Parametry pracy zespołu prostownikowego pieca grafityzacyjnego

Marek GAŁA2, Kazimierz JAGIEŁA1, Marian KĘPIŃSKI2
Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Wydział Budowy Maszyn i Informatyki (1), Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny (2)
doi:10.15199/48.2015.10.14
Parametry pracy zespołu prostownikowego pieca
grafityzacyjnego
Streszczenie. Do procesu grafityzacji stosuje się powszechnie piece oporowe Achesona lub Castnera. W obu przypadkach, szczególnie dla pieców
do produkcji wielkoformatowych elementów grafitowych używane są prostowniki o regulowanym prądzie rzędu 50 kA i napięciu DC w zakresie
300 V. Prostowniki są zasilane ze specjalnych transformatorów wyposażonych w wielopozycyjne przełączniki zaczepów. W artykule przedstawiono
schemat zasilania pieca z wyeksponowaniem punktów pomiarowych służących do określenia wskaźników jakości energii elektrycznej pobieranej
przez zespół pieca grafityzacyjnego. Przedstawiono wykresy napięć i prądów w obwodzie zasilania pieca oraz wyniki analizy harmonicznej.
Wyznaczono charakterystyki zmian rezystancji obciążenia pieca podczas procesu grafityzacji.
Abstract. Acheson or Castner resistance furnaces are commonly used for the graphitization process. In both cases, the rectifiers with regulated
currents of 50 kA and DC voltage about 300 V are used, particularly to furnaces for the production of large format graphite elements. The rectifiers
are supplied with the special transformers equipped with multi-tap switches. The paper presents the furnace power system with the points for
measuring the electrical power quality indicators of the energy consumed by the unit of graphitisation furnace. Graphs of voltages, currents and
harmonics in the power supply system of the furnace are shown. The characteristics of furnace load resistance during the graphitization are
calculated. (Selected operating parameters of the rectifier unit for graphitisation furnace).
Słowa kluczowe: proces grafityzacji, transformator specjalny, prostownik, analiza harmoniczna.
Keywords: graphitisation process, special transformer, rectifier, harmonic analysis.
Wstęp
Grafit jest odmianą alotropową węgla i służy do
produkcji wielu wyrobów stosowanych w przemyśle
metalurgicznym, elektrochemicznym i elektrotechnicznym.
W metalurgii grafit wykorzystywany jest między innymi do
nawęglania żelaza i jego stopów, do produkcji mas
formierskich oraz jako elektrody grafitowe pieców łukowych.
Przemysł elektrotechniczny wykorzystuje materiały metalografitowe np. do produkcji szczotek do silników
elektrycznych, nakładek grafitowych i ślizgów do
odbieraków prądu stosowanych do suwnic i transportu
tramwajowego oraz trolejbusowego. Wyroby węglowografitowe znajdują także zastosowanie w produkcji
półprzewodników w technice kosmicznej, a także
w medycynie. Czołowym producentem grafitu w Polsce są
dwa zakłady SGL Carbon Group w Raciborzu i Nowym
Sączu [1]. W tych zakładach opanowano wszelkie metody
wytwarzania
produktów
węglowo-grafitowych
jakimi
niewątpliwie są elektrody grafitowe o średnicy od 350 mm
do 600 mm stosowane do łukowych pieców stalowniczych,
grafitowe bloki katodowe. Elektrody grafitowe dostarczane
są do polskich hut takich jak m.in.: ISD Huta Częstochowa,
CMC Zawiercie, Huta Stalowa Wola. Elektrody oraz bloki
katodowe jako półwyroby grafitowe są formowane wstępnie
podczas wypalania węgla ogrzanego do temperatury około
2800 °C, następnie prowadzona jest grafityzacja w piecach
Achesona lub Castnera [2]. Proces grafityzacji polega na
wykorzystaniu oporności mieszanki węglowo-grafitowej
i przepływie bardzo dużego prądu stałego przez
odpowiednio
długi
czas.
Do
zasilania
pieców
grafityzacyjnych wykorzystywane są zespoły prostownikowe
prądu stałego.
Charakterystyka techniczna zespołu prostownikowego
pieca grafityzacyjnego
Elektrody węglowe produkowane są w piecach
grafityzacyjnych, które z reguły tworzą kilka zespołów
piecowych zasilanych ze wspólnych szyn prądu stałego DC.
