Файл: 1. Приемники электрической энергии Введение.pdf

1
1. Приемники электрической энергии
Введение
Приемником электрической энергии называется устройство, преобразующее электричество в другой вид энергии.
Группа электроприемников, объединенных общим технологическим процессом и размещенная на одной территории, называется потребителем электроэнергии. Например, электродвигатель – приемник электроэнергии, а станок, использующий несколько электродвигателей, – потребитель.
Электроприемники представлены несколькими основными видами, которые определяются формой вторичной энергии. Преобразование электроэнергии в тепло происходит в электронагревателях, а в механическую энергию – в электродвигателях. Электрохимические процессы реализуются в гальванических установках и аккумуляторах. Электромагнитная энергия излучается в виде радиоволн в передатчиках, а также в виде света в световых приборах. Рассмотрим принципы работы вышеназванных устройств.
1.1. Электронагревательные устройства
Простейшие электронагреватели работают по принципу резистора. В установках индукционного и диэлектрического нагрева применяются переменные электрические и магнитные поля. Для получения большого количества тепловой энергии в сравнительно малом объеме используется электрическая дуга. Проанализируем основные виды устройств, работающих на описанных принципах.
Электрические печи сопротивления
В соответствии с законом Джоуля – Ленца, при протекании по проводнику с сопротивлением R тока I за время t выделяется тепловая энергия
???? = ????
2
???????? . (1)

2
С точки зрения передачи электроэнергии сопротивление проводника должно быть как можно меньше. Если же мы используем проводник в качестве источника тепла, то имеет место противоположная ситуация.
Поэтому, если для изготовления проводов и кабелей нам нужны металлы и сплавы с низким удельным сопротивлением, то для создания электронагревателей требуются высокоомные материалы. Наиболее распространенные из них приведены в таблице 1.
Таблица 1
Удельное сопротивление высокоомных сплавов
Сплав
Ом ∙ мм
2
/м
Температура плавления, ˚С
Сталь
0,103…0,137 1300…1500
Никелин
0,42 660
Константан
0,5 1260
Нихром
1,05…1,4 1400
Фехраль
1,15…1,35 1460
Хромаль
1,3…1,5 1500…1510
При использовании высокоомных сплавов в качестве источников тепловой энергии им придают форму проволоки или ленты. Самым известным электронагревательным элементом является проволочная спираль.
Когда-то в продаже были бытовые электроплитки с открытой спиралью, от которых можно было получить электротравму. Сейчас они признаны опасными и больше не выпускаются. На рис. 1 показана современная безопасная электроплитка с закрытой спиралью.

3
Рис. 1. Бытовая электроплитка
В новом образце спираль помещена в трубку, заполненную диэлектриком на основе песка. Такая конструкция называется ТЭН, что означает трубчатый электрический нагреватель.
Кроме плиток, ТЭНы широко применяются в электрических чайниках, кофеварках, стиральных и посудомоечных машинах и прочих бытовых устройствах. Еще более распространены они на производстве и в сельском хозяйстве. Их можно разделить на два основных класса – нагреватели жидкости и нагреватели воздуха. Нагреватели для жидкости могут иметь самую причудливую форму. Самыми распространенными считаются прямые и U-образные. Их трубчатая оболочка изготавливается с учетом взаимодействия с конкретной жидкой средой. Она может быть нержавеющей, латунной и даже алюминиевой. Воздушные ТЭНы могут выглядеть так же, как рассмотренные выше, а могут и иметь ребра для лучшего охлаждения, как это показано на рис. 2.
Рис. 2. Воздушный оребренный ТЭН

4
Некоторые отличия можно обнаружить на концах ТЭНов: жидкостные обычно имеют резьбовое крепление, обеспечивающее герметичность бака.
Кроме трубчатых внешних оболочек нагревателей на основе высокоомных материалов, встречаются и другие. В качестве примера можно привести всем известные плоские металлические конфорки электроплит. Сюда же можно отнести и электрические утюги.
В последние годы все большее применение в качестве высокоомного материала приобретает керамика и другие неметаллические материалы. Они способны выдерживать высокую температуру, удобны в производстве и дешевы. Такие материалы могут использоваться в виде напыления высокоомного проводника на диэлектрик или в форме дискретных нагревательных элементов. На рис. 3 изображена печь с нагревательными элементами из карбида кремния.
Рис. 3. Электрическая печь сопротивления
Все электропечи делятся на два класса – печи прямого и косвенного нагрева. При прямом ток протекает непосредственно по нагреваемому объекту. Печи сопротивления современных промышленных предприятий используют косвенный нагрев. В них электрический ток протекает по нагревательным элементам печи, тепло от которых передается нагреваемым изделиям посредством излучения, конвекции и теплопроводности. Иными словами, такая печь устроена аналогично домашней духовке.

