2. Описание установки
На стенде схема служит для наглядного исследования параметров индукционного нагрева электромагнитной волны металлов (рис. 1).
На лицевой части находятся:
– автоматический выключатель QF;
– вольтметр Vl;
– амперметр А1;
– сигнальные лампы – «СЕТЬ», «HLl», «НL2;
– кнопка включения индуктора L1 – «S2»;
– кнопка включения индуктора L2 – «S3»;
– логометр;
– тумблеры переключения логометра «L1», «L2»;
– кнопка «ПУСК»;
Рис. 1. Стенд для исследований
– кнопка «СТОП»;
– нихромовые спирали «L1», «L2» (смонтированы внутри стенда);
– датчики тепла (2 шт., смонтированы внутри стенда в Ll и L2);
– диодный мост (смонтирован внутри стенда);
– магнитные пускатели марки ПМЕ-11 2У4В (2 шт, смонтированы внутри стенда).
3. Порядок выполнения работы
1. Перед подачей напряжения на стенд необходимо убедиться, что выключатель QF находится в отключенном состоянии. С задней стороны стенда убедиться, что заземляющий провод не поврежден и имеет плотное соединение с заземляющим контуром в аудитории.
2. Подать питание на стенд и включить выключатель QF (лампочка HL загорится красным цветом, что будет сигнализировать о наличии напряжения в цепи стенда).
3. Нажатием кнопки S2 привести в готовность цепь индуктора L1 (лампочка HL1 красного цвета будет сигнализировать о готовности к запуску индуктора L1).
4. Переключить тумблер измерительной цепи логометра в положение L1.
5. На САО (система автоматического отключения) (рис. 1) выставить конечную температуру нагрева (конечная температура не должна превышать 730 С (точка Кюри).
6. Приготовить секундомер.
7. Нажать кнопку «ПУСК» с одновременным запуском секундомера. В цепь индуктора L1 будет подано напряжение. Следует иметь в виду, что отключить секундомер следует тогда, когда САО отключит цепь индуктора L1, при этом раздастся характерный звук отключения пускателя и показания приборов (амперметра и вольтметра) примут нулевые значения. Примечание: если в течение длительного времени САО не отключит цепь индуктора, сделать это вручную нажатием кнопки «СТОП».
8. Снять показания с амперметра, вольтметра и секундомера.
9. Нажатием кнопки S3 привести в готовность цепь индуктора L2 (лампочка HL2 красного цвета будет сигнализировать о готовности к запуску индуктора L2).
10. Переключить тумблер измерительной цепи логометра в положение L2.
11. На САО оставить конечную температуру нагрева, что и в опыте с первым индуктором L1.
12. Приготовить секундомер.
13. Нажать кнопку «ПУСК» с одновременным запуском секундомера. В цепь индуктора L2 будет подано напряжение. Следует иметь в виду, что отключить секундомер следует тогда, когда САО отключит цепь индуктора L2, при этом раздастся характерный звук отключения пускателя и показания приборов (амперметра и вольтметра) примут нулевые значения. Примечание: если в течение длительного времени САО не отключит цепь индуктора, сделать это вручную нажатием кнопки «СТОП».
14. Снять показания с амперметра, вольтметра и секундомера.
15. Через 40 мин. после того, как стальные заготовки в индукторах остынут до комнатной температуры, повторить пункты с 3 по 14 для другой (конечной) температуры.
16.
Определить КПД системы индуктор-металл
(L1 и L2). Для этого необходимо определить
полезную и потребленную мощность:
,
(Вт), где
;
с
–
удельная теплоемкость стали;
– разность температур; m
– масса стальной заготовки (
=
0,1 кг,
= 0,05 кг);
– время нагрева (показание секундомера);
– средний КПД установки в течение
нагрева заготовки;
,
(Вт), где U
–
напряжение на индукторе;
I
– ток, протекающий по индуктору (показания
вольтметра и амперметра);
– КПД системы индуктор-металл.
17.
По снятым (экспериментально) зависимостям
для данной системы индуктор-металл
(рис. 2) определить графически:
– отношение диаметра стальной заготовки
к глубине проникновения электромагнитной
волны;
и
– значения функций при
;
– магнитную проницаемость (при конечной
температуре) исследуемой стали;
– электрическое сопротивление (при
конечной температуре); для индуктора
L1
;
для индуктора L2
,
где
– внутренний диаметр индуктора,
– диаметр (исследуемой) стальной
заготовки.
18. Вычислить плотность активной и реактивной мощности, приходящейся на 1 м высоты боковой поверхности цилиндрического тела диаметром для опытов с индуктором L1 и L2. Частота смоделированного индуктора f = 2500 Гц.
19. Свести все полученные и заданные данные в табл. 1 и построить зависимости плотности полной мощности от температуры для первого и второго индуктора.
