Силовая электроника №1'2005

Установка для индукционного нагрева крайних ниппелей кронштейнов анододержателей

Александр Белкин
Ильфат Исхаков
Иван Таназлы
Александр Чепайкин
Александр Шуляк


Для повышения производительности при ремонте анододержателей предлагается установка для индукционного нагрева крайних ниппелей кронштейнов анододержателей.


Чистый алюминий получают электролизом окиси алюминия, растворенной в расплавленном криолите (AlF3 NaF). Установка электролиза для получения алюминия состоит из стальной ванны, выложенной внутри графитом или плитами из прессованного угля, которые являются катодом. Анодом служат несколько угольных контейнеров, в которые вставлены кронштейны анододержателей, соединенных общей шиной. Криолит необходим для понижения температуры плавления, так как окись алюминия тугоплавка. При включении тока криолит плавится и растворяет в себе окись алюминия, которая и подвергается электролизу. Процесс ведется при температуре около 1000 °С, силе тока около 35000 А и среднем напряжении 4-5 В. На катоде выделяется алюминий, а на аноде — кислород. Выделяющийся алюминий собирается на дне ванны, откуда его время от времени выпускают. По мере выделения алюминия в расплав добавляют новые порции окиси алюминия.

Одним из основных элементов установки электролиза алюминия является кронштейн анододержателя (рис. 1), имеющий вилкообразную форму и вес около 185 кг. Он состоит из тела 1 и ниппелей 2, 3, 4. Электродинамические усилия, возникающие при протекании тока через анододержатель, постепенно приводят к деформации крайних ниппелей, заключающейся в их загибе в сторону среднего на 10-20° от первоначального положения. Чтобы восстановить параллельность деформированных ниппелей 2 и 4 (получить первоначальный размер по осям 830 мм, рис. 1), необходимо их нагреть по всему объему до температуры кристаллизации (800-1000°С) и подвергнуть правке на прессе. В существующей ремонтной технологии нагрев ниппелей осуществляют с помощью газовых горелок, что требует большого времени и приводит к неравномерному нагреву ниппелей по сечению.

Рис. 1. Развитие технологии IGBT
Рис. 1. Развитие технологии IGBT

Для повышения производительности при ремонте анододержателей разработана установка для индукционного нагрева крайних ниппелей кронштейнов анододержателей, которая и рассматривается в данной статье.

Установка конструктивно состоит из тиристорного преобразователя частоты, силового индукционного нагревательного блока и дистанционного пульта управления, соединенных между собой силовыми и сигнальными кабелями, и имеет следующие технические данные:

  1. Источник питания — тиристорный преобразователь частоты мощностью 320 кВт, частотой 2400 Гц, ППЧ-320-2,4.
  2. Выходное напряжение тиристорного преобразователя 400-800 В.
  3. Температура индукционного нагрева 800-1000 °С.
  4. Время индукционного нагрева 5-6 мин.
  5. Охлаждение водяное.
  6. Расход охлаждающей воды 3,0 м3/ч. Тиристорный преобразователь частоты.

Эксплуатируемые в промышленности тиристорные преобразователи, выполненные на базе мостовых схем инверторов со встречно-параллельными диодами [1, 2], имеют выходное напряжение 250-300 В. Серийно же выпускаемые индукторы и силовые конденсаторы компенсирующей батареи имеют номинальные напряжения 500, 800 или 1000 В. Поэтому при разработке тиристорного преобразователя частоты для данной индукционной установки в качестве базовой схемы инвертора была выбрана мостовая схема последовательного инвертора без встречно-параллельных диодов [3] с выходным напряжением 400-800 В.

Мостовой последовательный инвертор без встречно-параллельных диодов (рис. 2а) относится к числу однофазных резонансных инверторов тока и предназначен для преобразования постоянного тока в переменный повышенной частоты.

Плечи инверторного моста образованы тиристорами VS1 - VS4, параллельно которым подключены защитные RC-цепочки (на рис. 2а RC-цепочки не показаны). Они предназначены для снижения коммутационных перенапряжений, вызываемых обрывом тока обратного диода. Обратный диод VD1 включен параллельно мосту.

Коммутирующая диагональ инверторного моста представляет собой последовательную цепочку, состоящую из: коммутирующего силового конденсатора СК1, нагрузки ZН1 и коммутирующего дросселя LК1. Инверторный мост с параллельно включенным ему обратным диодом VD1 подключен через входные дроссели Ld1, Ld2 к источнику постоянного напряжения (выпрямителю) Ud .

