«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 ...»
Расчет тока в электрической цепи магнитоимпульсной установки Предлагается составить схему заряда конденсатора с дальнейшим его разрядом на катушку электромагнита, записать дифференциальное уравнение для цепи разряда, вычислить его коэффициенты. На следующем этапе возможно или ознакомиться с вычислительной программой, или составить собственную. На заключительной стадии нужно отладить программу на ЭВМ и просчитать контрольные варианты. Данную работу следует совместить с изучением устройства реальной магнитоимпульсной установки по предложенной литературе.
Расчет на ЭВМ линейных электрических цепей Предлагается изучить [l0] с точки зрения общего формализованного подхода к расчету линейных электрических цепей постоянного тока и построению алгоритмов вычислительной программы. Затем следует освоить приведенную программу, набрать и отладить ее на ЭВМ, просчитать контрольный пример.
Тепловой расчет ЭТУ на основе тепловой схемы замещения Предлагается изучить предлагаемую литературу по использованию тепловых схем замещения для расчета температур отдельных частей ЭТУ (на примере ЛАД). Для конкретного примера следует вычислить коэффициенты системы "тепловых" уравнений, описывающей тепловые процессы в ЛАД. Далее нудно разобраться с программой решения системы уравнений, вводом данных и порядком расчета температур в функции времени. В заключение следует решить контрольный пример. Следует особо отметить, что работа над вычислительными программами едва ли уложится в рамки отведенного учебным планом времени. Она может выполняться в счет практических заданий по другие дисциплинам (вычислительной техники, теоретических основ электротехники, моделирования ЭТУС и др.) после соответствующего согласования
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Опишите установки прямого и косвенного электрического нагрева.2. Напишите формулы расчета нагревательных элементов.
3. В чем заключаются особенности устройства для обогрева инфракрасными лучами?
4. Как осуществляется электрошлаковый переплав металла?
5. Как производится контактная сварка металлов?
6. На чем основан индукционный нагрев металла?
7. От каких величин зависит глубина проникновения тока в глубь металла при его индукционном нагреве?
8. Чем отличаются установки сквозного и поверхностного индукционного нагрева металла?
9. Как устроена индукционная тигельная печь?
10. Опишите устройство и принцип действия индукционной канальной печи.
11. Поясните принцип высокочастотного диэлектрического нагрева.
12. Где применяются установки инфракрасного излучения?
13. Опишите устройство дуговой сталеплавильной печи.
14. Для чего применяются и как устроены вакуумные дуговые печи?
15. Поясните принцип действия и устройство плазмотрона.
I6. Как регулируется ток в установках дуговой электрической сварки?
17. Поясните принцип действия и устройство электроннолучевой установки.
18. Опишите устройство лазера и лазерной установки.
19. В чем заключается процесс электролиза?
20. Поясните устройство и принцип действия магнито-импульсной установки.
21. Как устроен магнитострикционный преобразователь?
22. Опишите устройство ультразвуковой установки для очистки деталей.
23. Как устроен электростатический фильтр?
24. Поясните принцип действия установки для окраски изделий в электростатическом поле.
25. В чем заключаются особенности электромеханического оборудования ЭТУ?
26. Каковы особенности электроснабжения (электропитания) ЭТУ?
27. Объясните принцип действия симметрирующего устройства при включении однофазной нагрузки в трехфазную сеть.
28. Опишите схему питания вакуумной дуговой печи.
29. Что такое параметрический источник питания?
30. Какие элементы входят в состав короткой сети дуговой печной установки?
31. Поясните назначение и принцип действия регулятора мощности дуговой сталеплавильной печи.
32. Как регулируется ток транзисторного преобразователя в установках аргонно-дуговой сварки?
33. Опишите схему питания электролизных ванн от управляемого тиристорного выпрямителя.
34. Поясните принцип импульсного регулирования температуры нагревательной печи.
35. Поясните работу импульсных релаксационных генераторов для питания установок электрохимической обработки.
36. В чем заключается принцип аналогии различных физических явлений?
37. Какими уравнениями описывается тепловое поле?
38. Что такое математическая модель цепи?
39. Назовите некоторые методы решения систем уравнений.
