2.3.7. Вторичные источники питания для установок электротехнологии. Выбор. Правила безопасности

Большое значение для установок электротехнологии имеют так называемые вторичные источники питания. К ним относят специ­альные трансформаторы, статические и машинные преобразовате­ли напряжения, частоты и другие аппараты. Иногда в этой роли могут выступать различные силовые аппараты, предназначенные для электроснабжающих и распределительных сетей.

Правильный выбор указанных установок безусловно способ­ствует рациональной эксплуатации электротехнологического обо­рудования.

Силовые трансформаторы. При оборудовании электрообогрева защищенного грунта в парниках и теплицах, обогреваемого пола в животноводческих помещениях, а также для включения различно­го электротехнологического оборудования, в том числе установок

155

электронагрева, применяют силовые трансформаторы с нормаль­ным, пониженным и низким напряжением на вторичных обмот­ках.

Напряжение вторичных обмоток трансформаторов, В, '

где Ц\ — напряжение на первичной обмотке, В; А^, — коэффициент трансформа­ции; щ, щ — число витков первичной и вторичной обмоток.

Однофазные силовые трансформаторы ОМС (однофазные, мас­ляные, для сельского хозяйства) устанавливают на опорах и ис­пользуют для электроснабжения отдельных животно­водческих ферм и жилых домов. Их номинальная мощность 5 и 10 кВ • А, напряжение первичных обмоток 6 и 10 кВ, напряжение на низкой стороне 2 х 220 В.

Выпускают также однофазные силовые трансформаторы серии ОМП мощностью 4 и 10 кВ • А и серии ОМ мощностью от 0,63 до 50 кВ • А с высшим напряжением 6 и 10 кВ. Вторичное напряже­ние 0,115/0,23 кВ: 0,23 и 0,38 кВ.

Специально для электронагрева выпускают транс­форматоры серии ОСУ со шкалой мощности от 100 до 12 кВ • А с высшим напряжением 380 или 220 В и низшим от 3,15 до 49 В.

Для этих же целей могут быть использованы однофазные трансформаторы ТОС и ТОСБ мощностью 1,5 и 2,5 кВ • А с вто­ричным напряжением 12,127 и 230 В.

Трехфазные силовые трансформаторы, которые могут быть при­менены для электронагрева, приведены в таблице 2.1.

2.1. Основные технические данные трехфазных силовых трансформаторов

Трансформаторы ТМОА и ТМОБ могут комплектовать распре­делительными устройствами и щитами.

Для электронагрева и питания электронагре­вательных приборов небольшой и средней мощности используют однофазные автотрансформаторы серий АОС и АОСХ мощностью 0,5 и 0,3 кВ • А, с первичным напряжением 380 и 220 В и плавным изменением вторичного напряжения от 220 до 100 В, а также авто­трансформаторы ЛАТР мощностью 2,5 и 5 кВ • А с теми же, что и у

156

предыдущих автотрансформаторов значениями первичных напря­жений и регулируемым вторичным напряжением от 220 до 12 В. Однофазные автотрансформаторы как вторичные источники пи­тания могут быть соединены и в трехфазную систему. Однако в любом случае надо следить за тем, чтобы высокий потенциал фаз­ного напряжения не оказался на выходе у потребителя низкого напряжения 12...36 В.

Специальные трансформаторы. Для прямого нагрева металлических изделий — труб, небольших швеллеров, уголков, стержней, арматуры, а также для разогрева различных деталей и заготовок при производстве применяют специальные трансформа­торы с низким вторичным напряжением 12...65 В и большим то­ком 10000 и более ампер.

Условия качественной работы электроустановок — обеспече­ние регулирования силы тока и надежность электрических кон­тактов. Надежность может достигаться использованием зажимов различной конфигурации, увеличением давления и искусствен­ным охлаждением узлов.

Указанные трансформаторы используют в установках для стыковой, точечной и роликовой сварки.

Расчет мощности трансформатора. Полная мощность, В • А, трансформатора, работающего на прямой нагрев,

5" = ЛзФ/(т|общ^С05 ф)> (2-46)

где К₃= 1,1...1,2 —коэффициент запаса; Ф —полезный тепловой поток, Ф= (ЗА, х —время обработки, с; 0 — полезная теплота, Дж; 0 = МС„(Т_к—Т_и), М— масса обрабатываемого материала, кг; О, — удельная теплоемкость материала, Дж/(кг ■ °С); Т„ и Т_к — начальная и конечная температуры обрабатываемого материала, °С;

Яобш ⁼ ЛэЛтПтр-

Сила тока, А, во вторичной цепи трансформатора при нагреве заготовок до температуры выше точки магнитных изменений

где Р— площадь поперечного сечения заготовки, м²; р — плотность материала за­готовки, кг/м³; К„ — коэффициент поверхностного эффекта.

