Омский государственный технический университет
Московский энергетический институт, НИУ
Влияние тока сложной формы на процессы в нагревательных элементах
Д.В. Птицын, Е.В. Птицына, А.Б. Кувалдин
Аннотация
Актуальность - повышение эффективности электротехнологических установок (электрических печей сопротивления косвенного нагрева) на основе применения тока сложной формы. Цель и задачи работы- экспериментальные исследования влияния тока сложной формы на процессы в нагревательных элементах; проведение лабораторных и промышленных исследований для получения зависимостей изменения тока в нагревательном элементе от спектрального состава высших гармоник. Использование полученных зависимостей для разработки алгоритмов управления электротехнологическими установками, обеспечивающими эффективный режим их работы.
Ключевые слова: нагревательные элементы, электрические печи сопротивления косвенного нагрева, ток сложной формы, эффективные режимы работы.
В данной работе излагаются результаты исследований режимов работы нагревательных элементов. Применяемые нагревательные элементы в низкотемпературных электрических печах сопротивления косвенного нагрева разнообразны: нихромы, железохромоникелевые сплавы, чистые тугоплавкие металлы, неметаллические материалы. По исполнению нагреватели могут быть проволочными спиральными или зигзагообразными, ленточными зигзагообразными. Нагреватели из специальных сплавов с рабочей температурой до 16000С - это неметаллические нагреватели из дисилицида молибдена, карбида кремния, относящиеся к категории темных инфракрасных излучателей [1].
В [2] доказано, что применение новых электрических режимов в электротехнологических установках (ЭТУ) на основе применения тока сложной формы позволяет повысить эффективность работы установок. Регулирование спектра частот питающего напряжения в ЭТУ может быть реализовано с использованием управляемых полупроводниковых приборов (тиристоров), или нелинейных индуктивностей, регулированием подмагничивания.
Целью данной работы являются экспериментальные исследования влияния параметров электрических режимов на процессы в нагревательных элементах ЭТУ. Эксперименты выполнены в лабораторных условиях и на промышленных объектах. В опытах регулировали амплитуду питающего напряжения и его форму.
Промышленный эксперимент выполнен на установке для воздушно-плазменной резки металлов типа АПР-403-УХЛ4 с плазмотроном ПВР-402 в сталелитейном цехе №2 ПО «Павлодарский тракторный завод». Технические характеристики установки: напряжение питающей трехфазной сети 380 В, частота тока сети 50 Гц, потребляемая мощность 120 кВт, пределы регулирования тока 150 - 400 А, плазмообразующий газ - воздух [3].
Экспериментальные исследования выполнены также в лабораториях кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Павлодарского государственного технического университета им. С. Торайгыров (Казахстан) и кафедры «Теоретическая и общая электротехника» Омского государственного технического университета. Лабораторные установки содержали выпрямительные блоки на тиристорах (однофазная однополупериодная схема выпрямления, однофазная двухполупериодная схема выпрямления с выводом средней точки с вторичной обмотки трансформатора). Форму напряжения на нагрузке изменяли углом открытия тиристоров от системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Опыты выполнены при фиксированных значениях сопротивления нагрузки (диапазон регулирования от положения «ХХ» до положения «R7»).
В экспериментах использованы два комплекта цифровых приборов: амперметры и вольтметры для измерения действующих значений синусоидальных тока и напряжения, и средневыпрямленных значений тока и напряжения на нагрузке. Для снятия осциллограмм форм напряжения на нагрузке и исследования его спектра использовали двухканальный USB - осциллограф совместимый с персональным компьютером в режимах «Осциллограф» и «Спектроанализатор».
Первая серия опытов выполнена при подключении нагревательного элемента в виде спирали из нихромовой ленты к источнику питания установки АПР-403-УХЛ4. В опытах ДН изменяли форму питающего напряжения. Результаты опытов представлены в табл. 1 [3].
