Разработка установки ИНТ-400-1,0 для индукционного нагрева труб большого диаметра перед гибкой

Рис. 1. Станок для гибки труб большого диаметра

Автоматизированный трубогибный комплекс предназначен для поперечной гибки бесшовных труб проходным индуктором, выполняющим кольцевой разогрев металла токами повышенной частоты. Процесс гибки труб из черных и нержавеющих сталей включает в себя разогрев трубы индуктором ТВЧ, охлаждение нагретого места спрейером и непрерывное продольно-поперечное смещение конца трубы во вращающихся валках.

Серийно выпускаемые промышленностью трубогибные комплексы еще 20 лет назад комплектовали электромашинной генераторной станцией с применением машинного генератора частоты. Применяемые в них шкафы управления с высокочастотной коммутационной аппаратурой занимали значительные производственные площади. Удаленность генератора от нагревательного поста приводила к нерациональному расходу электрической энергии на передачу от источника повышенной частоты к высокочастотному трансформатору.

Предварительно металл трубы разогревается в течение примерно 30 с до температуры около 800 °C. Охлаждение обрабатываемой поверхности включается с помощью гидрореле от независимого канала протока воды. Температура нагрева обрабатываемой зоны регулируется соотношением между степенью нагрева трубы перед гибкой и скоростью перемещения трубы в продольном направлении.

В рабочей зоне этой установки происходит «быстрый» нагрев, так как нагреваемая труба перемещается с более медленной скоростью, чем скорость передачи энергии для осуществления нагрева. Затем обрабатываемый участок трубы охлаждается душем из спрейера с относительной площадью отверстий 0,1-0,2, т. е. три-шесть отверстий диаметром 2 мм на 1 см² поверхности охлаждения.

Раньше такой трубогибный комплекс нагревал трубу токами повышенной частоты 2400 Гц от машиногенераторной установки типа ВПЧ-100-2400УХЛЧ с двигателем мощностью 130 кВт. Однофазный генератор повышенной частоты (2400 Гц), обладающий номинальной мощностью 100 кВт, при выходном напряжении 800/400 В с номинальным током 139/278 А имел независимое возбуждение 60/120 В. Масса этого генератора, ротор которого вращается со скоростью 3000 об/мин, составляет 1920 кг, а его КПД не превышает 70%. Кроме того, такой источник питания трубогибного комплекса требует установки дополнительного энергетического оборудования – шкафа ВЧ коммутационной аппаратуры ШТЕ9911-58 А2Б и шкафа возбудителя ШТЕ-45-10.

Понижающий высокочастотный закалочный трансформатор ТЗ типа 800УХЛЧ, у которого коэффициент трансформации составляет 1:12 при подключении индуктора, имеет КПД около 85%. Он обеспечивает согласование одновиткового индуктора с напряжением в колебательном контуре батареи компенсирующих ВЧ-конденсаторов с номинальным напряжением 500-800 В.

В конструкции трубогибного станка предусмотрена площадка для установки согласующего трансформатора, перемещающаяся в вертикальном, продольном и поперечном направлениях для обеспечения точной установки витка индуктора относительно обрабатываемой трубы. Сам индуктор жестко закреплен на выходных клеммах трансформатора. Его первичная обмотка, соединенная с конденсаторной батареей, изготовлена из гибких проводников необходимого сечения, что позволяет перемещать площадку в нужных направлениях.

Установка укомплектована набором сменных индукторов, что позволяет обрабатывать трубы различных диаметров, допустимых возможностями трубогибного станка. При использовании статических источников питания изменение рабочих режимов установки выполняется регулированием рабочей частоты тиристорного преобразователя частоты автоматизированного комплекса с непрерывной продольной подачей трубы. Зарубежные трубогибочные установки большей мощности (до 750 кВт) комплектуют статическими преобразователями частоты.

Установка ПАРАЛЛЕЛЬ ИНТ-400-1,0 (далее – установка) разработана для локального индукционного нагрева в процессе непрерывной гибки стальных труб и эффективного управления его электрическими и тепловыми режимами [3, 4, 5, 6]. Она с успехом способна заменить устаревшие высокочастотные установки с ламповыми генераторами и среднечастотные установки с машинными преобразователями, поскольку экономична, удобна и безопасна в эксплуатации, обладает малыми габаритами и современным дизайном. Блок управления регулирует скорость подачи трубы, мощность и рабочую частоту инверторно-индукционной системы управления [7, 8].

