40

Roman K

IEROÑSKI

WP£YW PRACY ELEKTROTERMICZNYCH URZ¥DZEÑ INDUKCYJNYCH...

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA

TOM 26. ZESZYT 1–2, 2007

Roman K

IEROÑSKI

*

WP£YW PRACY ELEKTROTERMICZNYCH URZ¥DZEÑ INDUKCYJNYCH

NA SIEÆ ELEKTROENERGETYCZN¥

STRESZCZENIE
W artykule opisano wp³yw urz¹dzeñ do nagrzewania indukcyjnego na sieæ elektroenergetyczn¹; opisano wp³yw

pieca i nagrzewnicy indukcyjnej ze wsadem oraz ca³ego urz¹dzenia indukcyjnego ze Ÿród³em zasilania.
S³owa kluczowe: nagrzewanie indukcyjne, Ÿród³a zasilania pieców i nagrzewnic indukcyjnych

THE INFLUENCE OF THE OPERATION OF ELECTROHEAT INDUCTION EQUIPMENT

ON POWER SYSTEM NETWORKS
This paper presents the influence of induction heating devices on power system networks. Article covers the in-

fluence of induction furnaces and heaters with charges as well as the whole induction device with source of supple.
Keywords: induction heating, sources of supple of induction furnaces and heaters

*

Katedra Automatyki Napêdu i Urz¹dzeñ Przemys³owych, Wydzia³ Elektrotechniki Automatyki Informatyki i Elektroniki, Akademia

Górniczo-Hutnicza w Krakowie

1

. WSTÊP

Wp³yw pracy elektrotermicznych urz¹dzeñ indukcyjnych na

sieæ elektroenergetyczn¹ jest poœredni, poniewa¿ piec lub

nagrzewnica indukcyjna s¹ najczêœciej zasilane poprzez

przekszta³tniki, transformatory oraz rzadziej silniki induk-

cyjne (przy generatorach maszynowych). Rzadko kiedy takie

odbiorniki s¹ zasilane wprost z sieci, a jeœli s¹, to i tak w uk³a-

dach kompensacyjno-symetryzacyjnych i filtracyjnych.

Urz¹dzenie indukcyjne
W artykule opisano wp³yw urz¹dzeñ do nagrzewania in-

dukcyjnego na sieæ elektroenergetyczn¹. Opisano wp³yw

pieca

 i nagrzewnicy indukcyjnej ze wsadem oraz ca³ego

urz¹dzenia indukcyjnego ze Ÿród³em zasilania, których

schemat blokowy

znajduje siê na rysunku 1.

Poni¿ej opisano sposoby zasilania nagrzewnic lub pie-

ców indukcyjnych.
ród³a zasilania nagrzewnic i pieców indukcyjnych
Pocz¹tkowo podstawowym Ÿród³em zasilania nagrzewnic

indukcyjnych by³a sieæ przemys³owa. Jej wykorzystanie

wi¹za³o siê z koniecznoœci¹ stosowania transformatorów,

autotransformatorów, regulatorów indukcyjnych i transduk-

torów. Jedynym Ÿród³em œrednich czêstotliwoœci (do 10 kHz)

by³y generatory elektromaszynowe, a czêstotliwoœci wiel-

kich (rzêdu setek kHz) – generatory lampowe. Wraz z wpro-

wadzeniem w latach 70. XX w. do zasilania nagrzewnic in-

dukcyjnych przekszta³tników pó³przewodnikowych nast¹pi³

prze³om w mo¿liwoœciach zastosowania tego typu nagrze-

wania. W zakresie œrednich czêstotliwoœci wypar³y one ge-

neratory elektromaszynowe. Sta³e zwiêkszanie parametrów

wysokoczêstotliwoœciowych zaworów pó³przewodnikowych,

g³ównie tranzystorów mocy, sprawia, ¿e przekszta³tniki pó³-

przewodnikowe zaczynaj¹ stopniowo wypieraæ generatory

lampowe w zakresie czêstotliwoœci do setek kHz. Pierwsze

zastosowania tranzystorów mocy w przemys³owym grzej-

nictwie indukcyjnym mia³y miejsce w po³owie lat 80. XX w.