40. Опишите устройство МГД-насоса трансформаторного типа.
41. Что лежит в основе работы линейного асинхронного двигателя?
42. Как устроен индукционный МГД-насос?
1. Учебные программы по специальности "АЭТУС". М.: МЭИ, 1980. 175с.
2. Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1988. 336с.
3. Электротехнологические промышленные установки: Учебное пособие. / Под ред. А.Д.Свенчанского. М.: Энергоатомиздат, 1982. 398с.
4. Древс Г.В., Древс Ю. Г. Электрооборудование предприятий пищевой промышленности: Учебник. М.: Высшая школа, 1979. 272с.
5. Свенчанский А.Д., Соколов M.М. Плавильные и нагревательные печи: Учебное пособие по курсу "Введение в специальность". М.: МЭИ, 1984. 88с.
6. Соколов М.М., Грасевич В.Н. Электрооборудование механизмов электротермических установок. М.: Энергоатомиздат, 1983. 320с.
7. Помещиков А.Г. Установки специального нагрева для электрометаллургии (вакуумные дуговые и электрошлаковые печи): Учебное пособие. Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т, 1989. 56с.
8. Перфильев Ю. C., Даничев А.М., Овсянников В. И. Математические основы электротехнических дисциплин: Учебное пособие для студентов электротехнических специальностей. Красноярск: КГТК, 1984. 87с.
9. Чередниченко B.C., Герман Р.П., Еременко Г.П. Моделирование электротехнологических установок: Учебное пособие. Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т, 1990, 70с.
10. Сарапулов Ф.H., Телешев Ю.B. Топологические методы расчета на ЭВМ линейных электрических цепей: Методические указания по курсу "Вычислительная техника". Свердловск: УПИ, 1987, 44с.
11. Волков Ю. Г., Гладышев С.П., Завьялов В. И. Машинноориентированные методы расчета нелинейных цепей: Учебное пособие. Челябинск: ЧГТУ, 1990. 46с.
12. Валек В.Н., Виницкий А.Л., Янко-Триницкий А.А. Расчет электромагнитных полей в магнитопроводах: Методические указания и расчетнографические работы по курсу "Теоретические основы электротехники". Свердловск: УПИ, 1986. 40с.
13. Удинцев В.Н., Назаров С.Л., Масленникова А.М. Цифровые и импульсные устройства электронной техники: Методические указания к лабораторным работам по курсу "Электротехника и основы электроники". Свердловск: УПИ, 1986. 43с.
14. Сарапулов Ф.Н., Сидоров О.Ю. Магнитогидродинамические машины с бегущим или пульсирующим магнитным полем: Учебное пособие. Екатеринбург: УПИ, 1984. 205 с.
15. Коняев A.Ю., Юрченко М.В. Электродинамические сепараторы для извлечения цветных металлов из твердых отходов / Промышленная энергетика, №10, 1992. С.46-48.
16. Веселовский O.Н., Шнейберг Я. А. Очерки по истории электротехники.
М.: Изд. МЭИ, 1983. 252с.
17. Электротехника: Учебник для неэлектротехнич. спец. вузов / X. Э. Зайделъ, Б. В. Коган-Далин, В. В. Крылов и др. Под ред. В.Г. Герасимова, 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1985. 480с.
18. Филиппов И. Ф. Теплообмен в электрических машинах: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986. 256с.
I9. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей / Пер. с англ. М.: Энергия, 1970. 376с.
20. Туровский Я. Электромагнитные расчеты элементов электрических машин: Пер. с польск. М.: Энергоатомиздат, 1986. 200с.
21. Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н. Линейные асинхронные двигатели. М.: Энергоатомиздат, 1991. 256с.
22. Магнитодинамические насосы для жидких металлов / Б. П. Полищук, М. Р. Цин, Р. К. Горн и др. Киев: Наукова думка, 1989. 256с.
23. А. с. II9642 СССР. МГД-сепаратор / Г.К. Смолин // Открытия, изобретения. 1985. №21.
24. Кривонищенко А. И., Прудников С.Ю., Сокунов Б. А. Исследование устройств для электромагнитного воздействия на металлы // Электрические машины и электромашинные системы. Пермь: ПГТУ, 1993. С.71-81.
