Файл: Электроэнергетика и электротехника профиль Электроснабжение Составители юс. Крежевский да. Ребровская Ульяновск Улгту 2016.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.11.2023
Просмотров: 37
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Практикум к выполнению лабораторных работ для бакалавров направления 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника профиль Электроснабжение) Составители ЮС. Крежевский ДА. Ребровская Ульяновск
УлГТУ
2016
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Практикум к выполнению лабораторных работ для бакалавров направления 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника профиль Электроснабжение) Составители ЮС. Крежевский ДА. Ребровская Ульяновск
УлГТУ
2016
УДК 621.35.035 (076)
ББК 31.29-5 я Э 45 Рецензент
– канд. техн. наук, профессор кафедры Электроснабжение энергетического факультета Ульяновского государственного технического университета Е.В. Бондаренко Рекомендовано научно-методической комиссией энергетического факультета в качестве практикума
Электротехнологические установки : практикум к выполнению лабораторных работ для бакалавров направления 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника (профиль Электроснабжение)
/ сост. : ЮС. Крежевский, ДА. Ребровская. – Ульяновск : УлГТУ, 2016.
– 67 с. Изложены цели, методика и порядок выполнения работ лабораторного практикума по дисциплине «Электротехнологические установки. Практикум содержит описания шести лабораторных работ, тематически охватывающие основные разделы соответствующего лекционного курса. Подготовлен на кафедре Электроснабжение.
УДК 621.35.035 (076)
ББК 31.23 я
Крежевский ЮС, Ребровская ДА, составление, 2016
Оформление. УлГТУ, 2016 Э 45
СОДЕРЖАНИЕ ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ, РАБОТАЮЩИХ В ЛАБОРАТОРИИ «ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ. 4 ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 4 Лабораторная работа №1. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ. 6 Лабораторная работа №2. ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОСВАРОЧНЫХ УСТАНОВОК. 20 Лабораторная работа №3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОПРОВОДА ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ 28 Лабораторная работа №4. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ 41 Лабораторная работа №5. СНЯТИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ ДИОДОВ. 49 Лабораторная работа №6. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ УСТАНОВОК 57 ПРИЛОЖЕНИЕ 66 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 67 3
ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ, РАБОТАЮЩИХ В ЛАБОРАТОРИИ
«ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
1. Студенты допускаются к лабораторным работам только после предварительного инструктажа по технике безопасности, о чем должны свидетельствовать их личные подписи в специальном журнале.
2. СТРОГО ВОСПРЕЩАЕТСЯ
2.1. Касаться неизолированных проводников и частей аппаратуры, находящейся под напряжением.
2.2. Включать под напряжение схему безпроверки и разрешения руководителя. Производить переключения в схемах, находящихся под напряжением. Заходить за ограждения лабораторных щитов.
2.5. Оставлять без наблюдения установку, находящуюся под напряжением. Загромождать рабочее место посторонними предметами.
3. При НЕСЧАСТНОМ СЛУЧАЕ необходимо немедленно
3.1. Отключить напряжение, освободить пострадавшего.
3.2. Оказать пострадавшему первую помощь.
3.3. Сообщить руководителю или лаборанту.
3.4. При необходимости вызвать скорую помощь. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Практикум содержит описание и указания по выполнению лабораторных работ по основным разделам курса «Электротехнологические установки. В описании каждой лабораторной работы приводятся цель выполнения работы, схема и особенности лабораторного стенда, программа и методика выполнения работы, указания по оформлению отчета. Выполнение лабораторных работ, включенных в практикум, способствует закреплению и углублению знаний студентов, обучающихся по направлению Электроэнергетика и электротехника (профиль Электроснабжение, лучшему усвоению теоретического материала. Все работы носят расчетно-экспериментальный характер. Каждая лабораторная работа состоит из двух частей – подготовительной и экспериментальной, которая выполняется в два этапа. Подготовительный этап Для успешного выполнения лабораторных работ необходима предварительная теоретическая подготовка. Поэтому непосредственному проведению эксперимента должна предшествовать самостоятельная работа студентов. Она включает в себя изучение материала в описании работы, рекомендуемой литературе, выполнение одного из вариантов индивидуального задания, проработку контрольных вопросов, составление предварительного отчета. Экспериментальный этап Перед началом работы следует изучить устройство и схему установки и ознакомиться с паспортными данными электрооборудования. Экспериментальная часть работы выполняется бригадой студентов в составе 2-3 человек на лабораторных стендах. На лицевой стороне стенда рельефно изображена схема коммутации, установлены коммутационные аппараты и измерительные приборы. На основе предварительного отчета, конкретного задания и кратких методических указаний проводится сборка схемы и сам эксперимент. При составлении схемы сначала рекомендуется собрать главную последовательную цепь, а затем выполнить соединение параллельных цепей. После сборки схемы и ее проверки следует проконтролировать правильность положения ручек регуляторов и переключателей, а также положения стрелок измерительных приборов на нулевой отметке шкалы. Собранную и проверенную схему необходимо предъявить руководителю лабораторных работ и только после его разрешения можно включать установку. При включении под напряжение схемы необходимо следить за поведением приборов, при резких ударах стрелок приборов схема должна быть немедленно отключена от источника питания. При проведении эксперимента нужно снять необходимые показания приборов, выполнить требуемые расчеты и занести их в соответствующие таблицы предварительного отчета. В отчете необходимо сделать анализ результатов измерений и расчетов, построить необходимые графики, векторные диаграммы и сделать выводы по лабораторной работе в соответствии с заданным вариантом. По окончании работы схема должна быть разобрана и рабочий стол подготовлен для другой бригады. Отчет о лабораторной работе, подписанный студентом, предъявляется руководителю занятий для отметки о выполнении эксперимента. При подготовке к защите работы студенты должны продумать ответы на контрольные вопросы, приводимые в конце каждой работы. Отчет выполняется на листах формата А в печатном или рукописном виде. Образец титульного листа приведен в приложении. Отчет выполняется каждым студентом и должен содержать
1
) цель испытаний паспортные данные установок и приборов
3) принципиальные схемы
4) расчетную часть одного из вариантов задания
5) таблицы с опытными и расчетными данными
6) графики сих анализом
7) выводы.
5
«ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
1. Студенты допускаются к лабораторным работам только после предварительного инструктажа по технике безопасности, о чем должны свидетельствовать их личные подписи в специальном журнале.
2. СТРОГО ВОСПРЕЩАЕТСЯ
2.1. Касаться неизолированных проводников и частей аппаратуры, находящейся под напряжением.
2.2. Включать под напряжение схему безпроверки и разрешения руководителя. Производить переключения в схемах, находящихся под напряжением. Заходить за ограждения лабораторных щитов.
2.5. Оставлять без наблюдения установку, находящуюся под напряжением. Загромождать рабочее место посторонними предметами.
3. При НЕСЧАСТНОМ СЛУЧАЕ необходимо немедленно
3.1. Отключить напряжение, освободить пострадавшего.
3.2. Оказать пострадавшему первую помощь.
3.3. Сообщить руководителю или лаборанту.
3.4. При необходимости вызвать скорую помощь. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Практикум содержит описание и указания по выполнению лабораторных работ по основным разделам курса «Электротехнологические установки. В описании каждой лабораторной работы приводятся цель выполнения работы, схема и особенности лабораторного стенда, программа и методика выполнения работы, указания по оформлению отчета. Выполнение лабораторных работ, включенных в практикум, способствует закреплению и углублению знаний студентов, обучающихся по направлению Электроэнергетика и электротехника (профиль Электроснабжение, лучшему усвоению теоретического материала. Все работы носят расчетно-экспериментальный характер. Каждая лабораторная работа состоит из двух частей – подготовительной и экспериментальной, которая выполняется в два этапа. Подготовительный этап Для успешного выполнения лабораторных работ необходима предварительная теоретическая подготовка. Поэтому непосредственному проведению эксперимента должна предшествовать самостоятельная работа студентов. Она включает в себя изучение материала в описании работы, рекомендуемой литературе, выполнение одного из вариантов индивидуального задания, проработку контрольных вопросов, составление предварительного отчета. Экспериментальный этап Перед началом работы следует изучить устройство и схему установки и ознакомиться с паспортными данными электрооборудования. Экспериментальная часть работы выполняется бригадой студентов в составе 2-3 человек на лабораторных стендах. На лицевой стороне стенда рельефно изображена схема коммутации, установлены коммутационные аппараты и измерительные приборы. На основе предварительного отчета, конкретного задания и кратких методических указаний проводится сборка схемы и сам эксперимент. При составлении схемы сначала рекомендуется собрать главную последовательную цепь, а затем выполнить соединение параллельных цепей. После сборки схемы и ее проверки следует проконтролировать правильность положения ручек регуляторов и переключателей, а также положения стрелок измерительных приборов на нулевой отметке шкалы. Собранную и проверенную схему необходимо предъявить руководителю лабораторных работ и только после его разрешения можно включать установку. При включении под напряжение схемы необходимо следить за поведением приборов, при резких ударах стрелок приборов схема должна быть немедленно отключена от источника питания. При проведении эксперимента нужно снять необходимые показания приборов, выполнить требуемые расчеты и занести их в соответствующие таблицы предварительного отчета. В отчете необходимо сделать анализ результатов измерений и расчетов, построить необходимые графики, векторные диаграммы и сделать выводы по лабораторной работе в соответствии с заданным вариантом. По окончании работы схема должна быть разобрана и рабочий стол подготовлен для другой бригады. Отчет о лабораторной работе, подписанный студентом, предъявляется руководителю занятий для отметки о выполнении эксперимента. При подготовке к защите работы студенты должны продумать ответы на контрольные вопросы, приводимые в конце каждой работы. Отчет выполняется на листах формата А в печатном или рукописном виде. Образец титульного листа приведен в приложении. Отчет выполняется каждым студентом и должен содержать
1
) цель испытаний паспортные данные установок и приборов
3) принципиальные схемы
4) расчетную часть одного из вариантов задания
5) таблицы с опытными и расчетными данными
6) графики сих анализом
7) выводы.
5
Предварителыий отчет включает пп. 1, 3, 4, а также таблицы для записи паспортных данных электрооборудования, результатов испытаний и расчетов. Лабораторная работа №1 ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ Цели работы
1. Изучить конструкции печей косвенного действия, нагревательных элементов и датчиков температуры.
2. Освоить методы электрического расчета печей сопротивления.
3. Ознакомиться с автоматическим регулированием температуры в электрических печах. Краткие теоретические сведения
1. Классификация электрических печей сопротивления (ЭПС) Печи нагрева методом электрического сопротивления являются широким классом устройств, применяемых для сушки, термообработки и плавки различных изделий. Различают ЭПС прямого и косвенного действия. В первых тепло выделяется непосредственно в нагреваемом теле при протекании через него электрического тока, у вторых – тепло выделяется в специальных нагревательных элементах и передается объекту нагрева излучением, конвекцией и теплопроводностью. ЭПС косвенного действия представляют собой камеру, состояшую из огнеупорного кирпича, образующего рабочее пространство печи, и теплоизоляционного слоя, служащего для уменьшения тепловых потерь. Кладка печи заключена в металлический кожух. В рабочем пространстве размещаются нагревательные элементы. Они делятся на низко, средне- и высокотемпературные. Низкотемпературные печи (до С) используются в технологических процессах сушки и отпуска стальных изделий, нагрева под термическую и механическую обработку цветных металлов и сплавов и для плавки легкоплавких металлов.
Среднетемпературные (до С) ЭПС применяют для закалки, отпуска, нормализации, цементации, спекания, нагрева подковку, штамповку, прокатку, прессование и других технологических процессов. Высокотемпературные до С) предназначены для дегазации, рафинирования, термообработки тугоплавких металлов и сплавов, выращивания монокристаллов и их обработки, нагрева тугоплавких металлов и сплавов перед пластической деформацией. По конструктивным признаками характеру технологического цикла
ЭПС бывают периодического и непрерывного действия. В печах периодического действия изделия загружаются в камеру и постепенно нагреваются в ней, оставаясь неподвижными. В каждый момент времени температура всех точек печной камеры примерно одинакова (рис. 1.1). В печах непрерывного действия изделия загружаются с одного конца печи и, постепенно перемещаясь вдоль нее, выходят с другого конца нагретыми до заданной температуры. В таких печах температура повышается от загрузочного конца печи к разгрузочному, оставаясь неизменной во времени в каждой точке (рис. 1.2).
2. Нагревательные элементы для ЭПС Нагревательное элементы (НЭ) изготовляют из жаростойких материалов с высоким удельным сопротивлением. Различают металлические, металлокерамические и карборундовые НЭ. Основные характеристики материалов для нагревателей приведены в [11, табл. 1.6]. Металлокерамические и карборундовые НЭ применяют в высокотемпературных ЭПС. Металлические НЭ – в низкотемпературных. По конструкции они делятся на зигзаг проволочный или ленточный и спираль (рис. 1.3). Оптимальной конструкцией НЭ сточки зрения срока службы является зигзаг проволочный. Но зигзаг из-за низкого электрического сопротивления подключают через понижающие трансформаторы, что приводит к дополнительным потерям. Преимуществом спирального НЭ является возможность его подключения непосредственно к цеховой электрической сети, недостатком – отсутствие строго фиксированного шага, что может привести к местным перегревам, замыканию витков и выходу из строя. Принцип действия нагревателей ЭПС основан на явлении нагрева проводника, включенного в электрическую цепь. Количество тепла Q, выделяемое при прохождении электрического тока, определяется в соответствии с законом Джоуля-Ленца.
),
(
10 278
,
0
)
(
10 239
,
0
)
;
(
2 6
2 3
2 2
кВт
Rt
I
ккал
Rt
I
Дж
с
Вт
t
R
U
UIt
Rt
I
Q
−
−
⋅
=
⋅
=
=
⋅
=
=
=
(где I – ток, протекающий через нагреватель, А,
R – сопротивление нагревателя, Ом,
U – напряжение, приложенное к нагревателю, В,
7
t – время прохождения тока, с. Тепловая энергия с поверхности нагревателя посредством излучения и конвекции передается нагреваемому изделию. Мощность, излучаемую
НЭ с единицы поверхности, называют удельной поверхностной мощностью нагревателя W. Идеальный НЭ получим, если представить, что тепловые потери отсутствуют и все тепло передается нагреваемому телу.
]
)
100
(
)
100
[(
4 4
изд
н
пр
ид
Т
Т
C
W
−
=
, мкВт (1.2) где Т
н
, изд – соответственно, температура нагревателя и изделия, К, Спр – приведенный коэффициент излучения
,
1
/
1
/
1 7
,
5
−
+
=
изд
н
пр
С
ε
ε
н
изд
ε
ε ,
– коэффициенты теплового излучения материала нагревателя и изделия. Но изделию передается не все тепло (потери тепла, не вся поверхность НЭ участвует в теплообмене, поэтому реальная удельная поверхностная мощность
(1.3) где С
эф
= 0,3 – 0,8 – коэффициент эффективности излучения, зависящий от размеров НЭ, их расположения в печи, условий теплоотдачи. Удельная поверхностная мощность определяет при заданной температуре нагрева рабочую температуру НЭ, от которой зависит срок их службы. Под сроком службы НЭ понимают время его работы при заданной температуре, в течение которого его токопроводящее сечение уменьшится вследствие окисления на 20%, для металлических – это около 10 тыс. часов, для металлокерамических и карборундовых – около 2 тыс. часов.
,
ид
эф
W
C
W
=
8
Рис. 1.1. Основные типы печей сопротивления периодического действия а – камерная б – шахтная в – колпаковая; г – элеваторная д – с выдвижным подом
1 – кладка печи, 2 – садка, 3 – нагреватели
9
1 – кладка печи, 2 – садка, 3 – нагреватели
9
Рис. 1.2. Основные типы печей сопротивления методического действия а – конвейерная б – барабанная в – рольганговая; г – карусельная
1 – кладка печи 2 – механизм перемещения изделий
3 – нагреватели 4 – нагреваемые изделия
10
1 – кладка печи 2 – механизм перемещения изделий
3 – нагреватели 4 – нагреваемые изделия
10
Рис. 1.3. Конструкция нагревательных элементов а – проволочная спираль б – проволочный и ленточный зигзаг
11
11
Для определения размеров (сечения и длины) и размещения НЭ в камере печи выполняют следующий расчета) по рабочей температуре в печи (максимальная температура нагрева изделия Т
изд max
) выбирается материал НЭ [11, табл. 1.6]. Рабочая температура нагревателя принимается на 50 – Свыше температуры изделия
;
)]
200 50
(
[
н
изд
T
T
≤
÷
+
(1.4) б) для выбранного материала с учетом его рабочей температуры и температуры нагрева изделия вычисляют по формуле (1.2) удельную поверхностную мощность идеального НЭ; в) с учетом коэффициента эффективности С
эф
, по формуле (1.3) вычисляют удельную поверхностную мощность реального НЭ; г) в стационарном режиме при заданной температуре к нагревателю подводится электрическая мощность (Вт)
,
2 2
S
l
U
R
U
P
ρ
=
=
(1.5) которая равна тепловой мощности, отдаваемой поверхностью нагревателя изделию П (1.6) где – удельное сопротивление материала нагревателя при рабочей температуре, Ом
•
м,
l – длина нагревателям сечение нагревателям удельная поверхностная мощность нагревателя, рассчитанная по формуле (1.3), Вт/м
2
,
F – площадь поверхности нагревателям, П – периметр НЭ, м д) решая совместно (1.3) и (1.6) и, принимая во внимание, что для
НЭ круглого сечения Па, получим
,
4 3
2 2
2
W
U
P
d
π
ρ
=
(1.7) где d – диаметр НЭ, м.