Przykładem takiego rozwiązania są piece oporowe
Castnera, dla których uproszczony schemat zasilania
przedstawiony został na rysunku 1. Trzy zespoły ZP1÷ZP3,
w
skład
których
wchodzi
transformator
wraz
z prostownikiem pracują równolegle na szyny prądu
stałego, zasilające w czasie pracy jeden piec, podczas gdy
kolejne
piece
przygotowywane
są
do
procesu
technologicznego bądź są w stanie stygnięcia.
Rys. 1. Schemat zasilania zespołów pieców grafityzacyjnych [3].
Z uwagi na duże obciążenie prądowe przy jednoczesnej
regulacji
napięcia
strony
wtórnej
konstrukcja
transformatorów
zasilających
jest
skomplikowana.
W praktyce przemysłowej z reguły stosowane są dwa
rozwiązania: z autotransformatorem i transformatorem
z wielopozycyjnym przełącznikiem zaczepów oraz drugie
z autotransformatorem i transformatorem wyposażonym
w transduktorowy układ do regulacji napięć strony wtórnej.
Na rysunku 2a przedstawiono schemat połączeń
autotransformatora posiadającego 58 zaczepów oraz
transformatora z przełącznikiem zaczepów Y/∆ i dwoma
uzwojeniami wtórnymi połączonymi w gwiazdę i dławikami
wyrównawczymi L(P), L(N) [3].
Zaprezentowany na rysunku 2b schemat wewnętrzny
transformatorowego zespołu zasilającego składa się
również
z
autotransformatora
z
wielopozycyjnym
przełącznikiem zaczepów i dwóch transformatorów, których
strumienie przesunięte są względem siebie, tworząc wraz
z czterema uzwojeniami wtórnymi połączonymi w gwiazdę
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 91 NR 10/2015
71
układ zasilający prostownika 12-pulsowego z dławikami
wyrównawczymi.
W
obwodach
dolnego
napięcia
zastosowano transduktory ze sterowaniem stałoprądowym
w postaci zadajników ZT1 ÷ ZT4 (rys. 2b).
a)
i 3b. W pierwszym przypadku występuje równoległe
połączenie dwóch napięć stałych pulsujących z wzajemnie
przesuniętymi fazami o 60 stopni elektrycznych, co w
konsekwencji daje przebieg jak z mostka 6D. W
przebiegach prądów stron (P) i (N) występuje trzecia
harmoniczna. Dla układu o topologii według rysunku 3b
występują dławiki wyrównawcze włączone pomiędzy punkty
gwiazdowe uzwojeń wtórnych transformatora. Pozwala to,
przy dwóch uzwojeniach wtórnych dających dwa zespoły
napięć
trójfazowych
(u1-v1-w1
oraz
u2-v2-w2)
przesuniętych w fazie o 180°, uzyskać prostownik
sześciopulsowy. W takiej konfiguracji kąt przewodzenia λ
dla poszczególnych diod wynosi 120°.
a)
b)
b)
Rys. 2. Połączenia wewnętrzne transformatorów zasilających piece
grafityzacyjne: a) zespół autotransformator z zaczepami (ATr) oraz
transformator
TR-G
z
przełącznikiem
Y/∆,
b) zespół autotransformator z zaczepami (ATr) oraz transformator
ze sterowaniem transduktorowym
Sposób połączenia prostowników diodowych z
dławikami wyrównawczymi przedstawiono na rysunkach 3a
72
Rys. 3. Topologia połączeń prostowników diodowych pieca
grafityzacyjnego zasilanych z transformatorów: a) wg schematu z
rysunku 2a b) wg schematu z jednej (np. lewej) części rysunku 2b
Przedmiotem analiz z punktu widzenia konstrukcji
transformatora zasilającego oraz jego współpracy z siecią
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 91 NR 10/2015
elektroenergetyczną jest układ przedstawiony na rysunkach
2a i 3a.
Parametry techniczne urządzeń zasilających zostały
scharakteryzowane w tabeli 1.
PNF2), a także napięcia zasilania pieca grafityzacyjnego
UDC (układ pomiarowy PNDC).
