Панель питания U21

Определим закономерность оксида, диссоциирующего в системе из двух несмешивающихся жидких растворов: металлического и оксидного: 2 [Me] + O₂ = 2 (MeO). Квадратными скобками [Ме] обозначаем металл, растворенный в металлической фазе, а круглыми скобками (МеО) – оксид, растворенный в оксидной фазе. В уравнениях константы равновесия, квадратными скобками [Ме] обозначим концентрацию раствора металла в металлическом растворителе, круглыми скобками (МеО) концентрацию раствора оксида металла в оксидной фазе (концентрации в молярных долях).

Установим зависимость от концентраций металла [Ме] и оксида (МеО) (рис. 8, 9) . Для решения поставленной задачи используем выражение константы диссоциации: .

В системе присутствуют две конденсированные фазы: раствор металла и раствор оксида, развивающие давление паров металла и паров оксида . и зависящие только от состава соответствующих растворов. Подставляя эти значения парциальных давлений металла и оксида в уравнение, получим выражение константы диссоциации оксида: с единственной переменной - парциальным давлением кислорода. Для определения парциальных давлений паров металла и паров оксида , используем закон Генри, согласно которому молярная доля вещества в растворе пропорциональна равновесному давлению его паров над раствором. Применяя закон Генри к растворам металла и оксида, получим соотношение: , , и .

Подставим и ), получим: , в котором - константа диссоциации, соответствующая равновесию реакции: 2Ме_(конд) + О₂ = 2 МеО_(конд) с участием двух чистых конденсированных веществ: металла и оксида.

Вводя К⁰ получим: . Уравнение дает точные результаты, если растворы металла и раствор оксида подчиняются законам идеальных растворов.

Изучение закономерности диссоциации оксида в растворе приводит к следующему:

1) Растворенный оксид имеет меньшую упругость диссоциации, чем свободной оксид.

2) Давление кислорода при диссоциации оксида уменьшается с уменьшением его концентрации в растворе неограниченно.

3) Повышение концентрации оксида в растворе до насыщения увеличивает давление кислорода до максимального значения, равного давлению кислорода при диссоциации свободного нерастворимого оксида.

4) Переход металла в раствор увеличивает упругость диссоциации оксида.

5) С уменьшением концентрации металла в растворе упругость диссоциации оксида возрастает неограниченно.

6) Увеличение концентрации металла в растворе снижает упругость диссоциации оксида до нижнего предела ее значения ( ).

7) С увеличением концентрации МеО в шлаке от 0 до 1 увеличивается от 0 до К⁰. При уменьшении концентрации Ме от 1 до 0 возрастает от К⁰ до бесконечно большого.

Теория окислительного рафинирования металлов. Окислительному рафинированию подвергают загрязненный черновой металл, полученный выплавкой из рудного сырья. Степень загрязненности чернового металла колеблется в широких пределах от долей % до 10%. Черновая медь содержит 1-2 % примесей: (Fe, Pb, Mn, Zn, S, Ni, As, Si, Bi, Ag, Au и пр.), чугун – 5-8% примесей (C, Si, Mn, P, S и пр.), веркблей до 10% (Sb, As, Sn, Bi, Cu, Ag, Au). Окислительное рафинирование заключается в частичном окислении компонентов расплава, имеющих большее сродство к кислороду, чем у основного металла, чем достигается перевод примесей в оксиды. Оксиды затем выводятся в шлак или улетучиваются.

Однако, для успеха окислительного рафинирования одной разницы в упругостях диссоциации недостаточно. Окислившаяся примесь в ряде случаев все же остается в расплаве рафинируемого металла или из-за растворимости оксидов в металлической ванне, или из-за образования между оксидами примесей и оксидами рафинируемого металла соединений, растворимых в ванне; и малой разницей в плотностях оксида примеси и рафинируемого металла.

Введенный в расплав кислород усваивается, т.е. переходит в оксиды, и затем между оксидами рафинируемого металла (Ме) и оксидами примесей (Ме’, Me’’, Me’’’) устанавливаются сопряженные равновесия: МеО + Me’ = Me’O + Me; MeO + Me’’ = Me’’O + Me; MeO + Me’’’ = Me’’’O + Me. Такая равновесная система состоит из одной жидкой металлической фазы – сплава металлов Ме’, Me’’, Me’’’ с небольшим количеством растворенных оксидов; фазы, составленной оксидами и газовой фазы, если в процессе образуются газообразные оксиды. Описываемое равновесие можно рассматривать как равновесие распределения малого (недостаточного для полного окисления металлов) количества кислорода между металлами Ме, Ме’, Me’’, Me’’’. Условием такого равновесия будет равенство давлений кислорода, развивающихся при диссоциации каждого из сосуществующих оксидов.