На рис. 2 представлен состав установки ИНТ 400-1,0 с выходным трансформатором для высокочастотного нагрева.

Рис. 2. Состав установки ИНТ:
полупроводниковый преобразователь частоты ПАРАЛЛЕЛЬ ПЧ-400-1,0;
блок компенсации ПАРАЛЛЕЛЬ БК-400-1,0;
высокочастотный трансформатор ТЗ1-1600С4;
пульт управления нагревом ПАРАЛЛЕЛЬ ПУН

Станок для гибки труб не входит в комплект поставки оборудования. Станция охлаждения (например, ПАРАЛЛЕЛЬ С0-60) на рис. 1 не показана, требования к ней и описание системы охлаждения изложены в работах [9, 10].

Структура условного обозначения установки ПАРАЛЛЕЛЬ ИНТ-400-1,0-УХЛ4 следующая: фирменное наименование ПАРАЛЛЕЛЬ, Индукционная Нагревательная для нагрева Труб, мощность преобразователя (кВт), рабочая частота (кГц), климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543.1-89.

Технические характеристики установки ИНТ-400-1,0, ее состав и режимы работы

Технические характеристики:

• питание установки – от сети переменного трехфазного тока частотой 50 (60) Гц, номинальным напряжением 380 В;
• напряжение на выходе преобразователя (действующее значение) – номинальное 800 В, регулируемое 160-800 В;
• частота напряжения на индукторе – номинальная 1000 Гц, регулируемая 2001200 Гц;
• мощность на выходе– номинальная 400 кВт (диапазон регулирования выходной мощности зависит от добротности нагрузочного контура, и при добротности не менее пяти перекрывает диапазон не менее 15-100%);
• допустимый ток на входе – не более 660 А;
• масса преобразователя – 700 кг, блока компенсации – 280 кг;
• габаритные размеры преобразователя –700×800×1956 мм, блока компенсации – 700×800×1956 мм;
• реактивная мощность компенсирующих конденсаторов БК на номинальной частоте – 1700 кВАр;
• диаметр нагреваемых труб – 180-325 мм;
• срок службы (минимальный) – 10 лет;
• срок сохраняемости – 2 года;
• степень защиты по ГОСТ 14254-96 – IP20.

Эффективность установки обусловлена нагревом поверхностного слоя металла трубы в мощном электромагнитном поле высокой частоты, создаваемом индуктором, выполненным из водоохлаждаемой медной трубки.

В статье приняты следующие условные сокращения:

• ТВЧ – ток высокой частоты;
• ППЧ – полупроводниковый преобразователь частоты;
• БК –блок компенсации;
• СО – станция охлаждения;
• ПКС – панель контроля и сигнализации;
• БУК – блок управления и контроля;
• ВН – включатель нагрева;
• ПУ – пульт управления;
• ПУН – пульт управления нагревом.

Индуктор подключен к выходу преобразователя через специальный закалочный трансформатор. Он вместе с батареей компенсирующих конденсаторов образует резонансный контур, получающий энергию от полупроводникового преобразователя, преобразующего энергию сети 380 В с частотой 50 Гц в высокочастотные квазисинусоидальные импульсы регулируемой частоты. По сигналам встроенного или внешнего задатчика преобразователь обеспечивает автоматическое либо ручное регулирование электрического режима установки, мощности и необходимой температуры нагрева.

Установка состоит из преобразователя частоты ПАРАЛЛЕЛЬ ППЧ-400-1,0, блока компенсации (БК) и закалочного трансформатора. Преобразователь ППЧ и БК соединены между собой двумя изолированными водоохлаждаемыми токопроводами и электрическим жгутом. В состав установки могут входить станция охлаждения (СО), пирометр и дистанционный пульт управления нагревом ПУН, который устанавливается на рабочем месте оператора (термиста). Трубогибочный станок, технологическая оснастка и устройство циркуляции охлаждающей жидкости (технической воды) в состав установки не входят.

Трехфазное сетевое напряжение через выключатель (рубильник) поступает на вход преобразователя частоты ППЧ-400-1,0 (рис. 2). С выхода преобразователя ток высокой частоты по токопроводам идет в блок компенсации БК. А с его выхода по гибким водоохлаждаемым токопроводам приходит через контактный узел в высокочастотный трансформатор, к выходу которого подсоединен индуктор нагревательной установки.

