Электрооборудование промышленности (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

,

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Учебно-методическое пособие

Омск – 2006

УДК 62 – 52(075)

ББК 32.98

К56

Рецензенты

, зав. кафедрой физики ТюмНГУ, д. т.н., профессор;

зам. ген. Директора по энергетике Сиб. РЦЦС.

и др.

К56 Электрооборудование промышленности: Учебно-методическое пособие / ,

. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006.

Рассмотрены принципы построения, расчет и проектирование, характеристики и параметры полупроводниковых преобразователей электроэнергии для промышленных установок. Освещены вопросы математического моделирования вентильных преобразователей с использованием программы Electronics Workbench. Приведены варианты домашних заданий, рекомендации по их выполнению. Даются задания по курсовой работе и методические указания по ее выполнению.

Пособие подготовлено на кафедре «Электрическая техника» ОмГТУ, предназначено для студентов специальности 140610 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений», выполняющих курсовую работу по электрооборудованию промышленности, и студентам смежных специальностей, связанных с использованием и разработкой вентильных преобразователей электрической энергии

ВВЕДЕНИЕ

Из всех видов энергии наиболее широкое применение в настоящее время имеет электрическая энергия, сочетающая в себе уникальные свойства: высокую концентрацию мощности при производстве и способность безграничного деления при потреблении, экологичность, плавность регулирования по заданному алгоритму, гибкость применения во всех видах производства. Преобладающая часть электрической энергии производится на тепловых, гидравлических и атомных электростанциях в виде трёхфазного переменного напряжения частотой 50Гц. Переменный ток находит широчайшее применение на промышленных предприятиях, в сельском хозяйстве и быту.

Однако в ряде областей техники нельзя обойтись без постоянного тока или тока нестандартной частоты. Основными потребителями такого тока являются предприятия электрометаллургии и электрохимии, промышленный и транспортный электропривод, линии электропередачи, сварочные и электростатические установки. До недавнего времени в качестве преобразователей тока и частоты применялись преимущественно двигатель-генераторы, имеющие значительную массу и габариты, низкий КПД, большой уровень акустического шума. В настоящее время постоянный ток получают непосредственным выпрямлением переменного тока с помощью полупроводниковых вентилей. Современные выпрямительные агрегаты представляют собой устройства, содержащие непосредственно выпрямитель, систему управления, устройства защиты и охлаждения силовых вентилей. В зависимости от назначения и области применения к выпрямительным агрегатам предъявляют различные требования по выходным параметрам, электрическим показателям, массе и габаритам, стоимости и др.

В предлагаемом учебном пособии рассмотрены вопросы, связанные с изучением, расчётом, математическим моделированием, проектированием и применением вентильных преобразователей электроэнергии в промышленности, что соответствует содержанию дисциплины «Электрооборудование промышленности» в новой образовательной программе подготовки инженера по специальности 181300 («Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений») в рамках направления «Электроника, электромеханика и электротехнологии», утверждённого Министерством образования Российской Федерации. Пособие может быть использовано студентами указанной специальности при курсовом и дипломном проектировании, проработке лекционного материала, в учебно-исследовательских и научно-исследовательских работах, а так же студентами смежных специальностей, связанных с использованием и разработкой полупроводниковых преобразователей электрической энергии.

1.ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СХЕМЫ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ.

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. Необходимость в таком преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным током, а источником электрической энергии является переменный ток, например промышленная сеть частотой 50Гц. Современные выпрямители представляют собой комплектные устройства, содержащие собственно выпрямитель, систему управления, устройства защиты, сигнализации и охлаждения. Их используют для питания электролизных установок цветной и химической промышленности, дуговых вакуумных и графитных печей, установок для электрохимической обработки металлов, регулируемых электроприводов прокатных станов и станков, цеховых сетей постоянного тока, от которых питаются электроприводы, не требующие регулирования подводимого к ним напряжения (табл.1.1.), устройств энергоснабжения и электрической тяги железнодорож-

Таблица 1.1.

Характеристика выпрямительных и преобразовательных установок.

