Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ульяновский государственный технический университет

Электротехнологические установки

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 14021165 «Электроснабжение»

Составители: Л. Т. Магазинник С. М. Пестов Д. А. Ребровская И. А. Калабановский

Ульяновск 2009

УДК 621.35.035 ББК 31.29-5 Э 45

Рецензент: ген. директор ООО «Симбирскэлектромонтаж» А. П. Ермолаев

Одобрено секцией методических пособий научно-методического совета университета

Электротехнологические установки : методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 14021165 «Электроснабжение» / сост. Л. Т. Магазинник, С. М. Пестов, Д. А. Реб-ровская, И. А. Калабановский. – Изд. 2-е, испр. – Ульяновск : УлГТУ, 2009. – 61 с.

Изложены цели, методика и порядок выполнения работ лабораторного практи-

кума по дисциплине «Электротехнологические установки». Методические указания содержат описания шести лабораторных работ, темати-

чески охватывающие основные разделы соответствующего лекционного курса. Указания подготовлены на кафедре «Электроснабжение».

УДК 621.35.035 ББК 31.29-5

Магазинник Л. Т., Пестов С. М., Ребровская Д. А., Калабановский И. А., составление, 2009

Оформление. УлГТУ, 2009

Э 45

ОГЛАВЛЕНИЕ

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........................... 19 Лабораторная работа №3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОПРОВОДА ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ ................................................................................................. 27 Лабораторная работа №4. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ АСИНХРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ........................................................................ 39 Лабораторная работа №5. СНЯТИЕ ВОЛЬТ–АМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ ДИОДОВ ............................ 46 Лабораторная работа №6. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫХ УСТАНОВОК ...................................................................... 53 ПРИЛОЖЕНИЕ ....................................................................................................... 61 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................................... 62

ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ДЛЯ СТУДЕНТОВ, РАБОТАЮЩИХ В ЛАБОРАТОРИИ «ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ»

1. Студенты допускаются к лабораторным работам только после предвари-тельного инструктажа по технике безопасности, о чем должны свидетель-ствовать их личные подписи в специальном журнале. 2. СТРОГО ВОСПРЕЩАЕТСЯ: 2.1. Касаться неизолированных проводников и частей аппаратуры, нахо-дящейся под напряжением. 2.2. Включать под напряжение схему без проверки и разрешения руково-дителя. 2.3. Производить переключения в схемах, находящихся под напряжением. 2.4. Заходить за ограждения лабораторных щитов. 2.5. Оставлять без наблюдения установку, находящуюся под напряжением. 2.6. 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

Методические указания содержат описание и указания по выполнению лабораторных работ по основным разделам курса «Электротехнологические ус-тановки». В описании каждой лабораторной работы приводятся цель выполне-ния работы, схема и особенности лабораторного стенда, программа и методика выполнения работы, указания по оформлению отчета.

Выполнение лабораторных работ, включенных в методические указания, способствует закреплению и углублению знаний студентов специальности 14021165, лучшему усвоению теоретического материала. Все работы носят рас-четно–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 непо-средственному проведению эксперимента должна предшествовать самостоя-тельная работа студентов. Она вклочает в себя изучение материала в описании работы, рекомендуемой литературе, выполнение одного из вариантов индиви-дуального задания, проработку контрольных вопросов, составление предвари-тельного отчета.

Экспериментальный этап. Перед началом работы следует изучить уст-ройство и схему установки и ознакомиться с паспортными данными электро-оборудования. Экспериментальная часть работы выполняется бригадой студен-

тов в составе 2-3 человек на лабораторных стендах. На лицевой стороне стенда рельефно изображена схема коммутации, установлены коммутационные аппа-раты и измерительные приборы.

На основе предварительного отчета, конкретного задания и кратких ме-тодических указаний проводится сборка схемы и сам эксперимент. При состав-лении схемы сначала рекомендуется собрать главную последовательную цепь, а затем выполнить соединение параллельных цепей. После сборки схемы и ее проверки следует проконтролировать правильность положения ручек регулято-ров 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 при-боров, выполнить требуемые расчеты и занести их в соответствующие таблицы предварительного отчета. В отчете необходимо сделать анализ результатов из-мерений 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 подготов-лен для другой бригады. Отчет о лабораторной работе, подписанный студен-том, предъявляется руководителю занятий для отметки о выполнении экспери-мента.

При подготовке к защите работы студенты должны продумать ответы на контрольные вопросы, приводимые в конце каждой работы.

Отчет выполняется на листах формата А4, в печатном или рукописном виде. Образец титульного листа приведен в приложении.

Отчет выполняется каждым студентом и должен содержать: 1) цель испытаний; 2) паспортные данные установок и приборов; 3) принципиальные схемы; 4) расчетную часть одного из вариантов задания; 5) таблицы с опытными и расчетными данными; 6) графики с их анализом; 7) выводы.

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 электриче-ских 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 различ-ных 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 нагреватель-ных элементах и передается объекту нагрева излучением, конвекцией и тепло-проводностью. ЭПС косвенного действия представляют собой камеру, состоя-шую из огнеупорного кирпича, образующего рабочее пространство печи и теп-лоизоляционного слоя, служащего для уменьшения тепловых потерь. Кладка печи заключена в металлический кожух. В рабочем пространстве размещаются нагревательные элементы. Они делятся на низко-, средне- и высоко- температурные.

Низкотемпературные печи (до 400 ) используются в техно-логических процессах сушки и отпуска стальных изделий, нагрева под терми-ческую и механическую обработку цветных металлов и сплавов и для плавки легкоплавких металлов.

Среднетемпературные (до 1200 ) ЭПС применяют для закалки, от-пуска, нормализации, цементации, спекания, нагрева под ковку, штамповку, прокатку, прессование и других технологических процессов.

Высокотемпературные (до 1250 ) предназначены для дегазации, ра-финирования, термообработки тугоплавких металлов и сплавов, выращивания монокристаллов и их обработки, нагрева тугоплавких металлов и сплавов перед пластической деформацией.

По конструктивным признакам и характеру технологического цикла ЭПС бывают периодического и непрерывного действия. В печах периодического действия изделия загружаются в камеру и постепенно нагреваются в ней, оста-ваясь неподвижными. В каждый момент времени температура всех точек печ-ной 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 пе-чах температура повышается от загрузочного конца печи к разгрузочному, ос-таваясь неизменной во времени в каждой точке (рис. 1.2.)

2. Нагревательные элементы для ЭПС

Нагревательное элементы (НЭ) изготовляют из жаростойких материа-

лов с высоким удельным сопротивлением. Различают металлические, металло-керамические и карборундовые НЭ. Основные характеристики материалов для нагревателей приведены в [11] табл. 1.6. Металлокерамические и карборундо-вые НЭ применяют в высокотемпературных ЭПС. Металлические НЭ – в низ-котемпературных. По конструкции они делятся на зигзаг проволочный или лен-точный и спираль (рис. 1.3). Оптимальной конструкцией НЭ с точки зрения срока службы является зигзаг проволочный. Но зигзаг из-за низкого электриче-ского сопротивления подключают через понижающие трансформаторы, что приводит к дополнительным потерям. Преимуществом спирального НЭ являет-ся возможность его подключения непосредственно к цеховой электрической се-ти, недостатком – отсутствие строго фиксированного шага, что может привести к местным перегревам, замыканию витков и выходу из строя. Принцип дейст-вия 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.

Rt(кВт),I=Rt(ккал)I

=Дж)с;t(ВтR

U=UIt=RtI=Q

2623

22

100,278100,239 −− ⋅⋅

⋅ (1.1)

где I – ток, протекающий через нагреватель, А,

R – сопротивление нагревателя, Ом, U – напряжение, приложенное к нагревателю, В, 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 нагрева-теля W. Идеальный НЭ получим, если представить, что тепловые потери отсут-ствуют и все тепло передается нагреваемому телу.

