Электротехнология. Схемы преобразования электрической энергии в тепловую

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Ставропольский государственный аграрный университет ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ КУРС ЛЕКЦИЙ Учебное пособие Для студентов специальности 110302.65 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», специальности 110300.62 «Агроинженерия» всех форм обучения Ставрополь 2010 Лысаков А.А. ®© ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Электротехнология. Курс лекций. Учебное пособие / сост. А.А. Лысаков. – Ставрополь: 2010. – 30 с. Учебное пособие содержит теоретические сведения и расчетную часть, позволяющую спроектировать электронагревательное устройство, или по результатам расчетов выбрать стандартное оборудование. Учебное пособие предназначено для студентов специальности 110302.65 «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства», специальности 110300.62 «Агроинженерия» всех форм обучения, а также для инженернотехнических работников, занятых в эксплуатации установок. Лысаков А.А. ®© 2 электронагревательных ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ ЛЕКЦИЯ № 1 Основные понятия и определения Электротехнология - область науки и техники, изучающая приемы, способы и средства выполнения производственных процессов, использующих электрическую энергию непосредственно или с предварительным преобразованием в тепловую, электромагнитную, кинетическую, механическую и другие виды энергии. Технологические процессы, связанные с преобразованием электрической энергии в тепловую и ее использованием, объединяют термином "электротермия" (электронагрев), а процессы, в которых электрическая энергия применяется непосредственно или с предварительным преобразованием в механическую или химическую, - понятием "электрофизические и электрохимические методы обработки материалов". Электрический нагрев (электронагрев) - процесс преобразования электрической энергии в тепловую для дальнейшего использования. Электротермический процесс - технологический процесс тепловых воздействий на загрузку при помощи электронагрева. Под загрузкой понимают объект тепловой обработки в электротермическом оборудовании. Электропечь - часть электротермического оборудования, в которой электротермический процесс осуществляется в закрытом рабочем пространстве (рабочей камере). В сельскохозяйственном производстве в эту категорию, помимо собственно электропечей (нагревательных, сушильных, отопительных и др.), входят электрические водонагреватели, электрокотлы, электрокалориферные установки и другое оборудование. Электротермическое устройство - оборудование без рабочей камеры, предназначенное для преобразования электрической энергии в тепловую. Электротермическая установка - совокупность электротермического и другого технологического оборудования вместе с сооружениями и коммуникациями, обеспечивающими проведение электротермического процесса. Схемы преобразования электрической энергии в тепловую Схема прямого преобразования, когда энергия различных форм электричества (электрического тока, электрических полей, магнитных полей, потока электронов) поглощается телами (средами) и превращается в них в теплоту. Количество выделяющейся теплоты эквивалентно (с учетом потерь) работе внешних ЭДС, затраченной на производство поглощенной энергии. Схема косвенного преобразования, когда электрическая энергия в тепловую не превращается, а используется лишь для переноса теплоты от одной среды (источника теплоты) к другой (потребителю теплоты), причем температура источника теплоты может быть ниже температуры приемника. Количество "полученной" (перенесенной) теплоты может в несколько раз превышать затраченную на это электрическую энергию. Способы электронагрева Нагрев сопротивлением - электронагрев за счет электрического сопротивления электронагревателя или загрузки. Дуговой нагрев - электронагрев загрузки электрической дугой. Индукционный нагрев- электронагрев электропроводящей загрузки электромагнитной индукцией. (Электропроводящей загрузкой являются металлы - материалы, имеющие высокую электронную проводимость.). Диэлектрический нагрев - электронагрев неэлектропроводящей загрузки токами смещения при поляризации, а также проводников II рода, имеющих ионную проводимость. Электронно-лучевой нагрев - электронагрев загрузки сфокусированным электронным лучом в вакууме. Лазерный нагрев - электронагрев в результате последовательного преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения и затем в тепловую в облучаемой загрузке. Лысаков А.А. ®© 3 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Ионный нагрев - электронагрев потоком ионов, образованным электрическим разрядом в вакууме. Плазменный нагрев - электронагрев стабилизированным высокотемпературным ионизированным газом, образующим плазму. Различают плазменно-дуговой нагрев, при котором тела нагреваются факелом плазмы, образуемым при продувании газа через дуговой раздел, и плазменно-индукционный нагрев, когда для получения плазмы используют высокочастотное магнитное поле. Инфракрасный нагрев - электронагрев инфракрасным излучением при условии, что излучательные спектральные характеристики излучателя соответствуют поглощательным характеристикам нагреваемой загрузки. Термоэлектрический нагрев - нагрев сред теплотой Пельтье, переносимый электрическим током термоэлектрической батареи от источника, имеющего температуру более низкую, чем температура потребителя. Каждый из способов электронагрева, может быть прямым и косвенным. При прямом электронагреве теплота выделяется в загрузке, включенной в электрическую цепь, при косвенном - теплота выделяется в электронагревателе и передается загрузке теплообменом. Электронагревательные установки сопротивления: а) прямого электронагрева: электродные водонагреватели, паровые котлы, пастеризаторы, кормозапарники, стерилизаторы почвы, аппараты электроконтактной сварки, установки прямого электронагрева металлических деталей, электродные соляные ванны; б) косвенного электронагрева: элементные водонагреватели, калориферы, электрообогреваемые полы, инфракрасные обогреватели, электрические печи, тигли, ванны, бытовые электроприборы и др. Установки электродугового нагрева: а) прямого электродугового нагрева: электросварочные аппараты и преобразователи; б) косвенного электродугового нагрева: источники инфракрасного нагрева, дуговые плазмотроны. Установки индукционного нагрева: а) промышленной частоты: индукционные водонагреватели и пастеризаторы, обогреватели почвы, и др.; б) высокой частоты: закалочные и плавильные установки ремонтных предприятий. Установки диэлектрического нагрева: высокочастотные пастеризаторы и стерилизаторы молока, сливок, фруктовых и ягодных соков, сушилки зерна, фруктов, овощей, высокочастотные плазмотроны для нагрева металлов. Установки электронного нагрева: электронные печи для плавки металлов, электроннолучевые установки для сварки и размерной обработки материалов и др. Установки лазерного нагрева: аппараты для микросварки, станки для прошивки тонких отверстий в тугоплавких материалах, обработка алмазов и др. Лысаков А.А. ®© 4 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) Рисунок 1.1 - Способы преобразования электрической энергии в теплоту: 1 сопротивлением электроконтактный; 2 - сопротивлением электродный; 3 - индукционный косвенного нагрева; 4 - сопротивлением элементный; 5 - электродуговой косвенного нагрева; 6 - термоэлектрический нагрев; 7 - диэлектрический нагрев; 8 - электродуговой прямого нагрева ЛЕКЦИЯ 2 Основы кинетики нагрева Уравнение теплового баланса нагреваемого тела имеет вид: Q1 = Q2 + Q3 , (2.1) где Q1- тепло, полученное в результате преобразования электрической энергии в тепловую, Дж (полное тепло); Q2- тепло, затраченное на нагрев материала, Дж (полезное тепло); Q3- потери тепла в окружающую среду, Дж (потери). Преобразуя закон сохранения энергии, получим уравнение теплового баланса в универсальной форме Pdτ = m ⋅ c ⋅ dt + k ⋅ F ⋅ (t − t0 )dτ , (2.2) где Р – мощность, Вт; dτ - время нагрева, с; m- масса нагреваемого материала, кг; c- удельная теплоемкость нагреваемого материала, кДж/(кг·0С); dt- изменение температуры во время нагрева, 0С; k- коэффициент теплоотдачи в окружающую среду, Вт/м20С; F- площадь теплоотдающей поверхности, м2 t- конечная или текущая температура нагрева материала, 0С; t0- начальная температура нагрева или температура окружающей среды, 0С. Решение уравнения теплового баланса позволит установить зависимость температуры нагрева от времени. Приведем уравнение к следующему виду: − P ⋅ dτ + m ⋅ c ⋅ dt + k ⋅ F ⋅ (t − t0 )dτ = 0 (2.3) Разделим обе части уравнения на kFd τ , получим (− P ⋅ dτ + m ⋅ c ⋅ dt + k ⋅ F ⋅ (t − t0 )dτ ) / k ⋅ F ⋅ dτ = 0 , (2.4) тогда m ⋅ c ⋅ dt P − + (t − t0 ) = 0 k ⋅ F ⋅ dτ k ⋅ F Обозначим постоянную времени нагрева: 5 Лысаков А.А. ®© (2.5) ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ m⋅ c . k⋅F (2.6) P + t = tk . kF (2.7) T= Обозначим конечную (установившуюся) температуру: Тогда уравнение можно записать в виде dt + (t k − t 0 ) = 0 . (2.8) dτ Преобразовав последнее уравнение, получим математическую зависимость температуры нагрева от времени: T −τ −τ (2.9) t = t 0 e T + t k (1 − e T ) . Постоянная времени нагрева и способы её определения Постоянная времени нагрева – это отношение тепловоспринимающей способности вещества (числитель в формуле) к теплоотдающей (знаменатель в формуле). T= m⋅ c . k⋅F (2.10) Постоянная времени нагрева определяется: 1. По кривой нагрева, снятой экспериментальным путем (метод касательных, метод отрезков, метод трех сигм). 2. По аналитической зависимости. Постоянная времени нагрева характеризует интенсивность нагрева, она не зависит от подведенной мощности, а зависит от тепловоспринимающей и теплоотдающей способности. Время нагрева до определенной температуры определяется по формуле: t −t τ = T × n k 0 . (2.11) tk − t Определение полезной мощности электронагревательной установки Полезная мощность электронагревательной установки определяется из уравнения теплового баланса: Pdτ = m ⋅ c ⋅ dt + k ⋅ F ⋅ (t − t0 )dτ . При отсутствии тепловых потерь в окружающую среду формула имеет вид Pdτ = m ⋅ c ⋅ dt = m ⋅ c ⋅ (tk − t0 ) . (2.12) Полезная мощность определяется по формуле mc(t k − t 0 ) P= . (2.13) τ В практических расчетах применяются следующие величины: m = G, производительность установки G, кг/с, τ теплосодержание i, кДж/кг, ct = i . Определение теплового КПД электронагревательной установки Из уравнения теплового баланса определим тепловой КПД электронагревательной установки Q η = 2. (2.14) Q1 Подставляя переменные, получим уравнение mcdt η = . (2.15) mcdt + kF (t k − t 0 )dτ Окончательно уравнение примет вид Лысаков А.