Комплекс электромагнитного перемешивания алюминия

Оставлен Evgenij Bortnik Чт, 07/26/2018 - 23:03
Аватар пользователя Evgenij Bortnik

Структура электромагнитных перемешивателей алюминия. Развитие технологий переработки алюминия основано на результатах прикладных исследований в нескольких смежных областях науки, включая электротехнику, электронику, электромеханику, электроэнергетику и металлургию. Эффективное технологическое оборудование для приготовления алюминиевых сплавов создают с применением комплексных решений для печей, миксеров, установок рафинирования и разливочных машин.В большинстве случаев в перечисленном оборудовании недостаточно типовых инженерных решений и комплектных устройств, поскольку технологические режимы отличаются повышенной интенсивностью, среда крайне агрессивная, а разница температур достигает трех порядков. Построение эффективного электромагнитного перемешивателя расплава алюминия в печи включает ряд наукоёмких задач, требующих углублённого исследования электромагнитного поля сложной конфигурации в индукторе и создания оптимизированного электронного источника питания обмоток, для эффективного управления режимами электропитания.

Ключевые слова. Электромагнитный индуктор, бегущее магнитное поле, электромагнитный перемешиватель, автоматизированная система управления технологическим процессом, частотный преобразователь, ШИМ-модуляция, контроллер, управляемый выпрямитель, транзисторный инвертор.

Постановка проблемы. Электромагнитное перемешивание расплавов лёгких металлов проводят с применением индукционного оборудования. Для создания бегущего магнитного поля используют индукторы различного исполнения и разной эффективности. Системы энергообеспечения и управления режимом устройства, как правило, объединены в единое целое и представляют собой специализированный многофазный источник питания. Вместе с источником индуктор образует комплекс электромагнитного перемешивания, режимы работы которого могут быть достаточно сложными и зависят от количества печей, особенностей технологии приготовления сплава, наличия средств подъёма и перемещения индуктора. Помимо задач оптимизации магнитного поля и режимов электропитания комплекса, в перечисленном также необходимо выделение приоритетных областей, в которых следует сконцентрировать усилия для достижения наилучших показателей производительности. Однако первостепенное значение имеет проблема повышения эффективности исполнительного органа, повышения его тягового усилия при снижении энергозатрат и повышении гибкости управления технологическим процессом. Эскиз трёхфазного электромагнитного трёхзонного индуктора продольного магнитного поля с размещением индуктирующих катушек показан на рисунке 1. Надо отметить определённую условность изображения обмоток, которые в действительности, для повышения коэффициента заполнения, имеют более плотную намотку и групповую структуру [1]. Обмотка, чаще всего, содержит совокупность катушечных групп, при их последовательном включении на сетевое напряжение. Для сравнительно небольших плотностей тока, при воздушном охлаждении используют изолированную медную шину [2]. В технологии производства простейшим решением является одинаковое направление навивки катушек, снижающее расходы на изготовление обмоток. Для задания нужного характера распределения магнитных потоков в индукторе, направление навивки необходимо учитывать при подключении. Кроме этого, опираясь на схему подключения, в расчете следует задавать направление для токов и других режимных параметров, учитываемых позднее в уравнениях [3].

