Исследование энергетических характеристик индукционной нагревательной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторная работа № 1. Изучение метода двухпозиционного регулирования температуры в электрических печах сопротивления

1. Цель работы

Изучение автоматического регулирования температурного режима электрической печи сопротивления на примере двухпозиционного принципа.

В соответствии с этой целью рабочее задание заключается в следующем:

а) изучить электрическую схему установки, порядок практического выполнения работы;

б) провести эксперимент в соответствии с п.5;

в) по методике п.6 провести обработку результатов эксперимента;

г) оформить отчет о проведенной работе.

2. Контрольные вопросы для собеседования перед выполнением работы

а) цель работы и постановка задачи;

б) размещение силового и контрольно-измерительного оборудования лабораторной установки;

в) схема силовых цепей и цепей управления установкой;

г) порядок проведения эксперимента.

3. Краткие теоретические сведения

В печах сопротивления в подавляющем большинстве случаев применяется простейший вид регулирования температуры - двухпозиционное регулирование, при котором исполнительный элемент системы регулирования - контактор имеет лишь два крайних положения: «включено» и «выключено». Во включенном состоянии температура печи растет, так как ее мощность всегда выбирается с запасом, и соответствующая ей установившаяся температура значительно превосходит ее рабочую температуру. В выключенном состоянии температура печи снижается по экспоненциальной кривой. Для идеализированного случая, когда в системе регулятор - печь отсутствует динамическое запаздывание, работа двухпозиционного регулятора показана на рисунке 1.1, на котором в верхней части дана зависимость температуры печи от времени, а в нижней - соответствующее изменение ее мощности. При разогреве печи вначале ее мощность будет постоянной и равной номинальной, поэтому ее температура будет расти до точки 1, когда она достигнет значения tзад + ?t1, где +?t + -?t - зона нечувствительности регулятора. В этот момент регулятор сработает, контактор отключит печь и ее мощность упадет до нуля. Вследствие этого температура печи начнет уменьшаться по кривой 1 - 2 до тех пор, пока не будет достигнута нижняя граница зоны нечувствительности tзад - ?t2. В этот момент произойдет новое включение печи, и ее температура вновь начнет увеличиваться.

Рисунок 1.1 Идеализированная схема работы двухпозиционного регулятора температуры

Таким образом, процесс регулирования температуры печи по двухпозиционному принципу заключается в ее изменении по пилообразной кривой около заданного значения в пределах интервалов + ?t1, - ?t2 определяемых зоной нечувствительности регулятора. Средняя мощность печи зависит от соотношения интервалов времени ее включенного состояния 1 и выключенного состояния 2. По мере прогрева печи и загрузки кривая нагрева печи будет идти круче, а кривая остывания печи - положе, поэтому отношение периодов цикла 1 и 2 будет уменьшаться, а следовательно, будет падать и средняя мощность Рср. При двухпозиционном регулировании средняя мощность печи все время приводится в соответствие с мощностью, необходимой для поддержания постоянной температуры.

Зона нечувствительности современных терморегуляторов может быть сделана весьма малой и доведена до 0,1 ч 0,2 °С. Однако действительные колебания температуры печи могут быть во много раз большими из-за динамического запаздывания в системе регулятор - печь. Основным источником этого запаздывания является инерция датчика - термопары, особенно если она снабжена двумя защитными чехлами: керамическим и металлическим. Чем больше это запаздывание, тем больше колебания температуры нагревателя превышают зону нечувствительности регулятора. Кроме того, амплитуды этих колебаний очень сильно зависят от избытка мощности печи. Чем больше мощность включения печи превышает среднюю мощность, тем больше эти колебания.

Колебания температуры нагревателей при двухпозиционном регулировании велики, так как масса и тепловая инерция нагревателей сравнительно малы. В других расположенных в камере печи элементах колебания температуры меньше, особенно у теплотехнически массивных тел, у которых падающий на поверхность тепловой поток, излучаемый нагревателями, интенсивно поглощается телом, что ограничивает повышение температуры поверхности. Вследствие этого теплотехнически массивная загрузка печи не испытывает значительных колебаний температуры. Однако колебания температуры загрузки значительны и вредны, если эта загрузка теплотехнически тонкая, например тонкая лента или проволока. Так, в протяжных печах для нагрева ленты или проволоки при двухпозиционном регулировании будет наблюдаться неравномерный (полосатый) нагрев. При больших скоростях одни участки ленты пройдут через печь в период, когда ее нагреватели будут включены, другие - во время их отключения; ясно, что первые участки в результате будут нагреты больше, чем вторые.

Для того чтобы свести до минимума такие колебания температуры загрузки, необходимо повысить чувствительность регулирующего прибора, уменьшить инерцию (постоянную времени) датчика и запас мощности. Как уже говорилось, чувствительность современных автоматических потенциометров очень высока и может удовлетворить любые требования. Инерция датчика, наоборот, велика. Так, стандартная термопара в фарфоровом наконечнике с защитным чехлом имеет запаздывание около 20 ч 60 с. Поэтому в тех случаях, когда колебания температуры недопустимы, в качестве датчиков применяют незащищенные термоэлементы с открытым концом. Это, однако, не всегда возможно ввиду возможных механических повреждений датчика, а также попадания в приборы через термоэлемент токов утечки, вызывающих неправильную их работу. Можно достичь уменьшения запаса мощности, если печь не включать и выключать, а переключать с одной ступени мощности на другую, причем высшая ступень должна быть лишь ненамного больше потребляемой печью мощности, а низшая - ненамного меньше. В этом случае кривые нагрева печи и ее остывания будут очень пологими, а температура почти не будет выходить за пределы зоны нечувствительности прибора.