А. ®© 6 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ 1 . (2.16) 1 + kF (t k − t 0 )dτ / mcdt Исходные данные для расчета электронагревательной установки • Назначение установки. • Количество нагреваемого материала. • Электрофизические и теплофизические характеристики нагреваемого материала. • Время нагрева (скорость нагрева). • Начальная и конечная температуры нагрева. • Температура окружающей среды. Расчет электродных систем Особенности электродных водонагревателей и паровых котлов заключаются в зависимости потребляемой мощности от удельного электрического сопротивления нагреваемой воды и в ограничении напряженности электрического поля между электродами для предупреждения электрического пробоя и разложения воды. Коаксиальные цилиндрические электроды рассчитываются по следующим параметрам: η = E= напряженность поля, В/м U 1 × , n rн rв r (2.17) U 1 × . (2.18) ρ t n rн rв r Плоскопараллельные электроды рассчитываются по следующим параметрам: U напряженность поля, В/м E = , (2.19) d Е j доп = доп , допустимая плотность тока на электродах, А/м2 (2.20) ρ tβ kn I максимальная плотность тока на электродах, А/м2 j max = . (2.21) FЭ Исходные данные для расчета проточных водонагревателей 1) Объемный расход воды. 2) Температура воды на входе и на выходе. Исходные данные для расчета непроточных водонагревателей 1) Объем нагреваемой воды. 2) Время нагрева. 3)Начальная и конечная температуры воды. Мощность, Вт, проточных электродных водонагревателей определяется по формуле: j= плотность тока, А/м2 P= 3U Φ2 h(20 + t cp ) 3U Φ2 3U Φ2 = = , RΦ k Э . Г . ρ cp / h 40ρ 20 k Э. Г . β (2.22) где UФ- фазное напряжение, В; кэ.г.- геометрический коэффициент системы; h- высота электродов, м; t + t tcp- средняя температура в аппарате, t cp = вх вых ; 2 ρcp- среднее удельное электрическое сопротивление воды в аппарате. Мощность, Вт, непроточных электродных водонагревателей в начале нагрева: PH = 3U Φ2 h(20 + t Н ) (20 + t Н ) = P20 40 ρ 20 k Э. Г . β 40 . (2.23) Мощность, Вт, непроточных электродных водонагревателей в конце нагрева: PH = 3U Φ2 h(20 + t К ) (20 + t К ) = P20 . 40 ρ 20 k Э. Г . β 40 Средняя мощность в процессе нагрева, Вт, Р + РК V ⋅ ρ B ⋅ c B ⋅ (t K − t H ) , Рср = Н = 2 τ ⋅η Лысаков А.А. ®© 7 (2.24) (2.25) ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ где V - объем воды, м3; ρB- плотность воды, кг/м3; сB - удельная теплоемкость воды, Дж/кг·0С; τ- время нагрева воды, с. Площадь поверхности электродов на одну фазу, м2, FЭ = 40Vρ B c B ρ 20 k Э. Г .b (20 + t K ) n , (20 + t H ) 3U Φ2 tη (2.26) Мощность, Вт, непроточного водонагревателя в любой момент времени определяется по формуле Pt = PH e t Т (2.27) Температура воды в любой момент времени t = (20 + t H )e t Т − 20 (2.28) ЛЕКЦИЯ 3 Электронагрев сопротивлением. Прямой нагрев В электротермических процессах широко используют электрический нагрев сопротивлением, при котором электрическая энергия преобразуется в тепловую непосредственно в проводящей среде или в проводнике, включенном в цепь электрического тока. Количество теплоты, выделенное в нагреваемом материале или среде, пропорционально квадрату силы тока I и зависит от сопротивления нагреваемого материала R и времени нагрева t: Q = I2 ⋅ R⋅ t . (3.1) Электрический нагрев сопротивлением – наиболее простой и экономичный способ преобразования электрической энергии в тепловую. По способу выделения и передачи тепловой энергии нагреваемой среде или материалу различают прямой и косвенный нагрев. Прямой нагрев сопротивлением подразделяется на два способа: • Прямой нагрев металлических тел, называемым электроконтактным. • Прямой нагрев проводящих материалов, обладающих ионной проводимостью, который называется электродным. Электроконтактный нагрев сопротивлением применяют для сквозного нагрева, контактной сварки, наплавки при восстановлении изношенных деталей и прогрева трубопроводов. Рисунок 3.1 - Схема однопозиционного (а) и многопозиционного устройств с последовательным (б) и параллельным (в) включением заготовок в цепь: 1- зажимной токопроводящий контакт; 2- нагреваемая заготовка; 3- токопроводящий провод При контактной сварке или сварке сопротивлением места соприкосновения деталей нагреваются до температуры пластического состояния путем пропускания через них электрического тока.. Лысаков А.А. ®© 8 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Переходное сопротивление в месте соприкосновения деталей значительно превосходит их сопротивление, поэтому сами детали непосредственно от тока нагреваются очень мало, тогда как в стыках выделяется большое количество энергии. Рисунок 3.2 - Разновидности контактной сварки: а) стыковая; б) точечная; в) роликовая: 1- деталь; 2- зажимной токопроводящий контакт; 3- контактная перемычка Основы электродного нагрева Электродный нагрев применяют для нагрева электропроводящих материалов, обладающих ионной проводимостью. По принципу действия электродный нагрев относится к прямому т.к. сам материал является средой, в которой электрическая энергия превращается в тепловую. Электроды служат лишь для подвода электрического тока к нагреваемому материалу. Рисунок 3.3 - Некоторые типы электродных систем: а) однофазная с плоскими электродами; б) однофазная с цилиндрическими коаксиальными электродами; в) трехфазная с пластинчатыми электродами (треугольник); г) трехфазная с коаксиальными электродами (звезда) В электродных аппаратах используют только переменный ток во избежание электролиза воды. Электроды изготовляют из металлических материалов: титана, нержавеющей и углеродистой стали, электротехнического графита и др. Для изготовления электродов не рекомендуется использовать медь, алюминий и оцинкованную сталь из-за низкой коррозионной стойкости и загрязнения воды продуктами коррозии этих материалов. Для нормальной и безаварийной работы водонагревателей и паровых котлов необходимо контролировать и поддерживать на заданном расчетном уровне удельное электрическое сопротивление рабочей среды, плотность электрического тока на электродах и напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве. При уменьшении удельного электрического сопротивления воды по сравнению с расчетным появляются зоны с повышенными напряженностью поля и плотностью тока на электродах, увеличивается интенсивность накипеобразования и коррозии электродов, возрастает возможность пробоя межэлектродного пространства и электролиза воды с выделением взрывоопасного гремучего газа, что приводит к неустойчивой работе и выходу из строя водонагревателя и парового котла. В развитии низкотемпературного нагрева перспективным направлением является создание тонкослойных поверхностно-распределенных резистивных электронагревательных элементов (ПЭН). Наибольший интерес представляют ПЭН, изготовленный на основе композиционных материалов, которые выпускают в виде съемных электронагревателей и в виде элементов конструкции ЭТУ. В съемном ПЭН нагревательное сопротивление, изготовляемое из токопроводящих нитей, длинных волокон или зернистой структуры, герметически изолируется от нагреваемой среды стеклотканевым, полимерным, резиновым или другими теплостойкими покрытиями. При работе съемные ПЭН размещают в нагреваемой среде или крепят на поверхности элементов нагреваемых конструкций. В совмещенных ПЭН нагревательное сопротивление в виде токопроводящей пленки наносят на электроизолированный нагреваемый элемент конструкции ЭТУ (емкость, воздуховоды, стены, панели, коврики и т.д.). Лысаков А.А. ®© 9 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Основные достоинства ПЭН: высокая антикоррозийная стойкость при работе в агрессивных средах; низкая стоимость исходного материала и технологичность изготовления самых сложных конфигураций, равномерный и дифференцированный нагрев больших поверхностей сложной формы; относительно низкая металлоемкость и высокий тепловой к.п.д. Электродные водонагреватели В сельском хозяйстве наиболее распространены низковольтные водонагреватели типа ЭПЗ, КЭВЗ, КЭВ и парогенераторы типа КЭП и КЭПР. Электродные водонагреватели типа ЭПЗ предназначены для нагрева воды в системах отопления и горячего водоснабжения помещений сельскохозяйственного назначения, а также жилых и общественных зданий. Электронагреватели типа КЭВ изготавливают в двух вариантах: с пластинчатыми (для воды с удельным сопротивлением ρ>10 Ом·м) и цилиндрическими (для воды с ρ<10 Ом·м) электродами. В зависимости от мощности аппарата и удельного сопротивления воды число электродных пластин выбирают равным 3h+1, где h- целое число. Электродные пластины изолированные одна от другой фторопластовыми втулками. Расстояние между пластинами регулируют в зависимости от удельного электрического сопротивления воды. ЛЕКЦИЯ 4 Электронагрев сопротивлением. Косвенный нагрев При косвенном способе нагрева под действием электрического тока нагревается проводник и отдает своё тепло в окружающую среду путем теплопроводности, конвекции, излучения. Косвенный нагрев сопротивлением применяют в различных технологических процессах низко – и высокотемпературного нагрева. Достоинство косвенного нагрева заключается в его универсальности, т.