Marek GAŁA, Kazimierz JAGEŁA, Marian KĘPŃSK Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Wydział Budowy Maszyn i nformatyki (), Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny () doi:.99/... 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 ka i napięciu DC w zakresie 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. n both cases, the rectifiers with regulated currents of ka and DC voltage about 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 []. W tych zakładach opanowano wszelkie metody wytwarzania produktów węglowo-grafitowych jakimi niewątpliwie są elektrody grafitowe o średnicy od mm do mm stosowane do łukowych pieców stalowniczych, grafitowe bloki katodowe. Elektrody grafitowe dostarczane są do polskich hut takich jak m.in.: SD Huta Częstochowa, CMC Zawiercie, Huta Stalowa Wola. Elektrody oraz bloki katodowe jako półwyroby grafitowe są formowane wstępnie podczas wypalania węgla ogrzanego do temperatury około C, następnie prowadzona jest grafityzacja w piecach Achesona lub Castnera []. 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. Trzy zespoły ZP ZP, 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.. Schemat zasilania zespołów pieców grafityzacyjnych []. 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 a przedstawiono schemat połączeń autotransformatora posiadającego zaczepów oraz transformatora z przełącznikiem zaczepów Y/ i dwoma uzwojeniami wtórnymi połączonymi w gwiazdę i dławikami wyrównawczymi L(P), L(N) []. Zaprezentowany na rysunku b 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 ELEKTROTECHNCZNY, SSN -97, R. 9 NR / 7
układ zasilający prostownika -pulsowego z dławikami wyrównawczymi. W obwodach dolnego napięcia zastosowano transduktory ze sterowaniem stałoprądowym w postaci zadajników ZT ZT (rys. b). a) i b. W pierwszym przypadku występuje równoległe połączenie dwóch napięć stałych pulsujących z wzajemnie przesuniętymi fazami o stopni elektrycznych, co w konsekwencji daje przebieg jak z mostka D. W przebiegach prądów stron (P) i (N) występuje trzecia harmoniczna. Dla układu o topologii według rysunku b występują dławiki wyrównawcze włączone pomiędzy punkty gwiazdowe uzwojeń wtórnych transformatora. Pozwala to, przy dwóch uzwojeniach wtórnych dających dwa zespoły napięć trójfazowych (u-v-w oraz u-v-w) przesuniętych w fazie o, uzyskać prostownik sześciopulsowy. W takiej konfiguracji kąt przewodzenia λ dla poszczególnych diod wynosi. a) b) b) Rys.. 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 a Rys.. Topologia połączeń prostowników diodowych pieca grafityzacyjnego zasilanych z transformatorów: a) wg schematu z rysunku a b) wg schematu z jednej (np. lewej) części rysunku b Przedmiotem analiz z punktu widzenia konstrukcji transformatora zasilającego oraz jego współpracy z siecią 7 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN -97, R. 9 NR /
elektroenergetyczną jest układ przedstawiony na rysunkach a i a. Parametry techniczne urządzeń zasilających zostały scharakteryzowane w tabeli. PNF), a także napięcia zasilania pieca grafityzacyjnego DC (układ pomiarowy PNDC). Tabela. Parametry urządzeń zasilających piec grafityzacyjny Zespół transformatora MWPJnL+ TWJnL7 S=797/ x kva dla p= Y i = V; =7,7 A (p=)=9 V (Y i ) (p=) = V (Y i ) =7 A u z% (p=)=,% u z% (p=)=,% P j =, kw P Cu =, kw Prostownik diodowy SWCXCC (BHS9) max DC = ka DC = ( ) V V rrm =, kv V rms =, kv lość diod = (n s =; n p =7) bezpieczniki: Bussmann A / V Dławik LWAJnLR = x 7 V = ka f= Hz W przypadku nominalnej masy wsadu pieca czas jego pracy wynosi 7 godziny, po czym następuje stygnięcie, które trwa ok. dwóch tygodni [,,]. 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. R Odb [m] Rys.. 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 T i T oraz prądowe T i T (rys. ). Do pomiarów prądów gałęziowych CR i CR oraz prądu wypadkowego CR prostownika użyto cewek Rogowskiego. Do rejestracji sygnałów prądowonapięciowych, zgodnie z rysunkiem, 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 T. możliwiło to wyznaczenie przedstawionych na rysunkach, 9 i, profili zmian zawartości wyższych harmonicznych prądów i napięć w zależności od pozycji przełącznika zaczepów. Pomiary zespołu prostownikowego wykonywane były zgodnie ze schematem (rys. ) w kilku punktach i dotyczyły również prądów gałęziowych (CR, CR) oraz napięć fazowych: ( -u, -v, -w układ PNF) i ( -u, -v, -w układ Czas wytopu [h] 7 Rys.. Schemat układu pomiarowego transformatora MWPJnL +TWJnL7 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 [] do postaci widm harmonicznych, które posłużyły do określenia wartości współczynników THD napięć i prądów. Wzory () i () przedstawiają procedurę obliczeń współczynników THD napięć i prądów. () () THD THD n n Z bardzo obszernego zbioru danych pomiarowych zostały wybrane i przedstawione w artykule wyłącznie skrajne przypadki zasilania pieca grafityzacyjnego: a) praca transformatora z zaczepem. (mała wartość prądu zasilania, duże napięcie DC początek procesu wypalania), b) praca transformatora z zaczepem. (duża wartość prądu zasilania, małe napięcie DC końcowy etap procesu wypalania). n n PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN -97, R. 9 NR / 7
