Електропостачання індукційних установок

Індукційні плавильні чи нагрівні установки складаються з таких компонентів: джерело живлення; узгоджувальний пристрій (трансформатор, автотрансформатор); конденсаторної батареї для компенсації реактивної потужності; індуктора плавильної чи нагрівної установки; апаратури захисту, регулювання та автоматичного керування; механізмів навантаження та переміщення садки.

За частотою струму установки індукційного нагрівання поділяють на установки промислової, підвищеної та високої частоти. Більшість канальних і тигельних печей живляться від електричної мережі 220, 380 чи 660 В через пічні трансформатори, а потужні – від мережі 6-10 кВ через понижувальні трансформатори. На рис. 5.14 наведена схема електропостачання канальних печей від мережі 0,4 кВ. Разом з індуктором печі від контактної панелі КП вмикається й конденсаторна батарея. Від того ж щита живиться й обладнання силового пункту – вентилятори.

Детальна схема електропостачання канальної печі для виплавлення цинку наведена на рис. 5.15. Індуктор живиться від мережі 6 кВ через понижувальний трансформатор Т1, а на час висушування футерування може живитися через автотрансформатор Т2 з глибоким регулюванням напруги (до 12 ступенів регулювання, потужністю 40-50 % від номінальної потужності печі). Конденсаторна батарея С підбирається для оптимальної компенсації реактивної потужності печі ИКЦ.

На стороні вищої напруги трансформатора Т1 знаходиться захист від перевантаження (ТА2, КА) та прилади вимірювання й обліку (рис. 5.15). Вимірні прилади V, A, φ розташовані й у колі обмотки нижчої напруги трансформатора.

Відповідно до вимог Правил влаштування електроустановок для покращення використання трансформаторів (перетворювачів) встановлюється конденсаторна батарея компенсації реактивної потужності, яка повинна мати дві частини – постійну і регульовану. Взаємне розташування компонентів установок повинно забезпечувати мінімальну довжину струмопроводів (для зменшення активного та індуктивного опорів). Не допускається використання кабелів зі стальною бронею чи прокладання проводів у трубах для установок з частотою понад 10 кГц, оскільки броня може нагріватися у зовнішньому електромагнітному полі.

 

Рис. 5.14. Схема електропостачання індукційних канальних печей для плавлення цинку

 

На рис. 5.16,а наведена схема електропостачання тигельних печей від цехової мережі 0,4 кВ з використанням індивідуальних автотрансформаторів. Зважаючи на „спокійний” характер навантаження таких печей, паралельно з ними живиться й інше навантаження.

На рис. 5.16,б зображена схема електропостачання однієї печі зі встановленою апаратурою для контролю параметрів режиму, а також з апаратурою регулювання та контролю стану конденсаторів реактивної потужності.

У трифазних мережах тигельні печі, як однофазне навантаження можуть створювати недопустимий рівень несиметрії (викликати перевищення допустимих значень напруги і струму зворотної послідовності). На рис. 5.16,в наведена схема електропостачання тигельної печі з пристроєм симетрування режиму за схемою Штейметца (С_С, L), а також показані блоки автоматичного регулювання системи симетрування – АРИС, регулювання режиму печі – АРИР та перемикання РПН трансформатора.

Індукційні установки підвищеної частоти живляться від перетворювачів трифазного струму промислової частоти у однофазний струм підвищеної частоти. До таких установок відносяться електромашинні перетворювачі, статичні помножувачі та перетворювачі частоти. На рис. 5.17 наведена схема статичного тиристорного перетворювача, який побудований за схемою „випрямляч – автономний інвертор”. Схема розділена на блоки: шафа живлення з комутаційною апаратурою, блок згладжу вальних реакторів, які згладжують випрямлений струм, інвертор, що перетворює постійний струм у змінний для живлення індуктора. Це перетворювач з явно вираженою ланкою постійного струму. Недоліком такого генератора є генерування у мережу струмів вищих гармонік. Ця обставина зумовлює необхідність їх підключення до мереж з низьким внутрішнім опором, або застосування фільтро-компенсувальних пристроїв.

 

Рис. 5.15. Схема електропостачання індукційної канальної печі

 

 

 

Рис. 5.16. Схема електропостачання індукційних тигельних печей (а), схема живлення одної тигельної печі (б), схема живлення печі з симетрувальним пристроєм (в): РПН – перемикання під напругою; АРИС – регулятор симетрувального пристрою; АРИР – регулятор режиму

 

Рис. 5.17. Схема тиристорного перетворювача частоти:

І – шафа живлення; ІІ – випрямляч; ІІІ – блок реакторів; ІV – інвертор; V – індуктор зі садкою; БП – блок пуску; С – конденсатор; L – згладжувальний реактор

 

Для індукційного нагрівання на високих частотах (50–5000 кГц) використовуються лампові генератори (рис. 5.18). Генератори потужністю понад 20 кВт виготовляються у вигляді чотирьох окремих блоків.