			Регулирование выпрямленного напряжения
Питание электролизных производств Питание дуговых вакуумных печей Питание графитных печей Электрохимическая обработка металлов и гальваностегия Питание электрифицированного транспорта Питание цеховых сетей постоянного тока	12,5…250 12,5…37,5 25…200 0,1…25 0,5…3,2 1…4	75, 115, 150, 300, 450, 600,850 75 150, 300 6, 12, 24, 48 275, 600, 825, 1650, 3300 230, 460	Требуется То же -//- -//- Не требуется То же

ного и городского транспорта, установок контактной сварки, электростатических промышленных установок, электронного оборудования, средств связи, бытовых приборов. Постоянный ток передают по линиям электропередачи на большие расстояния при высоком напряжении.

В качестве преобразователей переменного тока в постоянный используют кремниевые выпрямительные агрегаты, состоящие из трансформаторов, выпрямительных блоков и другого, как правило, комплектного оборудования.

В агрегатах применяется трёхфазная нулевая схема, шестифазная нулевая схема с уравнительным реактором и трёхфазная мостовая схема. Для полупроводниковых агрегатов с выпрямленным напряжением 300В и выше, как правило, используется трёхфазная мостовая схема, а при меньших напряжениях - нулевая схема. Для агрегатов большой мощности в целях создания двенадцати фазного режима выпрямления трансформаторы выполняют с одной первичной и двумя или четырьмя вторичными обмотками. Одну половину вторичных обмоток соединяют в звезду, а вторую половину - в треугольник.

В электролизных установках цветной металлургии и химической промышленности применяют кремниевые выпрямительные агрегаты с номинальным током 12,5 и 25кА. Каждый агрегат состоит из трансформатора, двух или четырёх выпрямительных блоков и другого комплектного оборудования. При выпрямленных напряжениях 75 и 150В используется шестифазная нулевая схема выпрямления, а при напряжениях 300, 450, 600 и 850В трёхфазная мостовая схема. Выпрямительные блоки при нулевой схеме выполняются на номинальный ток 12,5кА, а при трёхфазной мостовой схеме - 6,25кА. В блоках применяются параллельно включенные вентили на номинальный ток 200А. Последовательно с каждым вентилем включен быстродействующий предохранитель. Для электролизных установок выпускаются мощные кремниевые выпрямительные агрегаты на 50кА, 450 и 300В и 63кА на 850В. Выпрямительные агрегаты ДВ1-6300/850Т (номинальный ток 63кА и напряжение 850В) предназначены для алюминиевых заводов и рассчитаны на подключение к сети 20кВ. Большие выпрямительные токи требуют принудительного охлаждения вентилей в процессе работы, которое может быть воздушным, водяным и масляным.

Питание дуговых вакуумных и графитных электропечей постоянным током вместо переменного позволяет обеспечить более устойчивое горение дуги, высокий коэффициент мощности и равномерную нагрузку на сеть переменного тока. Применяются выпрямительные агрегаты, аналогичные агрегатам для электролизных установок на напряжение 75В и токи 12,5 и 37,5кА. Для питания вакуумных дуговых печей используется также параметрические источники тока, особенностью которых является высокая точность стабилизации тока нагрузки при ёмкостном характере коэффициента мощности.

В установках для электрохимической обработки металлов (обезжиривание, травление, электрополировка, размерная обработка) и нанесение различных гальванических покрытий (лужение, оцинковывание, омеднение, никелирование, хромирование и др.) применяют кремниевые преобразовательные агрегаты с низким значением выпрямленного напряжения (табл. 1.1.). Установки требуют регулирования выпрямленного тока в широких пределах, что обеспечивается соответствующим регулированием выпрямленного напряжения. Установки могут работать в режиме автоматического и ручного регулирования как нереверсивные (типа ВАК) и реверсивные (типа ВАКР). Реверсирование постоянного тока ускоряет протекание гальванических процессов и улучшает качество металлопокрытий. Например, выпрямительный агрегат ВАК-100-24-94 имеет диапазон регулирования напряжения 24…12 и 12…3В, диапазон регулирования тока 100…10А при мощности 3,8…2,0кВт. Кроме трансформатора и выпрямительного блока он включает в себя системы управления, зашиты, сигнализации и автоматического регулирования. Охлаждение выпрямителей производится от водопроводной сети или по циркуляционной системе.