Для того чтобы осуществить такое переключение с одной ступени мощности на другую, необходимо иметь возможность плавно или ступенями регулировать мощность печи. Такое регулирование может быть осуществлено одним из следующих способов:

- переключением нагревателей печи, например, с «треугольника» на «звезду». Такое весьма грубое регулирование связано с нарушением равномерности температуры и применяется лишь в бытовых электронагревательных приборах;

- включением последовательно с печью регулируемого активного или реактивного сопротивления. Этот способ связан с очень большими потерями энергии или снижением коэффициента мощности установки;

- питанием печи через регулировочный трансформатор или автотрансформатор с переключением печи на разные ступени напряжения. Здесь регулирование также ступенчатое и сравнительно грубое, так как регулируется питающее напряжение, а мощность печи пропорциональна квадрату этого напряжения. Кроме того, имеют место дополнительные потери (в трансформаторе) и снижение коэффициента мощности;

- фазовым регулированием с помощью полупроводниковых приборов. В этом случае питание печи осуществляется через тиристоры, угол включения которых изменяется системой управления. Таким путем можно получить плавное регулирование мощности печи в широких пределах почти без дополнительных потерь, используя непрерывные методы регулирования - пропорциональный, интегральный, пропорционально-интегральный. В соответствии с этими методами для каждого момента времени должно выполняться соответствие поглощаемой печью мощности и мощности, выделяемой в печи.

Приборное оформление, настройка и эксплуатация, систем непрерывного автоматического регулирования температурного режима намного сложнее, чем при позиционном методе. Кроме того, всякие изменения этой мощности (открытие дверцы, повышенные потери, изменение параметров нагреваемых деталей в печах непрерывного действия) вызывают колебательные переходные режимы, в течение которых меняется и регулируемая температура.

Техника безопасности для всех видов печей сопротивления основывается прежде всего на правилах и мерах безопасности, применяемых к цеховому электрооборудованию, работающему при напряжении до 1000 В. Исключение составляют электродные высоковольтные электроводоподогреватели, которые относятся к группе высоковольтного электрооборудования.

Основные меры безопасности от поражения током при эксплуатации электрических печей сводятся к следующему:

- токоведущие части, выходящие за пределы кладки (выводы нагревателей, токопроводы к электродам, контактам), должны быть ограждены так, чтобы исключить возможность прикосновения к ним;

- кожухи печей и нагревательных устройств должны быть надежно заземлены;

- открывание загрузочных проемов и осуществление загрузки и выгрузки изделий в печах садочного типа не допускаются при включенных нагревателях: в схемах питания должна быть предусмотрена блокировка, автоматически отключающая нагреватели при открывании дверец или крышек печи.

Эксплуатация печей сопротивления создает в цехах, где они установлены, повышенную пожароопасность и опасность ожогов обслуживающего персонала. При проектировании помещений и монтаже в них электропечей необходимо соблюдение общих правил, сформулированных в руководящих указаниях по технике безопасности и производственной санитарии при термической обработке и плавке металлов.

Основные специфические противопожарные мероприятия и правила следующие:

- работа персонала у печей допускается только в спецодежде, рукавицах и очках для работы на плавильных печах и соляных ваннах;

- в непосредственной близости к печам должен быть оборудован пункт хранения противопожарного инвентаря;

- в цехах, эксплуатирующих электрические печи, должно быть предусмотрено аварийное освещение на случай внезапного прекращения подачи энергии.

В электропечах вакуумных и работающих с контролируемыми (защитными или специальными) атмосферами имеется опасность взрыва.

В вакуумных электропечах взрыв возможен при попадании в зону высоких температур воды, масла и других разлагающихся веществ вместе с воздухом'. В печах с защитными или специальными атмосферами опасность взрыва связана с образованием гозовоздушной смеси.

Практически взрывоопасны все горючие газы, но особую опасность представляет водород. Водородовоздушная смесь взрывоопасна при содержании в ней водорода от 4 до 74 %.

Взрывобезопасность вакуумных печей в основном обеспечивается при их конструировании путем повышения надежности элементов конструкции.

При эксплуатации печей с контролируемыми атмосферами необходимо принимать специальные меры безопасности. Каждая печь должна иметь разработанную для данного технологического процесса инструкцию по технике безопасности, где следует учитывать, что газовые смеси, содержащие окись углерода, сернистый газ, аммиак и сероводород, не только взрывоопасны, но и токсичны.

Содержание этих газов в производственных помещениях не должно превышать 0,01 ч 0,03 мг на 1 л воздуха.

Основные правила по взрывобезопасности печей, работающих с горючими газами, следующие:

- перед началом работы из рабочего объема печи должен быть удален воздух (продувкой, выжиганием, вакуумированием). Продувка нейтральным газом (азотом, углекислотой) перед включением нагревателей до полного удаления воздуха требует расхода нейтрального газа, примерно равного четырехкратному объему рабочего пространства печи. Выжигание воздуха подачей рабочего газа в нагретую выше 750° С камеру печи допускается для печей, имеющих нагреватели, не окисляющиеся на воздухе. Выжигание производится до полного удаления кислорода. Вакуумирование рабочего объема перед подачей газа требует наличия вакуумной системы, обеспечивающей остаточное давление порядка 10 ч 50 Па;

- в процессе работы печи подача газа должна контролироваться по количеству и составу автоматическими приборами; кроме того, камеры печей с горючими газами снабжаются свечами - узкими трубками, из которых выходит газ, сгорающий на воздухе. Исчезновение пламени свечи указывает на снижение давления газа в печи и возможный опасный засос воздуха;

- эксплуатация электрических печей и вспомогательных устройств в неисправном состоянии не допускается;

- к работе на печах допускается персонал, прошедший специальное обучение и сдавший экзамен по технике безопасности. Экзамен по технике безопасности сдается ежегодно.

Цеха или отделения цехов, где установлены электрические печи сопротивления, должны иметь вентиляцию, рассчитанную на удаление газов и отвод тепловых потерь, чтобы обеспечить требуемые по санитарным нормам чистоту и температуру воздуха.

4. Описание лабораторного стенда

Исследования проводятся на лабораторном стенде, электрическая схема которого представлена на рисунке 4.1.

Лабораторная установка состоит из муфельной электрической печи сопротивления типа МП-2У, измерительных приборов, аппаратуры контроля и сигнализации. В качестве регулятора, работающего по двухпозиционному принципу используется прибор КСП-1, позволяющий поддерживать заданную температуру в камере печи. Контроль за изменением температуры осуществляется с помощью хромель-алюмелевого термоэлемента (термопары). Мощность, потребляемая установкой, определяется по прибору типа Н-393 (скорость движения ленты - 60 мм/ч). Включение и отключение нагревателя печи фиксируется сигнальными лампами HL2 и HL3, расположенными на лицевой панели стенда. О включенном состоянии лабораторной установки сигнализирует лампа HL1.