Tabela 1. Parametry urządzeń zasilających piec grafityzacyjny
Zespół transformatora
MWPJnL6641+
TWUJnL7341
Prostownik diodowy
SW22CXC26C
(3BHS116093)
S=7937/2 x 5612 kVA
dla p=58 Y i ∆
U1=6000 V; I1=763,7 A
U2(p=58)=449 V (Y i ∆)
U2(p=1) = 138 V (Y i ∆)
I2=7230 A
uz%(p=58)=4,45%
uz%(p=1)=18,6%
∆Pj=15,1 kW
∆PCu=42,1 kW
Imax DC=65 kA
UDC= (80 ÷260) V
Vrrm=2,2 kV
Vrms=2,3 kV
Ilość diod = 42
(ns=1; np=7)
bezpieczniki:
Bussmann
5000 A / 660 V
Dławik
LWAJnL6531R
U=2 x 67 V
I=25 kA
f=150 Hz
W przypadku nominalnej masy wsadu pieca czas jego
pracy wynosi 72 godziny, po czym następuje stygnięcie,
które trwa ok. dwóch tygodni [2,4,5]. Proces technologiczny
procesu otrzymywania grafitu narzuca reżim wyżarzania
prądem stałym określony tzw. „krzywymi wygrzewania” dla
odpowiednio regulowanej wartości napięcia stałego
w zadanym przedziale czasu. Rejestrując wartości prądu
oraz napięcia stałego można przedstawić zmiany
rezystancji obciążenia w czasie pełnego cyklu wytopu, co
zostało zilustrowane na rysunku 4.
26
24
22
20
18
– ROdb [m]
16
14
12
10
8
6
Rys.5. Schemat układu pomiarowego transformatora MWPJnL6641
+TWUJnL7341
4
2
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
Czas wytopu [h]
Rys. 4. Przebieg zmian rezystancji obciążenia podczas procesu
grafityzacji
Metoda pomiaru sygnałów napięciowo-prądowych
zespołu prostownika pieca grafityzacyjnego
Do oceny jakości pobieranej energii elektrycznej
wykonano pomiary napięć i prądów w obwodzie górnego
napięcia zasilającego transformator wykorzystując do tego
celu przekładniki napięciowe T4 i T5 oraz prądowe T1 i T3
(rys. 5). Do pomiarów prądów gałęziowych CR1 i CR2 oraz
prądu wypadkowego CR3 prostownika użyto cewek
Rogowskiego.
Do
rejestracji
sygnałów
prądowonapięciowych, zgodnie z rysunkiem 5, wykorzystano
komputerowy system pomiarowy wyposażony w karty
pomiarowe, oprogramowanie DASYLab oraz wysokiej
jakości przetworniki LEM.
Następnie w oparciu o analizę FFT uzyskano widma
harmonicznych
prądów
fazowych
zasilających
transformator
T2.
Umożliwiło
to
wyznaczenie
przedstawionych na rysunkach 8, 9 i 12, 13 profili zmian
zawartości wyższych harmonicznych prądów i napięć
w zależności od pozycji przełącznika zaczepów. Pomiary
zespołu prostownikowego wykonywane były zgodnie ze
schematem (rys. 5) w kilku punktach i dotyczyły również
prądów gałęziowych (CR1, CR2) oraz napięć fazowych:
(U0-u1, U0-v1, U0-w1 – układ PNF1) i (U0-u2, U0-v2, U0-w2 – układ
Wyniki pomiarów i obliczeń komputerowych
Zarejestrowane sygnały pomiarowe z obwodów
wtórnych przekładników napięciowych i prądowych strony
górnej transformatora pieca grafityzacyjnego zostały
przetworzone za pomocą szybkiej transformaty Fouriera
FFT [6] do postaci widm harmonicznych, które posłużyły do
określenia wartości współczynników THD napięć i prądów.
Wzory (1) i (2) przedstawiają procedurę obliczeń
współczynników THD napięć i prądów.
40
(1)
THDU 
U
n 2
U1
40
(2)
THDI 
2
n
I
2
n
n 2
I1
Z bardzo obszernego zbioru danych pomiarowych
zostały wybrane i przedstawione w artykule wyłącznie
skrajne przypadki zasilania pieca grafityzacyjnego:
a) praca transformatora z zaczepem 58. (mała wartość
prądu zasilania, duże napięcie DC – początek procesu
wypalania),
b) praca transformatora z zaczepem 3. (duża wartość prądu
zasilania, małe napięcie DC – końcowy etap procesu
wypalania).
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 91 NR 10/2015
73
50
45
40
[%]
35
▐ In L1, ▐ In L2, ▐ In L3
Te dwa stany pracy zespołu zostały przedstawione na
następujących wykresach charakteryzujących pracę
badanego układu i obrazujących:
 wartości chwilowe napięć fazowych sieci zasilającej;
 wartości chwilowe prądów fazowych pobieranych
przez transformator z sieci zasilającej 6 kV;
 widma względnych wyższych harmonicznych napięć
fazowych sieci zasilającej;
 widma względnych wyższych harmonicznych
prądów fazowych pobieranych z sieci zasilającej.