Комплектные выпрямительные полупроводниковые подстанции (КВПП) предназначены для питания цеховых сетей постоянным током на напряжение 230В. Их устанавливают в закрытых помещениях с нормальной средой и снабжают отоплением и вентиляцией, при этом вытяжная вентиляция должна быть рассчитана на пятикратный обмен воздуха в течение часа. В комплект КВПП входят: трансформатор, кабельный ввод, выпрямительные шкафы, шкаф управления, защиты и сигнализации, шкаф распределительного устройства. Номинальное напряжение питающей сети подстанции 6 или 10кВ при частоте 50Гц. В настоящее время выпускается серия КВПП на ток 10, 25, 40 и 63кА и напряжение 230В со стабилизацией и без стабилизации выходного напряжения, коэффициент полезного действия равен 96%, коэффициент мощности 0,925. КВПП допускают параллельную работу двух подстанций одного типа на общую нагрузку.

Основным потребителем электроэнергии промышленного электрифицированного транспорта являются электровозы, моторные вагоны, на которых устанавливают двигатели постоянного тока. Подстанции постоянного тока преобразуют переменный ток в выпрямленный постоянный, который подаётся в тяговую сеть (плюс к контактному проводу, минус к ходовому рельсу. Тяговые подстанции промышленных предприятий часто совмещаются с подстанциями для питания силовых потребителей карьеров или цехов предприятий (табл. 1.2). Основным оборудованием тяговых подстанций постоянного тока являются преобразовательные агрегаты, быстродействующие автоматические выключатели для защиты тяговой сети и оборудования подстанций от токов короткого замыкания, специальные устройства для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения и устройства собственных нужд. В качестве преобразователей применяются полупроводниковые выпрямительные агрегаты с воздушным и естественным охлаждением (табл. 1.3), состоящие из шкафов, в которых размещены кремниевые вентили, трансформаторы, быстродействующие автоматические выключатели, устройства защиты и управления, а так же разрядники и защитные контуры. Выпрямительные агрегаты присоединяются с помощью быстродействующих выключателей к общей сборной шине «плюс», и с помощью разъединителей к сборной шине «минус». Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на подстанциях устанавливают сглаживающий реактор.

Таблица 1.2

Классификация тяговых подстанций промышленного транспорта

	Напряжение контактной сети, В	Первичное напряжение питания подстанции, кВ	Назначение подстанции
Постоянный	3300 1650 1200, 1500 440, 220	220, 110, 35 110, 35, 6…10 110, 35, 6…10 6…10	Питание электрифицированного транспорта подъездных и внутри­заводских железных дорог, горно-обогатительных комбина­тов, карьеров и угольных разре­зов Питание внутризаводского элек­трифицированного транспорта, горно-обогатительных комбина­тов, карьеров и угольных разре­зов Питание троллейвозного транс­порта карьеров Питание внутрицехового и шахт­ного электрифицированного же­лезнодорожного транспорта

Для уменьшения отрицательного влияния подстанций на сеть применяют помехоподавляющие резонансные фильтры. Для снижения радиопомех и защиты высокочастотных воздушных линий связи на подстанциях включают конденсаторы ёмкостью 10мкф.

Таблица 1.3

Характеристики кремниевых преобразователей агрегатов промышленного транспорта

Характеристики			ТПЕД-3150-3,3К-У1	ВАКЛЕ-2000/600Н
Номинальное выпрямленное напряжение, В Номинальный выпрямленный ток, А КПД, % не менее Схема выпрямление Габариты, мм Установка	3300 3000 98 шестифазная нулевая 2800*900*2800 Внутренняя	3300 3000 98 мостовая - Внутренняя	3300 3150 99,2 мостовая, шес­ти­фазная, нулевая 1200*1200*2880 наружная	600 2000 97-98 шестифазная нулевая 1300*750*2350 внутренняя

Для питания собственных нужд предусматриваются выпрямительные блоки (токовые и напряжения), обеспечивающие электропитанием оперативные сети быстродействующих выпрямителей, аппараты релейной защиты, сигнализации и управления. Подключение посторонних потребителей к шинам собственных нужд тяговых подстанций не допускается.