е. возможности нагрева газообразных, жидких, твердых, проводящих и непроводящих материалов при отсутствии непосредственного контакта электрического тока с обрабатываемой средой. Применение косвенного электронагрева: 1) сушка сельскохозяйственных продуктов, 2)тепловая обработка кормов, 3) создание микроклиматов животноводческих помещениях, 4)в электрических печах ремонтных предприятий. Электрический нагреватель – основной элемент ЭТУ, преобразующий электрическую энергию в тепловую. Различают следующие типы электрических водонагревателей: 1)открытые, 2)защищенные, 3)герметические нагреватели. В нагревателях открытого исполнения резистивное тело – нагревательное сопротивление – не изолируют от нагреваемой среды, а размещают непосредственно в ней. Нагреватели из материала с высоким удельным сопротивлением изготовляют в виде проволочных или ленточных зигзагов, проволочных спиралей и крепят на керамических стержнях, трубах или изоляторах в воздушном потоке (электрокалориферы) или в воздушном пространстве (электропечи) электротермических установок. Материалы с высоким удельным электрическим сопротивлением: сталь, нихром, фехраль, константан. В нагревателях защищенного исполнения нагревательные сопротивления, изготовляемые из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением, размещают в защитном корпусе, предохраняющем их от механических повреждений и от нагреваемой среды. Применение: электрообогреваемые полы, электрообогреваемые панели, стенки, коврики, электроконвекторы. Материал: сталь (Ст10, Ст20, Ст30), нихром, (ПОСХВ, ПОСХП, ПОСХВТ, ПНВСВ). Наиболее совершенными и универсальными являются герметические трубчатые электронагреватели (ТЭН). Их эффективно используют в электрокалориферах, водонагревателях, электрических печах, теплоаккумулирующих установках, электрокипятильниках, бытовых плитах и др. Срок службы – не менее 10000 часов. ТЭН представляет собой тонкостенную металлическую трубку (оболочку), которую запрессована спираль из проволоки с большим удельным электрическим сопротивлением. Лысаков А.А. ®© 10 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Концы спирали приварены к контактным стержням, снабженным с внешней стороны контактными устройствами для подключения к сети. Спираль изолируется от стенок трубки наполнителем из периклаза (плавленая окись магния), обладающим высокими диэлектрическими свойствами и теплопроводностью. В качестве наполнителя допускается использовать кварцевый песок и другие материалы. Торцы трубки герметизируют влагостойким составом и изолирующими втулками, что исключает доступ воздуха и влаги внутрь ТЭН. Рисунок 4.1 Трубчатый электронагреватель (ТЭН): 1 и 2 – контактное устройство; 3 – контактный стержень; 4 – нагревательная спираль; 5 – наполнитель (периклаз); 6 – оболочка (трубка) ТЭН; lcт – длина контактного стержня в заделке; lобщ – общая длина Стандартизированные параметры ТЭНов Напряжение, В, - 12, 24, 36, 48, 55, 60, 110, 127, 220, 380. Мощность, кВт, - 0,05; 0,065; 0,08; 0,1; 0,125; 0,16; 0,2; 0,25; 0,315; 0,4; 0,63; 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,15; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20. Наружный диаметр, мм, - 7; 9; 12,5; 15. Развернутая длина, мм, - 250; 300; 320; 350; 420; 440; 500; 600; 700; 780; 850; 1000; 1200; 1400; 1700; 2000; 2400; 2800; 3350; 4000; 4750; 5600; 6300. Условное обозначение ТЭН ТЭН – 123/456789 : - 1 – развернутая длина, см; - 2 – условное обозначение длины контактного стержня в заделке; - 3 – наружный диаметр оболочки (трубки) мм; - 4 – номинальная мощность, кВт; - 5 – условное обозначение нагреваемой среды; - 6 – номинальное напряжение, В; - 7 – вид климатического исполнения; - 8 – «Экспорт» для ТЭНов на экспорт; - 9 – обозначение стандарта. Длина контактного стержня для разных обозначений: А – 40 мм, Б – 65 мм, В – 100 мм, Г – 125 мм, Д- 160 мм, Е – 250 мм, Ж – 400 мм, З – 630 мм. ЛЕКЦИЯ 5 Расчет электронагревателей косвенного нагрева Тепловой расчет – определение мощности электронагревательной установки, её теплового к.п.д., оптимальных геометрических размеров, наивыгоднейшей толщины тепловой изоляции. Электрический расчет – разработка схемы соединения, выбор напряжения питания, определение геометрических размеров рабочих сопротивлений. Нагреватели рассчитывают по удельной поверхностной мощности (удельному поверхностному тепловому потоку) или по рабочему току. Расчет по удельной поверхностной мощности основан на совместном решении уравнений: P = pУД A = pУД Π  , (5.1) P= Лысаков А.А. ®© U Φ2 U Φ2 S = , RΦ ρ t 11 (5.2) ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ где Р - мощность нагревателя, Вт; рУД - удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/м2; A - площадь поверхности нагревателя, м2; П - периметр сечения нагревателя, м; ι - длина нагревателя, м; Uф - фазное напряжение, В; Rф - электрическое сопротивление нагревателя, Ом; S - площадь сечения нагревателя, м2; ρt - удельное электрическое сопротивление нагревателя, Ом·м при температуре t. Диаметр и длина нагревателя, м, определяются по формулам d= 3 4ρ t P 2 , π 2U Ф2 pУД = PU Ф2 . 2 4π ρt pУД 3 При передачи теплового потока излучением предельно поверхностная мощность, Вт/м2, определяется по формуле 4 4  Т  −  Т НТ   pУД ИД = с пр   Н  100  100   ,    (5.3-5.4) допустимая удельная (5.5) где спр - приведенный коэффициент излучения идеального нагревателя, Вт/м2К4; ТН - температура нагревателя, К; ТНТ - температура нагреваемого материала, К. Приведенный коэффициент излучения идеального нагревателя определяется по формуле  с пр = 5,7 /  1 ε  НТ + АНТ  1  АСТ  ε Н  − 1  ,  (5.6) где εН - относительный коэффициент излучения (степень черноты) нагревателя; εНТ - относительный коэффициент излучения (степень черноты) нагреваемого материала. Предельно допустимая удельная поверхностная мощность реального нагревателя определяется по формуле pУД = pУД ИД α ЭФα Ш α С α Р (5.7) Коэффициент αЭФ характеризует эффективность излучения системы нагревателя. Для проволочной спирали, размещенной на полочке или керамической трубке αЭФ=0,32. Коэффициент шага αШ учитывает зависимость рУД от относительного виткового расстояния h/d (по графикам). Коэффициент αС определяет влияние на рУД приведенного коэффициента излучения (степень черноты) реального нагревателя (по графикам). Коэффициент излучения (степень черноты) реального нагревателя определяется по формуле  с пр = 5,7 /  1 ε  НТ + АНТ  1  АСТ  ε Н  − 1  ,  (5.8) где АНТ - площадь тепловоспринимающей поверхности нагреваемого тела, м2; АСТ- площадь поверхности стен установки, занятых нагревателями, м2. Коэффициент αР учитывает влияние относительных размеров нагреваемого тела на рУД и зависит от отношения АНТ/АСТ (принимают по справочным данным; при АНТ/АСТ>0,8αР =1; при АНТ/АСТ<0,3 поправки αР и αС не вводят). Геометрические размеры спирали: а) шаг витков h=(3,2…4,8)d; б) диаметр спирали D=(6…10)d; в) число витков w=l/(h2+(πD)2)0,5; г) длина спирали L=hw. Расчет по рабочему току Основан на использовании экспериментальных (табличных или графических) зависимостей между токовыми нагрузками на проводники, их температурами и значениями площадей сечений. Эти зависимости получают обычно для проволок, натянутых горизонтально в спокойном воздухе, имеющем температуру 200С. Таблицы составляют для каждого материала Лысаков А.А. ®© 12 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ проволок. Для перехода от табличных условий к реальным вводят опытные поправочные коэффициенты. При расчете нагревателей других конструкций или работающих в иных средах влияние конструкции и среды на установившуюся температуру учитывается коэффициентами монтажа kм и среды kc. Коэффициент монтажа kм учитывает ухудшение теплоотдачи от нагревателя и, следовательно, увеличение его температуры в реальном нагревателе по сравнению с табличными условиями. Коэффициент kм < 1 и только для табличных условий kм = 1. Коэффициент среды kc учитывает улучшение теплоотдачи (от нагревателя и, следовательно, увеличение его температуры в реальном нагревателе) вследствие влияния нагреваемой среды, создающей условия работы, отличающиеся от табличных, всегда kc > 1. Порядок расчета 1. Определяют рабочий ток нагревателя: P IP = , (5.9) mnU Φ где Р – мощность установки, кВт; m –число фаз; n – число параллельных спиралей на одну фазу. Установившуюся температуру нагревателя принимают из следующих условий: tУСТ ≤ t ДОП , (5.10) tУСТ = t РАБ + ∆ t где tДОП - допустимая рабочая температура материала нагревателя, 0С, tРАБ - рабочая температура установки, 0С, Δt- превышение температуры нагревателя над температурой нагреваемого материала, 0С. По известным значениям tУСТ и IP определяют из справочных данных диаметр проволоки нагревателя. Длина проволоки нагревателя определяется по следующему выражению: RS π d 2U Ф = = (5.11) ρ 4ρ t I P Если конструкция или условия работы нагревателя не соответствуют табличным, то нагревательные элементы рассчитывают по условной (расчетной температуре). tУСЛ = tУСТ k М k С . Геометрические размеры спирали определяются по ранее приведенным отношениям. Инфракрасный (ИК) нагрев Инфракрасные лучи - электромагнитные колебания, имеющие длину волны 0,78…420 мкм и частоту в диапазоне 1014 - 1016 Гц. Источниками ИК-лучей являются все нагретые тела; генерируются ИК-лучи в результате колебательных и вращательных движений молекул, эти колебания передаются в окружающую среду в виде электромагнитных волн. ИК-диапазон делят на 3 части: а) коротковолновой (0,76 - 2,5 мкм), б) средневолновой (2,5 - 25 мкм), в) длинноволновой (25 - 420 мкм). Мощным источником ИК-лучей - является солнце, в спектре которого в основном находятся коротковолновые лучи с длиной волны от 0,76 до 5 мкм. Коротковолновые лучи проникают в глубину нагреваемого материала, вызывая нагрев изнутри. Технические излучатели подразделяются на светлые с длиной волны 0,78 - 3 мкм и темные с длиной волны более 3 мкм. К светлым излучателям относятся обычные лампы накаливания, специальные лампы - теплоизлучатели ИКЗ, ИКЗК, КИ-1000 а также лампа ЛЭ15. К темным излучателям относится установка типа ОКБ. Лысаков А.А. ®© 13 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Светлые излучатели имеют более низкую температуру нити накала (2200 0С вместо 2900 С у лампы накаливания). Это увеличивает долю ИК-лучей в спектре излучения и срок службы лампы до 2000 ч вместо 700 ч у ламп накаливания. Верхняя внутренняя поверхность ламп покрыта слоем серебра для отражения и концентрации лучистого потока в нужном направлении. У ламп ИКЗК нижняя часть колбы выполнена из цветного стекла для уменьшения потока видимых лучей и устранения слепящего эффекта. В качестве темных излучателей используются ТЭНы с температурой наружной поверхности трубки 600…700 0С. В их спектре содержатся только длинноволновое и средневолновое ИК-излучение, которое поглощается поверхностными слоями тела. Преимущество темных излучателей в их большей надежности и меньшей пожароопасности. ИК-излучение в сельском хозяйстве используют для обогрева молодняка животных и птицы, сушки зерна, фруктов и овощей, термической обработки пищевых материалов, а также для дезинсекции. ИК-лучи обладают рядом характерных особенностей, используемых в сельскохозяйственном производстве: а) высокая интенсивность излучения с высоким к.