Источники электромагнитных помех (стр. 3 )

Рисунок 2.3 – Частотный спектр тока в период расплавления (а) и

период рафинирования (б)

Колебания напряжения, создаваемые ДСП делятся на два вида: нерегулярные с частотой до 1 Гц, регулярные (циклические) с частотой от 1 до 10 Гц [9]. Основными причинами нерегулярных колебаний являются неблагоприятные условия зажигания дуг в период расплавления и неустойчивое их горение, короткие замыкания электродов с шихтой в момент пуска печи и при обвалах шихты, обрывы дуг при обвалах, резкие перемещения электродов вследствие коротких замыканий и обрывов дуг. Так как броски тока при нерегулярных колебаниях достигают 100% номинального тока печного трансформатора, то величина размаха нерегулярных колебаний напряжения достигает 7-12%. Причинами возникновения регулярных колебаний являются: действие внешних и внутренних электромагнитных сил, стремящихся вытолкнуть дуги из-под электродов в сторону стенок печи, вибрация электродов и электродержателей, выпрямительный эффект, внезапные изменения проводимости в зоне горения дуг вследствие испарения материалов и другие нарушения более или менее периодического характера.

На рисунке 2.4 приведена спектральная плотность колебаний токов ДСП емкостью 150 т.

На рисунке 2.5 приведены диаграммы изменения напряжения на шинах 110 и 330 кВ подстанций Оскольского металлургического завода, от которых питаются три ДСП емкостью 150 т. В таблице 2.4 приведены дозы фликера напряжения на шинах 110 и 330 кВ Оскольского металлургического завода, замеренные с помощью "фликерметра".

Таблица 2.4 - Дозы фликера напряжения при работе четырех печей ДСП-150 Оскольского металлургического завода

Номер измерения	Режим работы ДСП	Напряжение шин питания, кВ	, о. е.
1-я	2-я	3-я	4-я
1	Н	Р	Р	Р	110	0,98
2	Н	Н	Р	Р	110	0,78
3	Д	Р	Р	Р	110	0,86
4	Д	Р	Н	Н	110	0,74
5	Н	Р	Н	Р	110	0,76
6	Н	Н	Р	-	110	0,72
7	Н	Р	Р	Р	330	0,20
8	Н	Р	Н	Р	330	0,14
9	Р	Н	Н	Н	330	0,13
10	Н	Р	Д	Р	330	0,15

Примечание: Н - печь не работала; Д - печь работала в режиме доводки; Р - печь работала в режиме расплавления.

Большие значения колебаний напряжения создаваемых ДСП, работающих на переменном токе, привели к необходимости перевода этих печей на постоянный ток, к развитию плазменных печей и дуговых вакуумных печей. Ряд крупных печей постоянного тока успешно работает в США, Японии, Германии и других странах. На работают несколько дуговых печей постоянного тока емкостью 10 т. На рисунке 2.6 приведена общая схема дуговой печи постоянного тока с элементами управления.

Рисунок 2.4 – Спектральная плотность колебаний тока ДСП-150

Рисунок 2.5 – Диаграммы колебаний напряжения в сети ОЭМК

Рисунок 2.6 - Схема дуговой печи постоянного тока

Основным видом ЭМП создаваемые дуговыми печами на постоянном токе являются высшие гармоники. Спектр высших гармоник генерируемых этими печами зависит от схемы выпрямления и определяется по выражению:

, (2.2)

где m - число фаз выпрямления;

k - ряд натуральных чисел (k =0, 1, 2 ...).

В зависимости от мощности печей применяются 6-и, 12-и фазные схемы выпрямления. При 6-ти фазных схемах генерируются 5, 7, 11 и 13 гармоники, а при 12-ти фазных – 11, 13, 23 и 25 гармоники.

