ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ

       электронный учебно-методический комплекс

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Индукционный нагреватель

Цель работы

Программа работы

Общие теоретические сведения

Методика работы

Содержание отчёта

Контрольные вопросы

Приложение 5

Цель работы

Изучить принцип действия и свойства низкотемпературного нагревателя промышленной частоты.

Программа работы

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями.
2. Изучить методику и выполнить работу.
3. Составить и защитить отчёт.

Общие теоретические сведения

Индукционные установки по принципу действия относятся к электротермическим установкам, где электрическая энергия выделяется непосредственно в нагреваемых изделиях. Поэтому они обладают большей производительностью, а часто и более высоким КПД по сравнению с установками косвенного нагрева (с передачей энергии путём теплопроводности, конвекцией, излучением).

Индукционный нагрев осуществляется вихревыми токами, наводимыми в проводниках при помещении их в переменное магнитное поле.

Принцип работы индукционных нагревательных установок основан на поглощении электромагнитной энергии металлическим телом, помещенным в переменное электромагнитное поле индуктора.

Магнитное поле высокой напряженности создается индукторами (индукционными нагревателями), по которым протекает переменный ток промышленной, повышенной (при сквозном нагреве) и высокой (при поверхностном нагреве) частоты.

Рабочие напряжения генератора и индуктора согласовывают при помощи понижающего трансформатора.

Поскольку индуктор с нагреваемой деталью представляет собой воздушный (без сердечника) трансформатор с большим рассеянием, то он потребляет значительный намагничивающий ток. Для компенсации реактивной мощности и разгрузки генератора от реактивного намагничивающего тока параллельно индуктору (или понижающему трансформатору) подключают батарею статических конденсаторов, что позволяет настраивать контур конденсатор-трансформатор в резонанс токов.

В зависимости от источника питания и от метода преобразования переменного тока промышленной частоты 50 гц в переменный ток высокой или повышенной частоты индукционные электротермические установки могут быть разделены на три типа:

1. индукционные электротермические установки промышленной частоты (с питанием электроэнергией непосредственно от сетей промышленной частоты 50 гц);
2. электротермические установки повышенной частоты (с питанием от машинных или ионных преобразователей с рабочей частотой 500-10000 гц);
3. высокочастотные электротермические установки (с питанием от ламповых генераторов с рабочей частотой 66 кгц и выше).

Нормальная эксплуатация индукционных установок всех типов гарантируется заводами-изготовителями только в пожаро- и взрывобезопасных помещениях, расположенных на высоте не более 1000 м над уровнем моря, с температурой окружающего воздуха 10-25ºС и относительной влажностью воздуха не более 80%.

В помещение, где размещено оборудование индукционной электротермической установки, не должны попадать пары кислот, щелочей, а также токопроводящая пыль.

В сельскохозяйственном производстве все большее применение находят индукционные нагревательные установки. При индукционном нагреве электрическая энергия преобразуется в тепловую энергию в жидких или твердых проводниках, помещенных в переменное электромагнитное поле.

Индукционные водонагреватели на промышленной частоте могут использоваться при нагреве воды в системе поения животных, при нагреве воды в системе отопления и горячего водоснабжения различных объектов сельскохозяйственного назначения, а также при добыче вязкой и парафинистой нефти из скважин. Индукционный нагреватель включает корпус и кожух с размещенными между ними индукционными катушками, причём корпус снабжен радиаторами, установленными выше каждой индукционной катушки.

Основные энергетические соотношения системы "индуктор - нагреваемый материал" описываются следующими выражениями:

глубина проникновения силы тока, м:

где

ρ_а - удельное сопротивление нагреваемого материала, Ом·м;

μ_r - относительная магнитная проницаемость нагреваемого материала;

f - частота переменного тока, Гц;

Методика работы

Лабораторная установка состоит из индукционного нагревателя промышленной частоты, выполненного на базе статора асинхронного электродвигателя с характеристиками:

Р_н = 3 кВт; U = 380/220 В; I_н = 6,5А; η = 0,83; r_ф = 2,0 Ом; соsφ_н = 0,85; U_кз = 0,5 U_н.

Тело нагрева - неподвижный цилиндрический стакан, установленный вместо ротора. Основные размеры стакана следующие:

внутренний диаметр d_вн = 99 мм;

наружный диаметр d_н = 105 мм;

толщина стенки цилиндра δ = 3 мм;

удельное сопротивление стали ρ(0,11...0,15) · 10^-6 Ом·м;

магнитная проницаемость (относительная) μ = 400;

высота цилиндрического стакана в магнитном поле Н = 150 мм;

поправочный коэффициент К_м = 0,7.

Для питания индукционного нагревателя используется источник переменного тока промышленной частоты. Для измерения тока, напряжения и мощности используется комплект измерительных приборов.