При воздействии кислорода на расплавленный загрязненный металл большая часть кислорода свяжется с основным металлом, т.к. он составляет подавляющую часть металлического расплава. Затем оксид основного металла передаст кислород растворенным примесям: МеО + Me’ = Ме + Me’O. Если рафинируемый металл значительно растворяет свой оксид, то реакции рафинирования смогут осуществляться во всей массе металлической ванны. Такими свойствами обладают жидкие медь, железо и никель. Растворимость оксидов примесей в металлической ванне представляет собой конечную величину, очень малую в сравнении с количеством содержащейся примеси, так что окисление самой небольшой доли примеси будет насыщать ванну ее оксидом. Окисление примеси должно описываться уравнением: 2 [Me’] + O₂ = 2 Me’O. Упругость диссоциации оксида примеси при рафинировании описывается уравнением: , где – константа диссоциации оксида примеси Me’O; [Me’]_Н..Р. – растворимость Me’ в расплавленном основном металле при температуре процесса; [Me’] – концентрации Me’ в основном расплавленном металле.

Давление диссоциации МеО, выражается уравнением: , где: – константа диссоциации оксида; [MeО]_Н..Р. – растворимость оксида основного металла в основном металле при температуре рафинирования; [MeО] – концентрация МеО в металлической ванне.

В начале процесса рафинирования концентрация оксида основного металла высокая, а упругость его диссоциации и способность отдавать свой кислород примесям высокая. Наибольшей упругости диссоциации, т.е. наибольшей способности окислять примеси МеО приобретает в момент насыщения им ванны, когда его концентрация достигает значения [МеО]_Н.Р.

Примем концентрацию примесей в ванне до начала - [Me’]_нач, [Me’’]_нач, [Me’’’]_нач, а упругость диссоциации их оксидов: , , . При протекании процесса концентрация основного металла [Ме] практически не меняется, так как его обычно более 95-99 %, концентрация (МеО) и примесей уменьшается, а концентрация оксидов примесей возрастает. Это приводит к повышению упругости диссоциации оксидов примесей и снижению упругости диссоциации оксида основного металла. В конце рафинирования упругости диссоциации оксидов всех удалявшихся примесей станут равными максимальному значению упругости диссоциации окислителя МеО – величине К^о_МеО., чему соответствуют конечные концентрации примесей в металлической ванне [Ме]_кон., определяемые по уравнению:

Дальнейшее снижение [Me’]_кон в заданных условиях рафинирования невозможно.

Т. о., при рафинировании будут удаляться только примеси, имеющие бόльшее сродство к кислороду, чем основной металл. Конечное содержание примеси определяется величинами К^о_МеО и К^о_Ме’О, не зависит от [Me’]_нач и тем меньше, чем у примеси больше сродство к кислороду.

Роль шлака в процессах окислительного рафинирования металлов. Металл и покрывающий его шлак обменивается растворенными оксидами металлов. В условиях равновесия концентрации оксида в металлической и шлаковой фазе пропорциональны растворимостям в соответствующих фазах (Закон распределения). В равновесии активности оксида в обеих фазах одинаковы. Для идеальных растворов активности пропорциональны концентрациям: или .

Упругость диссоциации оксида примеси Me’O будет выражаться формулой: , из которой вытекает, что чем меньше концентрация оксида примеси в шлаке, тем меньше упругость диссоциации оксида. Таким образом, шлак, растворяя оксиды примеси, понижает упругость их диссоциации, что облегчает окисление примеси, но, одновременно, шлак, растворяя оксид основного металла, понижает упругость его диссоциации, и этим снижается способность данного оксида отдавать кислород примесям.

.

Решая это уравнение относительно конечной концентрации примеси, получим:

.

