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).

Конденсаторы обычно применяют в виде групп («батареи»), составленных из параллельно или последовательно соединенных элементов. Для получения большой емкости устраивают батареи, состоящие из большого числа параллельно соединенных конденсаторов.

Применяют две основных схемы соединения конденсаторной батареи с печью:

1) последовательное соединение – на небольших печах (вместимостью примерно до 10 кг стали). При равенстве емкостного сопротивления КБ Х_к.б индуктивным сопротивлениям ИТП X_п и вторичного токопровода X_тпр возникает резонанс напряжений, при котором реактивные составляющие напряжения цепи равны между собой:

(164)

и напряжение источника питания U_и.п равно только сумме активных составляющих напряжения, но при этом возникает перенапряжение на реактивных элементах цепи, определяемое соотношением (падением напряжения во вторичном токопроводе и , активными составляющими и пренебрегаем):

; (165)

2) параллельное соединение – на крупных и мощных ИТП. При равенстве реактивных проводимостей КБ, ИТП и токопровода колебательного контура возникает резонанс токов, при котором реактивные составляющие токов и равны между собой, противоположны по фазе и циркулируют только в контуре ИТП – КБ, не нагружая источник питания. Соотношение токов определяется выражением

(166)

Однако в этом случае из-за некомпенсированного индуктивного падения напряжения во вторичном токопроводе ( ) существует сдвиг по фазе между током и напряжением источника питания на угол φ_и.п. Поэтому для получения cos φ_и.п = 1 необходимо иметь в колебательном контуре преобладание емкостного тока .

Возможно применение комбинированной схемы, обеспечивающей резонанс токов и напряжений, с целью привести установленную мощность источника питания в соответствие с отдаваемой им активной мощностью, а также поднять напряжение на индукторе в начале плавки для ускорения плавления металлошихты.

Емкость конденсаторной батареи С_к.б (мкФ), необходимую для компенсации реактивной мощности системы «индуктор – металл»  (квар), определяют с учетом (151), (154) и (157) из условия:

, (167)

отсюда

, (168)

где f – в Гц; U_к.б – в В.

Из выражения (168) с учетом формул (151), (154), (157) и (167) следует, что:

1) емкость конденсаторной батареи для данной ИТП в первом приближении обратно пропорциональна частоте. С понижением частоты f емкость, габариты и стоимость конденсаторной батареи возрастают. Практически С_к.б возрастает медленнее, чем 1/f, так как с уменьшением частоты меняются поправочные коэффициенты k_мQ и k_иQ в выражениях (151) и (154); тем не менее это возрастание значительно. Поэтому в ИТП промышленной частоты стоимость конденсаторной батареи составляет наибольшую часть стоимости электрооборудования;

2) при определении С_к.б надо исходить из максимально возможного по ходу плавки значения реактивной мощности Q_Σ при расплавлении кусков шихты разных размеров и различных магнитных свойств;

3) конденсаторная батарея должна позволять изменять число подключенных конденсаторов вследствие изменения Q_Σ по ходу плавки.

Хотя с повышением частоты возможно повышение цены единицы емкости конденсатора (вследствие использования более качественного диэлектрика), но в общем стоимость конденсаторов уменьшается, а стоимость источника питания возрастает. Таким образом, можно определить экономически оптимальную частоту f_opt, при которой суммарная стоимость электрооборудования будет наименьшая (рис. 91).

В ИТП промышленной частоты применяют силовые «косинусные» конденсаторы общего назначения типа КС (ГОСТ 1282–88) с диэлектриком из конденсаторной бумаги, пропитанной негорючей синтетической жидкостью – соволом (пентахлордифенил С₁₂Н₅С1₅), и обкладками из алюминиевой фольги. Для ИТП с напряжением 1,05...3,15 кВ выпускают специальные однофазные конденсаторы типа КСЭ мощностью 75 квар. Тангенс угла диэлектрических потерь составляет 0,0027.

Рис. 91. Зависимость стоимости электрооборудования ИТП (заданной вместимости и мощности) от частоты: 1 – источник питания; 2 – конденсаторная батарея; 3 – суммарная стоимость (по данным В.П. Вологдина)

В ИТП на частоте 150...500 Гц из-за отсутствия специальных конденсаторов могут быть использованы конденсаторы серии КС при условии, если их допустимые напряжения снизить пропорционально .

В ИТП средней частоты применяют специальные водоохлаждаемые конденсаторы типа ЭСВ (ГОСТ 18689–81), корпус которых изготовляют из немагнитной стали. Тангенс угла диэлектрических потерь составляет 0,0038.

В ИТП при частоте тока 10...440 кГц в качестве контурных конденсаторов в схеме лампового генератора применяют водоохлаждаемые керамические конденсаторы типа ТГК с титансодержащей керамикой в качестве диэлектрика. Тангенс угла диэлектрических потерь составляет 0,0008.

В качестве разделительных, блокировочных или фильтровых конденсаторов в высокочастотных цепях электрических схем ламповых генераторов используют вакуумные конденсаторы.