Время (по расписанию) 10:20-11:55
Дисциплина: Основы электротехнологий
Лабораторная работа. Раздел 1 (из Рабочей Программы).
Название лабораторной работы
Анализ и расчёт простейшего устройства индукционного нагрева
Индукционный нагреватель
Цель работы
Программа работы
Общие теоретические сведения
Методика работы
Содержание отчёта
Контрольные вопросы
Приложение 5
Цель работы
Изучить принцип действия и свойства низкотемпературного нагревателя промышленной частоты.
Программа работы
Ознакомиться с теоретическими сведениями.
Изучить методику и выполнить работу.
Составить и защитить отчёт.
Общие теоретические сведения
Индукционные установки по принципу действия относятся к электротермическим установкам, где электрическая энергия выделяется непосредственно в нагреваемых изделиях. Поэтому они обладают большей производительностью, а часто и более высоким КПД по сравнению с установками косвенного нагрева (с передачей энергии путём теплопроводности, конвекцией, излучением).
Индукционный нагрев осуществляется вихревыми токами, наводимыми в проводниках при помещении их в переменное магнитное поле.
Принцип работы индукционных нагревательных установок основан на поглощении электромагнитной энергии металлическим телом, помещенным в переменное электромагнитное поле индуктора.
Магнитное поле высокой напряженности создается индукторами (индукционными нагревателями), по которым протекает переменный ток промышленной, повышенной (при сквозном нагреве) и высокой (при поверхностном нагреве) частоты.
Рабочие напряжения генератора и индуктора согласовывают при помощи понижающего трансформатора.
Поскольку индуктор с нагреваемой деталью представляет собой воздушный (без сердечника) трансформатор с большим рассеянием, то он потребляет значительный намагничивающий ток. Для компенсации реактивной мощности и разгрузки генератора от реактивного намагничивающего тока параллельно индуктору (или понижающему трансформатору) подключают батарею статических конденсаторов, что позволяет настраивать контур конденсатор-трансформатор в резонанс токов.
В зависимости от источника питания и от метода преобразования переменного тока промышленной частоты 50 гц в переменный ток высокой или повышенной частоты индукционные электротермические установки могут быть разделены на три типа:
индукционные электротермические установки промышленной частоты (с питанием электроэнергией непосредственно от сетей промышленной частоты 50 гц);
электротермические установки повышенной частоты (с питанием от машинных или ионных преобразователей с рабочей частотой 500-10000 гц);
высокочастотные электротермические установки (с питанием от ламповых генераторов с рабочей частотой 66 кгц и выше).
Нормальная эксплуатация индукционных установок всех типов гарантируется заводами-изготовителями только в пожаро- и взрывобезопасных помещениях, расположенных на высоте не более 1000 м над уровнем моря, с температурой окружающего воздуха 10-25ºС и относительной влажностью воздуха не более 80%.
В помещение, где размещено оборудование индукционной электротермической установки, не должны попадать пары кислот, щелочей, а также токопроводящая пыль.
В сельскохозяйственном производстве все большее применение находят индукционные нагревательные установки. При индукционном нагреве электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию в жидких или твердых проводниках, помещенных в переменное электромагнитное поле.
Индукционные водонагреватели на промышленной частоте могут использоваться при нагреве воды в системе поения животных, при нагреве воды в системе отопления и горячего водоснабжения различных объектов сельскохозяйственного назначения, а также при добыче вязкой и парафинистой нефти из скважин. Индукционный нагреватель включает корпус и кожух с размещенными между ними индукционными катушками, причём корпус снабжен радиаторами, установленными выше каждой индукционной катушки.
Основные энергетические соотношения системы "индуктор - нагреваемый материал" описываются следующими выражениями:
глубина проникновения силы тока, м:
где ρа - удельное сопротивление нагреваемого материала, Ом·м; μr - относительная магнитная проницаемость нагреваемого материала; f - частота переменного тока, Гц; Методика работы Лабораторная установка состоит из индукционного нагревателя промышленной частоты, выполненного на базе статора асинхронного электродвигателя с характеристиками: Рн = 3 кВт; U = 380/220 В; Iн = 6,5А; η = 0,83; rф = 2,0 Ом; соsφн = 0,85; Uкз = 0,5 Uн. Тело нагрева - неподвижный цилиндрический стакан, установленный вместо ротора. Основные размеры стакана следующие: внутренний диаметр dвн = 99 мм; наружный диаметр dн = 105 мм; толщина стенки цилиндра δ = 3 мм; удельное сопротивление стали ρ(0,11...0,15) · 10-6 Ом·м; магнитная проницаемость (относительная) μ = 400; высота цилиндрического стакана в магнитном поле Н = 150 мм; поправочный коэффициент Км = 0,7. Для питания индукционного нагревателя используется источник переменного тока промышленной частоты. Для измерения тока, напряжения и мощности используется комплект измерительных приборов. Схема лабораторной установки приведена на рис 5.1. Для анализа работы индукционного нагревателя промышленной частоты и его расчёта используют схему замещения (рис. 5.2), которая составляется, исходя из рассмотрения индуктора и нагреваемого тела как трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания. Параметры схемы замещения приведены на рис. 5.3.
