Индукционные печи

Содержание

 

   Введение                                                                                                 4-5                                                                 

 

1 Назначение электрооборудования и его основные технические характеристики                                                                                                     6                

 

2 Техническое обоснование выбора трансформаторов                            7              

 

3 Выбор рода тока и величины напряжения                                          8-9  

4 Расчет мощности индукционной печи                                          10-11

 

5 Построение механической характеристики                                         12 

 

6 Разработка принципиальной электрической схемы                   13-14        

 

7 Выбор аппаратов защиты                                                                     15   

 

8 Конструкции индукционных плавильных печей                          16-17

 

9 Выбор питающих проводников и способы их прокладки            18-19    

 

10 Расчет заземления электрооборудования                                     20-21            

 

11 Охрана труда и техника безопасности                                          22-23             

 

   ОСТБ                                                                                                24         

 

    Список литературы                                                                               25         

 

Введение

 

В настоящее время  на предприятиях имеется большое  количество электрооборудования. В  качестве приемников электроэнергии     используют электрические приемники трехфазного тока напряжением до 1000 В, частотой 50 Гц, напряжением 380 и 660 В; трехфазного тока напряжением выше 1000 В, частотой 50 Гц, 6 и 10 кВ; однофазного тока напряжением до 1000 В, 50 Гц (127, 220 и 380 В); постоянного тока на напряжение 6, 12, 24, 110, 220, 440, 650 и 1000В.

Около 65% электроприемников  составляют электродвигатели:    асинхронные общего назначения, с короткозамкнутым ротором, на напряжение 380/660 В, мощностью от 0.12 до 315 кВт; специальные взрывозащищенные электродвигатели серии ВА0 на напряжение 380/660 В, мощностью от 0,4 до 320 кВт. На напряжение 6 и 10 кВ изготавливают асинхронные электродвигатели серии АТД 2 мощностью от 315 до 5000 кВт и синхронные мощностью то 630 до 12500 кВт. Эти же двигатели, продуваемые под избыточным давлением, применяют для привода механизмов, находящихся во взрывоопасных зонах.

Остальную часть занимают аппараты управления и защиты.     Аппаратом защиты называется устройство,  которое автоматически отключает защищаемую цепь при ненормальных режимах работы. По конструктивному исполнению аппараты бывают контактные и бесконтактные. Аппараты управления предназначены для включения и отключения электрических цепей. Они бывают ручного и дистанционного управления.

Электрические аппараты используются в различных электрических  установках: электрических станках, печах, сварочных установках, в химической, металлургической и др. промышленностях.

Применение регулируемых электроприводов с электродвигателями переменного и постоянного тока, с питанием от полупроводниковых  преобразователей напряжения и частоты, с большим и плавным        диапазоном регулирования и точностью поддержания частоты вращения позволяет снизить расход электроэнергии и улучшить технические показатели работающих агрегатов и линий.

Большая мощность современных  энергосистем позволяет применять  пуск крупных электродвигателей  без сложных и дорогостоящих автотрансформаторов и реакторов. Широко применяются         комплектные понизительные и преобразовательные подстанции, объемно-блочные и сборнощитовые электротехнические помещения и посты управления.

Электрооборудование нельзя рассматривать в отрыве от         конструктивных и технологических особенностей электрифицируемого объекта, и наоборот. Поэтому специалисты в области электрооборудования промышленных предприятий должны быть хорошо знакомы как с электрической частью, так и с основами технологических процессов и конструкциями установок электронагрева и электросварки, металлообрабатывающих станков и машин, подъемно-транспортных механизмов и т.д. Электрооборудование промышленных предприятий и установок проектируется, монтируется и эксплуатируется в соответствии с правилами устройства электроустановок и другими руководящими документами.

Целью курсового  проектирования является внедрение на практике полученных знаний при изучении специальных дисциплин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Назначение электрооборудования и его основные технические характеристики

 

Индукционные электрические  печи предназначены для плавки      металла. Индукционные печи со стальным сердечником по конструкции напоминают силовые трансформаторы. Печь имеет стальной сердечник, первичную обмотку и вторичную обмотку в виде замкнутого канала, заполненного жидким металлом. Магнитопроводы выполняют стержневым или броневым. Кольцевой канал выкладывают в огнеупорной футеровке или в подовом камне так, чтобы он охватывал магнитопровод с первичной обмоткой.

Поскольку канал с расплавленным  металлом представляет собой        короткозамкнутый виток, то в нем возникает электрический ток. При прохождении электрического тока по металлу выделяется тепловая энергия, нагревается металл.