, )

м

кВт(

2 (1.2)

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

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

Рис. 1.3. Конструкция нагревательных элементов:

а – проволочная спираль; б – проволочный и ленточный зигзаг

где Тн , Tизд – соответственно, температура нагревателя и изделия, К, Спр – приведенный коэффициент излучения:

,+

=Сиздн

пр 1/1/1

5,7

−εε

•••• ,•• – 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 мощ-ность:

(1.3)

где Сэф = 0,3 – 0,8 – коэффициент эффективности излучения, зависящий от раз-меров 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 темпе-ратуре, в течение которого его токопроводящее сечение уменьшится вследствие окисления на 20%, для металлических – это около 10 тыс. часов, для металло-керамических и карборундовых – около 2 тыс. часов.

Для определения размеров (сечения и длины) и размещения НЭ в камере печи выполняют следующий расчет:

а) по рабочей температуре в печи (максимальная температура нагрева из-делия Тизд max) выбирается материал НЭ [11] табл. 1.6. Рабочая температура на-гревателя принимается на 50 – 200 ° C выше температуры изделия

,+

=Сиздн

пр 1/1/1

5,7

−εε (1.4)

б) для выбранного материала с учетом его рабочей температуры и темпе-ратуры нагрева изделия вычисляют по формуле (1.2) удельную поверхностную мощность идеального НЭ;

в) с учетом коэффициента эффективности Сэф, по формуле (1.3) вычис-ляют удельную поверхностную мощность реального НЭ;

г) в стационарном режиме при заданной температуре к нагревателю под-водится электрическая мощность (Вт)

P =U 2

R=

U 2

•lS

, (1.5)

котороя равна тепловой мощности, отдаваемой поверхностью нагревателя изделию

P = W F = W • l , (1.6)

,идэф WCW =

где • – удельное сопротивление материала нагревателя при рабочей темпера-туре, Ом•м,

l – длина нагревателя, м, S – сечение нагревателя, м2, W – удельная поверхностная мощность нагревателя, рассчитанная по фор-муле (1.3), Вт/м2, F – площадь поверхности нагревателя, м2, П – периметр НЭ, м; д) решая совместно (1.3) и (1.6) и, принимая во внимание, что для НЭ

круглого сечения • = • d , а S= πd 2

4 , получим

,WU

=d 3 4P22

2

πρ (1.7)

где d – диаметр НЭ, м. 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 b/a=m=10. Толщина полосы (м)

3 .12m 2

2

W)U+(m

P=a

ρ⋅ (1.8)

Выбирается ближайшее стандартное сечение НЭ из следующей шкалы [8], мм

2×10; 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,

• – плотность материала НЭ, кг/м3. Следует учесть, что расчет НЭ ведется для одной фазы.

3. Автоматическое регулирование ЭПС

Автоматическое регулирование процесса нагрева, в частности регули-рование температуры, способствует повышению эффективности ЭПС. Задача устройств автоматического регулирования состоит в том, чтобы обеспечить на-грев до заданной температуры и поддерживать ее на постоянном уровне с точ-ностью, соответствующей требованиям технологического процесса.

,γ⋅⋅= lSG

Функциональная схема автоматического регулирования рабочей темпера-туры печи сопротивления приведена на рис. 1.4.

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 темпера-туры. Их применяют для измерения температур до 650 °С. В промышленности используются платиновые термометры типа ТСП и медные типа ТСМ;

– термопары – два разнородных проводника, спаянные в одной точке. При нагреве места спая на свободных холодных концах проводников появляет-ся термо-ЭДС, пропорциональная температуре. Применяют хромель-алюминевые термопары ТХА – 1000 °С, платино-радий-платиновые ТПП – 1300°С и т. д.;

– термометры излучения радиационные и фотоэлектрические. Первые типа «Рапир» с пределами измерений 100–4000 °С имеют телескоп, концентри-рующий с помощью оптики лучистый поток, излученный нагреваемым телом. Во-вторых, чувствительным элементом является фотосопротивление. Рабочая температура фотоэлектрических термометров ФЭП-4 500–2000 °С, ФЭП-60 200–1400 °С.

Для измерения, записи и регулирования температуры в сочетании с дат-чиками температуры применяют электронные мосты, термометрические мил-ливольтметры или электронные потенциометры.

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 сопро-тивления 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 непрерыв-ных 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 обеспечи-вают периодическими включениями и отключениями печи, то есть работой по циклу полная мощность – нулевая мощность. Средняя мощность, потребляемая ЭПС

(1.10)

где Рср – средняя мощность, Рном – полная или номинальная мощность, • ••• – время включения, • •• •• – время отключения, • ••••• – 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 на-чинает падать (рис. 1.5.).

Для облегчения работы коммутационной аппаратуры необходимо стре-миться к уменьшению частоты переключений при одновременном снижении величины коммутируемой мощности. Это достигается регулированием по цик-лу: полная мощность – нулевая мощность – частичная мощность. Такое регули-рование называется трехпозиционным. В период разогрева печь включается на полную мощность, при достижении заданной температуры переключается на частичную мощность, и в период выдержки регулируется по циклу «частичная мощность» – «выключено».

,цикла

вклном

отклвкл

вклномср РРP

ττ

τττ

=+

=

Рис. 1.5. График изменения температуры и мощности печи при двухпозиционном регулировании

Частичную мощность можно получить переключением НЭ с параллель-

ного соединения на последовательное при однофазном питании, со звезды на последовательное и с треугольника на звезду – при трехфазном 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 технологиче-ского процесса требуется более высокая точность, то необходимо применять непрерывное плавное регулирование. При этом каждый элемент системы регу-лирования воздействует на последующий непрерывно, т. е. выходная величи-

на регулятора является непрерывной функцией рассогласования на его входе. При непрерывном регулировании в качестве исполнительного устройства ис-пользуют 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 ха-рактеристики нагревателя и печи заносятся в табл. 1.2, 1.3.

Таблица 1.1 Исходные данные для расчета нагревателя по вариантам

Номер соответствует первой цифре заданного варианта Наименование

исходных данных 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 ρ Y ρ Y ρ Y ρ Y ρ

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.

Таблица 1.2

Характеристика нагревательного элемента

Для одной фазы Материал, конструкция, удельное со-противление ( • )

Р, кВт

U, В

I, А

Wисходн.

Wуточнен.

104Вт/м2

d (a×b) мм

l, мм

G, кг

Таблица 1.3

Характеристика печи как потребителя электроэнергии

Р, кВт

U, В

Схема соединения нагревателей Количество фаз Ток фазы,

А Ток линейный,

А

Задание

1) Изучить конструкции ЭПС, нагревательных элементов, датчиков температу-ры, 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 • = 0. Второе – • = 4–5 мин. Все последующие – с учетом срабатывания регу-лятора. Показания прибора t снимать до первого переключения «полная мощ-ность» – «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 )f(=P);f(=C°t ττ .

Рис. 1.6. 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». 2. Исследовать режимы работы сварочного трансформатора под нагрузкой.

Краткие теоретические сведения

1. Основные сведения об электрической дуге

В точке соприкосновения электрода со свариваемыми деталями по зако-ну Джоуля–Ленца выделяется достаточно большое количество тепла. После от-рыва 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 кинетиче-ская энергия для его ионизации. Поэтому напряжение зажигания дуги оказыва-ется всегда больше, чем при нормальном ее горении и равно для стальных элек-тродов 30–35 В, а для угольных 45–55 В. Электрическая дуга состоит из сле-дующих элементов, рис. 2.1.

При угольных электродах температура анода примерно 4900°С, темпера-тура катода зависит от длины дуги, силы тока, состава и диаметра электрода и равна 3000–4000°С.

