Электротермические процессы и установки. Учебное пособие по теоретическому курсу. Учебное пособие по теоретическому курсу Под ред. В. Н. Тимофеева, Е. А. Головенко, Е. В
 Скачать 7.73 Mb.
|
При сквозном нагреве используют обычносоленоидные многовитковые индукторы. Обмотку индуктора изготавливают из медной водоохлаждаемой трубки или медной шинки. В установках средней частоты используют однослойные обмотки, а в установках промышленной частоты обмотка может быть как однослойной, так и многослойной. Это связано с возможным уменьшением электрических потерь в индукторе и с условиями согласования параметров нагрузки и с параметрами источника питания по напряжению и коэффициенту мощности [38]. Для обеспечения жесткости катушки индуктора чаще всего применяют ее стяжку между торцовыми асбоцементными плитами. Иногда вместо этого используют крепление витков индуктора к продольным текстолитовым, гетинаксовым или деревянным брускам с помощью латунных шпилек. Между катушкой индуктора и нагреваемой загрузкой размещают электрическую и тепловую изоляцию индуктора. Чем меньше зазор между индуктором и загрузкой, тем выше электрический КПД, однако, из-за малой толщины теплоизоляции уменьшается тепловой КПД. Чем выше температура нагрева и соответственно относительно больше тепловые потери, тем большим принимается зазор между индуктором и загрузкой. Тепловая изоляция, снижая тепловые потери, должна одновременно уменьшить температуру электрической изоляции индуктора до допустимой величины. Тепловая и электрическая изоляции индуктора должны надежно работать при имеющих место больших температурных перепадах по толщине, частых теплосменах, высоких скоростях нагрева и остывания. Для механической защиты теплоизоляции нередко ее наматывают на трубу из нержавеющей стали с продольным разрезом для предотвращения наведения в ней вихревых токов. 235 Витки индуктора, работающего на промышленной частоте, испытывают значительные электродинамические усилия, вызывающие их вибрацию. Электродинамические усилия пропорциональны квадрату напряженности поля. Так как размеры тел, нагреваемых на частоте 50 Гц, относительно велики, полные усилия достигают десятков килоньютонов. Эти усилия, имеющие постоянную составляющую и переменную с частотой 100 Гц, действуют как на обмотку индуктора, так и на магнитопроводы и нагреваемые тела. Обмотки испытывают разрывающие радиальные и сжимающие осевые усилия. Вибрация обмоток под действием динамических сил приводит к разрушению тепловой и электрической изоляции и паяных соединений, создает шум. В трехфазных нагревателях, кроме электродинамических сил от пульсирующего поля, появляются осевые силы от бегущего поля. Крепление индуктора, его электро- и теплоизоляция в этих случаях должны выбираться с учетом вибрационных нагрузок. В установках промышленной частоты обычно применяют внешние магнитопроводы для защиты от магнитного поля механизмов и каркаса с декоративным кожухом, в котором установлен индуктор, а также для повышения коэффициента мощности и КПД. Магнитопроводы, как правило, не насыщенные и используют одновременно для крепления индуктора и придания жесткости всей конструкции нагревателя. Методика расчета режима установки с магнитопроводом отличается от традиционных методов расчета электрических машин, работающих в режимах, близких к насыщению. В коротких индукторах или при нагреве магнитной загрузки магнитопроводы способствуют некоторому повышению энергетических показателей системы индуктор – загрузка. Для внешних индукторов с длиной, большей диаметра, влияние магнитопровода на энергетические параметры, особенно на КПД, мало. Несмотря на общность теории расчета и проектирования обмоток /44/ индукционных устройств, а также применения методов теории электрических машин, разработка установок индукционного нагрева отличается рядом особенностей. Существенные особенности имеются при проектировании обмоток индукторов. Для однослойных обмоток применяют трубчатые проводники со смещенным отверстием круглого или прямоугольного сечения. Когда витки не укладываются в один слой, используют двухслойные и трехслойные конструкции. В отдельных случаях применяют многослойные соленоидные индукторы с параллельным соединением секций. Это позволяет повысить электрический КПД, однако существенно усложняет изготовление и эксплуатацию