ЭТУ_Куликова_2014

Рисунок 8.5 – Зависимость КПД от диаметра заготовки:1–термический КПД; 2–электрический КПД; 3–КПД генератора;4–общий КПД

Для заготовок диаметром (25...150)10-3 м диаметр индуктора рекомендуется принимать в следующих пределах:

Расчет обычно проводят для условного одновиткового индуктора (nв

=1).

Активное и внутреннее реактивное сопротивление индуктора можно

Значения коэффициентов сопротивлений в зависимости от отношения толщины стенки трубки cт глубине проникновения тока в индуктор приведены в таблице 8.3.

191

Таблица 8.3. - Значения коэффициентов сопротивлений kR и kХ

192

Таблица 8.4 - Приближенные формулы для расчета функций А и В

где тр – КПД высокочастотного трансформатора.

193

8.7. Источники питания индукционных установок

В установках индукционного нагрева промышленной частоты источниками питания служат обычные силовые трансформаторы. Однофазные установки неравномерно нагружают трехфазную сеть и в этом случае используют симметрирующие устройства.

Для питания установок повышенной частоты используются электромашинные преобразователи, статические умножители и преобразователи частот, обеспечивающие более высокий КПД и низкую мощность холостого хода.

В индукционных установках любого типа нагрузкой источника питания является силовой колебательный контур, образованный индуктором с нагреваемым телом и конденсаторной батареей, простейшие схемы замещения которого показаны на рисунке 8.7.

Рисунок 8.7 – Схема замещения системы индуктор–нагреваемое тело: а–последовательная; б–параллельная.

В большинстве случаев более удобно использовать параллельную схему, так как активное сопротивление R при заданном напряжении определяет активную мощность, а индуктивное сопротивление Х– требуемую величину емкости при неизменной частоте тока в контуре или резонансную частоту при постоянной емкости.

Величина и знак избыточного сопротивления определяются разностью между емкостью Ск конденсаторной батареи контура и емкостью Сх, необходимой для полной компенсации контура. Последняя может быть определена по формуле

Активная мощность, потребляемая контуром

(Вт). (8.48)

Если в линии между источником питания и контуром имеется индуктивное сопротивление Х (это может быть собственное сопротивление преобразователя частоты), то соотношение между напряжением на контуре U и ЭДС источника Е может быть представлено в виде

параметров колебательного контура индукционных установок от частоты

Показатели степени n1, и n3 для немагнитных материалов являются функциями некоторого безразмерного критерия, определяемого геометрией системы «индуктор – нагреваемое изделие». Как правило, n1=1,1...1,4, a n3=0,3...0,5. Для магнитных материалов величина n1, всегда лежит в пределах 1/ m n1 1/ 2 m , где т – отрицательный по величине

показатель степени зависимости магнитной проницаемости μ от напряженности магнитного поля. Обычно m=0,75...1,0. Поэтому для магнитных материалов n1=0,8...1,3. Эквивалентные параметры индукционных установок существенно меняются во времени. Эти изменения обусловлены как зависимостью параметров от температуры, так и технологическими причинами.

Индукционные установки повышенной частоты для методического нагрева заготовок перед пластической деформацией характеризуются достаточно стабильным режимом. Мощность индукционных установок для осадочного нагрева значительно изменяется за цикл нагрева. Кроме того, эти установки имеют вынужденные простои для загрузки-выгрузки заготовок. Все это приводит к недоиспользованию мощности источника питания. Часто мощность установок, рассчитанная на требуемую производительность, не соответствует номинальной мощности электромашинных преобразователей частоты. Для снижения установочной мощности преобразователей и их более полной загрузки применяют систему централизованного питания от станции параллельно работающих преобразователей. Однако и такое решение не дает возможности получить стабильную загрузку преобразователей, соответствующую их номинальной мощности, из-за значительных колебаний нагрузки во времени, а также из-за неравномерной загрузки отдельных машин, имеющих асинхронные приводные двигатели.

195

Основные требования к источникам питания индукционных установок следующие:

–источник питания должен иметь возможно более высокий КПД, в том числе и при частичной загрузке, т.е. потери холостого хода должны быть минимальными;

–источник должен иметь возможность регулирования отдаваемой мощности, а также возможность стабилизации режима;

–для питающей сети источник должен являться трехфазной нагрузкой;

–стоимость оборудования, строительных и монтажных работ должна быть минимальной;

–источник должен иметь небольшой расход охлаждающей воды [1].

8.8. Электромагнитные преобразователи частоты

Электромагнитный преобразователь частоты (ЭМПЧ) состоит из генератора средней частоты и трехфазного приводного двигателя. ЭМПЧ является основным источником питания электротермических установок.