п.д; б) избирательность или селективность нагрева; в) возможность концентрации и получения большой плотности лучистого потока на единицу поверхности. Законы ИК-излучения Закон Планка – связывает спектральную интенсивность с длиной волны и температурой. Закон смещения Вина – максимум излучения смещается в сторону коротковолнового излучения. Закон Стефана – Больцмана – устанавливает зависимость между интенсивностью излучения и температурой нагретого тела. Расчет установки ИК-нагрева Расчет сводится к определению необходимой энергетической облученности необходимой площади, определению типа облучателя, определению количества облучателей. Лучистый к.п.д. установки η. ΦT η = (5.12) Φ ИЗЛ Энергетический к.п.д. установки β. Φ β = Т (5.13) РН Обозначения в формулах: ФТ - тепловой поток, поглощаемый облучаемым телом, Вт; ФИЗЛ полный поток излучения, Вт; РН - номинальная мощность излучателя, Вт. Количество облучателей выбирается по формуле: kEFo n= , (5.14) P1 β u где F0 - облучаемая поверхность, м2; P1 - мощность одного облучателя, Вт, β- энергетический к.п.д. излучателя, u - коэффициент эффективности использования ламп, зависящий от размеров помещения и высоты подвеса (принимается в пределах 0,7-0,85), k - коэффициент запаса (1,1-1,25). Интенсивность обогрева регулируют изменением высоты подвеса и продолжительности включения облучателей, а также изменением питающего напряжения. Наибольший эффект достигается при сочетании инфракрасного обогрева и ультрафиолетового облучения молодняка. Практически все облучательные установки комплектуются ИК и УФ лампами (ИКУФ). Преимущества установок лучистого обогрева Лысаков А.А. ®© 14 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ 1. Возможность обогрева без повышения температуры окружающего воздуха. 2. Быстродействие. 3. Легкость регулирования тепловых потоков изменением высоты подвеса и мощности ИК ламп. 4. Малые капитальные затраты. 5. Мобильность установок, малые размеры. Недостатки установок лучистого нагрева 1. Малый срок службы ламп. 2. Повышенная пожароопасность. 3. Значительный удельный расход энергии. 4. Применение ИК ламп не исключает простудных заболеваний животных из-за разницы температур тела животного и пола. ЛЕКЦИЯ 6 Индукционный нагрев Индукционный нагрев проводящих тел – проводников первого и второго рода - основан на поглощении ими электромагнитной энергии, возникновении наведенных вихревых токов, нагревающих тело по закону Джоуля-Ленца. Физическая сущность индукционного нагрева заключается в использовании явлений электромагнитной индукции, гистерезиса, поверхностного эффекта, эффекта близости и газоэлектрической плазмы. Явление электромагнитной индукции Если в переменное магнитное поле поместить электропроводящее тело, оно будет нагреваться индуктированными переменными токами, возникающими под действием электродвижущей силы. U Е = 4,44 ⋅ f ⋅ n ⋅ Φ , I= Z Сущность поверхностного эффекта Сводится к тому, что переменный ток, протекая по проводнику, концентрируется главным образом в его поверхностном слое. При этом переменный ток i1 , проходя по проводнику, индуктирует в нем э. д. с, под действием которой, в свою очередь, образуются токи i2. Направление токов i2 вблизи оси проводника не совпадает с направлением основного тока и, вследствие чего они компенсируются, обусловливая уменьшение плотности тока. На поверхности проводника эти токи направлены в ту же сторону, что и основной, и складываются с ним, увеличивая плотность тока в частях, более близких к поверхности. При сравнительно большом поперечном сечении проводника или высокой частоте переменный ток протекает главным образом в поверхностном слое проводника. Рисунок 6.1 – Поверхностный эффект Эффект близости Сводится к тому, что мощность, выделяемая в двух близко расположенных проводниках, по которым течет переменный ток одной частоты, но противоположных направлений, концентрируется на поверхностях, обращенных друг к другу. Если направление тока в обоих проводниках совпадает, то плотность тока оказывается наибольшей на участках сечения, максимально удаленных друг от друга. Лысаков А.А. ®© 15 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ а) б) Рисунок 6.2 – Эффект близости при противоположных (а) и совпадающих (б) направлениях тока Катушечный (кольцевой) эффект Заключается в повышении плотности тока на внутренней стороне кольцевого проводника с током. Рисунок 6.3 – Катушечный эффект Газоэлектрическая плазма Представляет собой ионизированный газ, нагретый до высокой температуры в переменном электромагнитном поле. Электрический ток, возникающий в такой проводящей среде, превращается в тепло и еще более нагревает плазму. Если сквозь эту плазму с температурой (10 20)·103 К продуть какой-либо газ или атмосферный воздух, образуется газовое пламя высокой температуры при атмосферном давлении, как в газовой горелке. Рисунок 6.4 – Схема устройства плазменной горелки: 1— кварцевая трубка; 2 — индуктор; 3 — индукционный разряд; 4 — зона перегрева кварцевой трубки; 5 — струя термозащитного газа; 6 — пламя горелки Явление гистерезиса При изменении широкой петли на узкую и наоборот происходит образование вихревых токов и нагрев вещества. Установки индукционного нагрева В зависимости от целей нагрева, размера тел и свойств материала для индукционного нагрева применяют: токи низкой частоты (промышленной, 50 Гц); средней частоты (до 10 кГц); высокой (от 65 до 500 кГц) частоты. Физическая сущность нагрева и общие количественные закономерности для всех частот одинаковы. Рабочим органом установок индукционного нагрева являются нагревательные индукторы, создающие магнитное поле высокой напряженности соответствующей частоты. Заготовку помещают в переменное магнитное поле индуктора, который является как бы первичной обмоткой воздушного трансформатора, а заготовка – вторичной. Рисунок 6.5 – Схема установки 2 индукционного нагрева: 1-обрабатываемая деталь; 2обмотка индуктора Лысаков А.А. ®© 1 16 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Индуктор создает переменный во времени магнитный поток, т.е. электромагнитную волну, падающую на нагреваемое тело. Вид волны (плоская, цилиндрическая и другие) определяется формой индуктора. Сам индуктор, находящийся в созданном им магнитном поле, тоже поглощает энергию, которая выделяется в нем в виде потерь. Конструктивное оформление индукторов зависит от формы нагреваемых тел, целей и условий нагрева. Для создания полей высокой напряженности по индукторам пропускают большие токи, исчисляемые сотнями и тысячами ампер. Для снижения потерь индукторы изготавливают из медных трубок круглого или прямоугольного сечения, внутри которых пропускают проточную воду для охлаждения. В зависимости от применяемой частоты индукционный нагрев делится на виды: поверхностный (большими частотами); глубинный (малыми частотами); сквозной. Поверхностный и глубинный нагрев применяют при поверхностной закалке. Цель поверхностной закалки: получение высокой твердости поверхностного слоя при сохранении вязкой середины детали. Два вида нагрева под поверхностную закалку: 1) Глубинный, когда проникновение тока в металл больше глубины закаливаемого слоя. 2) Поверхностный, когда глубина проникновения тока в металл меньше глубины закаливаемого слоя. При поверхностном нагреве тепло выделяется в тонком поверхностном слое, распространяется дальше путем теплопроводности. При глубинном нагреве тепло выделяется по всей толщине закаливаемого слоя, не требуется ждать, пока тепло распространится на требуемую глубину, как при поверхностном нагреве. Глубинный нагрев более производительный (применяется на практике). Поскольку глубина проникновения тока в металл зависит от частоты, то поверхностная закалка требует различных толщин закаливаемого слоя. Глубина проникновения тока в металл определяется по формуле ρ ∆ = 503 , (6.1) fµ где Δ - глубина проникновения, м; ρ - удельное электрическое сопротивление материала, Ом·м; f - частота питающего напряжения, Гц; μ - магнитная проницаемость материала. Распределение плотности тока в поверхностных слоях изделия определяется по формуле −x (6.2) j x = j0 e ∆ , где х - расстояние от поверхности проводника, м При использовании высокой частоты в поверхностных слоях можно получить большие плотности тока, обеспечивающие быстрый нагрев металла. Индукционный сквозной нагрев детали до температуры 900-1200 °С используют для: 1) Нагрев под ковку, штамповку, прессовку, гибку. 2) Нагрев детали при пайке. 3) Нагрев листов для сушки лакокрасочных покрытий. 4) При пайке твердосплавных пластин на режущие инструменты. 5) Для оттиска и обжига детали. Достоинства: малое время разогрева, что позволяет конструировать высокопроизводительные автоматизированные установки. Установки сквозного нагрева подразделяют на установки периодического действия и установки непрерывного действия. В установках периодического действия нагревается только одна заготовка или её часть: вначале мощность увеличивается до достижения точки Кюри, затем снижается до 60-70 % от начальной. В установках непрерывного действия одновременно находятся несколько заготовок, расположенных в продольном или поперечном магнитном поле. Конструкции индукторов Лысаков А.А. ®© 17 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Явление «катушечного эффекта» определило наиболее широко используемую форму индуктора в виде кольца, согнутого из медной трубки или шины и обеспечивающего выделение тепла в заданной области. При определенных сочетаниях всех рассмотренных эффектов их действие может суммироваться или один эффект будет ослаблять действие другого. При нагреве наружной цилиндрической поверхности) все эффекты суммируются. Поэтому внешние цилиндрические поверхности легко нагреваются при любой частоте тока. Противоположным примером может служить нагрев внутренней цилиндрической поверхности. В этом случае кольцевой эффект ослабляет действие эффекта близости и поверхностного эффекта, значительно уменьшая связь между индуктором и нагреваемой деталью. Уменьшение связи влечет за собой большое снижение к.п.