Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Системы электроотопления на основе нагревательных элементов трансформаторного типа 11
1.1 Нагревательные элементы трансформаторного типа для систем электроотопления 12
1.2 Основные требования к бытовым электрорадиаторам 21
1.3 Методы математического моделирования электромагнитных и тепловых процессов 22
Выводы 38
ГЛАВА 2. Исследование электрических, магнитных и тепловых полей и расчет параметров электрорадиаторов трансформаторного типа для систем электроотопления 39
2.1 Особенности расчета электрических полей и активных сопротивлений вторичной обмотки 39
2.2 Учет эффекта вытеснения тока при расчете сопротивлений 53
2.3 Расчет электромагнитного поля вторичного контура 56
2.4 Расчет теплового поля 67
Выводы 73
ГЛАВА 3. Переходные электромагнитные процессы в трансформаторах для систем электроотопления 75
3.1 Математическое моделирование переходных процессов 75
3.2 Особенности управления системами электроотопления на основе нагревательных элементов трансформаторного типа 87
3.3 Расчет нестационарных тепловых процессов во вторичном контуре 94
Выводы 97
ГЛАВА 4. Особенности проектирования и экспериментальные исследования 99
4.1. Особенности расчета и проектирования электрорадиаторов трансформаторного типа 99
4.2 Экспериментальные исследования 127
Выводы 133
Заключение 134
Литература 136
- Нагревательные элементы трансформаторного типа для систем электроотопления
- Особенности расчета электрических полей и активных сопротивлений вторичной обмотки
- Особенности управления системами электроотопления на основе нагревательных элементов трансформаторного типа
- Особенности расчета и проектирования электрорадиаторов трансформаторного типа
Введение к работе
Одной из проблем, стоящих перед современным обществом, является создание комфортных условий жизни, независящих от климатических особенностей территорий. Основной частью этой проблемы является отопление помещений в холодное время года.
Сегодня в мировой практике известно три вида отопления: комбинированное, дополнительное и полное. Назначение любой системы отопления состоит в компенсации тепловых потерь здания и поддержании внутри него комфортной температуры. При комбинированном отоплении основная часть потерь покрывается за счет централизованных систем отопления. При этом централизованная система отопления рассчитывается на температуру в помещениях до +15С. Доведение температуры до требуемой комфортной осуществляется отопительными приборами с автоматическим управлением. Дополнительное электроотопление является разновидностью комбинированного и применяется в межсезонье, когда центральное отопление отключено; или, при понижении температуры наружного воздуха ниже расчетного, в дополнение к централизованному. При полном отоплении все тепловые потери здания компенсируются электроотопительными приборами.
Электроотопление имеет ряд преимуществ перед традиционными отопительными системами: удобство и безопасность при эксплуатации, комфорт, надежность. Оно избавляет потребителя от заготовки и хранения топлива, не загрязняет окружающую среду, позволяет осуществить индивидуальное терморегулирование. Приборы центрального водяного отопления жестко привязаны к трубопроводам и используются только на определенных местах, а приборы электроотопления могут быть установлены практически в любом месте.
Тариф на электроэнергию является главным фактором, стимулирующим или сдерживающим использование электроотопления. Возможность снижения тарифа зависит в каждой стране от многих условий:
5 состояния энергетики и генерального направления ее развития, структуры
топливно-энергетического баланса и топливной политики, уровня и
соотношения цен на внешнем и внутреннем рынках. Во многих странах
электроэнергия отпускается потребителям по сложным тарифам,
стимулирующим выгодные для энергосистем режимы электропотребления в
быту. Графики нагрузки энергосистем в России имеют весьма большие
ночные провалы, заполнение которых даёт возможность включения в это
время суток приборов электроотопления с оплатой электроэнергии по
льготному тарифу, значительно более дешевому, чем дневной. Такая система
выгодна и потребителям и энергосистемам.
Анализируя прогнозы развития электроотопительных систем, можно отметить преимущественное развитие производства таких приборов, которые должны обеспечивать высокую степень защиты от поражения электрическим током, иметь простую и технологичную конструкцию, большой срок службы, невысокую стоимость, хорошие эксплуатационные и массогабаритные показатели, высокие значения КПД и коэффициента мощности. Поэтому одной из важнейших задач совершенствования электронагревательных приборов является повышение их надежности и безопасности.