Действующее значение нечетных гармоник, генерируемых печами постоянного тока, можно определить по следующему приближенному выражению:

. (2.3)

К дуговым печам можно отнести также дуговые плазменные установки и дуговые нагреватели газов. Мощности этих установок находятся в пределах от 0,1 до 8 MB×А, напряжение питания переменное 0,38; 6 и 10 кВ. Наибольшее распространение имеют плазмотроны на постоянном токе с тиристорными источниками питания. На рисунке 2.7 приведена однолинейная схема питания плазматрона с элементами управления. Полный КПД этих установок лежит в пределах 0,93-0,96, коэффициент мощности 0,92-0,95. Они генерируют в сеть высшие гармоники тока, которые определяются по выражениям (2.1)-(2.3).

Электрошлаковые печи разделяются на одно-, двух - и трехфазные. Мощности ЭШП от 0,5 до 10 MB×А, напряжение питания переменное 0,38, 6 и 10 кВ. На рисунках 2.8 и 2.9 приведены однолинейные однофазные и трехфазные схемы питания установок ЭШП. Режим работы ЭШП спокойный с постепенным уменьшением потребляемого тока к концу процесса плавки. Однофазные и двухфазные печи создают в сетях несимметрию напряжения величиной до 4%.

Индукционные электрические печи и установки. Индукционные печи делятся на две разновидности: канальные и тигельные.

Канальные печи могут иметь одну или несколько индукционных единиц. Мощность однофазной индукционной единицы от 01.01.01 кВ×А. В печах большой мощности применяются двухфазные, а также трехфазные индукционные единицы мощностью до 1500 кВ×А. Для канальных печей характерен полунепрерывный или непрерывный режим работы, поэтому они используются главным образом для плавки цветных металлов (меди, алюминия, цинка и их сплавов), в качестве разливочных печей в производстве цветного литья и миксеров для накопления, выравнивания состава и подогрева чугуна. Индукционные канальные печи изготовляются на емкости: от 0,5 т до 35 т для плавки меди и ее сплавов; от 0,2 до 40 т для плавки алюминия; от 0,4 до 150 т для плавки цинка; от 0,5 до 250 т для плавки чугуна (в качестве миксеров). Мощности печей от 01.01.010 кВ×А. Напряжение питания переменное 0,36, 6, 10 кВ. На рисунке 2.10 приведена схема включения индукционного канального миксера.

Графики нагрузки канальных печей с одной индукционной единицей состоят из двух стадий: 1) плавки, 2) ожидания загрузки. Графики нагрузки канальных печей с несколькими индукционными единицами носят импульсный характер.

В - выключатель; Тр - трансформатор тиристорного преобразователя;

ТТ - трансформаторы тока; УВ - управляемый выпрямитель; Lc - сглаживающий реактор; П - плазмотрон; АРТД - автоматический регулятор тока дуги;

БИ - измерительный блок; ФЗУ - формирователь закона управления;

БФИ - блок формирования управляющих импульсов;

УМ - усилитель мощности; СИФУ - система фазоимпульсного управления

выпрямителем; БТЗ - блок тиристорной защиты.

Рисунок 2.7 - Однолинейная схема питания плазматрона с

элементами управления

а – "электрод-поддон"; б – бифилярная с совместным движением электродов;

в – бифилярная с раздельным движением электродов.

1 – электрод; 2 – шлаковая ванна; 3 – капля расплавленного металла;

4 – кристаллизатор; 5 – слиток; 6 – жидкая металлическая ванна.

Рисунок 2.8 - Схемы однофазных установок ЭШП

а – с тремя кристаллизаторами; б – с одним кристаллизатором.

Рисунок 2.9 - Схема трехфазных установок ЭШП

ТП1-ТП4 - электропечной трансформатор ЭОМП-1600/10-72У3;

1ТН-2ТН - трансформаторы напряжения; 1ТТ-8ТТ - трансформаторы тока;

V - вольтметр; А - амперметр; РМ1-РМ4 - реле максимального тока;

В1-В4 - выключатель; С1-С80 - конденсаторы.