5. Инструкция по выполнению эксперимента

Эксперимент необходимо выполнять в следующей последовательности:

а) подать напряжение на лабораторную установку, включив автоматический выключатель QF. При этом загорится сигнальная лампа HL1. Автоматически начинается разогрев печи (горит сигнальная лампа HL2);

б) записать в таблицу 5.1 показания измерительных приборов;

в) при отключении печи (горит сигнальная лампа HL3) определить время, прошедшее с момента ее включения до момента отключения с помощью диаграммной ленты прибора РА1;

г) без изменения режима работы печи фиксировать моменты включения и отключения печи в течение всего времени проведения эксперимента;

д) по окончании проведения эксперимента снять питание с лабораторной установки, отключив автоматический выключатель QF.

Таблица 5.1

Время нахождения печи во включенном состоянии вкл , мин	Время нахождения печи в отключенном состоянии отк, мин	Температура печи Т,С	Средняя мощность печи Рср, Вт за время ц



Рисунок 4.1 Электрическая схема лабораторной установки

6. Указания по обработке результатов эксперимента

При обработке результатов эксперимента необходимо руководствоваться следующей методикой:

а) время цикла печи определяется по формуле

ц = вкл + отк,

где вкл, отк - время нахождения печи во включенном и отключенном состоянии соответственно, мин.

б) средняя мощность печи Рср, Вт за время ц определяется по формуле

,

где Рн - номинальная мощность печи, Вт.

в) суммарная средняя мощность печи Рср, Вт печи за время цикла определяется как

.

г) построить графическую зависимость изменения мощности печи от времени Р = f(). На графике показать также изменение средней мощности печи.

д) построить графическую зависимость изменения температуры печи от времени t = f().

7. Вопросы для защиты выполненной работы

а) Объяснить принцип двухпозиционного регулирования температуры в электрической печи сопротивления.

б) Чем вызваны колебания температуры нагревателей при двухпозиционном регулировании? Что необходимо предпринять, для того, чтобы уменьшить их амплитуду?

в) Какими способами можно достичь уменьшения мощности, потребляемой печью?

г) Пояснить графическую зависимость изменения мощности печи от времени.

е) Техника безопасности при эксплуатации электрических печей сопротивления.

8. Указания по оформлению отчета

Отчет по работе должен содержать:

а) цель работы;

б) электрическую схему лабораторной установки;

г) таблицу с результатами эксперимента;

е) расчетные значения величин, необходимые для построения графических зависимостей;

д) графические зависимости Р = f() и t = f().

С более подробными сведениями по теме лабораторной работы можно ознакомиться в:

[1] - c. 37-94; [2] - c. 32-43; [3] - c. 175-199.

Лабораторная работа № 2. Исследование характеристик сварочного трансформатора

1. Цель работы

Изучение конструкции, принципа действия и режимов работы электросварочного аппарата ТС-300.

В соответствии с этой целью рабочее задание заключается в следующем:

а) изучить электрическую схему установки, порядок практического выполнения работы;

б) провести эксперимент в соответствии с п.5;

в) провести обработку результатов эксперимента, используя указания п.6;

г) оформить отчет о проведенной работе.

2. Контрольные вопросы для собеседования перед выполнением работы

а) цель работы и постановка задачи;

б) размещение силового и контрольно-измерительного оборудования лабораторной установки;

в) схема силовых цепей и цепей управления установкой;

г) порядок проведения эксперимента.

3. Теоретические сведения

Сварка - технологический процесс получения неразъемного соединения у однородных или разнородных металлов или сплавов, способное работать при заданном давлении, среде, температуре и знакопеременных нагрузках.

В зависимости от технологического процесса (марки свариваемого материала и типа покрытия электрода) сварочные работы выполняются на переменном или на постоянном токе.

Питание сварочных постов на переменном токе осуществляется от специальных сварочных трансформаторов, а постоянным током - от преобразователей и выпрямителей.

Сварочные трансформаторы делятся на трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием (с отдельной реактивной катушкой и на общем сердечнике) и увеличенным магнитным рассеянием (с подвижным магнитным шунтом и подвижными обмотками).

В настоящее время при ручной дуговой сварке получили широкое распространение трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием и подвижными обмотками. К ним относятся сварочные трансформаторы типа ТС, ТСК и ТД. Они имеют повышенную индуктивность рассеяния и выполняются однофазными, стержневого типа, в однокорпусном исполнении. В таблице 3.1 представлены технические характеристики трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием и подвижными обмотками.

Таблица 3.1

Характеристика	Тип трансформатора
	ТС-120	ТС-300	ТС-500	ТСК-300	ТСК-500	ТД-300
Напряжение холостого хода, В	68	63	60	63	60	61; 79
Номинальный сварочный ток, А	120	300	500	300	500	300
Номинальная мощность, кВА	9	20	32	20	32	20
Габаритные размеры, мм:
Длина	650	760	840	760	840	692
Ширина	340	520	576	520	576	620
Высота	800	970	1060	970	1060	710
Масса, кг	90	180	250	215	280	137

Катушки первичной обмотки такого трансформатора неподвижные и закреплены у нижнего ярма, катушки вторичной обмотки подвижные. Величину сварочного тока регулируют изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Наибольшая величина сварочного тока достигается при сближении катушек, наименьшая - при удалении. С ходовым винтом 5 связан указатель примерной величины сварочного тока (рисунок 3.1), Точность показаний шкалы составляет 7,5% от значения максимального тока. Отклонения величины тока зависят от подводимого напряжения и длины сварочной дуги. Для более точного замера сварочного тока должен применяться амперметр.

Рисунок 3.1 Конструктивная схема трансформатора ТСК-500: 1 - сетевые зажимы для проводов; 2 - сердечник; 3 - рукоятка для регулирования тока; 4 - зажимы для подсоединения проводов; 5 - ходовой винт; 6 - катушка вторичной обмотки; 7 - катушка первичной обмотки; 8 - компенсирующий конденсатор

При повороте рукоятки 3 трансформатора по часовой стрелке катушки обмотки 6 и 7 сближаются, вследствие чего магнитное рассеяние и вызываемое им индуктивное сопротивление обмоток уменьшаются, а величина сварочного тока увеличивается. При повороте рукоятки против часовой стрелки катушки вторичной обмотки удаляются от катушек первичной обмотки, магнитное рассеяние увеличивается, и величина сварочного тока уменьшается.

Трансформаторы снабжены емкостными фильтрами, предназначенными для снижения помех радиоприему, создаваемых при сварке. Трансформаторы типа ТСК отличаются от трансформаторов типа ТС наличием компенсирующих конденсаторов 8, подключаемых параллельно первичной обмотке, обеспечивающих повышение коэффициента мощности.

Требования к источникам питания для дуговой сварки. Основным свойством источника питания является его внешняя характеристика, представляющая собой зависимость напряжения источника от тока нагрузки. Сварочная дуга, являющаяся потребителем тока, в свою очередь характеризуется определенной зависимостью напряжения на дуговом промежутке от сварочного тока (статическая характеристика дуги).

Рисунок 3.2 Электрическая схема трансформатора ТСК-500

Для устойчивого горения дуги необходимо соответствие формы внешней характеристики источника питания форме статической характеристики дуги. В случае однопостовой сварки источником питания дуги обычно является специальный сварочный генератор постоянного тока или сварочный трансформатор. При многопостовой дуговой сварке под источником питания дуги подразумевают совокупность общего источника питания (генератора постоянного тока, выпрямительной установки или трансформатора) с регулятором тока отдельного сварочного поста в виде балластного реостата при сварке на постоянном токе или реактора (дросселя) при сварке на переменном токе.

Внешняя характеристика источника питания может быть падающей, жесткой или возрастающей.

Для ручной дуговой сварки при жесткой статической характеристике дуги (рисунок 3.3, кривая 1) внешняя характеристика источника питания должна быть круто падающей (кривая 2). Чем больше крутизна в рабочей части внешней характеристики источника питания (точка К), тем меньше колебания тока при изменениях длины дуги. При падающей характеристике напряжение холостого хода источника питания значительно превышает необходимое рабочее напряжение дуги, что облегчает первоначальное и повторные зажигания дуги, особенно при сварке на переменном токе. Круто падающая характеристика, помимо того, обеспечивает существенное ограничение тока короткого замыкания, который по отношению к рабочему сварочному току обычно находится в пределах 1,25 Ik/Iр 2.

Рисунок 3.3 Внешние характеристики источника питания 2 и 3 при жесткой характеристике дуги 1

При автоматической дуговой сварке под слоем флюса с жесткой статической характеристикой дуги внешняя характеристика источника питания может быть круто падающей (такая характеристика предпочтительна при автоматическом регулировании напряжения на дуге) или полого падающей (кривая 3), что повышает интенсивность саморегулирования дуги.

В особом случае дуговой сварки в среде защитных газов на постоянном токе при большой плотности тока в электроде имеет место возрастающая статическая характеристика дуги. В этом случае внешняя характеристика источника может быть жесткой и даже слегка возрастающей, что обеспечивает большую интенсивность саморегулирования электрической дуги.

Таким образом, первым требованием к источнику питания сварочной установки является соответствие внешней характеристики источника статической характеристике дуги.

Второе требование заключается в том, что напряжение холостого хода источника должно быть выше напряжения зажигания дуги. При сварке постоянным током металлическим электродом напряжение зажигания составляет 30 - 40 В, а для угольного электрода оно повышается до 45 - 55 В. При сварке переменным током напряжение зажигания составляет 50 - 60 В.

Третье требование состоит в том, что источник должен позволять регулировать сварочный ток.

Для каждой толщины свариваемых деталей требуется различная тепловая мощность сварочной дуги, следовательно, и различный сварочный ток, причем сварка должна производиться при оптимальной длине дуги, которой соответствует ее определенное напряжение. Для этого источник сварочного тока должен обеспечивать возможность получения серии внешних характеристик. Тогда в зависимости от требуемого сварочного тока можно работать на той или иной внешней характеристике и получать необходимую длину дуги.

Кроме перечисленных основных требований, общих для всех источников сварочного тока, к сварочным генераторам постоянного тока предъявляются дополнительные требования в отношении динамических свойств, т. е. способности источника быстро восстанавливать на дуговом промежутке напряжение, соответствующее изменившемуся току. В частности, при обрыве дуги напряжение должно быстро восстанавливаться до напряжения холостого хода, а при коротком замыкании напряжение должно быстро спадать до нуля. Время восстановления напряжения от нуля до напряжения дуги у сварочных генераторов не должно превышать 0,03 с.

Режим работы сварочного оборудования. Сварочные машины и аппараты обычно характеризуются специфическим режимом повторно-кратковременной нагрузки, обусловленным рабочим процессом сварки. Источник сварочного тока нагружается током только во время горения дуги. При ручной дуговой сварке максимальная длительность горения дуги определяется временем расплавления одного электрода. Минимальная длительность перерыва в горении дуги определяется временем замены электрода и повторного зажигания дуги. Помимо замены электродов перерывы в горении дуги вызываются необходимостью перестановки свариваемых деталей или передвижения сварщика с электрододержателем (а иногда и со сварочным аппаратом) к новому участку сварки.

При эксплуатации сварочного оборудования необходимо, чтобы условия нагрузки соответствовали возможностям источника сварочного тока, так как длительная перегрузка сверх допустимых токов может вывести из строя сварочное оборудование.

Повторно-кратковременный режим работы оборудования, помимо тока нагрузки, характеризуется длительностью включенного состояния t1 и перерыва t2. Отношение t1/(tl + t2), выражаемое обычно в процентах, называется продолжительностью кратковременной работы (ПР) или продолжительностью включения (ПВ). Если в паспорте сварочного оборудования обозначен ток 250 А при ПВ = 50%, то это означает, что при токе 250 А можно работать при отношении t1/(tl - t2) не более 0,5.

Общая длительность цикла tц = tl + t2 при допустимой ПР не может быть произвольной, так как на температуру обмоток непосредственно влияет абсолютное значение длительности включения tl. Поэтому, кроме ПР, в паспорте сварочного оборудования обязательно оговаривается максимальная длительность цикла tц.

Номинальным режимом работы однопостовых источников тока для обычной дуговой сварки, как правило, является режим с ПР = 60 или 65% при длительности цикла 5 мин. Источник тока для многопостовой дуговой сварки рассчитываются на режим работы с ПР = 100%.

Источники тока для автоматической дуговой сварки обычно имеют номинальный режим с ПР, равной 50 или 60 % при длительности цикла 10 минут.

Технико-экономическое сопоставление электрической сварки на постоянном и переменном токе говорит о том, что в тех случаях, когда сварка на переменном токе обеспечивает необходимое качество соединения, она обладает существенным преимуществом перед сваркой на постоянном токе. Основными причинами этого являются:

- меньшая стоимость источника сварочного тока, питаемого непосредственно от сети переменного тока, и соответственно меньшие амортизационные затраты на единицу свариваемой продукции;

- простота устройства и высокая степень надежности работы сварочного оборудования переменного тока обусловливают меньшие эксплуатационные расходы на его обслуживание и ремонт;

- меньший расход электроэнергии на единицу свариваемой продукции.

Техника безопасности при производстве сварочных работ. Основными видами опасности в процессе эксплуатации электросварочного оборудования являются:

- опасность поражения электрическим током;

- опасность излучения открытой сварочной дуги;

- опасность ожогов;

- опасность отравления токсичными газами и парами;

- взрывоопасность при работе с горючими газами и парами;

- опасность травматизма при сварке на высоте;

- пожарная опасность.

Перечисленные виды опасности касаются не только прямых исполнителей сварочных работ, но и персонала, работающего вблизи сварочных установок.

Опасность поражения электрическим током возникает как при непосредственном соприкосновении с находящимися под напряжением токоведущими частями установки, так и при касании металлических частей оборудования, случайно оказавшихся под напряжением вследствие повреждения изоляции. Наибольшую опасность представляет первичное напряжение агрегатов для сварки постоянным током и сварочных трансформаторов, которое обычно составляет 220 или 380 В. Вторичное напряжение холостого хода, обычно не превышающее в установках дуговой сварки 80 В, является значительно менее опасным, однако при некоторых условиях прикосновение к токоведущим частям вторичной цепи может вызвать тяжелое поражение; например, в результате нарушения изоляции расположенных в непосредственной близости первичной и вторичной обмоток сварочного трансформатора сварочная цепь может оказаться под потенциалом первичной цепи. Кроме того, даже напряжение 65 - 80 В может оказаться опасным для человека в сыром помещении, если обувь не обеспечивает надежной электрической изоляции от земли. В особо влажных местах сварщик должен работать в резиновых сапогах.

Металлические части сварочного оборудования, нормально не находящиеся под напряжением, но могущие оказаться под напряжением при нарушении электрической изоляции, должны заземляться согласно требованиям Правил устройства электроустановок. Необходимо также заземлять тот вывод обмотки сварочного трансформатора, который соединяется со свариваемым изделием.

Передвижные сварочные установки до включения их в сеть обязательно заземляют; заземление снимается только после окончания работ. Заземляющий провод или шина вначале присоединяется к магистрали заземления, а затем к сварочному оборудованию. Снятие заземления производится в обратном порядке.

Одной из главных причин нарушения изоляции обмоток сварочного оборудования и проводов является их чрезмерная перегрузка по току. Сечение проводов и плавких вставок предохранителей должно соответствовать сварочному току. Предохранители с излишне большими сечениями плавких вставок могут явиться причиной повреждений сварочного оборудования и пожаров.

Излучение сварочной дуги. Сварочная дуга является мощным источником излучений с различными длинами волн, в разной степени влияющих на человека, особенно на его зрение. Дуга излучает видимый свет, а также невидимый ультрафиолетовый и инфракрасный. Длительное облучение инфракрасными лучами может вызвать общую потерю зрения. При правильном подборе защитных стекол инфракрасные лучи полностью поглощаются. Видимые световые лучи при кратковременном облучении действуют ослепляюще, а при длительном вызывают ослабление зрения.

Ультрафиолетовые лучи даже при кратковременном облучении (в течение нескольких минут) вызывают заболевание глаз, называемое светобоязнью и сопровождаемое острой болью и слезотечением. Обычно светобоязнь проходит через 2 - 3 дня, не оставляя вредных последствий. Длительное облучение (в течение нескольких часов) вызывает ожоги кожи подобно солнечным.

Успокаивающее действие на обожженные глаза оказывают холодные примочки, затемнение помещения и глазные цинковые капли; при сильных ожогах необходима немедленная помощь врача.

Для защиты от воздействия лучей дуги сварщики и их подручные, а также работающие со сварщиками сборщики должны надевать на руки брезентовые рукавицы, а лицо и шею закрывать специальным шлемом или щитком. В лицевой части щитка или шлема имеется прямоугольный вырез, в который вставляется светофильтр в виде пластинки из темного стекла типа ЭС, который задерживает ультрафиолетовые лучи полностью, а инфракрасные - по меньшей мере на 99 %.

При работе с открытой дугой при сварочном токе от 100 до 500 А применяются светофильтры различной плотности: ЭС-100 (наибольшей прозрачности), ЭС-300 (средней прозрачности) и ЭС-500 (наименьшей прозрачности). Подручные сварщика и другие работающие рядом со сварщиком должны носить очки шоферского типа со стеклами типа ГС-3 или ГС-7, предназначенный для газосварщиков (стекла ГС-3 и ГС-7, будучи непрозрачными для ультрафиолетовых лучей, пропускают соответственно 3 и 4 % инфракрасных лучей).

С наружной стороны щитка и шлема дополнительно вставляется прозрачное стекло для предохранения светофильтра от брызг расплавленного металла и шлака.

Опасность ожогов. Для защиты сварщика и его подручных от брызг расплавленного металла и шлака служит спецодежда из брезента. В целях повышения устойчивости брезентовой и льняной спецодежды против прожигания ее искрами и каплями расплавленного металла целесообразно пропитывать ткань специальными составами, повышающими ее огнестойкость.