Для регулирования скорости механизмов главного движения и подачи металлорежущих станов и станков с числовым программным управлением, изменения частоты вращения и реверсирования валков прокатных станов применяют привод с двигателями постоянного тока. Электротехническая промышленность поставляет комплектные электроприводы серии КТЭ мощностью до 2000 кВт и 2000…12000кВт для питания двигателей постоянного тока. В состав электроприводов КТЭ входит вентильный преобразователь переменного напряжения в постоянное на номинальные напряжения 230, 460, 630, 865, 980В и номинальные токи до 12,5кА, возбудитель на ток 25А и напряжение 0…460В для питания цепей возбуждения машин постоянного тока, системы управления, защиты и сигнализации. Приводы КТЭ на номинальный ток до 0,5кА питаются от сети 380В через трансформаторы, на ток 0,8кА и 1кА от сети 380В через анодные реакторы. Все остальные КТЭ питаются от сети 6 или 10кВ через масляные выключатели. Приводы серий ЭТ3, ЭТ3Р, ЭТ6, ЭТ6Р предназначены для регулирования скорости механизмов движения и передачи металлорежущих станков и других рабочих машин с точностью (5…10)% в широком диапазоне частоты вращения. Силовой вентильный преобразователь переменного напряжения в постоянное, входящий в состав серий ЭТ6 и ЭТ6Р, выполнен по шестифазной нулевой схеме на входную мощность от 1 до 11кВт и напряжения 60, 70 и 90В для питания электродвигателей постоянного тока серий ПБВ и ПГТ и 110, 220В для серий ПБСТ и 2П. Силовой блок и управляющее устройство имеют блочную конструкцию и предназначены для вставки в электрошкаф, расположенный около станка.

В регулируемых электроприводах постоянного тока распространение получили также комплектные вентильные агрегаты АТ и АТР. Эти установки обеспечивают преобразование трёхфазного переменного напряжения частотой 50Гц в регулируемое выпрямленное напряжение и применяются для питания якорных цепей двигателей постоянного тока с номинальным напряжением 230 и 460В и тока от 0,1 до 2,5кА. Охлаждение воздушное естественное в агрегатах на токи 0,1 и 0,2кА и воздушное принудительное в агрегатах на токи 0,32кА и выше.

Источники питания сварочных агрегатов можно разделить на две группы: машинные сварочные преобразователи и полупроводниковые сварочные выпрямители. По сравнению с преобразователями выпрямители более универсальны и надёжны в работе, имеют меньший расход энергии и металлоёмкость, позволяют повысить скорость сварки и качество сварных швов. Сварочные выпрямители весьма многообразны по конструкциям, электрическим схемам и назначению, подключаются к сети 220 или 380В и содержат понижающий сухой трёхфазный трансформатор, выпрямительный блок, пускорегулирующую и защитную аппаратуру. Основными технологическими показателями выпрямителя для сварочной дуги являются внешняя характеристика, напряжение холостого хода, относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения (ПВ) в прерывистом режиме. Критерием оценки динамических свойств служит скорость нарастания напряжения на его зажимах при переходе от режима короткого замыкания к режиму холостого хода. Особенно важно время нарастания напряжения от нуля до значения, достаточного для возбуждения дуги, и время восстановления напряжения. По ГОСТу оно не должно превышать 0,03с. Поэтому выпрямительные агрегаты для дуговой сварки должны:

- иметь напряжение холостого хода в момент зажигания дуги, достаточное для её возбуждения, но не превышающее пределов, опасных для жизни;

- надёжно работать в режимах частых технологических коротких замыканий;

-иметь внешнюю характеристику, соответствующую вольт - амперной характеристике дуги, и иметь достаточную мощность;

- снабжаться сигнальными устройствами для плавного изменения тока;

- соответствовать требованиям удобства эксплуатации и экономичности.