Магнитопроводы индукторов продольного поля выполняют шихтованным, причём при работе на низкой частоте оказывается возможным применение обычной конструкционной стали, удешевляющей изделие. Форма сечения магнитопровода может быть как круглой, так и прямоугольной. Однако, эффективность прямоугольного сечения существенно выше, поскольку тяговое усилие прямолинейного проводника с током выше, нежели дугообразного. Поэтому для зазоров более 500 мм предпочтительнее применение индукционных машин с прямоугольным магнитопроводом. Средствами математического моделирования доказано повышение на 22 % тягового усилия индуктора с прямоугольным сечением около 400 кв.см, в сравнении с равновеликим круглым. При среднем значении тока в обмотках треугольника около 180 ампер и эквивалентной линейной токовой нагрузке до 200 кА/м сердечник оказывается в состоянии, близком к насыщению. Дальнейшее повышение линейной нагрузки, снижет интенсивность увеличения магнитной индукции в сердечнике и зубцах, вплоть до значений, при которой относительная магнитная проницаемость стали снижется до 10-12 единиц. В линейных токах источника питания при этом становятся весьма существенными нечетные гармоники тока. При проведении экспериментальных исследований с применением средств АСКУЭ было установлено наибольшее значение коэффициента гармоник по токам до 65 % для максимального доступного тягового усилия. Столь существенное повышение коэффициента гармоник при повышении напряжения питания свидетельствует о насыщении магнитопровода. При этом потери в стали возрастают и становятся сравнимыми с потерями в меди обмоток. Интенсивность нагрева магнитопровода и зубцов в разных местах первоначально оказывается существенно различной и выравнивается за счёт теплопроводности в ходе продолжительного исследования. Задача выбора оптимального соотношения массы меди и стали в конструкции индуктора является предметом дополнительного исследования и во многом определяет результирующую эффективность индукционных машин описываемого класса. Зубцы, предназначенные для локальной концентрации магнитного поля, обычно делают шихтованными, сочленяя с магнитопроводом посредством специальных механических креплений повышенной прочности, обеспечивающих надежность конструкции в условиях интенсивной вибрации. Для снижения потерь в сердечнике применяют традиционные средства, хорошо описанные в учебниках по электрическим машинам [3]. Эквивалентные потери в индукторе среднего габарита (до 5 тонн) могут достигать 35-40 кВт при условии ограничения плотности тока в медной шине значениями 3,6-3,8 А/мм2. Правильным проектированием индукционной машины достигают условия приблизительно равного распределения суммарных потерь на потери в меди обмотки и в стали магнитопровода.

Простейшие схемы включения трёхфазных индукторов продольного магнитного поля показаны на рисунке 2. В обоих случаях для создания необходимого фазового сдвига магнитных потоков малополюсной машины (2p=1) применено инвертированное включение обмотки средней фазы индуктора. Выбор схемы включения обмоток оказывается крайне важным при согласовании с источником питания. Соединение обмоток звездой (рисунок 2, а) отличается меньшими фазными напряжениями и больше подходит при малом числе витков в обмотках. Соединение обмоток треугольником (рисунок 2, б) обеспечивает значительные токи, что позволяет создавать намагничивающую силу и тяговое усилие большей величины. Немаловажным фактором при выборе схемы оказывается учёт технологических аспектов изготовления, выбор типоразмера медной шины, и конфигурации катушечных групп. Кроме того, в соединении обмоток треугольником, удаётся повысить коэффициент использования источника питания по току, при соблюдении ограничения, по условиям безопасности, ступенью напряжения до 1000 вольт. Потому схема включения треугольником в большинстве случаев оказывается предпочтительнее.

Применение схемы соединения треугольником создает некоторые особенности режимного характера для источника, обусловленные существенной несимметрией токов и магнитных потоков в индукторе.

Учитывая интенсивную магнитную связь обмоток соседних фаз, при выборе режимов источника оказывается необходимым принимать специальные меры по компенсации переноса мощности между обмотками. Например, для повышения эффективности индукторов нередко применяют более сложные схемы включения обмоток, в том числе для четырёхзонных индукторов с расщеплёнными обмотками. Режим электромагнитного трёхзонного индуктора с инверсией средней фазы можно пояснить по векторной диаграмме, показанной на рисунке 3. 

При питании от трёхфазного источника модифицированного синусоидального напряжения

в идеализированном случае, инверсией включения обмотки средней фазы получают фазовые сдвиги магнитных потоков α = 60 градусов

Намагничивающий ток каждой фазы отстаёт от напряжения на угол, меньший π/2 вследствие наличия потерь. А поскольку есть взаимная индуктивность, постольку присутствует и перенос мощности. Следовательно, режимы каждой фазы индукционной машины различны. Краевые эффекты ещё больше искажают симметрию. Для упрощения на векторной диаграмме выделено обозначение только фазового угла φа для тока первой обмотки. Учитывая инверсию включения средней обмотки, при обратной последовательности чередования фаз, комплексы магнитных потоков фаз В и А могут быть показаны со сдвигом ±α относительно комплекса ФС для обмотки фазы С.

