CC BY
37
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ КАК ИСТОЧНИК
ВОЗНИКНОВЕНИЯ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ СЕТИ НА ПРОИЗВОДСТВЕ. ВОЗМОЖНЫЕ РЕШЕНИЯ СНИЖЕНИЯ
НЕСИММЕТРИИ Романов Владимир Владимирович, аспирант
(e-mail: smail8506@rambler.ru) Животягин Денис Александрович, аспирант (e-mail: Denis.zhivotyagin@arconic.com ) Зимин Лев Сергеевич, профессор, доктор технических наук
(e-mail: epp@samgtu.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В данной статье рассмотрена проблема влияния несимметричной нагрузки на систему электроснабжения производства с электротехнологическими установками и способы возможного решения несимметричной нагрузки сети предприятия.
Ключевые слова: несимметричная нагрузка, коэффициент мощности, неполнофазная работа.
Электротермические установки состоят из собственно электропечи и электрооборудования, обеспечивающего питание ее электроэнергией и управление рабочим процессом. Электропечи классифицируются по способу превращения электрической энергии в тепловую. Внутри каждой группы электропечей имеет место широкий диапазон режимов обработки по температурному уровню и времени процессов, что в сочетании с многообразием материалов и изделий, подвергающихся термообработки, привело к большому количеству различных типов выпускаемых и эксплуатируемых ЭТУ, в том числе и однофазных.
Симметричная трехфазная система напряжений характеризуется одинаковыми по модулю и фазе напряжениями во всех трех фазах. При несимметричных режимах напряжения в разных фазах не равны.
Несимметричные режимы в электрических сетях возникают по следующим причинам:
1) неодинаковые нагрузки в различных фазах,
2) неполнофазная работа линий или других элементов в сети,
3) различные параметры линий в разных фазах.
В сетях высокого напряжения несимметрия вызывается, как правило, наличием мощных однофазных электроприемников, а в ряде случаев и трехфазных электроприемников с неодинаковым потреблением в фазах. К последним относятся дуговые сталеплавильные печи. Основные источники несимметрии в промышленных сетях 0,38—10 кВ — это однофазные термические установки, рудотермические печи, индукционные плавильные печи, печи сопротивления и различные нагревательные установки.
Однофазные ЭТУ обусловлено либо их конструктивными или технологическими особенностями, либо технико-экономическими показателями. Например, индукционные плавильные печи трехфазного исполнения характеризуются более низким к.п.д. и коэффициентом мощности, чем однофазные печи той же мощности [1]. В однофазных печах электрошлакового переплава с одним электродом для получения слитков круглого и квадратного сечения малых и средних размеров используются преимущества изготовления крупных литых электродов и обеспечивается высокий коэффициент заполнения сечения кристаллизатора. В однофазных печах с двумя последовательно включенными электродами для получения плоских слитков достигается снижение реактивного сопротивления установки [1]. Как правило, однофазными выполняются также установки контактного нагрева, печи для графитизации и др.
Степень влияния однофазных установок на трехфазную питающую сеть зависит от многих факторов, основными из которых являются:
1) величина активной мощности, потребляемая установкой, и диапазон ее изменения в процессе плавки или нагрева;
2) напряжение и мощность питающей сети в точке подключения однофазной нагрузки: 3) коэффициент мощности электроустановки;
4) время плавки или нагрева;
5) количество установок в цехе;
Наиболее распространенными крупными однофазными установками являются индукционные плавильные печи промышленной частоты. В настоящее время такие печи используются для плавки и перегрева чугуна и цветных металлов. Мощность таких индукционных печей колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч киловатт. Как правило трансформаторы, предназначенные для питания тигельных печей, выпускаются на первичное напряжение 6 или 10 кВ.
Данные некоторых тигельных печей и миксеров приведены в табл. 1 [2].
Для нормальной работы индукционных установок, характерно наличие компенсирующей конденсаторной батареи. Печи имеют значительное время плавки (до 3 ч) и значительный диапазон изменения потребляемой активной мощности.