Схема лабораторной установки приведена на рис 5.1.

Для анализа работы индукционного нагревателя промышленной частоты и его расчёта используют схему замещения (рис. 5.2), которая составляется, исходя из рассмотрения индуктора и нагреваемого тела как трансформатора, работающего в режиме короткого замыкания.

Параметры схемы замещения приведены на рис. 5.3.

Рис. 5.1. Принципиальная электрическая схема управления индукционным водонагревателем промышленной частоты

Рис. 5.2.Схема замещения

Рис. 5.3. Параметры схемы замещения

Заполнить водой нагревательную камеру индукционной нагревательной установки (цилиндрический стакан) до уровня 0,005 м (5 мм) от верхнего края.

Исследовать работу индукционной нагревательной установки. Включить индуктор. От этого момента ведется отсчёт времени нагрева. Исследования необходимо провести для напряжения 220 В. Результаты опыта свести в табл. 5.1. и построить рабочие характеристики индукционного водонагревателя.

Под рабочими характеристиками индукционного нагревателя понимают зависимости потребляемой из сети мощности Р₁, полезной мощности, выделяющейся в нагреваемом теле, Р₂, коэффициента полезного действия η и коэффициента мощности cosφ от тока индуктора I. Изменение этих величин объясняется нелинейностью кривой намагничивания стали и зависимостью магнитной проницаемости μ от тока намагничивания (напряженности магнитного поля). На рисунке 5.4(а) приведены кривые магнитной проницаемости μ = f(I) и кривая намагничивания стали U = f(I).

На рисунке 5.4(б) приведены рабочие характеристики индукционного нагревателя.Для всех характеристик можно отчётливо выделить две зоны. Зона 1 - материал не насыщен. Напряжение U прямо пропорционально току и мощности. Р₁ и Р₂ пропорциональны квадрату тока. Зона 2 - материал насыщен. Напряжение практически не возрастает с ростом намагничивающего тока. Потребляемая мощность Р₁ возрастает прямо пропорционально току. Полезная мощность Р₂ прекращает возрастать в связи с прекращением роста магнитного потока в материале.

В зоне 1 КПД η и коэффициент мощности cosφ имеют максимумы, соответствующие значению тока, при котором магнитная проницаемость μ достигает максимального значения. Далее они снижаются и в зоне 2 стремятcя при токе I → ∞; η → 0; cosφ → cosφ0, соответствующего μ = 1.

Рис. 5.4. а) зависимости магнитной проницаемости и намагничивания стали от силы тока; б) рабочие характеристики индукционного нагревателя

Таблица 5.1

В связи с тем, что параметры стали, такие как магнитная проницаемость и удельное сопротивление - в значительной степени зависят от температуры, то с изменением температуры нагрева должна изменяться и мощность. Используя графики (рис. 5.4), можно выяснить характер изменения мощности. Изменение магнитной проницаемости μ и удельного сопротивления ρ приведены на графике (рис. 5.5 а). Сталь теряет свои магнитные свойства при температуре Кюри Т_к; μ = 1, ρ_а возрастает почти линейно с ростом температуры. В связи с этим изменяется глубина проникновения электромагнитной волны Z_а в материал по зависимости (рис. 5.5 б). Это, в свою очередь, вызывает изменение активного сопротивления нагреваемого материала r_м (рис. 5.5 в), то есть обратно пропорционально Z_а, а мощность, если её выразить через это сопротивление и величину ЭДС Е на один виток индуктора, изменяется обратно пропорционально r_м.

Рис. 5.5. Характер изменения мощности

Исследуемая установка работает при температурах значительно меньших Т_к. Поэтому с ростом температуры нагрева следует ожидать снижения мощности, потребляемой из сети (рис. 5.5 г).

Содержание отчёта

1. Принципиальная электрическая схема лабораторной установки.
2. Расчётные формулы.
3. Рабочие характеристики: табл. 5.1 и графики.
4. Выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип индукционного нагрева. Область его применения.
2. Перечислите основные элементы установки индукционного нагрева и укажите их назначение.
3. Как выполняется обмотка нагревателя?
4. Каковы достоинства нагревателя?
5. В чем заключается явление поверхностного эффекта?
6. Где может применяться индукционный воздушный нагреватель?
7. От чего зависит глубина проникновения тока в нагреваемый материал?
8. Чем определяется КПД кольцевого индуктора?
9. Почему для выполнения индукционных нагревателей на промышленной частоте необходимо применять ферромагнитные трубы?
10. Что наиболее существенно влияет на cos φ индуктора?
11. Как изменяется скорость нагрева с повышением температуры нагреваемого материала?
12. На какие параметры стали влияет измерение температуры?

Приложение 5

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006