Charakterystykê podstawowych Ÿróde³ zasilania nagrzew-

nic indukcyjnych przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1

Stosowane czêstotliwoœci, Ÿród³a zasilania grzejnictwa

indukcyjnego, wed³ug [2]

Rys. 1. Schemat blokowy urz¹dzenia indukcyjnego

Zakres

czêsto-

tliwoœci

ród³a zasilania

Przyk³adowe zastosowania

10 Hz

50 Hz

450 Hz

cyklokonwertory

16÷25 Hz

sieæ energetyczna

50 (60) Hz

statyczne

powielacze

czêstotliwoœci

150÷450 Hz

topienie metali wstêpne,

nagrzewanie kêsów,

nagrzewanie ruroci¹gów,

nagrzewanie betonu,

nagrzewanie kêsów przed

walcowaniem,

nagrzewanie blach przed

prasowaniem

1 kHz

10 kHz

generatory

elektromaszynowe

przekszta³tniki

statyczne

nagrzewanie kêsisk przed

walcowaniem, hartowanie

g³êbokie, topienie w piecach

powietrznych i pr

ó¿niowych

100 kHz

1 MHz

10 MHz

przekszta³tniki

statyczne

generatory

lampowe

topienie lewitacyjne,

oczyszczanie materia³ów

pó³przewodnikowych, jonizacja

gazów, br¹zowanie,

plazmotrony, analiza chemiczna

metali w pró¿ni,

nagrzewanie grafitu

Urz¹dzenie indukcyjne

41

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 26. ZESZYT 1–2, 2007

Przyczyny

i skutki pogarszania jakoœci

sieci elektroenergetycznej
Spadki napiêcia wywo³ane pr¹dami wymienionych wcze-

œniej Ÿróde³ zasilania odkszta³caj¹ sinusoidê napiêcia za-

silaj¹cego, co powoduje dodatkowe straty przesy³u, mo¿e

zak³ócaæ pracê innych odbiorników, stwarzaæ niebezpie-

czeñstwo rezonansu oraz przeci¹¿aæ obwody zawieraj¹ce

pojemnoœci.

Stosowanie du¿ej liczby takich Ÿróde³, bez filtru pr¹du

wejœciowego, stanowi dla sieci zasilaj¹cej obci¹¿enie nieli-

niowe o charakterze impulsowym o znacznej zawartoœci

wy¿szych harmonicznych. Wy¿sze harmoniczne pr¹du po-

bieranego z sieci zasilaj¹cej przez odbiorniki nieliniowe s¹

Ÿród³em odkszta³cenia napiêcia oraz powstawania dodat-

kowych strat cieplnych w linii zasilaj¹cej. Odkszta³cone

napiêcie sieci zasilaj¹cej mo¿e byæ powodem wadliwej pra-

cy innych odbiorników energii elektrycznej zasilanych z tej
sieci.

Celem eliminacji tych niepo¿¹danych zjawisk stosuje siê

filtry pasywne indukcyjno-pojemnoœciowe lub znacznie

l¿ejsze i mniejsze filtry aktywne. Prostowniki wyposa¿one

w filtry aktywne pozwalaj¹ na pobór z sieci zasilaj¹cej pr¹-

du o przebiegu chwilowym bliskim sinusoidalnie zmien-

nemu i pozostaj¹cym w fazie przebiegiem napiêcia zasilaj¹-

cego. Wspó³czynnik mocy takich zasilaczy jest bliski jed-

noœci.
Zniekszta³cenia i odchy³ki napiêcia w sieci zasilaj¹cej

powstaj¹ w wyniku procesu za³¹czania i wy³¹czania odbio-

rów, s¹ równie¿ powodowane przez nieliniowe i „niespo-

kojne” odbiory. Rozró¿niæ mo¿na nastêpuj¹ce odchy³ki na-

piêcia sieci zasilaj¹cej od wartoœci znamionowej:

– ustalone odchy³ki napiêcia;

– odchy³ki napiêcia trwaj¹ce kilka sekund (tak zwane za-

pady), które wynikaj¹ z rozruchu silników indukcyj-

nych du¿ej mocy lub zwaræ wystêpuj¹cych w sieci zasi-

laj¹cej;

– zaniki napiêcia o czasie trwania 0,02÷60 s wynikaj¹ce

z prze³¹czeñ w systemach zasilaj¹cych;

– odchy³ki zmieniaj¹ce siê okresowo, z czêstotliwoœci¹

zmian w zakresie od f = 0,1 do 30 Hz, wp³ywaj¹ce ne-

gatywnie na odbiorniki œwietlne; wynikaj¹ one na przy-

k³ad z cyklicznej zmiany obci¹¿enia funkcjonuj¹cych

silników.

