ЭМП, генерируемые электросварочными установками

Таблица 3.1

Напряжение питания ДСП, кВ	, %	%	KU, %	K 2 U, %
6…10	-6…+6	1…7	0,5…5	1…6
	-5…+5	1…6	0,7…4	0,5…5
	-6…+7	0,5…3	0,1…2	0,5…3

Колебания напряжения, создаваемые ДСП, делятся на два вида: нерегулярные - с частотой до 1 Гц; регулярные (циклические) - с частотой от 1 до 10 Гц. Основными причинами нерегулярных колебаний являются неблагоприятные условия зажигания дуг в период расплавления и неустойчивое их горение, короткие замыкания электродов с шихтой в момент пуска печи и при обвалах шихты, обрывы дуг при обвалах, резкие перемещения электродов вследствие коротких замыканий и обрывов дуг. Поскольку броски тока при нерегулярных колебаниях достигают 100 % номинального тока печного трансформатора, то величина размаха нерегулярных колебаний напряжения достигает 7…12 %. Причины возникновения регулярных колебаний - действие внешних и внутренних электромагнитных сил, стремящихся вытолкнуть дуги из-под электродов в сторону стенок печи, вибрация электродов и электродержателей, выпрямительный эффект, внезапные изменения проводимости в зоне горения дуг вследствие испарения материалов и другие нарушения более или менее периодического характера.

Большие значения колебаний напряжения, создаваемых ДСП, работающих на переменном токе, привели к необходимости перевода этих печей на постоянный ток, к развитию плазменных и дуговых вакуумных печей. На рис. 3.6 показана схема питания дуговой печи постоянного тока с элементами управления. Управление процессом плавки производится автоматически с помощью контроллера тока и напряжения.

Основным видом ЭМП, создаваемых дуговыми печами на постоянном токе, являются высшие гармоники. Спектр высших гармоник, генерируемых этими печами, зависит от схемы выпрямления и определяется по формуле

, (3.16)

где m - число фаз выпрямления; k - ряд натуральных чисел (k = 0, 1, 2...).

В зависимости от мощности печей применяются шести- и двенадцати-

фазные схемы выпрямления. При шестифазных схемах генерируются 5, 7, 11 и 13-я гармоники, а при двенадцатифазных - 11, 13, 23 и 25-я гармоники.

Действующее значение нечетных гармоник, генерируемых печами постоянного тока, можно определить по выражению

, (3.17)

Рис. 3.6. Схема дуговой печи постоянного тока

К дуговым печам относят также дуговые плазменные установки и дуговые нагреватели газов. Мощности этих установок находятся в пределах от 0,1 до 8 MB×А, напряжение питания переменное: 0,38; 6 и 10 кВ. Наибольшее распространение имеют плазмотроны на постоянном токе с тиристорными источниками питания. Полный КПД этих установок лежит в пределах 0,93…0,96, коэффициент мощности 0,92…0,95. Они генерируют в сеть высшие гармоники тока, которые определяются по выражениям (3.15) - (3.17).

Электрошлаковые печи (ЭШП). Они разделяются на одно-, двух- и трехфазные. Мощности ЭШП от 0,5 до 10 MB×А, напряжение питания переменное: 0,38; 6 и 10 кВ. Режим работы ЭШП спокойный с постепенным уменьшением потребляемого тока к концу процесса плавки. Однофазные и двухфазные печи создают в сетях несимметрию напряжения величиной до 4 %.

Индукционные электрические печи и установки. Индукционные печи делятся на две разновидности: канальные и тигельные.

