Наиболее широкое применение на предприятиях электрохимии в качестве приборов контроля количества электричества, расходуемого во время процессов электролиза, в силовых установках постоянного тока имеют магнитоэлектрические счетчики ампер-часов типов СА-М640, СА-М640У и СА-Ф603П [7]. В этих цепях они, как правило, используются в комплекте с измерительными преобразователями или добавочными устройствами (Р640), рассчитанными на работу с большими токами (до сотни килоампер). Относительная погрешность таких счетчиков ампер-часов лежит в диапазоне (±1,0 ÷ ±3,0) % без учета погрешностей шунтов.

В настоящее время, наряду с электролизом при стационарных режимах работы на постоянном, относительно стабильном токе, применяют электролиз в нестационарных режимах – на токах сложной формы, для которых характерны следующие показатели. В моменты переходов из одного режима в другой плотность тока электролиза может резко изменяться по величине, а также происходить реверсирование или прерывание постоянного тока с последующей стабилизацией электрических параметров. Изменение режимов способствует интенсификации технологического процесса вследствие устранения отрицательных явлений, сопутствующих повышению плотности тока, к которым относятся снижение качества катодного осадка, потеря благородных металлов и пассивация анодов [8]. Рассмотренный динамический режим характеризуется кратковременным превышением значений тока, в 2¸10 раз превосходящих рабочие величины. Одним из сложных для реализации является ассиметричный реверсивный режим, применяемый для гальванического «осталивания» деталей, в котором используется импульсный ток с крутыми фронтами [9].

Применение магнитоэлектрических счетчиков для измерения количества электричества, потребляемого при таких режимах, приводит к увеличению погрешностей в измерениях, вследствие инерционности подвижных механизмов счетчиков, которые не успевают отрабатывать эти изменения. Еще большие погрешности измерений накапливаются в процессе периодических операций "реверсирования" тока.

Наиболее энергоемкими приемниками электроэнергии на предприятиях цветной металлургии являются электролизеры алюминия, магния, цинка, меди и никеля. Их мощности на постоянном токе достигают 1000 ÷ 2500 МВт.

Как известно [9], основными источниками питания электролизных и электротермических установок являются полупроводниковые преобразователи электрической энергии. Во время их работы в силовых цепях тиристорных преобразователей возникают периодически повторяющиеся обратные выбросы тока (с частотой, кратной 50 Гц), поступающие в нагрузку. Их воздействие в определенной мере влияет на процесс электролиза, однако по указанным выше причинам оно не может быть учтено магнитоэлектрическими счетчиками ампер-часов, что приводит к дополнительным погрешностям измерений.

Известно, что силовые установки электролизеров при производстве меди и никеля рассчитаны на токи нагрузки 25¸60 кА [10], а токи электролиза при производстве алюминия могут достигать значений до 200 кА [11], поэтому при использовании в качестве измерительных приборов указанных счетчиков, величины погрешностей, возникающих при измерениях могут быть достаточно высокими.

В электрохимии назрела ситуация, когда требуется обновить парк морально устаревших и не отвечающих требованиям времени измерительных приборов и приложить определенные усилия к созданию электронных средств измерений количества электричества, обладающих высокими точностными характеристиками.

В последнее время на некоторых предприятиях электрохимии начинают использовать электронные счетчики количества электричества, которые существенно превосходят все названные типы счетчиков по показателям точности, однако внедрение их в производство не имеет массового характера [12]. Погрешность таких электронных счетчиков, как правило, не превышает 1%.

Следует отметить, что по состоянию на настоящий момент в электрохимическом производстве дозирование количества электричества практически не применяется. Этот факт подтверждается еще и тем, что ни в одном из перечисленных лабораторных приборов, а также ни на одной из промышленных установок для электролиза не предусмотрено автоматическое отключение источника тока, которое должно осуществляться после получения нагрузкой заданной дозы количества электричества, расходуемого в электрохимическом процессе. Как уже было отмечено, наиболее острая потребность в приборах дозирования существует в гальваностегии при осаждении на металлические поверхности антикоррозийных или декоративных покрытий. На некоторых предприятиях эту задачу решают в частном порядке путем внедрения в процесс самостоятельно изготовленных образцов дозирующих устройств [10].

Отсутствие промышленных приборов дозирования количества электричества принципиально не позволяет решать задачи автоматизации технологических процессов электролиза.

Средства учета количества электричества, какими являются, например, кулонометры, интеграторы тока, счетчики ампер-часов, не наделены функциями подключать и своевременно отключать электрическую нагрузку от источников тока [13].

Современные технические требования, ориентированные на внедрение в производство энерго- и ресурсосберегающих технологий, в основу которых положен принцип непрерывного контроля за ходом технологических процессов, а также необходимость проведения мероприятий по сокращению времени присутствия оперативного персонала в цехах с вредными условиями труда, заставляют совершенствовать имеющиеся и создавать новые средства автоматизации производства.