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 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, a moc pobierana jest najmniejsza. Nie obserwuje się w tym przypadku zniekształcenia napięć fazowych (rys. ), a średnia wartość dominujących harmonicznych (siódmej i piątej) napięć fazowych nie przekracza,% (rys. ). Kształty prądów znacznie różnią się od sinusoidy, lecz ich wartości są stosunkowo małe i wynoszą około,% nominalnego prądu (tabl. ). Konsekwencją tego jest duży udział wyższych harmonicznych na czele z piątą, której wartość średnia osiąga ponad % (rys. 9). W tym przypadku występują również harmoniczne nieparzyste wyższych rządów (n = 7, 9,,, 9, ), a także harmoniczne parzyste (n =,,, ). L L L [kv] - - - - - - Rys.. Przebiegi napięć fazowych strony pierwotnej zaczep nr n L, n L, n L [%] Rys. 9. Widmo względnych wyższych harmonicznych prądów fazowych (n =,,) zaczep nr 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. L L L [kv] - - - - - - 7 9 7 9 7 9 7 9 Rys.. Przebiegi napięć fazowych strony pierwotnej zaczep nr Widoczne na rysunku przebiegi wartości chwilowych napięć fazowych są w niewielkim stopniu zniekształcone na skutek poboru dużej mocy. Ma to swoje odzwierciedlenie w widmie wyższych harmonicznych (rys. ). Jednak w tym przypadku największą względną wartość ma czwarta harmoniczna napięć fazowych i zawiera się w przedziale,9 %,9 % (rys. ). L L L [A] - - - - - - Rys. 7. Przebiegi prądów strony pierwotnej zaczep nr L L L [A] - -,, - n L, n L, n L [%],,,,,,,,,, 7 9 7 9 7 9 7 9 Rys.. Widmo wyższych harmonicznych napięć fazowych (n =,,) zaczep nr - Rys.. Przebiegi prądów strony pierwotnej zaczep nr Przebiegi czasowe prądów fazowych o znacznie większych wartościach skutecznych pobieranych z przemysłowej sieci elektroenergetycznej kv są również zniekształcone, lecz są one funkcjami przedziałami gładkimi i nie zawierają składowych o wysokich częstotliwościach (rys. ). 7 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN -97, R. 9 NR /
n L, n L, n L [%] Rys.. Widmo wyższych harmonicznych napięć fazowych (n =,,) zaczep nr n L, n L, n L [%],,,,,,,,, 9 7 7 9 7 9 7 9 7 9 7 9 7 9 7 9 7 9 Rys.. Widmo wyższych harmonicznych prądów fazowych (n =,,) zaczep nr W widmie wyższych harmonicznych prądów fazowych (rys. ) największą wartość ma piąta harmoniczna ( av h %), co jest teoretycznie uzasadnione dla prostownika typu D. Ostatnią grupę wyników pomiarowych stanowią przebiegi w obwodzie prądu stałego. Jako reprezentatywne pokazano przebiegi prądu układu diodowego grupy P (rys. ) zarejestrowane przy pomocy cewki Rogowskiego CR, również dla dwóch skrajnych położeń przełącznika zaczepów autotransformatora. CR [A] 7 7 Rys.. Wartości chwilowe prądu CR zaczep nr CR [A] Przebieg pokazany na rysunku dotyczy prądu obciążenia o stosunkowo małej wartości dla zaczepu nr. W okresie wyraźnie widoczne są składowe o częstotliwości Hz. Przebieg prądu DC pokazany na rysunku odpowiada zaczepowi nr, a jego wartość maksymalna osiąga, 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. 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 kv nie stwierdzono skrajnie negatywnego wpływu generacji wyższych harmonicznych prądu, bowiem wskaźniki THD zmieniają się od wartości,7% (zaczep nr ) do,% (zaczep nr ). Wzrost wskaźnika THD w końcowym etapie grafityzacji wiąże się ze wzrostem mocy czynnej pobieranej przez piec przy ograniczonej mocy zwarcia na poziomie kv. Wzrost prądu obciążenia pozytywnie wpływa na obniżenie wskaźnika THD od wartości,% (zaczep nr ) do wartości,9% dla zaczepu nr. LTERATRA [] Serwis internetowy SGL Group, www.sglgroup.com [] Reference Document on Best Available Techniques in the Non Ferrous Metals ndustries (Dokument Referencyjny BAT dla najlepszych dostępnych technik w produkcji metali nieżelaznych), Grudzień [] Jagieła K., Gała M., Kępiński M., Wykonanie badań i prób transformatora do pieca grafityzacyjnego w SGL Carbon Racibórz. Raport 97-/NKJ//V, ZPW K. Jagieła, Częstochowa,. [] Mazur M., Oleniacz R., Bogacki M., Szczygłowski P., Emisja zanieczyszczeń z procesu grafityzacji elektrod węglowych w piecach LWG (Castnera). Cz.. Wybrane substancje gazowe. nżynieria Środowiska, tom, zeszyt (), 9- [] Mazur M., Oleniacz R., Bogacki M., Szczygłowski P., Emisja zanieczyszczeń z pieca Achesona do grafityzacji wyrobów drobnych. Cz.. Wybrane substancje gazowe. nżynieria Środowiska, tom, zeszyt (), -9 [] Zieliński Tomasz P., Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Od teorii do zastosowań. WKŁ, Warszawa Autorzy: prof. ATH dr hab. inż. Kazimierz Jagieła, Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Wydział Budowy Maszyni nformatyki, ul. Willowa, -9 Bielsko-Biała, E-mail: kazimierz.jagiela@gmail.com; dr inż. Marek Gała, Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny, - Częstochowa, Al. Armii Krajowej, Email: m.gala@el.pcz.czest.pl; mgr inż. Marian Kępiński, Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny, - Częstochowa, Al. Armii Krajowej 7, E-mail: kepinski.pcz@gmail.com. Rys.. Wartości chwilowe prądu CR zaczep nr PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY, SSN -97, R. 9 NR / 7