Основным достоинством данной схемы инвертора, в отличие от инверторов со встречно-параллельными диодами, является увеличенное в 2-3 раза выходное регулируемое напряжение. Если у классических схем инверторов с встречно-параллельными диодами оно составляет 250-300 В, то у данного инвертора оно равно 400-800 В и сохраняет при этом высокую коммутационную устойчивость тиристоров.

На рис. 2б приведены временные диаграммы, поясняющие принцип действия инвертора.

Мостовой последовательный инвертор в квазиустановившемся режиме работает следующим образом.

Пусть к моменту времени t0 (см. рис. 2б) коммутирующий силового конденсатор СК1 был заряжен до напряжения UC0 с полярностью, указанной на рис. 2а.

Параметры инвертора рассчитаны так, что процесс в нем носит колебательный характер.

При подаче импульсов управления iyVS1,VS4 на тиристоры VS1, VS4 они включаются, и начинается перезаряд коммутирующего силового конденсатора СК1 по цепи СК1 - ZH1 - LK1 - VS4 -VD1 - VS1 - СK1, формируя положительную полуволну тока нагрузки iH .

К моменту времени t2 коммутирующий силовой конденсатор СK1 перезаряжается, диод VD1 закрывается, а силовой конденсатор СK1 продолжает заряжаться до напряжения Uмах за счет протекания через тиристоры VS1, VS4 входного тока инвертора (выходного тока выпрямителя) Id до момента времени t3.

В момент времени t3 подаются импульсы управления iyvs3,vs2 на тиристоры VS3, VS2. С включением тиристоров VS3, VS2 начинается второй такт работы инвертора, во время которого формируется обратная полуволна тока нагрузки iH по цепи СK1 - VS2 - VD1 -VS3 - LK1 - ZH1 - СK1.

К моменту времени t6 заканчивается полный цикл работы инвертора.

Далее подаются импульсы управления iyVS1,VS4 (момент времени t6) на включение тиристоров VS1, VS4, и в инверторе начинают протекать аналогичные процессы.

В течение промежутка времени t3–t5, когда ток проводил диод VD1, к тиристорам VS1, VS4 было приложено небольшое отрицательное напряжение, равное прямому падению напряжения на диоде VD1, и тиристоры VS1, VS4 восстанавливают свои управляющие свойства.

В течение промежутка времени t6–t7 восстанавливают свои управляющие свойства тиристоры VS3, VS2.

Таким образом, в течение одного цикла работы всех тиристоров и диода в нагрузке получаем один период выходного тока.

На базе данного инвертора разработан тиристорный преобразователь частоты (рис. 3) для установки индукционного нагрева крайних ниппелей кронштейнов анододержателей, который состоит из следующих основных частей:

а) cиловой части;

б) пускового устройства;

в) блока управления и защиты.

Тиристорный преобразователь имеет защиту от перегрузок по току, от срывов инвертирования, от короткого замыкания выпрямителя, от перенапряжений на элементах силовой схемы, от превышения допустимой температуры силовых элементов и прекращения подачи воды.

Для генерирования управляющих импульсов и распределения их в заданной последовательности по тиристорам, а также для снятия этих импульсов в аварийных ситуациях используется блок управления и защиты. В него входит также устройство, позволяющее вручную или автоматически производить регулирование выходных параметров тиристорного преобразователя, обеспечивая необходимый режим заданного технологического процесса.

Конструктивно тиристорные преобразователи мощностью 160, 250 и 320 кВт собираются в металлических шкафах с габаритными размерами 800x800x2000 мм на базе унифицированных полупроводниковых блоков, типы используемых полупроводниковых приборов в которых приведены в таблице.

Таблица. Полупроводниковые приборы в преобразователях на базе мостового инвертора без встречно-параллельных диодов
Таблица. Полупроводниковые приборы в тиристорных преобразователях на базе мостового инвертора без встречно-параллельных диодов

Силовой нагревательный блок представляет собой компактный металлический шкаф с индуктором. Внутри шкафа расположены трансформатор типа ТЗ4-800, компенсирующие силовые конденсаторы типа ЭЭВК-0,8-2,4 и водоохлаждаемые шинопроводы.

Управление установкой производится с панели управления тиристорного преобразователя частоты либо с дистанционного пульта управления в режиме ручного задания мощности или с использованием внешнего регулятора температуры, для подключения которого имеется стандартный вход.