Таблица 1. Исследование процессов в нагрузке при протекании тока сложной формы
|
Режим работы |
Активная мощность, кВт |
Ток, А |
Напряжение, В |
|
|
Обычный |
6,6 |
250 |
60 |
|
|
Новый с питанием ТСФ |
17,4 |
420 |
120 |
Исследованиями установлено [3], регулирование формы напряжения (тока) обусловливает изменение значений реактивных сопротивлений в электрической схеме замещения технологического звена ЭТУ. Это изменение влияет на значение эквивалентного полного сопротивления, определяющего ток и активную мощность, потребляемую ЭТУ.
Вторая серия экспериментов выполнена в лабораторных условиях. Изменение формы питающего напряжения на нагрузке реализовано изменением угла открытия тиристоров. На рис. 1. - рис. 4 показано изменение спектра гармонических составляющих напряжения на нагрузке при регулировании угла открытия тиристоров для сопротивления нагрузки Rн3 [2,4], а в табл.2 соответствующее этим значения угла открытия тиристоров показано изменение тока нагрузки.
Рисунок 1. Спектр гармоник напряжения на нагрузке при угле открытия тиристоров 00 и токе 79 мА (сопротивление в положении 3)
Рисунок 2. Спектр гармоник напряжения на нагрузке при угле открытия тиристоров 150 (сопротивление в положении 3)
Рисунок 3. Спектр гармоник напряжения на нагрузке при угле открытия тиристоров 300 (сопротивление в положении 3)
Рисунок 4. Спектр гармоник напряжения на нагрузке при угле открытия тиристоров 600 (сопротивление в положении 3)
Таблица 2. Исследование влияния формы питающего напряжения на параметры нагрузки
|
Режим нагрузки |
Угол открытия тиристоров |
Ток, мА |
|
|
Сопротивление в положении Rн3 |
00 150 300 600 |
31 43 61 73 |
|
|
Сопротивление в положении Rн4 |
00 150 300 600 |
81 104 134 125 |
|
|
Сопротивление в положении Rн5 |
00 150 300 600 |
141 150 206 199 |
Экспериментально установлено, что регулирование формы питающего напряжения, путем изменения угла открытия тиристоров, обусловливает изменение значения тока нагрузки. Наибольшие значения тока имели место при углах регулирования 30 и 600 в зависимости от значений сопротивления нагрузки. Анализ спектров показал, что они включают гармоники частот порядка 102 - 103 Гц. Аналогичные результаты получены для светлых инфракрасных и газоразрядных излучателей [2, 3]. В лабораторных исследованиях процесса предварительного обжига зеленых заготовок в печах сопротивления при графитизации электродов (г.Челябинский, электродный завод) установлено влияние тока сложной формы на качество продукции: формирование структуры графита на стадии обжига, то есть при низких температурах [5].
электрический печь ток нагревательный
Библиографический список
1. Свенчанский, А.Д. Электротехнологические промышленные установки: Учебник для вузов [Текст] / И.П. Евтюкова, Л.С. Кацевич, Н.М. Некрасова, А.Д. Свенчанский; Под ред. А.Д. Свенчанского // Энергоиздат, 1982. - с., ил.
2. Птицына, Е.В. Электролизные и газоразрядные электротехнологические установки с питанием током сложной формы: Монография [Текст] / Е.В. Птицына; Под ред. А.Б. Кувалдина. - Павлодар: ТОО НПФ «ЭКО», 2007. - 420 с.
3. Экспериментальное определение влияния формы тока на характеристики излучателей / Е.В. Птицына, Д.В. Птицын, А.Б. Кувалдин // Энерго- и ресурсосбережение XXI век : сборник матер. IX - ой Международной научно-практической интернет-конференции, март-июнь. - Орел, 2011. - С. 163-165.
4. О влиянии параметров регулируемой катушки индуктивности на значение мощности, измеряемой в RLC- цепях / Е.В. Птицына, Д.В. Птицын, А.Б. Кувалдин // Энерго- и ресурсосбережение XXI век : сборник матер. XII - ой Международной научно-практической интернет-конференции, март-июнь. - Орел, 2014. - С. 61-64.
5. Птицына, Е.В. Применение токов сложной формы в технологических процессах графитизации и обжига / Е.В. Птицына, Ф.К. Бойко, С.А. Киреев // Наука и техника Казахстана. - Павлодар, 2001. - № 1. - С. 170-175.