Тема 8. Электродуговой нагрев

Рассматриваемые вопросы:

- характеристики и свойства электрической дуги постоянного и переменного тока;

- источники питания дуговой сварки; (трансформаторы, генераторы, выпрямители, преобразователи);

- плазменно-дуговой нагрев.

 

Рекомендуемая литература:

- Карасенко В.А. и др. Электротехнология. – М.: Колос, 1992.

- Кудрявцев И.Ф., Карасенко В.А. Электрический нагрев и электротехнология. Учебное пособие.- М.: Колос, 1976.

- Электронагревательные установки в сельскохозяйственном производстве. /Под общ. ред. В.Н. Растригина/. – М.: Агропромиздат, 1985.

- Глушков А.М., Юдаев И.В. Светотехнтка и электротехнология. ч. 2 «Электротехнология» ФГОУ ВПО «Волгоградская ГСХА». – Волгоград, 2008, (текст).

 

Краткое содержание

Дуговой разряд – это устойчивый самостоятельный электрический разряд в газах или парах металла, характеризующийся большой плотностью тока, низким падением напряжения на катоде и высокой температурой канала разряда. В ЭТУ возбуждение дуги происходит при первоначальном касании электродов, к которым подведено напряжение. В момент короткого замыкания электроды разогреваются. При отводе электродов за счёт термоэлектронной ионизации газа возникает электрическая дуга, представляющая собой сильно ионизированную смесь газов и паров материала анода и катода. Канал дуги по длине неоднороден и состоит из трёх последовательных участков:

- прикатодный;

- основной столб дуги;

- прианодный участок.

 

а

б

Рисунок 8.1 - Электрическая дуга (а) постоянного тока и распределение напряжения (б) на ее элементах: 1 – анодный кратер; 2 – столб дуги; 3 – светящаяся оболочка; 4 –катодное пятно.

Длина прикатодного участка около 10^{-6 м, напряженность электрического поля равна} Е_{эл.поле} =10⁷…10⁸ В/м, катодное падение напряжения 10…20 В (в зависимости от рода тока, материала электрода, состояния газа). Температура прикатодного участка составляет Т_катода =2500…2800 К. Длина анодного участка более 10^-6м, анодное падение напряжения U_а =2…6 В, а температура на участке достигает Т_анода =2700…4500 К.

В основном столбе дуги напряженность электрического поля Е = 1500…5000 В/м, температура Т_столба =6000…12000К, а концентрация ионов – 10²⁴ 1/м³, т.е. можно заключить, что столб дуги представляет собой плазму с очень высокой плотностью.

Горение дуги сопровождается следующими эффектами:

- большим выделением теплоты на электродах. (на этом основана работа электродуговых печей прямого нагрева и техника электродуговой сварки);

- мощным лучистым потоком в оптическом диапазоне спектра электрических магнитных колебаний (это свойство используется в электродуговых печах косвенного нагрева и в газоразрядных источниках оптического излучения).

Электрическая дуга, как потребитель электрической энергии, достаточно полно характеризуется статической вольтамперной характеристикой (ВАХ) U_д =f(I_д), которую можно разбить на область малых токов (до 80…100А); средних токов (100…800А); высоких токов (больше 800А).

В I области ВАХ имеет падающий вид. Это объясняется тем, что с увеличением тока дуги I_д площадь поперечного сечения и удельное электрическое сопротивление дуги увеличивается быстрее, чем ток. При этом плотность тока j и напряжённость электрического поля Е уменьшаются.

Во II области напряжение на дуге практически не зависит от силы тока, т.к. площадь поперечного сечения столба увеличивается пропорционально току.

В III области при больших токах возрастание силы тока не сопровождается пропорциональным ростом катодного пятна. ВАХ дуги получается возрастающей.

 

Рисунок 8.2 - Статическая вольт - амперная характеристика дуги постоянного тока.

