КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Нагрев на промышленной и повышенной частотах
Ряд особенностей заставляет выделить частоту 50 Гц отдельно. хотя основные закономерности и методы расчета те же, что и на средних частотах. Главными преимуществами использования частоты 50 Гц являются: 1) снижение расхода энергии и капитальных затрат в связи с отсутствием преобразователя частоты; 2) уменьшение времени нагрева изделий. Эти преимущества наиболее полно реализуются в установках большой мощности, в особенности при нагреве xopoluo проводящих материалов (сплавы меди и алюминия), когда КПД индуктора составляет всего 40—60 % и дополнительные потери в преобразователе велики. Нижняя граница оптимальных диаметров при нагреве длинных немагнитных цилиндров определяется условием m2 =2,5. Учитывая, что на промышленной частоте дополнительные потери в схеме питания малы (4—5%), снизим этот предел до m2 =1,8—2,0. Минимальные допустимые и оптимальные (при m2 = 3,5) диаметры немагнитных цилиндров приведены в табл. 12-1. Сложнее определить минимальный диаметр ферромагнитных цилиндров, так как он зависит не только от частоты, но и от напряженности поля, определяющей магнитную проницаемость на поверхности . Расчеты показывают, что высокий КПД и коэффициент мощности соответствуют случаю, когда радиус цилиндра
Таблица 12-1 Характеристики заготовок для нагрева на частоте 50 Гц
больше или равен двум глубинам проникновения, соответствующим. Используя аппроксимацию кривой намагничивания {, где Н в А/м, получаем (в метрах) Здесь p0 — удельная мощность, Вт/м2; – удельное сопротивление, Ом-м. При f = 50 Гц формула принимает вид
Если нагревается полый цилиндр, то толщина его стенки должна быть не менее (1,0—1,5) в зависимости от диаметра. Частота 50 Гц применяется главным образом для сквозного нагрева крупногабаритных цилиндрических или прямоугольных слитков из стали, титана, алюминия и меди под прокатку и прессование, а также для низкотемпературного нагрева стальных изделий. Проектирование установок промышленной частоты связано с рядом особенностей: 1) усложняется управление режимом нагрева; 2) резко возрастают электродинамические усилия и создаваемые ими вибрации; 3) в установках большой мощности необходима равномерная загрузка фаз. Управление режимом нагрева и его стабилизация при колебаниях напряжения сети должны производиться воздействием на силовые цепи, а не на цепи возбуждения, как на средней частоте. Для этого используются силовые трансформаторы с регулируемым вторичным напряжением, вольтодобавочные трансформаторы и тиристорные регуляторы. Часто применяется регулирование режима с помощью автотрансформаторного включения индукторов или последовательно-параллельной компенсации. Меняя емкости С1 и С2, можно регулировать мощность и коэффициент мощности контура. Электродинамические усилия пропорциональны квадрату напряженности поля. При сильном поверхностном эффекте и постоянстве соблюдается соотношение следовательно, при неизменном р о напряженность Не, пропорциональна f --0,25 и электродинамические усилия gэд пропорциональны f - 0'5. Энергия механических колебаний, пропорциональная g2эд, изменяется как f-- 1. Так как размеры тел, нагреваемых на частоте 50 Гц, относительно велики, полные усилия достигают десятков килоньютонов. Эти усилия, имеющие постоянную составляющую и переменную с частотой 100 Гц, действуют как на обмотку индуктора, так и на магнитопроводы и нагреваемые тела. Обмотки испытывают разрывающие радиальные и сжимающие осевые усилия. Немагнитные тела выталкиваются из зоны сильного магнитного поля, а магнитные — втягиваются в него. Вибрации обмоток под действием динамических сил приводят к разрушению тепловой и электрической изоляции и паяных соединений, создают шум. Особенно велики вибрации овальных индукторов, имеющих меньшую жесткость. Мерами борьбы с динамическими усилиями являются фиксация слитков в индукторе, особенно алюминиевых, имеющих меньшую массу, фиксация витков с помощью шпилек, крепящихся к жестким рамам, заливка обмоток бетоном и эпоксидньм компаундом, армированным стекловолокном. Собственные механические частоты элементов индуктора должны быть далеки от 100 Гц во избежание резонансных явлений. В трехфазных нагревателях, кроме электродинамических сил от пульсирующего поля, появляются осевые силы от бегущего поля. Индукторы часто снабжаются магнитопроводами, которые служат для уменьшения внешних магнитных полей, для повышения коэффициента мощности и КПД, а также часто используются в качестве конструктивного элемента при стяжке обмотки. Для внешних индукторов с длиной, большей диаметра, влияние магнитопровода на энергетические параметры, особенно на КПД, мало. Равномерность загрузки фаз питающей сети достигается созданием трехфазных нагревателей или использованием симметрирующих устройств для однофазных нагрузок. Существуют различные конструкции трехфазных нагревателей. Периодические нагреватели имеют число индукторов, кратное трем, причем циклы их работы согласованы друг с другом. Индукторы нагревателей непрерывного действия располагаются обычно с зазором между ними для размещения транспортных механизмов. Магнитная связь между такими индукторами мала.