5
В зависимости от рабочей температуры, электропечи различают на низко-, средне- и высокотемпературные. Температура определяет требования к материалам как конструкции нагревателей, так и корпуса.
Низкотемпературная печь работает при температуре до 700 °C. В конструкции нагревательной камеры предусмотрен металлический каркас, а теплоизоляция выполняется минеральной ватой. Диапазон работы среднетемпературных печей составляет от 700 °C до 1250 °C. Для надежной теплоизоляции применяются двух-, трех- или четырехслойные футеровки.
При температурах выше 1250 °C печи оснащают экранной изоляцией.
Важной особенностью работы электропечи сопротивления является относительно высокий коэффициент мощности, который может достигать
0,95. Это означает, что, в отличие от электрических машин, реактивная мощность многократно меньше активной, и такая нагрузка для электросети наиболее благоприятна.
Установки индукционного нагрева
Индукционный нагрев основан на законе электромагнитной индукции.
В любом проводящем теле при воздействии высокочастотного электромагнитного поля наводятся токи, которые, согласно закону Джоуля –
Ленца, его нагревают. Практически это означает, что нагреваемый материал помещают в катушку, называемую индуктором, выводы которой подключают к высокочастотному генератору, как это показано на рис. 4.
Рис. 4. Принцип индукционного нагрева
Индуктор
ВЧ-генератор

6
Передача энергии от индуктора к заготовке осуществляется через магнитную связь, то есть непосредственно, поэтому такой нагрев является прямым, а не косвенным. Тепловая энергия выделяется в нагреваемой детали и больше почти нигде, поэтому КПД такой установки очень высок.
На индукционный нагрев большое влияние оказывает частота питающего тока. В промышленных установках она меняется в широких пределах – от 50 Гц до 5 МГц. С ростом частоты сильнее проявляется поверхностный эффект. На достаточно высоких частотах нагреву подвергается преимущественно внешняя часть детали. Это свойство используется при поверхностной закалке металлов. Например, вал двигателя должен иметь твердую поверхность, чтобы меньше изнашивался. При этом если он весь будет твердым, то станет хрупким и при ударах и других подобных воздействиях может сломаться. Если же этот вал внутри останется более вязким, то он останется целым.
Индукторы, предназначенные для работы от тока промышленной частоты 50 Гц, получают питание через специальный трансформатор.
Необходимый дляпитания индукционной печи переменный ток повышенной частоты вырабатывают в специальных машинных генераторах или инверторах.
Выпускаются и малогабаритные индукционные печи для мелкого производства. Одна из них изображена на рис. 5.
Рис. 5. Компактная индукционная печь

7
В некоторых производствах, например в сталелитейном, индукционные нагреватели имеют мощность более 1000 кВА, и обойтись единственным индуктором удается не всегда. В этом случае применяют несколько смежных индукционных нагревателей.
Установки диэлектрического нагрева
Если при индукционном нагреве передатчиком тепловой энергии является магнитное поле, то при диэлектрическом – поле электрическое.
Преобразование энергии высокочастотного электрического поля в тепло происходит за счет особенностей структуры самих материалов, состоящих из молекул-диполей. В статическом электрическом поле они ориентируются соответствующим образом, а в переменном постоянно перестраиваются, что проявляется в повышении температуры. Одним из вариантов применения описанного принципа является сушка древесины.
Получить переменное электрическое поле несложно. Для этого необходим конденсатор больших размеров, между обкладками которого и будет помещена нагреваемая деталь. Конденсатор включается в цепь высокочастотного контура, получающего питание от преобразователя.
Выделяемая мощность в диэлектрике пропорциональна частоте работы конденсатора. Поэтому установки диэлектрического нагрева работают на частоте в десятки и сотни мегагерц.
Электрическая дуга как источник тепловой энергии
Дуговой разряд был открыт в 1802 году и сначала использовался только как источник света. При этом было замечено, что дуга является также мощным источником тепловой энергии, достаточной для локального плавления металлов. В настоящее время использование электрической дуги в этом качестве имеет два направления: плавление металлов и электросварка.
При прямом нагреве одним из электродов является сам расплавляемый металл, а второй используется для подвода электроэнергии. В трехфазных дуговых печах таких электродов три – по числу фаз, а металл является нулем трехфазной системы. Такая конструкция изображена на рис. 6.

8
Рис. 6. Трехфазная дуговая плавильная печь
Процесс электродугового нагрева может протекать при атмосферном, пониженном или повышенном, давлении, а также в различных газовых средах. В частности, иногда в печи создается вакуум или она заполняется инертным газом. Это сводит к минимуму окислительные процессы.
Шум, производимый дуговой печью переменного тока, достигает 90 дБ, что соизмеримо с акустическим эффектом рок-концерта. Кроме вредного воздействия на персонал, этот шум порождает вибрации в деталях расположенного вблизи оборудования и влияет на ход технологических процессов. Также при работе такой печи выделяется много пыли, что создает дополнительные проблемы и требует затрат на очистку воздуха.
Другой специфической особенностью дуговых печей переменного тока является интенсивный расход графита, из которого сделаны электроды – примерно 16 кг при производстве 1 тонны стали. Возникает вопрос – куда девается этот графит? Как известно, с точки зрения химии графит – это углерод, а углерод с избытком уже присутствует в чугуне. В результате такой дополнительной добавки возникают трудности при выплавке низкоуглеродистых сортов стали.
Описанные проблемы решаются в плавильных печах постоянного тока.
Типовая печь такого рода изображена на рис. 7.

9
Рис. 7. Дуговая плавильная печь постоянного тока
Внешне она во многом похожа на рассмотренную выше. Разница заключается в электрооборудовании. В его состав входит мощный выпрямитель, а система управления имеет соответствующие особые черты. В нижней части чаши установлены металлические электроды, к которым подключен «плюс» выпрямителя. Отрицательный электрод выполнен из графита, но он всего один и не вибрирует в процессе работы. Печь постоянного тока работает практически бесшумно и переход графита из электрода в сталь сведен к минимуму.
Плавильные дуговые печи используются только на крупных предприятиях. Однако тот же принцип плавления металлов используется и в хорошо знакомой всем электросварке, показанной на рис. 8.

10
Рис. 8. Электрическая сварка
В процессе сварки применяют электроды двух типов – плавящиеся и неплавящиеся. Материал плавящегося электрода расплавляется и смешивается с материалом деталей. Самый распространенный сварочный электрод состоит из металлического стержня и обмазки, содержащей необходимые вещества.
Для сваривания мелких деталей применяют полуавтоматическую сварку. В качестве электрода используется проволока диаметром около 1 мм, автоматически подающаяся через горелку. Также через горелку подается углекислый газ, аргон или другой газ, создающий среду, в которой отсутствует окисление. Из-за отсутствия шлака и других характерных для простой дуговой сварки дефектов сварной шов получается ровнее и чище.
В последние годы в связи с развитием полупроводниковых технологий в технике электросварки произошли большие изменения. Получили широкое распространение инверторные сварочные аппараты, которые в несколько раз компактнее и легче старых, а также обеспечивают более высокое качество работы.
Еще один интересный вид сварки – сварка электронным лучом. Нагрев места соединения происходит за счет кинетической энергии электронов.
Электронный луч, сосредоточенный на очень малой поверхности, позволяет сваривать изделия с микроскопической точностью. При этом расплавленный металл практически не окисляется, благодаря чему достигается очень

11 высокое качество сварного соединения. Электронно-лучевой сварке поддаются даже очень тугоплавкие металлы, например молибден и вольфрам.
Бытовые электротермические приборы
Как вы уже знаете, электромагнитное поле, в зависимости от диапазона, может проникать в различные материалы на разную глубину и нагревать их.
Этот эффект применяется в микроволновых печах для нагрева продуктов.
Типичная бытовая микроволновая печь изображена на рис 9.
Рис. 9. Микроволновая печь
Конструктивно она состоит из корпуса с внутренним экранирующим покрытием, источника высокочастотного поля и блока управления. Во многих современных моделях имеется встроенная кварцевая лампа, выполняющая функцию гриля, и устройство, вращающее основание.
Первые электрические чайники появились еще в конце 19-го века. Они имели классическую форму с ручкой и носиком, а внутри содержали компактный ТЭН мощностью до 1 кВт. Никакой автоматики, разумеется, не было. Позже в их конструкции появился свисток. Привычный нам вид и функциональные возможности чайники приобрели сравнительно недавно. В
1994 году израильтяне запатентовали чайник с контактной подставкой и автоматическим отключением, изображенный на рис. 10. Последующие модели отличались от прототипа лишь техническими нюансами.

12
Рис. 10. Электрический чайник
Современный электрический чайник имеет объем от 1 до 2 литров.
Внутри корпуса располагается нагревательный элемент и два датчика. Один контролирует закипание и отключает нагрев, другой выполняет защитную функцию – выключает нагрев при выкипании воды или не позволяет включить пустой чайник. Корпус изготавливают из пищевого пластика, нержавеющей стали, стекла или керамики. Если материал корпуса не прозрачен, на нем оборудуется прозрачное окно для контроля за уровнем воды. В прозрачных корпусах иногда делают подсветку, позволяющую хорошо различать границу воды.
Электрические утюги, как и другое домашнее электрооборудование, вошли в обиход с внедрением электричества. В первых образцах в качестве нагревательного элемента использовалась спираль, защищенная фаянсовыми изоляторами. Позже стали применяться другие типы резистивных нагревательных элементов. Они располагались вблизи подошвы утюга.
Сначала требовалось вручную включать и выключать утюг. Первые терморегуляторы были биметаллическими, позже появились электронные схемы с полупроводниковыми датчиками и широтно-импульсным регулированием мощности. Во многих моделях утюгов есть функция обработки тканей паром. Для этого в корпусе имеется специальная емкость для воды, ручной клапан и отверстия в подошве для выхода пара.
Современный электрический утюг изображен на рис. 11.