Таблица 1
Тип печи Емкость, т. Мощность, кВт. Напряжение сети, кВ. Время плавки, ч.
ИГТ-1.6 1,6 560 6;10 1,2
ИЛТИЧТ-2,5 2,5 720-750 6; 10 1,5-2
ИГТ-4 4,0 1000 6; 10 1,6
ИЧТ-6 6,0 1000-1240 6; 10 2,6-3
ИЧТМ-10 10,0 650 6; 10 1,0
ИЛТ
ИЧТ-10 10,0 1300-1700 6; 10 2,7-3,1
ИЧТМ-16 16,0 800 6; 10 1,0
ИЧТ-25 25,0 4500 6; 10 3
В настоящее время на предприятиях металлургии применяются печи емкостью 40 и 60 т, имеющие мощность около 12000 и 15000 кВт соответственно и имеющие значительный диапазон изменения потребляемой активной мощности. Естественный коэффициент мощности тигельных печей составляет 0,1-0,2. Поэтому для них, как и для любых индукционных установок, характерно наличие компенсирующей конденсаторной батареи.
Анализ выполненных исследований, полученных на индукционных плавильных печах различного типа [1,3], представляет представить область возможных значений активной мощности индукционной печи в процессе плавки. При неизменном напряжении активная мощность, потребляемая печью, может изменяться в 1,3 - 2 раза. Помимо изменения в течении плавки, мощность меняется от плавки к плавке. В зависимости от состояния индукционной печи максимальная активная мощность меняется на 15%.
Количество печей, устанавливаемых в цехе, может быть различным и зависит от характера завода. Если цех для плавки чугуна или цветных металлов является на заводе основным, то обычно предусматривается установка значительного количества печей средней и большой емкости. В фасонно-литейных цехах машиностроительных заводов и на металлургических заводах, где плавильный цех не является главным элементом заводского комплекса, устанавливаются две-три печи, чаще всего малой и средней емкости.
Установка печей (миксеров) могут иметь варианты: одна печь и один комплект электрооборудования, две печи и один комплект электрооборудования, три печи и два комплекта электрооборудования. Второй и третий варианты используют при разливке металла непосредственно из печи в литейную машину или при разливке небольшими порциями. Одна из печей в этом случае всегда отключена.
Индукционные канальные плавильные печи, применяемые для плавки цветных металлов с редким переходом с одной марки расплавленного
сплава на другую, могут питаться от однофазных или трехфазных трансформаторов. Число фаз чаще всего выбирают так, чтобы мощности одной фазы не превышали 250 кВт. Напряжение питающей сети 380 В, для мощных печей - 6 и 10 кВ. Данные канальной печи ИЛК-6 в однофазном исполнении приведены в табл. 2.
Печь типа ИЛК-6 емкостью 6 т состоит из четырех индукционных единиц и питается от четырех однофазных трансформаторов мощностью по 400 кВа каждый. Иногда печи выполняются двухфазными, например, индукционная печь для дистилляции цинка из алюминиевых сплавов типа ИАКД-6. Печь выполнена двухканальной и имеет общую ванну расплавленного металла.
Таблица 2
Тип печи Емкость, т Мощность, кВт Напряжение сети, кВ
ИЛК-6 6,0 1350 6;10
Коэффициент мощности канальных печей равен 0,6-0,7 при плавке латуни и бронзы и 0,4-0,5 при плавке меди и алюминия. Электрический режим этих печей достаточно стабилен, время плавки составляет 5-6 ч.
Применяются в основном два варианта компоновки индукционных канальных печей: установка малого количества (одной - двух) печей и установка значительного количества (до десяти). Первый случай имеет место для получения цветного литья на машиностроительных заводах, второй характерен для плавильных цехов крупных металлургических заводов [Л. 8].