12
изд max
) выбирается материал НЭ [11, табл. 1.6]. Рабочая температура нагревателя принимается на 50 – Свыше температуры изделия
;
)]
200 50
(
[
н
изд
T
T
≤
÷
+
(1.4) б) для выбранного материала с учетом его рабочей температуры и температуры нагрева изделия вычисляют по формуле (1.2) удельную поверхностную мощность идеального НЭ; в) с учетом коэффициента эффективности С
эф
, по формуле (1.3) вычисляют удельную поверхностную мощность реального НЭ; г) в стационарном режиме при заданной температуре к нагревателю подводится электрическая мощность (Вт)
,
2 2
S
l
U
R
U
P
ρ
=
=
(1.5) которая равна тепловой мощности, отдаваемой поверхностью нагревателя изделию П (1.6) где – удельное сопротивление материала нагревателя при рабочей температуре, Ом
•
м,
l – длина нагревателям сечение нагревателям удельная поверхностная мощность нагревателя, рассчитанная по формуле (1.3), Вт/м
2
,
F – площадь поверхности нагревателям, П – периметр НЭ, м д) решая совместно (1.3) и (1.6) и, принимая во внимание, что для
НЭ круглого сечения Па, получим
,
4 3
2 2
2
W
U
P
d
π
ρ
=
(1.7) где d – диаметр НЭ, м.
12
Выбирается ближайший стандартный диаметр из следующей шкалы
[8]
, мм
2,0; 2,2; 2,5; 2,8; 3,2; 3,6; 4,0; 4,5; 5,0; 5,6; 6,3; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13; 14; 15;
16; 17; 18; 19; 20; е) для нагревателей прямоугольного сечения задаются соотношением сторон Толщина полосы (м)
3 2
2
)
1
(
2
W
U
m
m
P
a
+
⋅
=
ρ
(1.8) Выбирается ближайшее стандартное сечение НЭ из следующей шкалы, мм 1,5
×
15; 2
×
15; 2,2
×
20; 2,5
×
20; 3
×
20; 2,2
×
25; 2,5
×
25; 3
×
25;
2,2
×
30;2,5
×
30; 3
×
30; 2,2
×
36; 2,5
×
36; 3
×
36; 2,2
×
40; 2,5
×
40; 3
×
40; ж) рассчитывается активное сопротивление нагревателя, его длина и вес
(1.9) где G – вес НЭ, кг,
γ
– плотность материала НЭ, кг/м
3
Следует учесть, что расчет НЭ ведется для одной фазы.
3. Автоматическое регулирование ЭПС Автоматическое регулирование процесса нагрева, в частности регулирование температуры, способствует повышению эффективности ЭПС. Задача устройств автоматического регулирования состоит в том, чтобы обеспечить нагрев до заданной температуры и поддерживать ее на постоянном уровне с точностью, соответствующей требованиям технологического процесса. Функциональная схема автоматического регулирования рабочей температуры печи сопротивления приведена на рис. 1.4.
,
γ
⋅
⋅
=
l
S
G
13
[8]
, мм
2,0; 2,2; 2,5; 2,8; 3,2; 3,6; 4,0; 4,5; 5,0; 5,6; 6,3; 7; 8; 9; 10; 11; 12; 13; 14; 15;
16; 17; 18; 19; 20; е) для нагревателей прямоугольного сечения задаются соотношением сторон Толщина полосы (м)
3 2
2
)
1
(
2
W
U
m
m
P
a
+
⋅
=
ρ
(1.8) Выбирается ближайшее стандартное сечение НЭ из следующей шкалы, мм 1,5
×
15; 2
×
15; 2,2
×
20; 2,5
×
20; 3
×
20; 2,2
×
25; 2,5
×
25; 3
×
25;
2,2
×
30;2,5
×
30; 3
×
30; 2,2
×
36; 2,5
×
36; 3
×
36; 2,2
×
40; 2,5
×
40; 3
×
40; ж) рассчитывается активное сопротивление нагревателя, его длина и вес
(1.9) где G – вес НЭ, кг,
γ
– плотность материала НЭ, кг/м
3
Следует учесть, что расчет НЭ ведется для одной фазы.
3. Автоматическое регулирование ЭПС Автоматическое регулирование процесса нагрева, в частности регулирование температуры, способствует повышению эффективности ЭПС. Задача устройств автоматического регулирования состоит в том, чтобы обеспечить нагрев до заданной температуры и поддерживать ее на постоянном уровне с точностью, соответствующей требованиям технологического процесса. Функциональная схема автоматического регулирования рабочей температуры печи сопротивления приведена на рис. 1.4.
,
γ
⋅
⋅
=
l
S
G
13
Рис. 1.4. Функциональная схема регулирования температуры
1 – задающее устройство для ручного и автоматического ввода заданного значения температуры 2 – регулятор, вычисляющий в зависимости от величины и знака отклонения температуры (∆t) от заданного значения величину регулирующего воздействия 3 – усилитель мощности 4 – исполнительное устройство
5 – объект регулирования 6 – датчик температуры 7 – устройство сравнения измерительного и заданного значений температур (для определения отклонения
∆t); 8 – одна из возможных обратных связей В качестве датчиков температуры используют
– термометры сопротивления. Их принцип работы основан на свойстве различных материалов изменять свое сопротивление в зависимости от температуры. Их применяют для измерения температур до СВ промышленности используются платиновые термометры типа ТСП и медные типа ТСМ;
– термопары – два разнородных проводника, спаянные водной точке. При нагреве места спаяна свободных холодных концах проводников появляется термо-ЭДС, пропорциональная температуре. Применяют хро- мель-алюминевые термопары ТХА – С, платино-радий-платиновые
ТПП – Сит. д
– термометры излучения радиационные и фотоэлектрические. Первые типа Рапир с пределами измерений 100–4000 С имеют телескоп, концентрирующий с помощью оптики лучистый поток, излученный нагреваемым телом. Во вторых, чувствительным элементом является фотосопротивление. Рабочая температура фотоэлектрических термометров
ФЭП-4 С, ФЭП-60 С. Для измерения, записи и регулирования температуры в сочетании сдатчиками температуры применяют электронные мосты, термометрические милливольтметры или электронные потенциометры.
14
1 – задающее устройство для ручного и автоматического ввода заданного значения температуры 2 – регулятор, вычисляющий в зависимости от величины и знака отклонения температуры (∆t) от заданного значения величину регулирующего воздействия 3 – усилитель мощности 4 – исполнительное устройство
5 – объект регулирования 6 – датчик температуры 7 – устройство сравнения измерительного и заданного значений температур (для определения отклонения
∆t); 8 – одна из возможных обратных связей В качестве датчиков температуры используют
– термометры сопротивления. Их принцип работы основан на свойстве различных материалов изменять свое сопротивление в зависимости от температуры. Их применяют для измерения температур до СВ промышленности используются платиновые термометры типа ТСП и медные типа ТСМ;
– термопары – два разнородных проводника, спаянные водной точке. При нагреве места спаяна свободных холодных концах проводников появляется термо-ЭДС, пропорциональная температуре. Применяют хро- мель-алюминевые термопары ТХА – С, платино-радий-платиновые
ТПП – Сит. д
– термометры излучения радиационные и фотоэлектрические. Первые типа Рапир с пределами измерений 100–4000 С имеют телескоп, концентрирующий с помощью оптики лучистый поток, излученный нагреваемым телом. Во вторых, чувствительным элементом является фотосопротивление. Рабочая температура фотоэлектрических термометров
ФЭП-4 С, ФЭП-60 С. Для измерения, записи и регулирования температуры в сочетании сдатчиками температуры применяют электронные мосты, термометрические милливольтметры или электронные потенциометры.
14
В ЭПС может применяться непрерывное и ступенчатое регулирование температуры. ЭПС являются объектами с самовыравниванием, когда каждому значению подводимой мощности соответствует свое значение установившейся температуры. Это упрощает задачу регулирования и при любом методе оно осуществляется изменением подводимой мощности. Температура печей сопротивления изменяется довольно медленно, а для поддержания ее постоянной обычно не требуется соответствия между поступавшей в печь и потребляемой нагреваемым телом мощностями в каждый момент времени. Достаточно, если это соотношение выполняется для средних значений мощностей за длительное время. Это позволяет во многих случаях отказываться от сложных непрерывных методов и применять ступенчатое регулирование, которое бывает двух и трехпозиционным. При двухпозиционном регулировании сначала включают печь на полную мощность. После достижения заданной температуры ее поддержание обеспечивают периодическими включениями и отключениями печи, то есть работой по циклу полная мощность – нулевая мощность. Средняя мощность, потребляемая ЭПС
(1.10) где Р
ср
– средняя мощность,
Р
ном
– полная или номинальная мощность,
вкл
τ
– время включения,
откл
τ
– время отключения, цикла – время цикла. По мере прогрева ЭПС уменьшается разность температур между НЭ, стенками печи и нагреваемой заготовкой, что приводит к уменьшению времени включения и увеличению времени отключения, поэтому средняя мощность начинает падать (рис. 1.5). Для облегчения работы коммутационной аппаратуры необходимо стремиться к уменьшению частоты переключений при одновременном снижении величины коммутируемой мощности. Это достигается регулированием по циклу полная мощность – нулевая мощность – частичная мощность. Такое регулирование называется трехпозиционным. В период разогрева печь включается на полную мощность, при достижении заданной температуры переключается на частичную мощность, ив период выдержки регулируется по циклу частичная мощность – выключено.
,
цикла
вкл
ном
откл
вкл
вкл
ном
ср
Р
Р
P
τ
τ
τ
τ
τ
=
+
=
15
(1.10) где Р
ср
– средняя мощность,
Р
ном
– полная или номинальная мощность,
вкл
τ
– время включения,
откл
τ
– время отключения, цикла – время цикла. По мере прогрева ЭПС уменьшается разность температур между НЭ, стенками печи и нагреваемой заготовкой, что приводит к уменьшению времени включения и увеличению времени отключения, поэтому средняя мощность начинает падать (рис. 1.5). Для облегчения работы коммутационной аппаратуры необходимо стремиться к уменьшению частоты переключений при одновременном снижении величины коммутируемой мощности. Это достигается регулированием по циклу полная мощность – нулевая мощность – частичная мощность. Такое регулирование называется трехпозиционным. В период разогрева печь включается на полную мощность, при достижении заданной температуры переключается на частичную мощность, ив период выдержки регулируется по циклу частичная мощность – выключено.
,
цикла
вкл
ном
откл
вкл
вкл
ном
ср
Р
Р
P
τ
τ
τ
τ
τ
=
+
=
15
Рис. 1.5. График изменения температуры и мощности печи при двухпозиционном регулировании Частичную мощность можно получить переключением НЭ с параллельного соединения на последовательное при однофазном питании, со звезды на последовательное и с треугольника на звезду – при трехфазном
16
16
питании. Для нормальной работы ЭПС необходимо, чтобы частичная мощность была больше мощности тепловых потерь. Ступенчатое регулирование может обеспечить поддержание температуры с точностью ±10%. Если по условиям технологического процесса требуется более высокая точность, то необходимо применять непрерывное плавное регулирование. При этом каждый элемент системы регулирования воздействует на последующий непрерывно, те. выходная величина регулятора является непрерывной функцией рассогласования на его входе. При непрерывном регулировании в качестве исполнительного устройства используют бесконтактный выключатель с применением тиристоров. Расчетная часть Исходные данные для расчета при выполнении индивидуального задания принимаются по одному из вариантов, приведенных в табл. 1.1. Основные характеристики нагревателя и печи заносятся в табл. 1.2, 1.3. Таблица 1.1 Исходные данные для расчета нагревателя по вариантам Наименование исходных данных Номер соответствует первой цифре заданного варианта
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10 Конструкция нагревателя
*
**
***
*
**
***
*
**
**
* Коэффициент эффективности
0,4 0,5 0,6 0,5 0,6 0,8 0,3 0,7 0,5 0,8 Нагреваемый металл
1 2
3 4
5 4
2 4
5 1 Схема соединения нагревателей
Y
Y
Y
Y
Y
Мощность печи, кВт
30 36 42 48 51 54 60 66 72 90 Рабочая температура в печи, С
450 500 650 600 650 700 750 800 850 900 Напряжение сети, В
380 Примечания 1) * – спираль, **– зигзаг ленточный, *** – зигзаг проволочный 2) 1 – алюминий, ε=0,3; 2 – медь, ε=0,7; 3 – сталь, ε=0,8;
4 – чугун, ε=0,81; 5 – нихром, ε=0,8.
17
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10 Конструкция нагревателя
*
**
***
*
**
***
*
**
**
* Коэффициент эффективности
0,4 0,5 0,6 0,5 0,6 0,8 0,3 0,7 0,5 0,8 Нагреваемый металл
1 2
3 4
5 4
2 4
5 1 Схема соединения нагревателей
Y
Y
Y
Y
Y
Мощность печи, кВт
30 36 42 48 51 54 60 66 72 90 Рабочая температура в печи, С
450 500 650 600 650 700 750 800 850 900 Напряжение сети, В
380 Примечания 1) * – спираль, **– зигзаг ленточный, *** – зигзаг проволочный 2) 1 – алюминий, ε=0,3; 2 – медь, ε=0,7; 3 – сталь, ε=0,8;
4 – чугун, ε=0,81; 5 – нихром, ε=0,8.
17
Таблица 1.2 Характеристика нагревательного элемента Материал, конструкция, удельное сопротивление) Для одной фазы
W
исходн. уточнен.
10 4
Вт/м
2
d
(a
×
b) мм
l, мм
G, кг Р, кВт
U, В
I, А Таблица 1.3 Характеристика печи как потребителя электроэнергии Р, кВт,
В
Схема соединения нагревателей Количество фаз Ток фазы, А Ток линейный, А Задание
1) Изучить конструкции ЭПС, нагревательных элементов, датчиков температуры, методы автоматического регулирования температуры, принципиальную схему установки.
2) Выполнить расчетную часть.
3) Снять и построить зависимость температуры и мощности от времени при трехпозиционном регулировании. Краткие методические указания
1. Подключить приборы по схеме рис. 1.6.
2. Подать напряжение включением пакетного выключателя Q1 в силовую цепь и тумблера Q2 – в цепь автоматики.
3. Показания приборов записывать в таблицу 1.3. Первое показание в момент. Второе –
τ
= 4–
5 мин. Все последующие – с учетом срабатывания регулятора. Показания прибора t снимать до первого переключения полная мощность – частичная мощность. Началом этого регулирования будет температура, показываемая прибором t. В дальнейшем снимать по прибору 2∆t. Вся шкала 2∆t соответствует 10 С. Показания снимать не более 35 мин.
4. На основании данных табл. 1.3 строят зависимости
)
(
);
(
τ
τ
f
P
f
C
t
=
=
18
W
исходн. уточнен.
10 4
Вт/м
2
d
(a
×
b) мм
l, мм
G, кг Р, кВт
U, В
I, А Таблица 1.3 Характеристика печи как потребителя электроэнергии Р, кВт,
В
Схема соединения нагревателей Количество фаз Ток фазы, А Ток линейный, А Задание
1) Изучить конструкции ЭПС, нагревательных элементов, датчиков температуры, методы автоматического регулирования температуры, принципиальную схему установки.
2) Выполнить расчетную часть.
3) Снять и построить зависимость температуры и мощности от времени при трехпозиционном регулировании. Краткие методические указания
1. Подключить приборы по схеме рис. 1.6.
2. Подать напряжение включением пакетного выключателя Q1 в силовую цепь и тумблера Q2 – в цепь автоматики.
3. Показания приборов записывать в таблицу 1.3. Первое показание в момент. Второе –
τ
= 4–
5 мин. Все последующие – с учетом срабатывания регулятора. Показания прибора t снимать до первого переключения полная мощность – частичная мощность. Началом этого регулирования будет температура, показываемая прибором t. В дальнейшем снимать по прибору 2∆t. Вся шкала 2∆t соответствует 10 С. Показания снимать не более 35 мин.
4. На основании данных табл. 1.3 строят зависимости
)
(
);
(
τ
τ
f
P
f
C
t
=
=
18
Рис. Схема установки для автоматического регулирования температуры в печах сопротивления Контрольные вопросы
1. Классификация ЭПС.
2. Принцип действия печей сопротивления.
3. Конструкции нагревательных элементов.
4. Понятие об удельной поверхностной мощности и сроке службы НЭ.
5. Датчики температуры.
6. Характеристика методов автоматического регулирования температуры
ЭПС.
7. Двухпозиционное регулирование температуры.
8.
Трехпозиционное и непрерывное регулирование температуры. Лабораторная работа №2 ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОСВАРОЧНЫХ УСТАНОВОК Цели работы
1. Закрепить знания по разделу Электрические сварочные установки. Исследовать режимы работы сварочного трансформатора под нагрузкой. Краткие теоретические сведения
1. Классификация ЭПС.
2. Принцип действия печей сопротивления.
3. Конструкции нагревательных элементов.
4. Понятие об удельной поверхностной мощности и сроке службы НЭ.
5. Датчики температуры.
6. Характеристика методов автоматического регулирования температуры
ЭПС.
7. Двухпозиционное регулирование температуры.
8.