Сравнивая это выражение с выражением для работы без шлака: , приходим к выводу, что роль шлака определяется «шлаковым множителем» в правой части формулы: . Повышение концентрации оксида рафинируемого металла и уменьшение концентрации оксида примеси в шлаке благоприятствует более полному удалению примеси. Большое влияние на результат рафинирования может оказать введение в шлак флюса, химически активного по отношению к одному из оксидов: оксиду примеси или к оксиду рафинируемого металла. Этим приемом пользуются в практике рафинирования железа от фосфора, свинца от олова, мышьяка и сурьмы, применяя основные флюсы, связывающие кислотные оксиды этих примесей в прочные соединения. Такой прием применим в случаях, когда основной металл и примесь сильно различаются по химическим свойствам. Если оба оксида основания или кислоты, то найти подходящую добавку нельзя и такой прием делается малоэффективным, так как может быть использована только разница в кислых и основных свойствах, в большинстве случаев небольшое.

Окислительное огневое рафинирование черновой меди, железа.

Раскислениея металлов.По завершении процесса удаление примесей при окислительном рафинировании расплавленный металл насыщен своим оксидом. Такой металл непригоден для использования и должен быть освобожден от кислорода – раскислен. Процесс раскисления заключается в восстановлении растворенного оксида раскислителем с образованием нерастворимого оксида раскислителя, всплывающего на поверхность жидкого металла: [MeO] + [R] = [Me] + (RO).

Раскислителем служит вещество с бόльшим сродством к кислороду. Реакция раскисления закончится как только будут равными упругости диссоциации обоих оксидов, т.е. когда: = . Откуда получаем, что остаточная концентрация оксида металла будет равна: . Анализ уравнения позволяет сделать вывод, что для обеспечения низкой концентрации растворенного оксида основного металла в ванне должен оставаться определенный избыток раскислителя; и этот избыток тем меньше, чем меньше величина K^o_RO. Раскислители, кроме доступности и дешевизны, должны иметь много больше сродства к кислороду, чем раскисляемый металл; быстро растворяться в раскисляемом металле; не давать газообразных продуктов раскисления; остаток раскислителя в готовом металле не должен ухудшать качества этого металла; оксид раскислителя должен быть мало растворим раскисляемом металле и легко отделяться от него.

Металлотермия.Металлотермическими называются процессы восстановления металлов из оксидов при помощи других металлов по реакции: MeO + Me’ = Me + Me’O + Q.

Теория металлотермических процессов основана на тех же самых представления, что и процессы окислительного рафинирования и раскисления. В процессе реагирования MeO и Me’ образуются Me и Me’O. При расплавлении шихты металлы образуют сплав, оксиды – шлак, причем дальнейшее реагирование протекает между двумя реагирующими фазами: (MeO) + [Me’] = (Me’O) + [Me]

На практике широко применяется алюмотермия:

Cr₂O₃ + 2Al = Al₂O₃ + 2Cr + 526,18 кДж

3MnO + 2 Al = Al₂O₃ + 2Mn + 517,39 кДж

3V₂O₅ + 10 Al = 5Al₂O₃ + 6 V

и силикотермия:

2V₂O₅ +5 Si + 5CaO = 4V + 5CaSiO₃

2MoO₂ + Mo₂Si₈ + 3CaO = 5Mo + 3CaSiO₃

3MoO₂ + 2CaO = 3Mo + 2CaSiO₃ + 2CO

MoO₂ + Fe_xSi + CaO = Mo + xFe + CaO*SiO₂

Литература: 2 осн. [57-75], 4 осн. [70-88, 267-288, 385-406], 5 осн. [109-119, 134-202], 3 доп. [84-115].

Контрольные вопросы:

1. Почему при получении меди, свинца и ряда других металлов проводят специальный процесс окислительного рафинирования? В чем заключается этот процесс?

2. В каком случае удаление примеси будет протекать полнее: если оксид рафинируемого металла нерастворим, если он ограниченно растворим в металлическом расплаве и почему?

3. Как меняются упругости диссоциации оксидов основного металла и примесей по мере протекания процесса окислительного рафинирования?

4. Чем определяется конечное содержание примеси в рафинированном металле, зависит ли оно от начального ее содержания?

5. Почему рекомендуется рафинировочный шлак удалять с поверхности металлического расплава периодически по ходу процесса?

6. Какое влияние на рафинирование может оказать введение в шлак флюса инертного по отношению к окислу рафинируемого металла, но образующего с окислом прочное химическое соединение?

7. Что такое барботаж и для чего он применяется в процессе окислительного рафинирования?