Рисунок 2.10 - Схема включения индукционного канального миксера

ИЧКМ-25М1

Индукционные тигельные печи применяются: для плавки стали емкостью

от 0,06 до 6 т, мощность печей от 0,1 до 2,5 MB×A; для плавки чугуна емкостью от 1 до 60 т, мощность печей от 0,4 до 21 MB×A; для плавки алюминиевых сплавов емкостью от 0,4 до 10 т, мощность печей от 0,2 до 2,5 MB×A; для плавки медных сплавов емкостью от 1 до 25 т, мощность печей от 0,35 до 3,3 MB×A.

На рисунке 2.11 приведена однолинейная схема ИТП с симметрирующим устройством.

ПСН - переключатель ступеней напряжения; Сс, L - емкость и индуктивность симметрирующего устройства; ПТ - печной трансформатор;

ТН - трансформатор напряжения; И - индуктор; С – нерегулируемая

конденсаторная батарея; С1, ... , Сn - регулируемая конденсаторная батарея;

К1, ... , Кn - конденсаторы; АРИС - регулятор симметрирующего устройства;

АРИР - регулятор режима печи.

Рисунок 2.11 - Однолинейная схема ИТП с симметрирующим устройством

Печи для плавки стали работают на частоте от 500 до 10000 Гц с питанием от машинных или тиристорных преобразователей (рисунок 2.12), остальные печи работают на частоте 50 Гц. Напряжение питания всех печей переменное 0,36; 6 или 10 кВ.

Индукционные печи вносят в сеть следующие виды электромагнитных помех: отклонения напряжения, несимметрию токов и напряжений. Индукционные печи с несколькими индукционными единицами создают, кроме того колебания и провалы напряжения, а высокочастотные индукционные печи вносят в сеть несинусоидальность токов и напряжений. Величина тока нечетных гармоник, генерируемых этими установками, определяется по выражению:

.

При шестифазной схеме преобразователя они генерируют n = 5, 7, 11, 13.

Все индукционные печи обладают весьма низким естественным коэффициентом мощности, поэтому большинство индукционных печей выпускаются в комплексе с конденсаторными батареями, а крупные индукционные печи выпускаются в комплекте с симметрирующими устройствами.

Дальнейшим развитием индукционных канальных печей явились магнитодинамические насосы (МДН) и установки (МДУ), которые позволяют повысить эффективность плавки металла за счет электромагнитного перемешивания и производить транспортировку и заливку металла с помощью электромагнитных насосов. На рисунке 2.13 и таблице 2.5 приведены схемы питания МДУ и МДН. Принцип работы этих установок подробно рассмотрен в [4]. Напряжение питания всех МДН и МДУ установок переменное 330/220 В. Графики нагрузки МНД приведены в [4, 36], они состоят из базисной части создаваемой индукторами, на которую накладываются импульсы тока от электромагнита. Продолжительность импульсов, создаваемых электромагнитом составляет от 3 до 15 с. Частота следования импульсов распределяется по экспоненциальному закону распределения, что позволяет отнести случайные графики МДН к классу стационарных эргодических процессов. Основными видами ЭМП создаваемыми МДН являются отклонения, провалы, несинусоидальность и несимметрия напряжения.

1 - выпрямитель; 2 - блок реакторов; 3 - инвертор; БП - блок пуска;

АВ - автоматический выключатель;

L - сглаживающий реактор; И - индуктор; Ск - конденсаторная батарея.

Рисунок 2.12 - Схема питания индукционной печи повышенной частоты

Индукционные нагревательные и закалочные установки.

Для питания некоторых электротехнологических установок, например предназначенных для индукционного нагрева и закалки, требуются токи повышенной и высокой частоты от нескольких сотен Гц до нескольких МГц.

Генерирование токов повышенной частоты от 250 Гц до 10 кГц при мощности до нескольких МВт в настоящее время во всех ведущих странах мира осуществляется почти исключительно тиристорными преобразователями частоты [8]. Благодаря более высокому их КПД (0,92-0,97) по сравнению с КПД применявшихся ранее электромашинных преобразователей достигается экономия 20-25%

электроэнергии. Дополнительную экономию обеспечивают отсутствие фундамента, более низкие эксплуатационные затраты и расходы по техническому обслуживанию.