Незастегнутая спецодежда, распущенные волосы, торчащий галстук или концы платка могут загореться от искры или капли шлака и привести к ожогу. Брюки должны надеваться навыпуск и прикрывать верх ботинок, а карманы куртки следует закрывать клапанами.

При контактной стыковой сварке с оплавлением должны приниматься те же меры предосторожности от ожогов, как и при дуговой сварке открытой дугой.

При всех способах контактной сварки работающий на машине сварщик должен иметь очки с простыми стеклами для защиты глаз от искр и брызг расплавленного металла.

Опасность отравления токсичными газами и парами. При дуговой сварке качественными электродами с толстым слоем обмазки, содержащей марганец и органические вещества (крахмал, декстрин и др.), воздух загрязняется парами всех составных частей электродов и окислов, а также продуктами сгорания органических веществ. Значительное количество вредных газов, а также пыли выделяется и при автоматической дуговой сварке под слоем флюса. В частности, применение флюса ОСЦ-45 сопровождается выделением токсичного газа - фтористого кремния.

В местах производства сварочных работ должна предусматриваться вентиляция для удаления загрязненного воздуха. Особенно важное значение имеет вентиляция при сварке цветных металлов. При сварке массивных деталей из цветных металлов и чугуна с предварительным подогревом мощными газовыми горелками выделяется окись углерода.

Сварка латуни сопровождается выделением значительного количества токсичных паров цинка, ввиду чего требуется дополнительная защита органов дыхания сварщика.

Взрывоопасность. Основными причинами возникновения опасности взрывов в электросварочных установках могут явиться:

- нарушение правил эксплуатации сварочных установок с применением различного рода газов;

- производство сварочных работ во взрывоопасных помещениях; нарушение правил сварки при ремонтах сосудов высокого давления, а также сосудов из-под горючих жидкостей.

При некоторых видах дуговой сварки применяются газы, поступающие к сварочным установкам в баллонах под высоким давлением. Независимо от вида газа (нейтральный или горючий) при работе с газовыми баллонами необходимо руководствоваться соответствующими правилами Госгортехнадзора. Производство сварочных работ во взрывоопасных помещениях, как правило, запрещается. В отдельных случаях при необходимости сварка в таких помещениях может производиться с соблюдением особых мер предосторожности по согласованию со службой техники безопасности предприятия.

При ремонтах сосудов из-под горючих жидкостей перед производством сварочных работ сосуды должны быть тщательно промыты и протерты для полного удаления из них остатков горючего. Промывка сосудов обычно производится водным раствором каустик ческой соды или тринатрийфосфата.

При дуговой сварке внутри металлических резервуаров необходимо обеспечить сварщиков резиновыми изолирующими ковриками на войлочной или иной подкладке, резиновыми шлемами и спецодеждой с резиновыми подлокотниками и наколенниками. Целесообразно применение специальных электрододержателей с блокировкой, не позволяющей сменить электрод без снятия напряжения.

Опасность травматизма при сварке на высоте. Во время работ на подвесных устройствах сварщику необходимо принимать специальные меры безопасности. При работе на высоте сварщик должен надеть пожарный пояс с карабином и привязаться. Для предупреждения травматизма находящихся внизу людей от падающих капель расплавленного металла и шлака, а также от возможного падения металлических предметов под местом сварки должен устраиваться плотный помост, покрытый кровельным железом или асбестовым картоном.

Настилы лесов и подмостков при расположении их на высоте более 1,5 м от уровня земли должны ограждаться барьерами высотой не менее 1 м с бортами внизу высотой не менее 180 мм.

Пожарная опасность. Электрическая сварка открытой дугой, а также контактная электросварка с оплавлением сопровождаются брызгами расплавленного металла и шлака, которые могут разлетаться на большие расстояния и вызывать пожарную опасность. Работы с применением таких видов сварки должны проводиться в помещениях, сооруженных из негорючих материалов или защищенных от возгорания штукатуркой, огнестойкой краской и другими средствами. Вблизи мест сварки не допускается скопление легковоспламеняющихся материалов, например жидкого топлива, масел, обтирочной ветоши.

Сварочные участки должны быть оснащены средствами пожаротушения (бочка с водой, ящик с песком и лопаты, а также ручной огнетушитель). Пожарные краны, рукава, стволы, огнетушители, песок и другие средства пожаротушения необходимо содержать в исправности и хранить в определенных местах по согласованию с органами пожарного надзора.

По окончании сварочных работ необходимо дополнительно убедиться в отсутствии возможности возгорания, которое может возникнуть впоследствии в помещении в результате малозаметного тления того или иного горючего вещества.

4. Описание лабораторного стенда

Исследования проводятся на лабораторном стенде, принципиальная схема которого представлена на рисунке 4.1.

Лабораторная установка состоит из сварочного трансформатора типа ТС-300, блока нагрузочных сопротивлений, имитирующих различные режимы работы, аппаратуры управления, сигнализации и измерительных приборов.

Перемещение вторичной обмотки трансформатора вверх по магнитопроводу осуществляется с помощью электродвигателя MS при нажатом кнопочном выключателе SB3, вниз - при нажатом SB4.

Нагрузочные сопротивления R1 и R2 подключаются кнопочными выключателями SB6 и SB7. Для осуществления режима короткого замыкания включается SB8.

Ток первичной и вторичной цепей сварочного трансформатора контролируется амперметрами РА1 и РА2 соответственно. Напряжение вторичной цепи - вольтметром РV2.

Для предотвращения возможности перегрева и выхода из строя вторичной обмотки трансформатора в режиме короткого замыкания, предусмотрено реле времени КТ, которое с выдержкой времени размыкает свой контакт в цепи управления, прерывая, тем самым, данный режим.

5. Инструкция по выполнению эксперимента

Эксперимент необходимо выполнять в следующей последовательности:

подать напряжение на лабораторную установку, включив автоматический выключатель QF. При этом загорится сигнальная лампа HL1;

б) переместить вторичную обмотку трансформатора в крайнее верхнее положение, нажав кнопочный выключатель SB3. Для фиксации вторичной обмотки нажать SB5;

в) подать напряжение на первичную обмотку трансформатора, для чего нажать кнопочный выключатель SB1. При этом загорится сигнальная лампа HL2;

г) записать показания измерительных приборов в таблицу 5.1 в режиме холостого хода;

д) исследовать работу сварочного трансформатора под нагрузкой, для чего последовательно подключать нагрузочные сопротивления кнопочными выключателями SB6 и SB7. После каждого нажатия кнопочного выключателя записывать показания измерительных приборов;

е) нажать кнопочный выключатель SB8 (режим короткого замыкания). Записать показания измерительных приборов;

ж) снять напряжение с первичной обмотки трансформатора, нажав кнопочный выключатель SB2;

з) переместить вторичную обмотку трансформатора по магнитопроводу в среднее положение, нажав SB4;

и) повторить эксперимент с пункта в) по пункт е);

к) переместить вторичную обмотку трансформатора по магнитопроводу в нижнее положение, нажав SB4;



Рисунок 4.1 Электрическая схема лабораторной установки л) повторить эксперимент с пункта в) по пункт е); м) по окончании работы отключить установку автоматическим выключателем QF.

Таблица 5.1

Положение вторичной обмотки	Показания приборов
	Режим холостого хода	Нагрузочные режимы	Режим КЗ
		Включен SB6	Включен SB7	Включен SB8
	U2 , В	I2 , А	U2 , В	I2 , А	U2 , В	I2 , А	U2 , В	I2 , А
Верхнее
Среднее
Нижнее

6. Указания по обработке результатов эксперимента

На основании экспериментальных данных построить графическую зависимость изменения напряжения источника U от тока нагрузки I (внешние характеристики) сварочного трансформатора для трех положений вторичной обмотки: верхнего, среднего, нижнего).

7. Вопросы для защиты выполненной работы

а) Конструкция и принцип регулирования вторичного тока сварочного аппарата ТС-300.

б) Почему внешняя характеристика должна иметь круто падающий характер? Что необходимо предпринять для обеспечения этого?

в) Требования к источникам питания для дуговой сварки.

г) Режим работы сварочного оборудования.

д) Технико-экономическое сопоставление электрической сварки на постоянном и переменном токе.

е) Техника безопасности при проведении сварочных работ.

8. Указания по оформлению отчета

Отчет по работе должен содержать:

а) цель работы;

б) электрическую схему установки;

г) таблицу с результатами эксперимента;

д) графическую зависимость U2 =f(I2).

С более подробными сведениями по теме лабораторной работы можно ознакомиться в: [1] - c. 256-321; [2] - c. 190-214.

Лабораторная работа № 3. Исследование энергетических параметров установки СВЧ нагрева

1. Цель работы

Изучение конструкции, принципа действия установки сверхвысокочастотного (СВЧ) нагрева, определение влияния степени заполнения рабочей камеры установки на ее энергетический режим работы.

В соответствии с этой целью рабочее задание заключается в следующем:

а) изучить электрическую схему установки СВЧ нагрева порядок практического выполнения работы;

б) провести эксперимент в соответствии с п.5;

в) по методике п.6 провести обработку результатов эксперимента;

г) оформить отчет о проведенной работе.

2. Контрольные вопросы для собеседования перед выполнением работы

а) цель работы и постановка задачи;

б) размещение силового и контрольно-измерительного оборудования лабораторной установки СВЧ нагрева;

в) схема управления установкой;

г) порядок проведения эксперимента.

3. Краткие теоретические сведения

Нагрев диэлектрических материалов в электрическом поле сверхвысоких частот - СВЧ нагрев - получил широкое распространение как в нашей стране, так и за рубежом.

Основным преимуществом применения энергии СВЧ для нагрева диэлектрических материалов перед высокочастотным нагревом в диапазоне метровых волн (высокочастотный нагрев материала в рабочем конденсаторе) является то, что одни и те же значения удельной мощности в материале при нагреве СВЧ могут быть получены при значительно меньших значениях напряженности поля. При СВЧ нагреве менее строгие требования предъявляются к конфигурации и однородности продукта. Оборудование СВЧ нагрева имеет значительно меньшие линейные размеры.

Для целей электротермии в диапазоне СВЧ выделены частоты: (915, 2375, 2450) 2 % МГц.

В качестве генератора СВЧ колебаний используются магнетроны непрерывного действия, выпускаемые на мощности от 0,1 до нескольких десятков киловатт. Установки СВЧ нагрева широко используются для тепловой обработки влажных материалов (сушка асбестового волокна и асбестовой руды, сушка волокна и тканей в текстильной промышленности и т.д.), для теплового стимулирования ряда химических процессов и сварки материалов с малым фактором потерь (tg ), для размораживания и приготовления продуктов питания.

В комплект установки СВЧ нагрева входят блок питания, генератор СВЧ энергии, в качестве которого используют магнетрон, волновод. Нагрев обрабатываемого материала осуществляется в полом резонаторе (камере).

Блок питания включает в себя силовой трансформатор и полупроводниковый выпрямитель. Для питания магнетронов используется постоянное напряжение 1000 3000 В. Питание установки СВЧ нагрева осуществляется, как правило, от однофазной или трехфазной сети переменного тока напряжением 220/380 В. В блок питания могут входить дополнительные устройства для регулирования анодного напряжения. Коэффициент полезного действия блока питания достаточно высок ( = 0,82 0,92) и зависит, главным образом, от устройства полупроводникового преобразователя.

Естественный коэффициент мощности блока питания определяется параметрами полупроводникового преобразователя и в большинстве промышленных установок составляет значение 0,8 0,93. Применение устройств регулирования анодного напряжения магнетрона приводит к снижению и Cos как блока питания, так и установки в целом.

Следует отметить, что при работе блока питания установки СВЧ нагрева, в питающую сеть могут проникать высшие гармонические составляющие тока. Однако их влияние на систему электроснабжения незначительно, так как мощность установок СВЧ нагрева не превышает нескольких десятков киловатт.