ЭМПЧ характеризуется тем, что напряжение и ток на выходе зависят от параметров нагрузки. Эти зависимости могут быть получены из рассмотрения схемы замещения генератора, нагруженного на колебательный контур (рис. 8.8, а). Используя векторную диаграмму (рисунке 8.8, б) для действующих значений электрических величин, запишем:

rc xc

Рисунок 8.8 – Схема замещения генератора, нагруженного на колебательный контур (а), и ее векторная диаграмма (б)

Учитывая, что I U / RЭ cos , получим:

196

Внутреннее сопротивление индукторного генератора имеет ярко выраженный индуктивный характер и величина X / R обычно находится

где kr – постоянный коэффициент, зависящий от обмоточных данных машины и глубины модуляции магнитного потока.

В динамическом отношении ЭМПЧ можно рассматривать как инерционное звено первого порядка с передаточной функцией по управляющему воздействию

Для генераторов малой мощности постоянная времени обычно не превышает 0,2...0,3 с, а для генераторов мощностью 250...500 кВт и выше достигает 1,0...2,0 с.

Одним из главных недостатков ЭМПЧ является относительно низкий КПД. Потери установки складываются из постоянных, не зависящих от нагрузки потерь генератора (механические и вентиляционные), потерь приводного двигателя, пропорциональных квадрату напряжения, и потерь в меди, пропорциональных квадрату тока [1].

8.9. Статические преобразователи частоты

Статический преобразователь – устройство, преобразующее ток промышленной частоты в переменный ток другой частоты. При этом осуществляется двойное преобразование: переменного тока промышленной частоты в постоянный (выпрямление) и постоянного в переменный (инвертирование). Выпрямление и инвертирование осуществляется с помощью управляемых вентильных элементов: ионных (тиратроны, игнитроны, экситроны и др.) или полупроводниковых

197

(тиристоры). Схема выпрямления может быть любой, но наибольшее распространение получили трехфазные однотактные и двухтактные схемы (рисунок 8.9).

Инверторы, изображённые на рисунке 8.9, называются параллельными, так как коммутирующие конденсаторы включаются параллельно нагрузке. Такой инвертор может нормально работать только тогда, когда напряжение отстает от тока на угол δ. В течение времени, равном δ/ω на аноде закрывшегося вентиля будет существовать отрицательный потенциал, затем анодное напряжение этого вентиля снова станет положительным. Для нормальной работы инвертора необходимо, чтобы время δ/ω было достаточным для восстановления управляемых свойств вентиля, т.е. при всех режимах должно выполняться условие

Рисунок 8.9 – Схемы инверторов: а – однотактный; б – двухтактный

Для ионных вентилей обычно не менее 100 мкс, для тиристоров tвос 20...50 мкс.

Если нагрузкой параллельного инвертора является колебательный контур, образованный индуктором и конденсаторной батареей, то угол δ будет равен фазному углу колебательного контура φ;

В этом случае выходное напряжение инвертора равно напряжению на контуре:

Ku – коэффициент, зависящий от схемы инвертора и коэффициента

трансформации инверторного трансформатора.

Выражение (8.60) является выходной характеристикой параллельного инвертора. Из уравнений (8.59) и (8.60) следует, что выходное напряжение инвертора существенно зависит от параметров нагрузки и частоты, причем при увеличении Rэ и ω происходит разгон выходного напряжения. С другой стороны, при уменьшении Rэ и ω возникает опасность нарушения

198

условия (8.58) и срыва инвертирования. Отсюда получаем диапазон возможных изменений величины tg Cu Rэ ;

где Um – максимально возможное выходное сопротивление. Узкий

диапазон возможных изменений параметров нагрузки, опасность перенапряжений в режимах, близких к холостому ходу, и опрокидывания инвертора в режимах, близких к короткому замыканию, тяжелые условия коммутации – существенные недостатки классической схемы параллельного инвертора.

Эти недостатки привели к созданию других схемных решений. Например, принцип действия преобразователей частоты на тиристорах не отличается от принципа действия преобразователей на ионных вентилях, но по сравнению с последними обладает меньшей мощностью управления, более высоким КПД, постоянной готовностью к работе и, в то же время, большей критичностью к перегрузкам и условиям коммутации.

На рисунке 8.10 приведена зависимости КПД от нагрузки для тиристорного преобразователя частоты мощностью несколько десятков киловатт и частотой 2500 Гц (кривая 1) и для машинного генератора с аналогичными параметрами (кривая 2).

Рисунок 8.10 – Зависимости КПД тиристорного (1) и электромашинного

(2)преобразователей частоты от нагрузки

Рисунок 8.10 показывает, что КПД статических преобразователей значительно превышает КПД машинных генераторов, достигает максимума при номинальной нагрузке 90...95 % и остается высоким в широком диапазоне изменения нагрузки.

Машинный генератор не только имеет низкий КПД при номинальной нагрузке, но и отличается резким снижением КПД при уменьшении нагрузки.

Другим важным преимуществом статического преобразователя частоты источника питания для индукционных установок является возможность плавного изменения частоты в процессе работы. Используя

199

зависимость эквивалентных параметров индукционных установок от частоты, можно осуществлять согласование параметров нагрузки и преобразователя и обеспечить полное использование мощности преобразователя в условиях изменяющихся параметров нагрузки, что принципиально невозможно при источнике с фиксированной частотой, например, при машинном генераторе.

200