д. системы индуктор— деталь, вследствие этого нагрев становится затруднительным. Рисунок 6.6 – Схемы индукторов Применение индукторов 1. Плавка металлов и неметаллов 2. Поверхностная закалка 3. Нагрев заготовок под пластическую деформацию или термохимическую обработку 4. Сварка и пайка 5. Зонная очистка металлов и полупроводников 6. Получение плазмы Низкочастотный индукционный нагрев находит применение в электрических водонагревателях. Индукционный водонагреватель проточного типа мощностью 30 кВ·А предназначен для нагрева воды поступающей от водопровода. Максимальная температура на выходе 90° С. Водонагреватель питается от трехфазной четырехпроводной сети переменного тока напряжением 380/220 В и представляет собой понижающий трансформатор с закороченной вторичной обмоткой, выполненной из труб, по которым протекает нагреваемая вода. Рисунок 6.7 Принципиальная электрическая схема индукционного водонагревателя ЛЕКЦИЯ 7 Диэлектрический нагрев Физическая сущность диэлектрического нагрева заключается в использовании явления поглощения электромагнитной энергии различными материалами (главным образом материалами с плохой электрической проводимостью), помещенными в электрическое поле. Под влиянием электрического поля имеющиеся в материале заряды, связанные межмолекулярными силами, ориентируются или смещаются в направлении поля. Эти заряды называются связанными в отличие от свободных, которые создают ток проводимости. Смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля называется поляризацией. Лысаков А.А. ®© 18 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Поляризацию разделяют на упругую и релаксационную; упругая (безынерционная) обуславливает энергию электрического поля, а релаксационная (инерционная) – теплоту, выделяющуюся в нагреваемом материале. При релаксационной поляризации внешним электрическим полем совершается работа по преодолению сил внутренних связей (трения) атомов, молекул. Половина этой работы превращается в теплоту. Если электрическое поле переменное, то происходит непрерывное перемещение зарядов, а следовательно, и связанных с ними межмолекулярными силами молекул вслед за изменением направления электрического поля. Это перемещение молекул происходит с некоторым «трением», что и вызывает нагрев материала. Преимущества диэлектрического нагрева заключаются в возможности концентрировать большие мощности в малых объемах материала, равномерности нагрева материала с низкой теплопроводностью при большой интенсивности нагрева, возможности избирательного нагрева и регулирования заданного температурного режима и осуществления полной механизации и автоматизации всего технологического процесса. Рисунок 7.1 - Схемы диэлектрического нагрева: а — материал не соприкасается с электродами; б — один из электродов соприкасается с материалом; в — оба электрода соприкасаются с материалом; 1 — материал; 2 — электроды Свойство непроводниковых материалов нагреваться в переменном электрическом поле характеризуется потерями энергии в нем A = ω × C × tgδ × U 2 t , (7.1) где А - потери энергии, Дж; ω - угловая частота, 1/с; С - емкость конденсатора, Ф; tg δ - тангенс угла поглощения (тангенс угла потерь; угол δ характеризует запаздывание поляризации диэлектрика от напряженности электрического поля); U - напряжение между электродами, В; t - время нагрева, ч. Для плоского конденсатора S C = ε ε0 , (7.2) d где ε — относительная диэлектрическая проницаемость материала; ε0— электрическая постоянная вакуума (воздуха); S — площадь электрода, м2; d — расстояние между пластинами, м. Мощность, выделяемая в единице объема диэлектрика и поглощаемая материалами, определяется выражением A pV = = 2π f × E 2ε ε0 tgδ = 5,55 f × E 2ε × tgδ × 10 − 11 , (7.3) V× t где V — объем диэлектрика, м3; Е — напряженность электрического поля, В/м. Удельная объемная мощность пропорциональна квадрату напряженности 2 электрического поля в нагреваемом материале (Е ), частоте (f) и фактору потерь (k=εε0tgδ). Напряженность электрического поля в нагреваемом материале зависит от приложенного напряжения, диэлектрической проницаемости, расположения и формы электродов, образующих поле. Лысаков А.А. ®© 19 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Рисунок 7.2 – Типы конденсаторов: а – цилиндрический конденсатор; б – плоский однослойный конденсатор; в – плоский многослойный конденсатор с расположением слоев поперек электрического поля. Удельная мощность, необходимая для нагрева материала ρ c× ∆ θ pH = , (7.4) ηT × ∆t где ρ — плотность материала, кг/м3; с — удельная теплоемкость материала, Дж/кг∙К; Δθ— приращение температуры за промежуток времени Δt, К; ηТ — к.п.д. нагрева, учитывающий потери тепла в окружающую среду. Удельная мощность, необходимая для испарения влаги из материала q× ∆ M p H = 4,19 × , (7.5) ηT × ∆t q — скрытая теплота испарения при данной температуре без учета затрат тепла на преодоление связи влаги с материалом, Дж/К; ΔМ/Δt — допустимая скорость сушки материала, кг/(м3с). Таблица 7.1 - Частоты, применяемые для нагрева в электрическом поле Диапазон Частота, МГц Длина волны, м Средневолновый 0,3—3 1000—100 Коротковолновый 3—30 100—10 Метровый 30—300 10—1 Дециметровый 300—3000 1—0,1 Сантиметровый 3000—30000 0,1—0,01 Особенности диэлектрического нагрева материалов Теплота выделяется в самом нагреваемом материале, что позволяет в десятки и сотни раз ускорить нагрев (по сравнению с конвективным). Это особенно заметно для материалов с малой теплопроводностью (дерева, зерна, пластмасс и другие). Диэлектрический нагрев селективен: удельная объемная мощность, а следовательно, и температура каждого компонента неоднородного материала различна. Эту особенность в сельском хозяйстве используют, например, для дезинсекции зерна и замаривании шелкопряда. При диэлектрической сушке теплота выделяется внутри материала, а следовательно, температура в центре выше, чем на периферии. Влага внутри материала перемещается от влажного слоя к сухому и от горячего к холодному. 20 Лысаков А.А. ®© ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Так при конвективной сушке температура внутри материала ниже, чем на периферии, и поток влаги обусловленный температурным градиентом, препятствует перемещению влаги к поверхности. Это значительно снижает к.п.д. конвективной сушки. При диэлектрической сушке поток влаги, обусловленный разностью температур и влагосодержанием, совпадают. Это главное достоинство сушки диэлектрическим нагревом. При нагреве и сушке в электрическом поле высокой частоты уменьшается фактор потерь, а следовательно, и мощность теплового потока. Чтобы поддержать мощность на необходимом уровне, следует изменить частоту или напряжение, подводимое к конденсатору. Применение диэлектрического нагрева: сушка и дезинсекция зерна, стерилизация фруктов и овощей при консервировании, замаривание и сушка коконов шелкопрядов. Рисунок 7.3 - Схема диэлектрического нагрева зерна: 1 — бункер; 2 — питающий механизм; 3 — электрод высокого потенциала; 4 — заземленный электрод; 5 — изоляция; 6 — экран; 7 — выпускной механизм Для сушки зерно пропускают через рабочий конденсатор с вертикально установленными пластинами — электродами 3, 4, на которые подается напряжение от генератора высокой частоты. Продолжительность пребывания зерна в конденсаторе регулируется выпускным механизмом. После нагрева зерно попадает в камеру охлаждения, где его температура снижается холодным воздухом или подогретым до 40°С. При дезинсекции зерна используется явление селективности нагрева вредителей и зерна, имеющих разную влажность. Находясь в электрическом поле с частотой 1—2 МГц и напряженностью 15 кВ/м, зерно нагревается до 54 — 55°С и сохраняет посевные и хлебопекарные качества. Долгоносик, у которого фактор потерь k=εε0tgδ больше, чем у зерна, нагревается до летальной для него температуры и погибает в течение времени от 10 сек до 2 мин. При этом значение удельных диэлектрических потерь в зерне с влажностью 13 — 19% рекомендуется иметь порядка 25 Вт/м3. Для стерилизации овощей и фруктов закупоренную стеклянную банку помещают между обкладками высокочастотного конденсатора. Напряжение от генератора частотой 25— 35 МГц подается на зажимы установки через токопроводящие устройства и оси электродов и поступает на электроды, которые отделены от станка изоляционным материалом. Напряженность электрического поля допускается в пределах 2500 — 3000 В/м. ЛЕКЦИЯ 8 Электродуговой нагрев Электрическая дуга (дуговой разряд), представляющая собой самостоятельный электрический разряд в смеси газов или паров металла между электродами, находящимися под напряжением, характеризуется малым анодно-катодным падением напряжения (10...20 В) и высокой плотностью тока (100... 1000 А/см2). Электрическая дуга - это продолжение действия разрывного разряда, возникающего вследствие интенсивной ионизации газа (атмосферного воздуха при атмосферном давлении) под влиянием сильного электрического поля. Процесс появления электрической дуги происходит вначале в виде тихого — тлеющего разряда, а затем завершается разрывным разрядом (в виде искры) при пробивном напряжении на электродах. Это явление характеризуется сильным излучением электронов с поверхности катода. Высокая температура катода — основное условие возникновения электрической дуги. Электрический ток, протекающий в дуге, являющейся своеобразным проводником, в соответствии с законом Ленца—Джоуля преобразуется в теплоту, которую в условиях Лысаков А.