Канальные печи могут иметь одну или несколько индукционных единиц. Мощность однофазной индукционной единицы от 50 до 1000 кВ×А. В печах большой мощности применяются двухфазные, а также трехфазные индукционные единицы мощностью до 1500 кВ×А. Для канальных печей характерен полунепрерывный или непрерывный режим работы, поэтому они используются главным образом для плавки цветных металлов (меди, алюминия, цинка и их сплавов), в качестве разливочных печей в производстве цветного литья и миксеров для накопления, выравнивания состава и подогрева чугуна. Индукционные канальные печи изготовляются на емкости: от 0,5 до 35 т для плавки меди и ее сплавов; от 0,2 до 40 т для плавки алюминия; от 0,4 до 150 т для плавки цинка; от 0,5 до 250 т для плавки чугуна (в качестве миксеров). Мощности печей от 18 до 10000 кВ×А. Напряжение питания переменное: 0,36; 6; 10 кВ.

Индукционные тигельные печи (ИТП) применяются: для плавки стали емкостью от 0,06 до 6 т, мощность печей от 0,1 до 2,5 MB×A; для плавки чугуна емкостью от 1 до 60 т, мощность печей от 0,4 до 21 MB×A; для плавки алюминиевых сплавов емкостью от 0,4 до 10 т, мощность печей от 0,2 до 2,5 MB×A; для плавки медных сплавов емкостью от 1 до 25 т, мощность печей от 0,35 до3,3 MB×A.

На рис. 3.7 приведена однолинейная схема ИТП.

Симметрирующее устройство необходимо для снижения несимметрии токов и напряжений в точках подключения индукционных печей. Им снабжаются все индукционные печи промышленной частоты мощностью 1000 и более киловольт-ампер. Индукционные тигельные печи имеют очень низкий cosφ, поэтому для компенсации их реактивной мощности параллельно индуктору включают конденсаторные батареи. Часть из них С включены постоянно, а другая С ₁ - С_n (обычно 1/2 - 1/3 общей емкости) включается с помощью электромагнитных контакторов К₁ - К _n.

Печи для плавки стали работают на частоте от 500 до 10000 Гц с питанием от машинных или тиристорных преобразователей, остальные печи работают на частоте 50 Гц. Напряжение питания всех печей переменное: 0,36; 6 или 10 кВ. На рис. 3.8 приведена схема питания ИТП от тиристорного преобразователя частоты (ТПЧ). Выпрямительный блок 1 представляет собой трехфазный мостовой управляемый выпрямитель, преобразующий переменный ток промышленной частоты в постоянный ток, блок реакторов 2 осуществляет сглаживание выпрямленного тока, инвертор 3 преобразует постоянный ток в переменный повышенной частоты. В данном ТПЧ применен двухтактный инвертор, принцип действия которого основан на поочередном отпирании вентилей моста, в результате чего в нагрузке (индукторе И) проходит переменный ток, частота которого равна частоте коммутации управляемых вентилей инвертора. Блок пуска БП обеспечивает запуск преобразователя.

Индукционные печи вносят в сеть следующие виды ЭМП: отклонения напряжения, несимметрию токов и напряжений. Индукционные печи с несколькими индукционными единицами создают, кроме того, колебания и провалы напряжения, а высокочастотные индукционные печи вносят в сеть несинусоидальность токов и напряжений. Величина тока нечетных гармоник, генерируемых этими установками, определяется по выражению

. (3.18)

При шестифазной схеме преобразователя они генерируют n = 5, 7, 11, 13.

Все индукционные печи обладают очень низким естественным коэффициентом мощности, поэтому большинство индукционных печей выпускаются в комплекте с конденсаторными батареями, а крупные индукционные печи - в комплекте с симметрирующими устройствами.