Индукционные нагревательные установки промышленной частоты, широко применяемые в различных отраслях металлургии и машиностроения, отличаются большим разнообразием конструкций и назначений. Ограничимся рассмотрением некоторых из них. Установки, как правило, питаются от сети 380 В и оборудуются конденсаторными батареями для повышения коэффициента мощности. Конструктивно нагревательные установки могут выполнятся одно-, двух- и трехфазными. Примерами однофазного исполнения является установка для индукционного нагрева специальных сплавов мощностью 1000 кВт, установка для нагрева титановых цилиндров мощностью 500 кВт и установка индукционно-диффузионного нагрева мощностью 600 кВт.
По способу нагрева первые два типа являются садочными установками. Время нагрева 0,5-1,5 ч. Потребляемая мощность в процессе нагрева может меняться в зависимости от изменения физических параметров заготовки при повышении температуры. У методических установок нагрев заготовок происходит по мере продвижения через их индуктор. В процессе работы электрические параметры этих установок меняются незначительно.
Несимметричную нагрузку для трехфазных сетей представляют собой также двухфазные установки, два индуктора которых включены по схеме «открытого треугольника», например, нагревательные установки ОКВ-894, ОКБ-944 и ОКБ-1080 к кабельным прессам. Мощность, потребляемая каждым нагревателем, 400 кВт.
Трехфазные индукционные нагревательные установки также могут вызывать несимметрию токов и напряжении в питающей сети, если имеет место неравномерное распределение активной мощности по фазам-индукторам, обусловленное требованием технологии. Например, в установке для нагрева заготовок под пластическую деформацию типа ОКБ-970 при нагреве заготовок с диаметром, большим некого размера, суммарная потребляемая активная мощность распределяется между тремя индукторами неравномерно. Наибольшая мощность устанавливается в первом индукторе по движению заготовки, а наименьшая - в последнем. При нагреве полых заготовок мощность распределяется по фазам в обратном порядке. Этим достигается необходимое распределение температуры по сечению и сохраняется максимальная производительность. Мощность установки составляет 700 кВт.
Наиболее часто встречающимся вариантом применения нагревательных индукционных устройств промышленной частоты является установка устройства индивидуально или в поточной линии. Все более широкое применение в настоящее время находят установки контактного нагрева, применяемые для нагрева труб, стержней, проволоки, а также деталей под ковку и штамповку [2]. Мощность установок контактного нагрева может достигать нескольких тысяч киловатт. При мощности до 500 кВт установки, ка правило, питаются от понизительных однофазных трансформаторов с первичным напряжением 380 В, а установки большой мощности - с напряжением 6 или 10 кВ. В табл.3 приведены данные некоторых установок контактного нагрева.
Таблица 3
Тип уста- Мощность, Напряжение Время нагре- Применение
новки кВт сети, кВ ва, с
ОКБ-2025 380 0,38 Непрерывного действия. Нагрев труб. Закалка
ОКБ-1171М 10-40 стальных за-
500 0,38 готовок
ОКБ-1382 180 Нагрев заго-
2000 6,0 товок перед прокаткой. Нагрев труб
Установка из тугоплав-
для нагрева ких материа-
труб 3000 6,0 Около 600 лов
Почти во всех установках контактного нагрева, за исключением установок непрерывного действия, в процессе нагрева имеет место значительный диапазон изменения потребляемой активной мощности и коэффициента мощности. Это явление обусловлено изменением теплоемкости и удельного электрического сопротивления нагреваемого изделия и зависит от марки материала, поперечных размеров изделия и скорости нагрева.
На рисунке 1(а) показаны кривые изменения активной и реактивной мощностей в процессе нагрева заготовок диаметром 60 и 120 мм в установке ОКБ-1383. Как видно из графика, активная мощность меняется в 1,5 - 1,7 раза, достигая к концу нагрева максимального значения, а коэффициент мощности меняется в пределах 0,5 - 0,7.
Электроконтактный нагрев изделия в установках периодического действия отличается малым временем нагрева, которое, как следует из табл. 3, не превосходит нескольких минут. Время паузы между циклами также незначительно. Поэтому для графика нагрузки сети, питающей установку контактного нагрева, характерен вид, показанный на рисунке 1(6).