Кривые зависимости КПД системы индуктор-металл |
Кривые
зависимости
|
Кривая зависимости магнитной проницаемости от температуры для исследуемого образца стали |
Кривая зависимости удельного электрического сопротивления от температуры для исследуемого образца стали |
и
Рис. 2. Экспериментально снятые зависимости системы индуктор-металл
Таблица 1
Таблица данных
№ индуктора |
L1 |
L2 |
||
№ опыта |
1 |
2 |
1 |
2 |
U (В) |
|
|
|
|
I (А) |
|
|
|
|
, (К) |
|
|
|
|
tн (с) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(кВт/м2)
(кВт/м2)
При
подготовке отчета по работе произвести
расчет глубины проникновения
электромагнитной волны в сталь и алюминий
при начальной температуре
С
и конечной температуре нагрева. Определить
КПД индуктора, рассчитав полезную
мощность, определяемую уравнением:
,
Вт,
и мощность, потребленную из сети (по показаниям приборов):
,
где
с – удельная теплоемкость материала
(Дж / (кг∙К) – берется средняя в интервале
температур
;
–
масса нагреваемого материала, кг;
– время нагрева, с;
– начальная температура
=
20 С;
– конечная температура (принимается в
пределах 600-700 С
в целях пожаробезопасности);
=
100 г = 0,1 кг,
= 2500 Гц.
Пример расчета
Показания
приборов: U
= 220 B,
I
= 10 А,
;
Потребленная мощность:
.
Для стали:
с = 590 Дж/(кг∙К), = 120 с, = 620 С, = 20 С; = 0,1 кг, ρ = 14∙10-8 Ом∙м, µ = 8,75∙10-4 Гн/м.
Полезная мощность:
КПД
индуктора со стальной заготовкой:
,
КПД составляет 89 %.
(м);
f
= 2500 Гц;
м;
м.
Для алюминия Al:
с = 920 Дж/(кг∙К), = 85 с, = 250 С, = 20 С; m = 0,1 кг, ρ = 2,71∙10-6 Ом∙м, µ = 1,25∙10-6 Гн/м.
Полезная мощность:
КПД индуктора составляет = 1,13/1,5 = 0,75 = 75 %.
м.
Техника безопасности
Лабораторный стенд относится к электроустановкам до 1000 В. Во избежание прикосновения к токоведущим частям все элементы схемы и монтажа выполнены внутри стола и доступ к ним закрыт.
Перед началом работы убедиться в исправности заземления.
Стандарт устанавливает следующие требования безопасности:
1. Высокочастотные, среднечастотные и ультразвуковые устройства должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.007.0-75.
2. В устройствах в зависимости от видов электрических цепей должны быть следующие блокировки:
– электромеханическая, разрывающая цепь питания, либо закорачивающая цепь питания на землю при открывании дверей шкафов или блоков, в которых размещены цепи переменного и постоянного тока промышленной частоты напряжением до и выше 1000 В.
3. Конструкция устройств должна соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.049-80.
4. Объекты (помещения), в которых эксплуатируются устройства, должны соответствовать требованиям ГОСТ 12.1.004-85.
5. Пожарную безопасность следует обеспечивать:
– исключением из конструкции устройств из легковоспламеняющихся материалов;
– выбором режима работы комплектующих элементов и узлов;
– применением автоматического аварийного отключения.
6. Стенд заземлен. Все токоведущие части изолированы. На передней панели открытых токоведущих частей нет.
7. В целях пожаробезопасности, нагреваемые части изолированы теплоизоляционным материалом (асбест).
8. Стенд запитан от закрытого щита (шкаф металлический) ЩС-3315. Все электрические элементы выбраны в соответствии с ПУЭ.
ЗАПРЕЩАЕТСЯ:
– подавать напряжение, не убедившись в исправности токоведущих частей и заземления;
– прикасаться к токоведущим частям при поданном напряжении;
– выставлять показания температуры выше указанных преподавателем во избежание перегрева.
НЕОБХОДИМО:
– в случае обнаружения неисправности прекратить работу и сообщить об этом преподавателю или лаборанту;
– выполнять лабораторную работу в присутствии преподавателя или лаборанта;
– после проведения испытаний обесточить стенд и убедиться в этом.
В табл. 2 приведена спецификация электрооборудования стенда.
Таблица 2
Спецификация электрооборудования
Фор- мат |
Зона |
Поз. |
Обозна-чение |
Наименование |
Кол. |
Приме-чание |
А4 |
|
|
|
Перечень элементов |
|
|
|
|
|
QF |
Автомат АП-50-3МТ |
1 |
|
|
|
|
V1 |
Вольтметр М2001 |
1 |
|
|
|
|
A1 |
Амперметр М2001 |
1 |
|
|
|
|
L |
Логометр Ш69003 |
1 |
|
|
|
|
KM1, KM2, KM3 |
Магнитный пускатель ПМЕ-112У4В |
3 |
|
|
|
|
HL1, HL2, HL3 |
Лампа 220 В 15 Вт |
3 |
|
|
|
|
|
Термопара ТХА0515 |
4 |
|
Содержание отчета
Отчет должен содержать:
а) наименование и цель работы;
б) таблицы измерений;
в) экспериментально снятые зависимости системы индуктор-металл;
г) расчет потребляемой мощности;
д) выводы.
Контрольные вопросы
1. В каких отраслях промышленности, с какой целью может быть использован индукционный нагрев металлов?
2. От чего зависит интенсивность нагрева металлов в индукторах?
3. Выгодно ли индукционным способом нагревать детали из цветного металла?
4. Как изменяется мощность, выделяемая в индукционном нагревателе при повышении его температуры?
5. Оказывают ли индукционные установки влияние на электроснабжение, окружающую среду и человека?
6. Каким образом в индукционных установках происходит преобразование электрической энергии в тепловую?
7. Почему в магнитных материалах магнитная проницаемость до 120 С возрастает, а свыше 120 С падает лавинообразно?
8. Какими токами при индукционном нагреве происходит нагрев магнитных и немагнитных материалов?