Индукционная печь с сердечником отличается от трансформатора тем, что в печи имеют место совмещения вторичной обмоткой с нагрузкой. Индукционные печи с сердечником имеют низкий коэффициент мощности, так как из-за наличия футеровки у них большой поток рассеяния.

Печь состоит из корпуса  футеровки, магнитопровода с индуктором, сливного  желоба механизма поворота. Индуктор делают из водоохлаждаемой медной трубки или калиброванного медного провода прямоугольного сечения. Токопроводы изготавливают из медных или алюминиевых шин, для наклоняющих печей из гибкого кабеля с медными или алюминиевыми жилами. Магнитопроводы с индукторами могут быть как трехфазные, так и однофазные. Мощность печей до 1000 кВА. Индукционные печи со стальным сердечником питаются от цеховых трансформаторных подстанций напряжением 220, 380, и 660 В. При питании печей для плавки алюминия требуется в небольших пределах регулировка мощности, поэтому для больших печей применяют специальные силовые печные трансформаторы, имеющие несколько ступеней напряжения, а для малых автотрансформаторы.

Некоторые печи имеют дополнительный регулируемый    автотрансформатор, предназначенный для сушки и первой плавки печи при мощности 25-30 % номинальной. Двигатели наклонения печи для слива металла, вентиляторов и приводов механизмов загрузки и разгрузки питаются от трансформаторов собственных нужд.

 

2 Техническое обоснование  выбора трансформаторов

 

В индукционных установках частоты 50 Гц в качестве печных     используются главным образом специально предназначенные для этой цели одно и трехфазные силовые масляные трансформаторы, моторы типов ЭОМП, ЭОМН, ЭТМП и другие (буква О – однофазный, расшифровка остальных букв так же, что и для трансформаторов дуговых печей). Они имеют ступенчатое регулирование напряжения с устройством дистанционного управления переключением ответвлений обмотки на стороне ВН: для мощности 400-1000 кВА – при  отключенном трансформаторе (устройство ПБВ), для большей мощности – максимальной нагрузкой (устройство РПН). В качестве примеров комплектации печей трансформаторами этих типов, например для печи ИЧТ-1 емкостью 1 т применяется трансформатор ЭТМН-1000/10 мощностью 1000 кВА. Помимо специальных трансформаторов в индукционных установках применяются и некоторые типы трансформаторов для дуговых печей и печей сопротивления. При питании печи с однофазным индуктором от трехфазного печного трансформатора устанавливают симметричное устройство, состоящее из реактора и батареи конденсаторов.

Для сушки печи и первой плавки необходимо понижать мощность примерно до 30 % номинальной. Поэтому печи иногда снабжают      вспомогательными трансформаторами или автотрансформаторами. Они могут поочередно подключатся то к одной, то к другой печи. Для канальных печей такой трансформатор обеспечивает возможность работы на холостом ходу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Выбор рода тока и  величины напряжения

 

Питание индукционных печей  частоты 50 Гц при мощности печного  трансформатора менее 400 кВА производится от сети 380 В, при больших мощностях  – от 6 или 10 кВ. Поскольку естественный   коэффициент мощности таких печей весьма низок, обязательно применяют устройства его компенсации. Максимальные значения напряжения индукторов лежат в пределах от 500 до 2000 В у тигельных и от 40 до 600 В у канальных печей.

Преобразователи представляют собой агрегаты из трехфазного     асинхронного или синхронного двигателя частоты 50 Гц однофазного индукторного синхронного генератора средней частоты.

Печные трансформаторы и автотрансформаторы используют при напряжении нагревательных элементов, отличающемся от напряжения на нагревателях, т.е. мощности, подводимой к нагревателям. Во многих случаях для печей с металлическими нагревательными элементами применение понижающих трансформаторов (автотрансформаторов) экономически выгодно, так как позволяет выбрать нагревательные      элементы, имеющие большой срок службы за счет увеличенного сечения проволоки (ленты). Трансформаторы (автотрансформаторы) применяют, как правило, также для печей с нагревательными элементами из дисилицида молибдена или карборунда, сопротивление которых существенно изменяется с их разогревом, и для соляных ванн.

Регулирование вторичного напряжения U₂ печных трансформаторов (автотрансформаторов) осуществляется ступенями. Предусматривается несколько ступеней U₂, причем регулирование производят без нагрузки изменением коэффициента трансформации. Для этого изменяют числа витков секционированной первичной обмотки перестановкой       перемычек или специальным переключателем; у некоторых типов трансформаторов дополнительно переключают схему секционированной вторичной обмотки.