При стальных электродах (применяемых при сварке) температура анода – 2500–2600°С, катода – 2300–2400°С. Напряжение в электрической дуге делится на три характерные части, рис. 2.2.

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 Uк (затрачиваемое на эмиссию электронов из катода).

2. Падение напряжения в столбе дуги Uс (затрачиваемое на перемещение зарядов через газовый промежуток).

3. Падение напряжения в анодном пространстве Uа (затрачиваемое на преодоле-ние объемных зарядов и нагрев анода).

2. Статическая характеристика дуги

При токах порядка 200 А и выше падение напряжения в столбе дуги не зависит от силы тока и пропорционально длине столба, но меняется в зависи-мости от рода газа, материала электрода и давления. С увеличением тока иони-зация столба дуги (вследствие нагрева газа) усиливается (рис. 2.3).

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 при-водит к уменьшению напряжения, необходимого для поддержания горения ду-ги с увеличением тока (отрицательное сопротивление).

3. Динамическая характеристика дуги

Рассмотренное выше изменение напряжения дуги с ростом тока справед-ливо при медленном нарастании тока (статическая характеристика). При быст-рых изменениях тока (от I1 до I2) ионизация в промежутке отстает от роста тока, проводимость дуги увеличивается медленнее и напряжение на дуге уменьшает-ся меньше, чем по статической характеристике (из точки 1 приходим в точку 2', а не в точку 2). При внезапном уменьшении тока степень ионизации промежут-ка 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 ду-ге независимо от рода тока, питающего дугу. Однако поддержание дуги на пе-ременном токе труднее, так как ток меняет свою величину и направление 100 раз в 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 замыка-ния приемлема в пределах 1,2-1,4);

3. источник должен иметь регулировку тока сварочной дуги, единую для сварки деталей разной толщины. Режим работы сварочного обору-дования повторно–кратковременный с процентом включения (ПВ) равным 50–70%. Установившийся повторно–кратковременный режим характеризуется тем, что падение температуры обмотки за время перерыва соответствует повы-шению ее за время очередного горения. Сварочный аппарат переменного тока является сочетанием трансформатора (со вторичным напряжением 60-80 В) и регулятора напряжения (дросселя), обеспечивающего круто падающую внеш-нюю характеристику сварочного аппарата (рис. 2.5.). Регулирование тока про-исходит за счет изменения воздушного зазора в магнитопроводе дросселя.

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 уве-

личением зазора ток увеличивается. Сварочные трансформаторы имеют раз-личные конструкции в зависимости от того, какой является сварочная опера-ция: дуговой, стыковой, шовной или точечной. Наиболее разнообразны конст-рукции сварочных трансформаторов для дуговой сварки.

Сварочный трансформатор так же, как и сварочная машина постоянного тока, должен иметь достаточное для зажигания дуги напряжение холостого хо-да. В простейшем случае для этой цели можно было бы использовать авто-трансформатор, который может дать хорошие технические и экономические показатели. Однако автотрансформаторы неприемлемы с точки зрения безопас-ности сварщика, так как последний может попасть под полное напряжение се-ти. 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 ко-ротких замыканиях, величина тока короткого замыкания не должна превышать рабочий ток более чем на 35-45%;

3. напряжение холостого хода не должно превышать 60 В, так как при бо-лее высоком напряжении появляется опасность поражения сварщика электри-ческим током;

4. конструкция трансформатора должна быть проста и защищена от влия-ния атмосферных осадков, пыли и пр. Изоляция обмоток его должна быть вла-гоустойчивой;

5. трансформатор должен обеспечить постоянство горения дуги при ко-лебании напряжения в первичной обмотке ±10%.

Различные типы внешних характеристик сварочных трансформаторов по-казаны на рис. 2.6. Характеристика типа «а» пригодна для сварки на больших и на малых токах. Так как с уменьшением тока нагрузки напряжение трансфор-матора повышается, то вероятность неустойчивого горения дуги отпадает. Ха-рактеристика типа «б» имеет повышенное напряжение вблизи холостого хода, обеспечивающая 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 бла-гоприятной является характеристика типа «а». Для получения требуемой внеш-ней 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

Задание

1) Изучить конструкцию и свойства трансформатора для дуговой сварки. 2) Исследовать режимы работы сварочного трансформатора под нагрузкой.

Краткие методические указания

1. Ознакомиться с описанием и схемой к лабораторной работе. Подключить не-обходимые измерительные приборы (рис. 2.7.). 2. Снять по схеме (рис. 2.7.) внешнюю характеристику трансформатора при на-пряжении питающей сети U2 = 200 В изменением сопротивления нагрузки от Rн=∞ (холостой ход) до Rн=R3 (3-е положение переключателя «П»). Напряже-ние U2 изменять регулятором напряжения (дросселем). 3. Снять по схеме (рис. 2.7.) внешнюю характеристику трансформатора при на-пряжении питающей сети U2 = 220 В изменением сопротивления нагрузки от Rн=∞ (0-е положение переключателя «П») до Rн=R3 (3-е положение переключа-теля «П»). 4. Снять по схеме (рис. 2.7.) внешнюю характеристику трансформатора при на-пряжении питающей сети U2= 230 В. С изменением сопротивления нагрузки от Rн=∞ (0-е положение переключателя «П») до Rн=R3 (3-е положение переключа-теля «П»). 5. Данные опыта для трех различных значений напряжения питающей сети за-нести в таблицу 2.1 и для каждого значения построить кривые зависимости U2=f(Iн) и cosϕ = f(Iн). Все три внешние характеристики строятся на одном графике.

Таблица 2.1

№ Измерено Вычислено

I1, A U1, B W, Вт I2, A U2, B 11

cosUI

W=

1 2 3 4

200

1 2 3

220

1 2 3 4

230

Рис.

2.7

. Схема

экспериментальной

установки

для

исследования сварочного

трансфо

рматора

Контрольные вопросы

1. Изложите процесс 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 в цепи 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 круто падающую внешнюю характеристику, а многопостовые жесткую внеш-нюю характеристику? 9. Какими способами обеспечивается падающая внешняя характеристика у од-нопостового сварочного генератора? 10. Каким образом осуществляется падающая внешняя характеристика у одно-постовых 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 многоам-перных электрических сетях.

Краткие теоретические сведения

В электрометаллургии используется трехфазная электрическая дуга, т. к. применение в качестве источника питания трансформатора надежнее и де-шевле, чем преобразователя постоянного тока. Высокая температура и значи-тельная 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 температу-ра создает благоприятные условия для удаления вредных примесей, поэтому дуговые печи находят все более широкое применение для выплавки стали высо-кого качества: инструментальной, нержавеющей, шарикоподшипниковой и т. д.

Электрическая дуга, горящая над металлом, представляет собой актив-ную 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, об-разующая рабочее пространство. В верхней части свода есть три отверстия для прохода цилиндрических электродов. Для регулирования длины дуги, а, следо-вательно, 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 пи-тающего силового трансформатора.

Короткая сеть (КС) – это путь протекания электрического тока от низ-ковольтных зажимов силового трансформатора до плавильного пространства печи. Конструктивно КС состоит из следующих участков (рис. 3.1.): – жесткие медные шины, расположенные внутри подстанции, от низковольт-ных зажимов трансформатора до перехода в гибкий токопровод вне подстан-ции; – гибкий токопровод от медных шин до электрододержателей. Этот участок КС выполняется полым медным кабелем сечением до 500 мм2. Гибкий кабель обеспечивает возможность перемещения электродов в вертикальной плоско-сти; – от башмаков электрододержателей до электродного зажима (водоохлаждае-мые 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) простота 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 последо-вательно с первичной обмоткой печного трансформатора включается дроссель.

