CC BY
21
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.314
СПОСОБ ВКЛЮЧЕНИЯ И ВЫКЛЮЧЕНИЯ ПЕЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
В.С. Климаш, Б.Д. Табаров, Р.Р. Ниматов
Рассмотрена проблема подключения однофазной электротехнической нагревательной установки с печным трансформатором, обладающим большим индуктивным сопротивлением, к трехфазной сети для электротермического воздействия на деталь с последующим ее закаливанием или заготовку с последующим ее формованием при производстве высококачественных деталей из специальных сплавов. Такие установки создают ударные усилия на трансформатор и ухудшают качество электроэнергии электротермической технологии, которые выражаются в больших бросках пускового тока, длительности переходного процесса и асимметрии в трехфазной сети, а также не равномерном нагреве деталей и заготовок. Предлагается устранить указанные недостатки при помощи трехфазной электротехнической установки со специальным способом включения и выключения трехфазного печного трансформатора электронно-электрическим аппаратом с трехфазным выключателем и блоком на четырех тиристорах. Приводятся результаты исследования переходных процессов при новом способе мягкого пуска печного трансформатора посредством упрощённого гибридного аппарата и выключение без возникновения дуги на механических контактах сетевого выключателя.
Ключевые слова: электронно-электрический аппарат, печной трансформатор, способ мягкого пуска, отключение без электрической дуги, установка электротермического воздействия, нагрев заготовки.
Электротехнические установки для нагрева металлов находят применения в металлургии, при производстве деталей из специальных трудно деформируемых сплавов, для подъемно-транспортного оборудования, подводных и летательных аппаратов. Титановые сплавы имеют ряд преимуществ перед другими конструкционными материалами и в последние годы с развитием самолетостроения их основным потребителем является авиационная промышленность.
Применяемые в настоящее время однофазные промышленные установки для нагрева металлов имеют ряд существенных недостатков как в отношении влияния на трехфазную сеть, так и на равномерность нагрева деталей и заготовок. В связи с этим, актуальным является разработка новых электротехнических систем с улучшенными показателями качества
электроэнергии для освоения эффективных технологических процессов деформирования металла, позволяющих изготавливать детали из трудно деформируемых сплавов с минимальным объемом их доработки. Актуальным является также совершенствование электросталеплавильных комплексов с печными трансформаторами мощностью 120 МВА напряжением 35 кВ и токами 3 кА, для которых разработано более сложная электротехническая система [3-5], но с теми же принципами построения, которым в частности посвящена данная статья.
Электроконтактный нагрев заготовки производится электрическим током промышленной частоты для интенсификации формообразующих операций за счет выделения тепла на собственном сопротивлении заготовки.
Промышленная электротехническая установка для электротермической обработки заготовки приведена на рис. 1. Она содержит однофазный печной понижающий трансформатор (ТОЭСЗ 250/40), сетевой выключатель, тиристорный пускатель с блок управления тиристорами. Установка позволяет пропускать большие токи через заготовку в короткое время, I = 20000...30000 А, U = 10...80 В, W < 500 кВт, t < 0,3 с.
В описанной промышленной установке, применен серийно выпускаемый тиристорный пускатель с простейшим устройством включения тиристоров [1]. По функциональным возможностям и динамическим свойствам такой пускатель не отличается от электрического коммутационного аппарата, что указывает на необходимость его совершенствования. Кроме того, однофазная установка такой мощности создаёт большую асимметрию и броски тока в питающей сети, дополнительные пусковые потери и просадки напряжения.
Целью работы является совершенствование электротехнической установки, которое заключается в полном устранение негативных влияний ее на промышленную сеть и другие потребители электроэнергии, снижение пусковых потерь, ударных динамических воздействий на печной трансформатор и улучшение режимов энергетического воздействия на заготовку.
Для достижения цели предлагается выполнить электротехническую установку трёхфазной, применить новый способ включения трёхфазного трансформатора электронно-электрическим аппаратом со специальным управлением. В результате применения нового способа включения пусковые токи, потребляемые печным трансформатором из сети, не будут превышать своих установившихся значений и снизятся в 2 раза. Это в свою очередь пропорционально квадрату тока уменьшит соответственно в 4 раза электродинамические усилия, действующие на обмотки силового трансформатора, и пусковые потери в линии электропередачи.