рис, 1 а) 6)
1000
Í
нагр ев
\
па уза
.
V
D=120mm
V
цикл
0 12 3 4 мин 0 1 2
Рисунок 1 Изменение параметров нагрузки в процессе нагрева (а), график нагрузки (б) установки контактного нагрева
Однотипные установки небольшой мощности могут устанавливаться в большом количестве при значительных масштабах выпуска продукции, например, в трубном и автомобильном производстве. Мощные установки контактного нагрева устанавливаются, как правило, в одиночку
Однофазной нагрузкой являются установки электрошлакового переплава, например, ОКБ-1111, ОКБ-905, ОКБ-1417 и т.д. Эти установки имеют мощность в несколько тысяч киловатт, питаются от сетей 6 и 10 кВ, в ред-
ких случаях от сети 380 В. Коэффициент мощности равен 0,6 - 0,7 для однофазных установок и 0,85 - 0,95 для двухэлектродных. Время плавки составляет несколько часов. График нагрузки носит переменный характер, особенно для установок, работающих по программированному режиму. В этом случае мощность установки в конце плавки заметно снижается (до 50% номинальной), чем достигается выведение усадочной раковины. Чаще всего установки электрошлакового переплава компонуются в цехах по несколько штук и устанавливаются на крупных металлургических заводах, имеющих питание от мощных электрических сетей. Однако встречается и индивидуальные установки.
Дуговые печи косвенного действия также выполняются однофазными, применяются преимущественно для плавки медных сплавов (например типа ДМК и ДМБ ), имеют мощность до 1000 кВт и коэффициент мощности 0,95 и выше, питаются от сети 6 или 10 кВ. График потребления электроэнергии ровный, время плавки около 1 ч.
На машиностроительных заводах распространенным вариантом является установка одиночных печей для ремонтного литья. На заводах, где производство литья считается одним из основных, например, на арматурных заводах, устанавливаются несколько печей.
Однофазной и переменной нагрузкой являются графитировочные печи, используемые на электродных заводах. Активная потребляемая мощность таких печей достигает 5000 - 7000 кВт. Для этих печей характерен значительный диапазон изменения активной мощности и коэффициента мощности в процессе нагрева. Технология нагрева требует плавного подъема температуры в печи, что достигается постепенным увеличением потребляемой мощности. За время, равное половине цикла нагрева, активная мощность изменяется от 10 - -20 до 100%, а коэффициент мощности снижается с 0,95 до 0,7. Во вторую половину цикла активная мощность падает до 50 - 60%, а коэффициент мощности - до 0,4. Полное время цикла нагрева составляет 52 - 56 ч. Такое длительное время нагрева существенно отличает работу графитировочных печей от других электротермических установок. Эта особенность обусловливает значительное количество устанавливаемых в цехе печей. При этом начало работы их сдвинуто во времени для уменьшения максимума нагрузки и более удобного обслуживания
[5].
Электропечи сопротивления, в том числе электронагревательные ванны, в однофазном исполнении имеют мощность до 75 кВт и влияния на трехфазную питающую сеть не оказывают. Исключение могут составлять медеплавильные однофазные печи типа СМБ, которыми предлагается заменить дуговые печи типа ДМБ. Мощность печей СМБ достигает 400 кВт.
Проведенный анализ, хотя и не исчерпывает всех возможных случаев выполнения и применения однофазных ЭТУ, позволяет сделать вывод о многообразии и широком распространении их в различных отраслях промышленности, что приводит к заметному влиянию однофазных электро-
печных нагрузок на питающие промышленные сети. С целью снижения несимметричности нагрузки, вызванной электротехнологическими установками возможно применить следующие решения:
1) Равномерное распределение электротехнологических установок по фазам питающей сети;
2) Разработка графиков работы электротехнологических установок с учетом загрузки питающей сети;
3) Разработка графиков ППР исходя из загрузки производства;
4) При наличии на производстве большого количества электротехнологических установок, объединить их в определенные группы с учетом равномерности загрузки фаз и по возможности выводить из работы целыми группами если это позволяет план производства;
5) Применение симметрирующих устройств со специальными трансформаторами и автотрансформаторами;
6) Для симметрирования однофазных нагрузок применить схему индуктивность-емкость. Нагрузка и включенная параллельно ей емкость включаются на линейное напряжение. На два других линейных напряжения включаются индуктивность и еще одна емкость.