Для электромагнитного нагрева установлена эмпирическая за­висимость тока /₂ от диаметра заготовки а" и относительной маг­нитной проницаемости \х_г

Время нагрева, с, цилиндрических заготовок диаметром й = = 0,02...0,1м

При расчетах задают различные значения \1_Г и определяют /₂ д^ обеим формулам (2.47), (2.48). Близкие значения токов, найден* ные по указанным выражениям, подтверждают правильность ре­зультата.

По значениям тока /₂ и полного сопротивления вторичной цепи 2Г₂ определяют напряжение, В, на вторичной обмотке транс­форматора

11г = 1г2₁- (2.49):

Силовые трансформаторы электроконтактных установок рабо­тают в повторно-кратковременном режиме, который характеризу­ется относительной продолжительностью включения

е = Х_Нагр/(Хнагр ⁺ Т^:з), (2.50)

где т_нагр —время нагрева заготовок, с; т₃ —время загрузочно-разгрузочных и транспортных операций, с.

Полная расчетная мощность, В • А, силового трансформатора

(2.51) |

Источники питания для дуговой сварки. Широкое применение в сельском хозяйстве находит дуговая сварка. Источники питания для дуговой сварки должны обеспечивать зажигание и устойчивое горение дуги, регулирование ее силы тока при безопасной эксплу­атации и обслуживании. В качестве таких источников используют сварочные трансформаторы, сварочные выпрямители, а также специальные сварочные генераторы постоянного тока.

Сварочные трансформаторы — источники питания пониженно­го напряжения переменного тока частотой 50 Гц. Их используют в установках электродуговой сварки на переменном токе, а совмест­но с выпрямителем — на постоянном токе. Они представляют со­бой специальные одно- и трехфазные понижающие трансформа­торы с вторичным напряжением холостого хода 60... 100 В и рабо­чим 25...40 В, обладающие по отношению к нагрузке падающей вольт-амперной характеристикой. Такая характеристика необхо­дима для обеспечения зажигания и устойчивого горения свароч­ной дуги. Она создается за счет включения в магнитную цепь трансформатора индуктивного сопротивления рассеяния в виде дросселя с ферромагнитным сердечником. Часто дроссель выпол­няют переменной индуктивности, обычно за счет перемещения его сердечника, либо плавно изменяют индуктивное сопротивле­ние самого трансформатора, например перемещением его первич­ной обмотки относительно вторичной.

В небольших трансформаторах для увеличения сопротивления

158

рассеяния используют небольшой воздушный зазор в магнитопро-воде и другие способы. С целью регулирования силы сварочного тока может быть использовано регулирование числа витков пер­вичной и вторичной обмоток.

Для облегчения зажигания и повышения устойчивости горе­ния сварочной дуги переменного тока в ряде случаев дополни­тельно применяют осциллятор, который представляет собой ма­ломощный (100...250 Вт) импульсный генератор, вырабатываю­щий высокочастотные импульсы (100...3000 кГц) повышенного напряжения, подводимые к дуговому промежутку сварочного ап­парата.

Наибольшее распространение в сельском хозяйстве получили однофазные сварочные трансформаторы серий ТД, ТДМ, ТДФ, ТДФЖ. Их номинальные сварочные токи — от 160 до 2000 А.

Сварочные выпрямители — источники питания для сварки по­стоянным током, который обеспечивает более устойчивое горение электрической дуги по сравнению с переменным током. Однако при сварке постоянным током возникает режим электролиза об­разующейся ванны расплавленного металла, что в ряде случаев нежелательно, например при сварке под слоем флюса, так как происходит электролизное разложение вводимых в сварной шов присадок.

Сварочные выпрямители принципиально мало отличаются один от другого. Их основные части: трехфазный сварочный трансформатор, трехфазный мостовой выпрямитель неуправляе­мый (диодный) или управляемый (тиристорный или диодно-ти-ристорный) и в ряде случаев дроссель с ферромагнитным сердеч­ником. Для охлаждения трансформатора и вентилей выпрямителя предусматривают электровентилятор (рис. 2.3).

II

Сварочный выпрямитель включается в работу автоматическим! выключателем (2Р цепи электровентилятора М посредством пос*| ледующего срабатывания магнитного пускателя КМ за счет замы-¹' кания блок-контакта выключателя ОР. Такое построение схемы'| исключает включение сварочного выпрямителя с неработающим электровентилятором охлаждения М.