Рис. 3.7. Однолинейная схема ИТП с симметрирующим устройством:

ПСН - переключатель ступеней напряжения; С _с, L - емкость и индуктивность симметрирующего устройства; ПТ - печной трансформатор; ТН - трансформатор напряжения; И - индуктор; С - нерегулируемая конденсаторная батарея; С ₁ - С_n - регулируемые конденсаторные батареи; К₁ - К _n - контакторы; АРИС - автоматический регулятор симметрирующего устройства; АРИР - автоматический регулятор режима печи

Рис. 3.8. Схема питания индукционной печи повышенной частоты:

БП - блок пуска; АВ - автоматический выключатель;

L - сглаживающий реактор; И - индуктор; С _к - конденсаторная батарея

Индукционные нагревательные и закалочные установки. Для питания некоторых ЭТУ, например, предназначенных для индукционного нагрева и закалки, требуются токи повышенной и высокой частоты от нескольких сотен герц до нескольких мегагерц.

Генерирование токов повышенной частоты от 250 Гц до 10 кГц при мощности до нескольких мегаватт в настоящее время во всех ведущих странах мира осуществляется почти исключительно тиристорными преобразователями частоты [8]. Благодаря более высокому КПД (0,92¼0,97) (по сравнению с КПД применявшихся ранее электромашинных преобразователей) достигается экономия 20¼25 % электроэнергии.

Область частот от 10 до 100 кГц практически не использовалась из-за отсутствия приемлемых источников питания. Для генерирования частот выше 100 кГц до настоящего времени применяются ламповые генераторы мощностью от нескольких сотен ватт до 600 кВт и выше.

Благодаря созданию новых полностью управляемых полупроводниковых приборов, таких как силовые полевые транзисторы (МДПТ) и силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ), сейчас имеются новые возможности для разработки полупроводниковых преобразователей в диапазоне частот от 10 кГц до нескольких мегагерц. По сравнению с тиристорными преобразователями частоты они имеют более низкие потери управления и допускают более выгодные режимы работы. Преимуществами транзисторных преобразователей перед ламповыми являются: более высокий КПД (более 90 % у транзисторных, около 50 % у "классических" и 70 % у апериодических ламповых генераторов); меньшие размеры (от 1/3 до 1/10); почти неограниченный срок службы силовых транзисторов (при сроке службы генераторных ламп от 4000 до 6000 часов); меньший расход охлаждающей воды; более низкие эксплуатационные расходы; низкое рабочее напряжение; постоянная готовность к работе.

Тип полупроводникового прибора (тиристор, МДПТ или БТИЗ), схемное решение и принцип управления в значительной мере определяют достижимую частоту и КПД преобразователя частоты. Рис. 3.9 дает представление о частотах и мощностях, достигнутых в настоящее время при использовании различных установок.

Рис. 3.9. Рабочие области частоты и мощности генераторов

Свойства полупроводниковых приборов, применяемых в преобразователях частоты, оказывают влияние на выбор схемы и режима работы. От тиристоров, применение которых определяется главным образом временем выключения, силовые МДПТ и БТИЗ отличаются следующими свойствами:

- возможность выключить транзисторы непосредственно из активного режима позволяет реализовать работу инвертора как с емкостным, так и с индуктивным рассогласованием;

- неспособность силовых МДПТ и БТИЗ блокировать обратное напряжение требует, если они не работают в резонансном режиме, последовательного включения быстродействующего диода;

- использование внутреннего обратного диода МДПТ, встроенного в его структуру, из-за низкого быстродействия не всегда возможно;

- высокие допустимые значения скорости нарастания тока di / dt и напряжения du / dt обостряют проблемы защиты и влияния на питающую сеть;

- малое время переключения позволяет работать на высоких частотах.

Предпочтительными схемами для генерирования повышенной и высокой частоты при помощи полупроводниковых приборов являются параллельные и последовательные резонансные инверторы. Тиристорные инверторы могут работать только с емкостным рассогласованием, транзисторные инверторы - также с индуктивным рассогласованием и даже в резонансном режиме.

Для питания установок индукционного нагрева для сварки, отжига, закалки и специальных задач перспективными являются высокочастотные (ВЧ ) преобразователи на базе силовых МДПТ. Область их рабочих частот от 50 до 300 кГц при мощностях от нескольких до 1200 кВт.

