8.3 Порядок выполнения работы

8.3.1 Изучить устройство, принцип работы, основные правила эксплуатации и техники безопасности электрической изгороди.

8.3.2 Ознакомиться с установкой по испытанию генератора импульсов и записать паспортные данные приборов и оборудования. Обратить внимание на необходимость питания осциллографа от сети, а генератора импульсов от автотрансформатора, снабженного вольтметром.

8.3.3 Ознакомиться с электрической схемой генератора импульсов, принципом и режимом работы.

8.3.3 Экспериментально определить амплитуду и продолжительность импульса напряжения генератора импульсов.

8.3.4 Установить на что влияет снижение выходных импульсов напряжения генератора. Начертить кривую напряжения.

8.3.5 Выполнить отчет по работе. В него должны войти рисунки кривых напряжения на выходе генератора, электрическая схема включения электроизгороди в работу, основные характеристики генератора импульсов.

8.4 Контрольные вопросы

8.4.1 Каково назначение электрической изгороди?

8.4.2 Каков принцип работы изгороди?

8.4.3 Каковы назначения основных узлов электрической изгороди?

8.4.4 Каково амплитудное напряжение импульса и его продолжительность в изгороди?

8.4.5 Почему электрический ток изгороди не поражает животных?

8.4.6 Каковы основные правила эксплуатации электрической изгороди?

8.4.7 Как работает принципиальная электрическая схема генератора импуль­сов ГИЭ-1?

8.4.8 Как будет выглядеть кривая напряжения генератора импульсов?

8.4.9 Назначение накопителя энергии - конденсатора в схеме ЭИ?

8.4.10 Как различаются генераторы по характеру выходных параметров?

8.4.11 В каком случае генератор не вырабатывает высоковольтных импульсов?

8.4.12 Какие основные правила техники безопасности следует соблюдать при эксплуатации ЭИ?

8.4.13 Опишите режимы работы генератора импульсов?

8.4.14 Как определяется амплитуда импульса напряжения?

8.4.15 Каковы преимущества ЭИ перед постоянными ограждениями?

9 Лабораторная работа №9 исследование индукционного нагрева

Цель работы. Изучить принцип индукционного высокочастотного нагрева, исследовать установку индукционного нагрева.

9.1 Общие сведения

Индукционный нагрев — нагрев токопроводящих тел в электромагнитном поле за счет индуциро­вания в них вихревых токов. При этом электрическая энергия преобразуется трижды. Сначала при помощи: индуктора она преобразуется в энергию переменного магнитного поля, которая в теле, помещенном в индуктор, превращается в энергию электрического поля. И, наконец, под действием электрического поля в нагрева­емом токопроводящем материале начинают двигаться заряды, которые при столкновении с нейтральными ато­мами и молекулами увеличивают их тепловое движение, т. е. энергия электрического поля превращается в теп­ловую.

Плотность тока по сечению нагреваемого проводящего тела неодинако­ва. Наибольшего значения она достигает на поверхно­сти проводника, а по мере приближения к его центру убывает. Это явление названо поверхностным эффектом. В слое толщиной Z = Δ₂ выделяется 87% тепловой энер­гии. На расстоянии Z = Δ₂ от поверхности мощность сни­жается в 7,4 раза, а плотность тока — в 2,7 раза. На интенсивность и характер нагрева значительно влияют частота тока, напряженность электрического и магнит­ного полей. Изменяя частоту тока; можно получить не­обходимый по технологическим условиям характер на­грева и его интенсивность.

Если принять, что в слое толщиной Δ плотность вихревых токов равна плотности поверхности на поверхности тела, а вне этого слоя тока нет, то эффект нагрева будет эквивалентен действию вихревых токов при реальном их распределении. Величина Δ определяется электрофизическими свойствами материала нагреваемого тела и частотой тока

, (9.1)

где ρ – удельное сопротивление, ом∙см;

μ – относительная магнитная проницаемость;

f – частота, Гц.

КПД системы «индуктор — нагреваемое тело» зависит от того, насколько ярко выражен поверхностный эффект, т.е. от величины Δ.

КПД индукционного нагревателя для сравнения с другими видами нагрева желательно производить в комплексе с источником питания. Для нашего случая, согласно схеме лабораторной установки КПД сложится из отношения тепловой мощности, выделившейся в детали, к потребленной мощности от сети.

График для большинства индукционных нагревателей приведен на рисунке 9.1. Как видно, полный КПД такого типа нагрева не превышает 40%. Для современных источников питания, КПД которых может достигать 97%, общий КПД индукционного нагрева сильно зависит от воздушного зазора между индуктором и нагреваемой проводящей поверхностью. Поэтому следует минимизировать это расстояние, но только не в ущерб электрической прочности изоляции.

Рисунок 9.1 Зависимость КПД от диаметра заготовки:

1— термический КПД; 2— элект­рический КПД; 3 — КПД гене­ратора; 4 — общий КПД

Частота тока во многом определяет экономичность индукционного нагрева. Оптимальную частоту тока, Гц, при сквозном нагреве стальных цилиндрических заготовок диаметром d₂, м,

, (9.2)

Если система «индуктор — нагреваемое тело» подвергается воздействию синусоидального напряжения, то она может быть представлена схемой замещения, состоящей из индуктивного и активного сопротивлений (рисунок 9.2).