На практике фазовые соотношения могут отличаться довольно значительно, поэтому практический расчет по инженерным формулам оказывается менее предпочтительным перед математическим моделированием. Хорошие результаты даёт физический эксперимент на масштабных моделях или экспериментальных образцах. Именно по результатам измерения электромагнитного режима индуктора уточняют рекомендации по корректировке и настройке режима трёхфазного инвертора. Такие же меры характерны для ограничения влияния взаимной индуктивности обмоток на режим частотного преобразователя. Более глубокое регулирование выполняют соответствующим изменением конфигурации катушечных групп, специальными мерами коррекции режимных параметров инвертора, а также применением модифицированных схем соединения, вплоть до раздельного включения каждой обмотки треугольника.

Следует заметить, что единичные мощности комплексов ЭМП для печей 40-50 тонн весьма существенные. При проектировании индукторов для зазоров 400-500 мм ориентируются на токи в обмотках 250-300 ампер. А поскольку режим работы индуктора близок к холостому ходу, постольку для режима преобразователя частоты характерен крайне низкий эквивалентный коэффициент мощности. Это приводит к необходимости построения инвертора для несимметричного режима электропитания в габаритной мощности до 250 или даже 400 кВА. Указанные особенности создают специфические требования, которые необходимо учитывать при создании частотного инвертора, как по условиям согласования установившегося режима реактивной несимметричной нагрузки, так и в разгонных характеристиках. Кроме того, оказывается необходимым соблюдать определённые требования к выбору частоты ШИМ-модуляции, к созданию условий охлаждения и обеспечению надлежащих условий электромагнитной совместимости оборудования. Перечисленные особенности резко ограничивают возможности применения в составе комплексов ЭМП типовых частотных приводов. Поэтому ведущие компании поставляют на рынок именно комплексы электромагнитного перемешивания, укомплектованные уникальными частотными преобразователями, специально разработанными для индукционных установок.

Структура комплекса электромагнитного перемешивания алюминия показана на рисунке 4. При создании высокоэффективного электрометаллургического оборудования, важное значение имеет усовершенствование каждого из компонентов комплекса ЭМП. Значительную часть компонентов структурной схемы можно отнести к оснащению частотного преобразователя. Схемотехника транзисторных частотных инверторов имеет типовую структуру и может быть с успехом использована для индукционной машины продольного поля. При доработке электронных узлов и надлежащей проработке выходного звена можно построить эффективный комплекс электромагнитного перемешивания, а также разработать совокупность технических решений для создания серийного оборудования, пригодного для разных печей.

Каждый модуль в структуре (рисунок 4) можно представить в обобщённом виде электронной схемой выполняющей предусмотренный функционал.

Входное звено предназначено для разделения системы электропитания индуктора и распределительной сети предприятия. Предпочтительно использование на первой ступени трёхфазного силового трансформатора, обеспечивающего полную мощность комплекса. В отсутствии критических требований по условиям электромагнитной совместимости комплекса ЭМП может быть использовано упрощенное решение. Например, возможно применение на входе дроссельного фильтрокомпенсационного устройства, что существенно удешевляет технологическое оборудование.

Управляющий контроллер представляет собой электронный узел управления режимами всех электронных модулей частотного преобразователя. В составе контроллера предусмотрены все необходимые компоненты быстроходного автоматического устройства управления, такие как 32-разрядный микропроцессор, память, модули цифровых и аналоговых каналов передачи сигналов. Интерфейс контроллера позволяет реализовывать ручное и автоматическое управление, в том числе дистанционное. В работе аппаратных средств используется специализированное программное обеспечение. Предусмотрены модули сопряжения с внешними сервисными устройствами программирования и настройки режимов.

Управляемый выпрямитель (рисунок 5) представляет собой мощный трёхфазный тиристорный блок, как правило, полууправляемый, предназначенный для «накачки» основной батареи конденсаторов. В составе выпрямителя применяют надёжные и компактные диодно-тиристорные модули В1, В2, В3, рассчитанные на токи порядка 160-200А, например TD162N16KOFAHPSA1. Для защиты выпрямителя используют электронные средства, например устройства ограничения импульсных перенапряжений и экстремальных зарядных токов, возможно применение быстродействующих электромеханических узлов. Силовые элементы выпрямителя работают в нагруженном режиме, при температурах до 95°С.