Sinusoida napiêcia mo¿e byæ odkszta³cona przez wy¿sze

harmoniczne parzyste i nieparzyste, których czêstotliwoœci

s¹ wielokrotnoœci¹ czêstotliwoœci podstawowej 50 Hz. Wy-

nikaj¹ one z niesinusoidalnego poboru pr¹du przez odbior-

niki takie, jak: przekszta³tniki, piece ³ukowe, niektóre typy

lamp oœwietleniowych lub z odkszta³conego przebiegu pr¹-

du magnesowania transformatorów.

W sieci trójfazowej mog¹ wyst¹piæ zniekszta³cenia

w symetrii napiêæ fazowych. Miar¹ tych zniekszta³ceñ jest

zawartoœæ sk³adowych symetrycznych: przeciwnej i zero-

wej. Zniekszta³cenia te wynikaj¹ z asymetrycznego obci¹-

¿enia sieci zasilaj¹cej. Wyj¹tkowo niekorzystnym przypad-

kiem jest awaryjne wy³¹czenie jednej fazy baterii konden-

satorów przeznaczonych do poprawy wspó³czynnika mocy.

Z rozwa¿añ tych wynika koniecznoœæ analizy wp³ywu

nagrzewania indukcyjnego na:

– wahania napiêcia sieci;

– gospodarkê moc¹ biern¹;

– odkszta³cenie krzywej napiêcia zasilaj¹cego.

2

. NAGRZEWNICA I PIEC INDUKCYJNY

ZASILANE JEDNOFAZOWO

Z SIECI ELEKTROENERGETYCZNEJ

Nagrzewnica lub piec indukcyjny R

o

L

o

to uk³ad wzbudnik–

wsad (rys. 1), stanowi¹cy dla Ÿród³a zasilania szczególny

rodzaj odbiornika.

Cechami charakterystycznymi nagrzewnic indukcyjnych

jako odbiorników energii elektrycznej s¹:

– ci¹gle zmiany rezystancji i indukcyjnoœci nagrzewnicy

w trakcie procesu nagrzewania, wynikaj¹ce z zale¿no-

œci parametrów materia³owych wsadu od temperatury,

natê¿enia pola magnetycznego i czêstotliwoœci, ruchu

wsadu (szczególnie wyjmowania i wk³adania), rodzaju

wsadu (ferromagnetyk czy nieferromagnetyk);

– nieliniowy charakter obci¹¿enia, zw³aszcza przy na-

grzewaniu ferromagnetyków;

– niski wspó³czynnik mocy nagrzewnicy, co prowadzi do

koniecznoœci kompensacji mocy biernej poprzez w³¹-

czanie baterii kondensatorów i tworzenia siê obwodu

rezonansowego RLC o du¿ej dobroci (Q = 2,5÷20).

Maj¹ one wp³yw na parametry nagrzewnic indukcyj-

nych, które mog¹ zmieniaæ siê tak¿e podczas pracy w szero-

kim zakresie: wspó³czynnik mocy 0,1÷0,8; pr¹dy zmieniaj¹

siê o 25% dla wsadów nieferromagnetycznych, a o 100%

ferromagnetycznych, zawartoœæ wy¿szych harmonicznych

zale¿y od stopnia nasycenia wsadu ferromagnetycznego

polem magnetycznym.

Wolnozmienne w czasie pr¹dy bêd¹ce przyczyn¹ zmiany

asymetrii, wspó³czynnika mocy, liniowoœci (wspó³czynnika

harmonicznych THD) s¹ spowodowane zmian¹ rezystyw-

noœci i przenikalnoœci magnetycznej wzglêdnej od tempera-

tury nagrzewanego wsadu. Dwie charakterystyczne tempe-

ratury, kiedy nagle zmieniaj¹ siê parametry, to T

curie

(utrata

w³asnoœci magnetycznych) oraz T

topn

(topnienia), pokazano

na rysunku 2.

Rys. 2. Zmiany asymetrii pr¹du, wspó³czynnika mocy,

wspó³czynnika THD od temperatury

42

Roman K

IEROÑSKI

WP£YW PRACY ELEKTROTERMICZNYCH URZ¥DZEÑ INDUKCYJNYCH...