А. ®© 21 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ сельского хозяйства используют главным образом для расплавления металлов при сварке, резке и наплавлении. Практически для возникновения электрической дуги раздвигают находящиеся в соприкосновении электроды в цепи с протекающим током. Из-за сравнительно большого сопротивления контакта, особенно в момент разведения электродов, место контакта сильно нагревается джоулевым теплом. Таким образом создаются условия для необходимого активирования катода к моменту полного отделения электродов друг от друга, в результате сразу возникает электрическая дуга без остальных возможных стадий разряда. В дальнейшем активирование катода поддерживается электрической энергией, расходуемой в объеме дуги, а также благодаря притоку тепла от нагретых до высокой температуры газов на пути дуги. В обычных условиях газы не проводят электрический ток, т. е. являются диэлектриками. Поэтому для горения электрической дуги необходимо наличие в газовом промежутке заряженных частиц — электронов или ионов. Электроны, развивая огромные скорости в дуге, сталкиваются с атомами и молекулами газа, превращают их в ионы и тем самым увеличивают его проводимость. Процесс образования электрически заряженных частиц в межэлектродном пространстве называют ионизацией. В электрической дуге ионизацию относят к типу самостоятельных разрядов, так как она происходит за счет энергии источника тока. Основные свойства дуги Напряжение между электродами горящей дуги с увеличением тока понижается до некоторого предельного значения и снова повышается при уменьшении тока. Первый пробой искрового промежутка начинается при сравнительно высоком напряжении зажигания и токе, равном нулю. Происходящее затем нарастание тока вызывает быстрое увеличение проводимости воздуха и, следовательно, уменьшение напряжения дуги. В твердых проводниках падение напряжения определяется главным образом плотностью тока, в дуге же проводимость и даже площадь поперечного сечения изменяются вместе с током. Рисунок 8.1 - Схема распределения потенциала вдоль дуги Выделяют три области распределения потенциала вдоль дуги: анодное падение еа, катодное падение ек, падение напряжения еl на длине l дугового столба. В пространстве, где происходит разряд, выделяют катодную область 4 (катодное пятно), столб 2 дуги, анодную область 1 (анодный кратер). Боковой поверхностью разрядного промежутка являются раскаленные газы 3 (светящаяся оболочка), не принимающие участия в прохождении тока. Рисунок 8.2 – Схема электрической дуги Под действием электрического поля из раскаленного катодного пятна выбрасываются электроны. Сталкиваясь с нейтральными молекулами, они расщепляют их, то есть ионизируют. При движении электронов и ионов в дуге отрицательно заряженные частицы накапливаются у анода, а положительно заряженные частицы — у катода. Этим пространственным скоплением зарядов и обусловлено резкое падение потенциала вблизи анода и катода. Электрическая энергия, преобразуемая в дуге в тепло, рассеивается главным образом путем теплопроводности 22 Лысаков А.А. ®© ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ и конвекции. Материал электрода переносится от анода к катоду, поэтому на поверхности анода появляется углубление, а на поверхности катода — выступ, представляющий собой яркий светящийся участок. Движение электронов называют эмиссией. Эмиссия электронов с поверхности катода может осуществляться за счет его нагревания (термоэлектронная эмиссия), а также за счет высокой напряженности (106 В/см) электрического поля в катодной области (автоэлектронная эмиссия). В зависимости от материала электродов плотность тока в катодном ядре составляет 1500... 7000 А/см2, в анодном же кратере, имеющем по сравнению с катодным пятном большую поверхность, плотность тока снижается примерно в 10 раз. Столб дуги, представляющий собой ярко светящуюся смесь электронов, положительных ионов и возбужденных нейтральных атомов, называется плазмой. Он непрерывно теряет заряженные частицы вследствие их рекомбинации, приводящей к образованию нейтральных атомов, и диффузии в окружающую среду. При стационарном процессе убыль заряженных частиц компенсируется ионизацией в столбе дуги. Длина катодного участка около 10-5 м. Катодное падение напряжения находится в пределах 10…20 В (в зависимости от материала электродов, рода тока и состояния газа). Температура катода в результате интенсивной бомбардировки положительными ионами достигает 2500…2800 К (2200°…2500°С). Длина анодного участка больше катодного и превышает 10-5 м. Анодное падение напряжения составляет 2…6 В. Температура анода выше температуры катода и достигает 2700…4500 К (2427…4227 °С). Напряженность электрического поля в основном столбе дуги находится в пределах 1500…5000 В/м. Температура в канале этого участка дуги достигает 6000…12000 К. Напряжение на дуге и проводимость столба дуги зависят от значения тока. Эту зависимость при медленном изменении тока называют статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ) дуги. Рисунок 8.3 - Статическая вольт-амперная характеристика дуги постоянного тока Характеристика состоит из трех участков токов: малых I, средних II и больших III. На первом участке увеличение тока приводит к снижению напряжения дуги, так как при этом возрастают площадь поперечного сечения столба дуги и интенсификация процессов ионизации. Это способствует росту электропроводности канала дугового разряда. На втором участке наступает равновесие процессов ионизации и деионизации в разрядном промежутке, площадь поперечного сечения столба дуги увеличивается и напряжение ее стабилизируется, т.е. становится независящим от значения тока. На третьем участке увеличение тока приводит к росту напряжения на дуге, так как катодное пятно занимает всю площадь торцов электродов, а сопротивление канала разряда стабилизируется. Связь общего падения напряжения на дуге с падением напряжения на отдельных ее элементах в области малых токов устанавливает формула Г. Айртон: U Д = α + β l + (γ + δ l ) / I Д , (8.1) где α — суммарное анодно-катодное падение напряжения, В; β — градиент потенциала в столбе дуги, В/м; l — длина дуги, м; γ и δ — мощности, затрачиваемые на вырывание электродов из катодного пятна, Вт/А, и на продвижение электронов в межэлектродном промежутке на единицу расстояния, Вт/(А×м); IД — сила тока дуги, А. Связь общего падения напряжения на дуге с падением напряжения на отдельных ее элементах в области средних токов. UД = α + βl (8.2) Лысаков А.А. ®© 23 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ В сварочной технике электрическая дуга классифицируется по роду среды, в которой происходит разряд: 1. Открытая дуга, горящая в воздухе, парах металла и компонентах электродных покрытий. 2. Закрытая дуга, горящая под флюсом в парах металла и флюса. 3. Дуга, горящая в защитных газах (аргон, гелий, двуокиси углерода). Вольт-амперная характеристика открытой дуги имеет падающий вид, а закрытой и защищенной – возрастающий. Дуга постоянного тока может быть прямой полярности, когда к электроду подводят « – » источника питания, а к детали «+», и обратной, когда «+» источника питания подается на электрод, а « – » на деталь. Лекция 9 Косвенное преобразование электрической энергии в тепловую Все способы электронагрева, используемые в настоящее время основываются на прямой схеме преобразования электрической энергии в тепловую. В настоящее время эта схема имеет преимущественное распространение, в том числе и в низкотемпературных процессах, где имеются большие возможности для преобразования электроэнергии с помощью тепловых насосов. Распространению прямого способа преобразования электроэнергии (в низкотемпературных процессах это, как правило, электронагрев сопротивлением) способствовала сравнительная простота и дешевизна преобразовательных (нагревательных) устройств. Однако прямой схеме преобразования присущи и существенные недостатки, основной из которых — высокий расход энергоресурсов. При использовании любого способа электронагрева невозможно получить на 1 кВт∙ч затраченной электроэнергии более чем 3600 кДж эквивалентного тепла. Как правило, его получают меньше (если к. п. д. меньше единицы). В основе термоэлектрического метода лежат термоэлектрические явления, которые обычно сопутствуют один другому и обусловлены существованием взаимосвязи между тепловыми и электрическими процессами в проводниках и полупроводниках. Под термоэлектрическими явлениями понимают три термоэлектрических эффекта — Зеебека, Пельтье и Томсона, связанные с процессом переноса теплоты между местами контакта (спаями) в проводниках и полупроводниках. Эффект Зеебека заключается в следующем. Если составить электрическую цепь (термоэлемент) из двух разнородных проводников и места контактов поддерживать при разных температурах, то на свободных концах появится термоэлектродвижущая сила или термоЭДС. В цепи, замкнутой на миллиамперметр, можно обнаружить электрический ток, который будет протекать до тех пор, пока температуры спаев будут различные. Формула для определения термоЭДС имеет вид E = e( T2 − T1 ) , (9.1) где е— коэффициент Зеебека, мкВ/К; Т2 и Т1 - температуры горячего и холодного спаев, К. Эффект Пельтье представляет собой явление, обратное явлению Зеебека. Если через электрическую цепь, составленную из разнородных материалов, пропустить ток, то в зависимости от его направления в дополнение к теплоте Ленца—Джоуля на одном из контактов выделяется теплота, а на другом — она поглощается, т.е. происходит охлаждение. Определение тепла Пельтье производится по формуле QΠ = K Π Iτ , (9.2) где КП—коэффициент Пельтье, В/с; I — сила тока в цепи термоэлемента, А; τ — время протекания тока, с. Лысаков А.А. ®© 24 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Рисунок 9.1 - Схема простейшего термоэлемента: 1 – выделение теплоты (горячий спай); 2 – поглощение теплоты (холодный спай). Между коэффициентами Пельтье и Зеебека существует зависимость K Π = eT , (9.3) где Т — температура спая, К. Эффект Томсона состоит в том, что при прохождении электрического тока по однородному проводнику, в котором существует перепад температур, к теплоте Ленца— Джоуля дополнительно выделяется или из нее поглощается некоторое количество теплоты (теплота Томсона). Теплота Томсона определяется по формуле , (9.4) QTOM = K T I (T2 − T1 )τ где КТ—коэффициент Томсона, В/(с∙К); Т2 и Т1 — температура в различных участках проводника, К. Влияние на работу термоэлемента теплоты Джоуля представлено на рисунке 9.2 Рисунок 9.2 - Зависимость теплоты Джоуля Q 1 и эффекта Пельтье Q2, от силы питающего тока. Для косвенного преобразования электрической энергии в тепловую применяются трансформаторы тепла и тепловые насосы. Трансформаторами тепла называются установки, повышающие (трансформирующие) температурный потенциал тепловой энергии низкотемпературного источника до уровня, превышающего потенциал приемника тепла, имеющего более высокую температуру. Перенос тепла от низкотемпературного источника к приемнику осуществляется тепловыми насосами, основным элементом которых является трансформатор тепла. Согласно законам термодинамики такой перенос возможен только при затрате внешней энергии, которая потребляется тепловым насосом из сети. На этом же принципе основана работа холодильных машин. Тепловые насосы, так же как и холодильные машины, могут быть: компрессионными (механическими); абсорбционными (термохимическими); полупроводниковыми (термоэлектрическими). Бытовые холодильники, по существу, являются тепловыми насосами—теплота забирается в холодильной камере (происходит охлаждение) и отдается окружающему пространству от испарителя (происходит нагрев). Компрессионные тепловые насосы В тепловых насосах этого типа трансформатором тепла является компрессор. Насосы работают по обратному термодинамическому циклу, т. е. за счет затрат внешней механической энергии забирают тепло у источника тепла низкого потенциала и сообщают его источнику с более высокой температурой. Лысаков А.