Индуктивный нагрев железобетонных и иных изделий осуществляется благодаря тому, что магнитное поле индуктора (катушки) наводит в проводящих элементах (арматуре) и условиях бетона с ионной проводимостью э.д.с., вызывающие циркулирование в этих элементах и слоях вихревых (индукционных) токов. Циркулирование токов вызывает омические (тепловые) потери и выделение тепла, разогревающего изделие по всей его массе.
Схема замещения катушки представлена на рис.2.2,а. Катушка эквивалентируется индуктивностью с сопротивлением XL и резистором RL.
Резистор RL равен внутреннему омическому сопротивлению катушки, или её сопротивлению постоянному току.
Индуктивное сопротивление XL пропорционально частоте тока катушки и её индуктивности L:
XL= 2 πfL = ωL, Ом где f - частота тока сети, 50Гц
ω - угловая частота тока, с-1
Индуктивность катушки является мерой её электромагнитной инерции и зависит от конфигурации, размеров, числа витков катушки, а также от наличия или отсутствия в катушке магнитопровода.
Полное сопротивление катушки
| ZL = RL 2+ + X L 2 | (2-1) |
Полное сопротивление может быть определено и в соответствии с законом Ома:
| Z = U 1/ I 1, Ом | (2-2) |
Выражение (2-1) показывает, что полное, активное и индуктивное сопротивления составляют соответственно гипотенузу и катеты прямоугольного треугольника. Он называется треугольником сопротивлений. Наличие индуктивности вызывает некоторое отставание (сдвиг) фазы тока по отношению к фазе напряжения, в чём и проявляется упомянутая электромагнитная инерция катушки.
Природа индуктивного сопротивления катушки связана с созданием вокруг неё переменного магнитного поля. Это поле в соответствии с законом электромагнитной индукции наводит в витках катушки э.д.с. самоиндукции, знак который в каждый момент времени противоположен знаку приложенного к катушке напряжения. В каждый момент времени э.д.с. препятствует как нарастанию тока в катушке, так и его уменьшению.
Следовательно, чем больше частота тока (т.е. скорость его изменения). Тем больше противодействие его изменению и прохождению, т.е. тем больше индуктивное сопротивление катушки.
Э.д.с. самоиндукции катушки
| e =− Ldi / dt | (2-3) |
Угол сдвига между мгновенными значениями напряжения и тока либо между векторами напряжения и тока обозначается ϕ, а cos ϕ - коэффициентом мощности. Поскольку первопричиной отставания тока от напряжения является индуктивный характер сопротивления, то и угол между ZL и RL в треугольнике сопротивлений, будет равен ϕ. Откуда: cos ϕ = RL/ ZL.
Катушка (индуктор) потребляет активную Р и реактивную Q мощности. Первая соответствует омическим потерям в витках катушки:
| P = I 12 RL, или P = UI 1cos ϕ 1, Вт | (2-4) |
Реактивная мощность идут на создание магнитного поля катушки:
Q = I 12 X L, Q = UI 1sin ϕ 1, Вар.
Полная мощность электроприёмника обозначается S:
| S = P 2+ Q 2или S = UI 1, ВА | (2-5) |
Нетрудно видеть, что полная и реактивная мощность геометрически соотносятся как гипотенуза и катеты прямоугольного треугольника (треугольника мощностей), причём угол ϕ заключён между гипотенузой S и катетом P. Величина
| сosϕ = P / S = P / P 2+ Q 2 | (2-6) |
показывает, какую долю в структуре потребляемых мощностей занимает активная мощность. Поэтому величину cos ϕ называют коэффициентом мощности. Наряду с коэффициентом полезного действия, cos ϕ является важнейшим энергетическим показателем электроприемника.