Способы ступенчатого и плавного регулирования силы сва­рочного тока сварочных выпрямителей такие же, как и у свароч­ных трансформаторов, так как они — их составная часть. При ис­пользовании управляемых выпрямителей дополнительно появля­ется возможность плавного регулирования сварочного тока изме­нением угла включения тиристоров выпрямительного моста.

В сельском хозяйстве применяют сварочные однопостовые выпрямители серий ВС, ВД, ВДГ, ВДУ на номинальные токи от 200 до 1200 А и значительно реже — многопостовые серии ВДМ на номинальные токи от 1000 до 1600 А.

Сварочный генератор постоянного тока обладает падающей внешней характеристикой и имеет привод с помощью электро­двигателя или двигателя внутреннего сгорания. Регулирование силы сварочного тока достигается изменением тока возбуждения сварочного генератора. Номинальные токи сварочных генерато­ров — от 250 до 500 А. Основные недостатки машинных ис­точников питания сварочной дуги — повышенный уровень шума и низкий КПД, который в 1,5...2 раза меньше, чем у сварочных трансформаторов и выпрямителей на аналогичный сварочный ток. Преимущество — возможность работы в автономном режиме при отсутствии электроснабжающей сети.

Нагреватели трансформаторного типа. В сельском хозяйстве с успехом применяют трехфазные проточные индукционные водонаг­реватели ПВ-1 трансформаторного типа мощностью 30 кВт. Их используют при теплоснабжении и горячем водоснабжении жи­вотноводческих, производственных и бытовых помещений.

Водонагреватель-трансформатор изготовлен на базе магнитной системы трехфазного силового трансформатора. Его первичная обмотка выполнена медным проводом и рассчитана на сетевое на­пряжение. Вторичная обмотка выполнена из стальных труб в виде электрически замкнутых накоротко змеевиков, по которым про­пускается нагреваемая вода. При протекании электрического тока по первичной обмотке создается переменное магнитное поле, си­ловые линии которого замыкаются по сердечнику-магнитопрово-ду, пересекают вторичную обмотку и наводят в ней ЭДС. Под дей­ствием ЭДС во вторичной обмотке, замкнутой накоротко, проте­кает ток. Обмотка нагревается и передает теплоту воде, охлаждаю-щей обмотку и используемой потребителем.

Ведутся разработка и исследование новых типов трехфазных и однофазных трансформаторов с короткозамкнутой вторичной об-

160

моткой, имеющих улучшенные технико-экономические и эксп­луатационные показатели. Устройства названы нагревательными элементами трансформаторного типа (НЭТ) и могут работать со­вместно с аккумуляционными и проточными ЭВН (ЭВАН-50, ЭВАН-100, ЭВП-6 и др.), а также с электрорадиаторами и конвек­торами (ЭРГНТ-0,75, ЭРГУ-05 и др.).

Преимущества указанных аппаратов — их быстродей­ствие и меньшая электроопасность по сравнению с электродными установками.

Источники питания установок индукционного и диэлектрического нагрева. При индукционном нагреве используют источники питания низкой частоты 50 Гц, средней (повышенной) — (0,15...10) -10³ Гц и высокой (0,15...100) • 10⁵ Гц частот. При диэлектрическом нагре­ве используют источники высокой (3...100) ■ 10⁶Гц и сверхвысо­кой (0.3...220) ■ Ю⁸ Гц частот.

Для питания индукционных установок низкой частоты приме­няют трансформаторы, приведенные выше, а также возможно бес­трансформаторное включение под напряжение 380/220 В.

Для питания установок индукционного нагре­ва с частотой до 10кГц используют машинные и статичес­кие преобразователи.

Машинный преобразователь частоты имеет генератор повышен­ной частоты и приводной трехфазный двигатель.

Генератор относят к типу индукторных машин. Для его возбуж­дения используют постоянный ток. В отличие от синхронного ге­нератора рабочая обмотка и обмотка возбуждения расположены на одном статоре. Взаимосвязь между обмотками происходит за счет вращения ротора. Форма ротора зубчатая, аналогичная кон­фигурации ротора явнополюсных машин. Сам ротор не несет ни­каких обмоток. При вращении ротора его зубцы и впадины пооче­редно располагаются против пазов статора с обмоткой возбужде­ния, в результате чего пульсирующий магнитный поток пересека­ет витки рабочей обмотки, индуцируя в них ЭДС с частотой, Гц,

(2.52) где 2— число зубцов ротора; л —частота вращения ротора, мин"¹.

Недостатки машинных генераторов — сравнительно не­высокий КПД, шум при работе, значительные габаритные разме­ры и наличие вращающихся частей.

