Общее выражение для к. п. д. трансформатора будет иметь следующий вид:

 (19)

где I1 — ток в первичной обмотке трансформатора;

rт — активное сопротивление обмоток, проведенное к "первичной обмотке;

∆р — потери в трансформаторном железе магнитопровода;

Рн — номинальная мощность трансформатора в кет.

Из формулы видно, что для уменьшения потерь в трансформаторе необходимо стремиться к уменьшению сопротивления в обмотках и к уменьшению тока (если это возможно по условиям сохранения требуемой производительности).

Электрический к. п. д. ήэ вторичной цепи учитывает потери энергии в токоподводящих шинах, контактных колодках, контактах и других элементах вторичной цепи нагревательной установки.

Выражение для электрического к. п. д. в самой общей форме имеет следующий вид:

(20)

где rМ.д — электрическое сопротивление меди элементов вторичной силовой цепи;

r2 — омическое сопротивление нагреваемой детали.

Так как сопротивление детали зависит от температуры, то и электрический к. п. д. зависит также от последней. Ввиду того, что на одной и той же электроконтактной установке нагревается обычно несколько различных типоразмеров заготовок, сопротивление которых зависит от геометрических параметров нагреваемых зон заготовок, то целесообразно выразить сопротивление r2 через геометрические параметры и удельные сопротивления материала этих зон, тогда формула для электрического к. п. д. будет

 (21)

где s2 — поперечное сечение нагреваемой детали;

ς2 — удельное электрическое сопротивление материала детали;

l2 — длина нагреваемой зоны.

Из формул (20) и (21) следует, что для получения наибольшего к. п. д. необходимо: а) уменьшить в разумных пределах сопротивление элементов вторичной цепи; б) максимально увеличить отношение длины нагреваемой зоны к сечению.

При учете явления скинн-эффекта толщина шин, подконтактных колодок и других элементов должна быть не более 30— 35 мм, а ширина их по конструктивным соображениям не более150 мм.

Если минимальная длина шины будет не менее 500 мм, то оптимальное сопротивление токоподводящих шин должно быть равным около (0,5-0,6) • 10- 5 ом. При учете контактных сопротивлений контактов, сопротивления колодок и других элементов вторичной цепи фактическое сопротивление ее, как показывают эксперименты, равно (0,15 - 0,20) • 10-4 ом.

На рисунке 4.2 кривая 3 представляет собой зависимость ήэ от отношения l2/s2 при среднем значении удельного сопротивления большинства стальных деталей ς2 = 0,6-10- 6 ом-м, при температуре 20—1100 ° С и указанных выше значениях сопротивления вторичной цепи. Из рассмотрения кривой следует, что электрический к. п. д. начинает быстро падать при l2/s2 менее 1,0—1,5. При больших значениях l2/s2 к. п. д. достигает максимальной величины и затем изменяется очень мало. Это обстоятельство, характеризующее установки электроконтактного нагрева, необходимо иметь в виду при их проектировании и эксплуатации, особенно в тех случаях, когда l2/s2 < 1, например в электровысадочных установках.

Тепловой к. п. д. учитывает тепловые потери вследствие тепловых процессов теплообмена, потерь на токи Фуко и гистерезис в стальных деталях каркаса и зажимных головках нагревательной установки, находящихся в магнитных полях проводников с током.

Тепловой к. п. д. в общем виде может быть найден из формул, определяющих перечисленные три вида тепловых потерь, и исходя из значения теоретического минимума энергии, потребной для нагрева данной детали до соответствующей температуры.

Рисунок 4.2 - Зависимость к. п. д. электроконтактной установки ς2 от отношения длины к сечению нагреваемой детали

1- ή t для l2 = 1000 мм; 2- ή t для l2 = 100 мм; 3 — ή э для ς2=0,6; 4- ή t = 0,94ή t ή э для l2 = 100 мм; 5- ή t эксплуатационный коэффициент

Если предположить, что в нагреваемую деталь передаются теоретически потребное количество энергии и тепловые потери, то для теплового к. п. д. цилиндрической детали можно написать следующую приближенную формулу:

 (22)

где τ — время нагрева в сек;

d2 и l2—диаметр и длина нагреваемой зоны детали в см. Эта формула соответствует следующим условиям:

1. Удельная интенсивность излучения с нагретой детали равна 12 вт/см2 в продолжение всего периода нагрева, т. е. потери этого вида взяты с явным превышением с тем, чтобы ими восполнить потери, не поддающиеся непосредственному учету.

2. Осевая длина зажимного токоподводящего контакта равна диаметру нагреваемой детали, а ширина площадки контактирования l К — 0,5 см по всей длине контакта.

3.  Для подвода тока, а следовательно, и для отвода тепла используется четыре контакта.

4.  Потери конвекции определяются по формуле (12).

Рисунок 4.3 - График

Если скорость нагрева определяется из формулы (5), то тепловой к. п. д. можно выразить либо через параметры детали, либо через длину детали и время нагрева:

 (23)

На рисунке 4.2 и 4.3 приведены кривые зависимости теплового к. п. д.

ή t от отношения /2/s2, диаметра d2 и времени нагрева τ для двух значений длин нагреваемых зон детали (/2 =100 и 1000 мм).

Большее значение теплового к. п. д. для заготовок большой длины объясняется относительно меньшими потерями теплопроводности через токоподводящие контакты, приходящимися на единицу длины детали; при этом энергия, вводимая в деталь, пропорциональна ее длине. Поэтому хотя потери конвекции и излучения и пропорциональны длине детали, они в данном случае не сказываются на величине к. п. д.

Общий к. п. д. В связи с тем, что все три коэффициента формулы (21) определены, общий к. п. д. электроконтактного устройства может быть выражен кривой 4 (на рисунке 4.2) в зависимости от отношения длины заготовки к сечению при среднем значении к. п. д. силового трансформатора ήтр = 0,94.

Для сопоставления расчетно-теоретической кривой общего к. п. д. с экспериментальной на той же фигуре приведена кривая 5, выражающая значения общего к. п. д. одной из однопозиционных электроконтактных установок.

Из рассмотрения кривых видно, что действительный к. п. д. нагревательной установки в функции отношения l 2/s2 в основном соответствует расчетно-теоретическому, отличаясь от него только при малых значениях l 2/s2 (от 2,2 до 1,2).

При теоретических расчетах электротехнических характеристик нагревательных установок целесообразнее пользоваться расчетно-теоретической кривой 4 общего к. п. д., а не экспериментальной 5, справедливой для определенной конкретной установки. Экспериментальные данные можно было бы обобщить для любого случая электроконтактного нагрева, если бы они отвечали условию изменения напряжения на заготовке в соответствии с потребной мощностью, вычисляемой по теоретической формуле.

Но так как в действительности такое изменение напряжения осуществить очень трудно, то и получить обобщенную зависимость общего к. п. д. от отношения l2/s2 почти невозможно, поэтому наиболее приемлемой является расчетно-теоретическая зависимость.

Коэффициент мощности

Для всякой электронагревательной установки коэффициент мощности, (после коэффициента полезного действия) является наиболее важным технико-экономическим показателем.

В связи с тем, что электроконтактные установки в большинстве своем имеют большую мощность и преимущественно активную нагрузку при сравнительно высоком коэффициенте мощности, применение компенсирующих конденсаторов для увеличения коэффициента мощности, как правило, нерационально. Тем не менее повышение его весьма желательно, поэтому при разработке электроконтактных установок необходимо использовать все имеющиеся в распоряжении проектанта и конструктора средства, чтобы получить оптимальный для данных конкретных условий коэффициент мощности.

Коэффициент мощности электроконтактных установок зависит от типа и конструкции обмоток трансформатора, их взаимного размещения, от конструкции магнитопровода, а также от индуктивного и активного сопротивления вторичной цепи установки и геометрических параметров нагреваемой детали.

Теоретически учесть перечисленные факторы чрезвычайно сложно и можно только очень приближенно. Поэтому целесообразнее коэффициент мощности выразить с помощью экспериментальных и эксплуатационных данных. Изменение коэффициента мощности в процессе Рисунок 4.4 – График нагрева аналогично изменению сопротивления детали, напряжения на ней и т. Д.

На рисунке 4.4 приведены кривые изменения коэффициента мощности первичной цепи однопозиционной нагревательной установки в процессе нагрева деталей различных типоразмеров.

Из рассмотрения кривых на рисунке 4.4 можно сделать следующие выводы:

1.  Коэффициент мощности медленно возрастает с повышением температуры нагрева детали.

2.  Коэффициент мощности изменяется тем быстрее, чем меньше диаметр нагреваемой детали. Это объясняется тем, что у заготовок малого диаметра относительное влияние активного сопротивления значительно больше, чем у заготовок большего диаметра.

Рисунок 4.5 – График

На рисунке 4.5 приведена зависимость коэффициента мощности от отношения длины к площади сечения детали; коэффициент мощности тем больше, чем больше указанное отношение.

В данном случае речь идет о коэффициенте мощности всей установки, включая и силовой трансформатор, определяемом по формуле:

. (24)

где rт — активное сопротивление силовой цепи установки, приведенное к сопротивлению первичной обмотки силового трансформатора, включая нагрузку;

rm — приведенный импеданс указанной цепи.

Поскольку электрическая цепь установки состоит из трех составных частей: силового трансформатора, вторичной цепи и нагреваемой детали (нагрузки), то и косинусы соответственно этому будут определены по формуле (24) для каждой составной части. В формулу должны быть подставлены значения сопротивлений соответствующей цепи или элемента.

Если электрические сопротивления, входящие в формулу для определения коэффициента мощности, выразить через параметры, определяющие указанные сопротивления, то можно убедиться, что последний находится в наибольшей зависимости от геометри-ческих размеров нагреваемой зоны детали, от числа витков первичной обмотки и индукции в сердечнике магнитопровода трансформатора.

Рисунок 4.6 – График

На рисунке 4.6 дана зависимость коэффициента мощности и характеристик холостого хода трансформатора (250 ква) от числа витков первичной обмотки при нагреве заготовок одинакового типоразмера.

Эксперименты производились при 36, 33, 30, 27 и 24 витках в первичной обмотке и при напряжении на ней, равном 185—210 в.

Изменение коэффициента мощности обусловливалось использованием различного числа витков, а значит, и различной индукцией в железе трансформатора; изменение последней примерно на 40% вызывает уменьшение коэффициента мощности на 5—7%. Такое снижение коэффициента мощности следует признать значительным и избегать его; правда на практике это не всегда удается, но об этом надо помнить, особенно при использовании мощных трансформаторов.

4. Особенности расчета и проектирования

Следует иметь в виду, что, говоря о приведенных ниже специфических особенностях, с которыми приходится сталкиваться при расчете и проектировании электроконтактных установок, нельзя их все рассмотреть в данной книге из-за многообразия технологических разновидностей и конструктивных типов нагревательных устройств. Поэтому целесообразно остановиться только на основных и наиболее важных общих особенностях, справедливых для всех установок независимо от их технологического назначения и конструкции.

При проектировании и расчете электроконтактных установок необходимо учитывать следующее:

1.  Зависимость технологических и электротехнических характеристик режима нагрева от температуры нагреваемой детали или заготовки, т. е. непостоянство характеристик во времени (в процессе нагрева).

2.  Неравномерное распределение температуры по длине и при больших диаметрах (более 50 мм) по сечению нагреваемой заготовки и во времени.

3.  Зависимость тепловых явлений, происходящих под кон тактами, от контактного давления и состояния поверхности нагреваемой детали, а в связи с этим использование тока и мощности нагревательной установки большой величины.

Учесть эту технологическую особенность можно только на основе опытных данных эксплуатации электроконтактных установок.

4.  Расчетные электротехнические данные в большинстве случаев являются "сугубо приближенными, поэтому требуют после дующего уточнения.

5.  Принимать во внимание, что нагрев деталей и целых узлов происходит за счет энергии излучения с нагреваемых заготовок

и вихревых токов Фуко, возбуждаемых в металлических деталях магнитными потоками рассеяния.

Это обстоятельство, как и предыдущее, не поддается теоретическому расчету и может быть учтено при разработке конструкции нагревательной установки. При этом следует помнить, что металлические массы, особенно стальные, необходимо располагать как можно дальше от токоподводящих элементов и от нагреваемой детали.

6. Максимально возможную универсальность нагревательной установки, так как важна не только техническая эффективность применения данного типа нагревательной установки, но и возможность использования ее для разнообразных типоразмеров заготовок. При этом во много раз возрастает техническое совершенство, технико-экономическая эффективность, рентабельность, а следовательно, и народнохозяйственная значимость нагревательной установки.

Исходные данные для расчета и проектирования

Расчет и проектирование электроконтактной установки производится на основании определенного технологического задания, в котором должны содержаться перечисленные ниже исходные технологические, технические и эксплуатационные данные.

1.  Марка материала и типоразмеры заготовок.

2.  Темп выдачи нагретых заготовок или производительность нагревательной установки с учетом времени, потребного на загрузочно-разгрузочные, транспортные и другие операции.

3.  Технологическая разновидность электроконтактного нагрева и назначение электроконтактной установки.

4.  Температура нагрева, точность регулирования и допустимые пределы неравномерности распределения ее по длине и сечению нагреваемой заготовки.

5.  Напряжение для питания установки, т. е. напряжение сети, к которой она подсоединяется.

6.  Технические данные о заводской пневмосистеме и водопроводе, если в электроконтактной установке предусмотрен пневматический привод зажимных головок и водоохлаждение элементовсиловой цепи проточной водой.

7.  Специальные требования, касающиеся механизации и авто матизации загрузки и выгрузки заготовок, или условия встройки установки в автоматические линии или привязки ее к другому оборудованию.

Особое внимание следует обратить на технологический принцип электроконтактного нагрева. Он должен быть подробно указан в задании, в противном случае при проектировании прежде всего должен быть решен вопрос о технологически-конструктивном типе нагревательной установки, дающем наилучшие технико-экономические показатели.

Иногда вместо производительности или скорости нагрева в задании указывается мощность установки и по ней требуется определить время нагрева деталей заданного типоразмера. В этом случае необходимо исследовать вопрос, подойдет ли вычисленное по заданной мощности время нагрева (по условиям равномерности распределения температуры по длине и сечению детали, а также по токовой нагрузке на контакты). Если этому или одному из этих условий время нагрева не удовлетворяет, то заданная мощность должна быть уменьшена.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7