8.Каким образом и какие параметры системы следует регулировать при окислительном рафинировании металла, чтобы обеспечить максимально полное удаление примесей?

Панель питания U21

ПП-071 (8 отсек)

Предназначена для питания вентиля защиты Y1 (ВЗ57), счетчиков электрической энергии PJ1 и PJ2 (их катушек напряжения) и вольтметра PV1 «Сеть» измеряющего напряжения в контактной сети.

Номинальный ток 0,13 А, напряжение 50 В, минимальный ток включения ГВ 0,07 А.

Цепь катушки «Д» (ВЗ) после поднятия токоприемника и включения ГВ

вывод a2 трансформатора T14 → C402 → R6 (270 Ом) → U4 → «+» моста → «Д» → U3 → C401 → вывод а1 трансформатора Т14.

Цепь катушки «Г» после поднятия токоприемника и включения ГВ.

вывод a1 T14 → C401 → U2 → «+» моста → «Г» → «-» → U1 → R5 (180 Ом) → C403 → вывод х трансформатора Т14.

1. Вентиль защиты Y1 кроме катушки «Г» имеет катушку «Д». Обе катушки подключены к трансформатору Т14 через панель питания U21.

Если кнопка «Блокирования ВВК» и кнопки «Токоприемник С1» и «Токоприемник С2» выключены, а токоприемник по какой-либо причине не опустился и ГВ не отключился, то катушки «Г» и «Д» продолжают получать питание, в результате вентиль защиты Y1 остается во включенном положении, пропускает воздух к пневмоблокировкам штор ВВК и исключает тем самым их открытие и вход в ВВК.

2. Катушка «Г» подключена к трансформатору Т14 для обеспечения вентиля защиты Y1 во включенном положении при напряжении в контактной сети 12 кВ при такой же аварийной ситуации.

В этом случае напряжение на вторичной обмотки трансформатора Т14 достаточно чтобы удержать вентиль защиты Y1 во включенном состоянии, если до этого он был включен кнопкой «Блокирования ВВК».

3. Шунтирование вторичной обмотки трансформатора Т14 контактами KV1 необходимо для исключения удержания вентиля защиты Y1 во включенном состоянии за счет напряжения поступающего на первичную обмотку трансформатора Т14 через емкость, которая образуется крышевым электрооборудованием и контактным проводом в случае подключения трансформатора Т14 к цепи 25 кВ.

Фазорасщепитель АНЭ225L4УХЛ2.

На ВЛ85 в качестве расщепителя фаз и двигателей для привода МК и МВ используется трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа АНЭ225L4УХЛ2.

Число оборотов n – 1500 об/мин.

Класс изоляции Н - 180°С

Номинальная мощность – 55 кВт

Номинальный ток – 119 А

Номинальное напряжение – 380 В

А – асинхронный

Н - защищенный

Э – в тяговом исполнении для электровоза

225 – высота оси вращения

L – установочный размер по длине корпуса

4 – число полюсов

УХЛ – климатическое исполнение, унифицирован для холодного климата

2 – категория размещения, в кузове.

Фазорасщепитель преобразует однофазный ток трансформатора в трехфазный. Он выполняет одновременно функции однофазного двигателя и трехфазного генератора.

Две фазы фазорасщепителя составляют двигательную обмотку С1, С2, а третья фаза – генераторную обмотку С3. Она используется для запуска фазорасщепителя.

Запуск только от двигательной обмотки осуществить невозможно, так как нет вращающего магнитного поля.

Но если ротор двигателя запустить и предать ему определенную частоту вращения, то он будет продолжат вращаться. Этот принцип и используется при запуске фазорасщепителя. Если к двигательной обмотке подключить генераторную обмотку в цепи которой имеется резистор или емкость то такой двигатель приходит во вращение. В этом случае цепи двигательной и генераторной обмоток имеют разное соотношение сопротивлений. От этих соотношений зависит сдвиг тока относительно питающего напряжения.

Ток генераторной обмотки оказывается сдвинутый по фазе на некоторый угол по сравнению с током в двигательной обмотки и хотя при этом не образуется симметричной трехфазной системы токов, но этого сдвига оказывается достаточно для разгона расщепителя без нагрузки при отключенных вспомогательных машинах. В этом случае в трех обмотках статора создается вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле статора индуктирует в обмотке ротора ЭДС, а так как обмотка ротора замкнута накоротко, то по ней будет проходить ток. На проводники с током действует электромагнитная сила от пересекающего их вращающегося магнитного поля.