Включение и выключение сетевого питания установки, а также управление нагревом выполняются как с пульта управления нагревом ПУН, расположенного на БК рядом с индуктором, так и с пульта управления ПУ преобразователя. Мощность может изменяться с ПУ или ПУН. При этом в режиме ЧАСТОТА ручка служит задатчиком частоты, а в режиме МОЩНОСТЬ – задатчиком напряжения индуктора (режимы работы устанавливаются соответствующими переключателями в преобразователе).

На ПУ преобразователя расположены измерительные приборы, на которых отражаются мощность и напряжение на выходе преобразователя, а также индикаторы диагностической информации о состоянии системы охлаждения, блокировке и срабатывании защиты в случае неполадок в электрической части.

Включение и отключение нагрева (тока индуктора) можно производить с ПУ преобразователя либо внешним устройством с релейным выходом, например командующим электроприбором, реле времени, концевым выключателем, оптическим или иным датчиком состояния нагрева обрабатываемой детали, а также контактным следящим потенциометром (релейным регулятором температуры). Все эти устройства могут быть подключены в отдельную розетку (ВН) преобразователя частоты. Устройство и работа схемы преобразователя частоты представлены в работах [3, 5, 9].

Блок компенсации предназначен для электрического согласования индуктора с преобразователем частоты. Чтобы быстро нагреть деталь, необходимо пропустить через индуктор ток величиной в несколько тысяч ампер, в то время как выходной ток преобразователя не превышает 600 А.

Когда импульсы выходного тока преобразователя поступают в такт с собственными колебаниями контура нагрузки, наступает резонанс токов, при котором мощность, выделяемая в индукторе, резко увеличивается и достигает максимальной величины.

БК содержит электротермические конденсаторы, параллельно которым подключена первичная обмотка закалочного трансформатора. Выход преобразователя через водоохлаждаемый токопровод подключен к силовым контактам БК.

Панели контроля БК и управления ППЧ

Индукционная установка обеспечивает быстродействующую защиту от недопустимых перегрузок по току, от перенапряжений на силовых полупроводниковых приборах, от снижения давления, прекращения подачи и перегрева охлаждающей воды. Нагревательная установка снабжена развитой системой контроля и диагностики, предотвращающей пуск и работу при неисправностях в силовой схеме, а также светодиодными индикаторами неисправностей.

Панель контроля и сигнализации (ПКС), размещенная в БК, предназначена для визуального контроля работы системы охлаждения – выдачи предупреждающей сигнализации в случае недопустимого повышения температуры охлаждающей воды, а также для аварийного отключения высокочастотной установки при недопустимом снижении расхода воды.

На рис. 3 показаны лицевая и оборотная сторона панели контроля и сигнализации, установленной на передней двери БК.

Рис. 3. Панель контроля и сигнализации (ПКС)

ПКС работает следующим образом. Устройство контроля отслеживает температуру воды. Если температура и расход воды во всех каналах в норме, то исполнительные реле находятся в нормальном положении, цифровые индикаторы прибора в циклическом режиме поочередно высвечивают измеренную температуру и ее максимально допустимую величину (уставку), а номер канала показывают светодиоды.

При перегреве воды в любом из каналов охлаждения включаются звуковой сигнализатор, индикатор ПЕРЕГРЕВ ВОДЫ и реле времени. Индикатор ПЕРЕГРЕВ ВОДЫ представляет собой красную полупроводниковую лампу и лампу-вспышку красного цвета, работающие одновременно со звонком. Номер аварийного канала высвечивается соответствующим мигающим светодиодом «канал». Если до момента срабатывания реле времени перегрев воды не устранил оператор установки, контакты реле времени разрывают цепь «Блокировка по воде», и ППЧ отключается от питающей сети 380 В.

Размыкание любого из контактов индикаторов протока воды приводит к немедленному срабатыванию реле «Авария датчика», отключению ППЧ и миганию соответствующего аварийному каналу светодиода до тех пор, пока не будет восстановлен проток воды в аварийном канале. Уставки и гистерезисы в каналах контроля 1-4 установки индукционного нагрева приведены в таблице.

Пульт управления нагревом (ПУН) предназначен для оперативного управления индукционной установкой – включения и выключения силового питания установки, а также высокочастотного нагрева. Установка имеет вход управления мощностью нормированным сигналом напряжения 0-10 В для подключения внешнего задатчика (регулятора). Установка обеспечивает ручное и автоматическое управление режимами нагрева.