Расширяется использование для питания установок индукционного нагрева для отжига, закалки и специальных задач ВЧ преобразователей на базе силовых БТИЗ в области частот от 10 до 60 кГц при мощностях от 30 кВт до нескольких сотен киловатт. На рис. 3.10 показана блок-схема такого ВЧ преобразователя с параллельным инвертором на базе БТИЗ с регулированием мощности при помощи прерывателя постоянного тока на базе МДПТ во входной цепи. Управление и защита выполняются так же, как у ВЧ преобразователя на базе силовых МДПТ.

Поскольку БТИЗ, как и МДПТ, являются управляемыми напряжением полупроводниковыми приборами, затраты на управление транзисторным преобразователем частоты ниже, чем тиристорным. Ожидается, что параллельные резонансные инверторы на базе БТИЗ заменят тиристорные преобразователи в области частот выше 1000 Гц и скоро их будут применять при частотах до 100 кГц. Возможность параллельного включения резонансных инверторов позволяет достичь мощности нескольких мегаватт. Инвертор на базе МДПТ охватит область частот от 100 кГц до 1 МГц.

Рис. 3.10. Блок-схема ВЧ транзисторного преобразователя для

индукционного нагрева на БТИЗ:

ГКл - главный ключ; ГК - главный контактор; Т - трансформатор;

В - выпрямитель; ТТ - трансформатор тока; ТН - трансформатор напряжения;

И - инвертор; КЦ - колебательная цепь; ТСУ - трансформатор системы управления;

ВнБУ - внешний блок управления; ВБУ - внутренний блок управления

Установки нагрева методом электрического сопротивления. Они бывают косвенного и прямого нагрева.

Установки косвенного нагрева в большинстве случаев получают питание непосредственно от цеховой сети напряжением 0,22 или 0,38 кВ. Регулировочные трансформаторы и автотрансформаторы применяются, когда необходимо изменять подаваемое на нагреватели напряжение, например, при карборундовых, молибденовых, вольфрамовых и угольных нагревателях, а также в соляных ваннах. Мощность электрических печей сопротивления косвенного нагрева от 50 до 600 кВт для плавки цветных металлов и от 5 до 10000 кВт для термообработки, причем такие печи небольшой мощности однофазные, а средней и большой мощности трехфазные и с несколькими зонами нагрева.

Для плавного и непрерывного регулирования температуры в высокотемпературных и прецизионных печах применяют тиристорные источники питания, в одно- и трехфазных источниках питания принята встречно-параллельная схема включения тиристоров. Использование в трехфазных источниках встречно-параллельного соединения тиристоров в каждой фазе при соединении нагрузки по схеме звезда с выведенным нулем и треугольник обеспечивает независимую работу фаз.

Тиристорные источники питания можно разделить на две группы: непрерывные - тиристорные управляемые источники питания (ТУИП) и релейные-тиристорные переключатели.

Тиристорные источники питания выполняются однофазными типа РНТО на выходные токи 63, 250 и 630 А и трехфазными типа РНТТ на выходные токи 3×63, 3×100, 3×160, 3×250, 3×600 А. Напряжение 380 В. Мощность однофазных ТУИП типа РНТО от 12 до 200 кВт, трехфазных типа РНТТ от 35 до 590 кВт. Принципиальная схема питания печи от тиристорного трехфазного ТУИП типа РНТТ показана на рис. 3.11.

Мощность установок нагрева методом электрического сопротивления прямого действия составляет от 60 до 600 кВ×А, напряжение питания 0,38 кВ. Они являются однофазными ЭП. Однофазные установки нагрева методом электрического сопротивления создают несимметрию напряжения, а установки с тиристорными источниками питания - высшие гармоники тока и напряжения.