В основном в существующих электронагревателях используются в качестве нагревательного элемента трубчатые электронагреватели (ТЭН), основными недостатками которых являются низкая надежность и высокая пожароопасность.
Указанные недостатки можно исключить путем использования в электронагревательных приборах нагревательного элемента, выполненного в виде трансформатора с короткозамкнутой вторичной обмоткой.
Нагревательные элементы трансформаторного типа, выполненные на основе однофазного трансформатора с короткозамкнутой вторичной обмоткой, принципиально отличаются от обычных, применяемых в электронагревательных приборах. Они представляют собой трансформатор с первичной обмоткой, подключенной к сети и вторичной обмоткой, выполненной в виде короткозамкнутого витка. Переменный ток,
протекающий по первичной обмотке, создает переменный магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу и индуцирующий во вторичной обмотке ЭДС, под действием которой во вторичной обмотке протекает электрический ток. Нагрев в основном осуществляется за счет Джоулевых потерь в короткозамкнутой вторичной обмотке, с поверхности которой тепло отдается в нагреваемую среду.
Достоинствами нагревательных элементов трансформаторного типа являются:
1. Высокий класс защиты от поражения электрическим током, который
обеспечивается следующим:
а) отсутствием электрической связи между вторичной обмоткой и
сетью;
б) выбор величины ЭДС витка таким образом, чтобы электрический
потенциал на вторичной обмотке был менее допустимого по условиям
безопасной эксплуатации.
2. Большой срок службы. Так как этот показатель в основном зависит
от срока службы изоляционных материалов, применяемых в трансформаторе,
то при расчётах электромагнитные нагрузки и основные соотношения
выбираются так, чтобы температура первичной обмотки не превышала
допустимых значений для заданного класса нагревостойкости.
Большая поверхность теплоотдачи обеспечивает стабильность теплового режима и повышение срока службы нагревательного элемента.
3. Высокий коэффициент мощности, обусловленный наличием
шихтованного магнитопровода.
Следует отметить, что стоимость нагревательных устройств трансформаторного типа несколько выше, чем электрообогревателей с открытыми спиралями и трубчатыми электронагревателями, примерно такая же как у масляных электрорадиаторов. Однако, благодаря большому сроку службы (12...15 лет) и высокой надежности, применение электронагревательных устройств трансформаторного типа может дать значительный экономический эффект.
7 В связи с вышеизложенным возникает необходимость разработки
новых конструкций вторичного контура нагревателей трансформаторного
типа, применение которых позволит повысить степень экологичности и
безопасности работы, а также увеличить срок службы
электронагревательных установок.
На протяжении многих лет разработкой и исследованием короткозамкнутых трансформаторов для устройств нагрева занимались на кафедре "Электромеханика" Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета под руководством заведующего кафедрой Кузьмина В.М/39,40,51,52,53,83/. Результаты этих исследований опубликованы в работах Размыслова В.А., Пяталова А.В., Иванова С.Н., Янченко А.В., Романюка В.П., Серикова А.В., Киба Д.А. и других /11,38,54,64-66,71,85-88,90-95,109/. Большой вклад в разработку, исследование и освоение производства электронагревательных устройств трансформаторного типа сделали Казаков В.В., Федяй В.Н., Гуревич Ю.М., Бобровский СП., Елшин А.И., Казанский В.М., Клесов В.И. и другие учёные /32-35,41,62,107/. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в этой области проводились в ОАО БирЗСТ (г. Биробиджан), КнАГТУ (г. Комсомольск-на-Амуре), ОАО «ЭРА» (г. Комсомольск-на-Амуре), НИИ "Дальстандарт" (г. Хабаровск) и др.
ЦЕЛЬЮ настоящей диссертационной работы является создание и исследование новых высокоэффективных систем электроотопления на основе трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой.