На рис. 4 показаны лицевая и оборотная сторона панели пульта управления преобразователем, установленной на передней двери ППЧ, на которой размещены контрольно-измерительные приборы нагревательной установки.

Рис. 4. Пульт управления ППЧ

Контрольные приборы – светодиодные индикаторы – установлены на ПУН и ПУ преобразователя, а также внутри преобразователя на лицевых панелях ячеек БУК. Они предназначены для индикации режимов работы установки, диагностирования ее состояния и определения неисправностей.

Измерительные приборы – вольтметр и амперметр постоянного тока – служат для индикации мощности, потребляемой установкой. Мощность в ваттах определяется как произведение показаний вольтметра НАПРЯЖЕНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЯ и амперметра ТОК ВЫПРЯМИТЕЛЯ. Индикаторы выходного напряжения преобразователя ИНВЕРТОР/НАПРЯЖЕНИЕ отображают выходное напряжение в масштабе 0-10 В. Аналогичный индикатор установлен на ПУН.

На рис. 5 показана лицевая панель пульта управления индукционной нагревательной установкой, соединенная с высокочастотным преобразователем частоты отдельным жгутом, показанным на рис. 2.

Рис. 5. Пульт управления нагревом

 

Режимы работы индукционной установки ИНТ

При подготовке к работе необходимо выбрать из таблицы переключений трансформатора, например Т31-1600С4, вариант соединения первичной и вторичной обмоток, который необходим для получения коэффициента трансформации, соответствующего используемому индуктору, и установить необходимые медные перемычки. Если в установке применен трансформатор другого типа, то при установке перемычек на выводах первичной и вторичной обмотки следует пользоваться таблицей соединений из паспорта, прилагаемого к примененному трансформатору.

На рис. 6 показан сердечник закалочного трансформатора, установленного в ИНТ 400-1,0, на котором приведены схемы переключения обмоток. Обмотки силовых ВЧ-трансформаторов выполнены в виде отдельных «блинов», расположенных на шихтованном сердечнике из высококачественной трансформаторной стали.

Рис. 6. Ярмо сердечника закалочного высокочастотного трансформатора

На рис. 7 представлена схема соединения обмоток выходного высокочастотного трансформатора индукционной нагревательной установки, показанного на рис. 2, который подключается к БК отдельным силовым высокочастотным кабелем.

Рис. 7. Схема обмоток выходного высокочастотного трансформатора

Трансформатор обеспечивает необходимое напряжение на зажимах индуктора при номинальном напряжении на выходе преобразователя, регулируемое путем изменения коэффициента трансформации в пределах 33-266 В. Коэффициенты трансформации закалочного трансформатора следующие: 3; 3,25; 3,5; 3,75; 4; 4,25; 4,5; 4,75; 5; 5,25; 5,5; 5,75; 6; 6,5; 7; 7,5; 8; 8,5; 9; 9,5; 10; 10,5; 11; 11,5; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 20; 21; 22; 23; 24. Допустимый диапазон изменения добротности нагрузочного колебательного контура высокочастотной индукционной нагревательной установки составляет 2,5-4.

На рис. 8 показан тиристорный преобразователь частоты индукционной установки ИНТ-400-1,0.

Рис. 8. Преобразователь частоты установки ИНТ-400-1,0 (справа)

Внутри ТПЧ видны компоненты силовой схемы преобразователя мощностью 400 кВт и частотой 1000 Гц. Внизу находится силовой дроссель постоянного тока, выше – силовая коммутирующая катушка индуктивности, а затем следуют блок силовых тиристоров и неуправляемый выпрямитель с компонентами системы защиты. На оборотной стороне открытой передней двери шкафа ТПЧ расположен БУК. Кроме того, видна оборотная сторона панели ПУН.

На рис. 9 продемонстрированы другой вид индукционной установки ИНТ-400-1,0, а также группы электротермических конденсаторов, установленных в два этажа. Также показана оборотная сторона панели контроля и сигнализации системы охлаждения установки.

Рис. 9. Блок конденсаторов установки ИНТ-400-1,0 (слева)

Конденсаторы в преобразователе частоты предназначены для обеспечения колебательного режима работы инвертора. Варьированием емкости конденсаторов изменяется настройка преобразователя на различные номинальные частоты. В нагрузочном колебательном контуре установки для индукционного нагрева металлов посредством электротермических конденсаторов БК компенсируется реактивная составляющая тока индуктора.