Приложение 1.
ПРОСТЫЕ ЗАДАЧИ СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЙ
Ниже приводятся некоторые упрощенные практические задачи, знакомство с которыми полезно начинающим студентам-электротехнологам.1. Расчет мощности электронагревательного элемента с Заданы: удельное сопротивление р, длина l и сечение s провода, приложенное напряжение U.
Решение:
Например, при = 1 106 Ом • м (нихром)...l = 2 м, s = 0.05 106 м2 имеем R = Ом, Р = 1.2 кВт.
2. Расчет размеров электронагревательного элемента заданной мощности Заданы: мощность Р, коэффициент теплоотдачи, например, Решение: в установившемся режиме отдаваемая и выделяющаяся в элементе мощности равны (задача I):
Например, при Р = 1.2 кВт, = 1 106 Ом • м, PF = 2 104 Вт/м2, U = 220В имеем d = 0.84 мм, l =22.3 м.
3. Расчет мощности, необходимой для нагрева металла Заданы: масса металла G, удельная теплоемкость металла Ср, разность температур при нагреве t0, время нагрева Т, тепловой КПД печи т.
Решение: потери тепла при нагреве учитываем приближенно, вводя т, тогда Например, для алюминия Ср = 0.26 ккал/(кг С). При G = 4 т, t0 = 10°С, Т = 1 час, т = 1 имеем Р = 120 кВт.
4. Расчет тока в канале индукционной канальной печи (рис. 3.8) Заданы: размеры канала - ширина ак, высота hк, длина lк, мощность Р.
Решение: если не учитывать эффект вытеснения тока к периферии сечения канала, что справедливо при малой частоте питающего напряжения, то сопротивление канала по (П1) С учетом (П2) и (П9) имеем для тока в канале Например, для алюминия (задача 3) = 30 108 Ом м, при lк = 2 м, ак = hк = 5. Расчет числа витков индуктора канальной печи Заданы: ток в канале IK, ток индуктора (вторичный ток печного трансформатора, от которого питается индуктор) IИ.
Решение: используем известное приближенное равенство ампер-витков (магнитодвижущих сил) первичной и вторичной обмоток любого трансформатора, т.е. индуктора и канала в нашем случае, причем канал представляет собой один виток Например, если IK = 45 кА, IИ = 1.5 кА, то WИ = 30.
б. Расчет мощности, выделяющейся в канале печи, при известном токе ( задача 4) и учете его вытеснения к периферии сечения Заданы: размеры канала, частота питающего напряжения f, относительная магнитная проницаемость металла µ.
Решение: глубина проникновения тока в глубь канала где Fпл. ц берется по графикам [5].
Например, если Iк = 45 кА, р = 30-108 Ом м, f = 50 Гц, ц=1, lк = 2 м, hк = 0.1м, Fпл. ц = 1 (из графика [5]), то Заданы: теплопроводности трех слоев стенки - огнеупора 1, теплоизоляции 2, металлического корпуса 3 толщины слоев соответственно x1, x2, x3, температура металла в печи tв0, температура наружного воздуха tн0, суммарная площадь стенки s.
Тогда 8. Расчет емкости С компенсирующих конденсаторов индукционной печи Заданы: активная мощность печи Р, cos, напряжение U, частота питающего тока f.
Решение: поскольку мощность конденсаторов должна полностью компенсировать реактивную мощность Q печи 9. Установление аналогий электрической и магнитной цепей Заданы: размеры токо- и магнитопровода (сечения Sэ и Sм, длины lэ и lм), сопротивления, ток I и магнитный поток Ф, ЭДС Е и МДС (ампервитки) F = Iw = I (при числе витков катушки w = 1).
10. Расчет усилия F притяжения якоря и ампервитков электромагнита Заданы: длина ферромагнитного участка магнитопровода lс и зазора, магнитная проницаемость стали µ0µ и воздуха µ0 = 410-7 Гн/м, ток I и число витков катушки w, сечение магнитопровода SМ.
Решение: магнитное сопротивление 11. Расчет индуктивности L катушки электромагнита Заданы: размеры и µ сердечника, число витков (задача 10).