Трехпозиционное и непрерывное регулирование температуры. Лабораторная работа №2 ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПОВ РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОСВАРОЧНЫХ УСТАНОВОК Цели работы
1. Закрепить знания по разделу Электрические сварочные установки. Исследовать режимы работы сварочного трансформатора под нагрузкой. Краткие теоретические сведения
1 2 3
1. Основные сведения об электрической дуге В точке соприкосновения электрода со свариваемыми деталями по закону Джоуля-Ленца выделяется достаточно большое количество тепла. После отрыва электрода от деталей воздушный промежуток между ними разогревается, из катода начинается мощная термоэлектронная эмиссия. Воздух становится проводником электричества, что создает мощный дуговой разряд, который принято называть электросварочной дугой. В первый момент зажигания дуги, когда воздушный промежуток еще холодный, необходима большая кинетическая энергия для его ионизации. Поэтому напряжение зажигания дуги оказывается всегда больше, чем при нормальном ее горении, и равно для стальных электродов 30–35 В, а для угольных
45–
55 В. Электрическая дуга состоит из следующих элементов, рис. 2.1. При угольных электродах температура анода примерно Стем- пература катода зависит от длины дуги, силы тока, состава и диаметра электрода и равна С. Пристальных электродах (применяемых при сварке) температура анода – С, катода – С. Напряжение в электрической дуге делится натри характерные части, рис. 2.2.
20
Рис. 2.1. Элементы дуги
1 – катодное пятно 2 – катодное пространство (где скапливаются вылетевшие из катодного пятна электроды 3 – столб дуги (он занимает почти всю длину дуги
4 – анодное пространство, состоящее из слоя электронов и положительных ионов Рис. 2.2. Распределение напряжения в дуге
1. Падение напряжения в катодном пространстве U
к
(затрачиваемое на эмиссию электронов из катода.
2. Падение напряжения в столбе дуги U
с
(затрачиваемое на перемещение зарядов через газовый промежуток.
3. Падение напряжения в анодном пространстве U
а
(затрачиваемое на преодоление объемных зарядов и нагрев анода)
21
1 – катодное пятно 2 – катодное пространство (где скапливаются вылетевшие из катодного пятна электроды 3 – столб дуги (он занимает почти всю длину дуги
4 – анодное пространство, состоящее из слоя электронов и положительных ионов Рис. 2.2. Распределение напряжения в дуге
1. Падение напряжения в катодном пространстве U
к
(затрачиваемое на эмиссию электронов из катода.
2. Падение напряжения в столбе дуги U
с
(затрачиваемое на перемещение зарядов через газовый промежуток.
3. Падение напряжения в анодном пространстве U
а
(затрачиваемое на преодоление объемных зарядов и нагрев анода)
21
2. Статическая характеристика дуги Притоках порядка 200 Аи выше падение напряжения в столбе дуги не зависит от силы тока и пропорционально длине столба, но меняется в зависимости от рода газа, материала электрода и давления. С увеличением тока ионизация столба дуги (вследствие нагрева газа) усиливается рис. Рис. 2.3. Статическая характеристика электрической дуги
1 – короткая дуга 2 – средняя дуга 3 – длинная дуга С усилением ионизации возрастает проводимость столба дуги, а это приводит к уменьшению напряжения, необходимого для поддержания горения дуги с увеличением тока (отрицательное сопротивление.
3. Динамическая характеристика дуги Рассмотренное выше изменение напряжения дуги с ростом тока справедливо при медленном нарастании тока (статическая характеристика. При быстрых изменениях тока (от до I
2
) ионизация в промежутке отстает от роста тока, проводимость дуги увеличивается медленнее и напряжение на дуге уменьшается меньше, чем по статической характеристике из точки 1 приходим в точку 2', а не в точку 2). При внезапном уменьшении тока степень ионизации промежутка снижается медленнее тока, и мы из точки 2 приходим в точку 1′, а не в точку 1 (рис. 2.4). Изложенные выше явления имеют место в дуге независимо от рода тока, питающего дугу. Однако поддержание дуги на переменном токе труднее, так как ток меняет свою величину и направление 100 разв секунду (при промышленной частоте. Изменение направления тока приводит к перемещению катодного пятна с одного электрода на другой при изменении полярности. Рис. 2.4. Динамическая характеристика дуги
4. Ручная дуговая сварка Источники сварочного тока делятся на однопостовые (питающие один сварочный пост) и многопостовые (обслуживающие одновременно несколько постов. От однопостовых источников требуется
1. Напряжение холостого хода источника сварочного тока должно быть не менее напряжения зажигания дуги (30–40 В – для постоянного тока, и 50–55 В – для переменного тока
2. Ток короткого замыкания в сварочной цепи не должен существенно превышать рабочий ток дуги (практически кратность тока короткого замыкания приемлема в пределах 1,2 – 1,4);
3. Источник должен иметь регулировку тока сварочной дуги, единую для сварки деталей разной толщины. Режим работы сварочного оборудования повторно-кратковременный с процентом включения (ПВ) равным 50–70%. Установившийся повторно-кратковременный режим характеризуется тем, что падение температуры обмотки за время перерыва соответствует повышению ее за время очередного горения. Сварочный аппарат переменного тока является сочетанием трансформатора (со вторичным напряжением 60–80 В) и регулятора напряжения (дросселя, обеспечивающего крутопадающую внешнюю характеристику сварочного аппарата (рис. 2.5). Регулирование тока происходит за счет изменения воздушного зазора в магнитопроводе дросселя.
23
Рис. 2.5. Принципиальная схема сварочного аппарата с отдельным регулятором А – трансформатор Б – регулятор 1 – первичная обмотка 2 – вторичная обмотка Наименьший сварочный ток получается при зазоре, равном нулю, с увеличением зазора ток увеличивается. Сварочные трансформаторы имеют различные конструкции в зависимости оттого, какой является сварочная операция дуговой, стыковой, шовной или точечной. Наиболее разнообразны конструкции сварочных трансформаторов для дуговой сварки. Сварочный трансформатор также, как и сварочная машина постоянного тока, должен иметь достаточное для зажигания дуги напряжение холостого хода. В простейшем случае для этой цели можно было бы использовать автотрансформатор, который может дать хорошие технические и экономические показатели. Однако автотрансформаторы неприемлемы сточки зрения безопасности сварщика, так как последний может попасть под полное напряжение сети. Поэтому сварочные трансформаторы выполняются только с разделенными первичной и вторичной обмотками. Кроме того, сварочные трансформаторы должны удовлетворять следующим основным требованиям
1. Иметь крутопадающую внешнюю характеристику, необходимую для устойчивого горения дуги
2. Во избежание перегрева электрода и прилипания его к металлу при коротких замыканиях, величина тока короткого замыкания не должна превышать рабочий ток более чем на 35–45%;
24
1. Иметь крутопадающую внешнюю характеристику, необходимую для устойчивого горения дуги
2. Во избежание перегрева электрода и прилипания его к металлу при коротких замыканиях, величина тока короткого замыкания не должна превышать рабочий ток более чем на 35–45%;
24
3. Напряжение холостого хода не должно превышать 60 В, так как при более высоком напряжении появляется опасность поражения сварщика электрическим током
4. Конструкция трансформатора должна быть проста и защищена от влияния атмосферных осадков, пыли и пр. Изоляция обмоток его должна быть влагоустойчивой;
5. Трансформатор должен обеспечить постоянство горения дуги при колебании напряжения в первичной обмотке ±10%. Различные типы внешних характеристик сварочных трансформаторов показаны на рис. 2.6. Характеристика типа а пригодна для сварки на больших и на малых токах. Так как с уменьшением тока нагрузки напряжение трансформатора повышается, то вероятность неустойчивого горения дуги отпадает. Характеристика типа б имеет повышенное напряжение вблизи холостого хода, обеспечивает устойчивое горение дуги при малых токах нагрузки. Однако при сварке на больших токах нагрузки это напряжение будет излишне высоким. Еще менее благоприятна характеристика типа в. Таким образом, из всех приведенных типов характеристик наиболее благоприятной является характеристика типа а. Для получения требуемой внешней характеристики сварочные трансформаторы выполняются с относительно большим переменным рассеянием в самом трансформаторе или в отдельном реакторе, включаемом в цепь последовательно с трансформатором. Рис. 2.6. Различные типы внешних характеристик сварочного трансформатора
25
Задание Изучить конструкцию и свойства трансформатора для дуговой сварки.
2) Исследовать режимы работы сварочного трансформатора под на- грузкой.
Краткие методические указания
1. Ознакомиться с описанием и схемой к лабораторной работе. Подключить необходимые измерительные приборы (рис. 2.7).
2. Снять по схеме (рис. 2.7) внешнюю характеристику трансформатора при напряжении питающей сети U
2
= 200 В изменением сопротивления нагрузки от н (холостой ход) доне положение переключателя П. Напряжение изменять регулятором напряжения (дросселем.
3. Снять по схеме (рис. 2.7) внешнюю характеристику трансформатора при напряжении питающей сети U
2
= 220 В изменением сопротивления нагрузки от не положение переключателя П) доне положение переключателя П.
4. Снять по схеме (рис. 2.7) внешнюю характеристику трансформатора при напряжении питающей сети U
2
= 230 В. С изменением сопротивления нагрузки от не положение переключателя П) доне положение переключателя П.
5. Данные опыта для трех различных значений напряжения питающей сети занести в таблицу 2.1 и для каждого значения построить кривые зависимости ни н Все три внешние характеристики строятся на одном графике. Таблица 2.1
№ Измерено Вычислено
I
1
, A U
1
, B W, Вт I
2
, A U
2
, B
1 1
cos
U
I
W
=
ϕ
1 2
3 4
200 1
2 3
220 1
2 3
4 230 26
2) Исследовать режимы работы сварочного трансформатора под на- грузкой.
Краткие методические указания
1. Ознакомиться с описанием и схемой к лабораторной работе. Подключить необходимые измерительные приборы (рис. 2.7).
2. Снять по схеме (рис. 2.7) внешнюю характеристику трансформатора при напряжении питающей сети U
2
= 200 В изменением сопротивления нагрузки от н (холостой ход) доне положение переключателя П. Напряжение изменять регулятором напряжения (дросселем.
3. Снять по схеме (рис. 2.7) внешнюю характеристику трансформатора при напряжении питающей сети U
2
= 220 В изменением сопротивления нагрузки от не положение переключателя П) доне положение переключателя П.
4. Снять по схеме (рис. 2.7) внешнюю характеристику трансформатора при напряжении питающей сети U
2
= 230 В. С изменением сопротивления нагрузки от не положение переключателя П) доне положение переключателя П.
5. Данные опыта для трех различных значений напряжения питающей сети занести в таблицу 2.1 и для каждого значения построить кривые зависимости ни н Все три внешние характеристики строятся на одном графике. Таблица 2.1
№ Измерено Вычислено
I
1
, A U
1
, B W, Вт I
2
, A U
2
, B
1 1
cos
U
I
W
=
ϕ
1 2
3 4
200 1
2 3
220 1
2 3
4 230 26
Рис. Схема экспериментальной установки для исследования сварочного трансформатора Контрольные вопросы
1. Последовательность возникновения электрической сварочной дуги.
2. Почему напряжение зажигания дуги всегда больше, чем при нормальном ее горении
3. Из каких основных элементов состоит электрическая дуга
4. Назовите основные характеристики электрической дуги.
5. Как влияет индуктивность вцепи переменного тока на устойчивость горения дуги
6. Назовите основные требования, предъявляемые к однопостовым источникам сварочного тока.
7. Назовите основные требования, которым должны удовлетворять сварочные трансформаторы.
8. Объясните, почему однопостовые источники сварочного тока должны иметь крутопадающую внешнюю характеристику, а многопостовые жесткую внешнюю характеристику
9
. Какими способами обеспечивается падающая внешняя характеристика у однопостового сварочного генератора
10
. Каким образом осуществляется падающая внешняя характеристика у однопостовых сварочных трансформаторов Лабораторная работа №3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОПРОВОДА ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ Цели работы
1. Познакомиться с электрооборудованием дуговых сталеплавильных печей.
2. Изучить конструкцию короткой сети и эффекты, возникающие в многоамперных электрических сетях. Краткие теоретические сведения В электрометаллургии используется трехфазная электрическая дуга, т. к. применение в качестве источника питания трансформатора надежнее и дешевле, чем преобразователя постоянного тока. Высокая температура и значительная концентрация мощности в электрической дуге позволяет использовать дуговые печи для плавки цветных и черных тугоплавких металлов и сплавов. По этой же причине плавка в дуговых печах легкоплавких металлов, например, алюминия, нецелесообразна из-за большого угара металла. Высокая температура создает благоприятные условия для
28
1. Последовательность возникновения электрической сварочной дуги.
2. Почему напряжение зажигания дуги всегда больше, чем при нормальном ее горении
3. Из каких основных элементов состоит электрическая дуга
4. Назовите основные характеристики электрической дуги.
5. Как влияет индуктивность вцепи переменного тока на устойчивость горения дуги
6. Назовите основные требования, предъявляемые к однопостовым источникам сварочного тока.
7. Назовите основные требования, которым должны удовлетворять сварочные трансформаторы.
8. Объясните, почему однопостовые источники сварочного тока должны иметь крутопадающую внешнюю характеристику, а многопостовые жесткую внешнюю характеристику
9
. Какими способами обеспечивается падающая внешняя характеристика у однопостового сварочного генератора
10
. Каким образом осуществляется падающая внешняя характеристика у однопостовых сварочных трансформаторов Лабораторная работа №3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОПРОВОДА ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ Цели работы
1. Познакомиться с электрооборудованием дуговых сталеплавильных печей.
