Тиристорные модули силовой электроники для питания печей индукционного нагрева Туманов И. М., Голиков В. А., Корженков М. Г., Слепченков М. Н. Тиристорные модули силовой электроники для питания печей индукционного нагрева Существующие в настоящее время схемы энергоснабжения тигельных печей индукционного нагрева промышленной частоты (рис.1) имеют следующие недостатки: - невозможность осуществления процесса плавки при постоянной и близкой к номинальной мощности из-за нерационального использования конденсаторной батареи по мощности. Это связано с тем, что по мере разогрева шихты и, следовательно, роста активной мощности, которая закачивается в тигель, приходится уменьшать напряжение на зажимах индуктора; это приводит к резкому снижению (пропорционально квадрату напряжения) реактивной мощности, генерируемой конденсаторной батареей;
- учитывая сказанное выше, плавку ведут при постоянной величине напряжения, значение которого существенно ниже номинальной величины; при такой технологии плавки мощность, потребляемая из питающей сети, достигает номинальной величины лишь к концу плавки; вследствие этого стадия процесса нагрева шихты до температуры плавления затягивается по времени; значение КПД индукционной печи для этого режима работы печи существенно ниже и в связи с этим наблюдается перерасход электрической энергии на 20% на каждую тонну выплавляемого металла; кроме того, производительность индукционной печи уменьшается в 1,5-2 раза;
- симметрирование нагрузки по фазам питающей сети выполняется на основе морально устаревшей схемы Штейнметца, когда в одну из фаз питающей сети в качестве нагрузки включается реактор; использование реактора с постоянной индуктивностью не обеспечивает эффективного симметрирования нагрузки при изменении режимов работы печи, а, кроме того, на величину мощности реактора автоматически увеличивается мощность используемой конденсаторной батареи.
Технические недостатки схем энергоснабжения индукционных печей и связанный с этим перерасход ресурсов объясняется тем, что эти схемы содержат большое количество устройств контактной электротехники (рис.1). ИП — индуктор печи (мощность 6860 КВт); ТР — электропечной трансформатор ЭТЦНКИ 12500/10; LК — реактор для симметрирования нагрузки (мощность 5000 кВАр); CК1, CК2, CК3 — симметро-компенсирующее устройство (конденсаторы общей мощностью 51600 кВАр); для регулирования величины емкости конденсаторы СК1 и СК3 содержат в общей сложности 32 вакуумных выключателя.
 Рис.1. Схема электроснабжения тигельной печи индукционного нагрева ИЧТ-31/5. Авторы данной работы предлагают заменить схему электроснабжения, построенную на базе контактной электротехники, на новую схему, которая выполняется на основе тиристорных модулей [1, 2] силовой электроники (рис.2). 
Рис.2. Новая схема электроснабжения тигельной печи индукционного нагрева ИЧТ-31/7. ИП — индуктор печи; ТРмрн — вспомогательный трехфазный трансформатор тиристорного модуля для регулирования напряжения (мощность 910 кВА); ТРмск — вспомогательный трехфазный трансформатор тиристорного модуля для компенсации реактивной мощности и симметрирования нагрузки (мощность 4750 кВА); ТМРН — тиристорный модуль для регулирования; содержит 18 тиристорных ключей на ток 200 А; ТМСК — тиристорный модуль для компенсации реактивной мощности и симметрирования нагрузки; содержит 18 тиристорных ключей на ток 1000 А; СК1, СК2, СК3 — нерегулируемая конденсаторная батарея общей мощностью 36460 кВАр. Анализ схемы, представленной на рис.1, позволяет отметить большое количество механических контактов и 32 вакуумных выключателя на высокой и низкой сторонах печного трансформатора соответственно. Электроизнос контактов пропорционален квадрату тока нагрузки в цепи этих контактов, величина которого для печей типа ИЧТ-31/5 достигает сотен ампер. Вследствие этого, является логичным стремление обслуживающего индукционную печь персонала в процессе плавки как можно реже производить коммутационные переключения с помощью устройств контактной электротехники. Произведенные авторами замеры на действующей печи индукционного нагрева (ИЧТ-31/5) подтверждают это. Вся плавка производится на одном отводе (отвод №7 с уровнем напряжения 1800 В) печного трансформатора ЭТЦНКИ — 12500, а в процессе плавки производится 5-6 переключений секций конденсаторной батареи. Новая схема энергоснабжения (рис.2) обеспечивает бесконтактное регулирование напряжения на зажимах индуктора печи в процессе плавки мелкими ступенями. Процесс плавки начинают при повышенном