В статических преобразователях повышенную частоту получа­ют за счет коммутации постоянного тока управляемыми вентиля­ми — тиристорами либо транзисторами (при мощностях до 10 кВт).

Тиристорный преобразователь частоты состоит из двух основ­ных узлов: выпрямителя переменного тока 50 Гц и автономного инвертора, преобразующего полученный постоянный ток в пере-

161

11-6572

менный высокой частоты. Оба узла соединяют сглаживающим фильтром индукционного характера.

Автономные инверторы выполняют по обычной и мостовой схемам. В мостовой схеме нагрузка потребителя включена в диаго­наль моста, образованного в общем случае четырьмя тиристорами.

Благодаря тиристорным преобразователям можно плавно изме­нять рабочую частоту. У тиристорных преобразователей более вы­сокий КПД и более высокая надежность по сравнению с машин­ными преобразователями частоты.

Для питания электротермических уста­новок индукционного нагрева на высоких частотах от 20 до 30 кГц иустановок диэлектри­ческого нагрева используют ламповые генераторы с само­возбуждением.

Основные элементы ламповых генераторов — силовой транс­форматор, повышающий напряжение до 6...10кВ; выпрямитель­ный блок на мощных вентилях для преобразования переменного тока в постоянный напряжением 9...15 кВ; генераторный блок с одной или несколькими генераторными лампами, преобразую­щий энергию постоянного тока в энергию колебаний высокой ча­стоты; колебательный контур ЬС, включающий индуктивность и емкость.

В схемах ламповых генераторов электронная лампа, управляе­мая при помощи напряжения обратной связи, выполняет функ­цию ключа, подключающего контур ЬСв определенные моменты времени к источнику питания для компенсации потерь в контуре и превращения затухающих колебаний в незатухающие.

Рабочая частота, Гц, генератора

(2.53)

где Ь — индуктивность контура, Г; С—емкость конденсатора контура, Ф.

С целью получения от лампового генератора максимальной мощности и высокого КПД необходимо иметь согласованное с анодным напряжением сопротивление нагрузки, то есть контура.

Для поддержания или регулирования мощности или темпера­туры в процессе нагрева вещества или тела режим работы лампо­вого генератора регулируют, изменяя напряжение источника пи­тания или параметры анодного или рабочего контуров генератора.

При генерировании токов сверхвысоких частот (СВЧ) обычные вакуумные лампы становятся непригодными из-за проявления ме­ханической инерции электронов, которая заметно проявляется уже при частотах более 100 МГц, когда время пробега электронов между электродами лампы становится соизмеримым с периодом колебаний. Это существенно затрудняет управление электронным потоком с помощью управляющей сетки лампы. К тому же в этой

162

ситуации обычные колебательные контуры, имеющие на сверхвы­соких частотах значительные потери на излучение, становятся ма­лопригодными.

Поэтому для генерации электромагнитного поля СВЧ используют специальный генератор — магнетрон, в котором электрическая энергия постоянного тока преобразуется в энергию электромагнитного поля СВЧ. В магнетроне (двухэлект-родной лампе) колебания СВЧ генерируются модуляцией элект­ронного потока по скорости с помощью специальных электричес­кого и магнитного полей.

Токами СВЧ нагрев идет в волноводах круглого или прямо­угольного сечения или в объемных резонаторах, а также путем из­лучения электромагнитной волны на нагреваемый объект.

В общем виде генерируемая магнетроном частота, Гц, зависит от числа резонаторов Ич напряженности магнитного поля Н, А/м,

где а и Ь — коэффициенты, зависящие от конструкции магнетрона; Ц, — анодное напряжение, В.

Выходная колебательная мощность магнетронов для электро­термических СВЧ-установок достигает нескольких десятков кило­ватт, их КПД может превышать 70 %.

Источники питания СВЧ-генераторов с магнетронами могут быть однофазными и трехфазными. Сами магнетроны питаются выпрямленным током с упрощенной схемой выпрямления. При небольшой мощности для питания может быть использован пере­менный ток.

Источники питания установок электронно-ионной технологии. Для установок электронно-ионной технологии с целью создания сильных электрических полей используют однофазные источники питания различных видов с одно- и двухполупериодными схемами выпрямления на электронно-вакуумных или полупроводниковых вентилях, включенных во вторичную обмотку трансформатора. Такие источники небезопасны в эксплуатации, так как рассчита­ны на большую мощность. Кроме того, у них значительные габа­риты и масса. Поэтому однофазные источники питания нерацио­нально применять в установках электронно-ионной технологии сельскохозяйственного назначения.