Электрические величины – напряжения, э.д.с., токи для удобства анализа физических процессов представляют в виде комплексных векторных величин, характеризуемых, как известно, направлением и модулем. Например, действующее значение напряжения можно записать в виде комплексного числа в трех формах:
| алгебраической: | U = Ur + jUm |
| тригонометрической: | U = U (cos ψ + jsinψ) |
показательной: U = Ue jψ
Совокупность векторов комплексных значений синусоидальных величин одной частоты, показывающая их взаимное расположение, называют векторной диаграммой. Удобство использования векторных диаграмм состоит кроме того в том, что сложение и вычитание комплексных значений можно заменить геометрическим сложением векторов.
Векторная диаграмма строится в комплексной плоскости. Для удобства анализа один из векторов направляют вдоль оси действительных величин. Дальнейшие построения диаграммы осуществляю относительно этого вектора (тока или напряжения), который называют исходным, или базовым, вектором.
Для построения векторной диаграммы катушки следует определить в соответствии с законом Ома индуктивную U 1 и активную UR составляющие падения напряжения и выбрать масштаб напряжения (В/мм или В/см).
Активная составляющая напряжения или тока откладывается вдоль оси действительных величин (горизонтально) и является базовым вектором.
Следует знать, что в электротехнике принято направление вращения векторов против часовой стрелки. Следовательно, вектор, расположенный выше базового, будет по отношению к нему опережающим, а расположенный
ниже базового, - отстающим.
Подключение конденсатора емкостью существенно изменяет
электромагнитные процессы в цепи, поскольку природа емкостного сопротивления xc отличается от индуктивного.
Ёмкостное сопротивление связано с созданием электрического поля между обкладками конденсатора. при этом ток цепи внутри конденсатора представляет собой ток смещения, обеспечивающий разделение электрических зарядов диэлектрика конденсатора и выделения их на обкладках конденсатора, т.е. образованию электрического поля.
В случае индуктивности мгновенное значение мощности меняется периодически с двойной частотой сети: катушка дважды успевает накопить энергию магнитного поля и вернуть её в сеть. В конденсаторе процесс накопления энергии электрического поля и возврат её в сеть также происходит с двойной частотой, однако при этом ёмкость отдаёт в сеть энергию в то самое время, когда индуктивность получает её из сети и наоборот. Следовательно, в каждый момент времени токи конденсатора С и катушки L и их векторы имеют противоположные знаки. Это интересное физическое явление имеет чрезвычайно важное практическое значение.
В системе электроснабжения, имеющих электроприёмники с индуктивным характером нагрузки (индукционные печи, асинхронные двигатели и т.д.), параллельно к ним подключают конденсаторные батареи (косинусные установки). Эти установки компенсируют значительную часть реактивной (индуктивной) мощности, потребляемой электроприёмником, благодаря чему провода и кабели энергосистемы разгружаются от реактивной составляющей тока, а также уменьшаются потери энергии в них.
Таблица №3
| № | U, | I, | R, | Хс, | № | U, | I, | R, | Хс, |
| п/п | (в) | (А) | (Ом) | (Ом) | п/п | (в) | (А) | (Ом) | (Ом) |
а) б) в)
Рис. 3. Эквивалентная схема катушки (а)схема параллельного (б) и последовательного (в) соединения катушки и конденсатора
Оформление отчёта.
В отчёт включаются следующие пункты:
1. Задание.
2. Электрические схемы.
3. Расчётные записи.
4. Векторные диаграммы.
5. Выводы полученные от сравнения расчётных данных.
Контрольные вопросы.
1. Основные способы измерения температуры.
2. основные способы электронагрева (нагрев сопротивлением, дуговой нагрев, индукционный нагрев и диэлектрический нагрев).
3. Способы регулирования температуры.
Литература.
1. «Электротермическое оборудование», справочник /под ред. А.П.Альтгаузена/. М.: Энергия, 1980.
2. Бургаев Ю.В., Овсянников П.Н. «Теоретические основы электромеханики». Под ред. М.Ю. Зайчика. М.: Энергоатомиздат, 1984.
3. И.И. Алиев и др. «Электротехника и электрооборудование». –М: МИКХ и С, 1998 – 83с.