АКТУАЛЬНОСТЬ данной работы вызвана необходимостью повышения надежности и безопасности систем электроотопления.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в следующем:
разработаны новые конструкции электроотопительных устройств трансформаторного типа, обеспечивающие высокую степень экологичности, безопасности и надежности;
8 на основе расчета электрического поля выявлены особенности
распределения тока во вторичном контуре и получены соотношения для
определения электрического сопротивления элементов вторичного контура;
разработаны математические модели для расчета электромагнитного
поля вторичного контура;
выявлены особенности распределения внешнего электромагнитного
поля электрорадиаторов трансформаторного типа;
определены закономерности распределения температурного поля в электрорадиаторах;
разработаны математические модели для анализа переходных электромагнитных и тепловых процессов;
в результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны инженерные методики и рекомендации по проектированию электрорадиаторов трансформаторного типа.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ заключается в разработке и исследовании новых видов электронагревательных устройств трансформаторного типа для систем электроотопления, разработке рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок и размерных соотношений для проектирования однофазных трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой, создании и испытании макетных образцов.
РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Работа выполнялась в рамках межвузовской региональной научно-технической программы «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития дальневосточного региона России». Результаты диссертационной работы внедрены на ОАО Амурская «ЭРА» (г. Комсомольск-на-Амуре) и ЗАО «Электротехника - БирЗСТ» (г. Биробиджан) в форме технической документации и методик электромагнитного и теплового расчетов для использования при разработке, проектировании и подготовки производства новых типов электронагревательных устройств, что подтверждается соответствующими актами внедрения. Результаты работы внедрены в учебный процесс КнАГТУ.
9 Созданные макетные образцы электрорадиаторов трансформаторного
типа экспонировались на международной выставке в г. Шанхай, КНР
(2006г.); на международной специализированной выставке в г. Харбине,
КНР; региональных выставках в г.г. Хабаровске, Комсомольске-на-Амуре.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основное содержание работы докладывалось
и получило одобрение на:
- научно-технической конференции «Повышение эффективности и
надежности систем электроснабжения» (г.Хабаровск 1999г.);
-международной научно-технической конференции «Нелинейная динамика и
прикладная синергетика» (г. Комсомольск -на Амуре, 2003г.);
- научно-техническом семинаре аспирантов и студентов КнАГТУ (2000-
2003г.);
- международной научно-технической конференции «Электроэнергетика,
электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003г.);
научно-техническом семинаре электротехнического факультета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета (2006г.)
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований, отраженных в диссертационной работе, опубликовано 6 научных статей, из них 2 в центральной печати, получено 2 патента на изобретения, общее количество публикаций- 14.
СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований и четырех приложений.
В первой главе проведён обзор и классификация нагревательных элементов, приведены конструктивные схемы однофазных трансформаторов для использования в качестве электрорадиаторов для систем электроотопления, их достоинства и недостатки. Рассмотрены методы математического моделирования электромагнитных и тепловых процессов.
Вторая глава посвящена созданию методик электромагнитного и теплового расчётов однофазных трансформаторов, используемых в качестве
10 нагревательных элементов с учётом особенностей конструкции, режима
работы и эксплуатации. При исследовании электрических полей получены
рекомендации по определению электрического сопротивления вторичного
короткозамкнутого контура. При анализе расчета теплового поля показано
распределение температуры в сечении нагревательного элемента.
В третьей главе выявлены особенности электромагнитных процессов в нагревательных элементах трансформаторного типа, исследованы переходные процессы при включении однофазного трансформатора в сеть. Рассмотрены особенности управления системами электроотопления с использованием устройства регулирования мощности и температуры.
В четвертой главе рассмотрены особенности проектирования однофазных трансформаторов для систем электроотопления с учетом особенностей режима работы. Приведены результаты экспериментальных исследований макетных образцов нагревательных элементов трансформаторного типа.
Работа выполнена на кафедре «Электромеханика» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета и является частью комплекса работ по разработке и исследованию нагревательных элементов трансформаторного типа для систем электроотопления и горячего водоснабжения.