Рис. 5.18. Схема лампового генератора:

1 – блок живлення; 2 – випрямний блок; 3 – блок генератора; 4 – блок навантаження; Тр – трансформатор; В – вентилі; Ср – роздільний конденсатор; С_1,2,3 – конденсатори коливного та навантажувального контура; L_К – коротко-замкнута котушка; L_1,2 – індуктивності контурів зв’язку та навантажувального; И – індуктор; ЛГ – генераторна лампа

 

Силовий трансформатор підвищує напругу мережі до 6000–9000 В, випрямляч на тиратронах перетворює її у постійну 9000–15000 В. Ламповий генератор складається з одної чи кількох триелектродних ламп і перетворює постійну напругу у напругу високої частоти.

Установки високої частоти повинні бути екрановані для зниження рівня напруженості електромагнітного поля на робочих місцях.

 

5.6. Техніко-економічні аспекти застосування
індукційного нагрівання

Серед видів нагрівання, які можна порівнювати з індукційним є такі:

– неелектричні види нагрівання, що використовують енергію полум’я при спалюванні органічних палив;

– резистивне нагрівання пряме і непряме;

– інфрачервоне нагрівання;

– плазмове нагрівання – нагрівання потоку газу електричною дугою чи у електромагнітному полі.

Безпосереднє використання енергії полум’я має недоліки, серед яких нерівномірність нагрівання, великі втрати тепла з викидними газами, великі капітальні затрати, трудність підтримання температури, погіршені санітарно гігієнічні умови. Переваги – однократне перетворення енергії з хімічної у теплову.

Резистивне нагрівання широко застосовується, однак обмежений ресурс роботи нагрівників (близько 6000год) може нанести збитки при позаплановій зупинці нагріву. Пряме резистивне нагрівання придатне лише для обмеженого переліку речовин (з електричною та іонною провідністю). Всі види електричного нагрівання дозволяють легко контролювати витрати енергії і регулювати температуру.

Індукційне нагрівання набуло широкого застосування, через те, що тепло виділяється безпосередньо у матеріалі садки, або у стінках посудини, у яких знаходиться речовина для нагрівання. Це забезпечує високу питому поверхневу потужність

Р = 50 ÷ 500 кВт/м².

Індукційні нагрівні системи мають великий термін служби; – міжремонтний період може складати 4-6 років, є випадки й до 30 років.

Серед важливих переваг індукційного нагрівання

– рівномірне розігрівання з малою тепловою інерцією, оскільки тепло виділяється в речовині чи у стінках посудини;

– при індукційному нагріванні легко відтворити технологічні умови розігрівання, плавлення чи хімічних реакцій;

– у більшості випадків не потрібно спеціального обладнання, – індуктор вмикається безпосередньо у мережу 50 Гц;

– термін служби індуктора великий, оскільки його температура не перевищує 50–90 °С (охолоджується водою);

– безпечні в експлуатації навіть в умовах вибухонебезпечного виробництва (можна виготовити у вибухонебезпечному виконанні);

– хороші санітарно-гігієнічні умови експлуатації;

Недоліком установок є

– необхідність застосування компенсувальних пристроїв для покращення соs φ;

– висока вартість комплектуючого обладнання.

Зважаючи на значні переваги, індукційні установки набули широкого застосування у металургії, машинобудуванні та хімічній промисловості, для високотемпературного та низькотемпературного нагрівання.

Серед технологічних операцій, що широко застосовуються у промисловості машинобудування є штампування. Наприклад у автомобілях і тракторах 60–80 % деталей за масою виготовляються куванням чи штампуванням. Перед куванням і штампуванням деталі-заготовки розігрівають. При цьому заготовки окиснюються:

– у полум’яних газових печах в окалину переходить 2,5 % металу,

– у індукційних – 0,5 % маси (тут заготовка окиснюється лише на виході з індуктора).

Низький відсоток окалини значно зменшує витрати металу.

У деяких технологіях для виготовлення деталей складної конфігурації замість різання застосовується пластична деформація з попереднім індукційним нагріванням. При цьому скорочення терміну розігрівання внаслідок видалення тепла у заготовці значно підвищує продуктивність праці.

Одним з найпоширеніших способів зміцнення поверхні деталей є цементація – насичення поверхневого шару вуглецем. Глибина дифузії вуглецю залежить від температури (при 1100 °С насичення вуглецем проходить за 45 хвилин, а при 950 °С – за 8–10 год). Отримати високі температури значно легше у індукційних установках.

У ряді випадків цементацію можна замінити гартуванням струмами високої частоти. Така операція при використанні індукційних установок значно пришвидшується і спрощується.

Таким чином техніко-економічний ефект при використанні індукційних установок досягається за рахунок зменшення тривалості нагрівання і дотримання точності температурного режиму, зменшення окалини, покращення умов праці, підвищення продуктивності праці, скорочення кількості обслуговуючого персоналу і т. п.