Sb95853

3.Установить исследуемую деталь в индуктор, включить анодное напряжение генератора, нажатием кнопки “Нагрев” подать напряжение на индуктор. Одновременно реле времени начинает отсчет времени нагрева. Во время нагрева фиксируется значение падения напряжения на шине индуктора.

4.После выключения нагрева выключить анодное напряжение и быстро опустить деталь в калориметр с заранее измеренными температурой и массой воды.

5.Результаты измерений записать в таблицу. Нагреть все образцы по два раза. Для определения потерь в индукторе измерить температуру охлаждающей воды на входе индуктора и расход воды без включения нагрева.

6.Включить индуктор без детали. Измерить падание напряжения на шине индуктора. В установившемся режиме измерить температуру воды на выходе индуктора. Опыт повторить два раза.

Содержание отчета

1.Цель работы, перечень используемых приборов, расчетные формулы.

2.Таблицы измерений и расчетных данных.

3.Графики зависимости КПД индуктора от диаметра деталей.

4.Выводы о влиянии диаметра на КПД индуктора.

Лабораторная работа 6

Исследование с помощью математической модели зависимости КПД короткого индуктора от диаметра детали, частоты

и удельного сопротивления

Цель работы: выполнение расчетов на ЭВМ для всех экспериментов, проведенных в работе 5. Получение расчетных зависимостей КПД короткого индуктора от частоты.

Перед началом расчета необходимо ознакомиться с экспериментальной установкой и конструкцией индуктора. Подготовить для ввода в ЭВМ следующие данные.

частоту тока источника питания f ;

21

параметры индуктора: диаметр индуктора (внутренний) D1, длина индуктора a1, число витков W , коэффициент заполнения g , толщина провода индуктора d1, удельное сопротивление материала ρ1 (для меди

210 8 Ом·м);

Параметры загрузки: диаметр детали D2 , длина детали a2 , относи-

тельная магнитная проницаемость μ2 1, удельное сопротивление ρ2 (немагнитная сталь ρ2х 7.6 10 7 Ом·м, ρ2г 10 6 Ом·м).

Порядок проведения расчетов

1.Рассчитать КПД индуктора с немагнитными и магнитными стальными цилиндрами разного диаметра.

2.Рассчитать зависимость от частоты тока КПД индуктора с образцом одного диаметра, но из различных материалов (немагнитная сталь, медь, алюминий).

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Исходные данные для расчетов.

3.Таблицы результатов расчета.

4.Графики зависимостей КПД от диаметра загрузки и от частоты тока.

5.Выводы, определяющие, какие параметры и как влияют на КПД индуктора.

Лабораторная работа 7

Исследование КПД индуктора в системе “индуктор – полый цилиндр”

Цель работы: исследование зависимостей КПД индуктора и характера электромагнитного поля в системе от соотношения глубины проникновения тока в материал полого цилиндра и его размеров.

22

Зависимость КПД индуктора от частоты тока при постоянной толщине стенки трубы имеет максимум в области d2 δ2 ( d2 – толщина отрезка тру-

бы, δ2 – глубина проникновения тока в материал трубы). С повышением частоты тока глубина его проникновения в материал δ2 уменьшается, напря-

женность магнитного поля на внутренней стороне стенки трубы падает и система “индуктор – труба” приближается по характеристикам к системе “индуктор – сплошной цилиндр”. При m 2 КПД индуктора для нагрева трубы мало отличается от КПД индуктора для сплошного цилиндра:

m 2d2 δ2 .

Оптимальная частота [Гц], при которой КПД индуктора максимален, ориентировочно может быть определена с помощью следующего соотношения:

где Dcp D2 d2 – средний диаметр трубы (все размеры в формуле в мет-

рах).

В некоторых случаях возникает задача определения оптимальной толщины стенки трубы d2opt , соответствующей наибольшему КПД индуктора

при D const и f const . Для полых цилиндров этот максимум КПД объяс-

няется оптимальным распределением тока по толщине стенки трубы из-за отражения электромагнитной волны от внутренней поверхности цилиндра. При этом толщина стенки должна быть меньше глубины проникновения тока ( d2 δ2 ). Оптимальную толщину можно рассчитать по формуле

d2opt δR2 .

Из изложенного следует, что зависимость КПД от толщины стенки трубы при f const и D const также имеет максимум при определенном соот-

ношении глубины проникновения и толщины стенки трубы.

При внесении в полость трубы магнитопровода зависимость η f (d2 ) при f const и D2 const существенно изменяется. Это объясняется тем,

что при любых соотношениях между толщиной стенки и глубиной проникновения тока напряженность магнитного поля на внутренней поверхности трубы близка к нулю. Распределение плотности тока по толщине стенки при

23

d2 δ близко к равномерному, и поэтому активное сопротивление трубы ( r2 ) будет пропорционально толщине стенки трубы. При d2 δ2 активное сопротивление будет пропорционально δ2 , а при d2 2δ введение магнито-

провода в полость трубы не оказывает на параметры трубы никакого влияния и КПД системы стремится к КПД индуктора с нагрузкой в виде сплошного цилиндра. Поэтому зависимость η f (d2 ) для системы “индуктор – полый

цилиндр с магнитопроводом” не имеет максимума, а носит падающий характер.