Активное и особенно индуктивное сопротивление короткой сети оказы-вает определяющее влияние на электрические характеристики электропечной установки. По проводникам короткой сети протекают весьма большие токи промышленной частоты, которые создают вокруг проводников сильные маг-нитные 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; 10 – рукав электродержателя; 11 – стойка рукава

Общие требования, обеспечивающие уменьшение активного и реак-тивного сопротивлений короткой сети, следующие:

а) исполнение проводников минимально возможной длины (максималь-ное приближение электропечного трансформатора к дуговой печи);

б) проводники с токами противоположного направления или относящиеся к разным фазам должны располагаться ближе друг к другу (с учетом требуемых расстояний для надежной работы электрической изоляции);

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 ми-нимальную асимметрию.

Активная составляющая фазного напряжения трехфазной печной уста-новки состоит из трех слагаемых [10]:

)MM+I(R=U 1312110 2

3

2

3 ωω − , (3.1)

где М12 и М13 – коэффициенты взаимной индукции. Первичный член в скобках – активное сопротивление данной фазы, а два

остальных имеют смысл активных сопротивлений, обусловленных электромаг-нитными связями данной фазы с остальными. (Под действием магнитных полей других фаз ток в большей или меньшей степени будет вытесняться на поверх-ность 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 М12=М23>М31 (проводники расположены по углам равностороннего треугольника), то для любой фазы это изменение равно нулю. Однако большинство трехфазных дуго-вых печей имеет электромагнитную несимметрию фаз, следствием чего являет-ся неравенство взаимных индуктивностей. Например, для печи со схемой ко-роткой сети, когда токопроводы фаз расположены отдельными группами в ли-нию, имеем М12=М23>М31 .

М23

М13

АМ12 В

С

В силу этого за счет взаимной индукции увеличивается активное сопротивле-ние токопровода в первой фазе и уменьшается в третьей, в средней фазе актив-ное сопротивление не изменяется. При симметрии напряжений на обмотках трансформатора токи в фазах неодинаковы: в первой фазе ток наименьший, а в третьей наибольший. Соответственно и полезная мощность фаз (мощность дуг) неодинакова; в первой фазе она наименьшая (эту фазу называют «мертвой»), а в третьей – наибольшая («дикая» фаза).

Такая ситуация возникает, когда r > 1,73х, что соответствует коэффици-енту мощности цепи выше 0,87 (φ<30°), в этом случае полное эквивалентное сопротивление фазы получается минимальным и ток Ic>Ib>Ia. При r = 1,73х, cosφ =0,87 (φ =30°) величины полных эквивалентных сопротивлений фаз «В» «С» получаются равными. При уменьшении коэффициента мощности ниже 0,87 (φ >30°) величина полного эквивалентного сопротивления фазы «В» получается меньше полного эквивалентного сопротивления фазы «С» и, соответственно, ток Ib>Ic>Ia.

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 в одной из фаз печи вызывает усиленный износ футеровки против электрода «дикой» фазы. Кроме

того, увеличение производительности у электрода «дикой» фазы не компенси-рует снижения производительности у электрода «мертвой» фазы, где задержи-вается расплавление загрузки, в результате чего снижаются технико–экономические показатели печи. Поэтому при конструировании дуговых печей необходимо уделять серьезное внимание выравниванию индуктивных сопро-тивлений фаз за счет создания симметричных схем коротких сетей.

Рассмотрим явление поверхностного эффекта, эффекта близости и эф-фекта переноса мощности в двух индуктивно связанных цепях, находящихся под напряжением различным по фазе.

При одиночном питании каждой из петель переменным током, на петле будет происходить падение напряжения

jx)+I(r=U , (3.2) где r , х – собственное активное и индуктивное сопротивление проводника.

Активное сопротивление проводника будет отличаться от омического, так как переменный ток, в отличие от постоянного, не распределяется равно-мерно по всему сечению проводника. Плотность его непрерывно возрастает по направлению от оси проводника к его поверхности. Это явление называется по-верхностным эффектом. Неравномерное распределение тока по сечению про-водника имеет своим следствием неполное использование сечения и, следова-тельно, увеличение тепловых потерь в проводнике. Поэтому при вычислении потерь по формуле Р = I2r следует считать активное сопротивление большим, чем при поcточном токе (r – пост.), вычисляя по формуле

постД rК=r ⋅ , (3.3) здесь КД – коэффициент добавочных потерь, зависящих от произведе-ния µγ ⋅⋅fd , где d – диаметр провода, м; µ – магнитная проницаемость, Гн/м; γ

– удельная проводимостьмОм ⋅

1 ; f – частота, Гц.

Таким образом, наиболее сильно поверхностный эффект проявляется с увеличением частоты переменного тока, размеров проводника, удельной про-водимости 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 провода (оно накладывается на поверхностный эффект), которое получило название эффекта близости.

Для двух одинаковых цепей с параметрами r и x=ωL, имеющих индук-тивную связь через взаимную индуктивность М=КL, где К – коэффициент свя-зи (рис. 3.2.) можно записать уравнения падений напряжения

(jkx)I+jx)+(rI=U 211&&& , (3.4)

(jkx)I+jx)+(rI=U 122&&& . (3.5)

При напряжениях U1 = U2 токи в обеих цепях будут равны:

kx)+j(x+r

U=I=I

&&&21 . (3.6)

При напряжении U1= -U2 (бифиляр), токи увеличиваются вследствие снижения индуктивного сопротивления за счет взаимной компенсации (унич-тожения) электромагнитных полей:

kx)j(x+r

U=I=I

−

&&&21 . (3.7)

При напряжениях, сдвинутых по фазе на 120°,

)j0,+(U=eU=U j 8660,51120

12 −& . (3.8)

Подставляем в уравнения (3.4), (3.5) и находим [4]:

)r

xf(K,=eK=

eI

eI=

=

rx

Krx

j+rx

xr

K+rx

j+rx

+=K=

I

I

jj

jα

α

α

012022

11

01202

1

0,50,8660,8660,5

0,50,8661

−−

−−

&&

&

(3.9)

Отношение токов К120 является комплексной величиной, зависящей от коэффициента связи и отношения реактивного и активного сопротивлений оди-ночной цепи.

Аргумент α = α 1 – α 2 представляет собой угол между векторами токов, который отличается от 120°.

Рис. 3.2. Векторная диаграмма двух однофазных цепей с индуктивной связью

Отношение модулей

11,73

1,732222

2222

2

1 >)r

xf(k,=

kxxk+kx+x+r

kx+xk+kx+x+r=

I

I22

22

−. (3.10)

Следовательно, ток I2 в цепи с опережающим напряжением меньше, чем I1. Иначе говоря, цепь с опережающим напряжением передает часть мощности цепи с отстающим напряжением. Это явление обычно для индуктивно связан-ных цепей [4]. Угол между векторами токов может приблизиться к 180°. Для этого необходимо, чтобы связь цепей была идеальной, т. е. К≈I, и чтобы актив-ное сопротивление r было весьма малым по сравнению с собственным сопро-тивлением x.

Увеличение угла между векторами токов сверх 120° объясняется взаим-ным размагничиванием цепей.

Значение полных сопротивлений индуктивно связанных цепей можно по-лучить из уравнений (3.4) и (3.5) подстановкой коэффициента К из уравнения (3.9):

.0,50,866

22222

1 kx)+j(x+kx+r

jxr+xxk+r=z

− (3.11)

.0,8660,50,8660,5

0,8660,8660,8662x0,1730,50,50,5 22222222

2 r)kx+xj(+x+r

)xkx+rj(+xr+xxk+r=z

−−−− (3.12)

Как известно, значения действительной части каждого из выражений (3.11), (3.12) представляют собой эквивалентные активные (r1 и r2), а мнимой – эквивалентные реактивные (x1 и x2) сопротивления.