1.3 Потребность производства в устройствах дозирования электрической энергии

Одной из возможных областей применения разрабатываемого прибора - дозатора электрической энергии является управление процессом проведения контактной точечной сварки, где на сварку каждой точки должно выделяться определенное количество энергии, которое будет задаваться заранее с помощью набора переключателей блока задания дозы.

Выбор в качестве объекта управления установки для контактной сварки не случаен. Область применения контактной сварки чрезвычайно широка — от крупногабаритных строительных конструкций, космических аппаратов до миниатюрных полупроводниковых устройств и пленочных микросхем. В настоящее время около 30 % всех сварных соединений выполняют различными способами контактной сварки. Среди других способов сварки она отличается очень высокой степенью механизации, роботизации, автоматизации и, как следствие, высокой производительностью.

Этот способ сварки широко используют в автомобиле- и вагоностроении, строительстве, радиоэлектронике и т. д. Например, в конструкциях современных лайнеров насчитывается несколько миллионов сварных точек, легковых автомобилей – до 5000 точек. Диапазон толщины свариваемых элементов – от нескольких микрометров до 10 – 30 мм. Точечной сваркой соединяются элементы жесткости и крепежные детали с листами, тонкостенными оболочками и панелями.

Электрическая энергия, потребляемая в нагрузке за определенный промежуток времени вычисляется по формуле:

 (1.3)

где    u, i, p – мгновенные значения напряжения, тока и мощности на нагрузке;

t – время интегрирования.

Электронный счетчик электрической энергии должен реализовывать процедуру вычисления интеграла от произведения мгновенных значений напряжения и тока нагрузки, поэтому в его состав должны входить первичные преобразователи напряжения, тока, множительное и интегрирующее устройства.

Известны различные варианты построения схем электронных счетчиков, предназначенных для систем учета и контроля электрической энергии в однофазных и трехфазных цепях переменного тока, где используются аналоговые множительные устройства с широтно-импульсной и амплитудной модуляцией с последующим преобразованием полученного напряжения в частоту. К таковым можно отнести, например, счетчики типа Ф441, Ф652 и т.п.

Потребность в использовании разрабатываемого дозатора электрической энергии может возникнуть при управлении технологическими процессами, проходящими с применением тепловой энергии, выделяемой при электрическом или электродуговом нагреве, например в машиностроении для предварительного прогрева металла перед штамповкой, при точечной и стыковой сварке деталей, при плавке металлов в дуговых электрических печах, при термических процессах в химическом производстве, в пищевой промышленности, в медицинской технике и т. д.

Во время работы электротермических и электросварочных установок энергия из электрической практически полностью превращается в тепловую.

Основным электрическим параметром для учета выделенной тепловой энергии в электродуговой установке является активная мощность, потребляемая ей за время горения электрической дуги, так как ток дуги может меняться в широких пределах при неизменной мощности установки.

Проектируемый прибор дает возможность дозировать подачу заранее определенного количества электрической энергии в электрическую нагрузку, и контролировать количество тепловой энергии, выделяющейся в зоне формирования электрической дуги, при одинаковых повторяющихся электродуговых процессах. Именно поэтому наибольший эффект от применения дозатора будет наблюдаться на автоматизированных линиях.

Конечной целью нормированного дозирования электрической энергии является стабилизация теплового импульса энергии, необходимого для обеспечения качественного выполнения технологической операции и снижения суммарных потерь энергии. Наибольшего экономического эффекта при дозировании энергии можно добиться, используя дозирующие устройства на автоматизированных поточных линиях в циклически повторяющихся операциях.

Создание дозирующих устройств на основе, например, широко распространенных цифровых измерителей мощности с аналоговыми преобразователями не составит больших экономических затрат.

В данной работе в качестве примера приведен вариант построения схемы дозатора электрической энергии с обоснованием выбора отдельных элементов.

Применение на производстве электронных счетчиков количества электричества, обладающих высокими показателями точности, не имеет массового характера. На большинстве предприятий электрохимии находятся в использовании морально устаревшие и не отвечающие требованиям времени средства учета количества электричества, что отрицательно сказывается на точности измерений, а в конечном итоге и на качестве продукции.

Одним из факторов, которые могут повлиять на успешное осуществление автоматизации производства, использующего электрохимические технологии, является создание и внедрение дозирующих устройств на основе электронных измерителей-дозаторов количества электричества, способных помимо измерительной функции выполнять функцию дозирования.

В настоящее время в машиностроении широко применяются технологии контактной сварки, электроконтактного нагрева металлов, термического нагрева различных материалов. Реализация этих технологий неразрывно связана с необходимостью применения процедуры дозирования электрической энергии.

Актуальность дозирования электрической энергии имеет место в ряде отраслей промышленности и при осуществлении хозяйственной деятельности, в связи с чем существует потребность в разработке дозирующих устройств на основе электронных счетчиков электрической энергии, которые смогут выполнять не только измерительные функции, но также функции контроля и управления, т.е. дозирования.