А. ®© 25 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Рисунок 9.3 - Принципиальная схема (а) и идеальный цикл (б) теплового насоса компрессионного типа: 1 — компрессор; 2 — конденсатор; 3 — терморегулирующий вентиль; 4 — испаритель; 5 — насосы (вентиляторы). В системе циркулирует рабочая жидкость (холодильный агент), имеющая низкую температуру кипения. Чаще всего используется фреон-12 (дифтордихлорметан CF2CI2) или аммиак (NH3). На участке системы 4—1—2 фреон находится в парообразном состоянии, на участке 2—3—4 — в сжиженном. Компрессор создает и поддерживает на участке 1—2—3 высокое, а на участке 3—4—1 — низкое давление. Работа протекает следующим образом. В испарителе 4 жидкий фреон, испаряясь, поглощает тепло низкопотенциального источника (воздух, водопроводная вода, охлаждаемое молоко и др.), который подается в испаритель насосом (вентилятором) 5. Компрессор отсасывает из испарителя пары фреона, сжимает их до давления конденсации с подачей в конденсатор 2, где они сжижаются, отдавая тепло приемнику тепла (воздух, вода и т. п.), которое подается насосом (вентилятором) в конденсатор. В терморегулирующем вентиле 3 жидкий фреон дросселируется до давления кипения. Из диаграммы идеального цикла определяется холодильный коэффициент – основной показатель экономичности холодильных машин T1 KX = . (9.5) T1 − T2 Коэффициент преобразования энергии определяется по формуле T2 KT = = KX + 1 (9.6) T2 − T1 Из последней формулы следует, что с помощью тепловых насосов можно получить больше тепла, чем при прямом преобразовании электрической энергии в тепловую. В современных тепловых насосах коэффициент преобразования энергии находится в пределах 2,5-4,0; следовательно на единицу затраченной энергии можно получить 2,5-4,0 единицы тепла. Наибольший экономический эффект тепловые насосы дают при комбинированном производстве тепла и холода (совмещенный цикл работы), когда тепловая энергия от материалов, которые необходимо охлаждать, переносится к средам, которые необходимо нагревать. Полупроводниковые тепловые насосы Трансформатором тепла в полупроводниковых тепловых насосах является термоэлектрическая батарея, составленная из большого числа включенных последовательно положительных и отрицательных полупроводников (термоэлементов). В основе работы термоэлектрических трансформаторов тепла лежит явление Пельтье. Применение косвенного преобразования электрической энергии в тепловую: − Нагрев молока с целью пастеризации и его охлаждения. − Нагрев технологической горячей воды. Лысаков А.А. ®© 26 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ − Нагрев и охлаждение воздуха для отопления и кондиционирования помещений. Лекция 10 Источники питания и регулирования напряжения для электронагревательных установок Установки электронагрева сопротивлением: трансформаторы с плавным регулированием напряжения, индукционные регуляторы напряжения, устройства с магнитными усилителями, тиристорные (симисторные) регуляторы напряжения. Для плавного регулирования напряжения в установках прямого нагрева используют регулировочные трансформаторы: однофазные и трехфазные, номинальной мощностью 25— 250 кВ∙А, сухие и масляные. Изменение вторичного напряжения достигается путем регулирования индуктивной связи первичной и вторичной обмоток путем перемещения подвижной вторичной обмотки относительно неподвижной первичной. Перемещение подвижных обмоток производится с помощью ручного или электрического привода с дистанционным управлением. Изменение напряжения происходит по следующей зависимости: U = E = 4,44 fnФ Принцип действия индукционных регуляторов напряжения основан на изменении угла поворота обмотки ротора относительно неподвижной обмотки статора. Конструктивно такие регуляторы представляют собой вертикальные асинхронные двигатели с заторможенным ротором, поворот которого осуществляется вспомогательным электродвигателем через червячный редуктор. Индукционные регуляторы выпускают с первичным напряжением 220 и 380 В, мощностью от 17 до 3000 кВ∙А. Достоинством регулируемых трансформаторов и индукционных регуляторов является синусоидальная форма выходного напряжения во всем диапазоне регулирования, недостатками — низкие быстродействие и надежность. В зависимости от рода тока нагрузки тиристорные преобразователи делят на три вида. − Тиристорные преобразователи переменного тока (регуляторы переменного напряжения), преобразующие переменное напряжение неизменного уровня в регулируемое напряжение той же частоты. − Тиристорные преобразователи постоянного тока (управляемые выпрямители), преобразующие переменное напряжение неизменного уровня в регулируемое напряжение постоянного тока (подразделяются на нереверсивные и реверсивные). − Тиристорные преобразователи частоты, преобразующие переменное напряжение неизменного уровня одной частоты в переменное напряжение с изменяемыми частотой и уровнем. Тиристорные преобразователи выполняют однофазными и трехфазными. И те и другие выполняются по встречнопараллельной схеме включения тиристоров. Рисунок 10.1 Включение тиристоров при питании однофазных и трехфазных нагрузок Максимальная мощность тиристорного регулятора для однофазных источников определяется по формуле PH = 2,22 × U × I (10.1) Для трехфазных источников при схеме соединения «звезда» максимальная мощность тиристорного регулятора определяется по формуле PH = 3 × 2,22 × U × I (10.2) Для трехфазных источников при схеме соединения «треугольник» максимальная мощность тиристорного регулятора определяется по формуле PH = 3 × 2,22 × U × I (10.3) 27 Лысаков А.А. ®© ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ Обозначения в формулах: I — номинальный ток тиристора; U — напряжение на выходе источника (можно принять равным напряжению сети). В тиристорных преобразователях используют широтно-импульсный и фазоимпульсный методы регулирования мощности. При широтноимпульсном управлении тиристор открыт в течение некоторого времени цикла Тц, равного γТц (0<γ<1), а остальную часть цикла (1—γ) Тц закрыт. Цикл состоит из целого числа периодов питающего напряжения. Средняя мощность при широтно-импульсном управлении зависит от относительной продолжительности включения γ. Рисунок 10.2 - Широтно-импульсный метод регулирования При фазоимпульсном управлении тиристор открыт не весь полупериод, а лишь часть его, и только в эту часть полупериода к нагрузке подводится напряжение. Рисунок 10.3 - Фазоимпульсный метод регулирования Установки электродугового нагрева Источники питания электрической сварочной дуги подразделяют по следующим основным признакам: − роду сварочного тока — на источники переменного (сварочные трансформаторы) и постоянного (преобразователи, агрегаты, выпрямители) тока; − числу одновременно подключаемых сварочных постов — на одно- и многопостовые; − способу установки — на стационарные и передвижные. Сварочные трансформаторы бывают: без дополнительной реактивной катушки; с дополнительной реактивной катушкой; с регулировочным реактором; с повышенным магнитным рассеянием. Рисунок 10.4 - Электромагнитная схема сварочного трансформатора с повышенным (а) магнитным рассеянием и распределение (б) магнитных потоков В трансформаторе установлен сердечник стержневого типа. Первичная и вторичная обмотки разнесены по высоте магнитопровода. При прохождении тока по обмоткам возникают магнитные потоки, основная часть которых (создаваемая намагничивающей силой первичной и вторичной обмоток) замыкается по стержню магнитопровода Фт, а другая — но воздуху, образуя потоки рассеяния ФР1 и ФР2. Потоки рассеяния наводят в трансформаторе реактивную ЭДС, определяющую его индуктивное сопротивление, которое регулируют, изменяя магнитное сопротивление на пути потоков рассеяния. Это достигается при раздвижении катушек по высоте магнитопровода, размещении первичной и вторичной обмоток на разных стержнях сердечника, установке в окне магнитопровода подвижного или неподвижного магнитного шунта. Совокупность сварочного генератора постоянного тока и приводного электродвигателя называют сварочным преобразователем. Совокупность синхронного генератора постоянного тока и приводного двигателя внутреннего сгорания называют сварочным агрегатом. Для получения жесткой внешней характеристики, необходимой для многопостовой сварки, либо для сварки в струе углекислого газа используют генераторы обычной конструкции с параллельным Лысаков А.А. ®© 28 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ либо смешанным возбуждением. Для регулирования сварочного тока и получения падающих характеристик используют балластные реостаты. Сварочные генераторы Рисунок 10.5 - Схемы генераторов сварочного тока: а – с независимым возбуждением; б – с самовозбуждением; в – с расщепленными полюсами. При протекании намагничивающего тока по обмотке wH в генераторе наводится намагничивающий магнитный поток, который регулируют, изменяя ток намагничивания при помощи резистора R. Обмотка возбуждения wp включена последовательно с дугой. Магнитный поток Фр, создаваемый намагничивающей силой обмотки wP возбуждения, возникает только при нагрузке генератора. В зависимости от способа включения обмотки wp поток Фр направлен встречно или согласно с намагничивающим потоком ФН. При размагничивающем действии потока ФР нагрузочная характеристика генератора приобретает крутопадающий характер. Последовательная размагничивающая обмотка возбуждения предусматривается в генераторах преобразователей ПСО-200, ПСО-500, ПСО-800, АСО-2000. При подмагничивающем действии потока Фр нагрузочная возрастающая характеристика генератора становится жесткой. Генератор с параллельной обмоткой самовозбуждения и последовательно включенной размагничивающей обмоткой при встречном их включении имеет падающую внешнюю характеристику, создаваемую за счет размагничивающего действия последовательной обмотки ωр. Сварочный ток регулируют ступенчато, переключая число витков последовательной обмотки. В пределах каждой ступени сварочный ток плавно изменяют реостатом R. По этой схеме выполнены генераторы преобразователей ПСО-300М. У генераторов с расщепленными полюсами падающие внешние характеристики получаются в результате размагничивающего действия потока обмотки якоря (реакции якоря). В таких генераторах одноименные полюса расположены рядом и каждую их пару считают одним, но расщепленным на два. Вертикально размещенные полюса называют поперечными, а горизонтально - главными. Последние имеют небольшое сечение и работают всегда при полном магнитном насыщении, т.