Тема 1. «Физические основы работы электрооборудования индукционного нагрева»

Цель работы:Изучение индукционного нагрева и проникновения электромагнитной волны в разнородных металлах.

Порядок выполнения работы: Самостоятельно подготовиться по теоретическому материалу к занятию, при необходимости воспользоваться рекомендуемой литературой. На занятии получить допуск для выполнения работы. Для получения допуска необходимо ответить на вопросы о теоретической части работы, четко понимать ход выполнения работы, а также иметь представление о содержании отчета. Затем индивидуально или в группе (на усмотрение преподавателя) выполнить работу. К следующему занятию подготовить отчет в письменном или печатном виде. Работа считается сделанной, если при сдаче отчета студент может ответить на контрольные вопросы и дать комментарии о работе.

Теоретические положения

В основе индукционного нагрева лежит принцип поглощения электромагнитной энергии металлическим телом, помещенным в переменное электромагнитное поле индуктора. В этом случае электрическая энергия источника питания преобразуется в энергию электромагнитного поля, которое в нагреваемом материале вновь превращается в энергию электрическую и затем в тепловую.

Устройство для индукционного нагрева представляет собой трансформатор, первичной обмоткой которого является индуктор, а вторичной – токопроводящий материал. Переменный ток, протекая по индуктору, создает переменный магнитный поток, сцепляющийся с нагреваемым материалом. Этот магнитный поток наводит в материале ЭДС

где – магнитный поток, создаваемый индуктором; – частота тока; – число витков вторичной обмотки (в данном случае ).

Под действием ЭДС в материале возникает вихревой ток

,

где – полное сопротивление металла; – индуктивное сопротивление металла; – активное сопротивление металла.

Мощность, выделяемая в материале при прохождении тока, равна

.

Для увеличения мощности установок необходимо увеличивать . Этого можно достичь двумя способами:

1. Увеличением магнитного потока , сцепляющегося с металлом. Магнитный поток возрастает при увеличении магнитодвижущей силы индуктора, т.е. ампер-витков, однако эту возможность можно использовать лишь до определенного предела. Более рационально уменьшить сопротивление магнитному потоку на тех участках пути, где он проходит не по нагреваемому материалу. Это достигается применением стального сердечника – магнитопровода, выполненного из листовой трансформаторной стали, магнитная проводимость которой существенно больше, чем воздуха и других конструкционных материалов;

2. Повышением частоты – индукционные установки повышенной и высокой частоты выполняют без стального сердечника вследствие роста в нем потерь. Поэтому конструкции индукционных установок делятся на установки с сердечником и без сердечника. Диапазон частот, применяемых в индукционных установках, лежит в пределах 5∙(10 ÷ 10⁷) Гц.

Для исследования электромагнитных процессов, протекающих при индукционном нагреве, применяются уравнения Максвелла для электромагнитного поля в векторном виде

(1)

(2)

(3)

, (4)

где – напряженность магнитного поля; – напряженность электрического поля; – магнитная индукция; – электрическая индукция; – плотность тока проводимости; – удельная проводимость проводника; – относительная магнитная проницаемость; – абсолютная магнитная проницаемость воздуха, Гн/м; – абсолютная электрическая проницаемость воздуха, Ф/м; – объемная плотность электрических зарядов.

Уравнение (1) представляет собой обобщенный закон полного тока в дифференциальной форме. В его правой части первый член есть плотность тока проводимости, второй – плотность тока смещения.

В металлах ток смещения мал по сравнению с током проводимости, поэтому им можно пренебречь.

Уравнение (2) есть закон электромагнитной индукции в дифференциальной форме. Оба эти уравнения указывают на то, что переменные электрические и магнитные поля существуют совместно. Уравнение (3) является выражением непрерывного магнитного поля, а уравнение (4) представляет собой дифференциальную форму теоремы Гаусса, утверждающей, что источником электрического поля являются электрические заряды.

Преобразуя уравнения (1-4), можно получить формулу для определения глубины проникновения электромагнитной волны
, м, несущей энергию в металл при индукционном нагреве

, (5)

где – удельное сопротивление металла, Ом∙м; – относительная магнитная проницаемость; f – частота переменного тока, Гц; – удельная проводимость.

Некоторые параметры металлов при нормальной температуре постоянные (условно), но при нагреве претерпевают значительные изменения. В частности, удельное сопротивление возрастает, относительная магнитная проницаемость наоборот уменьшается. Изменение влечет за собой изменение глубины проникновения волны и потока S энергии в металле.

Количество электрической энергии, выделяемое электромагнитным полем в металлическом теле, представляется вектором потока энергии (Умова-Пойтинга)

.

По физическому смыслу вектор Умова-Пойтинга является средним значением величины потока энергии в секунду через единицу площади, перпендикулярно направленной электромагнитной волне.

Из теории индукционного нагрева следует:

– глубина проникновения электромагнитной волны в плоское металлическое тело определяется по формуле (5);

– в слое металла толщиной δ выделяется 86,6 % всей передаваемой мощности;

– при индукционном нагреве не может превышать величину 0,707.

Характерно, что для немагнитных материалов = 1 и не зависит от температуры, поэтому изменение и в них определяется лишь изменением удельного сопротивления . Для ферромагнитных материалов картина будет иная: относительная магнитная проницаемость в пределах температур не выше точки Кюри (730-770 °С) меняется сравнительно мало, нередко снижается до единицы при переходе через точку Кюри.

Считая, что рассматриваемая плоская электромагнитная волна создана индуктором с числом витков и током в витке, по закону полного тока получим напряженность магнитного поля у поверхности металла .

Плотность потока энергии определяется

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).

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 и
Кривая зависимости магнитной проницаемости от температуры для исследуемого образца стали	Кривая зависимости удельного электрического сопротивления от температуры для исследуемого образца стали

Рис. 2. Экспериментально снятые зависимости системы
индуктор-металл

Таблица 1

Таблица данных

№ индуктора	L1	L2
№ опыта
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 h = 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.