2. Изучить конструкцию короткой сети и эффекты, возникающие в многоамперных электрических сетях. Краткие теоретические сведения В электрометаллургии используется трехфазная электрическая дуга, т. к. применение в качестве источника питания трансформатора надежнее и дешевле, чем преобразователя постоянного тока. Высокая температура и значительная концентрация мощности в электрической дуге позволяет использовать дуговые печи для плавки цветных и черных тугоплавких металлов и сплавов. По этой же причине плавка в дуговых печах легкоплавких металлов, например, алюминия, нецелесообразна из-за большого угара металла. Высокая температура создает благоприятные условия для
28
удаления вредных примесей, поэтому дуговые печи находят все более широкое применение для выплавки стали высокого качества инструментальной, нержавеющей, шарикоподшипниковой и т. д. Электрическая дуга, горящая над металлом, представляет собой активную нагрузку, которая соединена в звезду. Нулевая точка расположена либо в твердой шихте, либо в расплавленном металле. Основными конструктивными элементами дуговых сталеплавильных печей (ДСП) являются металлический кожух, свод, огнеупорная футеровка, образующая рабочее пространство. В верхней части свода есть три отверстия для прохода цилиндрических электродов. Для регулирования длины дуги, а, следовательно, и ее мощности, электроды перемещаются в вертикальной плоскости. ДСП характеризуются двумя основными параметрами номинальной емкостью в тоннах и номинальной мощностью, в качестве которой берут мощность питающего силового трансформатора. Короткая сеть (КС) – это путь протекания электрического тока от низковольтных зажимов силового трансформатора до плавильного пространства печи. Конструктивно КС состоит из следующих участков рис. 3.1):
– жесткие медные шины, расположенные внутри подстанции, от низковольтных зажимов трансформатора до перехода в гибкий токопровод вне подстанции
– гибкий токопровод от медных шин до электрододержателей. Этот участок КС выполняется полым медным кабелем сечением до 500 мм
2
Гибкий кабель обеспечивает возможность перемещения электродов в вертикальной плоскости
– от башмаков электрододержателей до электродного зажима (водоох- лаждаемые медные трубы
– от электродного зажима до плавильного пространства печи (сами электроды – угольные или графитированные). Конструкция КС должна обеспечивать а) минимальные электрические потери б) равномерное распределение суммарной мощности по фазам в) по возможности наиболее высокий коэффициент мощности г) минимальные затраты материалов (особенно меди д) простоту в обслуживании е) надежность в работе. Для обеспечения устойчивого горения дуги переменного тока в ее цепи индуктивность не должна быть ниже определенного предельного значения. В дуговых печах емкостью 10–20 т и выше необходимая индуктивность обычно обеспечивается реактивностью короткой сети. В печах емкостью менее 10 т для повышения индуктивного сопротивления цепи в период расплавления последовательно с первичной обмоткой печного трансформатора включается дроссель. Активное и особенно индуктивное сопротивление короткой сети оказывает определяющее влияние на электрические характеристики элек- тропечной установки. По проводникам короткой сети протекают весьма большие токи промышленной частоты, которые создают вокруг проводников сильные магнитные поля. Вследствие этого особое значение приобретают такие явления, как поверхностный эффект (неравномерное распределение тока по отдельным проводникам одной фазы, перенос мощности между отдельными фазами. Рис. 3.1. Конструкция короткой сети
1 – печной трансформатор 2 – шинный мост 3 – неподвижный башмак 4 – гирлянда гибких кабелей 5 – подвижный башмак электродержателей; 6 – трубошины;
7 – электродные зажимы 8 – электроды 9 – свод печи – рукав электродержателя;
11 – стойка рукава Общие требования, обеспечивающие уменьшение активного и реактивного сопротивлений короткой сети, следующие а) исполнение проводников минимально возможной длины (максимальное приближение электропечного трансформатора к дуговой печи б) проводники стоками противоположного направления или относящиеся к разным фазам должны располагаться ближе друг к другу (с учетом требуемых расстояний для надежной работы электрической изоляции
30
– жесткие медные шины, расположенные внутри подстанции, от низковольтных зажимов трансформатора до перехода в гибкий токопровод вне подстанции
– гибкий токопровод от медных шин до электрододержателей. Этот участок КС выполняется полым медным кабелем сечением до 500 мм
2
Гибкий кабель обеспечивает возможность перемещения электродов в вертикальной плоскости
– от башмаков электрододержателей до электродного зажима (водоох- лаждаемые медные трубы
– от электродного зажима до плавильного пространства печи (сами электроды – угольные или графитированные). Конструкция КС должна обеспечивать а) минимальные электрические потери б) равномерное распределение суммарной мощности по фазам в) по возможности наиболее высокий коэффициент мощности г) минимальные затраты материалов (особенно меди д) простоту в обслуживании е) надежность в работе. Для обеспечения устойчивого горения дуги переменного тока в ее цепи индуктивность не должна быть ниже определенного предельного значения. В дуговых печах емкостью 10–20 т и выше необходимая индуктивность обычно обеспечивается реактивностью короткой сети. В печах емкостью менее 10 т для повышения индуктивного сопротивления цепи в период расплавления последовательно с первичной обмоткой печного трансформатора включается дроссель. Активное и особенно индуктивное сопротивление короткой сети оказывает определяющее влияние на электрические характеристики элек- тропечной установки. По проводникам короткой сети протекают весьма большие токи промышленной частоты, которые создают вокруг проводников сильные магнитные поля. Вследствие этого особое значение приобретают такие явления, как поверхностный эффект (неравномерное распределение тока по отдельным проводникам одной фазы, перенос мощности между отдельными фазами. Рис. 3.1. Конструкция короткой сети
1 – печной трансформатор 2 – шинный мост 3 – неподвижный башмак 4 – гирлянда гибких кабелей 5 – подвижный башмак электродержателей; 6 – трубошины;
7 – электродные зажимы 8 – электроды 9 – свод печи – рукав электродержателя;
11 – стойка рукава Общие требования, обеспечивающие уменьшение активного и реактивного сопротивлений короткой сети, следующие а) исполнение проводников минимально возможной длины (максимальное приближение электропечного трансформатора к дуговой печи б) проводники стоками противоположного направления или относящиеся к разным фазам должны располагаться ближе друг к другу (с учетом требуемых расстояний для надежной работы электрической изоляции
30
в) проводники одной и той же фазы с одинаковым направлением токов должны располагаться возможно дальше друг от друга г) конфигурация проводников отдельных фаз должна обеспечивать минимальную асимметрию. Активная составляющая фазного напряжения трехфазной печной установки состоит из трех слагаемых [10]:
)
2 3
2 3
(
13 12 1
10
M
M
R
I
U
ω
ω
−
+
=
, (3.1) где Ми М – коэффициенты взаимной индукции. Первичный член в скобках – активное сопротивление данной фазы, а два остальных имеют смысл активных сопротивлений, обусловленных электромагнитными связями данной фазы с остальными. (Под действием магнитных полей других фаз ток в большей или меньшей степени будет вытесняться на поверхность проводника, в результате чего будет уменьшаться или увеличиваться его эквивалентное сечение. Таким образом, взаимная индукция может изменять не только индуктивное, но и активное сопротивление фазы. Если М
12
=М
23
>
М
31
(проводники расположены по углам равностороннего треугольника, то для любой фазы это изменение равно нулю. Однако большинство трехфазных дуговых печей имеет электромагнитную несимметрию фаз, следствием чего является неравенство взаимных индуктивностей. Например, для печи со схемой короткой сети, когда токопроводы фаз расположены отдельными группами в линию, имеем М
12
=М
23
>М
31
М
23
М
13
А
М
12
В
С
В силу этого за счет взаимной индукции увеличивается активное сопротивление токопровода впервой фазе и уменьшается в третьей, в средней фазе активное сопротивление не изменяется. При симметрии напряжений на обмотках трансформатора токи в фазах неодинаковы впервой фазе ток наименьший, а в третьей наибольший. Соответственно и полезная мощность фаз (мощность дуг) неодинакова впервой фазе она наименьшая (эту фазу называют мертвой, а в третьей – наибольшая (дикая фаза. Такая ситуация возникает, когда r > х, что соответствует коэффициенту мощности цепи выше 0,87 (φ<30°), в этом случае полное эквивалентное сопротивление фазы получается минимальными ток I
c
>I
b
>I
a
. При r = х, cosφ =0,87 (φ =30°) величины полных эквивалентных сопротивлений фаз В С получаются равными. Приуменьшении коэффициента мощности ниже 0,87 (φ >30°) величина полного эквивалентного сопротивления фазы В получается меньше полного эквивалентного сопротивления фазы Си, соответственно, ток Несмотря на то, что при переносе мощности с одной крайней фазы на другую суммарная мощность печи не меняется, это явление оказывает вредное влияние на работу дуговой печи. Увеличение мощности водной из фаз печи вызывает усиленный износ футеровки против электрода дикой фазы. Кроме того, увеличение производительности у электрода дикой фазы не компенсирует снижения производительности у электрода мертвой фазы, где задерживается расплавление загрузки, в результате чего снижаются технико-экономические показатели печи. Поэтому при конструировании дуговых печей необходимо уделять серьезное внимание выравниванию индуктивных сопротивлений фаз засчет создания симметричных схем коротких сетей. Рассмотрим явление поверхностного эффекта, эффекта близости и эффекта переноса мощности в двух индуктивно связанных цепях, находящихся под напряжением различным по фазе. При одиночном питании каждойиз петель переменным токомна петле будет происходить падение напряжения
)
(
jx
r
I
U
+
=
, (3.2) где r , х – собственное активное и индуктивное сопротивление проводника. Активное сопротивление проводника будет отличаться от омического, таккак переменный ток, в отличие от постоянного, не распределяется равномерно по всему сечению проводника. Плотность его непрерывно возрастает по направлению от оси проводника к его поверхности. Это явление называется поверхностным эффектом. Неравномерное распределение тока по сечению проводника имеет своим следствием неполное использование сечения и, следовательно, увеличение тепловых потерь в проводнике. Поэтому при вычислении потерь по формуле Р = I
2
r следует считать активное сопротивление большим, чемприпоcточном токе (r – пост.),вы- числяя поформуле
пост
Д
r
К
r
⋅
=
. (3.3) Здесь К
Д
– коэффициент добавочных потерь, зависящих от произведения
µ
γ
⋅
⋅
f
d
, где d – диаметр проводам магнитная проницаемость, Гн/м;
γ – удельная проводимость мОм ⋅
1
; f – частота, Гц. Таким образом, наиболее сильно поверхностный эффект проявляется с увеличением частоты переменного тока, размеров проводника, удельной проводимости и магнитной проницаемости материала проводника. Если два провода расположены на близком расстоянии друг от друга, то вследствие взаимного влияния электромагнитных полей наблюдается явление дополнительной неравномерности разделения тока по сечению
32
)
2 3
2 3
(
13 12 1
10
M
M
R
I
U
ω
ω
−
+
=
, (3.1) где Ми М – коэффициенты взаимной индукции. Первичный член в скобках – активное сопротивление данной фазы, а два остальных имеют смысл активных сопротивлений, обусловленных электромагнитными связями данной фазы с остальными. (Под действием магнитных полей других фаз ток в большей или меньшей степени будет вытесняться на поверхность проводника, в результате чего будет уменьшаться или увеличиваться его эквивалентное сечение. Таким образом, взаимная индукция может изменять не только индуктивное, но и активное сопротивление фазы. Если М
12
=М
23
>
М
31
(проводники расположены по углам равностороннего треугольника, то для любой фазы это изменение равно нулю. Однако большинство трехфазных дуговых печей имеет электромагнитную несимметрию фаз, следствием чего является неравенство взаимных индуктивностей. Например, для печи со схемой короткой сети, когда токопроводы фаз расположены отдельными группами в линию, имеем М
12
=М
23
>М
31
М
23
М
13
А
М
12
В
С
В силу этого за счет взаимной индукции увеличивается активное сопротивление токопровода впервой фазе и уменьшается в третьей, в средней фазе активное сопротивление не изменяется. При симметрии напряжений на обмотках трансформатора токи в фазах неодинаковы впервой фазе ток наименьший, а в третьей наибольший. Соответственно и полезная мощность фаз (мощность дуг) неодинакова впервой фазе она наименьшая (эту фазу называют мертвой, а в третьей – наибольшая (дикая фаза. Такая ситуация возникает, когда r > х, что соответствует коэффициенту мощности цепи выше 0,87 (φ<30°), в этом случае полное эквивалентное сопротивление фазы получается минимальными ток I
c
>I
b
>I
a
. При r = х, cosφ =0,87 (φ =30°) величины полных эквивалентных сопротивлений фаз В С получаются равными. Приуменьшении коэффициента мощности ниже 0,87 (φ >30°) величина полного эквивалентного сопротивления фазы В получается меньше полного эквивалентного сопротивления фазы Си, соответственно, ток Несмотря на то, что при переносе мощности с одной крайней фазы на другую суммарная мощность печи не меняется, это явление оказывает вредное влияние на работу дуговой печи. Увеличение мощности водной из фаз печи вызывает усиленный износ футеровки против электрода дикой фазы. Кроме того, увеличение производительности у электрода дикой фазы не компенсирует снижения производительности у электрода мертвой фазы, где задерживается расплавление загрузки, в результате чего снижаются технико-экономические показатели печи. Поэтому при конструировании дуговых печей необходимо уделять серьезное внимание выравниванию индуктивных сопротивлений фаз засчет создания симметричных схем коротких сетей. Рассмотрим явление поверхностного эффекта, эффекта близости и эффекта переноса мощности в двух индуктивно связанных цепях, находящихся под напряжением различным по фазе. При одиночном питании каждойиз петель переменным токомна петле будет происходить падение напряжения
)
(
jx
r
I
U
+
=
, (3.2) где r , х – собственное активное и индуктивное сопротивление проводника. Активное сопротивление проводника будет отличаться от омического, таккак переменный ток, в отличие от постоянного, не распределяется равномерно по всему сечению проводника. Плотность его непрерывно возрастает по направлению от оси проводника к его поверхности. Это явление называется поверхностным эффектом. Неравномерное распределение тока по сечению проводника имеет своим следствием неполное использование сечения и, следовательно, увеличение тепловых потерь в проводнике. Поэтому при вычислении потерь по формуле Р = I
2
r следует считать активное сопротивление большим, чемприпоcточном токе (r – пост.),вы- числяя поформуле
пост
Д
r
К
r
⋅
=
. (3.3) Здесь К
Д
– коэффициент добавочных потерь, зависящих от произведения
µ
γ
⋅
⋅
f
d
, где d – диаметр проводам магнитная проницаемость, Гн/м;
γ – удельная проводимость мОм ⋅
1
; f – частота, Гц. Таким образом, наиболее сильно поверхностный эффект проявляется с увеличением частоты переменного тока, размеров проводника, удельной проводимости и магнитной проницаемости материала проводника. Если два провода расположены на близком расстоянии друг от друга, то вследствие взаимного влияния электромагнитных полей наблюдается явление дополнительной неравномерности разделения тока по сечению
32
провода (оно накладывается на поверхностный эффект, которое получило название эффекта близости. Для двух одинаковых цепей с параметрами r и x=ωL, имеющих индуктивную связь через взаимную индуктивность М=КL, где К – коэффициент связи (рис. 3.2), можно записать уравнения падений напряжения
)
(
)
(
2 1
1
jkx
I
jx
r
I
U
+
+
=
, (3.4)
)
(
)
(
1 2
2
jkx
I
jx
r
I
U
+
+
=
. (3.5) При напряжениях U
1
= токи в обеих цепях будут равны
)
(
2 1
kx
x
j
r
U
I
I
+
+
=
=
. (3.6) При напряжении U
1
= –U
2
(бифиляр) токи увеличиваются вследствие снижения индуктивного сопротивления за счет взаимной компенсации уничтожения) электромагнитных полей
)
(
2 1
kx
x
j
r
U
I
I
−
+
=
=
. (3.7) При напряжениях, сдвинутых по фазе на 120°,
)
866
,
0 5
,
0
(
1 120 1
2
j
U
e
U
U
j
+
−
=
=
. (3.8) Подставляем в уравнения (3.4), (3.5) и находим [4]:
)
,
(
5
,
0 866
,
0 866
,
0 5
,
0 5
,
0 866
,
0 1
0 2
1 0
120 2
1 120 2
1
r
x
K
f
e
K
e
I
e
I
r
x
K
r
x
j
r
x
x
r
K
r
x
j
r
x
K
I
I
j
j
j
=
=
=
=
−
−
+
−
−
+
+
+
=
=
α
α
α
(3.9) Отношение токов К
120
является комплексной величиной, зависящей от коэффициента связи и отношения реактивного и активного сопротивлений одиночной цепи. Аргумент α = α
1
–
α
представляет собой угол между векторами токов, который отличается от 120°.
33
)
(
)
(
2 1
1
jkx
I
jx
r
I
U
+
+
=
, (3.4)
)
(
)
(
1 2
2
jkx
I
jx
r
I
U
+
+
=
. (3.5) При напряжениях U
1
= токи в обеих цепях будут равны
)
(
2 1
kx
x
j
r
U
I
I
+
+
=
=
. (3.6) При напряжении U
1
= –U
2
(бифиляр) токи увеличиваются вследствие снижения индуктивного сопротивления за счет взаимной компенсации уничтожения) электромагнитных полей
)
(
2 1
kx
x
j
r
U
I
I
−
+
=
=
. (3.7) При напряжениях, сдвинутых по фазе на 120°,
)
866
,
0 5
,
0
(
1 120 1
2
j
U
e
U
U
j
+
−
=
=
. (3.8) Подставляем в уравнения (3.4), (3.5) и находим [4]:
)
,
(
5
,
0 866
,
0 866
,
0 5
,
0 5
,
0 866
,
0 1
0 2
1 0
120 2
1 120 2
1
r
x
K
f
e
K
e
I
e
I
r
x
K
r
x
j
r
x
x
r
K
r
x
j
r
x
K
I
I
j
j
j
=
=
=
=
−
−
+
−
−
+
+
+
=
=
α
α
α
(3.9) Отношение токов К
120
является комплексной величиной, зависящей от коэффициента связи и отношения реактивного и активного сопротивлений одиночной цепи. Аргумент α = α
1
–
α
представляет собой угол между векторами токов, который отличается от 120°.
33
Рис. 3.2. Векторная диаграмма двух однофазных цепей с индуктивной связью
34
34
Отношение модулей
1
)
,
(
73
,
1 73
,
1 2
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
1
>
=
−
+
+
+
+
+
+
+
=
r
x
k
f
kx
x
k
kx
x
r
kx
x
k
kx
x
r
I
I
. (3.10) Следовательно, ток вцепи с опережающим напряжением меньше, чем I
1
. Иначе говоря, цепь с опережающим напряжением передает часть мощности цепи с отстающим напряжением. Это явление обычно для ин- дуктивно связанных цепей [4]. Угол между векторами токов может приблизиться к 180°. Для этого необходимо, чтобы связь цепей была идеальной, те. К, и чтобы активное сопротивление r было весьма малым по сравнению с собственным сопротивлением x. Увеличение угла между векторами токов сверх 120° объясняется взаимным размагничиванием цепей. Значение полных сопротивлений индуктивно связанных цепей можно получить из уравнений (3.4) и (3.5) подстановкой коэффициента К из уравнения (3.9):
)
5
,
0
(
866
,
0 2
2 2
2 2
1
kx
x
j
kx
r
jxr
x
x
k
r
z
+
+
+
+
−
+
=
(3.11)
)
866
,
0 5
,
0
(
866
,
0 5
,
0
)
866
,
0 866
,
0 866
,
0 2
(
173
,
0 5
,
0 5
,
0 5
,
0 2
2 2
2 2
2 2
2 2
r
kx
x
j
x
r
x
k
x
r
x
j
xr
x
x
k
r
z
−
+
+
+
−
+
−
+
+
−
+
=
(3.12) Как известно, значения действительной части каждого из выражений
(3.11), (3.12) представляют собой эквивалентные активные (и r
2
), а мнимой эквивалентные реактивные (и x
2
) сопротивления. Разности между полученными эквивалентными сопротивлениями и соответствующими собственными сопротивлениями (r и x) одиночной цепи
,
0
)
,
,
(
73
,
1
)
1
(
)
1
(
866
,
0 1
2 2
2 2
2 2
2 1
1
<
=
+
+
+
+
−
+
−
=
−
=
∆
r
x
x
k
f
r
kx
k
k
x
r
k
x
r
kx
r
r
r
(3.13)
,
0
)
,
,
(
73
,
1
)
1
(
)
1
(
866
,
0 2
2 2
2 2
2 2
2 2
>
=
−
+
+
+
−
+
=
−
=
∆
r
x
x
k
f
kxr
k
k
x
r
k
k
r
kx
r
r
r
(3.14)
,
0
)
,
,
(
73
,
1
)
1
(
)
4 1
(
5
,
0 3
2 2
2 2
2 2
1 1
<
=
+
+
+
+
+
+
+
−
=
−
=
∆
r
x
x
k
f
kxr
k
k
x
r
k
k
x
r
kx
x
x
x
(3.15)
0
)
,
,
(
73
,
1
)
1
(
)
4 1
(
5
,
0 4
2 2
2 2
2 2
2 2
<
=
−
+
+
+
+
+
+
−
=
−
=
∆
r
x
x
k
f
kxr
k
k
x
r
k
k
x
r
kx
x
x
x
(3.16)
35
1
)
,
(
73
,
1 73
,
1 2
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
2 2
1
>
=
−
+
+
+
+
+
+
+
=
r
x
k
f
kx
x
k
kx
x
r
kx
x
k
kx
x
r
I
I
. (3.10) Следовательно, ток вцепи с опережающим напряжением меньше, чем I
1
. Иначе говоря, цепь с опережающим напряжением передает часть мощности цепи с отстающим напряжением. Это явление обычно для ин- дуктивно связанных цепей [4]. Угол между векторами токов может приблизиться к 180°. Для этого необходимо, чтобы связь цепей была идеальной, те. К, и чтобы активное сопротивление r было весьма малым по сравнению с собственным сопротивлением x. Увеличение угла между векторами токов сверх 120° объясняется взаимным размагничиванием цепей. Значение полных сопротивлений индуктивно связанных цепей можно получить из уравнений (3.4) и (3.5) подстановкой коэффициента К из уравнения (3.9):
)
5
,
0
(
866
,
0 2
2 2
2 2
1
kx
x
j
kx
r
jxr
x
x
k
r
z
+
+
+
+
−
+
=
(3.11)
)
866
,
0 5
,
0
(
866
,
0 5
,
0
)
866
,
0 866
,
0 866
,
0 2
(
173
,
0 5
,
0 5
,
0 5
,
0 2
2 2
2 2
2 2
2 2
r
kx
x
j
x
r
x
k
x
r
x
j
xr
x
x
k
r
z
−
+
+
+
−
+
−
+
+
−
+
=
(3.12) Как известно, значения действительной части каждого из выражений
(3.11), (3.12) представляют собой эквивалентные активные (и r
2
), а мнимой эквивалентные реактивные (и x
2
) сопротивления. Разности между полученными эквивалентными сопротивлениями и соответствующими собственными сопротивлениями (r и x) одиночной цепи
,
0
)
,
,
(
73
,
1
)
1
(
)
1
(
866
,
0 1
2 2
2 2
2 2
2 1
1
<
=
+
+
+
+
−
+
−
=
−
=
∆
r
x
x
k
f
r
kx
k
k
x
r
k
x
r
kx
r
r
r
(3.13)
,
0
)
,
,
(
73
,
1
)
1
(
)
1
(
866
,
0 2
2 2
2 2
2 2
2 2
>
=
−
+
+
+
−
+
=
−
=
∆
r
x
x
k
f
kxr
k
k
x
r
k
k
r
kx
r
r
r
(3.14)
,
0
)
,
,
(
73
,
1
)
1
(
)
4 1
(
5
,
0 3
2 2
2 2
2 2
1 1
<
=
+
+
+
+
+
+
+
−
=
−
=
∆
r
x
x
k
f
kxr
k
k
x
r
k
k
x
r
kx
x
x
x
(3.15)
0
)
,
,
(
73
,
1
)
1
(
)
4 1
(
5
,
0 4
2 2
2 2
2 2
2 2
<
=
−
+
+
+
+
+
+
−
=
−
=
∆
r
x
x
k
f
kxr
k
k
x
r
k
k
x
r
kx
x
x
x
(3.16)
35
Сопротивления r
1
2
>r
, это и обуславливает перенос мощности из второй цепи в первую. Оба реактивных сопротивления хи х
2
меньше х, что объясняется размагничивающим действием цепей друг на друга. Модуль полного сопротивления z
1
=r
1
+jx меньше модуля z=r+jx. Величина модуля может быть и больше модуля z. В результате размагничивающего действия цепей друг на друга проводимость их возрастает, и арифметическая сумма токов (I
1
+ I
2
) больше, чем удвоенный ток I единичной цепи. На рис. 3.2 дана векторная диаграмма для двух однофазных цепей с индуктивной связью, из которой наглядно видны изменения треугольников сопротивления и поворот токов в разные стороны по сравнению с положением под 120°. Физический смысл величин и может быть пояснен выражениями для мощности обеих цепей. Мощность, выделяющаяся впервой цепи
,
1 2
1 2
1 1
2 1
1
r
I
r
I
r
I
P
∆
⋅
+
⋅
=
⋅
=
(3.17) мощность второй цепи
2 2
2 2
2 2
2 2
2
r
I
r
I
r
I
P
∆
⋅
+
⋅
=
⋅
=
(3.18) Пользуясь выражениями, полученными для
,
2 1
120
I
I
K
=
Δr
1 и Δr
2
, находим
1 2
2 2
1 или
P
r
I
r
I
∆
=
∆
−
=
∆
2 2
2 1
2 1
, и мощности цепей получаются равными
P
1
=I
1
2
r–
ΔP , (3.19)
P
2
=I
2
2
r–
ΔP . (3.20) В этих выражениях Р – мощность, получаемая первой цепью из сети Р
– второй
r
I
2 1
– мощность тепловых потерь вцепив цепи
№2; Р – мощность, индуктивно переносимая из цепи №2 в цепь №1. Мощность тепловых потерь вцепи больше получаемой из сети Р
1
на величину Р, а вцепи мощность тепловых потерь меньше получаемой из сети Р
2
на туже величину Р. Таким образом, в двух цепях с взаимоиндуктивностью при напряжениях, сдвинутых по фазе на 120°, наблюдается эффект переноса мощности, внешние проявления которого заключаются в следующем а) ток отстающей фазы больше тока опережающей
36
1
2
>r
, это и обуславливает перенос мощности из второй цепи в первую. Оба реактивных сопротивления хи х
2
меньше х, что объясняется размагничивающим действием цепей друг на друга. Модуль полного сопротивления z
1
=r
1
+jx меньше модуля z=r+jx. Величина модуля может быть и больше модуля z. В результате размагничивающего действия цепей друг на друга проводимость их возрастает, и арифметическая сумма токов (I
1
+ I
2
) больше, чем удвоенный ток I единичной цепи. На рис. 3.2 дана векторная диаграмма для двух однофазных цепей с индуктивной связью, из которой наглядно видны изменения треугольников сопротивления и поворот токов в разные стороны по сравнению с положением под 120°. Физический смысл величин и может быть пояснен выражениями для мощности обеих цепей. Мощность, выделяющаяся впервой цепи
,
1 2
1 2
1 1
2 1
1
r
I
r
I
r
I
P
∆
⋅
+
⋅
=
⋅
=
(3.17) мощность второй цепи
2 2
2 2
2 2
2 2
2
r
I
r
I
r
I
P
∆
⋅
+
⋅
=
⋅
=
(3.18) Пользуясь выражениями, полученными для
,
2 1
120
I
I
K
=
Δr
1 и Δr
2
, находим
1 2
2 2
1 или
P
r
I
r
I
∆
=
∆
−
=
∆
2 2
2 1
2 1
, и мощности цепей получаются равными
P
1
=I
1
2
r–
ΔP , (3.19)
P
2
=I
2
2
r–
ΔP . (3.20) В этих выражениях Р – мощность, получаемая первой цепью из сети Р
– второй
r
I
2 1
– мощность тепловых потерь вцепив цепи
№2; Р – мощность, индуктивно переносимая из цепи №2 в цепь №1. Мощность тепловых потерь вцепи больше получаемой из сети Р
1
на величину Р, а вцепи мощность тепловых потерь меньше получаемой из сети Р
2
на туже величину Р. Таким образом, в двух цепях с взаимоиндуктивностью при напряжениях, сдвинутых по фазе на 120°, наблюдается эффект переноса мощности, внешние проявления которого заключаются в следующем а) ток отстающей фазы больше тока опережающей
36
б) векторы тока поворачиваются в разные стороны, стремясь к углу в
180°; виз опережающей по фазе цепи индуктивно передается некоторая мощность в отстающую по фазе. Задание
1) Ознакомиться со схемой установки и используемой в ней аппаратурой) Включить поочередно одну петлю на фазу А, а вторую – на фазу В и определить с помощью метода амперметра и вольтметра их полные сопротивления при отсутствии взаимоиндуктивности.
3) Включить обе петли параллельно на одну фазу, с помощью метода амперметра и вольтметра определить полное сопротивление петли для данного способа включения.
4) Включить обе петли в бифиляр на одну фазу, с помощью метода амперметра и вольтметра определить полное сопротивление петли для данного способа включения.
5) Включить обе петли на разные фазы (120°), с помощью метода амперметра и вольтметра определить полные сопротивления петель и фазометром замерить углы а) между напряжениями обеих фаз б) между током и напряжением в каждой фазе.
6) На основании опытов пп. 2, 3, 4 определить активное r и индуктивное сопротивление петли и коэффициента связи.
7) На основании опыта п. 5 построить векторную диаграмму для двух однофазных цепей со взаимоиндуктивностью, определить активные и реактивные сопротивления обеих петель и разности сопротивления.
8) Определить мощность, передаваемую из одной петли в другую.
9) Определить коэффициент добавочных потерь для исследуемых схем. Краткие методические указания Схема лабораторной установки приведена на рис. 3.2. Она состоит из автоматического выключателя, понижающего трансформатора и двух исследуемых петель, выполненных из провода АПР 1×95 длиной пом. Измерения тока в схемах производятся посредством амперметров (РА1,
РА2), включенных через трансформаторы тока (ТА и TA2). Напряжение на петлях измеряется вольтметром (PV), а величина фазового угла фазометром. Сборка соответствующих заданию схем осуществляется установкой перемычек между выходными клеммами. Данные опыта поп задания заносятся в табл. 3.1.
37
180°; виз опережающей по фазе цепи индуктивно передается некоторая мощность в отстающую по фазе. Задание
1) Ознакомиться со схемой установки и используемой в ней аппаратурой) Включить поочередно одну петлю на фазу А, а вторую – на фазу В и определить с помощью метода амперметра и вольтметра их полные сопротивления при отсутствии взаимоиндуктивности.
3) Включить обе петли параллельно на одну фазу, с помощью метода амперметра и вольтметра определить полное сопротивление петли для данного способа включения.
4) Включить обе петли в бифиляр на одну фазу, с помощью метода амперметра и вольтметра определить полное сопротивление петли для данного способа включения.
5) Включить обе петли на разные фазы (120°), с помощью метода амперметра и вольтметра определить полные сопротивления петель и фазометром замерить углы а) между напряжениями обеих фаз б) между током и напряжением в каждой фазе.
6) На основании опытов пп. 2, 3, 4 определить активное r и индуктивное сопротивление петли и коэффициента связи.
7) На основании опыта п. 5 построить векторную диаграмму для двух однофазных цепей со взаимоиндуктивностью, определить активные и реактивные сопротивления обеих петель и разности сопротивления.
8) Определить мощность, передаваемую из одной петли в другую.
9) Определить коэффициент добавочных потерь для исследуемых схем. Краткие методические указания Схема лабораторной установки приведена на рис. 3.2. Она состоит из автоматического выключателя, понижающего трансформатора и двух исследуемых петель, выполненных из провода АПР 1×95 длиной пом. Измерения тока в схемах производятся посредством амперметров (РА1,
РА2), включенных через трансформаторы тока (ТА и TA2). Напряжение на петлях измеряется вольтметром (PV), а величина фазового угла фазометром. Сборка соответствующих заданию схем осуществляется установкой перемычек между выходными клеммами. Данные опыта поп задания заносятся в табл. 3.1.
37
Таблица 3.1 Опытные данные к пункту 2 задания (одиночный проводник)
U
A0
, B
I
A0
, A
Z
A0
, Ом, B
I
B0
, A
Z
B0
, Ом, Ом 0
0
A
A
A
I
U
Z
=
,
0 0
0
B
B
B
I
U
Z
=
,
2 Данные опыта поп и п. 4 задания заполняются в табл. 3.2. Таблица 3.2 Опытные данные к пунктам 3, 4 задания
I
A01
, A
I
A02
, A
I
CP
, A
U
B0
, B
Z
2CP
, Z
3CP
,
Ом
Примечание Одинаковое направление тока
Бифиляр
CP
A
CP
I
U
Z
0 3
,
2
=
,
2 02 Данные опыта поп задания заполняются в табл. 3.3. Таблица 3.3 Опытные данные к п. 5 задания
I
A0
,
A
U
A0
,
B
Z
2
, Ом,
A
U
B0
,
B
Z
1
, Ом
∠
(U
A0
U
B0
)
ϕ
2
∠
(I
A0
U
A0
)
ϕ
1
∠
(I
B0
U
B0
) Для определения r, x ,k (п. 6 задания) необходимо решить систему уравнений
−
+
=
+
+
=
+
=
2 2
2 3
2 2
2 2
2 2
1
)
1
(
)
1
(
x
k
r
Z
x
k
r
Z
x
r
Z
CP
CP
CP
, где Z
1cp
, Z
2cp
, взять из пп. 2, 3, 4. Для решения системы каждое уравнение возводится в квадрат, затем из второго уравнения вычитается третье, далее из второго уравнения вычитается первое (исключается r
2
). Из полученных двух уравнений выражается. Затем они приравниваются (исключается хи из полученного уравнения находится коэффициент связи. Дальнейшее решение осуществляется простейшей подстановкой. Векторную диаграмму построить (п. 7 задания) аналогично диаграмме на рис. 3.2.
r
1
=z
1
cos ϕ
1
, r
2
=z
2
cos ϕ
2
,
x
1
=z
1
sin ϕ
1
, x
2
=z
2
sin ϕ
2
,
∆r
1
=r
1
– r,
∆r
2
=r
2
– r,
∆x
1
=x
1
– x,
∆x
2
=x
2
– x, собственное сопротивление петель (r, x) берется из опыта п. 6. К пункту 8 задания
2 2
0 1
2 0
r
I
r
I
P
A
B
∆
=
∆
=
∆
,
I
A0
,
I
B0 берутся из опыта п. 5.; ∆r
1
,
∆r
2
– из опыта п. 7 задания.
39
U
A0
, B
I
A0
, A
Z
A0
, Ом, B
I
B0
, A
Z
B0
, Ом, Ом 0
0
A
A
A
I
U
Z
=
,
0 0
0
B
B
B
I
U
Z
=
,
2 Данные опыта поп и п. 4 задания заполняются в табл. 3.2. Таблица 3.2 Опытные данные к пунктам 3, 4 задания
I
A01
, A
I
A02
, A
I
CP
, A
U
B0
, B
Z
2CP
, Z
3CP
,
Ом
Примечание Одинаковое направление тока
Бифиляр
CP
A
CP
I
U
Z
0 3
,
2
=
,
2 02 Данные опыта поп задания заполняются в табл. 3.3. Таблица 3.3 Опытные данные к п. 5 задания
I
A0
,
A
U
A0
,
B
Z
2
, Ом,
A
U
B0
,
B
Z
1
, Ом
∠
(U
A0
U
B0
)
ϕ
2
∠
(I
A0
U
A0
)
ϕ
1
∠
(I
B0
U
B0
) Для определения r, x ,k (п. 6 задания) необходимо решить систему уравнений
−
+
=
+
+
=
+
=
2 2
2 3
2 2
2 2
2 2
1
)
1
(
)
1
(
x
k
r
Z
x
k
r
Z
x
r
Z
CP
CP
CP
, где Z
1cp
, Z
2cp
, взять из пп. 2, 3, 4. Для решения системы каждое уравнение возводится в квадрат, затем из второго уравнения вычитается третье, далее из второго уравнения вычитается первое (исключается r
2
). Из полученных двух уравнений выражается. Затем они приравниваются (исключается хи из полученного уравнения находится коэффициент связи. Дальнейшее решение осуществляется простейшей подстановкой. Векторную диаграмму построить (п. 7 задания) аналогично диаграмме на рис. 3.2.
r
1
=z
1
cos ϕ
1
, r
2
=z
2
cos ϕ
2
,
x
1
=z
1
sin ϕ
1
, x
2
=z
2
sin ϕ
2
,
∆r
1
=r
1
– r,
∆r
2
=r
2
– r,
∆x
1
=x
1
– x,
∆x
2
=x
2
– x, собственное сопротивление петель (r, x) берется из опыта п. 6. К пункту 8 задания
2 2
0 1
2 0
r
I
r
I
P
A
B
∆
=
∆
=
∆
,
I
A0
,
I
B0 берутся из опыта п. 5.; ∆r
1
,
∆r
2
– из опыта п. 7 задания.
39
Рис. 3.3. Схема лабораторной установки для исследования короткой сети
40
40
К пункту 9 задания коэффициент добавочных потерь рассчитать для пи п. 5. При расчете омического сопротивления петли иметь ввиду, что она выполняется проводом АПР–500, сечением 95 мм, длиной
10 м, ρ=0,029 Ом∙мм
2
/м. Контрольные вопросы
1. Область применения дуговых печей.
2. Электрооборудование и конструктивные элементы ДСП.
3. Основные элементы КС.
4. Требования, предъявляемые к КС.
5. Перенос мощности, явление дикой и мертвой фаз. Способы уменьшения переноса мощности.
6. Векторная диаграмма токов и напряжений для двух фаз многоамперной трехфазной сети.
7. Физическое объяснение поверхностного эффекта, эффекта близости, эффекта переноса мощности.
8. Методы регулирования мощности ДСП.
9. Схема замещения цепи с электрической дугой.
10. Классификация дуговых электрических печей.
11. Электрические характеристики дуговых сталеплавильных печей.
12. Энергетические характеристики дуговых сталеплавильных печей.
13. Электромагнитное перемешивание металла.
14. Основные требования, предъявляемые к регуляторам дуговых сталеплавильных печей.
15. Быстродействующий тиристорный регулятор привода перемещения электродов дуговых сталеплавильных печей.
16. Требования электродуговых печей к системам электроснабжения.
17. Особенности горения электрической дуги на переменном и постоянном токе. Лабораторная работа №4 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ Цели работы
1. Закрепить знания по теме Источники питания установок индукционного нагрева.
