжением 0,4 кВ, либо от высоковольтных печных подстанций напряжением 6-10 кВ через специальные понизительные трансформаторы.

Одной из основных схем питания является схема электрод-поддон. Из-за низких вторичных напряжений в печах протекают значительные вторичные токи, что вызывает необходимость иметь сложные токоподводы со сравнительно низкими электротехническими характеристиками. Особенностью токоподводов печей ЭШП по сравнению с ДСП является большая роль активных и реактивных сопротивлений электрода в общем сопротивлении токоподвода. Значительная реактивность токоподвода определяет низкие значения коэффициента мощности, который уменьшается с увеличением развеса слитка. В результате этого выплавка слитков массой более 30-40 т. по схеме электрод-поддон на переменном токе промышленной частоты применяется редко.

Для снижения реактивности многоэлектродных печей ЭШП широко используются m/2 бифилярные схемы питания. Электрошлаковые печи с числом электродов, кратным двум, могут питаться по двух фазной схеме, кратным шести, по шестифазной. Во всех этих схемах осуществляется попарное бифилирование электродов и ветвей короткой сети, что позволяет значительно снизить реактивное сопротивление токоподводов.

Для компенсации реактивной мощности и повышения cosц до требуемой системой значения на питающих шинах распредустройств устанавливаются батареи статических конденсаторов.

Электрошлаковые печи как электротехнологические агрегаты имеют циклический характер работы. Цикл плавки разбивается на «горячее» время, в течение которого происходит переплав электрода, и «холодное», которое затрачивается на остывание слитка, наведение шлаковой ванны и подготовительные операции. Коэффициент включения зависит от развеса слитка и технологических особенностей плавки.

Печи малой и средней ёмкости обычно устанавливаются группами по 5-10 и более печей. За счёт сдвига циклов их работы коэффициент включения электрошлаковой нагрузки цеха приближается к единице.

Нагрузка электрошлаковой печи при правильно выбранном электрическом режиме является спокойной, без КЗ и бросков тока, исключая кратковременный начальный этап периода наведения шлаковой ванны при «твёрдом старте». В период переплава кривые тока и напряжения промодулированны переменным сигналом с частотой 1-5Гц, отражающим процесс изменения проводимости шлаковой ванны, при нарастании и отрыве капель электродного металла. Из-за его небольшой величины влияние капельного переноса на энергетический режим и питающую сеть незначительно.

Во время плавки нагрузка печи является неравномерной. Это связано с тремя основными факторами — нестационарностью теплового режима в начальный период плавки, изменению геометрических размеров слитка и уменьшением сопротивления подводящей сети при сплавлении электрода. На рисунке 1 показана типичная кривая изменения мощности печи при переплаве электродов в гладкий кристаллизатор со значительной конусностью, Из него видно, что во время плавки вводимая мощность закономерно уменьшается, особенно сильно в период выведения усадочной раковины.

Рисунок.3.-Изменение мощности электрошлаковой печи во время плавки.

Большинство электрошлаковых печей малой и средней являются однофазной нагрузкой, Для уменьшения влияния несимметрии нагрузки принимаются меры по равномерному распределению однофазных печей по фазам сети, что обычно возможно в цехах ЭШП и ЭШЛ из-за значительного количества установок. Сложнее обстоит дело с отдельно установленными крупными печами. В этих случаях необходимо применение различных симметрирующих устройств на стороне высокого напряжения трансформатора. Электрошлаковые установки требуют высокой надёжности электропитания. При перерыве питания, длительность которого зависит от развеса слитка, нарушения структуры слитка становится достаточным для его отбраковки. Поэтому электрошлаковые печи относятся ко второй категории по надёжности питания. Однако установки обеспечивающие водоснабжение печей ЭШП и ЭШЛ, относятся к потребителям первой категории, так как перерыв в водоохлаждении поддонов, кристаллизаторов и дорнов может привести к их прожогу, взрыву печи или выплеску шлака и металла, опасному для жизни.

Характер воздействия колебаний напряжения на качество слитка и отливки определяется динамическими характеристиками электрошлаковой печи. Колебания напряжения вызывают колебания мощности шлаковой ванны с удвоенной частотой. Такие колебания ПСН трансформатора отработать не могут. Воздействие колебаний мощности на качество слитка и отливки определяется возникающими при этом колебаниями температуры шлаковой ванны И_ш, скорости оплавления металла G, фронта кристаллизации слитка К_фр и толщины шлакового гарнисажа д_г. Последние приводят к изменению диаметра наплавляемого слитка и возникновению гофр и пережимов.

