Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехнологические процессы электроэнергетики. В 2-х частях. Ч.1. Электротермические установки. Учебное пособие.pdf
Рис. 9. Синусоида с последовательно включенной
индуктивностью
1.4.1. Зажигание, устойчивость горения и регулирование тока дуги
Источник питания сварочной дуги должен обеспечивать надёжное зажигание дуги, её устойчивое горение и регулирование
тока. Первоначально дуга зажигается при соприкосновении электродов, одним из которых является изделие, и при последующем их
разведении она продолжает гореть (рис. 10).
Рис. 10. Внешние характеристики источников питания
сварочной дуги:
1 и 2 – круто- и пологопадающая; 3 – жёсткая; 4 – возрастающая
31
При изменении тока в сварочной цепи баланс мгновенного напряжения следующий:
di
⎛
⎞
⎜
++=
ди0
⎟
LURU
,
(57)
⎜
⎟
dt
⎝
⎠
L
где
– индуктивность сварочного контура;
– изменение мгно-
dt
венного значения сварочного контура, А/с,
di
или
L −−=
⎟
⎜
dt
⎠
⎝
URiU
. (58)
дид0
di
⎞
⎛
⎟
⎜
Внешняя характеристика 1 источника питания и вольтамперная дуга 2 представлены на рис. 11.
Способы регулирования сварочного тока представлены на рис. 12.
Рис. 11. ВАХ устойчивого горения дуги
32
Рис. 12. ВАХ регулирования тока
1.4.2. Источники питания сварочной дуги
Источники питания сварочной дуги разделяют по следующим
признакам:
– роду тока: переменный (сварочные трансформаторы), постоянный (преобразователи, агрегаты, выпрямители);
– числу одновременно подключенных сварочных постов:
одно- и многопостовые;
– по способу установки: стационарные и передвижные.
Для устойчивого горения дуги индуктивность сварочной цепи
на переменном токе может быть получена либо в трансформаторе,
либо включена в це
пь дуги ре
активной катушки (рис. 13).
Каждый источник питания характеризуется следующими величинами: номинальным сварочным током, диапазоном регулирования тока, напряжением на зажимах под нагрузкой, напряжением
х.х., к.п.д., коэффициентом мощности, продолжительностью работы ПР или продолжительностью включения ПВ, внешней характеристикой.
б)
а)
Рис. 13. Электромагнитные схемы сварочных трансформаторов
с магнитным шунтом (а) и нормальным рассеянием (б):
1 – подвижный пакет магнитопровода; 2 – рукоятка; 3 – магнитный
33
Сварочное оборудование изготовляют на следующие значения
номинальных токов: 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400,
500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000, 5000 А.
В случае удлинения дуги ток, как правило, уменьшается. Отклонение тока при удлинении дуги определяется крутизной внешней характеристики источника питания: чем круче её наклон, тем
меньше меняется ток при изменении длины дуги. Поэтому источники для ручной дуговой сварки должны иметь к
нюю характеристику. При этом обеспечивается также надёж-
внеш
рутопадающую
ное первоначальное и повторное возбуждение дуги вследствие повышенного напряжения х.х.
Сварочные трансформаторы – наиболее распространённые,
дешёвые и экономичные источники питания дуговой сварки. Падающая характеристика, изменение режима и ограничение тока к.з.
создаются регулируемой индуктивностью, включенной последовательно в сварочную цепь; если активным с
речь, то напряжение
U
– вторичное напряжение трансформатора при х.х.; x – индук-
х2
на дуге и сила тока
U
д
2
х2д
22
xΙUU −= ;
д
опротивлением пренеб-
:
Ι
д
2
2
−
UU
д
х2
=
Ι
д
; (59)
x
тивное сопротивление.
Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием изготавливают с отдельным или со встроенным дросселем:
2
,/
rwx ω=
др m
где ω – угловая частота; w – число витков;
r
– магнитное сопро-
m
тивление потоку в дросселе.
Регулировать x
можно следующими способами:
др
а) изменением числа включенных витков ω; широкого распространения не получил;
34
Рис. 14. Схема трансформатора со встроенным дросселем
б) изменением сопротивления r
способом подмагничивания
m
сердечника (изменением магнитной проницаемости μ);
в) изменением магнитного сопротивления r
с помощью воз-
m
душного зазора δ сердечника магнитопровода (наиболее простой и
распространённый способ).
