yandex.metrica
Переплавные процессы

Электрооборудование индукционных тигельных печей

Электрическая цепь индукционных тигельных печей состоит из источника питания 1, соленоида 2 и емкости 3 (рисунок 1).

Схема электрической цепи индукционных тигельных печей
Рисунок 1 – Схема электрической цепи индукционных тигельных печей

Соленоидом является индуктор печи, который относится одно­временно и к ее механическому оборудованию. Поэтому конструк­ция индуктора будет рассмотрена позже.

Источники питания

В зависимости от емкости и назначения индукционные тигельные печи питают токами различ­ной частоты — от 500 до 1000000 Гц. Для промышленных печей емкостью от нескольких сот килограммов и до нескольких тонн наиболее часто используют токи частотой 500— 10000Гц, печи ем­костью более 6т могут питаться токами промышленной частоты (50Гц), а небольшие промышленные и лабораторные печи требуют питания токами весьма большой частоты Источниками питания индукционных печей токами высокой частоты служат преобразователи частоты — высокочастотные генераторы. В настоящее время пользуются главным образом генера­торами двух видов — ламповыми и машинными преобразователями.

Генератором высокочастотных колебаний в ламповом преобра­зователе является колебательный контур, широко используемый также в радиопередающих и принимающих устройствах (рисунок 2).

колебательный контур
Рисунок 2 – Колебательный контур

Если к такому контуру, содержащему индуктивность L и ем­кость С, подвести напряжение и зарядить обкладки конденсатора, а затем замкнуть рубильник, то конденсатор начнет разряжаться и в контуре появится ток. При прохождении тока через индуктив­ность в момент его нарастания в ней создается запас энергии, про­тиводействующий изменению силы тока. После разрядки конденса­тора этот запас поддерживает ослабевающую силу тока в контуре, вследствие чего обкладки конденсатора вновь заряжаются, но при этом получают обратную полярность. Конденсатор вновь разря­жается и в контуре периодически протекает ток одного или проти­воположного направления.

Частота тока в контуре, т. е. частота собственных колебаний контура, зависит от соотношения активного сопротивления, индук­тивности и емкости и определяется выражением

формула

В колебательном контуре величина R много меньше величины L, поэтому последним членом в предыдущем уравнении  можно пренебречь. Тогда

формула

Меняя величины L и С, можно в широких пределах изменять частоту колебаний.

Собственные колебания контура являются затухающими, так как энергия конденсатора постепенно превращается в тепловую и выделяется в активном сопротивлении.

Чтобы колебания контура превратить в незатухающие, в него необходимо периодически подводить энергию, т. е. подзаряжать контур. Такую подзарядку осуществляют при помощи генераторной лампы — триода, включенной в цепь контура (рисунок 3).

Схематическое изображение лампового генератора
Рисунок 3 – Схематическое изображение лампового генератора

Цепь в лампе между анодом и катодом замыкается электронами, испускаемыми нагретым катодом. Цепь будет замыкаться лишь в том случае, если на сетке, расположенной между катодом и анодом,
потенциал будет положительным. В противном случае эмиттированные катодом электроны будут отбрасываться полем сетки обратно к катоду. Таким образом, управляя потенциалом на сетке, можно регулировать силу тока в цепи лампы и колебательного контура.

Импульсы питающего тока должны быть согласованы по фазе с колебаниями контура. Это обеспечивается тем, что на сетку по­дается потенциал с частотой собственных колебаний контура. В при­веденной на рисунке 3 схеме для этого служит индуктивность L2, связанная по принципу трансформатора с индуктивностью контура. Такую связь контура с цепью сетки называют обратной связью, так как через нее одна часть схемы воздей­ствует на другую.

Поскольку генераторная лампа пропускает ток только в одном напра­влении, ее целесообразно питать выпрямленным током от ламповых выпрямителей, питаемых в свою оче­редь трехфазным током от высоко­вольтного трансформатора напряже­нием 10— 13 кВ. Чтобы использовать оба полупериода питающего тока, ставят два блока выпрямителей, по­дающих на лампу выпрямленное на­пряжение обоих полупериодов последовательно из каждой фазы.

В настоящее время выпускают генераторные лампы мощностью до 100 кВт. Если мощность установки требует установки нескольких ламп, то их включают параллельно. Число ламп в установках обычно не превышает четырех.

Срок службы генераторных ламп составляет примерно 1000ч работы. Коэффициент полезного действия их равен примерно 80%.

Машинные преобразователи

Для питания ин­дукционных печей применяют машинные генераторы двух типов: обычные синхронные и индукторные.

Частота тока, вырабатываемого обычным синхронным генера­тором, зависит от числа пар полюсов обмотки возбуждения р и числа оборотов ротора п и определяется по формуле:

формула

Число пар полюсов ограничивается трудностью исполнения обмотки, скорость вращения ротора — возникновением больших центробежных сил. Поэтому такие генераторы используют для получения токов частотой до 1000Гц. Токи частотой более 1000 Гц (до 10 000Гц) получают при помощи машинных генераторов индук­торного типа.

Генератор этого типа отличается тем, что обе обмотки— и об­мотка возбуждения и рабочая обмотка — размещены в статоре, а на роторе обмоток не имеется. Ротор собирают из фигурных пластин электротехнической стали таким образом, что в собранном виде на его поверхности образуются чередующиеся продольные выступы и впадины.

Обмотка возбуждения питается постоянным током и создает постоянное по величине и по направлению магнитное поле. При вра­щении ротора против пазов обмотки возбуждения поочередно оказываются зубцы и впадины и магнитные силовые линии замыкаются то по ротору, то по воздуху, в результате чего образуется пульсирующее магнитное поле.