Динамические характеристики этих возмущений описываются передаточными функциями:

Где — оперативные относительные отклонения параметров f;

— относительные коэффициенты передачи при воздействии на температуру, скорость плавления и толщину гарнисажа , мощности; — коэффициент передачи при воздействии скорости плавки на коэффициент фронта кристаллизации слитка(металла); — постоянные времени шлаковой и жидкой металлической ванн и шлакового гарнисажа.

Электрошлаковая печь представляет собой инерционный объект со значительными постоянными времени, составляющими единицы и десятки минут. Известно, что такие объекты являются эффективными высоких частот. Частоты среза, выше которых реакция составляет менее 5% возмущения, составляет для всего спектра ёмкостей печей десятые доли герца. Это свидетельствует о том, что промышленные электрошлаковые печи на колебания напряжения практически не реагируют.

Проектирование управления термическим оборудованием

Системы управления промышленным термическим оборудованием — важная составляющая оборудования. Надежная работа системы должна обеспечивать процесс термообработки и непрерывность промышленного производства. Также современное производство уже давно немыслимо без подключения к единым системам диспетчеризации.

На многих предприятиях до сих пор применяется оборудование, установленное и 20 и 30 лет назад. Во многих случаях, менять такое оборудование на новое экономически нецелесообразно. Разумеется, если такие агрегаты проходили регулярное техническое обслуживание. Однако, системы автоматического управления таких устаревших агрегатов технически и морально давно устарели.

Системы измерения могут не обеспечивать нужный класс допуска, техпроцесс не соответствует возможностям системы управления, пульт управления не удобен в использовании. В таких случаях, достаточно заменить шкаф управления печью, не меняя при этом остальные агрегаты.

Рассмотрим основные детали, на которые необходимо обратить внимание при заказе и проектировании систем управления термическим и прочим промышленным оборудованием.

Корпус

Корпус шкафа должен обеспечивать защиту от воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды. Таких например как: повышенная температура, пыль, вибрации. В зависимости от этих параметров и подбирается корпус шкафа.

Шкаф управления 15-1

Шкаф управления 100-1

Шкаф управления 160-1

Шкаф управления 260-1

Температура окружающей среды

Защита от воздействия температуры необходима если оборудование устанавливается в горячем цеху, где температура окружающей среды может достигать 35°C и более. При таких условиях эксплуатации целесообразней выносить элементы управления в зону с нормальным климатом. Если это невозможно, — необходимо применять системы охлаждения.Условия труда на термических производствах непременно улучшаются и мы уже достаточно редко сталкиваемся с жесткими условиями. Как правило, если при проектировании применяются промышленные элементы и условия эксплуатации достаточно щадящие, — применение специального охлаждения не требуется.

Защита от пыли

Пыль в производственных помещениях присутствует постоянно. Даже в помещениях в которых проводятся регулярные уборки. Химический состав пыли зависит от характера технологического процесса, оборудования и окружающей среды. Производственная пыль может содержать металлические, органические и минеральные включения.

Электропроводящая пыль в достаточном количестве может вызвать локальные пробои напряжения между элементами конструкции. Пробой возможен даже в местах, где такая возможность учтена и электропроводящие элементы разнесены на достаточное расстояние. Например, при накоплении большой массы, изменении влажности и химического состава окружающего воздуха.

Производственная пыль из изоляционных материалов так же может вызвать ненужные проблемы при эксплуатации оборудования. Она кажется более безобидной, но такая пыль так же может накапливать влагу и в зависимости от состава становится электропроводящей. Даже если свойства такой пыли в процессе изменения свойств среды не меняются, пыль накапливается на корпусах элементов и охладителях. Это создает прочный теплоизолирующий слой, препятствующий нормальному охлаждению.

Здесь возникает два момента, определяющих несколько конструктивных подходов:

1. Шкафы с минимальной защитой оболочек.
2. Шкафы с пылезащитой.

Первый вариант, это, как правило, шкафы со степенью защиты оболочек IP41 и ниже. Тепло, выделяемое оборудованием и силовыми элементами сбрасывается непосредственно в корпус шкафа. Такой вариант гораздо проще и дешевле. Наличие большого количества отверстий не препятствует теплообмену с окружающей средой. Но и не препятствует проникновению пыли, что приводит к наличию проблем, рассмотренных выше.

Второй вариант, гораздо сложнее и требует продуманного и грамотного подхода в компоновке. Однако, он наиболее приемлем. Необходимо помнить, что в закрытом пространстве силового шкафа тепло выделяется всеми электроматериалами, от проводов и катушек контакторов до силовых элементов управления. Такое тепло необходимо удалять, иначе повышение температуры эксплуатации ведет к снижению надежности оборудования. Для этой цели можно применять промышленные вентиляторы, оснащенные фильтрующим элементом. Вентиляторы рекомендуется устанавливать на подачу. Такая схема установки позволяет не затягивать в корпус не отфильтрованный воздух. Для повышения ресурса, вентиляторы управляются термостатами.