2. Изучить принцип действия и конструкцию асинхронного преобразователя частоты.
41
10 м, ρ=0,029 Ом∙мм
2
/м. Контрольные вопросы
1. Область применения дуговых печей.
2. Электрооборудование и конструктивные элементы ДСП.
3. Основные элементы КС.
4. Требования, предъявляемые к КС.
5. Перенос мощности, явление дикой и мертвой фаз. Способы уменьшения переноса мощности.
6. Векторная диаграмма токов и напряжений для двух фаз многоамперной трехфазной сети.
7. Физическое объяснение поверхностного эффекта, эффекта близости, эффекта переноса мощности.
8. Методы регулирования мощности ДСП.
9. Схема замещения цепи с электрической дугой.
10. Классификация дуговых электрических печей.
11. Электрические характеристики дуговых сталеплавильных печей.
12. Энергетические характеристики дуговых сталеплавильных печей.
13. Электромагнитное перемешивание металла.
14. Основные требования, предъявляемые к регуляторам дуговых сталеплавильных печей.
15. Быстродействующий тиристорный регулятор привода перемещения электродов дуговых сталеплавильных печей.
16. Требования электродуговых печей к системам электроснабжения.
17. Особенности горения электрической дуги на переменном и постоянном токе. Лабораторная работа №4 ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ Цели работы
1. Закрепить знания по теме Источники питания установок индукционного нагрева.
2. Изучить принцип действия и конструкцию асинхронного преобразователя частоты.
41
3. Снять и проанализировать рабочие характеристики преобразователя частоты. Краткие теоретические сведения Асинхронный преобразователь частоты представляет собой двухмашинный агрегат, предназначенный для преобразования трехфазной системы напряжений и токов с частотой в трехфазную систему с другими значениями напряжений и токов с частотой Схема подключения асинхронного преобразователя частоты к электросети показана на рис. 4.1. Такие преобразователи повышенной частоты могут служить, в частности, источником питания индукционных плавильных и нагревательных установок малой и средней мощности. Преобразователь частоты состоит из двух трехфазных асинхронных машин, одна из которых, используемая в качестве приводного двигателя М, имеет короткозамкнутый ротора вторая, М, работающая в качестве преобразователя частоты, имеет фазный ротор с контактными кольцами. Обе машины имеют общий вали заключены в один корпус. При неподвижном электродвигателе M1 вращающееся магнитное поле статора преобразователя М, пересекая обмотки своего статора и ротора, будет наводить в них ЭДС Е
1
и одной и той же частоты f
1
. Следовательно, преобразователь частоты будет работать аналогично трехфазному трансформатору. Если приводной двигатель M1 вращает ротор машины М со скоростью n
2
, то частота ЭДС Ев обмотке ротора изменится и станет отличной от f
1
, вследствие изменения скорости вращения поля статора машины М по отношению к ее вращающемуся ротору. Относительная скорость вращающегося магнитного поля будет
n = n
1
± n
2
,
(4.1) где
2 1
1 60
p
f
n
=
– скорость вращения поля статора преобразователя М р – число пар полюсов преобразователя М
f
1
– частота питающей сети (50 Гц. При относительной скорости n в роторе преобразователя М будет наводиться ЭДС с частотой
f
2
= f
1
(1±n
2
/n
1
) , (4.2) причем знак плюс соответствует вращению ротора преобразователя М против поля статора, а знак минус – их согласованному вращению. Так как асинхронный преобразователь используется обычно для повышения частоты, тов формуле (4.2) обычно указывается только один знак – плюс, иона после небольших преобразований принимает вид
42
f
2
= f
1
·[1+(p
2
/p
1
)·(1–s)] , (4.3) где p
1
– число пар полюсов двигателя
s – скольжение ротора двигателя M1. Рис. 4.1. Схема асинхронного преобразователя частоты Рис. 4.2. Изменение соотношения мощностей при изменении частоты f
2 43
Рис 4.3. Процентное соотношение величин мощностей ив зависимости от соотношения f
2
/f
1 При работе преобразователя частоты полная мощность его ротора Р
2
складывается из электромагнитной мощности Р , передаваемой вращающимся магнитным полем со статора на ротор, и мощности Р, подведенной к ротору преобразователя М через вал от электродвигателя M1: Р Р + P
2
' .
(4.4) Таким образом, выходная мощность ротора преобразователя на повышенной частоте создается за счет преобразования мощности его статора и за счет мощности двигателя M1. Как показывают исследования, соотношение мощностей и Р определяется выражением
Р
1,2
/Р
2
′ = 1/[(f
2
/f
1
)–1] . (4.5) Примерная кривая зависимости отношения Р
1,2
/Р
2
′ от относительного изменения частоты показана на рис. 4.2. Кривая на рис. 4.2 показывает, что при возрастании частоты и неизменной частоте сети доля мощности, получаемая преобразователем Мот двигателя M1, возрастает, а доля мощности, передаваемой ротору со статора преобразователя вращающимся магнитным полем, уменьшается. Из уравнений (4.4) и (4.5) может быть найдено выражение для мощности приводного асинхронного двигателя М Р = Р) , (4.6) и для мощности, передаваемой магнитным полем статора преобразователя на ротор
44
2
/f
1 При работе преобразователя частоты полная мощность его ротора Р
2
складывается из электромагнитной мощности Р , передаваемой вращающимся магнитным полем со статора на ротор, и мощности Р, подведенной к ротору преобразователя М через вал от электродвигателя M1: Р Р + P
2
' .
(4.4) Таким образом, выходная мощность ротора преобразователя на повышенной частоте создается за счет преобразования мощности его статора и за счет мощности двигателя M1. Как показывают исследования, соотношение мощностей и Р определяется выражением
Р
1,2
/Р
2
′ = 1/[(f
2
/f
1
)–1] . (4.5) Примерная кривая зависимости отношения Р
1,2
/Р
2
′ от относительного изменения частоты показана на рис. 4.2. Кривая на рис. 4.2 показывает, что при возрастании частоты и неизменной частоте сети доля мощности, получаемая преобразователем Мот двигателя M1, возрастает, а доля мощности, передаваемой ротору со статора преобразователя вращающимся магнитным полем, уменьшается. Из уравнений (4.4) и (4.5) может быть найдено выражение для мощности приводного асинхронного двигателя М Р = Р) , (4.6) и для мощности, передаваемой магнитным полем статора преобразователя на ротор
44
Р Р . (4.7) В соответствии с выражениями (4.6), (4.7) на рис. 4.3 приведены кривые, определяющие процентное соотношение величин мощностей Р и
Р
1,2
в зависимости от кратности по отношению к частоте сети f
1
. Об общих свойствах преобразователя частоты, наиболее целесообразных режимах работы судят по его рабочим характеристикам
I
1
= f(P
2
); P
1
= f(P
2
); cos φ
1
= f(P
2
);
η = f(P
2
); U
2
= f(P
2
); f
2
= f(P
2
); при U
1
= const; f
1
= const; cos φ
2
= const, где величины с индексом «1» относятся к сети с частотой f
1
, ас индексом
«2» – к сети с частотой Исследование свойств асинхронного преобразователя производится (по схеме рис. 4.4) на агрегате типа ИЭ-940, состоящем из приводного двухполюсного асинхронного электродвигателя M1 с короткозамкнутым ротором и асинхронной машины Мс фазным ротором, которые находятся водном корпусе. На переднем выступающем конце вала преобразователя смонтирован цельный прессованный коллектор, состоящий из трех изолированных друг от друга контактных колец. Коллектор закреплен навалу винтом. С торца коллектора установлена панель с шестью зажимами, к которым присоединяются концы обмотки ротора преобразователя М. Питание ротора преобразователя М производится через три щетки, соединенные с зажимами, установленными на щеткодержателе. К этим зажимам присоединяются концы обмотки статора приводного двигателя M1 и кабель подвода питания агрегата. К приливу торца заднего шарикоподшипникового щита крепится панель, закрывающаяся крышкой. К зажимам этой панели подключаются концы обмотки статора преобразователя Мс которого снимается ток повышенной частоты. Преобразователь частоты типа ИЭ-940 имеет следующие технические данные Первичный номинальный ток
10 А Вторичный номинальный ток 67 А Первичное номинальное напряжение 220/380 В Вторичное номинальное напряжение 36 В (±10%) Первичная частота тока
50 Гц Вторичная частота тока 200 Гц Скорость вращения 2800 об/мин Мощность, потребляемая агрегатом
5,8 кВт Мощность, отдаваемая агрегатом 4 кВт Режим работы длительный
45
Р
1,2
в зависимости от кратности по отношению к частоте сети f
1
. Об общих свойствах преобразователя частоты, наиболее целесообразных режимах работы судят по его рабочим характеристикам
I
1
= f(P
2
); P
1
= f(P
2
); cos φ
1
= f(P
2
);
η = f(P
2
); U
2
= f(P
2
); f
2
= f(P
2
); при U
1
= const; f
1
= const; cos φ
2
= const, где величины с индексом «1» относятся к сети с частотой f
1
, ас индексом
«2» – к сети с частотой Исследование свойств асинхронного преобразователя производится (по схеме рис. 4.4) на агрегате типа ИЭ-940, состоящем из приводного двухполюсного асинхронного электродвигателя M1 с короткозамкнутым ротором и асинхронной машины Мс фазным ротором, которые находятся водном корпусе. На переднем выступающем конце вала преобразователя смонтирован цельный прессованный коллектор, состоящий из трех изолированных друг от друга контактных колец. Коллектор закреплен навалу винтом. С торца коллектора установлена панель с шестью зажимами, к которым присоединяются концы обмотки ротора преобразователя М. Питание ротора преобразователя М производится через три щетки, соединенные с зажимами, установленными на щеткодержателе. К этим зажимам присоединяются концы обмотки статора приводного двигателя M1 и кабель подвода питания агрегата. К приливу торца заднего шарикоподшипникового щита крепится панель, закрывающаяся крышкой. К зажимам этой панели подключаются концы обмотки статора преобразователя Мс которого снимается ток повышенной частоты. Преобразователь частоты типа ИЭ-940 имеет следующие технические данные Первичный номинальный ток
10 А Вторичный номинальный ток 67 А Первичное номинальное напряжение 220/380 В Вторичное номинальное напряжение 36 В (±10%) Первичная частота тока
50 Гц Вторичная частота тока 200 Гц Скорость вращения 2800 об/мин Мощность, потребляемая агрегатом
5,8 кВт Мощность, отдаваемая агрегатом 4 кВт Режим работы длительный
45
Задание Ознакомиться с принципом работы и конструкцией асинхронного преобразователя частоты.
2) Снять и построить рабочие характеристики асинхронного преобразователя частоты ИЭ-940.
3) На основе полученных характеристик проанализировать работу преобразователя частоты во всем диапазоне изменения мощности нагруз- ки.
2) Снять и построить рабочие характеристики асинхронного преобразователя частоты ИЭ-940.
3) На основе полученных характеристик проанализировать работу преобразователя частоты во всем диапазоне изменения мощности нагруз- ки.
1 2 3
Краткие методические указания
1. Ознакомиться с описанием и схемой лабораторной установки (рис. 4.4)
2. Подключить к схеме питания преобразователя частоты необходимые для снятия рабочих характеристик измерительные приборы.
3. Вращая ручку нагрузочного реостата влево до упора, установить его в положение, соответствующее режиму холостого хода.
4. После проверки схемы преподавателем подать на нее напряжение включением пакетного выключателя Q1.
5. Запустить агрегат на холостом ходу включением пакетного выключателя
Q2. Записать показания приборов.
46
Рис. Схема исследования асинхронного преобразователя частоты. Подключить выключателем Q3 нагрузку и, вращая ручку нагрузочного реостата вправо, снять показания всех приборов при фиксированных значениях тока нагрузки 10 А, 20 А, 30 А, 40 А, 50 А, 60 А, 67 А, 70 А.
7. Результаты опытов записать в таблицу 4.1.
8. Подсчитать для всех значений тока нагрузки величины cos φ
1
, P
2
,
η при и занести их в табл. 4.1.
9. На основании данных табл. 4.1 строят зависимости
I
1
= f(P
2
); P
1
= f(P
2
); cos φ
1
= f(P
2
);
η = f(P
2
); U
2
= f(P
2
); f
2
= f(P
2
); при U
1
= const; f
1
= const; cos φ
2
= const=1.
10. 3начения коэффициента мощности cos φ
1 рассчитываются по формуле
cos
φ
1
= P
1
/ (
√3·U
1
·I
1
), (4.8) где P
1
– мощность, потребляемая агрегатом из сети, кВт
U
1
, I
1
– соответственно, напряжение и ток вцепи промышленной частоты f
1
=50 Гц Значение мощности P
2
, отдаваемой агрегатом, рассчитывается по формуле
P
2
=
√3∙U
2
·I
2
, (4.9) где U
2
, I
2
– соответственно, напряжение и ток вцепи повышенной частоты Гц Коэффициент полезного действия агрегата рассчитывается по формуле) Таблица 4.1 Данные для построения рабочих характеристик асинхронного преобразователя частоты Номер Измерено Вычислено сторона 50 Гц сторона 200 Гц
cos
φ
1
P
2
η В А кВт В Гц А кВт
%
1 2
…
8 48
7. Результаты опытов записать в таблицу 4.1.
8. Подсчитать для всех значений тока нагрузки величины cos φ
1
, P
2
,
η при и занести их в табл. 4.1.
9. На основании данных табл. 4.1 строят зависимости
I
1
= f(P
2
); P
1
= f(P
2
); cos φ
1
= f(P
2
);
η = f(P
2
); U
2
= f(P
2
); f
2
= f(P
2
); при U
1
= const; f
1
= const; cos φ
2
= const=1.
10. 3начения коэффициента мощности cos φ
1 рассчитываются по формуле
cos
φ
1
= P
1
/ (
√3·U
1
·I
1
), (4.8) где P
1
– мощность, потребляемая агрегатом из сети, кВт
U
1
, I
1
– соответственно, напряжение и ток вцепи промышленной частоты f
1
=50 Гц Значение мощности P
2
, отдаваемой агрегатом, рассчитывается по формуле
P
2
=
√3∙U
2
·I
2
, (4.9) где U
2
, I
2
– соответственно, напряжение и ток вцепи повышенной частоты Гц Коэффициент полезного действия агрегата рассчитывается по формуле) Таблица 4.1 Данные для построения рабочих характеристик асинхронного преобразователя частоты Номер Измерено Вычислено сторона 50 Гц сторона 200 Гц
cos
φ
1
P
2
η В А кВт В Гц А кВт
%
1 2
…
8 48
Контрольные вопросы
1. Объясните принцип работы преобразователей частоты.
2. Почему индукционные установки могут работать на переменном токе
3. Какая конструкция преобразователя наиболее целесообразна и почему с подводом напряжения питания промышленной частоты к статору и подключением нагрузки к обмоткам ротора или наоборот
4. Зачем стремятся уменьшить зазор между индуктором и нагреваемым металлом. Для каких технологических операций применяют высокочастотный нагрев. Почему приповерхностной индукционной закалке в отличие от пламенной не происходит перегрев поверхностного слоя металлической заготовки. Понятие коэффициента поглощения мощности. Что он показывает
8. Назначение конденсаторной батареи в индукционных установках. Как практически подобрать необходимую мощность и емкость конденсаторов
9. Когда частота тока будет выше при сквозном нагреве или закалке заготовок одинаковых размеров Почему
10. Определить число полюсов асинхронной машины с фазным ротором, входящей в состав преобразователи частоты ИЭ-940. Лабораторная работа №5 СНЯТИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ ДИОДОВ Цели работы
1. Закрепить знания по теме Источники питания электролизных установок. Изучить конструкции и ознакомиться с классификацией силовых полупроводниковых диодов.
3. Снять и проанализировать вольт-амперные характеристики силовых кремниевых диодов при различной температуре р – перехода. Краткие теоретические сведения В настоящее время для питания промышленных электролизных установок широко применяют полупроводниковые выпрямители, так как они наиболее долговечны, надежны, простыв обслуживании, обладают высоким КПД, бесшумны и не имеют токсичных выделений. Такие мощные выпрямители преобразовательных подстанций для питания электролизных
49
1. Объясните принцип работы преобразователей частоты.
2. Почему индукционные установки могут работать на переменном токе
3. Какая конструкция преобразователя наиболее целесообразна и почему с подводом напряжения питания промышленной частоты к статору и подключением нагрузки к обмоткам ротора или наоборот
4. Зачем стремятся уменьшить зазор между индуктором и нагреваемым металлом. Для каких технологических операций применяют высокочастотный нагрев. Почему приповерхностной индукционной закалке в отличие от пламенной не происходит перегрев поверхностного слоя металлической заготовки. Понятие коэффициента поглощения мощности. Что он показывает
8. Назначение конденсаторной батареи в индукционных установках. Как практически подобрать необходимую мощность и емкость конденсаторов
9. Когда частота тока будет выше при сквозном нагреве или закалке заготовок одинаковых размеров Почему
10. Определить число полюсов асинхронной машины с фазным ротором, входящей в состав преобразователи частоты ИЭ-940. Лабораторная работа №5 СНЯТИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ ДИОДОВ Цели работы
1. Закрепить знания по теме Источники питания электролизных установок. Изучить конструкции и ознакомиться с классификацией силовых полупроводниковых диодов.