Разности между полученными эквивалентными сопротивлениями и соот-ветствующими собственными сопротивлениями (r и x) одиночной цепи:

0,1,731

10,866 1222

222

11 <)r

xx,(k,f=

rkx+)k+k+(x+r

)k(x+rkx=rr=r

2

−−−∆ (3.13)

0,1,731

10,866 2222

222

22 >)r

xx,(k,f=

kxr)k+k+(x+r

)k(k+rkx=rr=r

−−

−∆ (3.14)

0,1,731

4k10,5 3222

222

11 <)r

xx,(k,f=

kxr+)k+k+(x+r

)k++(x+rkx=xx=x −−∆ (3.15)

0.1,731

4k10,5 4222

222

22 <)r

xx,(k,f=

kxr)k+k+(x+r

)k++(x+rkx=xx=x

−−−∆ (3.16)

Сопротивления r1<r , r2>r , это и обуславливает перенос мощности из второй цепи в первую. Оба реактивных сопротивления х1 и х2 меньше х, что объясняется размагничивающим действием цепей друг на друга. Модуль полного сопротивления z1=r1+jx меньше модуля z=r+jx. Величина мо-дуля z2 может быть и больше модуля z. В результате размагничивающего дей-ствия цепей друг на друга проводимость их возрастает и арифметическая сумма токов (I1 + I2) больше, чем удвоенный ток I единичной цепи.

На рис. 3.2. дана векторная диаграмма для двух однофазных цепей с ин-дуктивной связью, из которой наглядно видны изменения треугольников со-противления и поворот токов в разные стороны по сравнению с положением под 120°.

Физический смысл величин ∆r1 и ∆r2 может быть пояснен выражениями для мощности обеих цепей. Мощность, выделяющаяся в первой цепи:

,rI+rI=rI=P 121211211 ∆⋅⋅⋅ (3.17)

мощность второй цепи: .222222222 rI+rI=rI=P ∆⋅⋅⋅ (3.18)

Пользуясь выражениями, полученными для K 120 =I 1

I 2

, ∆r1 и ∆r2, находим

12

22

121 −⋅⋅

=rI

rI

∆∆

или I 12 • r 1 = • I2

2 • r 2= • P , и мощности цепей получаются равными:

P1=I12r–∆P , (3.19)

P2=I22r–∆P . (3.19)

В этих выражениях Р1 – мощность, получаемая первой цепью из сети; Р2 – второй; I 1

2 r – мощность тепловых потерь в цепи №1; I 22 r – в цепи №2;

∆Р – мощность, индуктивно переносимая из цепи №2 в цепь №1. Мощность те-пловых потерь в цепи №1 I 1

2 r больше получаемой из сети Р1 на величину ∆Р, а в цепи №2 мощность тепловых потерь меньше получаемой из сети Р2 на ту же 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; б) векторы тока поворачиваются в разные стороны, стремясь к углу в 180°; в) из опережающей по фазе цепи индуктивно передается некоторая мощ-ность в отстающую по фазе.

Задание

1) Ознакомиться со схемой установки и используемой в ней аппаратурой. 2) Включить поочередно одну петлю на фазу А0, а вторую – на фазу В0 и опре-делить с помощью метода амперметра и вольтметра их полные сопротивления при отсутствии взаимоиндуктивности. 3) Включить обе петли параллельно на одну фазу, с помощью метода ампер-метра и вольтметра определить полное сопротивление петли для данного спо-соба 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 x со-противление петли и коэффициента связи. 7) На основании опыта п. 5 построить векторную диаграмму для двух однофаз-ных цепей со взаимоиндуктивностью, определить активные и реактивные со-противления 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 ав-томатического выключателя, понижающего трансформатора и двух исследуе-мых петель, выполненных из провода АПР 1x95 длиной по 10 м. Измерения то-ка в схемах производятся посредством амперметров (РА1, РА2), включенных через трансформаторы тока (ТА1 и TA2). Напряжение на петлях измеряется вольтметром (PV), а величина фазового угла фазометром (PFC). Сборка соот-ветствующих заданию схем осуществляется установкой перемычек между вы-ходными клеммами.

Данные опыта по п. 2 задания заносятся в табл. 3.1. Таблица 3.1

Опытные данные к пункту 2 задания (одиночный проводник)

UA0, B IA0, A ZA0, Ом UB0, B IB0, A ZB0, Ом Zcp, Ом

Ialignl

U=Z A0

A0 , Z B 0 =U B 0

I B 0,

2B0A0

CP

Z+Z=Z .

Данные опыта по п. 3 и п. 4 задания заполняются в табл. 3.2.

Таблица 3.2 Опытные данные к пунктам 3, 4 задания

IA01, A IA02, A ICP, A UB0, B Z2CP, Z3CP, Ом Примечание

Одинаковое направление тока

Бифиляр

Z C P 2,3 =U A 0

IC P , I C P =

I A 01 • I A 02

2 . Данные опыта по п. 5 задания заполняются в табл. 3.3.

Таблица 3.3

Опытные данные к п. 5 задания

IA0, A

UA0, �

Z2, Ом

I�0, A

U�0, �

Z1, Ом

ϕ ∠ (UA0U�0)

ϕ2

∠ (IA0UA0) ϕ1

∠ (I�0U�0)

Для определения r, x ,k (п. 6 задания) необходимо решить систему урав-нений

2 21

2 2 22

2 2 23

1

1

C P

C P

C P

Z = r + x

Z = r + ( + k ) x

Z = r + ( k ) x

−

,

где Z1cp, Z2cp, Z3cp 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 r2). Из полученных двух уравнений выражается x2. Затем они приравниваются (исключается х2) и из полученного уравнения находится коэффициент связи. Дальнейшее решение осуществляется простейшей подста-новкой.

Векторную диаграмму построить (п. 7 задания) аналогично диаграмме на рис.3.2. r1=z1cos ϕ1, r2=z2cos ϕ2,

x1=z1sin ϕ1, x2=z2sin ϕ2, ∆r1=r1 – r, ∆r2=r2 – r,

∆x1=x1 – x, ∆x2=x2 – x,

собственное сопротивление петель (r, x) берется из опыта п. 6. К пункту 8 задания • P = I B 0

2• r 1 = I A 0

2• r 2 ,

IA0, I�0 берутся из опыта п. 5.; ∆r1, ∆r2 – из опыта п. 7 задания.

Рис. 3.3. Схема лабораторной установки для исследования

короткой сети К пункту 9 задания: коэффициент добавочных потерь рассчитать для

п. 2. и п. 5. При расчете омического сопротивления петли иметь в виду, что она выполняется проводом АПР–500, сечением 95 мм2, длиной 10 м, ρ=0,029Ом·мм2/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» фазы. Способы уменьше-ния 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 сталепла-вильных печей. 15. Быстродействующий тиристорный регулятор привода перемещения элек-тродов 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 на-грева». 2. Изучить принцип действия и конструкцию асинхронного преобразователя частоты. 3. Снять и проанализировать рабочие характеристики преобразователя частоты.

Краткие теоретические сведения

Асинхронный преобразователь частоты представляет собой двухма-шинный агрегат, предназначенный для преобразования трехфазной системы

напряжений и токов с частотой f1 в трехфазную систему с другими значениями напряжений и токов с частотой f2.

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 ма-шин, одна из которых, используемая в качестве приводного двигателя М1, име-ет короткозамкнутый ротор, а вторая, М2, работающая в качестве преобразова-теля частоты, имеет фазный ротор с контактными кольцами. Обе машины име-ют общий вал и заключены в один корпус.