При проектировании полунепрерывных нагревателей мерных заготовок или слитков необходимо решать две взаимосвязанные задачи: обеспечения равномерности нагрева слитков и равномерности загрузки фаз. Основной является равномерность нагрева, поэтому индукторы располагают друг за другом с возможно малым осевым зазором, чтобы уменьшить провал кривой удельной мощности в загрузке в зоне стыка. Провал зависит от сдвига фаз токов в соседних обмотках, зазора между ними, длины обмоток, характеристик загрузки, наличия магнитопровода. На рис. 20.3 представлены кривые распределения относительной удельной мощности в загрузке при нулевом зазоре между длинными обмотками с одинаковыми по модулю токами. Если сдвиг фаз (= 120° (кривая У), то
Рис. 20.3. Распределение удельной мощности в зоне стыка секций индуктора, подключенных к разным фазам Рис. 20.4. Векторная диаграмма для двух индуктивно связанных индукторов
провал достигает 75—80% исходного уровня. Провал мощности можно сократить примерно до 25%, если обеспечить сдвиг фаз ( = 60° путем изменения фазы одной из секций на 180° (кривая 2). Почти равномерное распределение ро можно получить, используя сгущение витков обмоток в зоне стыка (кривая 3). Однако близкое расположение обмоток, в особенности при сгущении витков у краев, увеличивает их взаимную индуктивность, что приводит к неравномерной загрузке фаз питающей сети (эффект переноса мощности из одной фазы в другую). Рассмотрим этот эффект подробнее для простейшего случая – двух одинаковых индукторов с сопротивлениями Z, равными по модулю токами I1=I и I2 = I ехр (—) и сопротивлением взаимной индуктивности хм. Взаимное влияние обмоток приводит к изменению напряжений и по модулю и, что важнее, по фазе по сравнению с их значениями и , найденными без учета х M (рис.20.4). Активные мощности от сети будут (b) где Р — мощность индукторов без учета взаимного влияния; переносимая мощность. Мощность Pa индуктора 2 с током, отстающим по фазе, будет много меньше, чем P1, и может быть даже отрицательной. Суммарная активная мощность сохраняется постоянной. Из формулы (b) следует, что переносимая мощность одинакова при углах = 60 и 120°. Характерно, что мощности, выделяющиеся в загрузке под индукторами 1 и 2, изменяются значительно меньше, чем мощности от сети.