Суммарное действие всех этих сил создает вращающий момент, который приводит ротор во вращение в направлении вращения магнитного поля. Этим и заканчивается действие генераторной обмотки в процессе запуска расщепителя фаз.

Когда напряжение в генераторной фазе, то есть между фазами С3 и С2, достигнет 300±50 В. срабатывает панель ППРФ (панель пуска расщепителя фаз) ПРН8 (в схеме А15) на которой включается реле KV47 и отключает контактор KM20, который в свою очередь отключает пусковые конденсаторы С87 и С88. После этого фазорасщепитель работает как однофазный асинхронный двигатель на холостом ходу получая напряжение 380 В от обмотки собственных нужд тягового трансформатора. При этом вращающееся магнитное поле образованное двигательной обмоткой и ротором пересекает витки генераторной обмотки и наводит в ней э.д.с.

Таким образом создается трехфазная система напряжения, у которой под напряжением находится три вывода: С1 и С2 от обмотки собственных нужд тягового трансформатора и один С3 от генераторной обмотки фазорасщепителя.

Теперь фазорасщепитель выполняет функцию трехфазно генератора от них и питаются трехфазным напряжением трехфазные двигатели вспомогательных машин.

На ВЛ80^р применяются фазорасщепители типа НБ455А.

После запуска фазорасщепителя между концом генераторной обмотки С3 и фазами С1 и С2 обмотки собственных нужд образуется два новых линейных напряжения по 380 В, которые вместе с обмоткой собственных нужд образуют трехфазное напряжение в 380 В.

Асинхронные двигатели

Трехфазный асинхронный двигатель переменного тока с короткозамкнутым ротором

Действие трехфазного асинхронного двигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором основано на использовании явления вращающегося магнитного поля.

При питании трехфазным током трех катушек, сдвинутых одна относительно другой на угол 120°эл. возникает магнитное поле вращающееся в пространстве с постоянной скоростью. Полученное вращающееся магнитное поле имеет два полюса, т. е. одну пару полюсов.

Скорость вращения магнитного поля определяется:

где

f – частота питающего напряжения (50 Гц)

p – число пар полюсов статора

60 – переводной коэффициент

об/мин. – для однополюсного двигателя

Необходимым условием для возникновения вращающего момента асинхронного двигателя является неравенство частот вращения магнитного поля статора и частоты вращения ротора.

Для определения отставания частоты вращения ротора от частоты вращения магнитного поля статора вводится параметр скольжения:

n=n1(1-S) скорость вращения ротора

Только при этом условии в обмотке ротора индуктируется э.д.с. и возникает ток в роторе, по этой причине двигатель называют асинхронным.

Взаимодействие от величины напряжения в сети трехфазного тока 380 В или 220 В каждый трехфазный электродвигатель включается в трехфазную сеть «звездой» («Y») когда линейное напряжение в сети превышает фазное напряжение обмотки в (1.73) или «треугольником» («∆») если линейное напряжение сети равно фазному напряжению обмотки.

Для этого на двигателе, на табличке, и в паспорте двигателя указывается порядок подключения:

«Y» - 380 В / «∆» - 220 В

Каждый двигатель имеет два номинальных напряжения сети, отличающихся друг от друга в раз.

На ВЛ85 применяется трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором типа АНЭ225L4УХЛ2.

Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающего момента на валу) называют механической характеристикой асинхронного двигателя.

Такой двигатель обладает «жесткой» механической характеристикой.

Двигатель устойчиво работает при автоматическом установлении равновесия между нагрузкой и моментом развиваемым двигателем до M_max (до т. В).

Если нагрузка превысит M_max, то двигатель теряет устойчивость и может остановиться, при этом по обмоткам двигателя будет проходить ток в 5-7 раз больше номинального и через 20 сек обмотка статора сгорает. Такое же происходит и при снижении в контактной сети напряжения ниже 19 кВ.

Поэтому из-за небольшого пускового момента большого пускового тока и возможности снижения напряжения в контактной сети асинхронные двигатели на ЭПС устанавливают завышенной мощности в 1.6–2 раза.

При обрыве одной из фаз двигатель продолжает работать, но по фазам протекают повышенные токи.

Пуск двигателя с оборванной фазой невозможен.