Решение: по закону электромагнитной индукции ЭДС в катушке или через коэффициент самоиндукции L Из сравнения (П25) и (П26) с учетом (П23) имеем Например, для магнита в задаче 10 получаем Заданы: напряжение источника питания Uи, сопротивление R в цепи, зависимость напряжения на ВАХ и ОХ дает решение задачи.
300A, I2 = 230 А, UД2 = 6 В.
13. Расчет добавочного сопротивления R в цепи с дугой при заданном токе Заданы: ВАХ дуги, UИ, I4 (задача 12).
Решение: определяем UД4 по графику ВАХ для I4.
Например, I4 = 160 А, тогда R = (30 - 8)/160 = 0.14 Ом.
14. Расчет тока активной нагрузки (печи) при ее включении на параметрический источник тока Заданы: ХL = Хс = Х в фазах В и С, линейное напряжение UЛ.
Решение: номинальный режим иллюстрируется векторной диаграммой I, При RH (диаграмма 2) При RH 0 (диаграмма 3) 15. Расчет температуры металла в печи при заданной мощности (задачи 3, 7) Заданы: мощность Р, тепловое сопротивление (для потерь тепловой мощности) R, масса металла G, удельная теплоемкость металла Ср.
Решение: запишем уравнение теплового баланса, в соответствии с которым сумма потерь тепловой мощности через стенки печи, а также поглощаемой металлом при его нагреве, равна выделяющейся в канале мощности от тока в нем После преобразований где 0УСТ = t 0 В.УСТ t 0 H = 860 R P - установившееся превышение температуры металла над температурой снаружи печи (при t ), Тн = RC - постоянная нагрева, С = CpG - теплоемкость металла.
Решение уравнения
УСТ УСТ
греве металла в отсутствие потерь - задачу 3.16. Расчет тока разряда конденсатора на электромагнит в магнитоимпульсной установке (задача 10) Заданы: начальное напряжение на конденсаторе Uo. сопротивление R, индуктивность L и емкость С.
Решение: по второму закону Кирхгофа Усилие магнита по (П24) Заданы: токи в проводах I1 и I2, расстояние между проводами а, длина провода l.
Решение:
а) Индукция в точке O1 от тока I1 по закону полного тока для магнитной силовой линии (МСЛ) левой руки.
б) Провод с I2 согнут под углом 90°. Тогда сила, действующая на отрезок провода длиной d Приложение
ВВЕДЕНИЕ В ИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО И СПЕЦИАЛЬНОСТЬ
УЧЕБНЫЙ ПЛАН
5 семестр Разделы для самостоятельного изучения Целью дисциплины является ознакомление студентов с системой высшего образования в России, с особенностями учебного процесса в УГТУ, с особенностями инженерного дела и специальности в электротехнологической отрасли промышленности, формирование творческого подхода к проблемам инженерного дела, связанным с технологической перестройкой современного промышленного производства, с комплексным техническим, экономическим,социальным и экологическим характером задач, решаемых современным инженером.В процессе изучения дисциплины студент должен освоить общие физические закономерности, лежащие в основе действия современных автоматизированных электротехнологических установок и систем, примерный круг наиболее актуальных проблем в разработке, проектировании и эксплуатации электротехнологических установок; получить представление об общих связях специальности и задач, решаемых в процессе изучения в вузе общеинженерных и общеобразовательных дисциплин.
В целях стимулирования самостоятельной работы студентов часть учебного материала выносится для самостоятельной проработки под руководством преподавателя.
Контроль текущей работы осуществляется путем защит отчетов по лабораторным работам, зашит рефератов, собеседования при приеме зачета по дисциплине.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.I.I. Подготовка инженера в вузе (2 часа) Задачи подготовки инженера в России в современных условиях. Задачи высшей школы.УГТУ-УПИ - крупнейший технический университет страны. Научные школы и традиции УГТУ-УПИ. Факультеты УГТУ-УПИ - организаторы учебной работы. Научная и учебная работа кафедр. Кафедра электротехники и электротехнологических систем, ее история. Научная и общественная работа студентов на факультете и кафедре. Роль электроэнергетики и электротехнологии в решении задач технологической перестройки промышленного производства в стране.