Нагревательные элементы трансформаторного типа для систем электроотопления
На протяжении многих лет разработкой и исследованием короткозамкнутых трансформаторов для устройств нагрева занимались на кафедре "Электромеханика" Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета под руководством заведующего кафедрой Кузьмина В.М/39,40,51,52,53,83/. Результаты этих исследований опубликованы в работах Размыслова В.А., Пяталова А.В., Иванова С.Н., Янченко А.В., Романюка В.П., Серикова А.В., Киба Д.А. и других /11,38,54,64-66,71,85-88,90-95,109/. Большой вклад в разработку, исследование и освоение производства электронагревательных устройств трансформаторного типа сделали Казаков В.В., Федяй В.Н., Гуревич Ю.М., Бобровский СП., Елшин А.И., Казанский В.М., Клесов В.И. и другие учёные /32-35,41,62,107/. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в этой области проводились в ОАО БирЗСТ (г. Биробиджан), КнАГТУ (г. Комсомольск-на-Амуре), ОАО «ЭРА» (г. Комсомольск-на-Амуре), НИИ "Дальстандарт" (г. Хабаровск) и др. ЦЕЛЬЮ настоящей диссертационной работы является создание и исследование новых высокоэффективных систем электроотопления на основе трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой. АКТУАЛЬНОСТЬ данной работы вызвана необходимостью повышения надежности и безопасности систем электроотопления. НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в следующем: разработаны новые конструкции электроотопительных устройств трансформаторного типа, обеспечивающие высокую степень экологичности, безопасности и надежности; на основе расчета электрического поля выявлены особенности распределения тока во вторичном контуре и получены соотношения для определения электрического сопротивления элементов вторичного контура; разработаны математические модели для расчета электромагнитного поля вторичного контура; выявлены особенности распределения внешнего электромагнитного поля электрорадиаторов трансформаторного типа; определены закономерности распределения температурного поля в электрорадиаторах; разработаны математические модели для анализа переходных электромагнитных и тепловых процессов; в результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны инженерные методики и рекомендации по проектированию электрорадиаторов трансформаторного типа. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ заключается в разработке и исследовании новых видов электронагревательных устройств трансформаторного типа для систем электроотопления, разработке рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок и размерных соотношений для проектирования однофазных трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой, создании и испытании макетных образцов. РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Работа выполнялась в рамках межвузовской региональной научно-технической программы «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития дальневосточного региона России». Результаты диссертационной работы внедрены на ОАО Амурская «ЭРА» (г. Комсомольск-на-Амуре) и ЗАО «Электротехника - БирЗСТ» (г. Биробиджан) в форме технической документации и методик электромагнитного и теплового расчетов для использования при разработке, проектировании и подготовки производства новых типов электронагревательных устройств, что подтверждается соответствующими актами внедрения. Результаты работы внедрены в учебный процесс КнАГТУ. Созданные макетные образцы электрорадиаторов трансформаторного типа экспонировались на международной выставке в г. Шанхай, КНР (2006г.); на международной специализированной выставке в г. Харбине, КНР; региональных выставках в г.г. Хабаровске, Комсомольске-на-Амуре. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основное содержание работы докладывалось и получило одобрение на: - научно-технической конференции «Повышение эффективности и надежности систем электроснабжения» (г.Хабаровск 1999г.); -международной научно-технической конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (г. Комсомольск -на Амуре, 2003г.); - научно-техническом семинаре аспирантов и студентов КнАГТУ (2000 2003г.); - международной научно-технической конференции «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003г.); научно-техническом семинаре электротехнического факультета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета (2006г.) ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований, отраженных в диссертационной работе, опубликовано 6 научных статей, из них 2 в центральной печати, получено 2 патента на изобретения, общее количество публикаций- 14. СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 112 наименований и четырех приложений. В первой главе проведён обзор и классификация нагревательных элементов, приведены конструктивные схемы однофазных трансформаторов для использования в качестве электрорадиаторов для систем электроотопления, их достоинства и недостатки. Рассмотрены методы математического моделирования электромагнитных и тепловых процессов. Вторая глава посвящена созданию методик электромагнитного и теплового расчётов однофазных трансформаторов, используемых в качестве нагревательных элементов с учётом особенностей конструкции, режима работы и эксплуатации. При исследовании электрических полей получены рекомендации по определению электрического сопротивления вторичного короткозамкнутого контура. При анализе расчета теплового поля показано распределение температуры в сечении нагревательного элемента. В третьей главе выявлены особенности электромагнитных процессов в нагревательных элементах трансформаторного типа, исследованы переходные процессы при включении однофазного трансформатора в сеть. Рассмотрены особенности управления системами электроотопления с использованием устройства регулирования мощности и температуры. В четвертой главе рассмотрены особенности проектирования однофазных трансформаторов для систем электроотопления с учетом особенностей режима работы. Приведены результаты экспериментальных исследований макетных образцов нагревательных элементов трансформаторного типа.