Рис. 3.11. Принципиальная схема печи сопротивления

с тиристорным источником питания:

ТУИП - тиристорный управляемый источник питания; БП - блок питания;

ПУ - пульт управления; БФУ - блок фазового управления; БУТ - блок

управления тиристорами

Электросварочные установки (ЭСУ) при своей работе создают помехи излучения и помехи проводимости. Электромагнитные помехи излучения лежат в диапазоне средних и высоких частот и для расстояний L = 300…1610 м пропорциональны L ^-1,5 [1]. Излучаемый спектр концентрируется в одной из трех областей частот: 750 кГц, 3 или 20 МГц.

Помехи проводимости, вызываемые ЭСУ, можно разделить: на технологические, создаваемые за счет резкопеременного режима работы, к ним относятся колебания и провалы напряжения; электротехнические, определяемые видом ЭСУ, их систем управления и коммутации, к ним относятся несинусоидальность и несимметрия напряжений; структурно-технологические, зависящие от состава ЭСУ в группах и их коммутации; структурно-составные, характеризующиеся взаимовлиянием помех друг на друга.

По своему характеру ЭМП проводимости, создаваемые ЭСУ, можно разделить на два вида: детерминированные и случайные. Отдельные ЭСУ могут создавать детерминированные или случайные ЭМП, а группы ЭСУ - случайные ЭМП.

Импульсный характер графиков нагрузки машин контактной сварки приводит к появлению в огибающей напряжения провалов. Форма провалов напряжения (ПН) зависит от формы индивидуальных импульсов тока сварки, которые определяются способом включения ЭСУ. Электросварочные установки могут включаться с помощью асинхронных тиристорных контакторов. В общем случае, когда угол открытия тиристоров не равен углу нагрузки (), при включении возникает ток переходного процесса. Этот ток состоит из установившегося синусоидального i _у и свободного i _св тока, меняющегося по экспоненте, т.е.

,

где I_m - амплитудное значение тока; A - значение свободного тока в момент включения; - постоянная времени активно-индуктивной цепи.

В момент включения ток в цепи с индуктивностью должен быть равен нулю, тогда

. (3.19)

Из (3.19) видно, что при и А = 0 ток сразу принимает установившееся значение:

.

Включение контакторов с углами a > φ обеспечивается синхронными контакторами. В асинхронных контакторах момент включения может меняться в процессе работы машины, и возможны случаи, когда a > φ или даже . При 0 < a < φ величина A приобретает положительное значение, и поскольку свободный ток существует во время, равное , то все это время наблюдается асимметрия в форме тока.

Таким образом, при синхронных контакторах сварочные машины создают импульсы тока в виде отрезков синусоид с постоянной амплитудой, а при асинхронных контакторах, наряду с импульсами с постоянной амплитудой, наблюдаются импульсы с амплитудой затухающей по экспоненте.

Последовательность ПН, создаваемых отдельными ЭСУ, может носить периодический, цикличный или случайный характер.

Периодическую последовательность ПН создают ЭСУ, работающие в автоматических сварочных линиях, и сварочные роботы. Эти последовательности ПН в зависимости от числа одновременно свариваемых точек могут быть трех видов: 1) отдельных ПН (рис. 3.12, а); 2) групп ПH (рис. 3.12, б); 3) комплексов групп ПН (рис. 3.12, в). Количество ПН в группах и групп в комплексах, а также периоды следования ПН (Т), группы (Т _г) и комплексов (Т _к), расстояния между ПН () и их длительности () постоянны. Расстояния между ПН, группами ПН и комплексами групп ПН определяются временем смены деталей и перемещения инструмента, а длительность - технологией и режимом работы ЭСУ.

Для циклических последовательностей ПН характерно случайное изменение расстояния между ПН в группах и между группами (рис. 3.12, г). Такие последовательности ПН имеют ЭСУ, работающие в полуавтоматическом режиме при наличии ручных операций установки и снятия деталей.