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка состоит генератора частотой 1000 Гц и мощностью 10 кВт, конденсаторной батареи, осциллографа, амперметра, вольтметра, ваттметра, измерительной катушки с милливольтметром, соленоида для калибровки измерительной катушки, макета индуктора, труб с различной толщиной стенок, пакета магнитопровода.

Конденсаторная батарея подключается параллельно выходным клеммам машинного генератора и обеспечивает необходимый коэффициент мощности ( cos 1). Эта компенсация необходима, так как система “индуктор – загрузка” носит индуктивный характер ( cos 0.1... 0.3 ), что не позволяет получить от генератора достаточную активную мощность ( P UI cos ).

Измерительная катушка служит для определения напряженности магнитного поля. Перед измерениями катушку надо откалибровать, т. е. получить коэффициент, который позволит показания милливольтметра перевести в значение напряженности магнитного поля [А/м]. При калибровке выводы измерительной катушки подключаются к милливольтметру, а сама катушка помещается внутрь длинного соленоида ( aD 10 ). Напряженность поля в среднем сечении этого соленоида (где поле можно считать равномерным) может быть определена по формуле

Hme WIa ,

где W – число витков соленоида; a – длина соленоида; I – сила тока, текущего через соленоид.

По показанию вольтметра U и значению Hme можно рассчитать постоянную катушки:

24

K Hme U .

Амперметр, вольтметр и ваттметр необходимы для определения электрических параметров пустого и нагруженного индукторов.

Используемые в качестве нагрузки трубы имеют одинаковый наружный диаметр D2 8.4 10 2 м и выполнены из немагнитной стали с удельным со-

Порядок выполнения работы

1.Составить и собрать электрическую схему установки при питании индуктора от электрического преобразователя (рис. 7.1).

2.По разрешению преподавателя включить преобразователь и измерительные приборы. Определить цену деления каждого прибора.

3.Подбором емкости конденсаторной батареи скомпенсировать коэф-

Рассчитать по результатам измерений активное r1, реактивное x1 и полное сопротивление индуктора z1:

Сравнить экспериментальное и расчетное значения ( x1 ωL1)

где μ0 – магнитная проницаемость вакуума; D1 – диаметр индуктора; a1 –

длина индуктора; W – число витков индуктора; K – коэффициент Нагаока. 5. Измерить ток Iи, напряжение Uи, мощность Pи, напряженность маг-

нитного поля на наружной Hme и внутренней Hmr поверхностях труб различной толщины, помещая их поочередно в индуктор.

25

6.Повторить все измерения для труб с внутренним магнитопроводом.

7.По полученным экспериментальным данным рассчитать rи, xи, Pи,

zи, r2' , ηи.

КПД индуктора рассчитать по формулам

Результаты измерений и расчетов записать в таблицу.

Содержание отчета

1.Цель работы, схема установки.

2.Таблицы результатов расчетов и измерений.

3.Графики зависимостей η f (d2 ) и Hmr f (d2 ) .

4.Выводы.

Лабораторная работа 8

Исследование на математической модели КПД индуктора в системе “индуктор – полый цилиндр”

Цель работы: получение расчетных зависимостей КПД от толщины стенки полого цилиндра, используя данные работы 7.

Рассчитать зависимость КПД системы “индуктор – полый цилиндр” от частоты тока. Подготовить следующие данные для ввода в ЭВМ:

частота тока преобразователя f ;

параметры индуктора: внутренний диаметр D1, длина индуктора a1,

число витков W , коэффициент заполнения g , удельное сопротивление материала индуктора ρ1;

26

параметры загрузки: наружный диаметр детали D2н, внутренний диаметр D2в, длина детали a2 , удельное сопротивление ρ2 .

Порядок проведения расчетов

1.Ввести исходные данные и выполнить расчеты для частоты 1 кГц и трех труб с различными толщинами стенок. Задать координаты для расчета Hme и Hmr в середине индуктора.

2.Рассчитать по приближенной формуле оптимальные частоты тока для нагрева трех труб различной толщины. Определить КПД на этих частотах.

3.Рассчитать зависимости КПД от частоты (для трубы с толщиной стенки 5 мм).

4.Свести результаты расчета в таблицу.

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Таблицы результатов расчетов.

3.Графики зависимостей η f (d2 ) и η f ( f ) .

4.Выводы.

27

Демидович Виктор Болеславович Комракова Галина Даниловна Позняк Игорь Владимирович Шатунов Алексей Николаевич Чмиленко Федор Викторович Малышев Андрей Артемович

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Индукционный нагрев»

Электронное учебно-методическое пособие

Редакторы: И. Г Скачек, Н. В Лукина

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Подписано в печать 17.10.17. Формат 60×84 1/16.

Гарнитура «Times New Roman». Печ. л. 1,75.

Тираж 2 экз. Заказ 222.

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

28