Особенности расчета электрических полей и активных сопротивлений вторичной обмотки
Намагничивающий ток является индуктивным и имеет вид узких затухающих импульсов, что объясняется сильным насыщением сердечника. Намагничивающий ток при включении сильно зависит от начальной фазы напряжения. При щ = 0, когда напряжение в момент включения переходит через нуль, броски тока максимальны и достигают 4,,,6 кратного значения по сравнению с амплитудой номинального тока. При ро=л/2, когда напряжение проходит через максимум, намагничивающий ток сразу достигает установившихся значений с небольшой амплитудой. На рисунке 3.5 приведена зависимость максимального тока включения /jmax от начальной фазы напряжения (ро при различных значениях остаточного магнитного потока, которая показывает, что при 0,4л: (р0 0,6л броски тока включения практически не превосходят амплитуду номинального тока.
Электронагреватели часто комплектуют электронными терморегуляторами или регуляторами мощности, которые осуществляют достаточно частое повторно-кратковременное включение нагревательного элемента с длительностью цикла от нескольких десятков секунд до нескольких минут. Для предотвращения перегрева первичной обмотки индуктора, выхода из строя силовых элементов электронных регуляторов, а также ложного срабатывания элементов защиты питающих сетей необходимо ограничивать броски тока при включении. Поэтому схемы регуляторов должны обеспечивать их включение в момент времени, соответствующий ожидаемому переходу тока через ноль.
В настоящее время подавляющее большинство электронагревательных приборов оснащаются устройствами регулирования мощности или температуры. На систему управления устройством питания электронагревательных приборов трансформаторного типа возлагаются следующие задачи: - защита потребителя от поражения электрическим током; - отключение при ненормальных режимах работы; - обеспечение плавного пуска; - поддержание интенсивности нагрева или температуры нагреваемого объекта на уровне, заданном пользователем; - индикация заданного и достигнутого уровня температуры. К схемам управления, кроме того, предъявляются такие традиционные требования, как технологичность и возможность ремонта, низкая себестоимость, минимальная масса и габариты, экономичность, безопасность; надёжность и т.д. Необходимость обеспечения плавного пуска нагревательного элемента трансформаторного типа обусловлена характерным для трансформатора переходным процессом при подключении его к сети. Возникающие при этом ударные токи и перенапряжения отрицательно сказываются на состоянии изоляции, оказывают влияние на питающую сеть и должны быть, по возможности, снижены. Это может быть достигнуто следующими способами: включение производится в строго определённый момент времени (для НЭТ с высоким коэффициентом мощности он близок к переходу синусоиды сетевого напряжения через ноль). Плавный пуск позволяет ограничить скорость нарастания температуры изоляции и электромагнитной силы в короткозамкнутом трансформаторе. За счёт этого может быть увеличен срок службы изоляции и нагревателя в целом. Задача регулирования нагрева является одной из наиболее важных и решается путем формирования управляющего сигнала. Применяются как замкнутые системы регулирования, так и разомкнутые. Первые для потребителя предпочтительней в силу постоянства температуры нагреваемой среды и возможности задания температуры непосредственно, но дороже, поскольку требует применения датчиков температуры, усложняется процесс настройки и калибровки. Индикация температуры или степени нагрева для большинства бытовых нагревателей не является обязательной. Однако конкурентоспособность электронагревателя, оснащённого средствами индикации, существенно выше, чем электронагревателя без индикации. Регулятор мощности предназначен для работы совместно с электрорадиаторами трансформаторного типа в качестве электронного устройства, при помощи которого пользователь может устанавливать желаемую температуру. Регулятор мощности должен нормально функционировать при колебаниях напряжения в питающей сети в пределах от минус 15% до плюс 10% от номинального и при изменении температуры окружающей среды в диапазоне от минус 10 до плюс 40С. Функциональная схема включает в себя: - источник питания; - формирователь синхроимпульсов; - RS - триггер; - генератор; - силовой ключ; Источник питания - бестрансформаторный, с однополупериодным выпрямителем. Формирователь синхроимпульсов - устройство, непрерывно вырабатывающее последовательность импульсов определенной формы. Состоит из фазосдвигающей цепи, инвертора, дифференцирующей цепи с диодным ограничителем на выходе. Синхронизированное включение нагрузки обеспечивается RS -триггером. При минимальной мощности, контакты выключателя замыкаются, и синхроимпульсы (осц.З, рисунок 3.7) поступают на триггер, разрешая и синхронизируя включение нагрузки. Генератор формирует предварительно разрешающий включение нагрузки интервал (осц.4, рисунок 3.7). В результате на выходе инвертора формируется разрешающий включение нагрузки положительный уровень (осц.5, рисунок 3.7). Происходит замыкание цепи управления симистора в момент, соответствующий минимальному коммутационному броску тока нагрузки (осц.6,7, рисунок 3.7).