7) Применение индивидуальных схем симметризации Штейнметца для каждого случая;
Список литературы
1. «Электрические печи в черной металлургии». Под ред. Г.Эгнера, М., Металлург-издат, 1960г.;
2. «Электротермическое оборудование» Справочник. М., «Энергия», 1967г.;
3. Гритгарц Д.А., Полищук Я.А., «Автоматическое регулирование индукционных плавильных установок» М., «Энергия», 1965;
4. Смелянский М.Я. «Проектирование электротермических установок»М.-Л., Гос-энергоиздат, 1962г.;
5. Куренев С.И., Гашеев М.А., Еремеев А. С. «Выравнивание неодинаковой нагрузки фаз в трехфазной системе» - «Электричество», 1939;
6. Борисов Б.П., Вагин Г.Я., Лоскутов А.Б., Шидловский А.К. «Повышение эффективности использования электроэнергии в системах электротехнологии» // АН УССР. Ин-т электродинамики. - Киев: Наук. думка, 1990;
7. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. «Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях» // 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиз-дат, 2000.
Romanov Vladimir Vladimirovich graduate student
(e-mail: smail8506@rambler.ru)
Samara State Technical University, Samara city, Russia
Givotyagin Denis Alexandrovich graduate student
(e-mail: Denis.zhivotyagin@arconic.com )
Samara State Technical University, Samara city, Russia
Zimin Lev Sergeevich, professor, Dr.Sci.Tech.
(e-mail: epp@samgtu.ru)
Samara State Technical University, Samara city, Russia ELECTRO-TECHNOLOGICAL INSTALLATION AS A SOURCE OF EMERGENCY EXPOSURE TO THE NETWORK ON PRODUCTION. POSSIBLE SOLUTIONS FOR THE DECREASE OF NON-SYMMETRY.
Abstract. In this article the problem of influence of asymmetric load on the power supply system of production with electro-technological installations and methods of solving asymmetric load of enterprise network are considered.
Key words: asymmetric load, power factor, incomplete work.
УДК 536.46; 541.1
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ РАСТВОРНОГО СВС ПОРОШКОВ
СИСТЕМЫ Ni-Cr-O Романова Екатерина Валерьевна, студент Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия (e-mail\ katerina77romanova@rambler.ru)
В данной работе проводились исследования по структурному анализу порошков, полученных методом растворного СВС системы Ni-Cr-O. Для изучения структурных характеристик использовали данные с растрового электронного микроскопа Jeol JSM 6390A.
Ключевые слова: растворный СВС, структурный анализ, монооксид, синтез, реакция горения, наноразмерный порошок.
Бурно развивающимся способом синтеза наноматериалов является «горение растворов» или растворный самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), который основан на самоподдерживающейся экзотермической реакции взаимодействия растворенных компонентов на основе систем, содержащих окислитель (нитрат металла) и восстановитель.
Получение соединений состава Ni-Cr-O данным методом является перспективным направлением синтеза шпинелей NiCr2O4 и NiCrO2, так как в этом случае не требуется дополнительный температурный отжиг. Здесь в качестве исходных реагентов выступают Ni(NO3)2 и Cr(NO3)3 в качестве окислителей и мочевина CO(NH2)2 в качестве горючего.
Целью работы было исследование структурных характеристик порошков системы Ni-Cr-O, получаемых методом растворного СВС.[1]
Таблица 1 - Массы исходных компонентов
№ об- масса масса масса
разца Ni(NO3)2 , г Cr(NO3)3 , г CO(NH2)2, г
1 2.90 1.6 1.92
2 2.33 8.0 4.56
3 0.60 8.0 3.84