Связь общего падения напряжения на дуге с падением напряжения на отдельных ее элементах в области малых токов устанавливает формула Г. Айртона:

где α - суммарное анодно-катодное падение напряжения, В; β - градиент

потенциала в столбе дуги, В/м; l — длина дуги, м; γ и δ - мощности, затрачиваемые на вырывание электронов из катодного пятна, Вт/А, и на продвижение электронов в межэлектродном промежутке на единицу расстояния, Вт/(А·м); Iд - сила тока дуги, А.

Падение напряжения (γ+δl)/I_д зависит от силы тока, что соответствует падающему характеру ВАХ. Для средних токов это слагаемое мало:

Среда, в которой дуга горит, влияет на форму статической ВАХ. Так,

в среде инертных газов даже при небольших токах характеристика дуги

возрастающая. Ее применяют при сварке в среде защитных газов, плазменно-дуговых процессах.

Рассмотренные явления происходят в электрической дуге постоянного и переменного тока. Статическая ВАХ на переменном токе соответствует действующим значениям тока и напряжения. При этом катодная и анодная области дуги меняются местами в зависимости от полярности приложенного напряжения.

В сварочной технике электрическую дугу классифицируют по роду среды, в которой происходит разряд:

- открытая дуга, горящая в воздухе, парах металла;

- закрытая дуга, горящая под флюсом в парах металла и флюса;

- защищённая дуга, горящая в защитных газах (аргон, гелий, двуокись углерода), ВАХ открытой дуги имеет падающий вид, а закрытой и защищённой – возрастающий.

Источники питания выбирают по следующим параметрам:

- роду тока;

- напряжению холостого хода;

- внешней характеристике;

- способам регулирования сварочного тока.

Электрическая дуга может быть как на постоянном, так и на переменном напряжении. Устойчивость дуги переменного тока снижается из-за угасания её при каждом переходе тока через ноль. Поэтому горение дуги является прерывистым и неустойчивым. Статические ВАХ на переменном и постоянном токе подобны. Напряжение зажигания дуги постоянного тока составляет 30…40В; а переменного – 50…55В. Напряжение холостого хода источника должно быть больше напряжения зажигания на 10…50В.

Дуга и источник питания образуют систему, которая будет находиться в устойчивом равновесии, если при падающей ВАХ дуги внешняя характеристика источника будет более крутопадающей. Устойчивость дуги с возрастающей ВАХ обеспечивается, если внешняя характеристика источника менее возрастающая. Регулирование сварочного тока необходимо при сваривании деталей различной толщины. В качестве источников питания дуги применяют: сварочные трансформаторы; генераторы постоянного тока (преобразователи); полупроводниковые выпрямители.

Источник питания сварочной дуги должен обеспечивать надежное зажигание дуги, ее устойчивое горение и регулирование тока.

Основная характеристика источника – внешняя, представляющая собой зависимость между напряжением на его выходных клеммах и током, протекающим через сварочную цепь при нагрузке. Внешняя вольтамперная характеристика может быть крутопадающей, пологопадающей, жесткой и возрастающей. Важным параметром источника наряду с напряжением U₀ холостого хода является ток I_к короткого замыкания, который по отношению к номинальному току I_н источника обычно находится в следующих пределах:

 

Таким образом, короткое замыкание – один из рабочих режимов при зажигании электрической дуги. Источник питания при этом должен надежно работать.

Устойчивое горение дуги обеспечивается правильным выбором внешней характеристики источника питания. При падающей статической ВАХ дуги источник питания должен иметь еще более крутопадающую внешнюю характеристику.

В статическом состоянии баланс напряжений в сварочной цепи имеет вид:

где U₀ - напряжение холостого хода источника питания, В; I_д - сила тока в сварочной цепи, А; R_и - сопротивление источника питания, Ом; U_д – напряжение дуги, В.

При изменении тока в сварочной цепи баланс мгновенных напряжений выглядит следующим образом:

где L — индуктивность контура сварочной цепи, Гн; di/dt — изменение мгновенного значения сварочного тока, А/с.

ЭДС самоиндукции контура с дугой:

 

При жесткой статической ВAХ устойчивое горение дуги обеспечивается при использовании источников питания с круто - и пологопадающей внешней характеристикой. При возрастающей статической ВАХ дуги применяют источники с жесткими внешними характеристиками.

Сварочный ток при питании дуги от источника с падающей ВАХ можно регулировать, изменяя полное сопротивление цепи дуги, ее длину, напряжение холостого хода источника питания.

Кроме основных требований по обеспечению надежного зажигания, устойчивости горения и регулировании сварочного тока, которые являются общими для всех источников питания сварочной дуги, к источникам переменного тока предъявляются дополнительные требования. Они связаны с их динамическими свойствами, т.е. способностью восстанавливать напряжение в соответствии с изменившимся током. Так, при погасании дуги напряжение должно быстро восстанавливаться до значения

зажигания, так как в противном случае повторного зажигания может не произойти и в горении дуги наступят значительные перерывы. Для надежного повторного зажигания дуги переменного тока необходимо увеличивать сварочный ток и напряжение холостого хода источника, а также использовать источники с большой индуктивностью.

От динамических свойств источников переменного тока зависит качество сварочного шва. Быстрое нарастание тока короткого замыкания приводит к ухудшению качества сварочных работ. Для устранения этого в сварочную цепь последовательно с дугой включают дроссель или применяют источники с крутопадающими характеристиками.

Значение сварочного тока определяется видом соединения, тавровые и нахлесточные соединения выполняют большим током по сравнению со стыковым.

Если для работ используют электроды диаметром 1,5...6 мм, что соответствует толщине свариваемого металла 0,5...10 мм, значение рабочего тока ориентировочно можно определить по формуле:

 

где К - коэффициент, зависящий от диаметра электрода и вида покрытия, А/мм; d_эл - диаметр электрода, мм.

При этом руководствуются следующими данными:

d, мм 1...2 3...4 5...6

К, А/мм 25...30 30...45 45...60

Большие значения коэффициента К принимают при выполнении горизонтальных сварных швов. Для получения вертикальных швов сварочный ток уменьшают на 10…15%, а потолочных – на 15…20%.

Режим работы источников питания при ручной дуговой сварке характеризуется тем, что периоды нагрузки чередуются с паузами.

Такой прерывистый режим работы источника характеризуется относительной продолжительностью включения (ПВ) или относительной продолжительностью работы (ПР), выражаемыми обычно в процентах. С некоторым приближением можно считать, что:

 

где τ₁ – время горения дуги, ч; τ₂ – время паузы или холостого хода, ч; τ_ц – общая продолжительность цикла, ч.

Номинальным режимом работы источников питания обычной дуговой сварки, как правило, является режим с ПР = 60% или ПВ = 65% при длительности цикла 5 мин. Общая продолжительность цикла нормируется, так как на температуру обмоток влияет абсолютное значение времени τ₁ горения дуги.

Если источник питания работает при ПР, меньшем или большем номинального (паспортного) значения, то допускаемый сварочный ток будет соответственно больше или меньше номинального:

 

 

По этой же формуле можно найти допускаемое ПР, если задано значение необходимого сварочного тока.

Источники питания многопостовых установок и дуговых автоматов рассчитывают на длительный режим работы, для которого ПР = 100%.

Источники питания сварочной дуги подразделяют по следующим основным признакам:

– роду сварочного тока – на источники переменного (сварочные трансформаторы) и постоянного (преобразователи, агрегаты, выпрямители) тока;

– числу одновременно подключаемых сварочных постов – на одно- и многопостовые;

– способу установки – на стационарные и передвижные.

В трансформаторах типов ТС, ТСК и ТД с подвижными катушками первичная и вторичная обмотки расположены вдоль стержня магнитопровода на некотором расстоянии одна от другой. Магнитное рассеяние регулируют, изменяя расстояние между обмотками.

В сварочных трансформаторах типа СТШ катушки первичной W1 и вторичной W2 обмоток расположены на разных стержнях магнитопровода. Между обмотками в окне магнитопровода установлен магнитный шунт, перемещением которого на пути потоков рассеяния изменяют индуктивное сопротивление, внешнюю характеристику и сварочный ток.

В трансформаторах типа ТСД с нормальным рассеянием обмотки размещают на стержневом магнитопроводе таким образом, чтобы потоки рассеяния были минимальными. Для получения необходимой индуктивности в цепь дуги последовательно со вторичной обмоткой включают дополнительную реактивную катушку Wр. В зависимости от ее конструктивного выполнения различают трансформаторы с отдельной и совмещенной катушкой.

Для питания дуги постоянного тока используют преобразователи, агрегаты и выпрямители.

Преобразователь – установка, состоящая из асинхронного электродвигателя и генератора постоянного тока. При отсутствии электроснабжения для электросварки применяют сварочные агрегаты, включающие в себя двигатель внутреннего сгорания и генератор постоянного тока.

Преобразователи ПС-300М, ПС-300, СУГ-2Р и другие оборудованы генераторами с расщепленными полюсами.

Универсальные сварочные преобразователи предназначены для питания постов ручной и автоматической дуговой сварки в защитной среде. Требуемый характер внешней характеристики получают при различном включении обмоток возбуждении. К сварочным преобразователям с универсальными характеристиками относятся ПСУ-300 и ПСУ-500.

Преимущества сварочных выпрямителей перед генераторами заключаются в более высоком КПД и более высоких динамических показателях. Они не имеют вращающихся частей, просты в изготовлении и надежны в эксплуатации. Выпрямители состоят из трансформатора и блока неуправляемых (селеновых, кремниевых) или управляемых (тиристоров) вентилей. Сварочные выпрямители бывают с круто- и пологопадающими или жесткими и универсальными характеристиками. Наиболее распространены одно- и трехфазные мостовые схемы выпрямления.

Выпрямители с крутопадающими внешними характеристиками применяют для ручной дуговой сварки. К этой группе относятся выпрямители типов ВСС, ВКС и ВД.

Сварочные выпрямители ВС, ВДГ, ВДЖ и другие, с пологопадающей или жесткой внешней характеристикой предназначены для сварки в защитной cреде.

Универсальные сварочные выпрямители работают как на жестких, так и на падающих внешних характеристиках. Они обеспечивают изменение сварочного тока и напряжения на дуге, стабилизацию режима сварки при отклонениях напряжения сети.

 

 

Тема 9. Индукционный нагрев

Рассматриваемые вопросы:

- особенности и область применения;

- физические и энергетические закономерности;

- индукционные нагреватели;

- режимы ВЧ индукционного нагрева;

- расчет и выбор установок.

 

Рекомендуемая литература:

- Карасенко В.А. и др. Электротехнология. – М.: Колос, 1992.

- Кудрявцев И.Ф., Карасенко В.А. Электрический нагрев и электротехнология. Учебное пособие.- М.: Колос, 1976.

- Электронагревательные установки в сельскохозяйственном производстве. /Под общ. ред. В.Н. Растригина/. – М.: Агропромиздат, 1985.

- Глушков А.М., Юдаев И.В. Светотехнтка и электротехнология. ч. 2 «Электротехнология» ФГОУ ВПО «Волгоградская ГСХА». – Волгоград, 2008, (текст).

 

Краткое содержание

Индукционный нагрев металлов основан на двух законах физики: законе электромагнитной индукции Фарадея – Максвелла и законе Джоуля – Ленца. Металлические тела помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в них вихревое электрическое поле. ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока, а сама зависимость представляет собой интегральную форму закона электромагнитной индукции:

 

Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые токи, выделяющие теплоту по закону Ленца - Джоуля.

Электромагнитная волна несет энергию, определяемую вектором плотности потока мощности или вектором Пойнтинга. В комплексной форме вектор Пойнтинга:

 

где Ė - комплекс амплитуды напряженности электрического поля, Н* сопряженный комплекс амплитуды магнитного поля.

При проникновении в проводящую среду электромагнитная волна ослабляется по экспоненциальному закону:

где Е и Н - амплитуды напряженности электрического и магнитного полей в глубине проводящего материала; Е₀ и Н₀ - амплитуды напряженности электрического и магнитного полей на поверхности проводящего материала; z - расстояние от поверхности проводника, м; z₀ – эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля, м.

 

Рисунок 9.1 - График распространения электромагнитного поля в проводящей среде

На расстоянии z₀ от поверхности амплитуды Е и Н уменьшаются до следующих значений:

 

то есть амплитуда волны u1091 уменьшается в е = 2.718 раза, или затухает до 37% своего начального значения.

Плотность S потока мощности, переносимая плоской электромагнитной волной, убывает по мере проникновения волны вглубь нагреваемого материала по закону:

 

где S₀ - плотность потока мощности на поверхности проводника.

Причиной затухания электромагнитной волны является превращение

энергии электромагнитного поля в теплоту по закону Ленца-Джоуля, вследствие чего и происходит индукционный нагрев металла.

Плотность потока мощности на глубине z0 уменьшается до значения:

 

то есть в слое толщиной z₀ поглощается и выделяется в виде теплоты 86% всей энергии, прошедшей через поверхностный слой проводника.

Действительная часть комплекса вектора плотности потока мощности Ś определяет плотность потока активной мощности, выделяющейся в виде теплоты:

где I - сила тока в индукторе, А; w - число витков, приходящееся на 1 м длины индуктора; ρ и μ_r - удельное электрическое сопротивление, Ом·м, и относительная магнитная проницаемость металла; f - частота тока, Гц;

- коэффициент поглощения мощности.

Мнимая часть комплекса является плотностью потока реактивной мощности, характеризующей скорость превращения энергии электромагнитного поля из электрической формы в магнитную и обратно:

Потоки мощности Потоки мощности через боковую поверхность металлического цилиндра диаметром D_М, высотой 1м и периметром П= π·D_М для активной мощности:

 

для реактивной мощности

где К_р и K_Q - коэффициенты активной и реактивной мощностей, учитывающие кривизну металлического цилиндра и зависящие от его относительного диаметра D/z₀.

При нагреве немагнитных (цветных) металлов, для которых μ=1, изменяется их удельное сопротивление, а при нагреве ферромагнитных металлов (сталей) изменяется и относительная магнитная проницаемость. В последнем случае удельное сопротивление возрастает при повышении температуры до точки магнитных превращений (730...760 ºС) – точки Кюри, а затем его рост замедляется.

Как указывалось, индукционный нагрев, это нагрев токопроводящих тел в электромагнитном поле за счёт индуктирования в них вихревых токов. При этом электрическая энергия преобразуется трижды. Сначала при помощи индуктора она преобразуется в энергию переменного магнитного поля, которая в теле, помещённом в индуктор, превращается в энергию электрического поля. Затем под действием электрического поля его энергия превращается в тепловую. Передача энергии происходит бесконтактно. Индукционный нагрев является прямым и бесконтактным. Он позволяет достигать температуры, достаточной для плавления самых тугоплавких металлов и сплавов.

В зависимости от используемых частот установки индукционного нагрева подразделяют на:

- низкочастотные (50Гц);

- среднечастотные (до 10 кГц);

- высокочастотные (свыше 10 кГц).

Установки индукционного нагрева широко применяют на различных ремонтных предприятиях. Токи средней и высокой частоты используют для сквозного нагрева деталей перед горячей обработкой, при восстановлении их методами наплавки, металлизации и пайки, а также для поверхностной закалки деталей и других технологических операций. Основным элементом такого рода устройства является индуктор.

Индукторы в зависимости от назначения и формы нагреваемого изделия бывают:

- цилиндрические;

- овальные;

- щелевые;

- стержневые;

- плоские;

- петлевые.

Цилиндрические индукторы наиболее просты по конструкции и надёжны в эксплуатации, а их общий КПД достаточно высок. Конструктивно индуктор состоит: из многовиткового индуктирующего провода из медной трубки или медной шинки; из токопроводящих шин; из контактных колодок; из устройства для подачи воды, охлаждающей индуктор.

Используют также нагреватели трансформаторного типа, которые применяют при теплоснабжении и горячем водоснабжении животноводческих, производственных и бытовых помещений.