Таблица 2.5 - Схемы питания электромагнитных систем индуктора и электромагнита

Рисунок 2.13 - Схема питания трех МДУ

 

Область частот от 10 кГц до 100 кГц практически не использовались из-за отсутствия приемлемых источников питания. Для генерирования частот выше 100 кГц до настоящего времени используются ламповые генераторы мощностью от нескольких сотен Вт до 600 кВт и выше [8].

Благодаря созданию новых полностью управляемых полупроводниковых приборов, таких, как силовые полевые транзисторы (МДПТ) и силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ), сейчас открылись новые возможности для разработки полупроводниковых генераторов в диапазоне частот от 10 кГц до нескольких МГц. По сравнению с тиристорными преобразователями частоты они имеют более низкие потери управления и допускают более выгодные режимы работы. Преимуществами таких транзисторных генераторов перед ламповыми генераторами являются: более высокий КПД (более 90 % у транзисторных, около 50% у "классических" и 70 % у апериодических ламповых генераторов); меньшие размеры (от 1/3 до 1/10); почти неограниченный срок службы силовых транзисторов (при сроке службы генераторных ламп от 4000 до 6000 часов); меньший расход охлождающей воды; более низкие эксплуатационные расходы; низкое рабочее напряжение; постоянная готовность к работе.

Тип полупроводникового прибора (тиристор, МДПТ или БТИЗ), схемное решение и принцип управления в значительной мере определяют достижимую частоту и КПД преобразователя частоты. Рисунок 2.14 дает представление о частотах и мощностях, достигнутых в настоящее время при использовании различных установок.

Рисунок 2.14 - Рабочие области частоты и мощности генераторов

Свойства полупроводниковых приборов, применяемых в преобразователях частоты, оказывают влияние на выбор схемы и режима работы. От тиристоров, применение которых определяется главным образом временем выключения, силовые МДПТ и БТИЗ отличаются следующими свойствами:

- возможность выключить транзисторы непосредственно из активного режима позволяет реализовать работу инвертора как с емкостным, так и с индуктивным рассогласованием;

- неспособность силовых МДПТ и БТИЗ блокировать обратное напряжение требует, если они не работают в резонансном режиме, последовательного включения быстродействующего диода;

- использование внутреннего обратного диода МДПТ, встроенного в его структуру, из-за низкого быстродействия не всегда возможно;

- высокие допустимые значения скорости нарастания тока di/dt и напряжения du/dt обостряют проблемы защиты и влияния на питающую сеть;

- малые времена переключения позволяют работать на высоких частотах.

Предпочтительными схемами для генерирования повышенной и высокой частоты при помощи полупроводниковых приборов являются параллельные и последовательные резонансные инверторы. Тиристорные инверторы могут работать только с емкостным рассогласованием; транзисторные инверторы - также с индуктивным рассогласованием и даже в резонансном режиме.

По большинству критериев, приведенных в [45] для параллельного и последовательного резонансных инверторов, отдать предпочтение следует параллельному. Хотя регулирование его мощности требует дополнительных затрат, он имеет преимущества по использованию силовых приборов и поведению при аварии.

Для питания установок индукционного нагрева для сварки, отжига, закалки и специальных задач перспективными являются ВЧ генераторы на базе силовых МДПТ. Область их рабочих частот от 50 до 300 кГц при мощностях от нескольких кВт до 1200 кВт [45].

На рисунке 2.15 показана блок-схема ВЧ генератора с параллельным резонансным инвертором на базе силовых МДПТ.

При мощностях до 100 кВт ВЧ генераторы часто выполняются с неуправляемым входным выпрямителем и транзисторным прерывателем постоянного тока во входной цепи (рисунок 2.16). При этом для генерирования ВЧ колебаний используется двухтактная схема инвертора.