Podobnie du¿e zmiany s¹ w funkcji ruchu wsadu (szcze-

gólnie jego wyjmowania i wk³adania) oraz w funkcji rodza-

ju wsadu (wymiary w stosunku do wzbudnika, ferromagne-

tyk czy nieferromagnetyk)

Szybkozmienne w czasie pr¹dy s¹ przyczyn¹ odkszta³ce-

nia pr¹du (wzrostu wspó³czynnika harmonicznych THD)

szczególnie dla ferromagnetyków. Wynika to z krzywej

magnesowania (histerezy) cia³ ferromagnetycznych B(H)

(gdzie H

– natê¿enie pola magnetycznego) (rys. 3).

Przeró¿ne uk³ady do kompensacji i symetryzacji zmniej-

szaj¹ negatywny wp³yw na sieæ elektroenergetyczn¹, ale nie

do koñca z powodów wy¿ej opisanych du¿ych zmian pod-

czas nagrzewania.

Poprawa wspó³czynnika mocy
Wartoœæ wspó³czynnika mocy jest ma³a w przypadku induk-

cyjnych uk³adów wyposa¿onych w rdzenie ferromagnetycz-

ne (szczególnie zamkniête), a dla uk³adów bezrdzeniowych

du¿a i wzrastaj¹ca wraz z gruboœci¹ szczeliny powietrznej.

Reaktancje zastêpcze indukcyjnych uk³adów grzejnych

s¹ z regu³y znacznie wiêksze od ich rezystancji i dla pieców

tyglowych Q

> 10, dla nagrzewnic skroœnych zwykle Q > 3.

Z tego wzglêdu wspó³czynniki mocy nagrzewnic i pieców

przyjmuj¹ bardzo ma³e wartoœci, orientacyjnie dla:

czêstotliwoœci = 50 i 150 Hz cosϕ = 0,2÷0,6 (do 0,9 dla

pieców i nagrzewnic z rdze-

niami zamkniêtymi dla pie-

ców kana³owych);

czêstotliwoœci = 0,5÷10 kHz cosϕ = 0,1÷0,5;

czêstotliwoœci > 60 kHz cosϕ = 0,01÷0,1.

Chêæ ograniczenia strat mocy w przewodach zasilaj¹-

cych uk³ady grzejne i zminimalizowania mocy Ÿróde³ zasi-

lania powoduje koniecznoϾ kompensowania mocy biernej,

co odbywa siê zdecydowanie najczêœciej poprzez w³¹cze-

nie do uk³adów kondensatorów statycznych. W celu osi¹-

gniêcia cosϕ ~ 1 przeprowadza siê kompensacjê mocy bier-

nej indukcyjnej za pomoc¹ kondensatorów statycznych,

w³¹czanych do uk³adu grzejnego szeregowo, równolegle

lub szeregowo-równolegle.

W trakcie nagrzewania ci¹g³ej zmianie ulegaj¹ w³aœci-

woœci wsadu, a wiêc równie¿ parametry schematu zastêp-

czego R

o

L

o

i moc bierna uk³adu grzejnego. Na skutek wzro-

stu jego rezystancji (wzrostu R

o

) roœnie cosϕ, a w przypad-

ku przekroczenia przez wsady ferromagnetyczne punktu

Curie ulega on gwa³townemu zmniejszeniu. Jest to widocz-

ne zw³aszcza przy nagrzewaniu skroœnym wsadów stalo-

wych oraz topieniu metali. W tym celu bateriê kondensato-

rów dzieli siê na stopnie w³¹czane lub wy³¹czane w miarê

potrzeby w czasie procesu grzejnego.
Uk³ady symetryzuj¹ce
Indukcyjne uk³ady grzejne czêstotliwoœci sieciowej s¹

z regu³y jednofazowymi odbiornikami energii elektrycznej.

Wyj¹tek stanowi¹ trójfazowe piece tyglowe i nagrzewnice

skroœne, których zastosowanie jest ograniczone. Niesyme-

tryczne obci¹¿enie sieci trójfazowej, zw³aszcza przy du-

¿ych mocach pieców i nagrzewnic, wywiera ujemny wp³yw

na sieæ elektroenergetyczn¹.

Zadaniem uk³adu symetryzuj¹cego jest zlikwidowanie

niesymetrii pr¹dów przy zapewnieniu mo¿liwie wysokie-

go wspó³czynnika mocy. S¹ stosowane uk³ady indukcyjno-

-pojemnoœciowe d³awikowe i transformatorowe po³¹czone

w trójk¹t lub gwiazdê.