Поэтому для предотвращения перегрева выпрямительные модули монтируют на радиаторах, применяют высоконапорные вентиляторы. Кроме устройств охлаждения надёжность работы частотного преобразователя во многом определяется рациональной компоновкой модулей и аппаратов. Работа на индукционную нагрузку отличается спецификой, обусловленной малым 0,08-0,15 высоко реактивным коэффициентом мощности, высокой несимметрией и импульсными перегрузками. Крайне важно, что в аварийном режиме нет возможности аварийного отключения питания рабочего органа, без аварийного сброса мощности, поскольку режим статического индуктора резко отличается от вращающегося асинхронного двигателя с выбегом или электромагнитным торможением.

Звено постоянного тока содержит мощную высоковольтную батарею конденсаторов (БК). Для БК характерно двухэтажная структура (рисунок 6), обусловленная спецификой работы силового инвертирующего звена, требующего двухполярного источника постоянного напряжения.

Пример схемы звена постоянного тока, для мощного трехфазного мостового инвертора показана на рисунке 6. Для работы на индукционную нагрузку значения емкости Cf конденсаторов БК следует увеличивать по сравнению с типовыми значениями, характерными для асинхронного привода. Поэтому при построении БК со средней точкой применяют электролитические конденсаторы на напряжение не менее 450VDC, при единичных значениях ёмкости до 0,022-0,033F. Количество конденсаторов в БК определяется режимом работы индукционного устройства и характеристиками используемых силовых IGBT-модулей. В составе БК предусмотрено устройство аварийного сброса мощности в балласт, построенное также с применением IGBT-транзисторов. При создании эффективного источника питания важное значение имеет применение специально спроектированной копланарной пластины, предназначенной для монтажа электролитических конденсаторов в монолитную конструкцию, обеспечивающую минимальные потери от циркуляции импульсных токов величиной в десятки килоампер. На шине постоянного тока, образованной конденсаторами БК и копланарной конструкцией для подавления коммутационных помех используют блокирующие конденсаторы CS, называемые снабберами.

Силовое инвертирующее звено представляет собой согласованный комплект полумостовых сборок D1, D2, D3 на базе мощных IGBT-транзисторов, управляемый контроллером. Именно применение гибридных транзисторов сделало возможным построение мощных многофазных частотных инверторов, обеспечивающих реализацию всех достоинств ШИМ-управления.

Достоинства силовых транзисторов нового класса в структуре классических квазикомплементарных выходных каскадов VT1-VT4, VT2-VT5, VT3-VT6 обеспечили гибкое управление режимами электропитания, малые потери, высокую надежность. Для индукционных устройств комплексов среднего габарита с успехом применяют сборки не ниже 12 класса напряжения, рассчитанные на номинальные токи 450-700 ампер, например 2MBi600VE-120-50. Структурная схема простейшего силового инвертора, построенного для трехфазного мостового преобразователя показана на рисунке 7. В зависимости от вида индуктора схема силового инвертора может быть модифицирована посредством применения необходимого количества полумостовых модулей. Каждой конфигурации силового инвертора соответствует собственный уникальный режим работы, определяемый сменяемым алгоритмом управления, который загружают в контроллер. Пример типовой схемы трёхфазного частотного инвертора для мостовой схемы выхода показан на рисунке 8.

Типовые схемы подключения трёхзонного индуктора к выходу трёхфазной мостовой схемы частотного инвертора, при соединении обмоток индукционного устройства звездой и треугольником, показаны на рисунке 9. Для соединения звездой (рисунок 9, а) используют вывод нейтральной точки, как показано на рисунке 6. При этом требуются специальные меры настройки защит, поскольку ток в нейтрали может оказаться крайне существенным. Соединение треугольником (рисунок 9, б) не требует нейтральной точки, отличается большей стабильностью, однако обмотки индукционной машины оказываются загруженными дополнительными потерями, обусловленными токами нулевой последовательности.