Особенности управления системами электроотопления на основе нагревательных элементов трансформаторного типа
Расчеты показывают, что при мощности электрорадиатора .Р,, =0,5...2,0 кВт и оптимальных значениях =0,25...0,7 В выполнить вторичный контур из наиболее дешевых стальных проводов не удается, поскольку из-за низкой электропроводности стали длина витка 1в получается слишком малой. Реально возможно применение алюминиевых и медных проводов. Причем по условию жесткости и уменьшения шума диаметр алюминиевых проводов должен быть не менее 1,5 мм, а медных проводов - не менее 1 мм. При использовании алюминиевых проводов расход провода и стоимость электрорадиатора получаются меньше, чем при использовании медных проводов. Витки вторичного контура по току могут быть соединены как последовательно, так и параллельно. Однако, во избежание разрыва вторичного контура и появления в нем относительно большого напряжения (50... 100 В) более предпочтительно параллельное соединение. Оно предполагает, что каждый виток замыкается накоротко. По технологическим условиям более простым в изготовлении является вторичный контур из медных проводов, которые хорошо подвергаются пайке. Вторичный контур удобнее наматывать из цельного провода, а после намотки замыкать все витки накоротко путем пайки.
Для экспериментальных исследований режимов работы электронагревателей трансформаторного типа были изготовлены макетные образцы, отличающиеся конструктивным исполнением вторичного короткозамкнутого контура. Общий вид макетного образца электрорадиатора трансформаторного типа с продольными гофрами и односторонним расположением вторичного контура мощностью 0,75кВт показан на рисунке 4.7 и имеет следующую конструкцию. На тороидальном магнитопроводе из электротехнической стали марки 3406 толщиной 0,35мм равномерно намотана первичная обмотка из медного провода марки ПЭТ-155, которая имеет 700 витков. Магнитопровод изолирован двумя торцевыми прокладками. Вторичный короткозамкнутый контур выполнен из алюминиевого сплава АД-1 толщиной 1мм с нанесением жалюзей для выравнивания температуры поверхности на высоте. Стержень осуществляет проход вторичного тока через окно магнитопровода, выполнен из алюминиевого сплава АД-1 диаметром 40мм и имеет внутреннее отверстие для увеличения площади теплообмена. На рисунке 4.8 представлен макетный образец электрорадиатора напольного типа с поперечными гофрами и двухсторонним расположением вторичного контура мощностью 0,75кВт. Индуктор тороидальный, аналогичный рассмотренному выше. Вторичный короткозамкнутый контур также выполнен из сплава алюминия марки АД-1 толщиной 1мм. Питание всех макетных образцов осуществляется от сети переменного тока частотой 50Гц и напряжением 220В. Для проверки правильности методики расчета вторичного контура был изготовлен опытный образец элсктрорадиатора с тороидальным индуктором и вторичным контуром из медного провода мощностью 0,75кВт, представленный на рисунке 4.9. Вторичная обмотка выполнена из медного провода диаметром 1мм, имеет 359 витков, намотанных из цельного провода и замкнутых накоротко путем пайки. Эксперименты проводились на макетных образцах и предусматривали исследования электромагнитных и тепловых полей в установившемся рабочем режиме для подтверждения правильности теоретических выводов. С целью измерения действующих значений потребляемых тока, напряжения и мощности, макетный образец электрорадиатора с продольными гофрами (рисунок 4.7) подключался к питающей сети через измерительный комплект К-540. Для определения значения магнитной индукции используется два метода. I. Измеритель напряженности поля промышленной частоты ПЗ-50. Данный прибор предназначен для измерения напряженности электрического и магнитного полей промышленной частоты (50Гц) и применяется для контроля предельно допустимых уровней электрического и магнитного поля согласно ГОСТ 12.1.002-84. Прибор имеет диапазон измерения напряженности магнитного поля от 0,01 до 20 кА/м. 2. Измерительная установка, содержащая нагреватель, вольтметр марки В7-22А и измерительную катушку (к=0,035 Тл/мВ). Измерения проводились около сгиба у центральной части, а также между пластинами и на удалении 50 см от поверхности листа.