напряжении на зажимах индуктора печи для обеспечения номинальной активной мощности, закачиваемой в тигель печи. Далее в процессе плавки микропроцессорная система управления следит за величиной активной мощности и по мере ее отклонения от номинальной величины соответственно изменяет величину напряжения на зажимах индуктора мелкими ступенями с помощью трансформатора ТРмрн и тиристорного модуля ТМРН. Одновременно с этим, второй тиристорный модуль ТМСК (рис.2) путем выполнения определенных бесконтактных коммутаций в цепи вторичной обмотки вспомогательного трансформатора ТРмск обеспечивает практически полную компенсацию реактивной мощности и симметрирование нагрузки индукционной печи по фазам 3-хфазной питающей сети. В начале плавки, когда напряжение на зажимах индуктора печи максимально, вспомогательный трансформатор ТРмск находится в режиме "вольтоотбавки" с неполнофазным подключением к 3-хфазной питающей сети. Напряжение на зажимах его первичной обмотки вычитается из напряжения на входных зажимах конденсаторной батареи СК1, СК2 и СК3. При регулировании напряжения на зажимах индуктора печи в процессе плавки, напряжение на конденсаторной батарее всегда близко к номинальной величине и не превышает ее. Конденсаторная батарея в процессе плавки практически полностью используется по мощности. Если в каком-то из режимов работы печи требуется меньшая реактивная мощность конденсаторной батареи, то последняя остается в работе, а на это время с помощью ТРмск и ТМСК снижается напряжение на ее зажимах. Это существенно повышает долговечность (срок службы) конденсаторной батареи. Для расчета величин емкостей СК1,СК2 и СК3, а также коэффициента трансформации вспомогательного трансформатора ТРмск предварительно расчетным или экспериментальным путем строят в 3-х мерном пространстве множество дискретных электрических параметров изменяющегося с течением времени процесса плавки. Точки множества получают для различных моментов времени от начала плавки с определенным интервалом между ними. Например, на рис.3 представлено экспериментально снятое на действующей тигельной печи индукционного нагрева LFD-12 аналогичное множество электрических параметров. Последние снимались с интервалом в две минуты в течение всего времени плавки. В качестве электрических параметров использованы числовые данные нагрузки печи LFD-12. Они вычислены по формулам (1), в которых экспериментально замеренная величина тока индуктора печи обозначена символом I п, а угол сдвига этого тока относительно напряжения U aв (рис.1) — символом j п.  (1)
где Х — значение действительной части тока обратной последовательности нагрузки печи, взятой с обратным знаком; Y — значение мнимой части тока обратной последовательности нагрузки печи, взятой с обратным знаком; Z — значение мнимой части тока прямой последовательности, взятой с обратным знаком. 
Рис 3. Множество электрических параметров печи LFD-12, плавка при постоянном напряжении. Анализ рис.3 позволяет сделать вывод о распределении в пространстве электрических параметров по форме, которая близка к прямой линии. Дисперсия этих параметров велика. Достаточно отметить, что параметр Z (потребление реактивной мощности) меняется по величине примерно от 850 отн. ед. до 1700 отн. ед. Это говорит о необходимости регулирования величины емкости, подключенной параллельно зажимам индуктора печи в два раза. То же самое можно сказать и о других параметрах нагрузки печи. На рис.4 приведено аналогичное рис.3 множество электрических параметров процесса плавки печи LFD-12. Разница состоит в том, что в течение процесса плавки в данном случае искусственно поддерживается на одном и том же уровне величина активной мощности, которая заканчивается в индуктор печи. Для рис.4 величина активной мощности при плавке выбрана равной 1,9 МВт, что соответствует величине таковой на конец плавки с постоянным напряжением на зажимах индуктора печи (рис.3). Так как для обеспечения мощности на уровне 1,9 МВт величина напряжения в процессе данного искусственного режима плавки изменялась по величине от 2200 В (начало плавки) до 1400 В (конец плавки) ступенями по 100 В, то электрические параметры, полученные согласно системы уравнений (1), приведены к базовому значению величины напряжения. В качестве базового напряжения (одна относительная единица) принята величина его (2200 В+1400 В)/2=1800 В. Поэтому электрические параметры согласно системы уравнений (1), например, для напряжения 2200 В увеличены в 1,222 раза, а для напряжения 1400 В — в 0,778 раз. 