Расширяется использование для питания установок индукционного нагрева для отжига, закалки и специальных задач ВЧ генераторов на базе силовых БТИЗ в области частот от 10 до 60 кГц при мощностях от 30 кВт до нескольких сотен кВт. На рисунке 2.16 показана для примера блок-схема такого ВЧ генератора с параллельным инвертором на базе БТИЗ с регулированием мощности при помощи прерывателя постоянного тока на базе МДПТ во входной цепи. Управление и защита выполняются так же, как у ВЧ генераторе на базе силовых МДПТ.

Рисунок 2.15 - Блок-схема ВЧ транзисторного генератора для

индукционного нагрева на базе силовых МДПТ

Поскольку БТИЗ, как и МДПТ, являются управляемыми напряжением полупроводниковыми приборами, затраты на управление транзисторным преобразователем частоты ниже, чем тиристорным. Ожидается, что параллельные резонансные инверторы на базе БТИЗ заменят тиристорные преобразователи в области частот выше 1000 Гц и что скоро их будут применять при частотах до 100 кГц. Возможность параллельного включения резонансных инверторов позволяет достичь мощности нескольких МВт. Инвертор на базе МДПТ охватит область частот от 100 кГц до 1 МГц.

Рисунок 2.16 - Блок-схема высокочастотного транзисторного генератора для индукционного нагрева на БТИЗ

Разработка полупроводниковых ВЧ генераторов частотой выше 1 МГц завист от дальнейшего развития статических индукционных транзисторов (СИТ).

Тиристорные преобразователи частоты применяются прежде всего для питания установок индукционного нагрева под горячую деформацию (кузнечный нагрев) с частотой от 500 до 4000 Гц при мощностях от 01.01.01 кВт и для питания индукционных установок закалки и отжига с частотой 10 кГц и с мощностью от 60 до 250 кВт.

Блок-схема "классического" тиристорного преобразователя частоты для индукционного нагрева приведена на рисунке 2.17. Управляющее устройство 4 управляемого выпрямителя 1, собранного по трехфазной мостовой схеме, обеспечивает стабилизацию напряжения на нагрузке и ограничения рабочих токов.

При мощностях приблизительно до 500 кВт возможно прямое подключение преобразователя частоты к низковольтной питающей сети. Для больших мощностей рекомендуется подключение через трансформатор к сети среднего напряжения. Чтобы уменьшить влияние на питающую сеть, иногда применяют двеннадцатифазные выпрямители. При подключении нескольких трансформаторов к одной сети группы соединения их обмоток могут быть выбраны таким образом, чтобы получить двенадцатифазную схему. Для обеспечения европейских стандартов защиты от радиопомех необходимы кроме того сетевые входные фильтры.

1 - выпрямитель; 2 - инвертор; 3 - колебательный контур нагрузки;

4 - управление выпрямителем; 5 - управление инвертором;

6, 7 - пусковые устройства.

Рисунок 2.17 - Схема питания закалочной установки от

тиристорного преобразователя частоты

Регулирование режима преобразователя частоты может выполняться с помощью микроЭВМ, которая часто используется для управления процессом.

Современные ламповые генераторы (ЛГ) для электротехнологических процессов охватывают диапазон частот 0,44-27 МГц и диапазон мощностей 20-2000 кВт. Обычно ЛГ содержит линейную электрическую цепь с нелинейным элементом (триод, тетрод или пентод). Применение схем с самовозбуждением дает наилучшие результаты при работе ЛГ на электротехнологические установки.

Однако существуют жесткие стандарты на отклонение частоты ЛГ от номинального значения, и необходимость их соблюдения вынуждает проводить тщательный выбор схемы ЛГ и ее параметров.

Схемы ЛГ содержат следующие основные элементы: лампа, колебательный контур, цепь обратной связи (ОС). Схемы ЛГ могут быть сведены к одноконтурной (рисунок 2.18) и двухконтурной (рисунок 2.19) схемам.

На рисунке 2.20 приведена схема питания индукционной нагревательной установки от лампового генератора.

Рисунок 2.18 - Одноконтурная схема лампового генератора