а б в

Рисунок 9.2 Принципиальная схема системы «индуктор —

нагреваемое тело» - а и схемы замещения: последовательная - б

и параллельная- в: 1- индуктор; 2 – нагреваемое тело

Параметры R и Х в параллельной схеме замещения связаны с параметрами последовательной схемы соотношениями, которые при x_н>>r_н упрощаются:

R ≈ x_н²/ r_н, (9.3)

где r_н – сопротивление, которой характеризует активную мощность,

выделяемую в индукторе (r_и) и в нагреваемом теле (r_м);

x_н – сопротивление реактивной мощности в зазоре (x_з) и материале

индуктора и нагреваемого тела (х_и и х_м), x_н≈Х.

Соотношение между реактивным и активным сопротивлением системы «индуктор — нагреваемое тело» характеризуется добротностью системы Q_н, или тангенсом угла между напряжением и током индуктора tgφ_н

. (9.4)

Параметры системы «индуктор — нагреваемое тело» в зависимости от типа индукционной установки в процессе нагрева могут либо оставаться практически неизменными, либо значительно меняться. К первому типу относятся нагрева­тели методического действия, в индукторе которых находится одновременно несколько нагреваемых заготовок. При заталкивании в индуктор холодной за­готовки с другого конца индуктора выталкивается горячая заготовка. Параметры системы незначительно меняются по периодическому закону, определяемому тактом выдачи заготовок, причем колебания параметров получаются тем меньше, чем больше заготовок находится в индукторе.

Ко второму типу относятся плавильные печи и нагреватели периодического действия. Изменение электрических параметров системы «индуктор — нагревае­мое тело» вызывается изменением в процессе нагрева удельного сопротивления ρ и магнитной проницаемости μ, а для плавильных установок и изменением гео­метрии нагреваемого тела в результате сваривания и расплавления шихты.

Закалочные установки могут приближаться к первому (большая удельная мощность) или второму (малая удельная мощность) типу.

Температура водоохлаждаемого индуктора меняется незначительно и по­этому можно считать, что глубина проникновения тока в металл индуктора по­стоянна и, следовательно, постоянны сопротивления х_и и r_и (при условии сох­ранения постоянства частоты).

Время нагрева цилиндрической стальной заготовки выбирают по графикам приведенным в специальной литературе в зависимости от принятой частоты тока и диаметра заготовки. При сквозном нагреве его продолжительность до­стигает десятков и сотен се­кунд, поэтому тепловые потери соизмеримы с выделя­ющейся мощностью в нагре­ваемом материале. Чтобы уменьшить тепловые поте­ри, в индукторах применяют теплоизолирующую футеров­ку (теплоизоляция) из ша­мота, асбеста, жаростойко­го бетона и других матери­алов. При однослойной теп­лоизоляции из бетона или шамота и нагреве заготовки до Т_п=1570

В настоящей работе будет исследоваться индукционный нагреватель на частоте 8 кГц.

Расчет заключается в определении основных па­раметров индукционного нагревателя, а также электри­ческих и энергетических характеристик индуктора. Расчет состоит из двух частей: тепловой и электрической.

При тепловом расчете определяют мощ­ность нагревательного устройства, тепловые потери, час­тоту тока, время нагрева и термический к. п. д. индук­тора. При сквозном нагреве ферромагнитного материала до температуры выше точки магнитных превращений (1470... 1570 К) мощность, потребляемая индуктором при нагреве, изменяется по сложному закону.

Чтобы учесть изменения физических свойств нагрева­емого материала, активной и реактивной мощности на зажимах индуктора, нагреватели рассчитывают по трем основным этапам, соответствующим холодному, проме­жуточному и горячему режимам нагрева /3/. Однако точный расчет довольно сложен.

В инженерной практике применяют упрощенные мето­ды, обеспечивающие достаточную точность расчета. Для индукционных нагревателей периодического действия, если напряжение на зажимах индуктора U₁=const, рас­чет проводят по мощности горячего режима.

Энергию, потребленную из сети, можно определить по показаниям приборов – амперметра вольтметра и секундомера согласно выражению:

, (9.5)

где I – ток, А;

U – напряжение, В;

τ – время, с.

Энергию, выделившуюся в нагреваемой заготовке определим расчетным путем, исходя из разности температур, массы и теплоемкости нагреваемой заготовки:

, (9.6)

где С – теплоемкость, кДж/кг·К;

m – масса заготовки, кг;

Т_Н, Т_К – соответственно начальная и конечная температура заготовки.

Коэффициент полезного действия индукционной установки

. (9.7)

В зависимости от используемых частот установки индукционного нагрева подразделяются на: низкочас­тотные (50 Гц), среднечастотные (до 10 кГц) и высоко­частотные (свыше 10 кГц).

Примеры обозначения установок: ВЧИ-40/0,44-ЗП с колебательной мощностью 40 кВт и рабочей частотой 440 кГц, для закалки поверхностей; ВXU1-100/0.066-YC – высокочастотный генератор первой подсерии колебательной мощностью 100 кВт, с рабочей частотой 66 кГц, для сквозного нагрева (НС). Шкала мощностей установок: 1; 4; 6; 10; 25; 40; 60; 100; 160; 200 кВт /1/.