У трансформатора со встроенным дросселем плавное регулирование сварочного тока осуществляется изменением зазора δ подвижной части 7 магнитопровода (рис. 14).
Трансформаторы с повышенным магнитным рассеянием получили наибольшее распространение в дуговой сварке переменным
уктивным признакам: с
током. Их различают по следующим ко
нстр
подвижным магнитным шунтом, с обмоткой для подмагничивания
шунта и с подвижными обмотками.
Сварочный выпрямитель состоит из двух основных элементов:
трансформатора с регулирующим устройством и блока вентилей.
Для ручной сварки используют выпрямители с селеновыми
вентилями типа ВВС и с кремниевыми типа ВСК и серии ВД (ВД-
); внешние характеристики – крутопа-
101, ВД-301, ВД-102, ВД-3
02
дающие.
35
Всё большое распространение в сварочных установках получают тиристоры. Для механизированных способов сварки в защитных газах, под слоем флюса, порошковой проволокой, открытой
дугой и для ручной дуговой сварки используют универсальные
сварочные выпрямители на тиристорах ВД-304, ВДУ-504, ВДУ1001, ВДУ-1601. Выпрямитель ВДУ-504 выполнен по шестифазной
схеме с уравнительным реактором на трансформаторе с нормальным магн
итным рассеянием.
Сварочный генератор в комплекте с двигателем переменного
тока называют сварочным преобразователем (ПС, ПСО, ПСГ и др.),
а в комплекте с двигателем внутреннего сгорания – сварочным агрегатом (АСБ – с бензиновым, АСД – с дизельным двигателем).
1.5. ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ
Индукционный нагрев металлов основан на двух законах физики: законе электромагнитной индукции Фарадея–Максвелла и
законе Джоуля–Ленца. Металлические тела (заготовки, детали и
др.) помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в
них вихревое электрическое поле (рис. 15). ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока, а сама зависимость представляет собой интег
ральную фо
рму закона электромаг-
нитной индукции:
deФ
−=
. (60)
dt
Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые
токи.
Рассмотренные превращения энергии электромагнитного поля
в отличие от нагрева методом сопротивления позволяют передать
электрическую энергию индуктора в нагреваемый материал бесконтактно, а также выделить теплоту непосредственно в нагреваемом предмете.
36
Рис. 15. Схема индукционного нагрева
Чтобы уяснить особенности электромагнитных процессов при
индуктивном нагреве и выявить факторы, определяющие распространение электромагнитного поля в проводящей среде, следует
подробно разобраться, что же происходит при падении плоской
электромагнитной волны на однородное металлическое тело.
Глубина проникновения тока в сталь при температуре магнитных превращений изменяется скачком. В действительности удельное сопротивление и м
гнитная проницаемость во время нагрева
а
зависят от температуры, а магнитная проницаемость ещё и от напряжённости магнитного поля. Следовательно, при нагреве изменяется коэффициент и мощность, поглощаемая металлом. В заключение можно подчеркнуть, что индукционный нагрев – нагрев токопроводящих тел в электромагнитном поле за счёт индуктирования в них ви
хревых то
ков. При этом электрическая энергия преобразуется трижды. Сначала с помощью индуктора она преобразуется
в энергию переменного магнитного поля, которая в теле, помещённом в индуктор, превращается в энергию электрического поля.
И, наконец, под действием электрического поля его энергия превращается в тепловую.
37
Передача энергии происходит бесконтактно. Индукционный
нагрев является прямым и бесконтактным. Он позволяет достигать
температуры, достаточной для плавления самых тугоплавких металлов и сплавов. Уже было отмечено, что плотность тока по сечению нагреваемого проводящего тела не одинакова. Наибольшего
значения она достигает на поверхности, а по мере приближения к
центру убывает. Следует напомнить ещ
ё раз, что это явление назы-
вается поверхностным эффектом.