3

. TRANSFORMATORY I D£AWIKI

DO NAGRZEWANIA INDUKCYJNEGO

Transformatory i d³awiki wprowadzaj¹ du¿¹ indukcyjnoœæ,

a wiêc wspó³czynnik mocy jest niski, a jego wartoœæ zale¿y

od obci¹¿enia transformatora. Im wiêksze obci¹¿enie, tym

wspó³czynnik mocy jest wiêkszy.

Transformatory s¹ nieliniowym obci¹¿eniem, zniekszta³-

cenie sinusoidy pr¹du z powodu histerezy wystêpuje zgod-

nie z rysunkiem 3. Im wiêksze obci¹¿enie, tym wspó³czyn-

nik THD jest mniejszy, ale oprócz tego zale¿y, jaki jest sto-

pieñ nasycenia rdzenia.

Rys. 3. Zmiana pr¹du chwilowego, zniekszta³cenie sinusoidy pr¹du z powodu histerezy, wed³ug [10]

φ

i

μ

t

i

μ

i

μ

φ

φ

43

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 26. ZESZYT 1–2, 2007

Je¿eli stosujemy transformatory trójfazowe, nie mamy pro-

blemów z asymetri¹ pr¹dów, jeœli zaœ jednofazowe, to pro-

blemy s¹ podobne jak te, opisane w punkcie 2 tego artyku³u.

Ze wzglêdu na du¿¹ indukcyjnoœæ, wy³¹czenia w stanie,

gdy p³ynie du¿y pr¹d, powstaj¹ przepiêcia.

W nagrzewaniu indukcyjnym do wy¿szych czêstotliwo-

œci ni¿ 50 Hz stosuje siê szczególny rodzaj transformatorów

– transformatorowe powielacze czêstotliwoœci.
Transformatorowe powielacze czêstotliwoœci
Magnetyczne powielanie czêstotliwoœci w uk³adach zawie-

raj¹cych d³awiki lub transformatory o silnie nasyconych

obwodach magnetycznych znane jest od dawna, lecz dopie-

ro wprowadzenie blach transformatorowych zimnowalco-

wanych umo¿liwi³o budowê powielaczy do celów energe-

tycznych. W grzejnictwie indukcyjnym znalaz³y zastoso-

wanie potrajacze czêstotliwoœci typu transformatorowego

(Spinelliego) przekszta³caj¹ce trójfazowy pr¹d czêstotliwo-

œci sieciowej (50 Hz) na jednofazowy pr¹d czêstotliwoœci

potrojonej (150 Hz). Schemat ideowy potrajacza przedsta-

wia rysunek 4.

Zasadniczym elementem potrajacza s¹ trzy transforma-

tory jednofazowe o silnie nasyconych rdzeniach (indukcja

w rdzeniu B = 2,2÷2,3 T). Uzwojenia pierwotne, po³¹czone

w gwiazdê, zasilane s¹ z sieci o czêstotliwoœci 50 Hz trój-

przewodowo, wobec czego pr¹dy magnesuj¹ce nie zawiera-

j¹ trzecich harmonicznych, które tworz¹ uk³ad kolejnoœci

zerowej i mog¹ p³yn¹æ tylko w uk³adzie z przewodem zero-

wym. Brak trzeciej harmonicznej pr¹du magnesuj¹cego po-

woduje odkszta³cenie strumienia magnetycznego. Si³y

elektromotoryczne czêstotliwoœci podstawowej 50 Hz, in-

dukowane w uzwojeniach wtórnych, daj¹ w sumie zero,

Wspó³czynnik mocy na zaciskach pierwotnych X, Y, Z

potrajacza wynosi zwykle 0,35÷0,4 i praktycznie nie zale¿y

od wspó³czynnika mocy obci¹¿enia. Ze wzglêdu na silnie

odkszta³cony przez pi¹t¹ i siódm¹ harmoniczn¹ pr¹d pier-

wotny, kompensacja wspó³czynnika mocy do wartoœci

0,8÷0,9 oprócz kondensatorów statycznych wymaga stoso-

wania d³awików o liniowej charakterystyce pr¹dowo-na-

piêciowej. Zastosowanie samych kondensatorów umo¿li-

wia kompensacjê mocy biernej pierwszej harmonicznej

pr¹du, moc bierna wy¿szych harmonicznych przy sinuso-

idalnym napiêciu sieci nie mo¿e byæ skompensowana. Moc

bierna kondensatorów kompensuj¹cych wynosi oko³o 1,6

mocy czynnej wyjœciowej. Magnetyczne potrajacze czêsto-

tliwoœci w skali przemys³owej do zasilania indukcyjnych

urz¹dzeñ grzejnych konkuruj¹ skutecznie z urz¹dzeniami

czêstotliwoœci sieciowej 50 Hz, przede wszystkim dziêki

symetrycznemu obci¹¿eniu sieci trójfazowej przy jedno-

fazowym obci¹¿eniu po stronie 150 Hz. Zagadnienie syme-

tryzacji obci¹¿enia nastrêcza znaczne trudnoœci w urz¹-

dzeniach czêstotliwoœci sieciowej. Obecnie niektóre znane

firmy (Siemens, AEG, Junker) produkuj¹ potrajacze czê-

stotliwoœci o mocach wyjœciowych 200÷1000 kW.

4

. SILNIKI INDUKCYJNE

NAPÊDZAJ¥CE GENERATORY MASZYNOWE

Do Ÿróde³ œrednich czêstotliwoœci (tab. 1) nale¿¹ generatory

maszynowe, które najczêœciej napêdzane s¹ przez silniki in-

dukcyjne. Wprowadzaj¹ one du¿¹ indukcyjnoœæ, wspó³-

czynnik mocy jest niski, zw³aszcza przy biegu ja³owym

i jego wartoœæ zale¿y od obci¹¿enia. Im wiêksze obci¹¿enie,

tym wspó³czynnik mocy jest wiêkszy i znamionowo wynosi

0,9.

Silniki indukcyjne s¹ nieliniowym obci¹¿eniem, znie-

kszta³cenie sinusoidy pr¹du z powodu histerezy wystêpuje

zgodnie z rysunkiem 3. Im wiêksze obci¹¿enie, tym wspó³-

czynnik THD jest mniejszy, ale oprócz tego zale¿y, jaki jest

stopieñ nasycenia rdzenia.

Silniki te s¹ trójfazowe symetryczne, wiêc nie mamy

problemów z asymetri¹ pr¹dów.

Przy za³¹czeniu (rozruch) p³ynie du¿y pr¹d kilkakrotnie

wiêkszy od znamionowego.

5

. PRZEMIENNIKI Z FALOWNIKAMI

DO NAGRZEWANIA INDUKCYJNEGO

Podstawowe

uk³ady stosowanych Ÿróde³ dla œrednich

i wielkich czêstotliwoœci (patrz tab. 1) przedstawione s¹ na

rysunku 5. Uk³ad grzejny R

o

L

o

³¹czony jest szeregowo lub

równolegle z kondensatorem oscylacyjnym.

Pr¹d odbiornika R

o

L

o

przy szeregowym uk³adzie zawie-

ra du¿o wy¿szych harmonicznych (du¿e THD), zaœ przy

równoleg³ym ma³¹. Jednak to nie wp³ywa szkodliwie na

sieæ, bo falownik zasilany jest poprzez filtr i prostownik,

tak jak to blokowo pokazano na rysunku 6.

Rys. 4. Schemat ideowy potrajacza transformatorowego,

wed³ug [5]; 1 – transformatory o rdzeniach nasyconych,

2 – kondensator kompensuj¹cy reaktancjê wewnêtrzn¹,

3 – kondensatory i d³awiki liniowe do kompensacji

wspó³czynnika mocy, 4 – obci¹¿enie

Rys. 5. Podstawowy uk³ad falownika

do nagrzewania indukcyjnego

I

1

I

3

U

p

z

1

z

1

z

1

z

3

z

3

z

3

V

R

S

T

Z

X

Y

C

s

u

1

2

3

4

150 Hz

50

Hz

U

3

44

Roman K

IEROÑSKI

WP£YW PRACY ELEKTROTERMICZNYCH URZ¥DZEÑ INDUKCYJNYCH...

Dlatego z³y wp³yw przemienników na sieæ elektroener-

getyczn¹ jest spowodowany ich przekszta³tnikami prostow-

nikowymi.