На рис. 1 приведены схема однофазной промышленной установки (рис.1, а) и схема трехфазной предлагаемой установки (рис.1, б) для электротермической обработки заготовки. На схемах введены следующие обозначения: 1 - сетевой выключатель; 2 - тиристорный пускатель;
3 - формирователь импульсов управления тиристорами; 4 - понижающий силовой (печной) трансформатор; 5 - контакты для подключения заготовки.
г----1/1
В*»—н
С
1Ч*
а
Ш-
¡2
ж
ж
б
Рис. 1. Схемы промышленной (а) и предлагаемой (б) электротермических установок
Для исследования физических процессов в пусковых и стационарных режимах работы предлагаемой трёхфазной установки с печным трансформатором, электрическим аппаратом (сетевым выключателем) и электронным аппаратом (тиристорным пускателем) разработана имитационная модель [6], которая приведена на рис. 2.
Обмотки модуля трёхфазного силового трансформатора (ТС), со стороны высокого напряжения, подключены к трёхфазной питающей сети (Ил, Из, Ие) с линейным напряжением ил = 380 В и частотой Г = 50 Гц, посредством трёхфазного сетевого выключателя и тиристорного пускателя, состоящего из четырех тиристоров (У81-У84), включённых попарно встречно параллельно в две фазы А и С. Управляющие электроды тиристоров подключены к синхронизированным и фазированным с сетью формирователям импульсов управления (ФИУ). Синхронизация ФИУ производится с помощью датчиков фазного и линейного напряжения (ДНа, ДНвс), выполненных на маломощном понижающем трехфазном трансформаторе со схемой соединения обмоток У / Уо. Длительность импульсов управления задаётся модулем «Пуск - Таймер» (П - Т). Обмотки низкого напряжения ТС присоединены к зажимам блока трёхфазной активной нагрузки (БН), имитирующей нагреваемую заготовку.
m
ИПа
ИПв ф
ИПс
ДНвс
ДНвс
Л
U-AD-
ИмгГС"
u -ec-
Инга-
Танмер
0
J
VS1
!тШ
VS2
m
VS3
лШ
VS4
Cl
powergtii
Д1+е Al -
BlQ|irB2+
81 jlCaî
Cl TUT C2
TC
Рис. 2. Блочно-модульная модель в среде MATLAB трёхфазной электротермической установки
Результаты численных экспериментов установки на модели в среде Ма1ЬаЬ при неуправляемом пуске трёхфазного печного трансформатора с процессами, носящими случайный характер, и управляемом пуске по новому способу, соответственно приведены на рис. 3, 4.
Осциллограммами (рис. 3) показана трехфазная система напряжений ид, ив, ис сети (а) и токов 1а, 1в, 1с в нагрузки (б) установки при одновременном подключении трех фаз печного трансформатора к сети.
ШАО;1тШ;цсо)|В
-1001) -2000 -3000
0.03 0.05 0.1 б) 0.15 0.2 0.25
Рис. 3. Осциллограммы фазных напряжений (а) и токов (б) при одновременном подключении трех первичных обмоток печного
трансформатора к сети
Видно, что токи нагрузки, не вышли в установившийся режим в заданный таймером интервал времени Т, на котором включен тиристорный пускатель. Это обусловлено переходными процессами, происходящими при коммутации RL- нагрузки c большой индуктивностью, которой является печной трансформатор. Причём, асимметричные значения токов трёх
фаз, протекающих в контурах заготовки, могут изменяться в зависимости от момента включения тиристорного пускателя относительно напряжения сети. При такой работе установки контролировать уровень электротермического воздействия на заготовку достаточно сложно.
Изменить эту ситуацию позволяет способ [7] включения трёхфазных ЯЬ- нагрузок, соединенных в звезду или в треугольник. Этот способ при помощи тиристорных ключей позволяет преодолеть переходный процесс и выйти на установившийся режим работы в течение одного полупериода сетевого напряжения без снижения показателей качества потребляемой электроэнергии. Известный способ [7] имеет ряд модификаций применительно к трехфазному электрооборудованию, в том числе для трехфазного трансформатора [8, 9].
Включение трёхфазной ЯЬ- нагрузки, в частности трехфазного трансформатора, производится в два действия. В каждом действии применен один и тот же известный из курса ТОЭ способ включения однофазной ЯЬ-цепи [2]. Его суть заключается в том, что самый неблагоприятный момент включения однофазной ЯЬ-цепи наблюдается в нуле питающего напряжения, и самый благоприятный в п / 2 рад этого напряжения, т.е. в момент его максимума. Этот вывод сделан из решения дифференциального уравнения первого порядка относительно тока, при включении однофазной нагрузки (однофазного трансформатора) в 0 рад. и п / 2 рад питающего напряжения и нулевых начальных условиях:
и = Ит бш(1;) = Яэ 1 + Ьэ & / Здесь ЯЭ и ЬЭ - эквивалентные активное сопротивление и индуктивность схемы замещения печного трансформатора под нагрузкой.
В способе [7], сначала подключают две фазы нагрузки (одну общую для них однофазную ЯЬ - цепь с удвоенными ЯЭ и ЬЭ параметрами для схемы У) к линейному напряжению сети этих двух фаз в момент перехода напряжения третьей фазы сети через ноль. Затем подключают третью фазу нагрузки (вторую однофазную ЯЬ-цепь с ЯЭ и ЬЭ параметрами) к своему фазному напряжению сети в момент перехода через ноль линейного напряжения сети от двух предыдущих фаз.
Осциллограммами (рис. 3) иллюстрируется преимущество применения электронно-электрического аппарата для реализации способа включения и выключения печного трансформатора установки.
Включение печного трансформатора гибридным пускателем предусматривает три операции.
Первая операция способа. Подготавливают силовой электронный блок и блок управления к работе. Для этого в произвольный момент времени сетевым выключателем подают напряжение на тиристоры и блок ФИУ (пред включение установки).
Вторая операция способа. В момент перехода через ноль фазного напряжения Ил фазы А, блок ФИУ формирует импульс управления для ти-ристорного ключа фазы С и после его включения на трансформатор подается линейное напряжение ИВС между фазами В и С.
Третья операция способа. В момент перехода через ноль линейного напряжения иВС, блок ФИУ формирует импульс управления для тири-стор-ного ключа фазы А и после его включения на трансформатор подается трехфазное напряжение с формированием симметричной трехфазной системы токов (1А, 1в, 1С) и вхождения ее в установившийся режим в течение одного полупериода.
Выключение печного трансформатора производится также в три операции, но в обратной последовательности, при этом первые две из них выполняются сами по себе за счет естественных процессов в схеме.
Обратим внимание (рис. 4), что процесс формирования трехфазной симметричной системы токов при включении нагрузки подобен природе естественного процесса изменения трехфазной системы токов при отключении нагрузки.
I 1ТА0;Н
0.03 0.035 0.05
Рис. 4. Осциллограммы напряжений сети, токов нагрузки и сигналов управления тиристорами
Отключение однооперационных тиристоров происходит естественным способом после снятия с тиристоров управляющих импульсов. Сначала отключится одна из фаз А или С, ток через тиристорный ключ которой раньше перейдет через ноль, а затем отключатся две фазы при переходе через ноль общего для них тока. После выключения тиристоров отключают обесточенный сетевой выключатель.
Естественный способ отключения индуктивных контуров печного трансформатора предотвращает возникновение электрической дуги, которая при каждом отключении выжигает серебряную поверхность механических контактов сетевого выключателя. Таким образом, предлагаемые способ и устройство устраняют разрушающие воздействия на трансформатор и сетевой выключатель, продляя срок службы для всей установки.
Заключение. Применение трёхфазного устройства со специальным способом управления создает равномерное потребление трёхфазного тока, снижая потери и сохраняя высокое качество электроэнергии в сети при работе электротермической установки. Электронно-электрический аппарат
позволяет не только производить мягкое симметричное включение печного трансформатора, но и выключать его без возникновения дуги на механических контактах сетевого выключателя.
Предлагаемое устройство позволяет с увеличенной плотностью тока равномерно распределять прилагаемую энергию к заготовке и уменьшить время ее нагрева.