Под действием этого поля в рабочей обмотке наводится изме­няющаяся по величине и направлению э.д.с., частота изменений которой определяется выражением:

формула

Сопоставление уравнений  показывает, что поскольку в генераторах индукторного типа значительно легче изготовить ротор с большим числом зубцов, чем расположить у синхронного генератора такое же число пар полюсов в обмотке возбуждения, в них можно генерировать токи значительно более высокой частоты. Но при сравнительно низкой частоте (до 1000 Гц) синхронные генераторы оказываются более экономичными, поэтому генераторы  индукторного типа применяют только в установках более высокой  частоты.

Ротор машинного генератора приводится во вращение трехфаз­ным асинхронным двигателем, выполняемым либо в отдельном кор­пусе, либо заодно с корпусом генератора. Чтобы различать конструк­тивное исполнение, агрегаты с обособленным приводным электро­двигателем принято называть генераторами, а со встроенным эле­ктродвигателем — преобразователями.

К.п.д. современных машинных генераторов достаточно высок и составляет 80—90%.

Конденсаторы

Уже отмечалось, что вследствие значи­тельного зазора между индуктором и садкой индукционная тигель­ная печь обладает большой индуктивностью, снижающей общий сos φ. Для компенсации индуктивной мощности индуктора уста­новки тигельных печей снабжают конденсаторами, которые, будучи включенными в цепь печи, служат источниками, покрывающими безваттную мощность печи.

Так как самоиндукция создает положительный сдвиг фаз (сила тока отстает от величины напряжения), а емкость — отрицательный (сила тока опережает величину напряжения), то при равенстве ин­дуктивного и емкостного сопротивлений сдвига фаз не будет, кривая изменения силы тока совпадает с кривой изменения величины напря­жений и сos φ = 1.

Это условие соблюдается автоматически в контуре со свободными колебаниями, поэтому в установках с ламповым генератором сos φ всегда равен единице. В установки же, питаемые от машинных гене­раторов, для равенства индуктивного xL и емкостного сопротивле­ний хс необходимо включать конденсаторные батареи. Так как xL = ωL, а хс = 1/ωС, то сos φ = 1 при ωL = 1/ωС, где ω — угловая частота, равная ω = 2πf. Отсюда

формула

и потребная емкость конденсатора:

формула

Емкость конденсатора зависит от величины поверхности обкла­док S, расстояния между обкладками d и свойств диэлектрика, заполняющего пространство между обкладками, а именно от его
диэлектрической проницаемости εn. В простейшем случае (плоский конденсатор с двумя обкладками) емкость конденсатора равна

формула

Если конденсатор собран из n пластин, соединенных через одну параллельно, то

формула

Конденсаторы применяют, как правило, собранными в группы (батареи), составленные из последовательно или параллельно со­единенных элементов. При последовательном соединении

формула

при параллельном соединении

формула

Что касается мощности, то последовательное и параллельное соединения равноценны, но предпочтительнее параллельное соеди­нение конденсаторов, так как оно обеспечивает небольшой по силе ток генератора и отсутствие перенапряжения на индукторе печи и конденсаторах.

В установках индукционных печей применяют бумажно-масля­ные и керамические конденсаторы.

В бумажно-масляных конденсаторах обкладками служит алюми­ниевая фольга толщиной 0,007—0,015 мм, а диэлектриком — пара­финированная или пропитанная маслом бумага. Конденсаторы наматывают из лент в виде рулона, а затем опрессовывают в плоский пакет. Пакеты погружают в банку с трансформаторным маслом, которую во избежание загрязнения масла герметично закрывают.

Реактивную мощность конденсатора можно повысить, если от­ водить выделяющееся в нем тепло, погружая в масло змеевик, питае­мый проточной водой, или пропуская воду между двойными стенками банки. Для увеличения теплоотдачи излучением банки снаружи окрашивают в черный цвет.

В высокочастотных установках с ламповыми генераторами широко применяют керамические конденсаторы (рисунок 4). Обкладками в та­ких конденсаторах служит тончайший слой серебра, напыленный на внутреннюю и наружную поверхности конденсатора перед обжигом керамики.

Керамический конденсатор ТГК1-К
Рисунок 4 – Керамический конденсатор ТГК1-К

Преимуществом керамических диэлек­триков является их высокая диэлектриче­ская проницаемость (у отдельных сортов керамики она достигает 1000 против 3—4 у промасленной бумаги); недостатком — трудность изготовления тонкостенных конденсаторов. Значительная толщина диэлектрика снижает емкость конденса­тора, поэтому эти конденсаторы изготав­ливают на малые емкости.

Для получения необходимых емкости, мощности и напряжения на обкладках отдельные конденсаторы собирают в боль­шие группы — батареи, соединенные по­следовательно или параллельно.

В процессе нагрева и плавления шихты электрические и магнитные свойства ее меняются. Это приводит к изменению ин­дуктивного сопротивления печи.

В контуре со свободными колебаниями изменение индуктивности вызывает такое изменение частоты тока, что ωL = 1 /(ωС). При этом сos φ не меняется и равен единице.

В установках, питаемых от машинных генераторов, частота независит от величины индуктивности. Поэтому изменение L приво­дит к нарушению равенства ωL= 1 /(ωС) и уменьшению сos φ.

Чтобы поддержать сos φ =1, при изменении L необходимо изменять величину С до значения, определяемого выражением:

формулаПо этой причине в установках с машинными генераторами часть конденсаторных батарей включают в цепь печи постоянно, а часть можно включать или выключать из цепи по ходу плавки.