Установка снабжена системой автоподстройки частоты и стабилизации напряжения (тока) нагрузочного контура при изменении параметров нагрузки и питающей сети, а также быстродействующей системой защиты и диагностики основных узлов установки.

Нагрузочный колебательный контур. Нагрузочный колебательный контур Н1 состоит из индуктора Lи1, выходного согласующего трансформатора Т1 и компенсирующей батареи силовых конденсаторов Сн1.

Индуктор (рис. 4) Lи1 состоит из двух катушек индуктивности (рис. 5), которые соединены между собой параллельно с помощью двух водоохлаждаемых шин 6, подключаемых к выводам вторичной обмотки выходного согласующего трансформатора.

Рис. 4. Упрощенная конструкция индуктора
Рис. 4. Упрощенная конструкция индуктора (разрез по осевой плоскости) с кронштейном анодрдержателя: 1 —кронштейн анододержателя; 2 — термический экран; 3—изолированная медная трубка; 4—крайний ниппель; 5—штуцер; 6 — водоохлаждаемая шина; 7 — крайний ниппель

Каждая катушка 1 (рис. 5) изготавливается из медной трубки 2 диаметром 16х 1,5 мм и изолируется в два слоя. Первый слой изоляции формируется микалентой ЛФК-ТТ толщиной 0,21 мм, а второй слой — липкой электроизоляционной лентой на базе компаунда 1ЛСППЛ толщиной 0,19 мм.

Рис. 5. Катушка индуктора
Рис. 5. Катушка индуктора: 1 —термический экран; 2 — изолированная медная трубка; 3—штуцер; 4—пластина для подключения катушки

Ленту накладывают в один слой с перекрытием 1/2 ширины ленты. Катушка индуктивности однослойная и имеет 6 витков. Витки стянуты между собой лентой ЛСППЛ-ТУ16-503.135-79.

Для электрического подключения катушки к ее выводам припаиваются пластины 4, а для подвода и отвода охлаждающей воды напаиваются штуцеры 3.

Кроме того, для защиты от высоких температурных полей нагреваемых ниппелей каждая катушка индуктора имеет термический экран, состоящий из двух слоев: первый слой — асбестовый картон толщиной 5 мм, а второй слой — суперсил М2 толщиной 20 мм.

Катушки L1 и L2 электрически соединяются между собой параллельно с помощью водоохлаждаемых шин 6 (рис. 4), образуя индуктор. Конструкцией предусмотрена регулировка положений катушек индуктора для обеспечения его соосности с нагреваемыми ниппелями.

Силовые конденсаторы подключаются к шинам с помощью гибких перемычек из медных пластин. С одной стороны к шинам подключается тиристорный преобразователь частоты, а с другой — первичная обмотка выходного согласующего трансформатора.

Выходной согласующий трансформатор. Для согласования параметров тиристорного преобразователя частоты с параметрами нагрузочного контура и обеспечения гальванической развязки индуктора от преобразователя в установке использован выходной согласующий трансформатор типа ТЗ4-800, который серийно выпускается промышленностью.

Индукционная установка работает следующим образом.

Деформированные крайние ниппели 4, 7 кронштейна анододержателя 1 помещают в катушки индуктора 2 (рис. 4) и включают тиристорный преобразователь. Через 4-5 мин, после того как крайние ниппеля под действием электромагнитного поля индуктора разогреются до требуемой температуры, тиристорный преобразователь выключают. Кронштейн анододержателя с нагретыми деформированными ниппелями подают на пресс с помощью специального приспособления, выравнивая их до первоначального положения (до получения заданного межосевого расстояния). На этом технологический цикл правки изделия завершается, и начинается подготовка к установке в индуктор следующего анододержателя.

В настоящее время данная установка успешно эксплуатируется на одном из металлургических предприятий России.

Литература

  1. Кацнельсон С. М. Анализ электромагнитных процессов в мостовом тиристорном инверторе со встречно-параллельными диодами и удвоением частоты: Тиристорные преобразователи частоты для индукционного нагрева металлов. Уфа: Изд-во УАИ. 1971. Вып. 1.
  2. Белкин А. К., Горбатков С. А, Гусев Ю. М. и др. Разработка и проектирование тиристорных источников питания. М.: Энергоатомиздат. 1994.
  3. Белкин А. К., Костюкова Т. П., Рогинская Л. Э., Шуляк А. А. Тиристорные преобразователи частоты. М.: Энергоатомиздат. 2000.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_01_100.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Зачем делают обрезание
зачем делают обрезание
evamed.ru