Большинство сварочных выпрямителей имеют крутопадающую внешнюю характеристику и позволяют регулировать ток сварки в широком диапазоне, что даёт возможность поддерживать горение электрической дуги в заданном режиме. Выпрямитель ВСС-300-3 позволяет плавно регулировать сварочный ток от 35 до 350А при двух диапазонах ступенчатого регулирования. Напряжение холостого хода выпрямителя 58…65В, номинальное напряжение 25В. Выпрямитель предназначен для однопостовой ручной дуговой сварки. Аналогичные характеристики имеют выпрямители типов ВКС на токи 120 и 300А, а также типа ВД на 300А. Выпрямители типа ВС предназначены для сварки плавящимся электродом в среде защитных газов, а выпрямитель на токи 500 и 1000А ещё и автоматической сварки под флюсом. Многопостовые сварочные выпрямители для ручной дуговой сварки типов ВКСМ-1000 на 1000А и ВДМ-1600 имеют жёсткие внешние характеристики. Получение падающих характеристик обеспечивается балластными резисторами, поставляемыми комплектно с выпрямителем. Однопостовые универсальные выпрямители типов ВДУ-504, ВДУ-1001 и ВДУ-1601 являются наиболее совершенными источниками сварочного тока и обеспечивают разнообразные сварочные операции.

Среди электростатических промышленных установок широкое применение получили электрофильтры. Достигаемый использованием электрофильтров экономический эффект весьма значителен (улавливаемая пыль часто содержит серебро, медь, никель, цинк и др.), а социально-общественный эффект трудно переоценить, т. к. предприятия энергетической и металлургической промышленности выбрасывают в воздух огромное пыли и всевозможных газов. Например, электрофильтр ДГПН-55-3 очищает от золы 100м3/с дымовых газов при потреблении 83кВт. Источники питания электрофильтров выполняются на максимальное выпрямленное напряжение 80кВ и ток до 2,5А, оформлены в виде

шкафов для установки в подстанциях или вне их возле электрофильтра. Созданы источники питания электрофильтров для очисти воздуха в животноводческих помещениях и на птицефермах с большой запылённостью. Такие агрегаты с номинальным напряжением 7кВ и током 80…100мкА улавливают более 90% пылевых частиц, имея при этом производительность 350…420м3/ч воздуха.

Электропитание средств связи производится со стабилизацией выходного напряжения. Параметры выходной энергии выпрямителей зависят от элементной базы, используемой для построения аппаратуры акого рода. В настоящее

Таблица 1.4

Технические данные источников сварочного тока

Источник сварочного тока	Технические данные
Предел регулирования тока, А	Напряже-ние на дуге, В	Напряже-ние холостого хода, В	Первичное напряжение В	Мощность, кВА	Масса, кг	Габаритные размеры, мм
ВСЖ-303 ВДГ-302 ВС-600 ВДГ-601 ВДУ-504 ВДУ-1001 ВДУ-1601	30…300 50…315 50…315 60…600 100…700 70…500 300…1000 500…1600	- - 16…38 - 18…66 18…50 24…66 26…66	20…40 18…50 30…55 20…40 66 72…78 24…66 26…66	380 220/380 220/380 380 220/380 220/380 380 380	17 20 19 35 67 40 105 165	250 280 275 490 525 380 750 950	560*720*965 710*550*955 1045*748*959 1000*805*1510 1234*868*1081 1275*816*940 950*1150*1850 950*1150*1850

время устройства техники связи реализуются в основном на базе применения транзисторов и интегральных микросхем. Электропитание подобных устройств осуществляется от индивидуальных стабилизированных выпрямителей высокого качества с выходным напряжением в диапазоне от 5В (цифровые микросхемы) до 100В (выходные каскады передатчиков на современных силовых транзисторах).