Магнетроном называется генераторный, вакуумный, двухэлектродный прибор СВЧ, в котором движение электронов происходит в скрещенных электрическом и магнитном полях. Перед тем как ознакомиться с работой магнетрона, необходимо вспомнить законы взаимодействия электронов с электрическим и магнитным полями.

Движение электронов в электрическом поле. На рисунке 3.1 показаны три основных случая движения одиночного электрона в однородном электрическом поле, созданном двумя плоскими электродами, обозначенными как анод (+) и катод (-).

а) б) в)

Рисунок 3.1 Варианты движения электронов в постоянном электрическом поле

В первом случае (рисунок 3.1, а) электрон влетает в поле, отрываясь от отрицательно заряженного катода. Для такого электрона поле будет ускоряющим. Оно действует на электрон с постоянной силой и заставляет его двигаться с ускорением вдоль силовых линий поля. При этом, кинетическая энергия электрона возрастает. Если он попадает в ускоряющее поле, не имея начальной скорости, то, достигнув анода, он приобретает скорость, равную = 6105, м/сек, при U - напряжении между катодом и анодом

Как видно, скорость электрона не зависит от пройденного расстояния, а определяется исключительно разностью потенциалов. Как известно, энергия не возникает из ничего. Приобретенную кинетическую энергию электрон отбирает у поля. Переместив отрицательный заряд с катода на анод, электрон снизил заряд обоих электродов и тем самым уменьшил напряженность поля между ними.

Если электрон влетает в поле со стороны анода (рисунок 3.1, б), имея некоторую начальную скорость, то поле будет для него тормозящим. Скорость движения электрона и его кинетическая энергия в тормозящем поле уменьшаются, так как в данном случае работа совершается не силами поля, а самим электроном, который за счет своей энергии преодолевает сопротивление сил поля. Энергия, теряемая электроном, переходит к полю. Имея достаточный запас энергии, электрон может долететь до катода, несмотря на действие тормозящих сил поля. Но если, не долетев до противоположного электрода, электрон израсходует свою кинетическую энергию, его скорость окажется равной нулю, а затем электрон будет двигаться в обратном направлении. При этом поле возвращает ему ту энергию, которую он потерял при своем замедленном движении.

В случае, если электрон влетает в электрическое поле, имея начальную скорость, направленную под углом к силовым пиниям поля (рисунок 3.1, в). Помимо изменения величины скорости электрона, будет изменяться и направление его движения, при этом траектория движения электрона становится криволинейной. Электрон под действием сил поля отклоняется в сторону положительного потенциала.

Обычно для упрощения считают, что ток во внешней цепи вакуумного электронного прибора возникает в момент попадания электронов на анод. В действительности ток протекает и в процессе движения электронов от катода к аноду. Чтобы это уяснить, вспомним явление электростатической индукции.

Пусть имеется электрически нейтральный проводник (рисунок 3.2, а), к одному концу которого приближается отрицательный электрический заряд е. Тогда электроны, имеющиеся в проводнике, отталкиваясь зарядом е, сместятся в сторону удаленного конца и там образуется отрицательный заряд. На ближнем к заряду е конце получится недостаток электронов, т.е. положительный заряд.

Процесс перераспределения зарядов есть электрический ток, поэтому можно сделать обобщающий вывод: если отрицательный электрический заряд приближается к проводнику или удаляется от него, то в этом проводнике возникает ток, по направлению совпадающий с направлением движения заряда. В электронных приборах функцию индуктирующего заряда выполняют электроны, движущиеся от катода к аноду, а возникающий при этом ток во внешней цепи называется наведенным.

В электронике СВЧ наведенные токи очень широко используются для возбуждения колебаний в резонаторах, которые являются составной частью большинства СВЧ приборов. В качестве примера рассмотрим электрическую схему на рисунке 3.2, б. Здесь в области между анодом и катодом помещены обкладки конденсатора с отверстием в центре, так чтобы электроны могли проходить сквозь него. Во внешней цепи обкладки замкнуты на катушку индуктивности, образуя колебательный контур.

Предположим, электроны вылетают с катода поочередно по одному. Тогда первый электрон, пролетающий мимо обкладок конденсатора, вызовет во внешней цепи наведенный ток и в контуре возникнут электрические колебания. Помимо постоянной составляющей электрического поля, между обкладками появится переменная составляющая. Если после этого выпустить еще один электрон, то в интересующей нас области он либо получит дополнительное ускорение, когда переменное поле будет совпадать по направлению с постоянным, либо наоборот - замедлится в случае противоположной ориентации полей.

а) б)

Рисунок 3.2 Возникновение наведенных токов

В последнем случае электрон отдаст часть своей энергии контуру, увеличив амплитуду его колебаний. Выпуская электроны таким образом, чтобы они каждый раз попадали в тормозящее электрическое поле контура, можно возбудить в нем колебания любой амплитуды, которую только обеспечивает его добротность.

Если же электроны будут влетать в пространство между обкладками в тот момент, когда там существует ускоряющее поле, то второй электрон погасит колебания, возбужденные первым, и так далее: один электрон будет совершать работу, другой - ее уничтожать.



Рисунок 3.3 Воздействие постоянного магнитного поля на движущийся электрон

Движение электронов в магнитном поле. Движущийся электрон представляет собой элементарный ток и поэтому испытывает со стороны магнитного поля такое же действие, как и проводник с током. Из электротехники известно, что на прямолинейный проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует механическая сила, направленная под прямым углом к магнитным силовым линиям и к проводнику. Эта сила пропорциональна напряженности поля, величине тока и длине проводника, а также зависит от угла между проводником и направлением поля. Она будет наибольшей, если проводник расположен перпендикулярно силовым линиям; если же проводник расположен вдоль линий поля, то сила равна нулю. Если электрон в магнитном поле неподвижен или движется вдоль его силовых линий, то на него магнитное поле не действует. На рисунке 3.3 показано, что происходит с электроном, который влетает с начальной скоростью о в равномерное магнитное поле, перпендикулярно его силовым линиям. Под действием сил со стороны магнитного поля его траектория искривляется, он начинает двигаться по дуге окружности. При этом его скорость и кинетическая энергия не изменяются. Радиус окружности, по которой движется электрон, определяется формулой

...