При неподвижном электродвигателе M1 вращающееся магнитное поле статора преобразователя М2, пересекая обмотки своего статора и ротора, будет наводить в них ЭДС Е1 и E2 одной и той же частоты f1. Следовательно, преобра-зователь частоты будет работать аналогично трехфазному трансформатору. Ес-ли приводной двигатель M1 вращает ротор машины М2 со скоростью n2, то частота ЭДС Е2 в обмотке ротора изменится и станет отличной от f1, вследст-вие изменения скорости вращения поля статора машины М2 по отношению к ее вращающемуся ротору. Относительная скорость вращающегося магнитного по-ля будет:

n = n1 ± n2, (4.1)

где n 1=6 0 f 1

p 2 – скорость вращения поля статора преобразователя М2;

р2 – число пар полюсов преобразователя М2; f1 – частота питающей сети (50 Гц). При относительной скорости n в роторе преобразователя М2 будет наво-

диться ЭДС E2 с частотой f2 = f1(1±n2/n1) , (4.2)

причем знак плюс соответствует вращению ротора преобразователя М2 против поля статора, а знак минус – их согласованному вращению. Так как асинхрон-ный преобразователь используется обычно для повышения частоты, то в фор-муле (4.2) обычно указывается только один знак – плюс и она после небольших преобразований принимает вид

f2 = f1·[1+(p2/p1)·(1-s)] , (4.3)

где p1 – число пар полюсов двигателя; s – скольжение ротора двигателя M1.

Рис. 4.1. Схема асинхронного преобразователя частоты

Рис. 4.2. Изменение соотношения мощностей P1,2/Pʹ2 при изменении частоты f2

Рис. 4.3. Процентное соотношение величин мощностей Pʹ2 и P1,2 в зависимости

от соотношения f2/f1

При работе преобразователя частоты полная мощность его ротора Р2 складывается из электромагнитной мощности Р1,2 , передаваемой вращающимся магнитным полем со статора на ротор и мощности Р2′, подведенной к ротору преобразователя М2 через вал от электродвигателя M1:

Р2 = Р1,2 + P2' . (4.4)

Таким образом, выходная мощность ротора преобразователя на повышенной частоте f2 создается за счет преобразования мощности его статора и за счет мощности двигателя M1.

Как показывают исследования, соотношение мощностей P1,2 и Р2′ опре-деляется выражением

Р1,2/Р2′ = 1/[(f2/f1)-1] . (4.5)

Примерная кривая зависимости отношения Р1,2/Р2′ от относительного из-менения частоты f2 показана на рис. 4.2.

Кривая на рис. 4.2. показывает, что при возрастании частоты f2 и неиз-менной частоте сети f1 , доля мощности, получаемая преобразователем М2 от двигателя M1, возрастает, а доля мощности, передаваемой ротору со статора преобразователя вращающимся магнитным полем уменьшается.

Из уравнения (4.4) и (4.5) может быть найдено выражение для мощности приводного асинхронного двигателя М1

Р2′ = Р2(1-f1/f2) , (4.6)

и для мощности, передаваемой магнитным полем статора преобразователя на ротор

Р1,2 = Р2·f1/f2 . (4.7)

В соответствии с выражениями (4.6), (4.7) на рис. 4.3 приведены кривые, определяющие процентное соотношение величин мощностей Р2′ и Р1,2 в зави-симости от кратности f2 по отношению к частоте сети f1. Об общих свойствах преобразователя частоты, наиболее целесообразных режимах работы судят по его рабочим характеристикам:

I1 = f(P2); P1 = f(P2); cos φ1 = f(P2); η = f(P2); U2 = f(P2); f2 = f(P2);

при U1 = const; f1 = const; cos φ2 = const, где величины с индексом «1» относятся к сети с частотой f1 , а с индексом «2» – к сети с частотой f2.

Исследование свойств асинхронного преобразователя производится (по схеме рис. 4.4.) на агрегате типа ИЭ-940, состоящем из приводного двухпо-люсного асинхронного электродвигателя M1 с короткозамкнутым ротором и асинхронной машины М2 с фазным ротором, которые находятся в одном кор-пусе. На переднем выступающем конце вала преобразователя смонтирован цельный прессованный коллектор, состоящий из трех изолированных друг от

друга контактных колец. Коллектор закреплен на валу винтом. С торца коллек-тора установлена панель с шестью зажимами, к которым присоединяются кон-цы обмотки ротора преобразователя М2. Питание ротора преобразователя М2 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 обмот-ки статора преобразователя М2, с которого снимается ток повышенной частоты.

Преобразователь частоты типа ИЭ-940 имеет следующие технические данные:

Первичный номинальный ток 10А Вторичный номинальный ток 67А Первичное номинальное напряжение 220/380 В Вторичное номинальное напряжение 36В (±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

Задание

1) Ознакомиться с принципом работы и конструкцией асинхронного преобра-зователя частоты. 2) Снять и построить рабочие характеристики асинхронного преобразователя частоты ИЭ-940. 3) На основе полученных характеристик проанализировать работу преобразо-вателя частоты во всем диапазоне изменения мощности нагрузки.

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 поло-жение, соответствующее режиму холостого хода. 4. После проверки схемы преподавателем подать на нее напряжение включени-ем пакетного выключателя Q1. 5. Запустить агрегат на холостом ходу включением пакетного выключателя Q2. Записать показания приборов.

Рис. 4.4. Схема исследования асинхронного преобразователя частоты

6. Подключить выключателем Q3 нагрузку и, вращая ручку нагрузочного рео-стата вправо, снять показания всех приборов при фиксированных значениях то-ка 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 φ1, P2, η при cosφ2=1 и занести их в табл. 4.1. 9. На основании данных табл. 4.1 строят зависимости:

I1 = f(P2); P1 = f(P2); cos φ1 = f(P2); η = f(P2); U2 = f(P2); f2 = f(P2);

при U1 = const; f1 = const; cos φ2 = const=1. 10. 3начения коэффициента мощности cos φ1 рассчитываются по формуле:

cos φ1 = P1 / (√3·U1·I1), (4.8)

где P1 – мощность, потребляемая агрегатом из сети, кВт; U1, I1 – соответственно, напряжение и ток в цепи промышленной частоты

f1 =50 Гц. Значение мощности P2, отдаваемой агрегатом, рассчитывается по

формуле: P2 = √3·U2·I2, (4.9)

где U2, I2 – соответственно, напряжение и ток в цепи повышенной частоты f=200 Гц.

Коэффициент полезного действия агрегата рассчитывается по формуле

η = P2/ P1 . (4.10)

Таблица 4.1. Данные для построения рабочих характеристик асинхронного

преобразователя частоты Измерено Вычислено

сторона 50 Гц сторона 200 Гц U1 I1 P1 U2 f2 I2

cos φ1 P2 η №

В А кВт В Гц А кВт % 1 2 … 8

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 подключе-нием нагрузки к обмоткам ротора или наоборот? 4. Зачем стремятся уменьшить зазор между индуктором и нагреваемым метал-лом? 5. Для каких технологических операций применяют высокочастотный нагрев? 6. Почему при поверхностной индукционной закалке в отличие от пламенной не происходит перегрев поверхностного слоя металлической заготовки? 7. Понятие коэффициента поглощения мощности. Что он показывает? 8. Назначение конденсаторной батареи в индукционных установках. Как прак-тически 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, вхо-дящей 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». 2. Изучить конструкции и ознакомиться с классификацией силовых полупро-водниковых диодов. 3. Снять и проанализировать вольт–амперные характеристики силовых крем-ниевых диодов при различной температуре р-n – перехода.

Краткие теоретические сведения

В настоящее время для питания промышленных электролизных устано-вок широко применяют полупроводниковые выпрямители, так как они наиболее долговечны, надежны, просты в обслуживании, обладают высоким КПД, бес-шумны и не имеют токсичных выделений. Такие мощные выпрямители преоб-разовательных подстанций для питания электролизных 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-n – 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 n–области намного больше концен-трации электронов в р–области, то возникающий градиент концентраций при-месей способствует диффузии электронов в р–область. По аналогии происходит диффузия дырок в n - область. В результате диффузии и рекомбинации с ос-новными носителями в зоне р-n–перехода образуются области, обедненные ос-новными носителями. При этом нескомпенсированные положительные донор-ные ионы в n–области и отрицательные акцепторные ионы в р–области образу-ют область положительного и отрицательного объемных зарядов (это и есть об-ласть р-n – перехода), которые создают электрическое поле, направленное от n–области к р–области (рис. 5.1.) Это поле препятствует диффузии основных но-сителей и вызывает дрейф неосновных носителей. Таким образом устанавлива-ется динамическое равновесие между р– и n–областями, при котором встреч-ные потоки носителей, обусловленные диффузией и дрейфом, взаимно уравно-вешиваются. Общий ток р-n–перехода равен нулю.