Заполнить водой нагревательную камеру индукционной нагревательной установки (цилиндрический стакан) до уровня 0,005 м (5 мм) от верхнего края. Исследовать работу индукционной нагревательной установки. Включить индуктор. От этого момента ведется отсчёт времени нагрева. Исследования необходимо провести для напряжения 220 В. Результаты опыта свести в табл. 5.1. и построить рабочие характеристики индукционного водонагревателя. Под рабочими характеристиками индукционного нагревателя понимают зависимости потребляемой из сети мощности Р1, полезной мощности, выделяющейся в нагреваемом теле, Р2, коэффициента полезного действия η и коэффициента мощности cosφ от тока индуктора I. Изменение этих величин объясняется нелинейностью кривой намагничивания стали и зависимостью магнитной проницаемости μ от тока намагничивания (напряженности магнитного поля). На рисунке 5.4(а) приведены кривые магнитной проницаемости μ = f(I) и кривая намагничивания стали U = f(I). На рисунке 5.4(б) приведены рабочие характеристики индукционного нагревателя.Для всех характеристик можно отчётливо выделить две зоны. Зона 1 - материал не насыщен. Напряжение U прямо пропорционально току и мощности. Р1 и Р2 пропорциональны квадрату тока. Зона 2 - материал насыщен. Напряжение практически не возрастает с ростом намагничивающего тока. Потребляемая мощность Р1 возрастает прямо пропорционально току. Полезная мощность Р2 прекращает возрастать в связи с прекращением роста магнитного потока в материале. В зоне 1 КПД η и коэффициент мощности cosφ имеют максимумы, соответствующие значению тока, при котором магнитная проницаемость μ достигает максимального значения. Далее они снижаются и в зоне 2 стремятcя при токе I → ∞; η → 0; cosφ → cosφ0, соответствующего μ = 1.
Таблица 5.1
В связи с тем, что параметры стали, такие как магнитная проницаемость и удельное сопротивление - в значительной степени зависят от температуры, то с изменением температуры нагрева должна изменяться и мощность. Используя графики (рис. 5.4), можно выяснить характер изменения мощности. Изменение магнитной проницаемости μ и удельного сопротивления ρ приведены на графике (рис. 5.5 а). Сталь теряет свои магнитные свойства при температуре Кюри Тк; μ = 1, ρа возрастает почти линейно с ростом температуры. В связи с этим изменяется глубина проникновения электромагнитной волны Zа в материал по зависимости (рис. 5.5 б). Это, в свою очередь, вызывает изменение активного сопротивления нагреваемого материала rм (рис. 5.5 в), то есть обратно пропорционально Zа, а мощность, если её выразить через это сопротивление и величину ЭДС Е на один виток индуктора, изменяется обратно пропорционально rм.
Исследуемая установка работает при температурах значительно меньших Тк. Поэтому с ростом температуры нагрева следует ожидать снижения мощности, потребляемой из сети (рис. 5.5 г). Содержание отчёта Принципиальная электрическая схема лабораторной установки. Расчётные формулы. Рабочие характеристики: табл. 5.1 и графики. Выводы по работе. Контрольные вопросы Объясните принцип индукционного нагрева. Область его применения. Перечислите основные элементы установки индукционного нагрева и укажите их назначение. Как выполняется обмотка нагревателя? Каковы достоинства нагревателя? В чем заключается явление поверхностного эффекта? Где может применяться индукционный воздушный нагреватель? От чего зависит глубина проникновения тока в нагреваемый материал? Чем определяется КПД кольцевого индуктора? Почему для выполнения индукционных нагревателей на промышленной частоте необходимо применять ферромагнитные трубы? Что наиболее существенно влияет на cos φ индуктора? Как изменяется скорость нагрева с повышением температуры нагреваемого материала? На какие параметры стали влияет измерение температуры? Приложение 5
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||