Трансформаторы и автотрансформаторы для печей сопротивления, как  правило, имеют естественное воздушное  охлаждение («сухие») и устанавливаются непосредственно в производственных помещениях поблизости от печей.

Однофазные печные трансформаторы серии ТПО изготавливаются на мощности 1,6-10 кВА с первичным напряжением 220 В (на максимальные вторичные напряжения U_2макс 20/80 В, с четырьмя ступенями, при этом U_2мин 0,65U_2макс ) и на мощности 25-250 кВА с первичным напряжением 380 В (на напряжения U_2макс 40/160 В, с восемью ступенями, U_2мин 0,3U_2макс ).

Трехфазные печные трансформаторы серии ТПТ рассчитаны на        первичное напряжение 380 В. При мощностях 16-25 кВА они имеют 16 ступеней трансформации (4 ступени первичной и дополнительно 4 ступени вторичной обмоток). По ступеням вторичной обмотки напряжение U₂ изменяется в 8 раз (U_2макс 70 В на первой ступени первичной обмотки) и за счет ступеней первичной обмотки – еще в 1,7 раза. Трансформаторы мощностью 40-250 кВА изготавливаются с восемью ступенями напряжения U₂. При U_2макс 270 В напряжение на последней ступени составляет 0,36U_2макс. Кроме того, вторичная обмотка может переключаться со звезды на треугольник.

Печные трехфазные автотрансформаторы серии АПТ мощность 6-25 кВА с первичным напряжением 380 В и 16 ступенями трансформации позволяют регулировать напряжение U₂ в пределах от 250 до 40-50 В.

Применяются также трансформаторы и автотрансформаторы других серий, в том числе и трансформаторы с плавным регулированием вторичного напряжения (с подвижной вторичной обмоткой).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Расчет мощности индукционной  печи

 

В магнитопроводе наводится переменный магнитный поток Ф, Вб. Магнитный поток определяется по формуле:

 

                                                                                                 (1)

 

где F – магнитодвижующая сила, Дж;

R – сопротивление магнитной цепи, Ом

 

                                           

 

Этот переменный магнитный поток по закону электромагнитной индукции наводит во внутренней обмотке переменный ЭДС

 

                                                                                           (2)

 

действующее значение электромагнитной индукции, В, определяется по формуле:

 

                                                          (3)

 

где Ф₁ – магнитный поток, Вб;

     – число витков вторичной обмотки;

f – частота сети, Гц.

 

 

Индукционная печь с сердечником  отличается от трансформатора тем, что  в цепи имеют место совмещения вторичной обмотки с нагрузкой. Индукционные печи с сердечником имеют низкий коэффициент        мощности (0,6-0,8), так как из-за наличия футеровки у них большой поток рассеяния Ф_s (до 20-30 %).

Электродвижущуюся силу, кВт, вторичной обмотки определяем по формуле:

                                                                             (4)

 

где g – средняя производительность печи, т/ч;

       с – удельное теплосодержание металла при разливе, кДж/кг;

      t₁,t₂ – время расплавления металла и время загрузки, ч;

      – КПД печи (0,74-0,82 – с железным сердечником,

0,90-0,96 – со стальным  сердечником).

 

                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Построение механической характеристики

 

Глубина закаленного  слоя l зависит от частоты f следующим    образом.

 

 

 

l, м	3,5-20	1,1-7	0,5-3,5	0,15-1,0
f, Гц	1000	8000	70000	500000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Разработка принципиальной  электрической схемы

 

Типовая принципиальная электрическая  схема силовой части установки  индукционной тигельной печи промышленной частоты.

Напряжение на печь ЭПИ  подается после включения выключателя QF на стороне высокого напряжения печного трансформатора Т через трансформаторы напряжения ТV₁ и трансформаторы тока ТА₁ присоединены измерительные приборы— вольтметр V₁, амперметр А₁, ваттметр W и счетчик Wh активной энергии, потребляемой печью, и аппараты релейной защиты. Параллельно индуктору печи подключена компенсирующая компенсаторная батарея, которая состоит из постоянно присоединенной секции С и секции C₁-C₂, управляемых контакторами SA₁ и SA₂, где SA₂ число секций на стороне низкого напряжения (НН) печной установки от трансформаторов напряжения T и трансформатора тока ТА₂ получают питание вольтметр V₂ и амперметр А₂, а также автоматический регулятор режима печи АР.