2.1.2. Технические объекты и физико-математические основы специальности (6 часов) Обзор физических законов и процессов, лежащих в основе электротехнологии. Электродинамика и принципы индукционного нагрева конструкционных материалов. Электрофизика и проблемы дугового, плазменного, электроннолучевого, ионного и лазерного видов нагрева в современных электротехнологических установках. Математические методы в электротехнологии. Методы решения технических задач в инженерной практике по электротехнологии. Методы математического моделирования объекта. Методы и цели эксперимента при исследовании и наладке электротехнологических установок.
Основные этапы разработки и создания нового электротехнодогического объекта (установки, узла, системы).
2.1.3. Основные общепромышленные проблемы специальности и задачи специалиста при их решении (2 часа) Экономические, социальные и экологические задачи специальности в соответствии с постановкой проблемы промышленного производства в государственных документах. Проблемы повышения производительности труда, качества производственного процесса, бережливого использования трудовых, материальных и сырьевых ресурсов страны.
Связь указанных проблем с задачами, решаемыми специалистами в области электротехнологии.
2.1.4. Виды инженерной деятельности и их характеристика (4 часа) Разработка и проектирование новых видов автоматизированных электротехнологических установок и систем (АЭТУС). Труд инженерапроектировщика, инженера-конструктора, инженера-исследователя. Эксплуатация АЭТУС. Особенности эксплуатации АЭТУС в отраслях народного хозяйства. Труд и задача инженера при эксплуатации современных АЭТУС в промышленности.
Производство АЭТУС. Общая характеристика заводов электротермического и электротехнологического оборудования. Организация производства. Особенности технологии производства АЭТУС.
2.1.5. Библиотековедение (2 часа) Организация работы научно-технической библиотеки, книжные фонды, их структура. Библиотечные каталоги.
2.2. Самостоятельное изучение разделов программы На самостоятельное изучение выносятся вопросы по истории развития электротехнологических установок и систем, практического применения электронагрева в промышленности, популярной литературы по научнотехническим проблемам электротехнологии. По каждому из разделов программы (п.2.1) студентам поручается самостоятельная проработка конкретных вопросов [2,3,4,7]. Результаты проработки представляются в виде рефератов, обсуждаются на консультациях, защищаются на аудиторных занятиях.
Кроме того, на консультациях обсуждаются практические вопросы учебного процесса, работа студентов на кафедре, их участие в научных исследованиях и т.д.
Параллельно с лекционным курсом в учебных лабораториях кафедры электротехники и электротехнологических систем студенты выполняют лабораторные работы с целью закрепления материала лекций и практического знакомства с принципом действия и устройством электротехнологического оборудования. Примеры лабораторных работ:
-"Общепромышленная печь сопротивления и система автоматического управления электротермической установкой с помощью микрокалькулятора МК-64";
-"Основные закономерности индукционного нагрева";
-"Внешние электрические характеристики дуговой установки";
-"Структура, электрооборудование, режимы работы промышленной плазменной установки".
Направлен на получение твердых навыков работы на персональных ЭВМ, составление несложных программ, связанных с задачами специальности.
1. Машины контактной сварки 2. Основные свойства электрической дуги 3. Сварочные трансформаторы 4. Сварочные генераторы 5. Электрошлаковая сварка 6. Основные принципы контроля температуры 7. Дуговая сталеплавильная печь 8. Электродуговой плазмотрон 9. Электрическая печь сопротивления 10. Установки индукционного нагрева 11. Индукционная тигельная печь 12. Индукционная канальная печь 13. Установка диэлектрического нагрева 14. Магнитоимпульсная установка 15. Ультразвуковая установка 16. Электрофильтр 17. Электролиз алюминия, меди, цинка 18. Электрогидравлические установки 19. Линейный асинхронный двигатель 20. МГД-насос постоянного тока 21. МГД-насос трансформаторного типа 22. Линейный индукционный насос 23. Винтовой индукционный насос 24. Виды теплопередачи в электротермических установках 25. Материалы, применяемые в электропечестроении 26. Электроннолучевые промышленные установки 27. Установки лазерной обработки 28. Установки ионной обработки
«