6

. PRZEKSZTA£TNIKI

Oddzia³ywanie przekszta³tnika na siec zasilaj¹c¹
Zasilanie regulowanych przekszta³tników, a szczególnie

przekszta³tników du¿ej mocy, stwarza wiele powa¿nych

problemów technicznych. Przekszta³tnik, w przeciwieñ-

stwie do przetwornicy wiruj¹cej, nie ma zdolnoœci magazy-

nowania energii, co sprawia, ¿e udarowe zmiany obci¹¿enia

musz¹ byæ w ca³oœci pokrywane przez sieæ. Drug¹ charak-

terystyczn¹ i niekorzystn¹ cech¹ przekszta³tników statycz-

nych jest przesuwanie fazy podstawowej harmonicznej pr¹-

du pobieranego z sieci wzglêdem fazy napiêcia przy zmia-

nie k¹ta wysterowania ³¹czników oraz w wyniku zjawiska

komutacji. Zasilanie regulowanych przekszta³tników sta-

tycznych stwarza wiêc problemy dla gospodarki moc¹ bier-

n¹. Nie zawsze przy tym jest mo¿liwa jej kompensacja za

pomoc¹ kondensatorów. Dalsze trudnoœci powoduje kszta³t

krzywej pr¹du pobieranego z sieci przez przekszta³tnik.

Pr¹d ten nie ma charakteru sinusoidalnego, lecz postaæ zbli-

¿on¹ do trapezu lub krzywej schodkowej. Przekszta³tnik

stanowi wiêc Ÿród³o pr¹dów o czêstotliwoœci wy¿szej od

podstawowej.

Wypadkowy wspó³czynnik mocy w 6-taktowym uk³a-

dzie mostkowym pokazano na rysunku 7.

Z wykresu widoczne jes

t wyraŸnie zmniejszenie wypad-

kowego wspó³czynnika mocy wraz ze wzrostem k¹ta ko-

mutacji q, np. w przypadku zastosowania transformatora

o du¿ym napiêciu zwarcia lub przy przeci¹¿eniach.

W sprzeda¿y oferowane s¹ przemienniki do nagrzewania

indukcyjnego o cosϕ = 0,7.

Na rysunku 8 prz

edstawiono wzglêdn¹ wartoœæ pr¹du 5.,

7.,

11., i 13. harmonicznych, w odniesieniu do podstawowej

harmonicznej, jako funkcje wzglêdnego napiêcia wyjœcio-

wego prostownika 2D.

Mocy bierna w funkcji wzglêdnej wartoœci napiêcia

wyprostowanego dla podstawowych prostowników regulo-

wanych 6-pulsowych pokazana jest na rysunku 9 na podsta-
wie pracy [7].

Rys. 6. Uk³ad blokowy przemiennika

Rys. 7. Zale¿noœæ wypadkowego wspó³czynnika mocy

przekszta³tnika od k¹ta wysterowania α przy ró¿nych

wartoœciach k¹ta komutacji q, wed³ug [6]

Rys. 8. Wzglêdna zawartoœæ wy¿szych harmonicznych

w pr¹dzie Ÿród³a zasilaj¹cego, odniesiona do wartoœci

podstawowej harmonicznej pr¹du, trójfazowego mostkowego

prostownika tyrystorowego dwoma diodami roz³adowczymi

(2D), w funkcji wzglêdnej wartoœci napiêcia

wyprostowanego, wed³ug [7]

Rys. 9. Wzglêdna wartoœæ mocy biernej (w odniesieniu do mocy

pozornej przekszta³tnika obci¹¿onego pr¹dem obci¹¿enia)

w funkcji wzglêdnej wartoœci napiêcia wyprostowanego

dla mostkowego prostownika tyrystorowego bez diod

roz³adowczych (M), jedn¹ diod¹ roz³adowcz¹ (lD)

i z dwoma diodami roz³adowczymi (2D), wed³ug [7]

λ cos ϕ

1

α

0

o

30

o

60

o

90

o

120

o

150

o

180

o

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

= 40

o

= 20

o

= 0

o

= 60

o

1

d

I

I

5

1

I
I

3

1

I
I

11

1

I

I

13

1

I

I

0

d

d

U

U

45

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 26. ZESZYT 1–2, 2007

Z porównania tych charakterystyk wynika, ¿e stosowa-

nie diod roz³adowczych do trójfazowych mostkowych pro-

stowników tyrystorowych zmniejsza obci¹¿enie bierne

wnoszone przez przekszta³tnik w ca³ym zakresie napiêæ

wyjœciowych. Wprawdzie prostowniki z diodami generuj¹

wy¿sze harmoniczne o wiêkszej wartoœci ni¿ prostownik

bez tych diod, ale zwiêkszenie to nie jest du¿e, szczególnie

w przypadku prostownika 2D.
Oddzia³ywanie trójfazowego mostkowego

prostownika diodowego na Ÿród³o energii
Proces komutacji w prostowniku diodowym (

α = 0) trwa

d³u¿ej ni¿ w prostowniku tyrystorowym, gdy¿ odbywa siê

przy mniejszej ró¿nicy napiêæ pomiêdzy komutuj¹cymi fa-

zami. Zawartoœæ poszczególnych harmonicznych dla pro-

stownika diodowego (du¿a wartoœæ k¹ta komutacji μ) jest

mniejsza ni¿ dla prostownika tyrystorowego.