Для подключения печи подается напряжение 6кВ через автоматический выключатель QF. При помощи приборов амперметров, вольтметров измеряются величины тока и напряжения, а также значение этих величин необходимо для автоматического регулирования режима печи. Если температура в печи изменяется, то сигнал от приборов передается регулятору режима, который изменяет нагрев.

Для защиты печи от перегрузок по току и напряжению применяется  релейная защита, которая питается через измерительные трансформаторы от двух фаз.

Тиристорные преобразователи частоты.

Тиристорные преобразователи  частоты построены по схемам с      промежуточным звеном постоянного тока. Звено постоянного тока представляет собой управляемый тиристорный выпрямитель VS₁-VS₆, собранный по трехфазной мостовой схеме. Выпрямительный ток сглаживается фильтром, состоящим из реактора L_ф и конденсатора С_ф. Однофазный мостовой  инвертор Ин – с емкостной коммутацией, совершаемой при мощности конденсатора С_к и реактора L_к, преобразует постоянный ток в переменный ток средней частоты, который питает нагрузку – электропечь индукционную ЭПИ и компенсирующую конденсаторы С_н.

Конструктивно тиристорные  преобразователи частоты выполняются  в виде крупноблочного комплектного устройства, собранного из шкафов двустороннего  обслуживания.

Функционально преобразователь частоты  включает в себя три составные  части – гетеродин, смеситель и выходной полосовой фильтр. Гетеродин представляет собой синусоидальной формы, настраиваемый либо с фиксированной частотой. Смеситель – основная часть преобразователя, нелинейное электронное устройство, в котором происходит образование нужного спектра. Принцип действия смесителя состоит в том, что в результате нелинейных процессов образуются комбинационные гармоники, частоты которых равны разностям или суммам частот гармоник входных сигналов либо частот кратных частотам исходных гармоник пропорциональны амплитудным исходным, таким образом, каждый из наборов комбинационных гармоник (разностных, суммарных, разностных и суммарных кратным) эквивалентен спектру входного сигнала, сдвинутому по частоте. Полосовой фильтр предназначен для селекции нужного набора гармоник, обычно выполнен по стандартной схеме полосового фильтра на LC – элементах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 Выбор аппаратов защиты

 

В качестве защиты аппаратов используют автоматические      выключатели, они выбираются по двум условиям

 

                                                                  (5)

 

                                                                (6)

 

где  I_{ном.т.р.} – номинальный ток установки теплового расцепителя, А;                                                                          

I_{срб.расц.} – ток срабатывания электромагнитного расцепителя, А.

Выбираем выключатель типа АЕ2010, исходные данные которого

I_ном=25 А, I_расц.=0,32…1,6  и проверяем его по двум условиям

 

                                    

 

                                              

 

                                                   

 

                                     

 

                                              

 

                                                    

 

Условие выполняется, выключатель выбран верно.

 

8 Конструкции индукционных плавильных печей

 

Конструктивное  исполнение индукционных плавильных печей. Для рабочего процесса индукционных плавильных печей характерно электродинамическое и тепловое движение жидкого металла в ванне или тигле, способствующее получению однородного по составу металла и его равномерной температуры по всему объему, также малый угар металла (в несколько раз меньше, в дуговых печах). Эти факторы обусловили широкое применение индукционных плавильных печей при производстве фасонного литья из черных и цветных металлов. Рабочие температуры печей: для стали 1600°С, чугуна 1200—1400°С, меди 1200°С и алюминия 750°С.

Индукционные плавильные печи можно разделить на канальные  печи промышленной частоты и тигельные  печи промышленной, средней и высокой частоты.

Особенности конструкции индукционной канальной пени (печи со стальным   сердечником). Здесь схематически изображена однофазная печь. Она представляет собой футерованную ванну 3, заключенную в металлический кожух 2 и снабженную в данном случае одной однофазной индукционной единицей. Последняя состоит из индуктора 8, шихтованного магнитопровода 6 (сердечника)  из  трансформаторной стали и подового камня 7 с охватывающими индуктор плавильными каналами 4. Камень 7 заключен в металлический кожух. Индукционные единицы часто делают отъемными, чтобы можно было их заменять без охлаждения футеровки ванны.

Для слива металла 1 через  сливной носок 9 печь наклоняется обычно при помощи гидропривода (в некоторых печах ванна и кожух выполнены в виде барабана по типу дуговой печи косвенного нагрева, а слив металла производится через отверстие в торцевой стенке печи при   повороте  барабана с помощью электропривода).