В слое толщиной x = z
расстоянии x = z
от поверхности мощность снижается в 7,4 раза,
0
выделяется 87% тепловой энергии, на
0
а плотность тока – в 2,7 раза. На интенсивность и характер нагрева
значительно влияют частота тока f, напряжённость электрического
поля Е и напряжённость магнитного поля Н. Изменяя частоту тока,
можно получить необходимый по технологии характер нагрева и
его интенсивность.
В настоящее время применяют для низкотемпературного нагрева индуктор типа «многовитковый индуктор в ф
ерромагнитной
трубе». Они используются для обогрева полов, панелей и стен в
животноводческих помещениях, для обогрева почвы и воздуха в
парниках и теплицах. Такой нагреватель представляет собой ферромагнитную трубу, внутри которой расположена индуктирующая
одно- или многожильная обмотка, выполняемая из стержней, установочного провода или контрольного кабеля. Ферромагн
итная труба является одновременно приёмником энергии магнитного поля и
генератором теплоты, служит несущей конструкцией и защищает
обмотку индуктора от механических повреждений. Переменный
магнитный поток Ф, создаваемый индуктирующей обмоткой нагревателя, наводит в ферромагнитной трубе вихревые токи, которые нагревают её. В трубе выделяется 80…85% всей тепловой
энергии, в индукторе – 15…20%.
Благодаря п
о
следовательному соединению жил обмотки ин-
дуктора нагреватель может быть подключён на сетевое напряже-
38
ние. В зависимости от материала и диаметра труб, воздушного зазора между обмоткой индуктора и трубой коэффициент мощности
нагревателя составляет cosϕ = 0,88…0,92. Нагреватели с индуктором, охватывающие снаружи нагреваемое изделие, применяют для
обогрева трубопроводов, нагрева воды и т.д. Нагреватель состоит
из ферромагнитной трубы (или корпуса), на наружную поверхность
которой наматывается индуктирующая одно- или мн
огослой
ная
обмотка, выполненная из провода с теплостойкой изоляцией. Нагреватели изготавливают в однофазном и трехфазном исполнении.
В зависимости от технологических требований нагреватель можно
подключать на пониженное или сетевое напряжение.
Используют также нагреватели трансформаторного типа, которые применяют при теплоснабжении и горячем водоснабжении
животноводческих, производственных и бытовых помещений.
В промышленности испо
т мощные установки ИН
льзую
(до 1 МВт и выше): химические реакторы с индукционном обогревом, установка для термообработки рулонов стального листа и др.
Есть регулирование режима работы УИН по температуре и
косвенному параметру – конфигурация электромагнитного поля.
Область применения:
– машиностроение и металлургия (нагрев деталей и заготовок,
цинковальных ванн, сушка электроизоляции и лакокрасочных покрытий);
– химич
еска
я промышленность (обогрев реакторов и аппара-
тов, инструменты при обработке пластмасс);
– строительство и мойка (термообработка бетона, сушка древесины, варка битума, нагрев сварных швов);
– транспорт (выгрузка сыпучих грузов, обогрев ж/д стрелок,
обогрев трубопроводов);
– с/х и др. (водонагреватели, плиты, ремонт кабелей обогрев
помещений).
39
1.6. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ НАГРЕВ
Рис. 16. Ток смещения
Под влиянием переменного электрического поля в диэлектрике будет
происходить поляризация то в одном,
то в другом направлении. Это электрический ток – ток смещения (при электронной поляризации заряженные частицы смещаются без запаздывания),
затраты энергии нет (рис. 16).
При других дипольных поляризациях частицы смещаются с запаздыва-
нием, I
щая I
где
опережает напряжение на φ > 90°, появляется составляю-
см
.
а
см
S – площадь пластины;
– объём диэлектрика.
SdVdUЕ == ;/
d
– расстояние между пластинами.
2
0
a
2
0
a
fEP
02aV
мощность на единицу объёма диэлектрика.
В полупроводнике к I
+ I
см
, т.е. < δ больше.
проводим
После подстановки
−
EfP
λ
=
Z
0
tg
δεπ
a
,/ ;
dSCCUI ε=ω=
(61)
;tg/2
δεεπ= dSfUP
(62)
;tg2
δεεπ= VfEP
(63)
δεεπ= tg2
– (64)
211
;
;tg1055,5
δε⋅=
(65)
aV
(66)
40