Так, область объемного заряда обеднена основными носителями, ее со-противление намного больше любой другой области полупроводникового кри-сталла и поэтому в случае приложения внешнего напряжения к полупроводни-ку с р-n–переходом большее падение напряжения будет приходиться на область объемного заряда. Таким образом, изменение потенциального барьера, создан-ного 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 ди-од протекает обратный ток на несколько порядков меньший прямого тока.

Полный ток через р-n–переход можно написать в виде:

),kT

(eI=I 0qU1

/0 − (5.1)

где I0 – ток насыщения (устанавливается при обратном напряжении U 0 > > k T /q и практически не изменяется в широком диапазоне обратных напряжений);

U0 – 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 p-n–перехода

Рис. 5.2. Вольт–амперные характеристики p-n–перехода и полупроводникового диода

Рис. 5.3. Вольт–амперные характеристики полупроводниковых диодов при различных температурах

При прямом напряжении уже при U>0,1 В первый член в скобках в вы-ражении (5.1) становится значительно больше единицы и последней можно пренебречь, т. е. имеем экспоненту

./

0

kTeI=I 0qU⋅ (5.2)

При обратном напряжении на р-n–переходе экспоненциальный член в выражении (5.1) уже при относительно небольшом напряжение (порядка не-скольких kТ/q) становится много меньше единицы так, что ток через переход в обратном направлении

I = I 0 . (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 на прямую ветвь вольт-амперной характеристики оказывает влияние падение напряжения в объеме монокристалла и на контак-тах. Обозначив соответствующее электрическое сопротивление через r, можно уточнить выражение для прямой ветви вольт-амперной характеристики

.1/0

0 )kTIr)

(eI=Iq(U −−⋅ (5.4)

В обратной ветви характеристики диода ток также не остается постоян-ным 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, по-верхностными утечками и эффектом лавинного умножения в объеме р-n–перехода при достаточно высоком обратном напряжении.

Особенностью полупроводниковых приборов, в том числе и диодов, яв-ляется 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 экспо-ненты. Снижение прямого падения напряжения на диоде с ростом температуры также объясняется увеличением концентрации неосновных носителей, опреде-ляющих дрейфовый ток I0 в выражении (5.1) при включении диода в прямом направлении.

Снятие вольт-амперных характеристик силовых диодов имеет важ-ное 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 Uпор (отсекаемое продолжением линейной части прямой ветви характеристики на оси напряжений, рис. 5.2.); – дифференциальное сопротивление RD, характеризующее наклон прямой ветви в ее линейной части ( R D • •tg • ). Обратная ветвь характеристики позволяет определить следующие

статические параметры диода: – номинальное (обратное) напряжение; – напряжение загиба обратной ветви Uпр; – обратный ток утечки. С помощью указанных параметров могут быть определены потери в си-

ловых диодах и оценены возможности их включения на последовательную и параллельную работу.

Задание

1) Ознакомиться с конструкцией, принципом работы, классификацией и основ-ными паспортными характеристиками и параметрами силовых кремниевых диодов. 2) Снять с помощью лабораторной установки вольт-амперную характеристику кремниевого диода при различных температурах р-n–перехода (t1=tокр.среды; t2=+80°C; t3=+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 ра-боте.

Краткие методические указания

1. Ознакомиться с описанием и схемой лабораторной установки (рис. 5.4.). 2. Подключить к схеме для снятия вольт-амперной характеристики необходи-мые электроизмерительные приборы. 3. После проверки схемы преподавателем снять обратную ветвь вольт-амперной характеристики диода iR=f(uR) при температуре окружающей среды в следующей последовательности:

– переключатель SA1 установить в положение 1; – переключатель SA2 установить в положение 1; – ручки ЛАТР1 и ЛАТР2 установить в крайнее левое (нулевое) положе-ние; – подать напряжение на стенд, включив пакетный выключатель Q1; – постепенным увеличением напряжения (ЛАТР1) снять обратную ветвь вольт-амперной характеристики (10 точек), показания приборов PV2 и РА1 занести в таблицу 4.1;

Рис. 5.4. Схема установки для снятия обратной и прямой ветвей вольт–амперны

х характеристик кремниевого диода

– установить ЛАТР1 в нулевое положение, переключатель SA2 устано-вить в положение 2 (для разряда конденсаторов блока умножения напря-жения); – выключатель Q1 отключить.

4. Снять прямую ветвь вольт-амперной характеристики диода iF=f(uF) при тем-пературе окружающей среды в следующей 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 И РА2 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 t2=+80°C и t3=+50°С выполняется аналогично изложенному в пп. 3; 4, но после включения Q1 необходимо перед снятием характеристик на-греть 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 снима-ется соответствующая ветвь вольт-амперной характеристики. Показания при-боров заносятся в соответствующие графы табл. 5.1 и табл. 5.2. 6. По данным табл. 5.1 и табл. 5.2 строятся вольт-амперные характеристики диода при t1=tокр.ср; t2=+80°C; t3=+50°C.

Таблица 5.1. Обратные ветви вольт-амперных характеристик t=tокр.ср t=+50°C t=+80°C

I U I U I U №

дел. мА В дел. мА В дел. мА В 1 2 … 10

Примечание. Цена деления миллиамперметра РА1 – 0,2 мA; показания киловольтметра PV2 необходимо умножить на 3.

Таблица 5.2. Прямые ветви вольт-амперных характеристик

t=tокр.ср t=+50°C t=+80°C I U I U I U

№

дел. мА В дел. мА В дел. мА В 1 2 … 7

Примечание. Цена деления миллиамперметра РА2 – 50 мA; 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. От чего 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». 2. Ознакомиться с основными эксплуатационными характеристиками выпрями-телей. 3. 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 про-цессами широко используются технологии с электрохимическим способом воздействия. Таким способом является электролиз, получивший широкое рас-пространение в металлургии цветных металлов и в ряде химических произ-водств.

Сущность электролиза состоит в следующем. В электролитах (растворах солей, кислот и оснований в воде 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 заряд и 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 различ-ных веществ из электролита – электроэкстракцию или (при растворимом аноде) перенос вещества с анода на катод – электролитическое рафинирование. В обо-их случаях цель электролиза – получение химически чистых, незагрязненных примесями веществ.

На явлении электролиза основаны также все электрохимические методы обработки материалов: гальваностегия, гальванопластика, анодное полирова-ние, анодно–гидравлическая размерная обработка, анодно–механическая обра-ботка.

Протекание электрохимических реакций при электролизе описывается следующими законами Фарадея.

1. Масса вещества mэ, выделившегося при электролизе на катоде или перешед-шего с анода в электролит, пропорциональна количеству электричества, про-шедшего через электролит

(6.1)

где α – электрохимический эквивалент вещества, г/Кл;

I – ток через электролит, А; t – время протекания тока, с;

,tIm э ⋅⋅= α

2. Масса вещества, выделенного при электролизе одним и тем же количеством электричества, прямопропорциональна атомной массе вещества А и обратно пропорциональна его валентности n:

ntIA=mэ ⋅⋅⋅ 96480/ , (6.2)

где 96 480 – число Фарадея, Кл•моль-1. Таким образом, электрохимический эквивалент вещества

n,A= ⋅96480/α (6.3)

представляет собой массу вещества в граммах, выделяемую единицей количе-ства электричества (1 Кл = 1 А•с), проходящего через электролит.

Например, для меди: А =63,54; n=2; ./0,000329296480/5463 Клг=,= ⋅α м

Технологические процессы, использующие явление электролиза весьма разнообразны, широк и диапазон мощностей электролизных установок, экс-плуатируемых в промышленности. Этим объясняется и большое разнообразие источников питания электролизных установок как по исполнению, так и по мощности.

В качестве источников питания электролизных установок используются следующие преобразователи трехфазного и однофазного переменного тока в постоянный: двигатель–генераторы, одноякорные преобразователи, механиче-ские контактные, ртутные и полупроводниковые выпрямители. В настоящее время, благодаря своим неоспоримым преимуществам, наиболее распростра-нены полупроводниковые силовые выпрямители.

Селеновый выпрямитель ВСГ–ЗА состоит из понижающего тран-сформатора и селеновых выпрямительных элементов, смонтированных на че-тырех радиаторных пластинах и соединенных по схеме двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (рис. 6.2.).

Эксплуатационные электрические характеристики выпрямителя опреде-ляются в основном его схемой, значениями подводимого и выпрямленного на-пряжения, током нагрузки.

Основной эксплуатационной характеристикой выпрямителя является внешняя характеристика, представляющая зависимость напряжения на выхо-де выпрямителя от тока нагрузки:

Ud=f (Id) ( или ∆U=f (Id) ), где ∆U – потеря напряжения на выпрямителе. Коэффициент полезного действия (КПД) выпрямителя определяется

как отношение мощности выходного выпрямленного тока к мощности входного переменного тока.

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

Теоретический расчет показывает, что максимальный КПД идеального выпрямителя при работе его на активную нагрузку равен 40,5% при однополу-периодной схеме. Для трехфазных выпрямителей КПД достигает 96-98%.

На практике КПД выпрямителей значительно меньше и зависит от при-ложенного напряжения, тока, температуры и характера нагрузки.

Задание

1) Ознакомиться с выпрямительной схемой выпрямителя ВСГ–ЗА, ее основны-ми параметрами при активной нагрузке и паспортными данными ВСГ–ЗА. 2) Снять с помощью лабораторной установки внешние характеристики селено-вого выпрямителя ВСГ–ЗА при различных значениях выходных номинальных напряжений. 3) Построить внешние характеристики выпрямителя ВСГ–ЗА и проанализиро-вать работу во всем диапазоне изменения тока нагрузки.

Краткие методические указания

1. В качестве исследуемого выпрямителя используется селеновый выпрямитель типа ВСГ–ЗА, предназначенный для питания электролизных ванн от сети од-нофазного 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 х 560 х 500 мм.

2. На стенд подведено однофазное напряжение 220 В, которое подается на стенд включением пакетного выключателя Q. В цепи переменного тока преду-смотрены измерительные приборы для определения напряжения, тока и мощ-ности, в цепи постоянного тока – измерительные приборы для определения то-ка и напряжения на нагрузке Rн.

3. Снятие внешних характеристик выпрямителя выполняется в следующем по-рядке:

3.1. Для снятия характеристики ∆U1=f (Id) при Uвых=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 характери-стику ∆U1=f (Id) , записывая показания приборов в таблицу 6.1.

Ручка ЛАТРа устанавливается в крайнее левое (нулевое) положение. Вы-ключается пакетный выключатель Q.

3.2. Для снятия характеристики ∆U2=f (Id) при Uвых=4,5 В закоротка меж-ду клеммами 1 и 7 снимается, амперметр РА1 подключается к клеммам 3 и 6. Дальнейший порядок снятия характеристики аналогичен изложенному в п. 3.1.

8

Рис. 6.3. Схема установки для снятия характеристик селенового вы

прямителя

3.3. Снятие характеристики ∆U3=f (Id) при Uвых=3,5 В производится ана-логично изложенному в п. 3.2., только амперметр PA1 подключается к клем-мам 4 и 5.

3.4. При снятии характеристики ∆U4=f (Id) при Uвых=2,5 В амперметр PA1 подключается к клеммам 2 и 7 .

3.5. По результатам измерений производятся необходимые вычисления и заполняются соответствующие графы табл. 6.1., строятся внешние характери-стики:

∆U1=f (Id), ∆U2=f (Id), ∆U3=f (Id), ∆U4=f (Id); Ud1=f (Id), Ud2=f (Id), Ud3=f (Id), Ud4=f (Id); а также кривые зависимости КПД выпрямителя от относительного тока

нагрузки для всех значений Uвых – Idη= f( ) .

Таблица 6.1. Данные для построения внешних характеристик ВСГ–ЗА

Измерено Вычислено №

U1, В

I1, А

Р1, Вт

Ud, В

Id, А

Id

¿

=Id

Id���

Рd=Id•Ud, Вт ,

В

∆U=U2--Ud, В

Выходное напряжение 6В; Ктр=16 1 2 … 8

Выходное напряжение 4,5В; Ктр=25 1 2 … 8

Выходное напряжение 3,5В; Ктр=30 1 2 … 8

Выходное напряжение 2,5В; Ктр=40 1 2 … 8

Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность электролиза? 2. Закон Фарадея. 3. Назовите основные источники питания электролизных установок, их досто-инства и недостатки. 4. Назовите электрохимические процессы, используемые в промышленности. 5. Классификация схем выпрямителей. Основные параметры выпрямительных схем. 6. Основные эксплуатационные характеристики выпрямителей. 7. Устройство, принципиальная схема и паспортные данные селенового выпря-мителя ВСГ–ЗА. 8. Строение селеновых выпрямительных элементов. 9. Назначение металлических покрытий.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Федеральное агентство по образованию 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 Пестов С. М.

Ульяновск – 2009

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Болотов, А. В. Электротехнологические установки: учебное пособие для ву-зов / А. В. Болотов, Г. А. Шепель. – М. : Высшая школа, 1988. – 355 с. 2. Больфер, М. Г. Оборудование для дуговой и шлаковой сварки и плавки / М. Г. Больфер, Б. Е. Патон – М. : Высшая школа, 1974. – 245 с. 3. Вишневский, А. И. Силовые ионные и полупроводниковые приборы: учеб. пособие для вузов / А. И. Вишневский, В. С. Руденко, А. П. Платонов – М. : Высшая школа, 1975. – 343 с. 4. Мукосеев, Ю. Л. Распределение переменного тока в токопроводах. – М. : Госэнергоиздат, 1959. – 136 с. 5. Рабинович, И. Я. Оборудование для дуговой электрической сварки. – М. : Машиностроение, 1966. – 268 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. Тормасов. – М. : Высшая школа , 1970. – 286 с. 8. Фомичев, Е. П. Электротехнологические промышленные установки / Е. П. Фомичев – Киев : Вища школа, 1979. – 264 с. 9. Чиженко, И. М. Основы преобразовательной техники: учеб. пособие для спец. «Промышленная электроника» / И. М. Чиженко, В. С. Руденко, В. И. Сенько. – М. : Высшая школа, 1974. – 430 с. 10. Электрические печи сопротивления и дуговые печи: учебник для технику-мов / М. Б. Тутман, Я. С. Кацевич и др. – М. : Энергоатомиздат, 1983. – 360 с. 11. Электротехнологические промышленные установки / Под ред. А. Д. Свен-чанского. – М. : Энергоиздат, 1982. – 400 с.

Учебное издание

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

Составители: МАГАЗИННИК Лев Теодорович ПЕСТОВ Сергей Михайлович РЕБРОВСКАЯ Диана Андреевна КАЛАБАНОВСКИЙ Илья Александрович

Подписано в печать 4.08.2009. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 3,72.

Тираж 100 экз. Заказ №879.

Ульяновский государственный технический университет 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32.

Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32.