Коммутационные элементы шкафов управления

Для управления слабоиндуктивными нагрузками в современном оборудовании применяются, как правило, тиристоры и твердотельные реле. Благодаря отсутствию механических частей, бесконтактная система управления гораздо надежней ранее применяющихся контакторов.

Тиристоры целесообразно применять при коммутации мощных нагрузок. Схема управления выносится отдельно или устанавливается с принудительной вентиляцией.

Твердотельные реле являются блоками, в которых объединены блок силовых тиристоров и схема управления. Несмотря на то что в продаже имеются твердотельные реле достаточно большой мощности, применять такие сборки на большие токи нежелательно. Схема управления такого блока подвержена воздействию высоких температур и наводок. Для коммутации больших токов целесообразно устанавливать тиристорные модули в местах прохождения силовых шин, а схему управления разместить в некотором отдалении.

Системы охлаждения силовых элементов

Для охлаждения силовых элементов управления применяются воздушное и жидкостное охлаждение.

Воздушное охлаждение может применяется при коммутировании слабых и средних токовых нагрузок. Тепло от нагревающихся силовых коммутационных элементов нежелательно отводить непосредственно в шкаф, подогревая тем самым остальные конструктивные элементы. Для отвода тепла желательно применение воздушных каналов. Можно так же конструктивно вынести отдельные нагревающиеся элементы за пределы корпуса шкафа.

Не будут лишними в такой схеме датчики температуры на поверхности охладителей. В процессе работы теплоотвод может быть нарушен (по разным причинам), что приведет к перегреву. Наличие датчика температуры на охладителе для бюджета сборки не существенно, зато помогает избежать замены дорогостоящих элементов.

При коммутировании больших нагрузок лучше применять водяное охлаждение. Тиристоры в этом случае устанавливаются на радиаторы, охлаждаемые проточной жидкостью. Контроля температуры жидкости на выходе блока охладителя не требуется. Достаточно контролировать наличие минимального протока жидкости.

Защита силовых элементов управления

Для защиты силовых ключей от токов короткого замыкания наиболее удобно применение плавких предохранителей.

Контроль нагревателей

Ресурс нагревательных элементов при непрерывном производстве, особенно при некоторых техпроцессах может быть ограничен. Подробно данная тема разбиралась в одном из выпусков нашего блога.

Отключение отдельных зон нагрева может повлечь неравномерность распределения температур в объеме печи, что при некоторых видах термообработки критично. Такие неисправности сложно оперативно диагностировать. Например из-за особенностей конструкции или расположения рабочих и контрольных термопар.

Поэтому, чем быстрее и проще проведение диагностики неисправностей, тем быстрее будет устранение. И тем эффективней использование оборудования.

Наиболее простой метод диагностики состояния печей — контроль токов потребления нагревателей. Для этого можно установить цифровой трехфазный амперметр. По показаниям прибора, оператор может следить за состоянием нагревательной части.

Такая схема удобна, если оператор или обслуживающий персонал имеет возможность постоянно контролировать работу оборудования.

Если это затруднительно, можно применять системы автоматического контроля состояния нагревателей.

В печах нашей конструкции такая схема реализована независимым программным модулем, алгоритм которого предусматривает измерение тока в момент включения периода ШИМ.

Сравнивая токи с эталонными значениями, можно судить о исправности нагревателей.

Применение схемы контроля удобно при наличии на участке единой схемы диспетчеризации.

Приборы регулирования

Регуляторы температуры выбираются исходя из конфигурации управляемого изделия.

Основные технические характеристики, на которые необходимо обратить внимание при выборе прибора управления для печей:

• количество каналов регулирования;
• наличия защитных термопар;
• тип термопары;
• наличие архивной памяти;
• наличие интерфейсов связи;
• наличие электронных самописцев;
• наличие программного обеспечения для работы с архивом.

В некоторых случаях, необходимо укомплектование регистратором с бумажным носителем.

Это лишь несколько основных деталей, которые необходимо учесть при выборе системы управления.

Предприятие серийно производит шкафы управления для управления различными типами печей. Серийно выпускаемые изделия доступны в разделе «Шкафы управления термическим оборудованием».

Мы так же можем адаптировать конструкцию непосредственно под ваши задачи. Для удобства составления технического задания, вы можете заполнить опросный лист.

Хотите прокомментировать, дополнить, поправить? Мы рады любому мнению. Форма для комментариев ниже.