Наиболее целесообразно использовать высоковольтные вып­рямители малой мощности, применяя импульсные схемы. Одна­ко эти схемы позволяют получать напряжение до 25 • 10³ В, хотя для производственных установок электронно-ионной техноло­гии часто требуется напряжение (40...60) -10³ В при токе нагруз­ки 5 • 10~³ А.

Источники питания должны удовлетворять следующим требо­ваниям: иметь минимальные габариты и массу, быть простыми по

^п* 163

конструкции, удобными в эксплуатации, надежными в работе,) обеспечивать плавное регулирование выходного напряжения!] иметь защиту от перегрузок.

Таким условиям отвечает источник питания, схема которого 1| показана на рисунке 2.4. Источник включают в сеть переменного тока 220 В через автотрансформатор.

Схема работает следующим образом. В положительный полу­период сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается до значе­ния ^ автотрансформатора через диод УБ1 и первичную обмотку трансформатора ТУ2. В этот полупериод тиристор У5 закрыт, а че­рез ограничивающий резистор К1 и диод КД2 проходит мини­мальный ток.

Во второй полупериод сетевого напряжения на аноде тиристо­ра У5 будет положительный потенциал от заряженного конденса­тора С1, а на катоде появляется отрицательный потенциал через резистор К1. Этот же потенциал запирает и диод УИ2. В то же вре­мя на управляющий электрод тиристора У5 через диод УШ пода­ется положительный потенциал, и тиристор открывается. При от­крывании тиристора происходит разряд накопительного конден­сатора С1 на первичную обмотку повышающего трансформатора ТУ2, вторичная обмотка которого подключена к схеме умножения напряжения (каскадной схеме) и работает следующим образом.

Если в первый полупериод в нижней части на вторичной об­мотке трансформатора ТУ2 полярность положительная, то в верх­ней — отрицательная. Тогда зарядный ток, протекающий через диод УО4, заряжает конденсатор С2 до амплитудного значения на­пряжения Щ _тах вторичной обмотки трансформатора. Во второй полупериод, когда полярность напряжения 1/₂ изменяется, напря­жение на обмотке трансформатора суммируется с напряжением на конденсаторе С2 и через диод КХ>5 заряжается конденсатор СЗ до напряжения 1/_Сз= Цгтах+^Ъ" ²#₂тах- Затем при запирании диода УБ5 конденсатор СЗ разряжается на нагрузку, если выключатель 8А1 замкнут, а выключатели 8А2 и БАЗ разомкнуты.

С4

С2

164

а

Дальнейшее повышение напряжения может быть достигнуто за счет увеличения числа каскадов умножения. Напряжение на вы­ходе однополупериодной схеме умножения

6С/

(2.55)

где л_к — число каскадов умножения (обычно задается 3...5); [^ — напряжение вто­ричной обмотки трансформатора, В; /_н —ток нагрузки, 10~³А; С—емкость кон­денсаторов С2...С7, пФ;/—частота сети, Гц.

Технические данные элементов рассмотренного источника пи­тания следующие: ТУ1 — лабораторный автотрансформатор (ЛАТР); ТУ2 — трансформатор для газосветной рекламы типа ТГ-1020К-У2 или автомобильная катушка зажигания типа Б-115; резистор К1 = 40 МОм на 1 Вт; конденсатор С1 = 0,25...2 мкФ типа МБП-1 на 400В; конденсаторы С2...С7= 470пФ типа К15-4 на 30 кВ; диод У1)1 типа Д226Б (два включенных последовательно); тиристор У5 типа КУ202Н; диоды КД2, УОЗ типа Д226Б; диоды УО4... К1)9типа Д1008 (по три включенных последовательно). При последовательном соединении диодов каждый из них необходимо шунтировать высокоомным резистором КЭВ-5 (Л = 470 МОм) для выравнивания напряжения; Л_н = 1...10 МОм — нагрузочный рези­стор; РУ1 — вольтметр; РУ2 — киловольтметр С96; РА — микроам­перметр на 100... 150 мкА.

Источник питания установок электронно-ионной технологии высоковольтный, поэтому при работе с ним нужно соблюдать осо­бые правила техники безопасности. Аппарат согласно схеме дол­жен быть надежно заземлен через клемму «Земля». При отключе­нии аппарата выходные высоковольтные цепи нужно надежно за­землять, так как используемые в схеме высоковольтные конденса­торы представляют собой накопители энергии. Поэтому их следует разрядить во избежание поражения током. Переключать пределы измерений приборов и менять элементы схемы можно только при отключенном питании после заземления высоковольт­ного выхода.