Список литературы
1. Чиженко И.М. Справочник по преобразовательной технике. К.: Техшка, 1978. 447 с.
2. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа. 1996. 638 с.
3. Klimash V.S., Tabarov B.D. The Method and Structure of Switching on and off, and Regulating the Voltage of a Transformer Substation. 2019. P. 8602876. DOI: 10.1109/FarEastCon.
4. Klimash V.S., Tabarov B.D. Method for control of the Start-up Regulating Device for power Transformers of the power Supply System // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. Т. 21. № 3. С. 135-145.
5. Климаш В.С., Табаров Б.Д. Реакторно-тиристорное регулирующее и компенсирующее устройство для ТП систем электроснабжения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 2. С. 378-385.
6. Программный комплекс математических моделей магнитно-тиристорного пускорегулирующего устройства для силового трансформатора в среде MatLab: свид. № 2017613852. Рос. Федерация // Климаш В.С., Табаров Б.Д.; заявитель и патентообладатели Климаш В.С. № 2016663857. Опубл. 03.04.2017. Бюл. № 26.
7. Патент: РФ №2510070. МПК: G05F 1/00. Способ включения трехфазных нагрузок // Климаш В.С., Тараканов В.И. Опубликовано: 20.03.2014. Бюл. № 8.
8. Патент: РФ №2667095. МПК: Н02М 5/25, G05F1/30. Способ управления пускорегулирующим устройством силового трансформатора // Климаш В.С., Табаров Б.Д. Опубликовано: 14.09.2018. Бюл. № 26.
9. Патент: РФ №2667481. МПК: Н02Р 13/00. Устройство для включения, выключения и регулирования напряжения трансформаторной подстанции / Климаш В.С., Табаров Б.Д. Опубликовано: 20.09.2018. Бюл. № 26.
10. Патент: РФ №2715047. МПК: H02M 1/16. Устройство для включения силового трансформатора // Климаш В. С., Ниматов Р.Р. Опубликовано: 26.02.2020. Бюл. № 6.
Климаш Владимир Степанович, д-р техн. наук, профессор, klimash'a yandex. ru, Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет,
Табаров Бехруз Довудходжаевич, канд. техн. наук, старший преподаватель, behruz. tabarovamail.ru, Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет,
Ниматов Рустам Рамазонович, аспирант, rustam0592amail. ru, Россия, Комсомольск-на-Амуре, Комсомольский-на-Амуре государственный университет
METHOD FOR SWITCHING ON AND OFF THE FURNACE TRANSFORMER OF AN ELECTROTHERMAL INSTALLA TION AND A DEVICE FOR IMPLEMENTING IT
V.S. Klimash, B.D. Tabarov, R.R. Nimatov
The problem of connecting a single-phase electrical heating system with a furnace transformer with a large inductive resistance to a three-phase network for electrothermal action on the part with its subsequent hardening or preform with its subsequent molding in the production of high-quality parts from special alloys is considered. Such installations create shock forces on the transformer and degrade the quality of electric power of electrothermal technology, which are expressed in large surges of the starting current, the duration of the transition process and asymmetry in the three-phase network, as well as uneven heating of parts and workpieces. It is proposed to eliminate these disadvantages by using a three-phase electrical installation with a special way of switching on and off a three-phase furnace transformer by an electronic-electrical apparatus with a three-phase switch and a block on four thyristors. The results of the study of transients in a new method of soft start of the furnace transformer by means of a simplified hybrid device and switching off without arcing on the mechanical contacts of the mains switch are presented.
Key words: electronic-electric apparatus, furnace transformer, soft start method, disconnection without electric arc, installation of electrothermal action, heating of the workpiece.
Klimash Vladimir Stepanovich, doctor of technical Sciences, professor, klimashayandex. ru, Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University,
Tabarov Bekhruz Dovudkhodzhaevich, candidate of technical Sciences, senior lecturer, behruz. tabarovamail.ru, Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University,
Nimatov Rustam Ramazonovich, postgraduate, rustam0592@mail.ru, Russia, Komsomolsk-on-Amur, Komsomolsk-on-Amur State University