е. магнитный поток Фг при всех нагрузках остается неизменным. Генераторы с расщепленными полюсами, по существу, являются двухполюсными, и их магнитный поток можно разделить на потоки Фг и Фп, которые определяют ЭДС якоря. При работе под нагрузкой через обмотку якоря проходит ток, создающий поток реакции якоря, совпадающий с направлением магнитного потока Фг главных полюсов и увеличивающий его. Направление потока Фп противоположное, и поток реакции якоря уменьшает его. Таким образом, магнитный поток якоря с учетом режима постоянного насыщения главных полюсов не может увеличить поток Фг, он только уменьшает поток Фп, что приводит к снижению напряжения на генераторе. При коротком замыкании в сварочной цепи магнитный поток реакции якоря наибольший, в этом случае результирующий магнитный поток, а следовательно, и напряжение генератора уменьшаются до нуля. Таким образом, размагничивающее действие потока реакции якоря создает падающий характер внешней характеристики генератора. Сварочный ток регулируют реостатом в цепи обмотки ωп возбуждения, создающей поток Фп. Преобразователи ПС-300М, ПС-300, СУГ-2Р и другие оборудованы генераторами с расщепленными полюсами. Преимущества сварочных выпрямителей перед генераторами заключаются в более высоком КПД и более высоких динамических показателях. Они не имеют вращающихся частей, просты в изготовлении и надежны в эксплуатации. Выпрямители состоят из трансформатора и Лысаков А.А. ®© 29 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ блока неуправляемых (селеновых, кремниевых) или управляемых (тиристоров) вентилей. Сварочные выпрямители бывают с круто- и пологопадающими или жесткими и универсальными характеристиками. Наиболее распространены одно- и трехфазные мостовые схемы выпрямления. Выпрямители с крутопадающими внешними характеристиками применяют для ручной дуговой сварки. К этой группе относятся выпрямители типов ВСС, ВКС и ВД. Рисунок 10.6 - Электрическая схема сварочного выпрямителя ВСС Выпрямители типа ВСС представляют собой сварочную установку, состоящую из понижающего трансформатора Т, блока селеновых выпрямителей VD1... VD6, электродвигателя М вентилятора для принудительного охлаждения и аппаратуры управления, смонтированной в общем кожухе. Трехфазный понижающий трансформатор выполнен с увеличенным магнитным рассеянием, что обеспечивает создание семейства падающих характеристик. Сварочный ток регулируют переключением первичной и вторичной обмоток с треугольника на звезду, а также изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Для получения крутопадающей внешней характеристики и регулирования тока в некоторых конструкциях сварочных выпрямителей используют дроссель насыщения, включенный между трансформатором с нормальным рассеянием и выпрямительным блоком. Сварочный ток регулируют, изменяя намагничивание дросселя. Для облегчения зажигания и повышения устойчивости сварочной дуги переменного тока, особенно при сварке на малых токах, применяют специальные аппараты – осцилляторы. Осциллятор представляет собой маломощный (100…250 Вт) искровой генератор, преобразующий ток низкого напряжения промышленной частоты в переменный ток высокой частоты (100…3000 кГц), высокого напряжения (2500…6000 В), высокочастотные импульсы подводят к дуговому промежутку сварочного аппарата. Высокое напряжение способствует облегчению возбуждения и стабилизации дуги, а высокая частота делает ток безопасным для сварщика. Осциллятор состоит из искрового колебательного контура, образованного конденсатором С2, индуктивностью L и разрядником F. Контур получает питание от трансформатора TV. Возникающие в контуре колебания через индуктивность L подводятся к дуговому промежутку. Емкость С1 защищает источник от импульсов высокого напряжения. Помехозащитный фильтр Е защищает питающую сеть от высокочастотных колебаний. Рисунок 10.7 Принципиальная электрическая схема осциллятора последовательного возбуждения Индукционный и диэлектрический нагрев В установках средней и высокой частоты в качестве источников питания используют машинные и статические (тиристорные) преобразователи. В машинных преобразователях получают ток с частотой 1…10 кГц. Они представляют собой агрегаты из трехфазного асинхронного или синхронного электродвигателя промышленной частоты и установленного на одном с ним валу Лысаков А.А. ®© 30 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ индукторного синхронного генератора средней частоты. В пазах статора генератора размещены обмотка возбуждения постоянного тока и обмотка, в которой наводятся (индуктируются) токи средней частоты. В ферромагнитном роторе, поверхность которого выполнена в виде зубцов, обмоток нет. Через него замыкаются силовые линии постоянного магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения статора. При вращении ротора первичным двигателем зазор между статором и ротором изменяется: при совпадении зубцов статора и ротора он минимален, при совпадении зубца и паза – максимален. Вследствие этого магнитное поле, создаваемое обмоткой возбуждения становится пульсирующим и, пересекая обмотку переменного тока, наводит в ней ЭДС повышенной частоты. Частота ЭДС определяется по формуле: pn 0 f = (10.4) 60 Тиристорные преобразователи не имеют вращающихся частей и являются более надежными и экономичными. Их выполняют с промежуточным звеном постоянного тока в виде тиристорного выпрямителя VD1 с фильтром L1 – C1. Выпрямленный ток преобразуется инвертором VD2 с емкостной коммутацией (С2 – L2) в ток средней частоты, который подается в индуктор ЕК. Тиристорные преобразователи серии СЧИ выпускаются на мощности 100 и 250 кВт с номинальной частотой 3 кГц и серии ТПЧ на мощность от 160 до 3200 кВт и номинальные частоты 0,5; 1,0; 2,4; 8 кГц. Рисунок 10.8 - Структурная схема высокочастотной установки для диэлектрического нагрева: 1 – высокочастотное устройство с загрузочным конденсатором; 2 – блок промежуточных колебательных контуров с регулятором мощности, построечными емкостями и индуктивностями; 3 – ламповый генератор с анодно – разделительными и сеточными цепями; 4 – полупроводниковый выпрямитель; 5 – повышающий трансформатор; 6 – блок защиты установки от ненормальных режимов работы Материал располагается в рабочем конденсаторе высокочастотного устройства 1. Напряжение высокой частоты подводится к рабочему конденсатору через блок промежуточных колебательных контуров 2, предназначенных для регулирования мощности и настройки генератора 3. Ламповый генератор преобразует постоянное напряжение, получаемого от полупроводникового выпрямителя 4, в переменное высокой частоты. При этом в ламповом генераторе расходуется не менее 20 – 40 % всей энергии, получаемых от выпрямителя. Основная часть энергии теряется на аноде лампы, который приходится охлаждать водой. Анод лампы находится под напряжением относительно земли 5…15 кВ, поэтому система изолированного подвода охлаждающей воды очень сложная. Трансформатор 5 предназначен для повышения сетевого напряжения до 6 … 10 кВ и исключение индуктивной связи генератора с питающей сетью. Блок 6 используют для включения и отключения установки, последовательного выполнения технологических операций, защиты от аварийных режимов. Нагрев диэлектриков на сверхвысоких частотах Характер электромагнитных полей сверхвысоких частот ярко выраженный волновой. Для нагрева тело облучают электромагнитной волной, свободнопадающей, бегущей либо Лысаков А.А. ®© 31 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ. КУРС ЛЕКЦИЙ стоячей. Нагревательными устройствами в данном случае являются уже не рабочие конденсаторы, а антенны, волноводы или объемные резонаторы. При использовании для нагрева диэлектриков сверхвысоких частот (СВЧ) получают достаточно высокие мощности при сниженных значениях напряженности электрического поля. Это особенно важно для нагрева материалов высокой влажности. Рисунок 10.9 - Принципиальная схема СВЧ-генератора Для генерирования энергии СВЧ обычные ламповые генераторы непригодны из-за механической инерции электронов, которая уже проявляется при частотах более 100 МГц. Для этой цели используют специальные приборы - магнетроны, в которых колебания СВЧ генерируются модуляцией электронного потока по скорости. В общем виде генерируемая магнетроном частота f определяется числом резонаторов N и напряженностью магнитного поля Н: f = aNH (10.5) Напряженность магнитного поля магнетрона при расчетах определяется по формуле H = b Ua , (10.6) где b— постоянный коэффициент, зависящий от конструкции магнетрона; Ua — анодное напряжение Установки СВЧ нагрева используют для приготовления пищи, размораживания продуктов, нагрева листовых диэлектрических материалов. Список литературы 1. Басов А.М. Электротехнология / А.М. Басов [и др.] — М.: Агропромиздат, 1985. — 269с. 2. Карасенко В.А. Электротехнология / В.А. Карасенко [и др.] — М.: Колос, 1992. — 304 с. 3. Кудрявцев И.Ф., Карасенко В.А. Электрический нагрев и электротехнология. –М.: Колос. 1975.-384 с. 4. Живописцев Е.Н., Косицин О.А. Электротехнология и электрическое освещение. –М.: Агропромиздат, 1990.-303 с. 5. Гайдук В.Н., Шмигель В.Н. Практикум по электротехнологии. –М.: Агропромиздат, 1989.-175 с. 6. Изаков Ф.Я., Козинский В.А., Лаптев А.В. и др. Практикум по применению электрической энергии в сельском хозяйстве. –М.: Колос, 1972.-304 с. 7. Электронагревательные установки в сельскохозяйственном производстве (под ред. Растригина В.М.). - М.: Агропромиздат, 1985. 8. Казимир А.П., Керпелева И.Б., Эксплуатация электротермических установок в сельскохозяйственном производстве. – М.: Россельхозиздат, 1984. Лысаков А.А. ®© 32