Pierwsza seria wykresów przedstawia początkowe
stadium procesu. Przełącznik zaczepów autotransformatora
ustawiony jest wówczas w pozycji nr 58, a moc pobierana
jest najmniejsza. Nie obserwuje się w tym przypadku
zniekształcenia napięć fazowych (rys. 6), a średnia wartość
dominujących harmonicznych (siódmej i piątej) napięć
fazowych nie przekracza 0,5% (rys. 8). Kształty prądów
znacznie różnią się od sinusoidy, lecz ich wartości są
stosunkowo małe i wynoszą około 2,5% nominalnego prądu
I1 (tabl. 1). Konsekwencją tego jest duży udział wyższych
harmonicznych na czele z piątą, której wartość średnia
osiąga ponad 40% (rys. 9). W tym przypadku występują
również harmoniczne nieparzyste wyższych rządów
(n = 17, 19, 23, 25, 29, 35), a także harmoniczne parzyste
(n = 2, 4, 6, 8).
30
25
20
15
10
5
0
2
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Rzad harmonicznej n
Rys. 9. Widmo względnych wyższych harmonicznych prądów
fazowych (n = 2,…,40) – zaczep nr 58
Drugi zestaw wykresów przebiegów czasowych i widm
harmonicznych dotyczy stanu zasilania pieca na etapie
końcowym, kiedy parametry rezystancji rdzenia grafitowego
określone są przez niską wartość napięcia DC i dużą
wartość prądu DC. Na tym etapie przełącznik zaczepów
transformatora ustawiony jest w pozycji numer 3.
6
5
4
3
6
– UL1 – UL2 – UL3 [kV]
2
5
4
3
2
1
1
0
-1
-2
-3
0
-4
-1
-5
-2
20
18
16
14
12
10
8
6
4
-3
2
-6
0
– UL1 – UL2 – UL3 [kV]
3
Czas [ms]
-4
Rys. 10. Przebiegi napięć fazowych strony pierwotnej – zaczep nr 3
-5
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-6
Czas [ms]
Rys. 6. Przebiegi napięć fazowych strony pierwotnej – zaczep nr 58
30
25
20
15
Widoczne na rysunku 10 przebiegi wartości chwilowych
napięć fazowych są w niewielkim stopniu zniekształcone na
skutek poboru dużej mocy. Ma to swoje odzwierciedlenie w
widmie wyższych harmonicznych (rys. 12). Jednak w tym
przypadku największą względną wartość ma czwarta
harmoniczna napięć fazowych i zawiera się w przedziale
1,9 % ÷ 3,9 % (rys. 12).
– IL1 – IL2 – IL3 [A]
10
5
800
0
600
-5
-10
400
-20
-25
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-30
Czas [ms]
Rys. 7. Przebiegi prądów strony pierwotnej – zaczep nr 58
0,55
– IL1 – IL2 – IL3 [A]
-15
200
0
-200
-400
-600
0,50
20
18
16
14
12
10
8
6
4
0
2
-800
0,45
Czas [ms]
▐
Un L1, ▐ Un L2, ▐ Un L3 [%]
0,40
Rys. 11. Przebiegi prądów strony pierwotnej – zaczep nr 3
0,35
0,30
Przebiegi czasowe prądów fazowych o znacznie
większych
wartościach
skutecznych
pobieranych
z przemysłowej sieci elektroenergetycznej 6 kV są również
zniekształcone, lecz są one funkcjami przedziałami gładkimi
i nie zawierają składowych o wysokich częstotliwościach
(rys. 11).
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Rzad harmonicznej n
Rys. 8. Widmo wyższych
(n = 2,…,40) – zaczep nr 58
74
harmonicznych
napięć
fazowych
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 91 NR 10/2015
4,00
Przebieg pokazany na rysunku 14 dotyczy prądu
obciążenia o stosunkowo małej wartości dla zaczepu nr 58.
W okresie wyraźnie widoczne są składowe o częstotliwości
300 Hz. Przebieg prądu DC pokazany na rysunku 15
odpowiada zaczepowi nr 3, a jego wartość maksymalna
osiąga 24,5 kA. Kształt przebiegów oraz czas komutacji
poszczególnych diod zależy od zmian indukcyjności
dławików wyrównawczych w funkcji prądu oraz
wzajemnego obciążenia się poszczególnych zestawów
prostownikowych pokazanych na rysunku 1.
3,50
▐ Un L1, ▐ Un L2, ▐ Un L3
[%]
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Rzad harmonicznej n
Rys. 12. Widmo wyższych
(n = 2,…,40) – zaczep nr 3
harmonicznych
napięć
fazowych
14
13
12
11
▐ In L1, ▐ In L2, ▐ In L3
[%]
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
Rzad harmonicznej n
Rys. 13. Widmo wyższych harmonicznych prądów fazowych
(n = 2,…,40) – zaczep nr 3
W widmie wyższych harmonicznych prądów fazowych
(rys. 13) największą wartość ma piąta harmoniczna
(Iav 5h ≈ 12%), co jest teoretycznie uzasadnione dla
prostownika typu 6D.
Ostatnią grupę wyników pomiarowych stanowią
przebiegi w obwodzie prądu stałego. Jako reprezentatywne
pokazano przebiegi prądu układu diodowego grupy P
(rys. 5) zarejestrowane przy pomocy cewki Rogowskiego
CR3, również dla dwóch skrajnych położeń przełącznika
zaczepów autotransformatora.
750
700
650
– ICR3 [A]
600
550
500
450
400
350
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
300
Podsumowanie
Eksploatowane piece grafityzacyjne wymagają zasilania
przez specjalistyczne zespoły prostownikowe, które swoje
funkcje
regulacyjne
realizują
poprzez
okresowe
przełączanie zaczepów autotransformatora. W ten sposób
na początku procesu technologicznego piec Achesona lub
Castnera zasilany jest dużym napięciem DC i małym
prądem, który w trakcie procesu grafityzacji ulega
systematycznym zmianom osiągając w końcowym etapie
dużą wartość prądu przy niskim napięciu DC.
Na podstawie przeprowadzonej analizy jakości
pobieranej energii elektrycznej na poziomie 6 kV nie
stwierdzono skrajnie negatywnego wpływu generacji
wyższych harmonicznych prądu, bowiem wskaźniki THDU
zmieniają się od wartości 0,76% (zaczep nr 58) do 3,36%
(zaczep nr 3).
Wzrost wskaźnika THDU w końcowym etapie grafityzacji
wiąże się ze wzrostem mocy czynnej pobieranej przez piec
przy ograniczonej mocy zwarcia na poziomie 6 kV. Wzrost
prądu obciążenia pozytywnie wpływa na obniżenie
wskaźnika THDI od wartości 55,06% (zaczep nr 58) do
wartości 14,09% dla zaczepu nr 3.
LITERATURA
[1] Serwis internetowy SGL Group, www.sglgroup.com
[2] Reference Document on Best Available Techniques in the Non
Ferrous Metals Industries (Dokument Referencyjny BAT dla
najlepszych dostępnych technik w produkcji metali
nieżelaznych), Grudzień 2001
[3] Jagieła K., Gała M., Kępiński M., Wykonanie badań i prób
transformatora do pieca grafityzacyjnego w SGL Carbon
Racibórz. Raport 49607-130/NKJ/14/VI, ZUPW K. Jagieła,
Częstochowa, 08.2014
[4] Mazur M., Oleniacz R., Bogacki M., Szczygłowski P., Emisja
zanieczyszczeń z procesu grafityzacji elektrod węglowych w
piecach LWG (Castnera). Cz. 1. Wybrane substancje gazowe.
Inżynieria Środowiska, tom 10, zeszyt 2 (2005), 149-160
[5] Mazur M., Oleniacz R., Bogacki M., Szczygłowski P., Emisja
zanieczyszczeń z pieca Achesona do grafityzacji wyrobów
drobnych. Cz. 1. Wybrane substancje gazowe. Inżynieria
Środowiska, tom 11, zeszyt 2 (2006), 145-159
[6] Zieliński Tomasz P., Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Od
teorii do zastosowań. WKŁ, Warszawa 2012
Czas [ms]
Rys. 14. Wartości chwilowe prądu ICR3 – zaczep nr 58
Autorzy: prof. ATH dr hab. inż. Kazimierz Jagieła, Akademia
Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Wydział Budowy
Maszyni Informatyki, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała, E-mail:
[email protected]; dr inż. Marek Gała, Politechnika
Częstochowska, Wydział Elektryczny, 42-200 Częstochowa,
Al. Armii Krajowej 1, Email: [email protected]; mgr inż.
Marian
Kępiński,
Politechnika
Częstochowska,
Wydział
Elektryczny, 42-200 Częstochowa, Al. Armii Krajowej 17, E-mail:
[email protected].
25000
24500
24000
– ICR3 [A]
23500
23000
22500
22000
21500
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
21000
Czas [ms]
Rys. 15. Wartości chwilowe prądu ICR3 – zaczep nr 3
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 91 NR 10/2015
75