Внедрение предлагаемых дозирующих устройств в производство позволит, наряду с повышением качества продукции и снижением материальных затрат на ее создание, существенно облегчить решение задач автоматизации технологических процессов.

Во время работы электротермических и электродуговых установок электрическая энергия, потребляемая нагрузкой, практически полностью превращается в тепловую, поэтому дозирование тепловой энергии, выделяющейся в области электронагрева или в зоне формирования электрической дуги, можно осуществлять посредством дозирования электрической энергии, потребляемой в нагрузке.

Проводя анализ существующих в современном производстве электротехнологических процессов, можно достаточно легко определить перечень операций, где процедура дозирования электрической энергии должна быть их неотъемлемой частью. В настоящее время наибольшая потребность в устройствах дозирования существует в машиностроительных отраслях.

Наглядным примером процесса, требующего использования процедуры дозирования, является электроконтактный нагрев металлических заготовок, проводимый перед горячей ковкой или штамповкой. Этот способ нагрева заключается в пропускании тока через заготовку, в результате чего в ней, согласно закону Джоуля-Ленца, выделяется тепловая энергия, которую можно вычислить по формуле:

, (1.4)

где    i - текущее значение тока, меняющееся в процессе нагрева, А;

rЭ- активное сопротивление металла между электродами, Ом;

t- длительность протекания тока при нагреве, с.

Схема силовой цепи электроконтактной установки показана на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема контактной точечной сварки.

К нагреваемой заготовке с помощью контактов подключена вторичная обмотка понижающего силового трансформатора 3. Электрическая энергия к первичной обмотке трансформатора 3 подводится через контактор 2 от силовой электрической сети напряжением 380 или 220 В и частотой 50 Гц. При подаче энергии происходит контактный нагрев металлической заготовки.

Электроконтактный нагрев или, так называемый, нагрев сопротивлением, характеризуется большими токами, пропускаемыми через нагреваемые заготовки (1-40 кА), и малыми подводимыми напряжениями (2-20 В) [14].

Контактным способом рекомендуется нагревать длиномерные заготовки, имеющие постоянное поперечное сечение по длине, а также прутки диаметром до 100 мм и профильные заготовки. Данный способ нагрева находит применение также и в высадочных машинах, используемых в серийном кузнечно-штамповочном производстве [14].

Способ электроконтактного нагрева приобрел широкое применение, благодаря своим преимуществам перед другими известными методами нагрева: печным, электропечным и индукционным. Например, по сравнению с печным нагревом контактные электронагреватели обеспечивают большую скорость нагрева, лучшие условия работы обслуживающего персонала, меньший угар металла, а по сравнению с индукционным – более равномерное распределение температуры по сечению нагреваемой заготовки, а также возможность получить в центре сечения заготовки более высокую температуру, чем на поверхности, и обеспечить тем самым оптимальные условия деформации металла при обработке давлением. Кроме того, этот метод имеет самый высокий КПД, достигающий 93% [14].

Электроконтактный способ является экономически более эффективным и рентабельным по сравнению с другими, поэтому не случайно в странах Западной Европы и США разработкой и производством электроконтактных установок мощностью от 2000 до 10000 кВ×А и выше занимается ряд крупных фирм, таких, как «Brawn Boveri», «Bahler Verein», «Hasen-Klever», «Hateburg» и др.

В отечественной практике в настоящее время перспективны комбинированные электроконтактные устройства, в которых совмещаются операции нагрева и рубки заготовок в одном агрегате. Встройка таких установок в поточные линии технически наиболее эффективна по сравнению с другими установками нагрева, поскольку позволяет максимально автоматизировать технологические операции [15].

В существующих электроконтактных нагревательных установках с целью стабилизации выходной температуры заготовок, как правило, задают одинаковое для всех заготовок время пропускания тока и стабилизируют его величину. Однако, при этом разброс значений переходных контактных сопротивлений, возникающих при смене заготовок в силу ряда причин (наличие загрязнений или окисных пленок на поверхностях заготовок, ослабление усилий между прижимными контактами и заготовкой, износ рабочих поверхностей контактов), препятствует стабильному разогреву каждой из них. В отдельных ответственных случаях нагрева для управления дозированием энергии используют ЭВМ [14].

При выполнении операции нагрева с использованием устройства дозирования электрической энергии за время протекания тока между электрическими контактами в массе металла выделится определенная порция тепловой энергии, равная заданной дозе, не зависящая от изменений параметров, указанных выше, за исключением незначительных тепловых потерь, затраченных на нагрев подводящих контактов.

Количество тепловой энергии, необходимое для нагрева заготовки до определенной температуры, рассчитывается предварительно и уточняется экспериментально. В конечном результате, дозированный разогрев каждой заготовки будет производиться до одинаковой температуры, что позволит существенно повысить качество проведения технологической операции (ковки, штамповки) и, тем самым, снизит уровень брака. Наибольшего экономического эффекта от дозирования энергии здесь можно добиться, используя дозирующие устройства на автоматизированных поточных линиях в циклически повторяющихся операциях.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10