индуктора. Иногда для усиления нагрева два слоя витков выполняют лишь в торцовых частях индуктора. Потери в многослойной обмотке [24] зависят от ее конструкции и при 236 правильном выборе токопроводов могут быть значительно меньше, чем в однослойной. Очевидно, что простым увеличением сечения индуктирующего провода повысить КПД затруднительно, потому, что ток в индукторе распределяется неравномерно по сечению проводника благодаря поверхностному и кольцевому эффектам. Решить эту проблему можно, сделав намотку катушки из нескольких концентрических слоев [24]. Применяя для намотки индуктора медную шинку, можно добиться равномерного распределения плотности тока по сечению провода, чем в конечном итоге, улучшить энергетические характеристики устройства [25]. Конструкция индуктора во многом определяется схемой силового питания, которая в свою очередь зависит от частоты питающего напряжения (промышленная или средняя) и количества фаз нагрузки (однофазная, двухфазная или трехфазная). Установки большой мощности обычно делают в трехфазном исполнении, чтобы обеспечить равномерную загрузку цеховой сети. Кроме того, установки выполняют с совмещенными и разнесенными фазами. В первых, - индукторы отдельных фаз располагают в стык друг к другу, что обеспечивает большую компактность установки. У вторых, - в промежутках между индукторами располагают механизмы для перемещения слитков [14, 21]. При проектировании трехфазных индукторов приходится кроме равномерности загрузки фаз обеспечивать равномерность теплового поля по сечению нагреваемого слитка. Для этого индукторы располагают друг за другом с возможно малым осевым зазором, чтобы уменьшить провал кривой распределения удельной мощности в загрузке в зоне стыка. Провал мощности зависит и от сдвига фаз токов в соседних обмотках, от зазора между ними, от длины обмоток, от характера нагрузки и наличия магнитопровода. Так, например, уменьшения провала мощности удается добиться, уменьшив сдвиг фаз в соседних обмотках со 120 до 60 град. путем инверсного включения средней обмотки (рис. 3.41, а). На основании вышесказанного можно сделать заключение, что важнейшим элементом установки сквозного индукционного нагрева является обмотка индуктора, конструкция которой в основном определяет физические процессы в электромагнитной системе индукционного нагревателя и технические характеристики и энергетические показатели процесса термообработки. 3.4.6 Схемы силового электропитания установок индукционного нагрева Установки индукционного нагрева в зависимости от их назначения, мощности, а также мощности системы электроснабжения выполняют с различными схемами электропитания. Схему выбирают по условию 237 согласования параметров нагрузки (индукционного нагревателя) с параметрами источника питания по напряжению и коэффициенту мощности. Приемлемость варианта схемы определяется, в конечном счете, результатами технико-экономического анализа. Схемы силового питания установок индукционного нагрева представлены на рис. 3.42. Наиболее распространенной схемой питания индукционных нагревателей промышленной частоты является схема, показанная на рис. 3.42, а. В этой схеме резонансный контур индукционной установки, состоящей из индуктора И и компенсирующей батареи конденсаторов С К (БК), подключен к сети через трансформатор Т (или автотрансформатор), имеющий несколько ступеней вторичного напряжения, а БК С К имеет регулируемую часть для подстройки контура в процессе нагрева. Индукционный нагреватель здесь является однофазной нагрузкой для питающей сети. Трансформатор в схеме рис. 3.42, б может быть нерегулируемым, а мощность индукционного нагревателя можно регулировать с помощью специального тиристорного выключателя – регулятора ВР. На практике для согласования напряжений применяют автотрансформаторную схему (рис. 3.42, в). В автотрансформаторной схеме напряжение источника питания подают на часть витков индуктора И, а компенсирующую БК С К подключают к выводам индуктора И, то тесть на полное число витков (рис. 3.42, в). За счет автотрансформаторного эффекта напряжение на индукторе и на конденсаторной батарее будет больше, чем напряжение источника питания [43]. Схема силовой установки индукционного нагревателя с вольтодобавочным трансформатором ВТ показана на рис. 3.42, г. Первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора подключена к сети, а вторичная обмотка соединена последовательно с резонансным контуром индукционного нагревателя. Такую схему применяют, как при непосредственном включении резонансного контура на сетевое напряжение (см. рис. 3.42, г ), так и при питании контура через промежуточный трансформатор или автотрансформатор. Включая вольтодобавочный трансформатор согласно или встречно с сетевым напряжением, получают широкий диапазон изменения напряжения: д с U U U к ± = , где c U – напряжение сети или первичного трансформатора; д U – напряжение на вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора, которое изменяют путем изменения числа витков вторичной обмотки. Встречаются силовые установки индукционных нагревателей, построенные по автотрансформаторной схеме с использованием вольтодобавочного трансформатора (рис. 3.42, д ). 238 Для установок индукционного нагрева с однофазными индукционными нагревателями большой мощности применяют трехфазные печные трансформаторы с симметрирующими устройствами, которые предназначены для равномерного распределения однофазной нагрузки по трем фазам питающего напряжения. Наиболее распространено симметрирующее устройство по схеме Штейнмеца (рис. 3.42, е ) [43]. Эту схему используют также с нерегулируемым трансформатором и с выключателями – регуляторами (рис. 3.42, ж ). На рис. 3.42, з представлена схема трехфазного индукционного нагревателя промышленной частоты. Каждый индуктор подключен к линейному напряжению через вольтодобавочный трансформатор по автотрансформаторной схеме. Индукционные установки повышенной частоты подключают к таким источникам питания (ИП), как электромашинным или статическим преобразователям частоты. И T С К T ВР И К С а б И К С x T a A X И К С в г x a A X И T 2 T К С СУ T И С К д е 239 ВР ВР СУ T И С К ж B C A x a С К3 T 3 X A x a И 2 T 1 X A С К2 T 2 X A x a С К1 И 3 И 1 з Рис. 3.42 − Принципиальные схемы силовых установок индукционных нагревателей промышленной частоты Схема питания индукционного нагревателя от электромашинного преобразователя частоты показана на рис. 3.43, а . Установка состоит из электродвигателя Д на общем валу с генератором повышенной частоты Г. Регулирование напряжения генератора и мощности, потребляемой индукционным нагревателем, в этом случае выполняют изменением тока возбуждения обмотки ОВ генератора. В схеме на рис. 3.43, б в качестве источника питания используется статический преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока. Резонансный контур индукционного нагревателя подключен к сети через выпрямитель В, разделительный дроссель Др и инвертор, в котором постоянный ток преобразуется в переменный заданной частоты с возможностью ее регулирования. Конденсаторная батарея при этом не требует регулирования, поскольку контур настраивают изменением рабочей частоты статического преобразователя. При использовании токов высокой частоты, также, как и для промышленной частоты, применяют схемы согласования параметров источника питания с параметрами нагрузки (рис. 3..44). Наиболее простой является схема, показанная на рис. 3.44, а , применяемая в том случае если выходное напряжение ИП соответствует напряжению нагрузки. Схему на рис. 3.44, б применяют в том случае, когда напряжение источника питания меньше напряжения нагрузки. В противном 240 случае применяют схему на рис. 3.44, в . Для согласования низковольтного ИП с высоковольтной нагрузкой применяют схему на рис. 3.44, г . Схему, показанную на рис. 3.44, д используют для согласования низковольтного ИП и низковольтного индуктора при наличии высоковольтной компенсирующей батареи. Для согласования низковольтного ИП с высоковольтной нагрузкой при использовании низковольтной компенсирующей батареи применяют схему на рис. 3.44, е В каждом конкретном случае при проектировании установок индукционного нагрева выбирают силовые схемы электропитания и настройку колебательного контура, наиболее полно соответствующие изменяющимся параметрам нагрузки в ходе всего процесса нагрева, что позволяет существенно улучшить технические и энергетически показатели работы установок индукционного нагрева. В процессе согласования параметров загрузки с параметрами источника питания с помощью одной из представленных схем кроме сложных физических явлений в системе «индуктор − загрузка» необходимо учитывать степень использования оборудования, графики нагрузок, расход электроэнергии, работу вспомогательного оборудования и ряд других факторов, определяющих энергетические показатели индукционной установки. Решение о целесообразности использования той или иной силовой схемы электропитания индукционной установки принимают после изучения перечисленных данных и технико-экономического обоснования. ОВ М С И Г Ин С И = = Др В а б Рис. 3.43. Схемы силовых установок индукционных нагревателей повышенной частоты i(t) ППЧ К С И u(t) i(t) ППЧ К С И u(t) 241 а б К С T u(t) ППЧ i(t) И i(t) ППЧ К С И u(t) в г К С T ППЧ u(t) i(t) И i(t) ППЧ Р С И u(t) К С д) е) Рис. 3.44. Типовые схемы силовых полупроводниковых установок индукционных нагревателей повышенной частоты 3.4.7 Требования к индукционным установкам сквозного нагрева Индукционный метод сквозного нагрева имеет ряд преимуществ по сравнению с пламенными печами или печами сопротивления. Эти преимущества обусловливают основные требования по совершенствованию характеристик УИН: 1. Основным требованием является необходимость обеспечение технологических условий нагрева загрузки. Например, равномерность нагрева по радиусу и по длине, либо заданная неравномерность теплового поля по длине для градиентного нагрева. В трехфазных УИН длина индуктора методического действия может превышать величину 3 м. Длина слитков может варьироваться в широких пределах. Каждая партия слитков может быть разной длины. Согласно технологическим требованиям перепад температуры по длине загрузки не должен превышать 150 ° С. Короткие и длинные слитки должны быть прогреты равномерно, вне зависимости от их расположения в каждой секции индуктора и от интенсивности подачи заготовок в пресс. 242 2. Установка индукционного нагрева должна обладать высокими энергетическими показателями. При нагреве цилиндрической загрузки в продольном магнитном поле токов промышленной частоты энергетические параметры УИН зависят от диаметра и материала слитков, а также температуры нагрева. Так, например, электрический КПД индуктора при нагреве алюминиевой или медной загрузки диаметром более 50 мм может достигать 40 %, а при нагреве стальной загрузки до 600 ° С – величины 85 %. Конструкция индуктора и схема его включения в каждом случае должна обеспечивать лучшие энергетические показатели. 3. Мощности современных УИН весьма существенны, поэтому установки могут стать причиной несимметричного режима питающей сети, вследствие неравномерного распределения нагрузки по фазам. Особенно сильно искажение симметрии проявляется при однофазном исполнении нагревателей. Поэтому для несимметричной нагрузки необходимо принимать технические решения для ограничения коэффициента несимметрии токов в установленных пределах. Согласно ГОСТ 13109 − 97 коэффициент несимметрии не должен превышать 4 %. 4. Индукционные установки являются сложным и высокоэнергоемким электротехнологическим оборудованием. Поэтому для повышения надежности УИН необходимо максимальное упрощение ее конструкции. Например, для охлаждения индуктора всегда предпочтительней применение принудительного охлаждения, даже при увеличении единовременных капитальных вложений на изготовление установки. Поэтому следует использовать водяное охлаждение и обеспечить соответствующую конструкцию индукционного нагревателя. 5. Уменьшение длительности нагрева при сохранении приемлемого качества и предотвращении опасности аварийного плавления слитков внутри индуктора – весьма важное требование, обусловленное увеличением производительности установки в целом и повышением ее надежности. При суммарном времени в 250 секунд для одного цикла прессования коротких слитков, сокращение времени нагрева со 160 до 132 секунд приводит к увеличению производительности на 15 %. Кроме перечисленных требований технологии нагрева и энергетических показателей существуют вопросы, связанные с обеспечением ремонтопригодности, постоянной готовности к работе, рационального конструирования и автоматизации, высоких показателей использования материалов, удовлетворительных санитарно-гигиенических характеристик и др. В настоящей работе рассмотрено решение важнейших вопросов из перечня: повышения качества нагрева, улучшения технических характеристик и энергетических показателей установок индукционного нагрева. |