На практике для уменьшения взаимной индуктивности обмоток между ними иногда помещают полюсы магнитопроводов. При этом образуется глубокий, но узкий провал мощности ро в зоне стыка. Равномерность нагрева заготовок достигается правильным выбором соотношения между их длиной и длиной обмоток, чтобы при перемещении заготовок провал мощности не приходился на одну и ту же их часть. Выравнивание температуры происходит за счет теплопроводности. Рис. 20.4. Сечения проводников обмоток индукторов 50 Гц Существенные особенности имеются при проектировании обмоток индукторов. На промышленной частоте витковые напряжения значительно меньше, чем в среднечастотном диапазоне, и для согласования индуктора с сетью 380 или 660 В необходимо большое число виктов. Часто витки не укладываются в один слой, тогда используются двух- и трехслойные конструкции. Для однослойных обмоток применяют трубчатые проводники с основной токонесущей стенкой толщиной d1 = 10— 12 мм и смещенным отверстием круглого (рис. 12, а) или прямоугольного (рис. 12, б) сечения. Ширина провода с лежит в диапазоне 16—70 мм. Прямоугольное сечение отверстия охлаждения предпочтительно, так как позволяет увеличить площадь канала при малой ширине провода и уменьшить расход меди и жесткость провода—при большой. Расчет активного и внутреннего реактивного сопротивлений однослойных обмоток производится так же, как и обмоток для средней частоты, причем в качестве толщины провода берется размер d1. Потери в многослойной обмотке сильно зависят от ее конструкции и при правильном выборе токопроводов могут быть заметно меньше, чем в однослойной. Оптимальной является обмотка из плотно намотанных сплошных проводников прямоугольного сечения толщиной d1 = 1,32, где —глубина проникновения тока в медь, 10 мм; п - число слоев обмотки. Сопротивление такой обмотки переменному току на 33% больше, чем постоянному. Если не учитывать роста диаметра витков от слоя к слою, то потери в многослойной обмотке длинного индуктора будут примерно в раз меньше, чем у оптимальной однослойной обмотки при том же токе, а следовательно, той же мощности в загрузке. Введение переменной, уменьшающейся к внутренним слоям, толщины провода позволяет снизить потери еще на 13%. Многослойные обмотки из сплошных проводников прямоугольного сечения используются в электрических машинах, но не нашли широкого применения в индукционных печах и нагревателях из-за тяжелых термических и механических условий работы. Введение водяного охлаждения обмоток приводит к увеличению радиального размера t провода из-за канала охлаждения. Для равностенной трубки (рис. 12, в) где — высота канала охлаждения, a d1 — толщина стенки. Вследствие роста t увеличиваются вихревые токи, наведенные во внутренних слоях, и создаваемые ими дополнительные потери. Уменьшение толщины стенок d1 снижает вихревые токи, однако возрастает активное сопротивление. Существует оптимальная толщина стенки трубки, зависящая от высоты канала , которая должна быть взята минимально возможной. Расчеты и опыты показали, что при = 5 мм толщина стенки трубки второго слоя, считая снаружи, должна быть d1 - 2,54-4 мм, а третьего слоя d1 == 2—3 мм. Для ~ 10 мм соответствующие толщины будут d1 =2—3 мм и d1 ~ 1,3—2 мм. Наружный слой желательно изготовлять из неравностенной трубки (рис. 12, а и б). Сопротивление р-го слоя, считая снаружи, навитого из равностенной трубки, можно получить по приближенной формуле где—сопротивление слоя постоянному току; S o— площадь сечения меди трубки, включая боковые стенки; gp — коэффициент заполнения обмотки витками по длине; J z— момент инерции сечения витка относительно его оси симметрии, параллельной оси индуктора. Правильно спроектированные двух- и трехслойные обмотки с внутренними слоями из равностенной трубки с = 5— 6 мм имеют примерно такие же потери, как однослойные. Значительного сокращения потерь можно достичь, применяя для внутренних слоев специальный провод (рис. 12-12, г) из шины толщиной d1 и припаянной к ней камеры охлаждения из материала с большим удельным сопротивлением. Потери в таком проводе лишь немного превышают потери в сплошных проводниках той же толщины d1. Электрический расчет многослойного индуктора можно выполнить так же, как и однослойного. Для этого многослойную обмотку заменяем эквивалентной однослойной с суммарными числом витков и активным сопротивлением. Диаметр DЭ этой обмотки определяется из условия равенства индуктивности пустого однослойного и многослойного индукторов. Получаем при равном числе витков в слоях при n =2 при n =3 где D1Э, D2Э и D3Э — эквивалентные диаметры слоев, равные средним диаметрам слоев для равностенных проводников и средним диаметрам токонесущих слоев для неравностеиных. Отсчет слоев ведется снаружи. Дальнейший расчет ведется, как для однослойных индукторов диаметром DЭ, с тем отличием, что внутреннее реактивное сопротивление хM1 принимается равным нулю, так как оно уже учтено при определении DЭ.
Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 1156; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |