«Министерство общего и профессионального образования Уральский государственный технический университет Ф.Н. Сарапулов ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ Научный редактор д-р техн. наук ...»

16. Эксплуатация и ремонт ЭТУ (100 час.) Особенности поставки, монтажа и наладки электрооборудования ЭТУ.

Организация эксплуатации и ремонта электрооборудования. Требования к обслуживающему персоналу. основная эксплуатационная документация. Организация дежурств и ремонта. рациональное использование электроэнергии. Показатели эффективности использования электроэнергии. Электробаланс предприятия. Энергетические характеристики. Пути экономии электроэнергии. экономия электроэнергии в конкретных ЭТУ и электротехнических установках. Нормирование и стоимость электроэнергии. Вопросы надежности ЭТУ.

17. Электротехнологические установки и системы (200 час.) Часть 1. Теория и применение электрических разрядов Электрические разряды в газах, воздухе, вакууме. Вольт-амперная характеристика разрядов в воздухе и газах. Разряды в равномерном поле, закон Пашена. Разряды в неоднородном поле. разряды в атмосфере. Искровые разряды, их применение в электротехнологиях. Коронный разряд. Электродуговой разряд и плазма. Характеристики и свойства дуги на постоянном и переменном напряжении. Дуговой разряд в электротехнологических процессах.

Часть 2. Электротехнологические установки Классификация ЭТУ. Конструкции и расчет печей сопротивления. Установки индукционного и диэлектрического нагрева. Индукционные тигельные и канальные печи. дуговые сталеплавильные печи. Рудовосстановительные, вакуумные дугостаторные, электрошлаковые печи. Электродуговая сварка и наплавка металлов. Плазменные, электронно-лучевые и лазерные установки. Установки электроэрозионной, электрохимической, ультразвуковой обработки, магнитоимпульсные установки.

18. Теория электромагнитного поля (в приложениях) (150 час.) Аналитические методы расчета электромагнитных полей в ЭТУ. Определение параметров ЭТУ, их элементов и схем питания. математические модели ЭТУ, сочетающие положения теории цепей и теории поля. Двумерная и одномерная модели индукционной машины (ИМ). Краевые эффекты в линейной ИМ. Численные методы решения уравнения Максвелла. Описание гидродинамических и тепломассообменных процессов в ЭТУ. Основы магнитной гидродинамики. Теория подобия и физическое моделирование. Электродинамика электродных (резистивных, дуговых, смешанного действия) установок. основы теории электрических цепей электродных установок постоянного и переменного тока. Электрические и регулировочные характеристики электрических печей переменного тока.

19. Специальные ЭТУ (160 час.) Магнитогидродинамические генераторы и насосы. Индукционные канальные печи. Установки электромагнитного перемешивания металла. Линейные электродвигатели. Установки обогащения минерального сырья и переработки отходов. Магнитоимпульсные установки. Установки индукционного и диэлектрического нагрева. Установки комплексного электротермомеханического действия.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УЧЕБНОЙ НАГРУЗКИ ПО СПЕЦДИСЦИПЛИНАМ СПЕЦИАЛЬНОСТИ

“ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ”

3. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ ТИПОВ ЭТУ

- установки, основанные на тепловом действии тока (нагревательные приборы, установки электрошлакового переплава металлов, контактной сварки, индукционного и диэлектрического нагрева, нагрева и сварки электрической дугой, электроэрозионной обработки разрядом в жидкости, электроннолучевые и лазерные);

- установки, основанные на электрохимическом действии тока (электролизные ванны, установки для нанесения защитных и декоративных покрытий, электрохимикомеханической обработки изделий в электролитах);

- электромеханические установки, в которых протекание импульсного тока вызывает возникновение механических усилий в обрабатываемом материале, а также установки ультразвукового воздействия, осуществляющие технологический процесс путем создания в веществе механических колебаний - электрокинетические установки, принцип действия которых основан на преобразовании энергии электрического поля в энергию движущихся частиц (электрофильтры, установки по разделению сыпучих материалов и эмульсий, очистке сточных вод, электроокраске).

Краткое описание электротехнологических установок, приведенное далее, составлено преимущественно на базе [2, 5].

3.1. Принцип действия и устройство ЭТУ 3.I.I. Установки, основанные на тепловом действии тока В [2] предложена следующая классификация способов преобразования электрическом энергии в тепловую.

Нагрев сопротивлением за счет выделения тепла в проводящем материале при протекании по нему тока I. Количество тепла определяется законом Джоуля-Ленца ( Р= I2f t в единицу времени на сопротивлении R ).

В установках прямого действия тепло выделяется в самом изделии, включенном в электрическую цепь. В установках косвенного действия тепло передается нагреваемому объекту от специальных нагревательных элементов.

Индукционный нагрев с помощью вихревых токов, наведенных в нагреваемом объекте переменным электромагнитным полем, которое создается специальным индуктором.

Диэлектрический нагрев непроводящих материалов и полупроводников за счет сквозных токов проводимости и смещения при поляризации их в высокочастотном электрическом поле.

Дуговой нагрев, при котором материал нагревается за счет теплоты, поступающей от электрической дуги и электродов.

Электронно- и ионно-лучевой нагрев за счет выделения теплоты при столкновении быстродвижущихся электронов или ионов в электрическом поле с поверхностью нагреваемого объекта.

Плазменный нагрев при использовании низкотемпературной плазмы, получающейся при пропускании газа через дуговой разряд или высокочастотное электромагнитное или электрическое поле.

Лазерный нагрев поверхности объектов при поглощении ими высококонцентрированных потоков световой энергии, полученных в лазерах оптических квантовых генераторах.

Ниже приводится краткое описание некоторых типов электротермических установок.

Схема прямого нагрева сопротивлением показана на рис. 3.1, в ней изделие 2 нагревается протекающим по нему током.

1- водоохлаждаемые зажимы; 2 - нагреваемое изделие; 3 - печной трансформатор Нагревательные элементы установок косвенного действия подразделяют на три группы [2] :

низкотемпературные - нагрев до 500 - 700 К и преимущественно конвективный способ теплообмена;

среднетемпературные - нагрев до 900 - 1300 К с теплообменом конвекцией, теплопроводностью и излучением;

высокотемпературные - нагрев до 2500 - 3300 К с теплообменом преимущественно излучением.

На рис.3.2 показан трубчатый электронагреватель - ТЭН, представляющий собой металлическую трубку I, заполненную теплопроводным электроизоляционным материалом 2, в котором находится электронагревательная спираль 3. В качестве наполнителя применяется плавленный периклаз. Мощность ТЭНов составляет от 100 Вт до 15 кВт, рабочее напряжение 36-380 В, рабочая температура 400-1000 К.

Рис.3.2. Схема трубчатого электронагревателя (ТЭНа):

1 - металлическая трубка; 2 - теплопроводный электроизоляционный материал; 3 - электронагревательная спираль На рис.3.3 показаны электропечи сопротивления периодического действия с различными способами загрузки (выгрузки) нагреваемой печи (садки) в камеру - снизу (б), горизонтально через дверцу (в), сверху под крышку (г), а также на стенд I с последующей установкой сверху жаропрочного 3 и основного (металлического с огнеупорной футеровкой) колпаков камеры печи (а).

Рис.3.3. Печи сопротивления периодического действия:

I - стенд; 2 - камера печи; 3 - жаропрочный муфель; 4 -нагревательные элементы; 5 - нагреваемое изделие (садка); 6 -опускающийся под; 7 - подъемное устройство; На рис. 3.4 показана печь непрерывного действия с перемещением садки на горизонтальном конвейере.

Широко применяются электропечи сопротивления для плавки металлов (олова, свинца, цинка, других металлов и сплавов с температурой плавления 600-800) К); выделяют тигельные печи (тигель с металлом внутри корпуса с нагревателями) с коэффициентом полезного действия - 50и камерные (ванные) с КПД 60-65%. Последние используются для переплавки алюминия на слитки.

1 - теплоизолированный корпус; 2 - загрузочное окно; 3 -нагреваемое изделие; К установкам прямого нагрева относятся электрические котлы для подогрева воды, а также жидкостные электропечи для нагрева металлических предметов. Тепло в них выделяется при пропускании (с помощью электродов) тока через воду или расплав соли (стекломассы).

Для производства слитков из высококачественных сталей применяют установки электрошлакового переплава (рис.3.5), в основу Рис. З.5. Схема установки электрошлакового переплава:

I - переплавляемый металл; 2 - электропроводный шлак;

3 - во до охлаждаемый кристаллизатор; 4 - водоохлаждаемый поддон; 5 - ванна расплавленного металла; 6 - слиток; 7 - слой гарнисажа которых положено явление разогрева расплава соединений шлака до 2000К проходящим по нему током [2]. Электрический ток протекает между электродом и поддоном через шлак, который имеет большое электрическое сопротивление и разогревается. Находящийся в расплаве шлака торец электрода расплавляется, и капли металла стекают с электрода, проходят через шлак, где дополнительно нагреваются, очищаются и собираются на дне охлаждаемого кристаллизатора в виде слитка. По мере оплавления электрод подается вниз. На таком же принципе основано действие установок электрошлаковой сварки, которые используются для соединения металлов большой толщины.

В установках контактной сварки (рис.3.6) нагревание металла а - стыковая, б - точечная, в - шовная; I - водоохлаждаемые электроды; 2 - свариваемые Тр - сварочный трансформатор; Rк - контактное сопротивление между деталями; Rд сопротивление детали от электрода до места сварки; Rэ ~ сопротивление электрода происходит в месте контакта свариваемых деталей по плоскости их соприкосновения. В данном месте сопротивление RК намного превышает RД и RЭ, следовательно, и выделяется наибольшая мощность I2RK. Из-за неровностей на поверхностях свариваемые детали при их сжатии (усилие Fcж показано стрелкой) соприкасаются лишь в отдельных точках, через которые проходит ток I. В них возникает большая плотность тока, что вызывает сильный локальный нагрев металла. Когда металл нагреется до пластического или оплавленного состояния, при сжатии деталей произойдет их сваривание, после чего ток отключается. Процесс сварки происходит за короткий промежуток времени (единицы секунд).

Принцип действия установок индукционного нагрева основан на поглощении проводящей средой энергии переменного электромагнитного поля. При этом индуктор, являющийся первичной обмоткой трансформатора, создает переменное магнитное поле, которое индуцирует токи в нагреваемом теле, являющемся короткозамкнутой вторичной обмоткой трансформатора. Глубина проникновения тока вглубь нагреваемого тела определяется частотой питающего напряжения = 2f, удельным электросои магнитной проницаемостью µ = 2 / µ. Индукционный способ нагрева применяется при следующих технологических процессах: плавка, поверхностная закалка, нагрев заготовок, сварка и пайка, получение монокристаллов из тугоплавких оксидов, получение плазмы. Индукционные плавильные печи подразделяют на канальные и тигельные.

На рис. 3.7,а показана индукционная тигельная печь. Магнитный поток, созданный катушкой индуктора I, замыкается через металлическую загрузку (шихту) 2 и индуцирует в ней ток, который расплавляет металл. Токи в металле взаимодействуют с током в индукторе, создавая электродинамические силы, которые перемешивают расплав. На рис.3.7,б приведены схема питания и элементы оборудования печи, более подробное обсуждение которых изложено в 3.2.

Рис.3.7. Индукционная тигельная печь без сердечника:

а ~ устройство индукционной тигельной печи без сердечника; б - принципиальная электрическая схема включения индукционной печи промышленной частоты; I индуктор: 2 - расплавленный металл; 3 - тигель; 4 - трансформатор; 5 - контактор;

6 - дроссель; 7 - конденсаторная батарея; 7а - конденсаторная батарея; 8 - однофазная печь; 9 - электропривод механизма наклона печи; 10 ~ шкаф управления; II - охладительная установка Схема индукционной канальной печи приведена на рис.3.8. Катушка индуктора с числом витков W1 является первичной обмоткой трансформатора, а канал с расплавленным металлом - коротко замкнутым витком его вторичной обмотки W2= I. Основной поток 1 проходит по маРис.3.8. Схема индукционной канальной печи гнитопроводу М, охватывая канал с металлом. При его изменении в короткозамкнутом витке-канале наводится ток и выделяется тепло. Особенностью такого трансформатора является повышенный поток рассеяния s, лишь частично охватывающий канал. В ряде случаев он может быть полезно использован для перемешивания или вращения металла в канале, что предотвращает "зарастание" канала [l4].

Находят применение также электромиксеры и копильники жидкого металла - устройства для подогрева и выравнивания его температуры перед разливкой, когда объем отливаемой детали больше емкости плавильной печи. В них также перемешиваются добавки и примеси. Работают они всегда в комплексе с плавильными печами.

Индукционные нагревательные установки делятся на установки сквозного и поверхностного нагрева. Первые применяются для нагрева заготовок под последующую пластическую деформацию (ковку, штамповку, прессовку, прокатку). Выбор частоты производится таким образом, чтобы глубина проникновения тока в металл была лишь в 2-3 раза меньше его толщины и вся заготовка хорошо прогревалась. На рис. 3.9 приведены схемы установок непрерывного действия, в которых одновременно находится несколько заготовок. Индуктор создает продольное (а) либо поперечное (б) магнитное поле. Поверхностный нагрев сопровождается проявлением поверхностного эффекта, когда глубина проникновения тока в металл невелика и интенсивно прогревается лишь поверхностный слой (например, закалка - нагрев поверхности с последующим быстрым охлаждением). Изучение особенностей индукционного нагрева вынесено в учебно-лабораторный практикум (раздел 6).

Для нагрева материалов с плохой электропроводностью (диэлектриков) применяется высокочастотный диэлектрический нагрев. При этом диэлектрик помещается между металлическими обкладками, к которым прикладывается переменное напряжение. Протекающие по диэлектрику токи смещения и малые токи проводимости нагревают материал. В зависимости от частоты f напряжения различают установки средневолнового Рис. 3.9. Схемы индукционных нагревательных установок непрерывного действия:

I - индуктор; 2 - нагреваемое изделие; 3 - теплоизоляция;

4 - механизм перемещения заготовки; 5 – магнитопровод (f = 0,3 - 3 МГц), коротковолнового (f = 3 - 30 МГц) и ультраволнового (f = 30 - 300 МГц) диапазонов, создающие удельные потери мощности в диэлектрике от долей ватта до нескольких киловатт на кубический сантиметр.

Одна из схем такого нагрева приведена на рис. 3.27 (раздел 3.2).

На рис. 3.10 показана установка инфракрасного излучения, в которой нагрев осуществляется инфракрасными лучами - электромагнитными колебаниями с длиной волны 10-6 – 10-4м. Глубина проникновения их в изделие зависит от свойств материала, характера поверхности и составляет от десятых долей до нескольких миллиметров. Основными источниками инфракрасных лучей являются кварцевые трубчатые, неметаллические стержневые нагреватели с рефлектором и т.п. В пищевой промышленности такой нагрев применяется при обжаривании, копчении, варке мясных и рыбных изделий, выпечке печенья (см. рис.3.10) и т.д.

Установки дугового нагрева используют явление электродугового разряда между электродами, к которым прикладывается напряжение. При этом на электродах возникает термоэлектронная (под действием разогрева) или автоэлектронная (под действием высокого напряжения) эмиссия (выход электронов из металла), происходит ионизация межэлектродного промежутка - образование плазмы. Выделяющееся тепло используется для сварки, плавки или нагрева.

Электродуговые печи классифицируются следующим образом:

- дуговые печи косвенного действия, когда электрода и дуга между ними расположены над нагреваемым за счет излучения материалом;

- дуговые печи прямого действия, когда дуга горит между концами электродов и нагреваемым металлом;

- дуговые печи сопротивления, когда дуга горит под слоем электропроводной шихты, а теплота выделяется в дуговом разряде и преимущественно при прохождении тока через шихту в расплавленных материалах.

В настоящее время широко применяются также плазменные печи и плазменно - дуговые плавильные установки, в которых нагрев металла осуществляется электрической дугой, совмещенной с плазменной струёй инертного газа.

На рис. 3.11 в качестве примера приведена схема дуговой сталеплавильной печи. Загрузка печи производится через рабочее окно или сверху, слив готового металла - путем наклона печи. Для зажигания дуги и в процессе плавки электроды перемещаются с помощью привода 5.

В рудно-термических печах нагрев материалов осуществляется за счет теплоты от тока, протекающего через электроды, шихту, электрическую дугу и расплав. Они применяются для получения ферросплавов, фосфора, огнеупоров и т.д.

I - стальной кожух; 2 - футеровка; 3 - свод печи; 4 -электроды; 5 - механизм подъема Рис.3.12. Схема вакуумной дуговой печи с глухим кристаллизатором (а) и с вытягиванием I - электрод; 2 - холодильник; 3 - вакуумное уплотнение штока; 4 - тянущий шток; 5 - поддон; 6 - слиток; 7 - кристаллизатор; 8 – соленоид Для повышения качества металла его переплавляют при низком давлении в вакуумных дуговых печах (рис.3.12), в результате чего в нем уменьшается содержание вредных примесей и растворенных газов. Такие печи применяют для выплавки слитков титана, вольфрама, высококачественных сталей и т.п. К электроду I подается отрицательный, к кристаллизатору 7 - положительный полюсы источника питания. Соленоид 8 питается выпрямленным током и создает магнитное поле аксиального направления. В результате взаимодействия поля с токами в дуге и расплаве дуга стабилизируется, а металл в ванне печи вращается, что улучшает структуру металла при его кристаллизации.

Плазменные установки используются в различных технологических операциях - плазменной резки и сварки металлов, получения особо чистых слоев материалов, нанесения покрытий, упрочнения поверхности и наплавки металлов, проведения плазмохимических процессов. В основе работы таких установок лежит получение и использование потока плазмы - четвертого состояния вещества - электропроводящей ионизированной среды, позволяющей проводить обменные реакции и транспортные процессы на ионном уровне [2]. В качестве плазмообразующих газов используют аргон, азот, гелий, водород. В плазменном состоянии они имеют высокую энтальпию, т.е. количество теплоты в единице объема или массы. Плазму получают путем взрыва проводника в электрической цепи с помощью электрической искры, высокочастотного факельного, коронирующего или дугового разрядов.

Рис.3.13. Схема плазмотрона со стабилизацией дуги стенкой На рис. 3.13 показана схема плазмотрона (генератора низкотемпературной плазмы), в котором происходит нагрев плазмообразующей среды электрическим разрядом, дуговой разряд горит между электродами (-) и (+), разделенными водоохлаждаемой стенкой, состоящей из полых медных секций. Благодаря охлаждению этих секций около стенки образуется слой холодного газа, поэтому дуга занимает лишь центральную часть сечения канала. Применяются и другие способы стабилизации дуги - газовихревая, магнитная.

На рис. 3.14 в качестве примера плазменной технологии показана схема печи для плавки в кристаллизаторе. Переплавляемый металл 6 подается с постоянной скоростью и оплавляется плазменными дугами. Анодом является поверхность ванны жидкого металла.

Трудно представить себе современное производство без установок дуговой электрической сварки, в которых тепловая энергия дуги расплавляет кромки свариваемых деталей и торец плавящегося электрода. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Различают ручную, полуавтоматическую и автоматическую (под флюсом) сварку. Следует отметить сварку в камерах с контролируемой атмосферой, в углекислом газе. В силу малости и нелинейности сопротивления дуги предъявляются особые требования к электрической цепи и источникам питания сварочных установок. В частности, на рис. 3.15 показана схема сварочного аппарата, в которой напряжение сети понижается с помощью трансформатора А (обмотки I и II имеют различное число витков), а регулирование тока осуществляется c помощью регулируемой индуктивности (дросселя) Б за счет изменения зазора в магнитопроводе.

Электронно-лучевые установки (ЭЛУ) относятся к установкам высокоинтенсивного нагрева и применяются для обработки тугоплавких металлов, сварки, испарения металлов и оксидов, напыления и т.д. В таких устройствах создается направленный поток электронов (электронный луч), переносящий энергию от излучателя электронов к изделию. В состав ЭЛУ входят энергетический комплекс (электронная пушка с блоками питания и управления лучом) и электромеханический комплекс (рабочая камера, вакуумная система, Рис.3.15. Схема сварочного аппарата с отдельным регулятором:

А - сердечник с двумя обмотками: первичной I и вторичной - II; Б – дроссель системы позиционирования и перемещения заготовки, система наблюдения за ходом процесса, система защиты оператора от рентгеновского излучения, а также ряд вспомогательных устройств и механизмов). На рис. 3.16 показана схема ЭЛУ с кольцевым катодом К (нагретой до 2500 К протекающим через нее током вольфрамовой спиралью) и анодом А, которым являются расплавляемый электрод и ванна жидкого металла в верхней части образующегося в охлаждаемом кристаллизаторе слитка. Молибденовый экран Э, имеющий одинаковый с катодом потенциал, отталкивает электроны, формируя их в направленный пучок. Конец электрода расплавляется под действием бомбардирующих его электронов. Жидкий металл стекает в ванну.

На рис.3.17 приведена схема ЭЛУ для переплавки металлолома, который подвергается воздействию нескольких электронных пушек.

Лазерные установки высокоинтенсивного нагрева имеют в своей основе оптические квантовые генераторы (лазеры). На рис. 3.18 показан лазер с рубиновым стержнем в качестве рабочего тела. Стержень 2, изготовленный из рабочего вещества, помещен между двумя зеркалами 1, 3. Зеркало I полностью отражает все падающие на него лучи, а зеркало 3 является полупрозрачным, для накачки энергии используется газоразрядная лампа-вспышка 6, которая помещена вместе со стержнем внутрь отражающего кожуха, с поперечным сечением в форме эллипса (показано слева). На рис. 3.19 приведена схема промышленной лазерной установки.

Рис.3.18. Принципиальная схема твердотельного лазера с рубиновым стержнем:

1,3 - зеркала; 2 - стержень; 4 отражающий кожух; 5 - источник питания; 6 - газоразрядная лампа-вспышка Рис.3.19. Структурная схема промышленной лазерной установки:

I - зарядное устройство; 2 - емкостный накопитель;

3 - лазерная головка; 4 - система охлаждения; 5 - датчик энергии излучения; б - оптическая система; 7 - изделие; - предметный столик; 9 - система программного управления; 10 - система стабилизации энергии излучения; II система управления; 12 - блок 3.1.2. Установки электрохимического, электромеханического, электрокинетического действия В электролизных установках используется явление электролитической диссоциации - распада вещества (электролита) на ионы при его растворении или расплавлении. При пропускании через электролит тока на электродах выделяется вещество. Этот процесс называют электролизом. Электролизная ванна называется электролизером. В промышленности широко применяется электролиз меди, цинка, алюминия.

На рис. 3.20 показана схема электролитического шлифования, или полирования, в стационарном электролите. При прохождении тока через электролит и электроды 4 и I происходит растворение поверхности анода в электролите.

Поскольку плотность тока на выступах больше, они растворяются быстрее происходит полирование поверхности изделия.

Схема магнитоимпульсной установки показана на рис. 3.21. При протекании импульса тока по виткам индуктора (когда разрядник 7 пробивается и емкость 3 разряжается на индуктор I) создается магнитный поток Ф, который индуцирует в заготовке 2 импульс "вихревого" тока. Его взаимодействие с магнитным полем обусловливает возникновение электромагнитных сил (показаны стрелками), которые могут достигать десятков тонн на квадратный сантиметр и деформируют заготовку. На рис. 3.22 в качестве примера приведены варианты обработки изделий указанным способом. Схемы релаксационных (импульсных) генераторов для питания индуктора показаны в разделе 3.2.

Рис.3.20. Схема электрохимического шлифования-полирования в стационарном электролите:

а - микрогеометрия поверхности детали и линии тока в начале обработки: б - то же в конце обработки; I - обрабатываемая деталь; 2 - электролит; 3 - ванна; 4 - катод; 5,6 - линии тока Рис.3.21. Принципиальная схема установки для магнитоимпульсной обработки:

I - индуктор; 2 - заготовка; 3 - емкостный накопитель (конденсаторная батарея); 4 - повышающий трансформатор; 5 -выпрямитель; 6 - автотрансформатор; 7 – разрядник Ультразвуковые установки используют метод механического воздействия на материал с частотой от 16 до 15 кГц. Они применяются для размерной обработки деталей, очистки поверхности изделий, смешивания веществ. Широко известны ультразвуковые методы контроля. Источники ультразвуковых колебаний могут быть двух типов [2] - механические (свистки, сирены) и электрические (электродинамические, магнитострикционные, пьезоэлектрические), преобразующие электрическую энергию в механические упругие колебания.

На рис. 3.23 показана схема магнитострикционного преобразователя. При создании электромагнитами 3,6 постоянного магнитного поля в сердечнике 4 (выполнен из никеля или пермендюра) последний изменяет свою длину. При наложении дополнительного переменного магнитного поля, создаваемого катушкой 5, сердечник будет периодически (с частотой пульсаций тока) дополнительно изменять свою длину, возбуждая колебания концентратора (акустического преобразователя скорости) и преобразователя 8, воздействующего на обрабатываемую деталь 10.

В качестве примера на рис.3.24 приведена схема ультразвуковой установки для очистки деталей (частота колебаний от 25 до 1600 кГц).

Рис. 3.23. Схема магнитострикционного преобразователя. I - генератор тока высокой частоты; 2 - источник постоянного тока; 3,6 - электромагниты; 4 - преобразователь; 5 - обмотка сердечника преобразователя; 7 - концентратор; 8 - преобразователь; 9 - шланг подачи рабочей жидкости; 10 - обрабатываемая деталь Изделия подаются в ванну цепным транспортером 5. Моющая жидкость подается насосом I через фильтр 2. Ультразвуковые преобразователи 4, питающиеся от генератора 3, создают в ванне ультразвуковые колебания.

Рис. 3.25 демонстрирует схему электрофильтра, который является одним из видов электростатических промышленных установок. Заряжающиеся в коронирующем разряде частицы вещества осаждаются на стенках 7 за счет кулоновских сил взаимодействия их зарядов с электрическим полем.

Аналогичный принцип используется в установках окраски изделий в электростатическом поле, рис. 3.26. Коронирующий разряд между сетками и конвейером приводит к зарядке частиц краски, вдуваемой через сопло 8. Эти частицы равномерно оседают на изделия (анод), окрашивая их.

3.2. Особенности электроснабжения, электрооборудования и управления ЭТУ Современная электротехнологическая установка представляет собой сложный промышленный комплекс, включающий в себя собственно электротехнологический преобразователь энергии, электро- и электрогидромеханические системы, системы питания, управления и др.[6]. Электротехнологический преобразователь энергии относят к главному оборудованию, все прочее оборудование является вспомогательным, хотя такое деление, конечно, весьма условно.

Электромеханическое оборудование ЭТУ имеет ряд особенностей, которые нужно учитывать при проектировании, монтаже и эксплуатации [6]. Большинство рабочих органов приводов ЭТУ имеет низкие скорости движения, что требует применения редукторов с большим передаточным числом. Например, общее передаточное число электромеханического привода вращения ванны ферросплавной печи мощностью 16,5 мВА, составляет 1975000, а I - регулирующий автотрансформатор; 2 - повышающий трансформатор; 3 - высоковольтный выпрямитель; 4 - кабель с ограничительным сопротивлением; 5 - изолирующий ввод; 6 - коронирующий электрод; 7 - осадительный электрод; 8 - механизм встряхивания; – бункер поворот ванны на один оборот длится 33-132 часа с плавным регулированием скорости в зависимости от хода технологического процесса.

Во многих случаях на рабочих органах приводов ЭТУ возникают большие усилия, что предъявляет повышенные требования к построению кинематических схем, выбору типа двигателя и схемы управления, широкое применение в таких установках находит электрогидропривод (например, привод наклона индукционной печи).

Ряд приводов ЭТУ требует высокого быстродействия. Например, приводы перемещения электродов дуговых сталеплавильных печей и печей переплава работают в тяжелых динамических режимах с частыми пусками и реверсами.

Многие элементы и узлы приводов ЭТУ работают в тяжелых условиях повышенных температур, большой запыленности и агрессивности окружающей среды, при высоких давлениях. В ряде технологий требуется передать момент и усилие через стенку (в вакуум или экологически опасную атмосферу).

Большое значение при выборе типа привода ЭТУ имеют вопросы надежности, когда отказ в работе некоторых механизмов может привести к выходу из строя всей установки.

Рис. 3.26. Схема установки для окраски изделий в электростатическом поле:

I - заземленный конвейер; 2 - изделия; 3 - выход из камеры; 4 - высоковольтный выпрямитель; 5 - изоляторы; 6 -рамы с металлическими сетками; 7 - вытяжной вентилятор Определенные особенности имеют и системы электроснабжения (питания) ЭТУ. Следует прежде всего иметь в виду, что многие электротехнологические установки являются весьма энергоемкими. Например, при электролизе алюминия через ванну протекает ток 100 кА, а расход энергии составляет I4000-I6000 кВтч/т. Кроме этого в ряде случаев для электроснабжения ЭТУ требуются специальные источники питания, обеспечивающие выпрямление тока или изменение частоты напряжения. Чаще всего для регулирования параметров технологического процесса применяются замкнутые системы управления с автоматическим изменением или стабилизацией параметров питающего напряжения. Применение полупроводниковых источников питания требует согласования их с сетью по уровню высших гармонических напряжений. В качестве примеров далее приведем схемы электропитания некоторых ЭТУ с кратким описанием их работы [2].

На рис. 3.27 показана принципиальная схема высокочастотного генератора на триоде и его эквивалентная схема узла нагрузки. Технологический узел конденсатор Сн с нагреваемым материалом - включен в колебательный контур.

Посредством магнитной связи между L и LK осуществляется обратная связь в ламповом генераторе, обеспечивающая незатухающие колебания в контуре LK – Сн.

Рис.3.27. Схема высокочастотного генератора для диэлектрического нагрева (а) и эквивалентная схема нагрузки (б):

Lд - индуктивность дросселя, защищающего выпрямитель от высокой частоты; ЛГ - ламповый генератор; Ср - разделительный конденсатор; Сн - емкость нагревательного конденсатора; Lk - индуктивность колебательного контура; Rн -активное сопротивление нагрузки; R1 активное сопротивление индуктивной катушки и соединительных проводов Подключение мощных трехфазных индукционных нагревательных установок промышленной частоты к трехфазной сети вызывает искажение токов и напряжений, что неблагоприятно сказывается на работе других потребителей. На рис.3.28 показаны схемы подключения однофазной нагрузки Н (индуктора печи И) к трехфазной сети с помощью симметрирующего устройства (L и Сс в других фазах). Векторная диаграмма токов в фазах и линейных проводах (в) поясняет принцип симметрирования линейных токов IA, IB, IC. На схеме показаны конденсаторы С - Сл для компенсации реактивной мощности печи (уменьшения питающего индуктор тока) [17], а также автоматический регулятор режима APИP, который регулирует напряжение трансформатора на основании сравнения задания с измеренными при помощи трансформаторов тока ТТ2 и напряжения ТН значениями напряжения и тока печи. На рис. 3.7,б показана схема включения однофазной тигельной печи 8 в трехфазную сеть с конденсатором и дросселем 6 в других фазах. Там же изображены электроприводы вспомогательных механизмов 9 и 11.

Рис.3.28. Схема включения индукционной печи через симметрирующее устройство (а), схема включения однофазной нагрузки в трехфазную сеть (б) и векторная диаграмма токов и напряжений (в):

ПСН - переключатель ступеней напряжений; Сс - симметрирующая емкость; L - реактор симметрирующего устройства; С- Сn, - компенсирующая конденсаторная батарея; И индуктор печи; АРИС - регулятор симметрирующего устройства; APИP - регулятор режима; K1 - Kn - контакторы управления конденсаторной батареи C1 – Сn ; TT1, ТТ2 трансформаторы тока Силовая цепь вакуумной дуговой печи (см. рис. 3.12) включает в себя источник питания, токопровод до печи, токоведущие участки конструкции, токоведущий шток, электрододержатель, расходуемый электрод, слиток, кристаллизатор и вакуумную камеру. В качестве источника питания используется тиристорный выпрямитель (рис. 3.29). Его питание осуществляется на напряжении 6 или 10 кВ, первичная обмотка трансформатора имеет устройство регулирования под нагрузкой. Вторичная обмотка состоит из групп двух обратных звезд с уравнительными реакторами УР. Каждая группа рассчитана на ток 12, кА (для агрегата ТВУ - 12500/75 Т). Сглаживающие реакторы L1 и L2 предохраняют источник от резких бросков тока, возникающих при капельных коротких замыканиях. Шунты ШH1 и ШНг и датчики тока ДT1 и ДT2 служат для измерения тока.

Рис. 3.29. Схема главных цепей тиристорного преобразовательного агрегата ТВ На рис.3.30 показана схема параметрического источника питания, обеспечивающего постоянство тока нагрузки при изменяющемся ее сопротивлении. Это достигается за счет равенства регулируемых сопротивлений блока конденсаторов в фазе С и дросселя в фазе B.

Для питания индукционной печи напряжением повышенной частоты используется тиристорный преобразователь (рис.3.31) с явно выраженным звеном постоянного тока, в котором одна группа тиристоров работает в режиме выпрямления по мостовой схеме, а другая - в режиме инвертирования.

При открывании пары вентилей B1В4 ток через нагрузку течет в направлении 1, а при открывании B3B2 - в направлении 2. Блок пуска обеспечивает запуск преобразователя.

Рис 3.31. Схема силовой цепи тиристорного преобразователя частоты:

I - шкаф ввода питания; П - выпрямитель; Ш - блок реакторов; 1У - инвертор; У - нагрузка; L - сглаживающий реактор; БП - блок пуска; ВА - выключатель автоматический; С - емкость; R - резистор; P1 - контактор Основное электрооборудование дуговых печных установок (рис.3.32) включает в себя: печь с электродами и ванной; отдельный для каждой печи понизительный трансформатор 5, вместе с которым часто размещен реактор 4; короткую сеть 7, соединяющую вторичные выводы трансформатора с электродами печи; коммутационную (2,3), измерительную (6,9) и защитную аппаратуру. Трансформатор имеет высокий коэффициент трансформации (с 6-110 кВ до нескольких сотен вольт), большой вторичный ток (десятки и сотни килоампер), большое количество ступеней регулирования напряжения (40 и более).

Реактор служит для ограничения тока при эксплуатационных коротких замыканиях. В короткую сеть входят: шинные пакеты (от выходов низкого напряжения трансформатора до неподвижных башмаков), гибкая часть (кабель), трубошины (от подвижных башмаков до головок электрододержателя), электроды. Защиту от перегрузок обычно обеспечивают на стороне низкого напряжения с помощью максимальных реле с зависимой выдержкой времени (5-10 с). Защита от токов аварийного короткого замыкания осуществляется с помощью максимальных реле мгновенного действия на стороне высокого напряжения.

Для поддержания постоянства мощности в дуге Рд = UдIд требуется обеспечить постоянство сопротивления дугового промежутка Rд, т.е. построить регулятор мощности, обеспечивающий условие (Uд/Iд) =Rд= =const, [6].

На рис. 3.33 показана структура регулятора мощности дуговой сталеплавильной печи. Сигналы, пропорциональные току в дуге Iд и напряжению на ней Ud, подаются на блок сравнения БС. При выполнении указанного выше условия рассогласование на выходе узла сравнения = 0. Отклонения от него приводят к тому, что 0. Поступая на вход преобразователя U, который выполняется электрическим или гидравлическим, рассогласование усиливается и отрабатывается электрическим или гидравлическим двигателем в сторону ликвидации рассогласования. Контроль за правильностью отработки возмущения исполнительным двигателем осуществляется главной обратной связью, представляющей собой кинематическую цепь от вала двигателя до электрода.

Для аргонно-дуговой сварки металлов малых толщин постоянным и импульсным токами применяются транзисторные преобразователи (рис. 3.34).

Напряжение с трансформатора Тр подается на неуправляемый выпрямитель В, собранный по мостовой схеме, транзисторный регулятор напряжения Т и сварочную установку Д. Блок поджига БП содержит осциллятор, зажигающий дугу без касания электродов. Ток плавно регулируется с помощью транзисторов, обеспечивающих крутопадающие внешние характеристики источника питания I (рис. 3.34,б), наиболее соответствующие вольтамперной характеристике дуги 2 с точки зрения ее устойчивой работы. Режим импульсной дуги формируется с помощью генератора импульсов ГИ и блока управления транзисторами БУ.

Преобразовательная подстанция электролизного производства состоит из распределительного устройства переменного тока, силовых трансформаторов с устройством регулирования напряжения, полупроводниковых агрегатов, распределительного устройства постоянного тока и устройств собственных нужд.

На рис. 3.35 показана схема выпрямительного агрегата с управляемыми вентилями (тиристорами) [2]. Тиристорные ключи в цепях первичных обмоток, Рис.3.34. Принципиальная схема и внешние характеристики аппаратов типа В - выпрямительный блок; Тр - силовой трехфазный трансформатор; Т - блок транзисторов; БУ - блок управления; ГИ - генератор импульсов; БП - блок поджига дуги однофазных трансформаторов Tp1 - Трз обеспечивают плавное регулирование переменного тока. Неуправляемый выпрямитель В питается от вторичных обмоток трансформаторов, соединенных по схеме двойной трехфазной звезды.

В агрегате применена двухконтурная система регулирования с внутренним токовым контуром и внешним - контуром напряжения. Регулятор тока усиливает сигнал рассогласования между заданным и текущим (с датчика тока ДТ) значениями тока ванн. Он подключен к входу системы импульсно-фазового управления тиристорами (СИФУ), которая обеспечивает соответствующее изменение угла открытия тиристоров и, следовательно, первичных токов трансформаторов. В нормальном режиме регулятор напряжения РH находится в насыщенном состоянии, а при увеличении напряжения на нагрузке выше заданного корректирует суммарное значение выпрямленного тока.

На рис.3.36 в качестве примера импульсного регулирования температуры приведена схема включения нагревательной печи [2]. Температура в рабочем пространстве печи контролируется термопарами, термометрами сопротивления, фотоэлементами. Включение печи осуществляется регулятором температуры РТ путем подачи питания на катушку выключателя КВ. При достижении измеряемыми значениями температуры величины ( tзд+ t) PT отключает печь от сети. При снижении температуры до значения (tзд - t) PT Рис.3.35. Схема выпрямительного тиристорного агрегата снова включает печь. Глубина пульсации температуры зависит от чувствительности регулятора температуры, инерционности печи и чувствительности датчика температуры. Более подробно данный способ регулирования температуры печи рассматривается в рамках учебно-лабораторного практикума (раздел 6).

Достаточно интересны схемы импульсных релаксационных генераторов для питания установок электрохимической обработки (рис. 3.37). В схемах "а", "б" происходит периодический заряд конденсатора C1 или С и его разряд на межэлектродный промежуток МЭП при определенном напряжении. В схеме "б" при большом токе зарядки якорь Я притягивается к сердечнику вибратора L и увеличивает МЭП, поднимая электрод-инструмент. К концу зарядки С ток спадает, сила притяжения Я уменьшается, электроды МЭП сближаются, и он пробивается. В схеме "г" конденсатор C1 используется как токоограничивающий элемент.

Рис.3.36. Функциональная схема включения печи, изменения температуры и мощности при двухпозиционном регулировании:

В - выключатель; ЭП - электропечь; РT - регулятор температуры; KB катушка выключателя; I - температура печи; 2 - температура нагреваемого тела;

3 - средняя потребляемая печью мощность Рис.3.37. Схемы импульсных релаксационных генераторов

4. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОСТИ

Спасает положение возможность упрощения общей задачи для большинства практических случаев:

- трехмерные задачи возможно свести к набору двумерных при соответствующей увязке последних между собой [14];

- для некоторых двумерных задач при достаточно корректных упрощениях граничных и начальных условий возможно получить удобные аналитические решения [12,17];

- оказывается возможным представить некоторые участки (объемы) ЭТУС идеализированными (резистивными, емкостными, индуктивными, электрическими, магнитными, тепловыми, гидравлическими) элементами в их аналоговых схемах замещения [17,18], сведя задачу расчета поля к задаче расчета цепи.

Весьма мощным методическим приемом при исследовании полей различной физической природы является использование аналогии их между собой [19]. Например, перенос тепла в проводящей среде и течение невязкой жидкости аналогичны процессам в электрическом и магнитном полях. В табл.4.2, заимствованной из [19], показана аналогия, существующая между величинами в различных скалярных потенциальных полях.

Следует отметить еще один важный аспект данной проблемы. В настоящее время в продаже имеется широкий арсенал универсальных программных продуктов для исследования электрических цепей а также полей различной физической природы. Вместе с тем, если даже отбросить вопрос стоимости этих продуктов, нужно сказать, что в большинстве случаев универсальные пакеты программ весьма слабо ориентированы на исследование конкретного устройства в динамических режимах его работы, как элемента системы или как объекта управления.

В двумерных задачах электрический потенциал V описывается уравнением Пуассона, например, в декартовых координатах х, у где c - плотность заряда, 0 - диэлектрическая проницаемость среды.

Если заряды отсутствуют (c = 0), то (4.1) превращается в уравнение Лапласа с нулевой правой частью.

Для магнитного потенциала справедливо также уравнение Пуассона где Jz - плотность тока в направлении оси z, µµ0 - магнитная проницаемость среды.

При Jz = 0 также получаем уравнение Лапласа. В качестве примера, демонстрирующего аналогии полей различной физической природы, приведем уравнение Лапласа для температуры Т при расчете стационарного теплового поля в плоской фигуре [9] В ряде случаев более удобно записать уравнения поля в цилиндрической системе координат, например для напряженностей электрического или магнитного полей [12].

Аналитическое решение уравнений Пуассона или Лапласа легко получается, если известна зависимость (или независимость) величин поля от одной из координат. Пример такого случая рассмотрен в [12] для сплошного проводящего цилиндра при его индукционном нагреве.

Он имеет важное практическое значение при рассмотрении поверхностной закалки и индукционного нагрева металлических изделий в промышленности и вынесен в лабораторный практикум для проведения вычислительного эксперимента (раздел 6).

Еще более простой является задача расчета зависимости тангенциальной (направленной по касательной к окружности радиуса r) составляющей напряженности Н магнитного поля при протекании постоянного тока I по проводнику круглого сечения. В этом случае составляющие H по осевой и радиальной координатным осям отсутствуют и может быть использован закон полного тока [17] где rm - внешний радиус провода, r < rm.

Легко видеть, что внутри провода H линейно нарастает с увеличением радиуса, а вне его падает обратно пропорционально r.

В более общей постановке уравнение Пуассона (Лапласа) решается численными методами, из которых наиболее часто применяются методы конечных элементов и конечных разностей [9,12]. В последнем случае на область поля накладывается прямоугольная сетка с заданными шагами по координатным осям. В каждом узле сетки производные заменяются конечно-разностными отношениями, которые связывают значение V ( или Т ) в данном узле со значениями этой величины в соседних узлах. Полученные для всех узлов уравнения вместе со значениями функции в граничных узлах (граничными условиями) образуют систему линейных алгебраических уравнений относительно искомых значений во внутренних узлах области. Эта система уравнений обычно имеет достаточно высокий порядок и решается каким-либо из известных приближенных методов – прямым методом Гаусса, косвенным итерационным методом Либмана и т.п. [9].

Погрешности решения складываются при этом из - погрешности замены дифференциального уравнения разностным;

- погрешности аппроксимации краевых условий;

- погрешности решения системы разностных уравнений приближенным методом.

Во многом выбор метода решения задачи зависит от возможностей имеющейся в распоряжении специалиста ЭВМ, а также от имеющегося у него программного обеспечения.

Более подробно особенности расчета полей рассматриваются в курсах теоретических основ электротехники, моделирования ЭТУС и других специальных дисциплинах.

Здесь следует только отметать, что с учетом геометрических размеров клеток сетки и свойств среды сетку можно трансформировать в детализированную схему замещения [14,20.]. Ее электрические, магнитные, тепловые или гидравлические сопротивления включаются в четырехугольники аналогично линиям клеток и в общем случае могут быть нелинейными. Тем самым задача расчета поля сводится в данном случае к задаче расчета разветвленной линейной (нелинейной) цепи.

Любая цепь сводится к параллельному или последовательному соединению активных и пассивных элементов в ее схеме замещения. При этом также можно наблюдать аналогию величин в цепях различной физической природы.

Это позволяет описывать их с помощью известных законов Ома и Кирхгофа.

Рассмотрим для примера участок электрической цепи с резистивным элементом R, по которому протекает постоянный ток I. Напряжение на нем (разность электрических потенциалов на зажимах) определяется законом Ома [17] где R =, - удельная электропроводность, lэ и Sэ - длина и сечение элекSэ тропровода.

При этом линейная зависимость U от I (вольтамперная характеристика) соответствует линейному электрическому сопротивлению R, а нелинейная - нелинейному.

Падение магнитного напряжения Uм на участке магнитной цепи (ферромагнитного сердечника, на котором размещена катушка, обтекаемая током) связано с магнитным потоком через него Ф также законом Ома [17] где R = - магнитное сопротивление; lм и Sм - длина и сечение участка магнитопровода (сердечника, зазора и т. п.).

Разность температур Т в стационарном тепловом поле между поверхностями теплопроводящего слоя (изоляции, металла) связана с тепловым потоком через него Q законом Ома для тепловой схемы замещения слоя [l8] где R = - тепловое сопротивление; - теплопроводность слоя; lт, Sт ST толщина и площадь поверхности слоя, т.е. длина и площадь сечения "теплопровода".

Следует отметить, что в производственной практике применяются так называемые "тепловые трубы" - специальные устройства с весьма малыми тепловыми сопротивлениями. Они используются для отвода тепла из какого-либо объема устройства.

Потери давления р на преодоление какого-либо аэродинамического или гидравлического сопротивления участка канала Z при протекании по нему газа или жидкости связаны с расходом Q выражением [18] В связи с аналогией расхода среды и электрического тока к схемам замещения аэродинамического или гидродинамического тракта также применимы законы Кирхгофа. Очевидно, что зависимость р от Q при этом нелинейна, т.е.

и схема замещения тракта нелинейна.

Рассмотренные выше элементы цепей соединяются между собой в соответствии с конструкцией устройства, образуя сложную разветвленную электрическую цепь с источниками тока и напряжения или ее аналогов в случае устройств другой физической природы. Эта цепь описывается системой алгебраических уравнений, составленной на основе применения законов Кирхгофа для узлов и контуров схемы. Процедура составления уравнений легко формализуется и становится достаточно универсальной с использованием теории графов и матричной алгебры, как показано в [10].

Решение систем линейных уравнений относительно неизвестных токов в ветвях или потенциалов узлов наиболее целесообразно производить с помощью компьютерных методов, которые условно делятся на точные, итерационные и вероятностные [10]. Точные методы (например, метод исключения Гаусса) применяются для решения задач с малым числом неизвестных итерационные (например, метод простой итерации, метод Либмана с последующей релаксацией [14]) - для решения задач со средним числом неизвестных, а вероятностные - для решения задач большой размерности с числом неизвестных n > 106.

Следует отметить, что итерационные методы (например, метод Ньютона) позволяют эффективно решать системы нелинейных алгебраических уравнений, которые описывают цепи с нелинейными элементами.

При анализе нестационарных режимов работы цепь описывается системой дифференциальных уравнений. В этом случае уравнения Кирхгофа записываются для мгновенных значений токов и напряжений с учетом напряжений на емкостных и ЭДС на индуктивных элементах. Решение дифференциальных уравнений или их систем осуществляется обычно методами Эйлера, РунгеКутта [9], Адамса [14].

В качестве достаточно простых примеров математического моделирования ЭТУС в рамках лабораторного и учебного практикума (раздел 6) рассматриваются компьютерные программы теплового расчета ЭТУ и разряда конденсатора на электромагнит в составе магнитоимпульсного устройства.

Более подробные сведения о моделировании ЭТУС приводятся в соответствующих дисциплинах учебного плана специальности.

5. НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

- экологические, как с позиций влияния на окружающую среду, так и по безопасности обслуживания;

- экономические, прежде всего с позиций энерго- и ресурсосбережений;

- эксплуатационные, прежде всего с позиций надежности работы и повышения производительности оборудования в технологическом процессе;

- коммерческие, прежде всего с позиций качества и стоимости продукции, что вполне очевидно и не нуждается в пояснениях.

Эти требования обусловливают постоянную актуальность ряда научнотехнических задач:

- разработка технологий и оборудования с пониженным выделением вредных отходов производства, прежде всего с широким использованием электроэнергии;

- совершенствование очистного оборудования, в том числе с использованием электромагнитных устройств;

- разработка манипуляторов и транспортных систем с дистанционным управлением для выполнения технологических операций в замкнутых герметичных объемах;

- разработка технологий утилизации отходов и обогащения металлургического сырья, в том числе с применением электромагнитных и индукционных устройств;

- оптимизация режимов работы технологических установок и оборудования, в том числе с использованием электромагнитного воздействия на рабочую среду;

- разработка высокодинамичных безредукторных электроприводов, в том числе на базе линейных электродвигателей.

Для каждого коллектива, занятого в сфере научной деятельности, свойственна вполне определенная специализация - научная школа, которая складывается объективно в течение значительного отрезка времени и формируется благодаря конкретным исследованиям и конкретным исследователям.

Научная тематика коллектива кафедры электротехники и электротехнологических систем УГТУ охватывает вопросы исследований и разработки следующих электротехнологических установок и оборудования:

1. Трансформаторные и индукционные магнитогидродинамические (МГД) устройства с жидкометаллическим вторичным элементом (МГД-насосы, индукционные печи, перемешиватели, дозаторы)[14].

2. Линейные индукционные машины с твердо- и дисперсно-металлическим вторичным элементом, а также приводы на их основе (линейный асинхронный электропривод, магнитные и электродинамические сепараторы для утилизации металлических отходов и обогащения сырья, сгустители и циклоны в водоочистном оборудовании металлургических производств).

3. Электромагнитные и линейные индукционные двигатели для химикометаллургических и медицинских технологий (магнито-импульсные установки для очистки бункеров и других емкостей для сыпучих смесей; автоклавы-миксеры для выщелачивания минералов; установки термообработки, смешивания и дозированного разлива бактериологических препаратов).

4. Электронагревательные приборы.

5. Программные средства математического моделирования и проектирования электротехнологических установок п.п.1, 2, 3, 4.

Типичными представителями таких устройств являются МГД-насосы и индукционные канальные печи. На рис. 5.1 показан насос, в котором ток от I - магнитопровод; 2,3 – обмотки путем, причем канал с металлом трансформатора; 4 - канал с жидкостью; является вторичной обмоткой потокопроводящая шина нижающего трансформатора.

насосы, созданные под руководством В.П. Полищука [22]. На рис. 5.2 показан МГД - насос аналогичного типа, разработанный Г.К. Смолиным [23] и отличающийся тем, что в нем понижающий трансформатор для наведения тока в канале совмещен собственно с насосом. Катушки I (силовые) включены согласно и создают поток Ф1, индуцирующий ЭДС и ток в короткозамкнутом виткеканале. Катушки 2 (возбуждения) создают магнитный поток Ф2, пронизывающий канал с током. Возникает сила Ампера и давление в канале, перемещающее металл по специальному металлотракту (показано стрелкой). Это МГДустройство может также служить для смешивания (смеситель) или разделения (сепаратор) различных расплавов, если вместо канала взять тигель такой же формы. Изменением направления тока в катушках можно изменять направление силы, производя квазиутяжеление или квазиоблегчение расплава или его компонентов. При этом величина силы зависит от электропроводности металла, поскольку последняя определяет величину индуцированного тока в металле.

Рис. 5.2. МГДнасос трансформаторного типа:

- канал (тигель); I силовые катушки;

2 -обмотки возбуждения Линейная индукционная многофазная машина получается, если статор и ротор вращающегося асинхронного двигателя развернуть в плоскость [21]. При этом обмотка индуктора (статора) питается трехфазной системой токов и создает бегущее магнитное поле (в направлении, показанном стрелкой), в котором находится вторичный элемент ("ротор"). В проводниках или проводящей полосе последнего индуцируются токи. Их взаимодействие с магнитным полем создает силу Ампера, которая приводит вторичный элемент в движение.

При внешней простоте устройства ЛИМ отличаются необычайным разнообразием конструкций и достаточно сложной теорией процессов в зоне энергопреобразования. Вместе с тем они находят весьма широкое применение в различных областях техники, поскольку позволяют:

- создавать транспортные системы без ограничения углов подъема и ускорений, так как усилие передается подвижной части бесконтактно (с помощью магнитного поля, а не колес);

- "передавать" усилие через стенку в герметичные объемы;

- исключить или максимально упростить кинематическую передачу к рабочему органа, а в ряде случаев совместить с ним вторичный элемент ЛИМ;

- использовать в качестве вторичного элемента рабочую проводящую среду в различных состояниях (твердом, жидком, дисперсном).

В качестве примера на рис. 5.3 показан линейный индукционный насос с двусторонним индуктором. Вторичным элементом его является канал с жидким металлом, размещенный в зазоре между сердечником индуктора.

Вторичным элементом такой ЛИM может быть немагнитная твердометаллическая или биметаллическая ("сэндвич") полоса. В этом случае насос превращается в линейный асинхронный двигатель (ЛАД). Он может быть использован для привода транспортных средств и механизмов возвратнопоступательного движения [2l], а также для термообработки проката.

Устранение одного из сердечников индуктора приводит к конструкции односторонней ЛИМ (например, для перемещения прокатных изделий), а свертывание индуктора в цилиндр с осью по направлению движения магнитного поля - к цилиндрической (трубчатой) ЛИМ.

Если внутрь такого цилиндрического индуктора поместить кристаллизатор с жидким металлом, то получается устройство для электромагнитного перемешивания расплава в процессе его кристаллизации [24.]. Электромагнитное воздействие улучшает качество слитка и в ряде случаев позволяет даже исключить некоторые операции его последующей обработки.

Вторичным элементом могут служить металлические предметы ограниченных размеров, встречающиеся, например, в отходах. Тогда ЛИМ превращается в электродинамический сепаратор для их удаления.

Если на поверхность плоского индуктора поместить ферромагнитные частицы, то под действием бегущего над индуктором магнитного поля они начинают вращаться и перемещаются в обратном направлении. Такие индукторы можно применять в горно-металлургическом производстве в качестве самостоятельных устройств или дополнительных узлов в барабанных магнитных сепараторах, гидроциклонах и сгустителях.

В магнито-импульсных установках, предназначенных для очистки бункеров от сыпучих смесей (рис.5.4), используются цилиндрические броневые электромагниты или магниты с Ш-образным сердечником. Они размещаются на стенке бункера и подключаются к заряженному конденсатору. Происходит импульсный разряд конденсатора на катушку магнита, ударная волна распространяется в стенке бункера, очищая ее от налипшей или примерзшей смеси.

Для одновременного нагрева и перемешивания жидкостей (например химических или медицинских препаратов) разработан цилиндрический электромагнит, совмещенный с автоклавом-миксером (рис.5.5) или встроенный в емкость. В зависимости от того, питается ли он постоянным или переменным током, его якорь-перемешиватель либо только притягивается, либо, в основном, нагревается. Коммутация тока обеспечивает его возвратнопоступательное движение с необходимой частотой, т.е. перемешивает и нагревает жидкость.

Начало развития научных исследований электротехнологического направления на энергетическом факультете УПИ относится к 40-50-м годам.

В военное и послевоенное время на факультете работали известные отечественные ученые -электромеханики Г.И.Штурман и П.А.Фридкин, перу которых принадлежат первые теоретические труды о двигателях с разомкнутыми магнитопроводами. Под руководством П.А.Фридкина выполнил дипломную работу по исследованию дугостаторных асинхронных двигателей студент М.Г.Резин, будущий заведующий кафедрой общей электротехники. С его именем связаны первые значительные публикации, посвященные изучению так называемого продольного краевого эффекта в электрических машинах данного типа.

Научным коллективом, в который входили М.Г. Резин, Я.И. Дробинин, Э.К.Кочнев, а затем Ф.И. Андреев, И.А. Кривонищенко, О.Н. Ермаков, были проведены обширные исследования по элекгромагнитному перемешиванию жидкого чугуна в ковше и печи. В 60-е годы ведутся интенсивные работы по электромагнитному воздействию на жидкие цветные металлы. Под руководством М.Г.Резина, работавшего доцентом на кафедре электрических машин, выполняются курсовые и дипломные работы по данной тематике, защищаются кандидатские диссертации сотрудниками кафедры общей электротехники Э.К.