Электротермические конденсаторы, например типа ЭЭВК 0,8-10УЗ емкостью 4×14 мкФ, 577 кВАр, установленные в инверторе ППЧ, используются как коммутирующие. Также их применяют в БК для компенсации реактивного тока нагрузки. Масса такого конденсатора – около 27 кг. В конденсаторах серии ЭЭВК используется алюминиевая фольга и полипропиленовая пленка в сочетании с конденсаторной бумагой, пропитанной экологически безопасной жидкостью. В преобразователе и индукционной установке можно применять и конденсаторы типа ЭСВК, конденсаторная бумага которых пропитана синтетической жидкостью.

На рис. 10 представлена в общем виде установка ИНТ-400-1,0, находящаяся в процессе сборки и проведения приемосдаточных испытаний. Декларация о соответствии установки нормам – ТС N RU Д-RU. АЛ16. В. 33591.

Рис. 10. Общий вид установки ИНТ-400-1,0 

Основными режимами работы установки являются ВЫКЛЮЧЕНО, ОЖИДАНИЕ и НАГРЕВ. Дополнительный режим ПРОВЕРКА служит для проверки цепей управления при отключенном питании силовой схемы.

В режиме ВЫКЛЮЧЕНО силовая схема установки обесточена, и на ПУ преобразователя светится кнопка-табло КОНТАКТОР ВЫКЛ. В случае открывания дверей горит светодиод БЛОКИРОВКА, а при отсутствии давления воды в системе охлаждения – светодиод ОХЛАЖДЕНИЕ. Для обесточивания установки необходимо выключить выключатель преобразователя, а для снятия напряжения с входных контактов установки – отключить внешний рубильник. Во время длительных перерывов в работе, когда отсутствует оператор, установка должна находиться в режиме ВЫКЛЮЧЕНО.

В режиме ОЖИДАНИЕ индукционная установка, за исключением индуктора, находится под напряжением, и она готова к работе. Режим ОЖИДАНИЕ наступает в двух случаях: при нажатии кнопки-табло КОНТАКТОР ВКЛ на ПУ преобразователя, а также при нажатии кнопки ВКЛ на ПУН. Причем в обоих случаях хотя бы один из выключателей нагрева должен быть выключен – либо кнопка НАГРЕВ на ПУН, либо кнопка-табло ИНВЕРТОР ПУСК/СТОП. Если в розетку ПЕДАЛЬ ПУН включена ножная педаль управления нагревом, то до нажатия педали режим ОЖИДАНИЕ сохраняется даже после включения обоих упомянутых выключателей нагрева. Режим ОЖИДАНИЕ предназначен для установки и смены нагреваемой детали в индукторе, а также при небольших перерывах в работе, когда установка находится под наблюдением оператора.

Режим НАГРЕВ – основной технологический режим – наступает после нажатия и загорания кнопки-табло ИНВЕРТОР ПУСК/СТОП на ПУ преобразователя, перевода кнопки ПУН НАГРЕВ ВКЛ/ВЫКЛ в положение ВКЛ и нажатия на педаль. При отсутствии педали функцию управления нагревом выполняет кнопка НАГРЕВ ВКЛ/ВЫКЛ на ПУН. В режиме НАГРЕВ преобразователь генерирует ТВЧ, индуктор находится под напряжением, а на ПУН горит светодиод НАГРЕВ. Величина мощности регулируется ручкой МОЩНОСТЬ на ПУ преобразователя.

Режимы управления мощностью определяются положением переключателей на лицевой панели БУК, расположенной внутри преобразователя. Переключатель ЧАСТОТА-МОЩНОСТЬ превращает ручку ЗАДАНИЕ на ПУ преобразователя или ПУН в задатчик частоты либо в задатчик напряжения индуктора при стабилизации этого напряжения в режиме МОЩНОСТЬ. Переключатель ЗАДАНИЕ ВНУТР/ВНЕШ вместо задатчика на ПУ может подключить к системе управления внешний сигнал постоянного тока напряжением 0-10 В от ПУН или внешнего устройства – задатчика либо регулятора. Переключатель АВТОСТОП на лицевой панели БУК обеспечивает автоматическое прекращение работы индукционной установки при снижении сигнала задания частоты или мощности.