Рис 4. Множество электрических параметров печи LFD-12, плавка при постоянной мощности. Согласно данных рис.4 можно сделать вывод о весьма существенном уменьшении дисперсии электрических параметров процесса плавки. Для сравнения приведем диапазон изменения параметра Z. Этот параметр, согласно рис.4, изменяется в пределах от 1350 отн. ед. до 1550 отн. ед. Если уменьшить величину ступени регулирования напряжения на зажимах индуктора, то дисперсию электрических параметров плавки можно уменьшить практически до нуля. Отсюда вытекает важный вывод о том, что при плавке с постоянной мощностью, закачиваемой в индуктор печи, симметро-компенсирующее устройство, выполненное по новой схеме электроснабжения (рис.2) может быть рассчитано по математическому ожиданию электрических параметров процесса плавки согласно рис.4. Величины емкостей СК1, СК2 и СК3 следует выбирать при этом из условия полной компенсации и симметрирования нагрузки печи для режима ее работы, когда электрические параметры соответствуют математическому ожиданию их по рис.4 [1]. Мощность конденсаторной батареи должна определяться из условия ее работы с уровнем напряжения на входных зажимах а, б, с (рис.2), соответствующим базовой величине. Последняя для нашего примера равна 1800 В. Коэффициент трансформации вспомогательного трансформатора ТРмск вычисляется из условия: K BT = (U max — U Б)/U max = 400/2200 = 0.18 (2) где U max — максимальная величина напряжения на зажимах индуктора печи в процессе плавки; для нашего примера она составляет 2200 В. С целью снижения затрат на построение схемы электроснабжения печей индукционного нагрева, авторы считают своим долгом высказать некоторые рекомендации по проведению технологии плавки, а также по алгоритмам работы новой схемы электроснабжения (рис. 2), построенной на базе тиристорных модулей силовой электроники. Традиционно, тигельная печь индукционного нагрева должна находиться в "горячем" режиме работы непрерывной плавки для предотвращения резких изменений температуры футеровки печи и растрескивания ее. В связи с этим, после очередной плавки в тигеле печи должна оставаться часть расплавленного металла (до 5 тонн для печи ИЧТ-31/5). Это необходимо также по той причине, что расплавленная часть металла обеспечит возможность закачивания в индуктор печи в начальный период плавки достаточно большой активной мощности. Объясняется это тем, что увеличивается глубина проникновения тока в толщу расплавленного металла по сравнению с твердым агрегатным состоянием шихты. Для обеспечения большего забора индуктором печи активной мощности в начальной стадии плавки следует загружать шихтой тигель печи на 100% его объема. В случае выполнения этих условий работа печи с номинальной активной мощностью в начале процесса плавки будет обеспечена при незначительном увеличении напряжения на зажимах индуктора по сравнению с величиной опорного напряжения. По мнению авторов, эта величина существенно (не менее, чем в 2 раза) меньше величины, которая приведена в формуле (2). Пропорционально этому уменьшится коэффициент трансформации вспомогательного трансформатора ТРмск, а, следовательно, мощность его и мощность тиристорного модуля ТМСК. При этом мощность трансформатора ТРмск не превысит мощности реактора старой схемы электроснабжения (рис.1). Итак, начало плавки происходит при повышенном напряжении на зажимах индуктора печи. Это обеспечивается тиристорным модулем ТМРН путем соответствующего подключения зажимов первичной обмотки трансформатора ТРмрн к питающей сети с нерегулируемой величиной напряжения (на рис. 2. U с = 2,1кВ). Одновременно с этим, другой тиристорный модуль ТМСК путем воздействия на трансформатор ТРмск уменьшает величину напряжения на конденсаторной батарее до величины опорного напряжения. По мере увеличения времени плавки, разогрева шихты и роста активной мощности, потребляемой индуктором печи, тиристорный модуль ТМРН уменьшает напряжение на зажимах индуктора печи мелкими ступенями. Тиристорный модуль ТМСК, наоборот, добавляет напряжение такими же ступенями и обеспечивает поддержание его на зажимах конденсаторной батареи СК1, СК2 и СК3 на неизменном уровне. Микропроцессорная система управления процессом плавки следит за величиной активной мощности, потребляемой индуктором печи. При уходе активной мощности из зоны нечувствительности в ту или иную сторону, тиристорные модули ТМРН и ТМСК синхронно отрабатывают соответственно направлению изменения активной мощности. Организация процесса плавки по вышеупомянутой методике позволяет значительно экономить ресурсы. В качестве примера рассмотрим используемые ресурсы на одну печь типа ИЧТ-31/5 по старой схеме электроснабжения (рис.1) и новой (рис.2). Для старой схемы требуется: - трансформатор с РПН стоимостью 750 тыс. руб.;
- реактор стоимостью 250 тыс. руб.;
- конденсаторная батарея — 980 тыс. руб.;
- 32 вакуумных выключателя — 550 тыс. руб.;
- печь типа ИЧТ-31/5 — 4 млн. руб.
По данным экспериментальных замеров, старая схема электроснабжения обеспечивает активную мощность индуктора в начале плавки 3000 кВт вместо необходимых 6800 кВт. Поэтому пережег электроэнергии составляет 20%, что дает в течение года работы печи перерасход денежных средств в размере 900 тыс. руб. Для новой схемы электроснабжения требуется: - питающий трансформатор один на две печи стоимостью 500 тыс. руб., следовательно, на одну печь ИЧТ-31/5 — 250 тыс. руб.
- трансформатор ТРмрн — 120 тыс. руб.;
- трансформатор ТРмск — 280 тыс. руб.;
- конденсаторная батарея — 700 тыс. руб.;
- тиристорный модуль ТМРН — 125 тыс. руб.;
- тиристорный модуль ТМСК — 400 тыс. руб.;
С учетом в 1,5 раза более высокой производительности печи при новой схеме электроснабжения (две печи с новой схемой заменяют по производительности три печи при старой схеме электроснабжения), а также годовой экономии электроэнергии в размере 900 тыс. руб., общая экономия ресурсов на одну печь ИЧТ-31/5 составляет 2580 тыс. руб. Литература - Туманов И. М., Евстигнеева Т. А. Тиристорные установки для повышения качества электроэнергии. М., Энергоатомиздат, 1994.
- Туманов И. М., Алтунин Б. Ю. Тиристорные и тиристорно-контактные установки для стабилизации и регулирования параметров электроэнергии. Н.Новгород, НГТУ, 1993.
www.electro.nizhny.ru |