Особенности расчета и проектирования электрорадиаторов трансформаторного типа
В результате проведенных испытаний получены следующие результаты: Время выхода электрорадиатора на установившийся режим из холодного состояния составило 9 минут. Температура вторичного контура составляет 78 С. Средний коэффициент теплоотдачи с поверхности листа а=9,27 Вт/(м С). Коэффициент мощности составил 0,99. ЭДС вторичного контура 0,56 В, что значительно меньше допустимого напряжения прикосновения 2 В.
Для исследования температурного поля макетного образца применялся портативный компьютерный термограф ИРТИС-2000 (оптикомеханический сканирующий инфракрасный прибор для визуализации и измерения тепловых полей). Технические характеристики:
Диапазон измерений: -40 С..+200 С; точность измерения: ±1 С. Картина температурного поля представлена на рисунке 4.! 1. контуром из медного провода (рисунок 4.9) показали удовлетворительное совпадение расчетов с экспериментом. Максимальное превышение температуры составляет 65С. Средний коэффициент теплоотдачи с поверхности вторичной обмотки а=8 Вт/(м С). Коэффициент мощности составил 0,99. Значение магнитной индукции на расстоянии 50 см составляет 0,2-10 Тл. Однако наблюдался повышенный нагрев проводов вторичного контура в месте расположения проводов в окне индуктора. Это объясняется близким расположением проводов в указанном месте, что требует создания специальных каналов охлаждения в местах скученного расположения проводов.
Таким образом, в результате испытаний макетных образцов установлено: проведённый эксперимент показал работоспособность предложенных конструкций электрорадиаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой; результаты испытаний подтвердили теоретические выводы о высоких энергетических показателях таких устройств (coscp =0,99); результаты измерения значений температур и значений магнитных индукций, полученные в ходе эксперимента, хорошо согласуются с результатами теоретических исследований. Разработана инженерная методика расчета электрорадиаторов трансформаторного типа для систем электроотопления на основе тороидального и стержневого индуктора с учетом особенностей режима работы. - Установлена связь между геометрическими соотношениями, размерами, энергетическими показателями и мощностью короткозамкнутых трансформаторов для электронагревателей, позволяющая сделать их предварительный выбор при проектировании. - Получены рекомендации по выбору числа витков и геометрического коэффициента сечения сердечника для обеспечения минимальной стоимости активных материалов. Экспериментальные исследования макетных образцов трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой в режиме электронагревателя полностью подтвердили правильность теоретических выводов. В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований однофазных трансформаторов для систем электроотопления можно сделать следующие выводы. 1. При создании систем электроотопления с повышенными требованиями степени экологичности и безопасности работы, а также надёжности и долговечности, целесообразно применение электрорадиаторов трансформаторного типа с короткозамкнутой вторичной обмоткой. 2. Разработанные математические модели для расчетов электромагнитных и тепловых процессов в нагревательных элементах, учитывающие особенности конструкции, режима работы и эксплуатации, позволяют проектировать однофазные трансформаторы с короткозамкнутой вторичной обмоткой для систем электроотопления. 3. Разработанная математическая модель переходных процессов позволяет определить рациональный момент подключения первичной обмотки к сети (при изменении ро от 0,4л-до 0,6л" броски тока включения практически не превосходят амплитуду номинального тока), получить рекомендации для управления системами электроотопления с использованием устройств регулирования мощности или температуры. 4. В результате теоретических исследований разработаны рекомендации по проектированию электрорадиаторов трансформаторного типа для систем электроотопления с учетом особенностей режима работы. 5. Экспериментальные исследования на опытных образцах полностью подтвердили достоверность полученных теоретических выводов. 6. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные в диссертационной работе внедрены на ОАО Амурская «ЭРА» (г. Комсомольск-на-Амуре) и ЗАО «Электротехника - БирЗСТ» (г. Биробиджан) в форме технической документации и методик электромагнитного и теплового расчетов для использования при разработке, проектировании и подготовки производства новых типов электронагревательных устройств, что подтверждается соответствующими актами внедрения. Результаты работы используются в учебном процессе КнАГТУ.