3. Снять и проанализировать вольт-амперные характеристики силовых кремниевых диодов при различной температуре р – перехода. Краткие теоретические сведения В настоящее время для питания промышленных электролизных установок широко применяют полупроводниковые выпрямители, так как они наиболее долговечны, надежны, простыв обслуживании, обладают высоким КПД, бесшумны и не имеют токсичных выделений. Такие мощные выпрямители преобразовательных подстанций для питания электролизных
49
установок собираются из силовых кремниевых диодов, имеющих наиболее высокие параметры по прямому току, обратному напряжению и КПД по сравнению с германиевыми, селеновыми и другими полупроводниковыми диодами. Выпрямительные свойства силового кремниевого диода (как и любого полупроводникового диода) определяются наличием электронно- дырочного перехода р – перехода, образующегося в полупроводниковом кристалле, имеющем (при введении соответствующих примесей) две области одну с электронной (n), вторую – с дырочной (р) электропроводностью при условии, что граница между ними достаточно резкая. Так как концентрация электронов в области намного больше концентрации электронов в р-области, то возникающий градиент концентраций примесей способствует диффузии электронов в р-область. По аналогии происходит диффузия дырок в область. В результате диффузии и рекомбинации с основными носителями в зоне р-n–перехода образуются области, обедненные основными носителями. При этом нескомпенсированные положительные донорные ионы в области и отрицательные акцепторные ионы в р-области образуют область положительного и отрицательного объемных зарядов (это и есть область р – перехода, которые создают электрическое поле, направленное от области к р-области (рис.
5.1.) Это поле препятствует диффузии основных носителей и вызывает дрейф неосновных носителей. Таким образом устанавливается динамическое равновесие между р- и областями, при котором встречные потоки носителей, обусловленные диффузией и дрейфом, взаимно уравновешиваются. Общий ток р-n–перехода равен нулю. Так, область объемного заряда обеднена основными носителями, ее сопротивление намного больше любой другой области полупроводникового кристалла и поэтому в случае приложения внешнего напряжения к полупроводнику с р-n–переходом большее падение напряжения будет приходиться на область объемного заряда. Таким образом, изменение потенциального барьера, созданного полем объемных зарядов, будет происходить на величину приложенного напряжения. При включении р-n–перехода в прямом направлении потенциальный барьер снижается, и ток через р-n–переход растет. При обратном включении потенциальный барьер повышается, и через диод протекает обратный ток на несколько порядков меньший прямого тока. Полный ток через р-n–переход можно написать в виде
),
1
(
/
0 0
−
=
kT
qU
e
I
I
(5.1)
50
5.1.) Это поле препятствует диффузии основных носителей и вызывает дрейф неосновных носителей. Таким образом устанавливается динамическое равновесие между р- и областями, при котором встречные потоки носителей, обусловленные диффузией и дрейфом, взаимно уравновешиваются. Общий ток р-n–перехода равен нулю. Так, область объемного заряда обеднена основными носителями, ее сопротивление намного больше любой другой области полупроводникового кристалла и поэтому в случае приложения внешнего напряжения к полупроводнику с р-n–переходом большее падение напряжения будет приходиться на область объемного заряда. Таким образом, изменение потенциального барьера, созданного полем объемных зарядов, будет происходить на величину приложенного напряжения. При включении р-n–перехода в прямом направлении потенциальный барьер снижается, и ток через р-n–переход растет. При обратном включении потенциальный барьер повышается, и через диод протекает обратный ток на несколько порядков меньший прямого тока. Полный ток через р-n–переход можно написать в виде
),
1
(
/
0 0
−
=
kT
qU
e
I
I
(5.1)
50
где I
0
– ток насыщения (устанавливается при обратном напряжении и практически не изменяется в широком диапазоне обратных напряжений
U
0
– напряжение, приложенное к р-n–переходу, В
q – заряд электрона
k – постоянная Больцмана Т – абсолютная температура, К. Выражению (5.1) соответствует вольт-амперная характеристика см. рис. 5.2), представляющая собой зависимость тока, протекающего через р-n–переход, от приложенного к нему напряжения. Рис. 5.1. Распределение носителей заряда в зоне перехода
51
0
– ток насыщения (устанавливается при обратном напряжении и практически не изменяется в широком диапазоне обратных напряжений
U
0
– напряжение, приложенное к р-n–переходу, В
q – заряд электрона
k – постоянная Больцмана Т – абсолютная температура, К. Выражению (5.1) соответствует вольт-амперная характеристика см. рис. 5.2), представляющая собой зависимость тока, протекающего через р-n–переход, от приложенного к нему напряжения. Рис. 5.1. Распределение носителей заряда в зоне перехода
51
При прямом напряжении уже при U>0,1 В первый член в скобках в выражении (5.1) становится значительно больше единицы, и последней можно пренебречь, те. имеем экспоненту
/
0 0
kT
qU
e
I
I
⋅
=
(5.2) При обратном напряжении на р-n–переходе экспоненциальный член в выражении (5.1) уже при относительно небольшом напряжение (порядка нескольких Т) становится много меньше единицы так, что ток через переход в обратном направлении
0
I
I
=
(5.3)
Вольт-амперная характеристика идеального р-n–перехода изображена на рис. 5.2 сплошной линией. Штриховой линией на рис. 5.2 показана вольт-амперная характеристика реального силового диода. При больших токах напрямую ветвь вольт-амперной характеристики оказывает влияние падение напряжения в объеме монокристалла и на контактах. Обозначив соответствующее электрическое сопротивление через r, Рис. 5.2. Вольт-амперные характеристики перехода и полупроводникового диода Рис. 5.3. Вольт-амперные характеристики полупроводниковых диодов при различных температурах
52
/
0 0
kT
qU
e
I
I
⋅
=
(5.2) При обратном напряжении на р-n–переходе экспоненциальный член в выражении (5.1) уже при относительно небольшом напряжение (порядка нескольких Т) становится много меньше единицы так, что ток через переход в обратном направлении
0
I
I
=
(5.3)
Вольт-амперная характеристика идеального р-n–перехода изображена на рис. 5.2 сплошной линией. Штриховой линией на рис. 5.2 показана вольт-амперная характеристика реального силового диода. При больших токах напрямую ветвь вольт-амперной характеристики оказывает влияние падение напряжения в объеме монокристалла и на контактах. Обозначив соответствующее электрическое сопротивление через r, Рис. 5.2. Вольт-амперные характеристики перехода и полупроводникового диода Рис. 5.3. Вольт-амперные характеристики полупроводниковых диодов при различных температурах
52
можно уточнить выражение для прямой ветви вольт-амперной характеристики) В обратной ветви характеристики диода ток также не остается постоянным, как это должно бы быть в соответствии с равенством (5.3). На практике обратный ток диода на два–три порядка превышает ток насыщения (тепловой ток) при низких напряжениях и растет с увеличением обратного напряжения. Это обусловлено влиянием генерации носителей в объеме р-n–перехода, поверхностными утечками и эффектом лавинного умножения в объеме р-n–перехода при достаточно высоком обратном напряжении. Особенностью полупроводниковых приборов, в том числе и диодов, является достаточно высокая зависимость их вольт-амперных характеристик от температуры (рис. 5.3). Увеличение обратного тока с повышением температуры связано с ростом концентрации неосновных носителей и подчиняется примерно закону экспоненты. Снижение прямого падения напряжения на диоде с ростом температуры также объясняется увеличением концентрации неосновных носителей, определяющих дрейфовый ток в выражении (5.1) при включении диода в прямом направлении. Снятие вольт-амперных характеристик силовых диодов имеет важное значение. Хотя разброс характеристик невелик, однако может существенно повлиять на работу диодов особенно в сложных схемах с включением диодов на параллельную и последовательную работу. Прямая ветвь характеристики позволяет определить следующие статические параметры диода
– номинальный (прямой) ток
– пороговое напряжение пор отсекаемое продолжением линейной части прямой ветви характеристики на оси напряжений, рис. 5.2);
– дифференциальное сопротивление R
D
, характеризующее наклон прямой ветви в ее линейной части (с. Обратная ветвь характеристики позволяет определить следующие статические параметры диода
– номинальное (обратное) напряжение
– напряжение загиба обратной ветви пр
– обратный ток утечки. С помощью указанных параметров могут быть определены потери в силовых диодах и оценены возможности их включения на последовательную и параллельную работу.
53
– номинальный (прямой) ток
– пороговое напряжение пор отсекаемое продолжением линейной части прямой ветви характеристики на оси напряжений, рис. 5.2);
– дифференциальное сопротивление R
D
, характеризующее наклон прямой ветви в ее линейной части (с. Обратная ветвь характеристики позволяет определить следующие статические параметры диода
– номинальное (обратное) напряжение
– напряжение загиба обратной ветви пр
– обратный ток утечки. С помощью указанных параметров могут быть определены потери в силовых диодах и оценены возможности их включения на последовательную и параллельную работу.
53
Задание Ознакомиться с конструкцией, принципом работы, классификацией и основными паспортными характеристиками и параметрами силовых кремниевых диодов) Снять с помощью лабораторной установки вольт-амперную характеристику кремниевого диода при различных температурах р-n–перехода
(t
1
=t
окр.среды
; t
2
=+80°C; t
3
=+50°C) и построить их в выбранном масштабе.
3) На основе анализа полученных вольт-амперных характеристик определить основные параметры кремниевого диода и сделать необходимые выводы по работе. Краткие методические указания
1. Ознакомиться с описанием и схемой лабораторной установки (рис. 5.4).
2. Подключить к схеме для снятия вольт-амперной характеристики необходимые электроизмерительные приборы.
3. После проверки схемы преподавателем снять обратную ветвь вольт- амперной характеристики диода i
R
=f(u
R
) при температуре окружающей среды в такой последовательности
– переключатель SA1 установить в положение 1;
– переключатель SA2 установить в положение 1;
– ручки ЛАТР1 и ЛАТР2 установить в крайнее левое (нулевое) положение подать напряжение на стенд, включив пакетный выключатель Q1;
– постепенным увеличением напряжения (ЛАТР1) снять обратную ветвь вольт-амперной характеристики (10 точек, показания приборов и РА1 занести в таблицу 5.1;
54
(t
1
=t
окр.среды
; t
2
=+80°C; t
3
=+50°C) и построить их в выбранном масштабе.
3) На основе анализа полученных вольт-амперных характеристик определить основные параметры кремниевого диода и сделать необходимые выводы по работе. Краткие методические указания
1. Ознакомиться с описанием и схемой лабораторной установки (рис. 5.4).
2. Подключить к схеме для снятия вольт-амперной характеристики необходимые электроизмерительные приборы.
3. После проверки схемы преподавателем снять обратную ветвь вольт- амперной характеристики диода i
R
=f(u
R
) при температуре окружающей среды в такой последовательности
– переключатель SA1 установить в положение 1;
– переключатель SA2 установить в положение 1;
– ручки ЛАТР1 и ЛАТР2 установить в крайнее левое (нулевое) положение подать напряжение на стенд, включив пакетный выключатель Q1;
– постепенным увеличением напряжения (ЛАТР1) снять обратную ветвь вольт-амперной характеристики (10 точек, показания приборов и РА1 занести в таблицу 5.1;
54
Рис. Схема установки для снятия обратной и прямой ветвей вольтам пер ны х характеристик кремниевого диода установить ЛАТР1 в нулевое положение, переключатель SA2 установить в положение 2 (для разряда конденсаторов блока умножения напряжения выключатель Q1 отключить.
4. Снять прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода i
F
=f(u
F
) при температуре окружающей среды в такой последовательности
– переключатели SA1, SA2 установить в положение 2;
– ручки ЛАТР1 и ЛАТР2 установить в нулевое положение
– подать напряжение на стенд, включив пакетный выключатель Q1;
– постепенным увеличением напряжения (ЛАТР1) снять прямую ветвь вольт-амперной характеристики (7 – 8 точек) показания приборов
PV1 ИРА занести в таблицу 5.2;
– установить ЛАТР1 в нулевое положение, переключатели SA1 и
SA2 установить в положение 1;
– отключить пакетный выключатель Q1.
5. Снятие обратных и прямых ветвей вольт-амперных характеристик диода при температурах и С выполняется аналогично изложенному в пп. 3; 4, но после включения Q1 необходимо перед снятием характеристик нагреть диод до соответствующей температуры с помощью нагревательного элемента ЕК, подключаемого к электросети пакетным выключателем Q2. Рост температуры контролируется по термометру РК. При достижении необходимой температуры ЛАТР2 выводится в нулевое положение, Q2 отключается и снимается соответствующая ветвь вольт- амперной характеристики. Показания приборов заносятся в соответствующие графы табл. 5.1 и табл. 5.2.
6. Поданным табл. 5.1 и табл. 5.2 строятся вольт-амперные характеристики диода при t
1
=t
окр.ср
; t
2
=+80°C; t
3
=+50°C. Таблица 5.1 Обратные ветви вольт-амперных характеристик Номер
t=t
окр.ср
t=+50°C
t=+80°C
I
U
I
U
I
U дел. мА Вдел. мА Вдел. мА В
1 2
…
10 Примечание. Цена деления миллиамперметра РА1 – 0,2 м показания киловольтмет- ра PV2 необходимо умножить на 3.
56
4. Снять прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода i
F
=f(u
F
) при температуре окружающей среды в такой последовательности
– переключатели SA1, SA2 установить в положение 2;
– ручки ЛАТР1 и ЛАТР2 установить в нулевое положение
– подать напряжение на стенд, включив пакетный выключатель Q1;
– постепенным увеличением напряжения (ЛАТР1) снять прямую ветвь вольт-амперной характеристики (7 – 8 точек) показания приборов
PV1 ИРА занести в таблицу 5.2;
– установить ЛАТР1 в нулевое положение, переключатели SA1 и
SA2 установить в положение 1;
– отключить пакетный выключатель Q1.
5. Снятие обратных и прямых ветвей вольт-амперных характеристик диода при температурах и С выполняется аналогично изложенному в пп. 3; 4, но после включения Q1 необходимо перед снятием характеристик нагреть диод до соответствующей температуры с помощью нагревательного элемента ЕК, подключаемого к электросети пакетным выключателем Q2. Рост температуры контролируется по термометру РК. При достижении необходимой температуры ЛАТР2 выводится в нулевое положение, Q2 отключается и снимается соответствующая ветвь вольт- амперной характеристики. Показания приборов заносятся в соответствующие графы табл. 5.1 и табл. 5.2.
6. Поданным табл. 5.1 и табл. 5.2 строятся вольт-амперные характеристики диода при t
1
=t
окр.ср
; t
2
=+80°C; t
3
=+50°C. Таблица 5.1 Обратные ветви вольт-амперных характеристик Номер
t=t
окр.ср
t=+50°C
t=+80°C
I
U
I
U
I
U дел. мА Вдел. мА Вдел. мА В
1 2
…
10 Примечание. Цена деления миллиамперметра РА1 – 0,2 м показания киловольтмет- ра PV2 необходимо умножить на 3.
56
Таблица 5.2 Прямые ветви вольт-амперных характеристик Номер
t=t
окр.ср
t=+50°C
t=+80°C
I
U
I
U
I
U дел. мА Вдел. мА Вдел. мА В
1 2
…
7 Примечание. Цена деления миллиамперметра РА2 – 50 м цена деления вольтметра
PV1 соответствует показаниям вольтметра в вольтах. Контрольные вопросы
1. Понятие электронно-дырочного перехода.
2. Что называется вольт-амперной характеристикой p-n – перехода
3. Основные характеристики и параметры полупроводникового силового диода.
4. Конструкции силовых кремниевых диодов.
5. Классификация силовых кремниевых диодов (классы, группы и т. д.
6. Назовите источники питания электролизных установок.
7. Чем объясняется рост обратного тока с увеличением напряжения
8. Отчего зависят величины прямого и обратного токов силового кремниевого диода
9. Возможно ли равномерное деление тока между параллельно включенными диодами
10. Как выбирается число параллельно (последовательно) включенных диодов Лабораторная работа №6 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ УСТАНОВОК Цели работы
1. Закрепить знания по теме Источники питания электролизных установок раздела Электролиз.
57
t=t
окр.ср
t=+50°C
t=+80°C
I
U
I
U
I
U дел. мА Вдел. мА Вдел. мА В
1 2
…
7 Примечание. Цена деления миллиамперметра РА2 – 50 м цена деления вольтметра
PV1 соответствует показаниям вольтметра в вольтах. Контрольные вопросы
1. Понятие электронно-дырочного перехода.
2. Что называется вольт-амперной характеристикой p-n – перехода
3. Основные характеристики и параметры полупроводникового силового диода.
4. Конструкции силовых кремниевых диодов.
5. Классификация силовых кремниевых диодов (классы, группы и т. д.
6. Назовите источники питания электролизных установок.
7. Чем объясняется рост обратного тока с увеличением напряжения
8. Отчего зависят величины прямого и обратного токов силового кремниевого диода
9. Возможно ли равномерное деление тока между параллельно включенными диодами
10. Как выбирается число параллельно (последовательно) включенных диодов Лабораторная работа №6 ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ УСТАНОВОК Цели работы
1. Закрепить знания по теме Источники питания электролизных установок раздела Электролиз.