Для простейших схем включения малополюсной индукционной машины (рисунок 9) можно выполнить предварительный анализ режима электропитания по основной гармонике и построить векторные диаграммы распределения магнитных потоков, определяющих тяговую эффективность. Кроме того, опираясь на характеристики индуктора в первом приближении можно оценить распределение токов в обмотках и составить представление о нагрузках частотного преобразователя в установившемся режиме. Эти сведения оказываются необходимыми для принятия решения о выборе компонентов на этапе проектирования силовой части инвертора. Для оценки характера распределения токов IU, IV, IW в линейных проводах источника питания для инвертора, показанного на рисунке 9, б по законам Кирхгофа записывают систему уравнений, в которой на первоначальном этапе магнитными связями между фазами следует пренебречь.

Векторная диаграмма для соединения по схеме треугольника показана на рисунке 10. Судя по векторной диаграмме режим электропитания блока «частотный инвертор – индукционная машина» без учета магнитных связей можно характеризовать линейными токами IU, IV, IW равной величины, создающими симметричную звезду. Однако фазовые углы оказались инвертированными. Инверсия средней фазы и магнитная связь приводит к мутации реактивностей и изменению характера нагрузки, что требует принятия соответствующих решений при проектировании комплекса ЭМП. Только в первой фазе ток IU имеет индуктивный характер (φU > 0). Во второй фазе ток IV инвертирован на угол φV ≈ π, что характерно для переноса мощности между фазами. В третьей фазе ток IW опережает напряжение, что свидетельствует о его ёмкостном характере (φW < 0). Необходимо отметить, что предварительный анализ распределения токов IU, IV, IW показал сложный характер электромагнитных процессов в исследуемой системе электропитания. С учетом магнитных связей между обмотками соседних фаз, токи IU, IV, IW оказываются не равными по величине, что усугубляет несимметрию и требует уточнённого расчета. При переходе к укрупнённой постановке задачи синтеза и оптимизации комплексов ЭМП представленную на рисунке 4 структурную схему можно скорректировать и представить более компактно, в соответствии с рисунком 11. В составе комплекса показан модуль АСУ ТП, выступающий средством управления, более высокого уровня, и обеспечивающий соответствие устройства требованиям технологии производства. Звенья силовой цепи, а также управляющий контроллер частотного преобразователя, перемещены вовнутрь модуля источника питания. Согласно структурной схеме электромагнитный индуктор даже при высокой степени интеграции остаётся внешним устройством и несет в себе функционал рабочего органа. Представленное разделение модулей по функционалу определяет стратегию поиска оптимальных решений.

Универсальная структура комплекса ЭМП позволяет разделить задачу синтеза эффективного оборудования на отдельные направления, среди которых можно выделить оптимизацию электромагнитных режимов индукционной машины и совершенствование алгоритмов и повышение надёжности частотного преобразователя. Помимо упомянутых задач, в специфических случаях, необходимо проведение исследования более сложных схем включения индукционного оборудования. Такая особенность бывает обусловлена сложной структурой реконструируемого производства, особенно на этапе модернизации печей. При необходимости разделения фаз индукционной машины и прокладке протяжённых кабелей электропитания применяют схему включения обмоток индуктора показанную на рисунке 12.

Аналогичная конфигурация может быть использована для комплекса ЭМП, в котором индукционная машина интегрирована с источником питания в единый модуль и размещена под печью. В разработке оптимизированной системы электропитания комплекса ЭМП приоритет отдают согласованию уровней напряжения, надлежащей фазировке схем подключения обмоток индукционных машин, а также тщательной проработке алгоритмов управления транзисторными силовыми ключами. В статье рассмотрены наиболее простые способы соединения индуктора и источника питания. Учитывая многообразие конструктивного исполнения обмоток индукционных машин, схемы их включения для четырёхзонных индукторов, а также для расщеплённых обмоток следует рассмотреть более подробно в отдельной публикации, в совокупности с диаграмами распределения магнитных потоков и рабочими характеристиками.

                     Евгений Бортник, Красноярск, Россия, июль 2018