Загрузку печи ведут  сверху через проем, закрытый во время  плавки футерованной крышкой 10. Подъем крышки производится при помощи гидро- или электропривода.

Индуктор печи изготовляют  из профилированной медной трубки с  водяным охлаждением. Подовый камень охлаждается воздухом при помощи вентилятора 5 через зазор между  индуктором и подовым камнем. Ток  к индуктору подводится по гибким кабелям.

Замкнутый контур — вторичную  «обмотку» трансформатора, первичной  обмоткой которого является индуктор, образует жидкий металл в каналах. Поэтому  необходимо, чтобы в них всегда оставалось некоторое количество металла, поддерживаемого в расплавленном состоянии, для чего печь должна быть постоянно подключена к питающей сети. Следовательно, канальные печи предназначены для непрерывной работы с редкими переходами с одной марки металла на другую.

В своем большинстве канальные  печи выполняются однофазными с одной или несколькими индукционными единицами. Отдельные конструкции имеют трехфазное исполнение.

Канальные печи в основном применяют для плавки алюминия и  его сплавов, а также меди и некоторых ее сплавов. Емкость печей от 0,4 до 16 т (печи серий ИАК и ИЛК). Другие серии печей специализированы как миксеры для выдержки и перегрева жидкого чугуна, цветных металлов и сплавов перед разливкой в литейные формы (например, серии ИЧКМ, ИЛ КМ и др.).

Устройство индукционных тигельных печей (печей без сердечника). Внутри индуктора 8 помещен огнеупорный набивной тигель 3, в котором находится расплавляемый металл 1. В печах промышленной частоты п. в некоторых крупных печах средней частоты устанавливается внешний магнитопровод 6, который экранирует стальной кожух печи (не показанный на рисунках) от полей рассеяния индуктора. Кожух небольших печей (до 1 т) средней частоты изготовляют из немагнитной стали, дерева, асбоцемента. Сверху печь закрывается футерованной крышкой

Нагрев и расплавление садки происходят за счет вихревых токов, наводимых в ней при подключении индуктора к источнику питания. Плотность тока в садке неравномерна. Наименьшая плотность тока получается в центральной части тигля, наибольшая—в слое, прилегающем к стенкам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 Выбор питающих проводников

и способы их прокладки

 

Проводники электрического тока (жилы проводов и кабелей, шины) выбираются по следующим показателям:

а) нагреву

б) экономической плотности  тока

в) образованию короны

г) термической и электродинамической  стойкости при токах короткого замыкания.

д) допустимой потере напряжения и условию защиты от перегрузок

Основным методом выбора площади сечения проводников, проложенных  внутри помещения, а также в земле, является выбор по нагреву.

Выбор проводников выполняют  по условию

                                             ,                                                   (7)                                      

 

где I_р – расчётный ток, А;

I_доп – допустимый ток по нагреву, А

Расчётный ток I_р, А, вычисляют по формуле

                                         ,                                (8)                        

где Р_н – номинальная мощность двигателя электроприёмника, Вт;

      U_н – номинальное напряжение сети, В;

     cos – коэффициент реактивной мощности наибольшего                                        электродвигателя;                     

 – коэффициент полезного  действия электродвигателя.

 

 

Выбираем провод ПВ-4(1х2,5), проложенный в трубе ПП25,   рассчитанный на ток 19А.

Проверяем выбранный  провод по условию нагрева

 

Выбор кабелей выполняют  по следующему условию:

 

                                                               I_дл I_доп                                                              (9)

 

                                      

                                                  (10)

 

где Р – мощность нагрузки, кВт.

                                  

                                        

 

Выбираем трехжильный медный кабель с токопроводящей жилой площадью сечения 4 мм²  (в воздухе) рассчитанный на ток 38А.

Проверяем выбранный  провод по условию нагрева

 

 

Условие выполняется.

Электрические провода  изготавливают изолированными и  голыми, одножильными и многожильными. Изолированные провода состоят  из алюминиевых или медных жил, покрытых резиновой или             поливинилхлоридной изоляцией. Провода с резиновой изоляцией имеют поверх изоляции хлопчатобумажную обмотку. Голые провода также состоят из алюминиевых или медных жил, но без изоляционного покрытия. Провода с алюминиевыми жилами могут применяться для электропроводок как внутри помещений, так и снаружи, в том числе пожароопасных и взрывоопасных зонах.