57
2. Ознакомиться с основными эксплуатационными характеристиками выпрямителей. Снять и проанализировать внешние характеристики селенового выпрямителя ВСГ–ЗА при различных значениях выходного номинального напряжения. Краткие теоретические сведения В современной промышленности для формообразования и изменения свойств материалов наряду с электросварочными и электротермическими процессами широко используются технологии с электрохимическим способом воздействия. Таким способом является электролиз, получивший широкое распространение в металлургии цветных металлов ив ряде химических производств. Сущность электролиза состоит в следующем В электролитах (растворах солей, кислот и оснований вводе и других растворителях, а также в расплавах) в результате явления электролитической диссоциации – распада вещества на положительно и отрицательно заряженные ионы – существует ионная электропроводность. При подсоединении электродов, опущенных в сосуд с электролитом к источнику электроэнергии, через электролит начнет протекать ионный ток, при этом положительно заряженные ионы – катионы – будут двигаться к катоду, а отрицательно заряженные ионы – анионы – к аноду. У анода анионы отдают свой заряди превращаются в нейтральные частицы, оседающие на электроде. У катода катионы захватывают у электрода электроны, нейтрализуются и оседают на нем. Выделяющиеся на электродах газы в виде пузырьков поднимаются на поверхность. Во внешней цепи протекает ток, представляющий собой движение электронов от анода к катоду рис. 6.1.). Так осуществляют извлечение различных веществ из электролита электроэкстракцию или (при растворимом аноде) перенос вещества с анода на катод – электролитическое рафинирование. В обоих случаях цель электролиза – получение химически чистых, незагрязненных примесями веществ. На явлении электролиза основаны также все электрохимические методы обработки материалов гальваностегия, гальванопластика, анодное полирование, анодно-гидравлическая размерная обработка, анодно-механическая обработка. Протекание электрохимических реакций при электролизе описывается следующими законами Фарадея.
58
1. Масса вещества э, выделившегося при электролизе на катоде или перешедшего с анода в электролит, пропорциональна количеству электричества, прошедшего через электролит
(6.1) где
α
– электрохимический эквивалент вещества, г/Кл;
I – ток через электролит, А
t – время протекания тока, с
2. Масса вещества, выделенного при электролизе одними тем же количеством электричества, прямо пропорциональна атомной массе вещества Аи обратно пропорциональна его валентности n: э , (6.2) где 96 480 – число Фарадея, Кл
•
моль
-1
Таким образом, электрохимический эквивалент вещества
,
96480
/
n
A
⋅
=
α
(6.3) представляет собой массу вещества в граммах, выделяемую единицей количества электричества (1 Кл = 1 Ас, проходящего через электролит. Например, для меди А =63,54; n=2;
/
000329
,
0 2
96480
/
54
,
63
Кл
г
=
⋅
=
α
Технологические процессы, использующие явление электролиза, весьма разнообразны, широки диапазон мощностей электролизных установок, эксплуатируемых в промышленности. Этим объясняется и большое разнообразие источников питания электролизных установок как по исполнению, таки по мощности. В качестве источников питания электролизных установок используются следующие преобразователи трехфазного и однофазного переменного тока в постоянный двигатель-генераторы, одноякорные преобразователи, механические контактные, ртутные и полупроводниковые выпрямители. В настоящее время, благодаря своим неоспоримым преимуществам, наиболее распространены полупроводниковые силовые выпрямители. Селеновый выпрямитель ВСГ–ЗА состоит из понижающего трансформатора и селеновых выпрямительных элементов, смонтированных на э
четырех радиаторных пластинах и соединенных по схеме двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (рис. 6.2). Эксплуатационные электрические характеристики выпрямителя определяются в основном его схемой, значениями подводимого и выпрямленного напряжения, током нагрузки. Основной эксплуатационной характеристикой выпрямителя является внешняя характеристика, представляющая зависимость напряжения на выходе выпрямителя оттока нагрузки
U
d
=f (I
d
) ( или ∆U=f (I
d
) ), где ∆U – потеря напряжения на выпрямителе. Коэффициент полезного действия (КПД выпрямителя определяется как отношение мощности выходного выпрямленного тока к мощности входного переменного тока. Теоретический расчет показывает, что максимальный КПД идеального выпрямителя при работе его на активную нагрузку равен 40,5% при однополупериодной схеме. Для трехфазных выпрямителей КПД достигает. На практике КПД выпрямителей значительно меньше и зависит от приложенного напряжения, тока, температуры и характера нагрузки. Задание
1) Ознакомиться с выпрямительной схемой выпрямителя ВСГ–ЗА, ее основными параметрами при активной нагрузке и паспортными данными
ВСГ–ЗА.
2) Снять с помощью лабораторной установки внешние характеристики селенового выпрямителя ВСГ–ЗА при различных значениях выходных номинальных напряжений.
3) Построить внешние характеристики выпрямителя ВСГ–ЗА и проанализировать работу во всем диапазоне изменения тока нагрузки.
60
U
d
=f (I
d
) ( или ∆U=f (I
d
) ), где ∆U – потеря напряжения на выпрямителе. Коэффициент полезного действия (КПД выпрямителя определяется как отношение мощности выходного выпрямленного тока к мощности входного переменного тока. Теоретический расчет показывает, что максимальный КПД идеального выпрямителя при работе его на активную нагрузку равен 40,5% при однополупериодной схеме. Для трехфазных выпрямителей КПД достигает. На практике КПД выпрямителей значительно меньше и зависит от приложенного напряжения, тока, температуры и характера нагрузки. Задание
1) Ознакомиться с выпрямительной схемой выпрямителя ВСГ–ЗА, ее основными параметрами при активной нагрузке и паспортными данными
ВСГ–ЗА.
2) Снять с помощью лабораторной установки внешние характеристики селенового выпрямителя ВСГ–ЗА при различных значениях выходных номинальных напряжений.
3) Построить внешние характеристики выпрямителя ВСГ–ЗА и проанализировать работу во всем диапазоне изменения тока нагрузки.
60
Рис. 6.1. Схема электролизной ванны
1 – ванна 2 – электролит 3 – анод
4 – катод 5 – источник питания Рис. 6.2. Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой
61
1 – ванна 2 – электролит 3 – анод
4 – катод 5 – источник питания Рис. 6.2. Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой
61
Краткие методические указания
1. В качестве исследуемого выпрямителя используется селеновый выпрямитель типа ВСГ–ЗА, предназначенный для питания электролизных ванн от сети однофазного переменного тока с частотой 50 Гц напряжением
220 В. Схема лабораторной установки представлена на рис. 6.3. Паспортные данные выпрямителя ВСГ–ЗА: Выпрямленный ток – 200 А. Выпрямленное напряжение – 2,5 В 3,5 В 4,5 В 6 В. КПД при нормальной нагрузке – не ниже 40%. Габаритные размеры 350 × 560 × 500 мм.
2. На стенд подведено однофазное напряжение 220 В, которое подается на стенд включением пакетного выключателя Q. Вцепи переменного тока предусмотрены измерительные приборы для определения напряжения, тока и мощности, вцепи постоянного тока – измерительные приборы для определения тока и напряжения на нагрузке н.
3. Снятие внешних характеристик выпрямителя выполняется в следующем порядке
3.1. Для снятия характеристики ∆U
1
=f (I
d
) при U
вых
=6 В собирается схема рис. 6.3, клеммы 1 и 7 соединяются проводником накоротко, амперметр РА1 подключается между клеммами 2 и 8. Включается пакетный выключатель Q, постепенно увеличивая напряжение (с помощью ЛАТРа), снимают характеристику ∆U
1
=f (I
d
) , записывая показания приборов в таблицу. Ручка ЛАТРа устанавливается в крайнее левое (нулевое) положение. Выключается пакетный выключатель Q.
3.2. Для снятия характеристики ∆U
2
=f (I
d
) при U
вых
=4,5 В закоротка между клеммами 1 и 7 снимается, амперметр РА1 подключается к клеммами. Дальнейший порядок снятия характеристики аналогичен изложенному в п. 3.1.
62
1. В качестве исследуемого выпрямителя используется селеновый выпрямитель типа ВСГ–ЗА, предназначенный для питания электролизных ванн от сети однофазного переменного тока с частотой 50 Гц напряжением
220 В. Схема лабораторной установки представлена на рис. 6.3. Паспортные данные выпрямителя ВСГ–ЗА: Выпрямленный ток – 200 А. Выпрямленное напряжение – 2,5 В 3,5 В 4,5 В 6 В. КПД при нормальной нагрузке – не ниже 40%. Габаритные размеры 350 × 560 × 500 мм.
2. На стенд подведено однофазное напряжение 220 В, которое подается на стенд включением пакетного выключателя Q. Вцепи переменного тока предусмотрены измерительные приборы для определения напряжения, тока и мощности, вцепи постоянного тока – измерительные приборы для определения тока и напряжения на нагрузке н.
3. Снятие внешних характеристик выпрямителя выполняется в следующем порядке
3.1. Для снятия характеристики ∆U
1
=f (I
d
) при U
вых
=6 В собирается схема рис. 6.3, клеммы 1 и 7 соединяются проводником накоротко, амперметр РА1 подключается между клеммами 2 и 8. Включается пакетный выключатель Q, постепенно увеличивая напряжение (с помощью ЛАТРа), снимают характеристику ∆U
1
=f (I
d
) , записывая показания приборов в таблицу. Ручка ЛАТРа устанавливается в крайнее левое (нулевое) положение. Выключается пакетный выключатель Q.
3.2. Для снятия характеристики ∆U
2
=f (I
d
) при U
вых
=4,5 В закоротка между клеммами 1 и 7 снимается, амперметр РА1 подключается к клеммами. Дальнейший порядок снятия характеристики аналогичен изложенному в п. 3.1.
62
8 Рис. Схема установки для снятия характеристик селенового выпрямителя. Снятие характеристики ∆U
3
=f (I
d
) при U
вых
=3,5 В производится аналогично изложенному в п. 3.2., только амперметр PA1 подключается к клеммами. При снятии характеристики ∆U
4
=f (I
d
) при U
вых
=2,5 В амперметр
PA1 подключается к клеммами. По результатам измерений производятся необходимые вычисления и заполняются соответствующие графы табл. 6.1., строятся внешние характеристики
∆U
1
=f (I
d
), ∆U
2
=f (I
d
), ∆U
3
=f (I
d
),
∆U
4
=f (I
d
);
U
d1
=f (I
d
), U
d2
=f (I
d
), U
d3
=f (I
d
), U
d4
=f (I
d
); а также кривые зависимости КПД выпрямителя от относительного тока нагрузки для всех значений U
вых
– Таблица 6.1 Данные для построения внешних характеристик ВСГ–ЗА Номер Измерено Вычислено
U
1
, ВАР, Вт
U
d
, В
I
d
, А
dном
d
d
I
I
I
=
*
Р
d
=I
d
•U
d
, Вт
1
P
P
d
=
η
ТР
К
U
U
1 2
=
, В
∆U=U
2
–
–U
d
, В Выходное напряжение 6 В К
тр
=16
1 2
…
8 Выходное напряжение 4,5 В К
тр
=25
1 2
…
8 Выходное напряжение 3,5 В К
тр
=30
1 2
…
8 Выходное напряжение 2,5 В К
тр
=40
1 2
…
8 64
Контрольные вопросы
1. В чем заключается сущность электролиза
2. Закон Фарадея.
3. Назовите основные источники питания электролизных установок, их достоинства и недостатки.
4. Назовите электрохимические процессы, используемые в промышленности. Классификация схем выпрямителей. Основные параметры выпрямительных схем.
6. Основные эксплуатационные характеристики выпрямителей.
7. Устройство, принципиальная схема и паспортные данные селенового выпрямителя ВСГ–ЗА.
8. Строение селеновых выпрямительных элементов.
9. Назначение металлических покрытий.
65
1. В чем заключается сущность электролиза
2. Закон Фарадея.
3. Назовите основные источники питания электролизных установок, их достоинства и недостатки.
4. Назовите электрохимические процессы, используемые в промышленности. Классификация схем выпрямителей. Основные параметры выпрямительных схем.
6. Основные эксплуатационные характеристики выпрямителей.
7. Устройство, принципиальная схема и паспортные данные селенового выпрямителя ВСГ–ЗА.
8. Строение селеновых выпрямительных элементов.
9. Назначение металлических покрытий.
65
ПРИЛОЖЕНИЕ Министерство образования и науки РФ Ульяновский государственный технический университет Кафедра Электроснабжение Лаборатория «Электротехнологические установки Отчет по работе №1 Электрооборудование печей сопротивления Выполнил студент группы Эд–42 Иванов В. В. Проверил преподаватель Крежевский ЮС. Ульяновск – 2016 66
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
Электротехнологические установки : учебно-практическое пособие / сост. ЮС. Крежевский ; Ульян. гос. техн. унт, Ин-т дистанц. и доп. образования Ульяновск : УлГТУ, 2015. – 92 с.
2. Баранов, Л.А. Светотехника и электротехнология : учебное пособие для вузов / Л. А. Баранов, В. А. Захаров. – М. : Колосс. Суворин, А. В. Электротехнологические установки : учебное пособие / А. В. Суворин. – Красноярск : Сиб. федер. университет, 2011. – 376 с.
4
. Болотов, А. В. Электротехнологические установки : учебное пособие для вузов / А. В. Болотов, ГА. Шепель. – М. : Высшая школа, 1988. – 355 с.
6
. Больфер, МГ. Оборудование для дуговой и шлаковой сварки и плавки / МГ. Больфер, Б. Е. Патон. – М. : Высшая школа, 1974. – 245 с.
5.
Вишневский, АИ. Силовые ионные и полупроводниковые приборы : учебное пособие для вузов / АИ. Вишневский, В. С. Руденко, А. П. Пла- тонов. – М. : Высшая школа, 1975. – 343 с.
6. Силовые полупроводниковые приборы : справочник / О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошивин. – М. : Энергоатомиздат, 1985. – 400 с.
7.
Тормасов, В. В. Электротехнология основных производств / В. В. Тор- масов. – М. : Высшая школа, 1970. – 286 с.
8. Фомичев, Е. П. Электротехнологические промышленные установки / Е. П. Фомичев. – Киев : Вища школа, 1979. – 264 с.
9.
Чиженко, ИМ. Основы преобразовательной техники : учебное пособие для спец. Промышленная электроника / ИМ. Чиженко, В. С. Руденко, В. И. Сенько. – М. : Высшая школа, 1974. – 430 с.
10. Электрические печи сопротивления и дуговые печи : учебник для техникумов М. Б. Тутман, Я. С. Кацевич и др. – М. : Энергоатомиздат, 1983.
–
360 с.
11.
Электротехнологические промышленные установки / под ред. АД.
Свенчанского. – М. : Энергоиздат, 1982. – 400 с.
67
1.
Электротехнологические установки : учебно-практическое пособие / сост. ЮС. Крежевский ; Ульян. гос. техн. унт, Ин-т дистанц. и доп. образования Ульяновск : УлГТУ, 2015. – 92 с.
2. Баранов, Л.А. Светотехника и электротехнология : учебное пособие для вузов / Л. А. Баранов, В. А. Захаров. – М. : Колосс. Суворин, А. В. Электротехнологические установки : учебное пособие / А. В. Суворин. – Красноярск : Сиб. федер. университет, 2011. – 376 с.
4
. Болотов, А. В. Электротехнологические установки : учебное пособие для вузов / А. В. Болотов, ГА. Шепель. – М. : Высшая школа, 1988. – 355 с.
6
. Больфер, МГ. Оборудование для дуговой и шлаковой сварки и плавки / МГ. Больфер, Б. Е. Патон. – М. : Высшая школа, 1974. – 245 с.
5.
Вишневский, АИ. Силовые ионные и полупроводниковые приборы : учебное пособие для вузов / АИ. Вишневский, В. С. Руденко, А. П. Пла- тонов. – М. : Высшая школа, 1975. – 343 с.
6. Силовые полупроводниковые приборы : справочник / О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошивин. – М. : Энергоатомиздат, 1985. – 400 с.
7.
Тормасов, В. В. Электротехнология основных производств / В. В. Тор- масов. – М. : Высшая школа, 1970. – 286 с.
8. Фомичев, Е. П. Электротехнологические промышленные установки / Е. П. Фомичев. – Киев : Вища школа, 1979. – 264 с.
9.
Чиженко, ИМ. Основы преобразовательной техники : учебное пособие для спец. Промышленная электроника / ИМ. Чиженко, В. С. Руденко, В. И. Сенько. – М. : Высшая школа, 1974. – 430 с.
10. Электрические печи сопротивления и дуговые печи : учебник для техникумов М. Б. Тутман, Я. С. Кацевич и др. – М. : Энергоатомиздат, 1983.
–
360 с.
11.
Электротехнологические промышленные установки / под ред. АД.
Свенчанского. – М. : Энергоиздат, 1982. – 400 с.
67
Учебное электронное издание
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Практикум к выполнению лабораторных работ Составители
Крежевский Юрий Степанович
Ребровская Диана Андреевна
ЭИ № 702. Объем данных
1,93 Мб. Редактор НА. Евдокимова Печатное издание Подписано в печать 06.07.2016. Формат 60
84/16. Усл. печ. л. 3,95. Тираж 50 экз. Заказ 652. Ульяновский государственный технический университет
432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32.
ИПК Венец УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32. Тел (8422) 778-113
E-mail: venec@ulstu.ru http://www.venec.ulstu.ru
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ Практикум к выполнению лабораторных работ Составители
Крежевский Юрий Степанович
Ребровская Диана Андреевна
ЭИ № 702. Объем данных
1,93 Мб. Редактор НА. Евдокимова Печатное издание Подписано в печать 06.07.2016. Формат 60
84/16. Усл. печ. л. 3,95. Тираж 50 экз. Заказ 652. Ульяновский государственный технический университет
432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32.
ИПК Венец УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32. Тел (8422) 778-113
E-mail: venec@ulstu.ru http://www.venec.ulstu.ru
1 2 3