Кочневым, И.А. Кривонищенко, Б.Н. Васильевым. В 1966 году защищает докторскую диссертацию по этому направлению М.Г.Резин. В I970 году он возглавляет кафедру общей электротехники, активно продолжая научные исследования. В 70-80-х годах защищают кандидатские диссертации Ю.С.Прудников и Б.А. Сокунов, много сделавшие для промышленного внедрения результатов этих исследований. В настоящее время их усилиями при активном участии А.И.

Кривонищенко работы по электромагнитному перемешиванию цветных металлов в кристаллизаторе с помощью короткого цилиндрического индуктора широко внедряются на Кольчугинском, Каменск-Уральском, Ревдинском заводах ОЦМ, в других организациях.

С 1970 года на кафедре общей электротехники и в Нижне-Тагильском филиале УПИ разворачиваются интенсивные работы по исследованию линейных асинхронных двигателей, являющихся второй крупной разновидностью индукционных машин с разомкнутыми магнитопроводами. Главным отличием таких двигателей от обычных вращающихся является наличие краев статора, в результате чего проводники вторичного элемента входят из области, в которой магнитное поле отсутствует (краевая зона), в зону поля (активную) и далее снова выходят из нее. Это порождает в обмотке вторичного элемента дополнительные составляющие токов и потерь мощности, снижает усилие и КПД машины. Совокупность процессов в двигателе, обусловленная наличием краев статора, называют продольным краевым эффектом (ПКЭ). В этой связи исследования проводились по ряду направлений.

Прежде всего, актуальна разработка специальных методов расчета характеристик таких машин, поскольку известные методы не учитывали ПКЭ. Этому вопросу были посвящены диссертационные работы, запущенные в 70-80-x годах сотрудниками и аспирантами кафедры Н.М. Пирумяном (первым аспирантом кафедры по данной тематике), В.С. Проскуряковым, С.В. Иваницким, И.В.

Черных. Важной проблемой является задача улучшения характеристик ЛАД, в частности, за счет специальных обмоток индуктора и вторичного элемента.

Этой тематике были посвящены диссертационные работы М.Г. Мурджикян, В.А. Бегалова, С.В. Соболева, Ю.Л. Махорского. Исследования несимметрии магнитной цепи таких двигателей проводились в работах С.В. Иваницкого и Ю.Р. Урманова. Специальные режимы работы двигателя изучались в диссертационной работе М.В. Юрченко.

Комплекс работ, которые могут быть выделены в самостоятельное направление и освещаются в диссертациях А.Ю. Коняева и затем С.Л. Назарова, связан с исследованием линейных двигателей для перемещения и нагрева металлического проката, а также для электродинамической сепарации металлических предметов из отходов. Применению линейных индукторов с бегущим магнитным полем в обогатительном производстве и утилизации металлургических шламов посвящена диссертация Ю.В. Телешева. Анализ ЛАД как элемента системы электропривода и законов управления им проведен в диссертационных работах Т.А. Бегаловой, И.В. Черных и А.А. Таланкина.

Перечисленные выше исследования выполнялись кафедрой в рамках работ по созданию промышленного и высокоскоростного наземного транспорта, высокодинамичных электроприводов, эффективных систем обогащения сырья и утилизации отходов по заказам головных организаций по соответствующим проблемам (НПО "Гидротрубопровод", г. Москва; ПО Взрывозащищенного электрооборудования, г.Донецк), а также предприятий и организаций региона (Уралвагонзавод, Ураласбест, Уралэлектротяжлаш, трубопрокатные заводы в Челябинске и Первоуральске и др.).

В последнее время круг разработок кафедры существенно расширился. С начала 80-х годов большие работы выполнялись по МГД-насосам - трансформаторного типа, асинхронным и асинхронно-вихревым. Эти исследования обобщены в докторской диссертации Г.К.Смолина. Разработке методов комплексного анализа электромагнитных, гидро- и термодинамических процессов а также физико-химических свойств расплава в МГД-устройствах (индукционных канальных печах, миксерах-копильниках, насосах и т.п.) посвящены работы О.Ю. Сидорова.

Некоторые интересные применения в практике нашли разработки линейных электродвигателей с совмещением функций нагрева и перемешивания жидкостей (автоклав-миксер для выщелачивания минералов, установки для сенсибилизации и разлива медицинских препаратов), выполненные под руководством Н.М Пирумяна, а также магнитоимпульсные установки для очистки бункеров и нагревательные приборы на базе продукции Нижне-Тагильского котельно-радиаторного завода, выполняемые А.Н. Кошкиным.

Студенты электротехнических специальностей принимают участие в научных исследованиях кафедры по указанной тематике под руководством ведущих преподавателей.

ФОРМЫ научно-исследовательской работы студентов сводятся преимущественно к следующим:

- знакомство со специальной литературой, в том числе и иностранной, в рамках подготовки РЕФЕРАТОВ;

- составление простых вычислительных программ для расчета характеристик ЭТУ, освоение готовых программных продуктов, доработка и развитие программных средств, созданных на начальных стадиях и другими авторами, в рамках УЧЕБНОЙ ПРАКТИКИ;

- разработка специальных ЭТУ, математическое моделирование различных режимов их работы, разработка средств их математического и физического моделирования в рамках КУРСОВОГО и ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ;

- участие в разработке, изготовлении и наладке конкретных образцов ЭТУ по заказам организаций, в том числе в рамках ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ПРАКТИКИ;

- подготовка отчетов по теме докладов, публикаций, в том числе в рамках

МАГИСТРАТУРЫ.

6. УЧЕБНО-ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

6.1. Ознакомление с устройством, управлением и испытаниями бытового электронагревательного прибора На примере электроконвектора "Комфорт Э" производства Нижнетагильского котельно-радиаторного завода предлагается:

- ознакомиться с устройством, принципом действия, методами расчета нагревателя;

- ознакомиться с принципом регулирования температуры прибора и устройством его терморегулятора;

- снять экспериментально зависимость температуры от времени (по заданию преподавателя);

- ознакомиться с программой и методами испытания. По окончании работы оформляется краткий отчет с рисунком прибора, схемами включения, текстовым описанием результатов изучения, расчетов и испытаний.

6.2. Ознакомление с гибкой автоматизированной системой управления технологическим процессом На примере термической печи с тремя электронагревателями рассматриваются принципы управления технологическим объектом с помощью управляющей микроЭВМ. Программа исследований и методические указания к проведению лабораторной работы приведены в [13].

6.3. Ознакомление с установками индукционного нагрева и плавки металлов В программу данной работы входит прежде всего знакомство с литературой по индукционному нагреву и плавке металлов [2,3], которое сопровождается составлением краткого реферата по теме с классификацией установок данного типа.

Вторая часть работы сводится к ознакомлению с расчетом электромагнитного поля в сплошном проводящем цилиндре при его индукционном нагреве [l2]. Предлагается построить кривые распределения объемной плотности потерь от вихревых токов по глубине цилиндра, а также рассчитать активную мощность потерь от вихревых токов в участке цилиндра длиной l, активное сопротивление и индуктивность индуктора.

6.4. Ознакомление с установками электромагнитного перемешивания и транспортирования металлических расплавов Предлагается ознакомиться с литературным обзором по МГД-насосам, а также с конструкцией лабораторной установки. Программа испытания насоса предусматривает:

- составление схемы включения насоса и электроизмерительных приборов;

- измерение напора (тягового усилия) при различных токах питания;

- оформление краткого отчета по выполненной работе.

6.5. Ознакомление с устройством линейных асинхронных двигателей Программа работы включает в себя знакомство с литературой по данному разделу и конструкциями двигателей лабораторной установки. Предлагается дать краткий обзор применениям таких двигателей в различных областях техники. Программа испытаний предусматривает:

- составление схемы включения двигателя;

- запуск двигателя;

- измерение усилия в режиме заторможенного вторичного элемента.

По результатам работы следует оформить краткий отчет.

Помимо указанных выше работ, так или иначе связанных с исследованием физических моделей, предусматривается практикум, связанный с исследованием математических моделей. Он сводится либо к ознакомлению с имеющимися вычислительными программами, либо к составлению достаточно простых собственных программ. В любом случае предполагается использование этих программ для конкретных расчетов.