Rysunek 10 ilustruje

k¹ty komutacji μ, przesuniêcia fa-

zowego pomiêdzy podstawowymi harmonicznymi napiêcia

i pr¹du Ÿród³a ϕ

1

i k¹t opóŸnienia w trzech zakresach obci¹-

¿enia.

7

. WNIOSKI

Obwody wejœciowe indukcyjnego urz¹dzenia elektroter-

micznego maj¹ istotny wp³yw na sieæ elektroenergetyczn¹.

Natomiast sam piec lub nagrzewnica indukcyjna ma ma³e

znaczenie, jeœli nie jest po³¹czona bezpoœrednio do sieci

elektroenergetycznej. A jeœli nawet tak jest, to i tak te od-

biorniki w praktyce nie s¹ same, bo ³¹czone s¹ w uk³adach

kompensacyjno-symetryzacyjnych i filtracyjnych.

Literatura

[1] Hauser J.: Podstawy elektrotermicznego przetwarzania energii. Po-

znañ, Zak³ad Wydawniczy K. Domke 1996

[2] Hering M.: Podstawy elektrotermii, cz. II. Warszawa, WNT 1998

[3] Hering M.: Poradnik in¿yniera elektryka. T. 1, rozdz. 13, Elektroter-

mia. Wyd. 2. Warszawa, WNT 1996

[4] Kurbiel A.: Indukcyjne urz¹dzenia elektrotermiczne. Kraków, Skrypt

Uczelniany AGH, nr 1308, 1992

[5] Liwiñski W.: Nagrzewnice indukcyjne skroœne. Warszawa, WNT

1968

[6] Manitius J., Zygmunt H.: Projektowanie przekszta³tników tyrystoro-

wych. Warszawa, WNT 1974

[7] Piróg S.: Energoelektronika: negatywne oddzia³ywania uk³adów

energoelektronicznych na Ÿród³a energii i wybrane sposoby ich

ograniczenia. Kraków, UWND AGH 1998

[8] Sajdak C., Samek E.: Nagrzewanie indukcyjne. Katowice, Wyd.

Œl¹sk 1985

[9] Skoczkowski T.: Nagrzewanie indukcyjne. Przegl¹d Elektrotech-

niczny, r. LXXII, nr 10, 1996

[10] Skwarczyñski J., Tertil Z.: Maszyny elektryczne. Kraków, Skrypt

Uczelniany AGH, nr 967, 1985

[11] Supronowicz H., Dimbalengi M.: Zasilacz napiêcia sta³ego z poœred-

nicz¹cym rezonansowym obwodem wysokiej czêstotliwoœci. AC/DC

High Frequency Resonant Converter. Jakoœæ i u¿ytkowanie energii

elektrycznej, t. 3, z. 1, PUH TECHNET Kraków 1997

[12] Turowski J.: Elektrodynamika techniczna. Warszawa, WNT 1968

Wp³ynê³o: 28.02.2007

Roman K

IEROÑSKI

Urodzi³ siê 26.05.1963 roku w Kra-

kowie. Studia odby³ na Wydziale Ele-

ktrotechniki Automatyki i Elektro-

niki Akademii Górniczo-Hutniczej

ukoñczy³ w 1990 roku. Pracê magi-

stersk¹ wykonywa³ z zakresu elek-

trotermii. Jest doktorantem Wydzia-

³u Elektrotechniki Automatyki In-

formatyki i Elektroniki AGH. Pracuje w Katedrze Automa-

tyki Napêdu i Urz¹dzeñ Przemys³owych AGH w Krakowie.

Zajmuje siê tematyk¹ nagrzewania indukcyjnego.

e-mail: [e-mail]; [e-mail]

Rys. 10. Zale¿noœæ k¹ta komutacji μ, przesuniêcia fazowego

pomiêdzy podstawowymi harmonicznymi napiêcia i pr¹du

Ÿród³a ϕ

1

i k¹t opóŸnienia (mierzony od punktu naturalnej

komutacji) za³¹czania diod dla trójfazowego diodowego

prostownika mostkowego w ca³ym zakresie obci¹¿enia

(od biegu ja³owego do zwarcia), wed³ug [7]