Файл: Печи и установки индукционного и диэлектрического нагрева. Типы и виды печей.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.11.2023
Просмотров: 50
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Рис. 2.5. Использование емкостной компенсации реактивной мощности в цепи индуктора
На рис. 2.5. ХL, R – сопротивления системы индуктор-садка;
ХC – емкостное сопротивление компенсирующей батареи.
Величины ХL, R в значительной степени зависят от режима работы печи. На них оказывают влияние осадка, спекание, оплавление шихты, температура в тигле, размеры кусков шихты, равномерность ее измельчения и др.
Особенности электрооборудования индукционных тигельных печей
Электрооборудование включает в себя: печь, комплект измерительных приборов с трансформаторами, генератор повышенной или высокой частоты, коммутационную и защитную аппаратуру, конденсаторную батарею, емкость которой можно менять. Электрооборудование и измерительные приборы в случае повышенной и высокой частоты должны иметь специальное исполнение, допускающее использование специальной аппаратуры в зоне повышенных частот.
Рис. 2.6. Схема автоматического регулирования режима плавки
Переключатель S позволяет изменять в процессе плавки коэффициент связи индуктора и садки. Такое изменение необходимо в связи с тем, что активное сопротивление шихты различно в различные моменты процесса.
Контакторы К1, К2, К3 позволяют изменять в процессе плавки емкость компенсирующей конденсаторной батареи и поддерживать cosφ = 1 в цепи индуктора. Это приходится делать, потому что во время плавки также изменяется и индуктивное сопротивление садки, так как изменяется магнитная проницаемость, величины вихревых токов и т. д.
Автоматическое управление режимом работы индукционной тигельной печи
Автоматическое управление преследует следующие цели:
1. Автоматическое поддержание cosφ = 1 в цепи индуктора;
2. Автоматическое ограничение напряжения и тока на выходе источника питания на номинальном или заданном уровне;
3. Автоматическое согласование нагрузки с источником питания;
4. Автоматическое симметрирование мощной однофазной нагрузки промышленной частоты.
Современные системы управления строят на основе бесконтактных элементов.
Автоматическая стабилизация cosφ в цепи индуктора позволяет разгрузить источник питания от реактивных токов вне зависимости от изменения эквивалентной индуктивности системы индуктор- садка в процессе плавки.
В индукционных установках повышенной частоты поддерживают cosφ = 0,9–1 в зависимости от cosφ преобразователя частоты. В печах промышленной частоты поддерживается cosφ = 1 или cosφ = 0,866 в зависимости от используемой схемы симметрирования нагрузки. Для регулирования cosφ используется релейная система с зоной нечувствительности. Выходной сигнал реле является командой на увеличение, уменьшение или сохранение прежнего значения емкости компенсирующей конденсаторной батареи. Чтобы исключить автоколебания, необходимо использовать интегрирующий элемент, т. е. элемент памяти, который помнит требуемое значение емкости, когда cosφ находится в требуемых пределах.
Комплектный регулятор cosφ. При конкретной реализации данной схемы учитывают следующие обстоятельства:
1. Величина компенсирующих емкостей может применяться лишь подключением и отключением отдельных параллельных емкостей.
2. Переключающие величины емкости сопряжены с переходными процессами по току и напряжению. Указанные процессы могут нарушать нормальную работу печи промышленной частоты.
3. В установках промышленной частоты по условиям работы контактов переключение емкостей допускается лишь при отсутствии напряжения на индукторе.
Таким образом, структура регулятора должна предусматривать:
1. Запоминание сигнала на изменение емкости батареи.
2. Выдачу команды на отключение источника питания.
3. Выдачу команды на изменение емкости лишь после отключения источника питания и истечения времени, достаточного для разряда конденсатора.
4. Нечувствительность сигнала датчика фаз в течение некоторого заданного времени после очередного переключения.
Технологический процесс тигельной печи промышленной печи промышленной частоты оптимизируют следующим образом:
1. Используют регулятор режима источника питания.
2. Регулятор cosφ.
3. Регулятор согласования нагрузки.
Перечисленные наборы автоматических регуляторов выпускают в виде комплектных унифицированных устройств.
Диэлектрический нагрев
Механизм диэлектрического нагрева материалов сверхвысокочастотной энергией основан на явлении диэлектрической поляризации – перемещении в некоторых ограниченных пределах связанных электрических зарядов – диполей. Под действием внешнего переменного электромагнитного поля в материале происходит их колебательное движение и переориентация, в результате которых возникают токи проводимости и смещения. Совокупность обоих явлений и обеспечивает нагрев материала.
Преимущества СВЧ-нагрева:
- высокий КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую (близкий к 100%);
- бесконтактный экологически чистый подвод энергии;
- равномерный нагрев по всей массе продукта.
Недостатки:
-сложность оборудования обычно более высока по сравнению с оборудованием для других методов нагрева. Ремонт и настройка требует квалифицированного персонала;
- необходима электроэнергия, отсутствующая в полевых условиях.
Применение:
- сушка керамики, древесины;
- сварка пластмасс;
-сушка клеевых швов;
- разогрев почвы перед землеройными работами;
-разогрев и приготовление пищи.
Установки диэлектрического нагрева
По сравнению с индукционным нагревом, применяемом для разогрева электропроводящих материалов переменным током частотой не более 30 МГц, диэлектрический нагрев проводится на более высоких частотах. В качестве генераторов применяются либо электронные генераторы на лампах (до 300 МГц), либо магнетроны (выше 300 МГц).
На полупроводниках установки диэлектрического нагрева не строятся, так как мощные транзисторы, работающие на высоких частотах, пока не разработаны.
Рис. 2.10. Магнетрон
Магнетро́н (от греч. μαγνήτης – магнит и электрон) – электровакуумный прибор для генерации радиоволн сверхвысокой частоты (СВЧ, микроволн), в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю. Наиболее известным применением магнетронов являются радары и бытовые микроволновые печи.
Характеристики
Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 100 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме, и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд. Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %).
Рис. 2.11. Схема конструкции магнетрона
Магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющих роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. К анодному блоку закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создаётся внешними магнитами или электромагнитом.
Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля, закреплённая в одном из резонаторов или отверстие из резонатора наружу цилиндра.
Резонаторы магнетрона представляют собой замедляющую систему, в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых видах колебаний, из которых важное значение имеет π-вид. Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π.
Для стабильной работы магнетрона (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10 %). Так как в магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные – другой).
Отдельные модели магнетронов могут иметь различную конструкцию. Так, резонаторная система выполняется в виде резонаторов нескольких типов: щель-отверстие, лопаточных, щелевых и т. д.
Схема работы магнетрона: электроны эмитируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещенных электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по наружной поверхности окружности большего диаметра – в конкретном случае по наружной поверхности катода). При достаточно высоком магнитном поле (параллельном оси магнетрона) электрон, движущийся по этой кривой, не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля силы Лоренца), при этом говорят, что произошло магнитное запирание диода. В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод- катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения уменьшается, и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаётся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаётся волне, при этом циклотронный радиус электрона увеличивается, и он получает возможность достигнуть анода. Поскольку электрическое поле анод-катод совершает положительную работу только в том случае если электрон достигает анода, то энергия всегда передаётся в основном от электронов к электромагнитной волне. Однако если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг катода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находиться непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов