Тепловыделение в электроустановках

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Содержание

1. Причины тепловыделения в электроустановках и характеристики тепловыделения в электроустановках

2. Основы расчета теплового состояния трансформатора

3. Основы расчета теплового состояния выпрямителя

4. Основы устройства систем охлаждения трансформатора и выпрямителя

5. Тепловое действие электрического поля

6. Тепловое действие электромагнитного поля

Библиографический список



1. Причины тепловыделения в электроустановках и характеристики тепловыделения в электроустановках

Теплота является универсальной формой энергии, возникающей в результате молекулярно-кинетического (теплового) движения микрочастиц - молекул, атомов, электронов. Универсальность тепловой энергии состоит в том, что любая форма энергии (механическая, химическая, электрическая, ядерная и т.п.) трансформируется в конечном счете либо частично, либо полностью в тепловое движение молекул (теплоту). Различные тела могут обмениваться внутренней энергией в форме теплоты, что количественно выражается первым законом термодинамики.

В электротермии выделяют следующие виды преобразования электрической энергии в тепловую:

1. Нагрев сопротивлением происходящий за счет выделения теплоты в проводящем материале при протекании по нему электрического тока. Этот вид нагрева основан на законе Джоуля - Ленца и применяется в установках прямого и косвенного действия.

В установках прямого действия теплота выделяется непосредственно в нагреваемом изделии, включаемом в цепь.

В установках косвенного действия тепловая энергия выделяется в специальных нагревательных элементах и затем по законам теплопередачи поступает в нагреваемый объект. В обоих случаях нагреваемые объекты могут быть в твердом, жидком или газообразном состоянии.

2. Индукционный нагрев, основанный на преобразовании энергии электромагнитного поля в тепловую посредством наведения в нагреваемом теле вихревых токов и тепловыделения в нем по закону Джоуля-Ленца. Нагрев может осуществляться прямым или косвенным методом.

3. Диэлектрический нагрев помещенных в высокочастотное электрическое поле непроводящих материалов и полупроводников, происходящий за счет сквозных токов проводимости и смещения при поляризации.

4. Дуговой нагрев, при котором материал нагревается за счет теплоты, поступающей в него из опорных пятен дуги, а также вследствие теплообмена с дугой и электродами.

5. Электронно- и ионно-лучевой нагрев, в результате которого тепловая энергия выделяется при столкновении быстродвижущихся электронов или ионов, ускоренных электрическим полем, с поверхностью нагреваемого объекта.

6. Плазменный нагрев, основанный на нагреве газа за счет пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное электромагнитное или электрическое поле. Полученная таким образом низкотемпературная плазма используется для нагрева различных сред.

7. Лазерный нагрев, происходящий за счет нагрева поверхности объектов при поглощении ими высококонцентрированных потоков световой энергии, полученных в лазерах - оптических квантовых генераторах.

Среди этих видов основными причинами тепловыделения в электрических установках являются:

Нагрев сопротивлением

Индукционный нагрев

Диэлектрический нагрев

Следовательно, тепловыделение в электрических установках происходит за счет тепловых действий полей электрического и электромагнитного.

Независимо от механизма переноса, тепловой поток всегда направлен от более нагретого к менее нагретому телу, а сам процесс теплообмена, согласно второму закону термодинамики, является необратимым. Теплообмен между телами зависит от их формы и размеров, а также от времени процесса, так как происходит в конкретных пространственно-временных условиях. Другими важными факторами являются физические свойства тел и их агрегатное состояние. В результате перепад температур, геометрия и физические свойства тел, агрегатное состояние и параметры теплоносителя, а также время процесса будут определять интенсивность теплообмена и количество переносимой теплоты.

Передача теплоты (в газах, жидкостях и твердых телах) происходит от молекулы к молекуле. При конвекции передача теплоты происходит в результате взаимодействия масс материальных частиц. При тепловом излучении теплота передается благодаря распространению электромагнитных волн в области инфракрасного спектра. Излучение является видом передачи теплоты, которая может осуществляться, в том числе и в вакууме.

Тепловая энергия, выделяемая на элементах электроустановки при ее работе, может вызвать недопустимое повышение температуры активных и конструктивных элементов электроустановки, снижение электрической и механической прочности изоляции обмоток, уменьшение времени безотказной работы. Поэтому определение тепловых потоков, расчет изменения температуры в пространстве внутреннего объема и на поверхностях охлаждения являются важными разделами проектирования электроустановок и электрических машин. На основе этого расчета оценивается тепловое состояние, выбираются такие тепловые и вентиляционные схемы и способы охлаждения, при которых превышение температуры частей электроустановки и электрической машины не превосходит пределов допускаемых значений, установленных ГОСТ 183-74.

При длительной работе электроустановки влияние на тепловой режим и нагрев ее отдельных частей оказывают изменения напряжения сети, частоты, нагрузки и другие факторы.

Во время работы трансформатора в его активных материалах - металле обмоток и стали магнитной системы - возникают потери энергии, выделяющиеся в виде тепла. Вследствие выделения тепла обмотки и магнитная система трансформатора начинают нагреваться, постепенно повышая свою температуру. Вместе с ростом температуры возникает температурный перепад между обмоткой или магнитной системой и окружающей средой - трансформаторным маслом или воздухом и вследствие этого теплоотдача от активных материалов к окружающей среде. Таким образом, часть тепла, выделяющегося в активных материалах, идет на их нагревание, и вторая часть отводится в окружающую среду.

2. Основы расчета теплового состояния трансформатора

Тепловой расчет обмоток сводится к поверочному определению перепадов температуры внутри обмоток и на их поверхности для принятой конструкции и размеров обмотки.

Тепловой расчет бака отличается тем, что сама конструкция бака зависит в первую очередь от того теплового потока, который должен быть отведен с поверхности бака в окружающий воздух, и лишь во вторую очередь определяется требованиями механической прочности. Поэтому при тепловом расчете бака сначала рассчитывается допустимое среднее превышение температуры стенки бака над окружающим воздухом, затем по требуемой теплоотдаче приближенно определяется его охлаждаемая поверхность, затем подбираются размеры и число конструктивных элементов, образующих эти поверхности, - гладких стенок, труб, волн, охладителей, и, наконец, производится поверочный расчет превышения температуры стенок бака и масла над окружающим воздухом. При получении превышений температуры, отличающихся от допустимых, производится корректировка охлаждающей поверхности путем увеличения или уменьшения числа или размеров конструктивных элементов - труб, охладителей и т. д.

Основной причиной, вызывающей нагревание трансформатора при работе, являются потери, возникающие в обмотках и магнитопроводе. В силовых транс-форматорах общетехнического назначения наиболее нагретыми обычно являются обмотки. Квантитативной оценкой количества тепла, выделяемого той или иной обмоткой, может служить плотность теплового потока, т. е. количество тепла, выделяемого с единицы поверхности охлаждения данной обмотки.

Плотность теплового потока для одно- и двухслойной обмоток из прямоугольного провода и многослойной обмотки из круглого провода, Вт/м2:

(1)

где Pосн - основные потери в данной обмотке, Вт;

kд - коэффициент добавочных потерь;

Похл - поверхность охлаждения, м2.

Тепловой расчет отдельных элементов и в целом трансформатора принято вести в так называе-мом превышении температуры того или иного элемента над температурой окружающей среды. При сопоставлении значений температуры двух элементов часто используется термин перепад температуры.

Внутренний перепад температуры в обмотках из прямоугольного провода с обтеканием проводника маслом со всех сторон (винтовые, катушечные, одно- и двухслойные) определяется по найденной плотности теплового потока, толщине и теплопроводности изоляции проводни-ка, С:

, (2)

где q - плотность теплового потока обмотки, Вт/м2;

- толщина изоляции проводника на одну сторону (0,25·10-3 м);

из - теплопроводность изоляции, для хлопчатобумажной пряжи можно принять 0,27 Вт/(моС).

Средний перепад температуры обмотки, оС:

о.ср = о. (3)

Внутренний перепад температуры в обмотке, оС:

(4)

где р - внутренний перепад температуры определяющийся потерями, в 1 м3 объема обмотки, Вт/м3.

a - радиальный размер катушки, при разделении катушки на части - толщина наиболее широкой катушки, мм;

ср - средняя теплопроводность обмотки, Вт/(моС).

Средний перепад температуры в многослойных обмотках:

о.ср = 2/3о. (5)

Перепад температуры на поверхности обмоток (перепад «обмотка - масло») для одно- и двухслойных обмоток из прямоугольного провода и многослойных обмоток из круглого провода, оС:

о.м = 0,285q0,6, (6)

Среднее превышение температуры обмотки над маслом, оС,



о.м.ср = о.ср+о.м, (7)

Среднее превышение температуры стенки бака над температурой окружающей среды, С,

(8)

где Рк, Ро - соответственно потери к. з. и х. х., Вт;

Пи, Пк - поверхности излучения и конвекции, м2 .

Перепад температуры «масло - бак», оС,

, (9)

где k = 1 при отсутствии радиаторов; k =0,9 при охлаждении с обдувом;

Пк - реальная поверхность конвекции, м2,

Превышение температуры в верхних слоях масла над температурой окружающего воздуха, оС,

м.в.в = 1,2 (б.в+м.б), (10)

По ГОСТ 11677-85 м.в.в не должна превышать 60С.

Превышение температуры обмоток над температурой окружающего воздуха рассчитывается отдельно для каждой обмотки, оС:

о.в = о.м.ср + м.б + б.в, (11)



3. Основы расчета теплового состояния выпрямителя

Выделяющаяся в полупроводниковом кристалле электрическая мощность Pd рассеивается в виде тепла, которое должно быть отведено от р-n-переходов. Надежность приборов непосредственно зависит от максимальной температуры полупроводниковой структуры, а способ отведения тепла определяет зависимость температуры от выделяющей мощности.

Статическое уравнение имеет вид:

(1)

где h - коэффициент теплопередачи;

А - площадь поперечного сечения канала передачи тепла;

ДФ - перепад температур на концах канала передачи тепла.

Тепловой канал исходит из небольшого объема полупроводникового кристалла, в котором он зарождается, проходит через несколько слоев различных материалов, из которых изготавливаются термокомпенсаторы (вольфрам, молибден), прокладки (серебро, олово), основание (медь), охладитель (алюминий, силумин), и отводится в окружающую среду. Каждый из этих слоев обладает определенной характеристикой теплопередачи и оказывает сопротивление распространению теплового потока, вследствие чего создается перепад температур полупроводниковой структурой и каждым из слоев. Тепловой расчет с учетом тепловых параметров всех разнородных слоев представляет собой довольно непростую многомерную задачу.

Для характеристики теплопередающих свойств прибора вводят понятие теплового сопротивления:



(2)

Путь теплового потока через последовательность конструктивных элементов можно представить эквивалентной цепью с последовательным соединением тепловых сопротивлений участков цепи «полупроводниковая структура - корпус прибора», «корпус прибора - контактная поверхность охладителя», «контактная поверхность охладителя - охлаждающая среда»:

где Tj, Tc, Th, Ta - соответственно температуры структуры, корпуса, охладителя, охлаждающей среды;

- соответственно тепловые сопротивления участков цепи «полупроводниковая структура - корпус прибора», «корпус прибора - контактная поверхность охладителя», «контактная поверхность охладителя - охлаждающая среда».

Результирующее тепловое сопротивление цепи «структура прибора - охлаждающая среда»:

(6)

Для повышения нагрузочной способности при заданной максимальной температуре структуры стремятся уменьшить общее тепловое сопротивление.

Для приборов таблеточной конструкции с двусторонним отводом тепла тепловое сопротивление «структура - корпус» определяется исходя из схемы параллельного включения тепловых сопротивлений со стороны анода и катода прибора:

(7)

Сопротивление «корпус - охладитель» является нестабильным и зависит от типа корпуса, площади контакта, силы сжатия корпуса с охладителем, типа теплопроводящей прослойки между корпусом и охладителем. В качестве этой прослойки может быть применен специальный силиконовый смазочный материал. Иногда это может быть электроизолирующая прокладка. В качестве теплопроводящих прокладок могут использоваться слюда, оксид алюминия, оксид бериллия. Применение теплопроводящего смазочного материала уменьшает сопротивление «корпус - охладитель» в 3-5 раз, а установка электроизолирующей прокладки увеличивает это сопротивление в 4-8 раз.

Тепловое сопротивление «охладитель - охлаждающая среда» зависит от типа охладителя и охлаждающей среды (воздушная, жидкостная). Наиболее часто используются воздушные охладители, которые иногда называют радиаторами.

Большое значение имеет состояние поверхности: ее следует выполнять матовой и черненой. Расположение поверхности должно быть вертикальным.

Метод расчета температуры нагрева полупроводниковой структуры

По известным значениям переходного теплового сопротивления «переход - среда» (справочные данные) для конкретных временных интервалов t в соответствии с выделяющейся мощностью потерь Pd можно рассчитать температуру полупроводниковой структуры в момент t:

(8)

Превышение температурой структуры температуры охлаждающей среды:

(9)

4. Основы устройства систем охлаждения трансформатора и выпрямителя

В активных и конструктивных элементах трансформаторов и выпрямителей выделяется значительное количество тепла. Мощность тепловых потоков, выделяемых внутри этих устройств, такова, что для их отвода в окружающую среду необходимо создавать специальные принудительные системы охлаждения.

Отведение от греющей мощности, достигающей сотен ватт и даже нескольких киловатт, осуществляется системой охлаждения, в которую входят охладитель и охлаждающая среда. В качестве охлаждающей среды используется воздух, масло или вода. Сравнительная теплопередача системы, в которой используется в качестве охлаждающей среды воздух, масло, вода, характеризуется соотношением 1:10:100, т. е. наилучший отвод теплоты достигается при передаче от металла охладителя к охлаждающей воде.

В зависимости от вида охлаждающей среды системы охлаждения принято разделять на воздушные, жидкостные и испарительные. Способы охлаждения полупроводниковых приборов разнообразны и могут основываться на их прямом (непосредственном) взаимодействии с внешней охлаждающей средой или на применении промежуточного контура с теплоносителем. В зависимости от реализации движения охлаждающей среды относительно охладителя различают естественное и принудительное охлаждение.

Естественное охлаждение достигается благодаря конвекции и излучению при свободном движении воздушного потока вдоль поверхностей охладителя и самого прибора. Принудительное охлаждение может быть воздушным и жидкостным, чаще всего водяным. Водяное охлаждение позволяет рассеивать большие мощности, чем воздушное охлаждение.

От того, как реализована система охлаждения, во многом определяются технико-экономические показатели. Тепловая энергия, выделяемая на элементах трансформаторов и выпрямителей, может вызывать недопустимое повышение температуры активных и конструктивных элементов, снижение электрической и механической прочности изоляции обмоток, уменьшение времени безотказной работы.

Согласно ГОСТ 20459-87 обозначения способов охлаждения электрических машин, состоит из латинских букв IC - первых букв английских слов International Cooling и следующих за ними буквы, характеризующей вид хладагента (А - воздух, Н - водород, N азот, C - диоксид углерода, Fr - фреон, W - вода, U - масло, Kr - керосин) и двух цифр: первая обозначает устройство цепи для циркуляции хладагента, вторая - способ перемещения хладагента. Условное обозначение устройства цепи циркуляции содержит 10 цифр (от 0 до 9): 0 - свободная циркуляция наружного воздуха; 1-3 - охлаждение при помощи проводящей (1), отводящей (2) или обеих труб (3); 4 - охлаждение наружной поверхности с использованием окружающей среды; 5,6 - охлаждение окружающей средой при помощи встроенного (5) или пристроенного (6) теплообменника; 7,8 - охлаждение при помощи встроенного (7) или пристроенного (8) охладителя; 9 - охлаждение при помощи охладителя, установленного отдельно от машины. Способы перемещения хладагента обозначаются второй цифрой: 0 - свободная конвекция; 1 - самовентиляция; 2 и 3 - перемещение хладагента встроенным и пристроенным устройством, установленным непосредственно на валу машины (3) или связанным с валом через зубчатую или ременную передачу (2); 5 и 6 - то же, при независимом устройстве; 7- перемещение хладагента осуществляется отдельным устройством.

Самой простой схемой охлаждения, которая применяется преимущественно в машинах мощностью до 1 кВт, является схема с естественной вентиляцией без применения особых средств для повышения интенсивности охлаждения.

Большинство электрических машин общего назначения, за исключением турбо- и гидрогенераторов, а также синхронных компенсаторов охлаждаются воздухом и имеют принудительную схему вентиляции. В случае принудительной вентиляции цепь охлаждения машины может быть:

разомкнутой - воздух поступает из окружающей среды, проходит каналы тракта охлаждения машины и выбрасывается снова в окружающую среду;

замкнутой - поток охлаждающего воздуха не связан с окружающей средой, а циркулирует по замкнутому контуру, включающему в себя и внутренний объем закрытой машины. При замкнутой вентиляции охлаждающий воздух отдает свою теплоту либо воде в специальном газоохладителе, либо корпусу машины через его внутреннюю поверхность, как это осуществляется, например, в асинхронных двигателях закрытого исполнения, обдуваемых наружным вентилятором.

В зависимости от направления движения воздуха (газа) внутри машины различают аксиальную, аксиально-радиальную и радиальную схемы вентиляции.

Если электрическая машина имеет схему вентиляции, то напор в вентиляционной системе создается вентилятором, установленным на валу машины. Эта схема вентиляции подразделяется на два класса: нагревательную и вытяжную. При нагревательной схеме охлажденный газ под воздействием избыточного давления, создаваемого нагревателем, поступает в вентиляционные каналы активной зоны машины. При вытяжной - охлаждающий газ поступает в вентиляционные каналы машины под действием разряжения, создаваемого вентилятором. Вытяжная вентиляция обладает преимуществом: газ поступает в машину без предварительного его подогрева вентилятором, что несколько снижает превышение температуры обмоток.

По способу отвода тепла от тепловыделяющих элементов электрических машин различают схемы косвенного и непосредственного охлаждения: в первом случае отвод тепла осуществляется с открытых поверхностей активных частей машины, во втором хладагент по специальным каналам проводится к проводникам обмоток машины, отбирая тепло непосредственно от обмоток.

С ростом единичной мощности электрических машин возрастают удельные потери в объеме машины, поэтому воздушные системы охлаждения становятся неэффективными и для охлаждения турбо- и гидрогенераторов и синхронных компенсаторов применяют схемы косвенного охлаждения водородом совместно со схемами непосредственного жидкостного охлаждения. В качестве хладагента в этих случаях используют воду, которая обеспечивает самую высокую по сравнению с другими жидкостями эффективность охлаждения. Схема непосредственного водяного охлаждения обмоток статора и ротора находят применение в конструкциях мощных турбо- и гидрогенераторов. Эта система обычно сочетается с системой косвенного газового охлаждения активных частей машины.

5. Тепловое действие электрического поля

Под действием электрического поля происходит направленное движение положительных или отрицательных электрических зарядов, т.е. протекает электрический ток.

Использование электрического тока, проходящего через диэлектрики и полупроводники в переменном электрическом поле, является основой диэлектрического нагрева, который имеет преимущества перед другими способами нагрева. Это быстрота, равномерность и высокая производительность. С энергетической точки зрения такой нагрев является наиболее эффективным, поскольку при его осуществлении вся энергия вносится в массу нагреваемого материала.

Частицы диэлектрика, помещенного в электрическое поле, испытывают механическое воздействие, смещающее положительно заряженные частицы в одну сторону, а отрицательно - в другую. В результате центры электрического действия положительных и отрицательных частиц не совпадают, и во внешнем пространстве такая молекула воспринимается как диполь, т.е. как система двух равных, но противоположных зарядов +q и -q, смещенных друг относительно друга на некоторое расстояние. Такой диэлектрик, имеющий ориентированные в одном направлении диполи, называют поляризованным.

Различают несколько видов поляризации. Электронная поляризация атомов вызвана смещением электронного облака относительно ядра атома и приобретением последним индуцированного дипольного момента. Ионная поляризация молекул вызвана упругим смещением ионов в твердых диэлектриках с ионной кристаллической решеткой. Ориентационная поляризация имеет место в диэлектриках с молекулами, представляющие собой жесткие диполи, независимо от наличия внешнего электрического поля. Это поляризация упругого смещения, возникающая в твердых или жидких диэлектриках, полярные молекулы которых связаны друг с другом так, что под действием электрического поля могут поворачиваться лишь на небольшой угол.

Поляризация сопровождается потерями энергии, вызванными трением между молекулами (потери трения) и перемещением диполей (дипольные потери). Потери энергии выражаются в нагреве диэлектрика или полупроводника, скорость которого определяется, в частности, частотой изменения поля.

Процессы, происходящие в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, определяются диэлектрической проницаемостью е = е' - j.е”. Вещественная часть комплекса е' характеризует отношение емкостей конденсатора до и после введения в него диэлектрика - относительная диэлектрическая проницаемость вещества. Мнимая часть е”= е'.tgд характеризует поглощение энергии поля диэлектриком и называется коэффициентом потерь диэлектрика.

Мощность, выделяющаяся в диэлектрике:

(1)

где - угловая скорость, рад/с;

С - емкость плоского конденсатора, Ф:

(2)

S - площадь пластин конденсатора, м2;

d - расстояние между пластинами конденсатора, м;

е0 = 8,85. 10-2 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума.

Из выражений (1) и (2) следует, что мощность, выделяющаяся в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, определяется только его электрическими характеристиками е и tgд и параметрами поля: напряженностью и частотой.

Выделяющаяся мощность не зависит от теплопроводности материала, которая у диэлектриков, как правило, имеет низкие значения. Эта особенность является существенным преимуществом диэлектрического нагрева, позволяющим значительно ускорить процесс нагрева материала по сравнению с другими традиционными видами нагрева.



6. Тепловое действие электромагнитного поля

электроустановка трансформатор поляризация выпрямитель

Вихревые токи (токи Фуко) - замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока. Вихревые токи являются индукционными и образуются в проводящем теле либо вследствие изменения во времени магнитного поля, в котором находится тело, либо вследствие движения тела в магнитном поле, приводящего к изменению магнитного потока через тело или какую-либо его часть. Величина вихревых токов тем больше, чем быстрее меняется магнитный поток.

В отличие от электрического тока в проводах, текущего по точно определённым путям, вихревые токи замыкаются непосредственно в проводящей массе, образуя вихреобразные контуры. Эти контуры тока взаимодействуют с породившим их магнитным потоком.

Вихревые токи приводят к неравномерному распределению магнитного потока по сечению магнитопровода. Это объясняется тем, что в центре сечения магнитопровода намагничивающая сила вихревых токов, направленная навстречу основному потоку, является наибольшей, так как эта часть сечения охватывается наибольшим числом контуров вихревых токов. Такое «вытеснение» потока из середины сечения магнитопровода выражено тем резче, чем выше частота переменного тока и чем больше магнитная проницаемость ферромагнетика.

В соответствии с законом Джоуля - Ленца вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли (индукционный нагрев). Поэтому вихревые токи приводят к потерям энергии (потери на вихревые токи) в магнитопроводах (в сердечниках трансформаторов и катушек переменного тока, в магнитных цепях машин).

Индукционный нагрев является прямым нагревом сопротивлением, а включение нагреваемого тела в цепь тока производится за счет магнитной связи. Индукционный нагрев обладает достоинствами прямого нагрева сопротивлением - высокая скорость нагрева, пропорциональна вводимой мощности, неограниченный уровень достигаемых температур, достаточных для нагрева металлов, плавления металлов и неметаллов, перегрева, расплава, испарения материалов и получения плазмы.

Режим выделения мощности при индукционном нагреве обладает большим быстродействием и легко поддается автоматизации по требованию технологических процессов, проходящих в открытой атмосфере, в защитных газах и вакууме.

Вихревые токи возникают в проводнике, по которому течёт переменный ток, что приводит к неравномерному распределению тока по сечению проводника. В моменты увеличения тока в проводнике индукционные вихревые токи направлены у поверхности проводника по первичному электрическому току, а у оси проводника - навстречу току. Токи высокой частоты практически текут в тонком слое у поверхности проводника, внутри же проводника тока нет. Это явление называется электрическим скин-эффектом. Чтобы уменьшить потери энергии на вихревые токи, провода большого сечения для переменного тока делают из отдельных жил, изолированных друг от друга.

Особенностью индукционного ввода энергии является возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов. Во-первых, вихревые токи протекают в пределах площади, охватываемой индуктором. Нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела. Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны выделения энергии зависит кроме других факторов от частоты тока индуктора. Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении. Как и нагрев сопротивлением, индукционный нагрев обеспечивает высокую производительность и хорошие санитарно-гигиенические условия труда, хотя для его осуществления требуется более сложные источники питания и повышенный удельный расход электроэнергии на технологические операции.

Принципиальная схема индукционного нагрева включает в себя индуктор, зазор и нагреваемое тело. Эти элементы определяют эффективность преобразования электрической энергии, получаемой от источника питания в тепловую. Индуктор создает переменный во времени магнитный поток, т.е. электромагнитную волну, падающую на нагреваемое тело. Сам индуктор, находящийся в созданном им электромагнитном поле, тоже поглощает энергию, которая выделяется в нем в виде потерь.

Регулирование мощности при индукционном нагреве может осуществляться за счет изменения числа витков индуктора, тока намагничивания и его частоты. При прочих равных условиях выделяющаяся мощность больше для тел, имеющих высокие удельное сопротивление и магнитную проницаемость. При нагреве до высоких температур, когда заметным становится изменение удельного сопротивления, необходимо регулирование напряженности магнитного поля или частоты.

Магнитное поле, выходя из индуктора, встречает поверхность нагреваемого тела, в которой сразу начинается выделение тепловой энергии. По мере продвижения в глубину тела в механизм проведения тока включаются более глубокие слои, а ток проводимости в это же время создает встречное магнитное поле, препятствующее продвижению внешнего поля. Поэтому индукционный нагрев по своей природе является поверхностным и поток энергии на глубине меньше потока на поверхности. Глубина нагрева тела увеличивается с ростом тока.

Наличие в системе индуктор - нагреваемое тело двух потоков магнитной энергии - прямого и встречного, вызванного наведенными токами, приводит к возникновению механической силы, действующей на каждый элемент нагреваемого тела, называемой электродинамической силой.

В индукционных нагревательных установках имеют место: поверхностный эффект - вытеснение тока к поверхности проводника при увеличении частоты изменения тока; эффект близости - повышение плотности тока на внутренних сторонах двух проводников; катушечный эффект - повышение плотности тока на внутренней стороне кольцевого проводника с током.

Индукционный способ нагрева применяется при следующих технологических процессах: плавка металлов и неметаллов; поверхностная закалка; нагрев заготовок под пластическую деформацию или термохимическую обработку; сварка и пайка; зонная очистка металлов и полупроводников, плавка во взвешенном состоянии; получение монокристаллов из тугоплавких оксидов; получение плазмы.



Библиографический список

1. Мамошин Р.Р. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. Учебник для техникумов ж.-д. транспорта. - М.: Транспорт, 1980. - 296 с.

2. Авилов В.Д., Беляев В.П. Расчет основных параметров трансформатора распределительных сетей: Задания и методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Электрические машины». ОмГУПС. Омск, 2002. 55 с.

3. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учебник для вузов железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1999. - 464 с.

4. Болотов А.В., Шепель Г.А. Электрические установки: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1988.336 с.

5. Свечанский А.Д. Электрические промышленные печи. М.: Энергоатомиздат, 1981.

6. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Высш. шк., 2002. - 757 с.

Размещено на Allbest.ru