Электромагнитная энергия, подводимая к индуктору, расходуется на полезный нагрев детали, компенсацию тепловых потерь с ее поверхности, а также на нагрев провода индуктора током, протекающим по нему. Отношение энергии Q₁ затраченной на нагрев детали, ко всей энергии, подведенной к индуктору, называется его полным КПД:

где η_и, η_т, η_э - полный, термический и электрический КПД индуктора; Q₁ - полезно расходуемая на нагрев детали теплота, Дж; Q₂ - тепловые потери, Дж; Q₃ - теплота, выделяющаяся в проводе индуктора, Дж.

Термический КПД, характеризующий тепловые потери с поверхности детали, равен:

 

Электрический КПД, характеризующий совершенство передачи энергии из индуктора на деталь, представляет собой отношение электромагнитной энергии, поступающей в деталь, ко всей энергии, подводимой к индуктору:

 

Если энергию Q₁, Q₂, Q₃ отнести к единице времени, то можно записать:

 

где Р₂ - мощность, передаваемая в деталь, Вт; Р - мощность, подведенная к индуктору, Вт.

Система индуктор – деталь представляет собой воздушный трансформатор, у которого первичной обмоткой является индуктор, а вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой – нагреваемый металл. Напряжение на индукторе, В:

где I₁ - ток в индукторе, A; R₁ и Х₁ - активное и индуктивное сопротивление первичной цепи (индуктора), Ом; R₂′ и Х₂′ - активное и индуктивное сопротивление вторичной цепи, Ом, приведенные к току индуктора.

Сопротивление R₂′ и Х₂′:

 

 

где R₂ и Х₂ - активное и индуктивное сопротивления вторичной цепи, Ом; W₂ - число витков индуктора.

Мощность, передаваемая в деталь:

 

 

Активное сопротивление, Ом, металлического цилиндра диаметром D₂, м, и длиной l, м:

где ρ₂ - удельное электрическое сопротивление нагреваемого металла, Ом·м; D₂ - диаметр цилиндра, м; l - длина цилиндра, м; z_о2 - эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля в нагреваемом металле, м.

Активное сопротивление, Ом; нагреваемого металла, приведенное к току индуктора в соответствии с формулой:

Мощность, Вт, подаваемая на индуктор,

Полагая, что витки индуктора намотаны без зазора, с некоторым приближением можно считать, что

 

где ρ₁ - удельное электрическое сопротивление проводника индуктора, Ом·м; D₁ -диаметр индуктора, м; l -длина индуктора, м; z₀₁ - эквивалентная глубина проникновения электрического тока в проводнике индуктора, м.

В инженерной практике для расчёта индукционных нагревателей применяют графоаналитические методы, основанные на экспериментальных исследованиях.

Рассмотрим пример расчёта нагревателей типа «многовитковый индуктор в ферромагнитной трубе». Для расчёта индукционных нагревателей такого типа можно использовать упрощённую методику. Методика основана на математической обработке экспериментальных данных, полученных для труб диаметром d_тр = 0,015; 0,02; 0,025 м.

При температуре нагрева трубы до Т_п = 373 К тепловой поток, Вт/м, приходящийся на 1 м длины нагревателя определяют по выражению:

 

где ΔТ – перепад температур между окружающей средой и трубой, К.

Напряжение, которое необходимо приложить к отрезку нагревателя длиной в 1 м, В/м, определяют по формуле:

 

 

где k₁; k₂; k₃ – коэффициенты, зависящие от диаметра трубы d

Значения коэффициентов k₁; k₂; k₃

Диаметр трубы d, м	k1	k2	k2
0,015	6,00	0,96	0,35
0,020	7,50	1,25	0,33
0,025	9,00	1,55	0,31

 

По расчётным значениям U_l и Ф_l определяют конструктивные параметры нагревателя.

Определяют длину провода, м, индуктора на фазу:

 

Определяют длину нагревателя, м, подключаемого на фазное напряжение питающей сети:

Определяют число проводов, прокладываемых в трубе:

Определяют ток индуктора, А:

По I_расч=I и температуре поверхности нагревателя Т_n выбирают марку и сечение провода.