Случайные последовательности ПН характеризуются случайными изменениями их характеристик: размахов , длительностей , периодов следования (Т_i, Т _{г i}, T _{к i}) и др. Случайные последовательности ПH подразделяются на основные группы:

1) случайные последовательности отдельных ПН (работа большинства ЭСУ в неавтоматическом режиме: подвесные и стационарные точечные cварочные машины);

2) случайные последовательности групп ПН (многоточечные сварочные машины);

3) случайные последовательности комплексов групп ПН (работа стационарных и подвесных одноточечных машин при перемещении изделия или инструмента, полуавтоматические сварочно-сборочные линии).

Глубина ПН определяется мощностью сварочной машины и источника питания, а также параметрами питающей сети. Машины точечной и рельефной сварки создают ПН до 7 %. Наибольшую глубину ПН образуют стыковые и многоточечные машины - до 19 %. Длительность ПН зависит от видов ЭСУ и свариваемого металла (толщины и марки). Точечные, рельефные, многоточечные и шовные сварочные машины создают ПН длительностью от 0,02 до 1,0 с, стыковые сварочные машины - от 0,2 до 20 с, а дуговые сварочные установки - от 5 до 600 с.

Средняя частота ПН:

, (3.20)

где n - число ПН за интервал времени Т (с, мин, ч).

Средняя частота размахов напряжения:

. (3.21)

В настоящее время большое число машин контактной сварки снабжается регулируемыми тиристорными контакторами. Большое распространение получили также сварочные машины постоянного тока и установки дуговой сварки постоянного тока.

а)

б)

в)

г)

Рис. 3.12. Виды провалов напряжения, создаваемых

электросварочными установками

Токи отдельных гармоник машин контактной сварки можноопределить по формуле

, (3.22)

где S _пасп - паспортная мощность ЭСУ; K _з.с, ПВ_ф.с - среднестатистические коэффициенты загрузки и фактической продолжительности включения.

Определяющими являются 3, 5 и 7-я гармоники.

Сварочные машины постоянного тока и сварочные выпрямители, имеющие трехфазную мостовую схему выпрямления, генерируют 5, 7 и 11-ю гармоники. Токи отдельных гармоник для них определяются по выражению

. (2.23)

Все ЭСУ, как правило, являются однофазными потребителями электроэнергии. Равномерное распределение их по парам фаз трехфазной сети не всегда удается, особенно при наличии крупных сварочных машин, кроме того, сварочные машины включаются в случайном порядке. Поэтому в трехфазной сети с ЭСУ возникает несимметрия токов, которая приводит к несимметрии напряжения; наряду с системой прямой последовательности напряжений, появляются составляющие обратной и нулевой последовательностей.

Коэффициент несимметрии напряжения в сварочных сетях колеблется от 1 до 5 %, что превышает норму 2 %, указанную в ГОСТ 13109-97. Однако большие значения коэффициента несимметрии кратковременны (до 1,0 с) и с большими паузами между ними (до нескольких минут), кроме того, они возникают только при наличии машин с кВ×А. Поэтому при проектировании схем электроснабжения для питания ЭСУ применение специальных симметрирующих устройств должно быть экономически обосновано, так как влияние несимметрии напряжения на нагрев электродвигателей практически сказываться не будет. Несимметрия напряжения, вызываемая сварочной нагрузкой, может повлиять на системы управления и автоматики ЭСУ и других производственных механизмов.

Для дуговой электросварки также могут применяться источники питания переменного и постоянного тока. Дуговые сварочные установки генерируют гармоники тока 3, 5 и 7-го порядков. Однофазные установки создают несимметрию токов и напряжений.

Мощности машин контактной сварки от 10 до 1000 кВ×А, автоматические сварочные линии для сварки кузовов автомобилей, вагонов, тракторов и т.д. имеют установленные мощности сварочных машин от 500 до 20000 кВ×А. Напряжение питания 380 В.

Мощности дуговых сварочных установок находятся в пределах от 10 до 200 кВ×А, напряжение питания 220 или 380 В.