Badanie prądów wirowych - Szkoła Główna Służby Pożarniczej

SZKOŁA GŁÓWNA SŁUŻBY POŻARNICZEJ
K AT E D R A T E C H N I K I P O Ż A R N I C Z E J
ZAKŁAD ELEKTROENERGETYKI
Ćwiczenie: ĆWICZENIE BADANIE PRĄDÓW
WIROWYCH
Opracował:
mgr inż. Edward SKIEPKO
Warszawa 2000
Wersja 1.0
www.labenergetyki.prv.pl
Laboratorium Elektroenergetyki
Ćwiczenie: Badanie prądów wirowych
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z prądami wirowymi oraz z metodami ograniczenia ich.
2. Wprowadzenie teoretyczne
Prawo indukcji elektromagnetycznej podaje zależność między wartością napięcia indukującego
się w przewodniku a prędkością zmian strumienia magnetycznego. Współcześnie konstruowane
maszyny elektryczne mają obwody magnetyczne wykonane z materiałów ferromagnetycznych, które sa
przewodnikami. W obwodach tych jest przeważnie wykorzystywany zmienny strumień magnetyczny, co
zgodnie z prawem indukcji elektromagnetycznej powoduje powstanie w nich siły elektromotorycznej.
Wynika z tego, że SEM powstaje nie tylko w przewodach używanych na uzwojenia, ale i
masywnych ciałach stosowanych na obwód magnetyczny i elementy konstrukcyjne urządzenia. W
masywnym przewodniku elektrycznym pod wpływem zaindukowanego napięcia powstają prądy,
zamykające się w objętości przewodnika, a więc mogące przybierać stosunkowo duże wartości. Ze
względu na kołowy kształt drogi ich przepływu, prądy te zostały nazwane prądami wirowymi, Prądy te
wywołuję straty mocy, a więc obniżają sprawność urządzenia i w niektórych wypadkach mogę
spowodować pożar.
Szkodliwe działanie prądów wirowych można ograniczyć wykonując obwód magnetyczny z
cienkich blach magnetycznych odizolowanych od siebie i ułożonych swe płaszczyznę prostopadle do
drogi zamykania się tych prądów (rys. 12.1).
W obwodach magnetycznych maszyn elektrycznych i metalowych elementach konstrukcyjnych
tych urządzeń oprócz strat na prądy wirowe występują jeszcze straty na histerezę. Łączne straty w
żelazie można zapisać:
ponieważ:
∆PFE=∆Ph+∆Pw
∆Ph = k h' × Bm2 × f
∆Pw = k w' × Bm2 × f 2
gdzie:
k’h i k’w - jednostkowe straty na prądy wirowe i histerezę w czasie jednego okresu,
B - maksymalna wartość indukcji magnetycznej w rdzeniu,
f - częstotliwość
Wzór na straty w żelazie przyjmie postać:
∆PFe = k h' × Bm2 × f + k w' × Bm2 × f 2
Przy stałej indukcji w obwodzie magnetycznym Bm= const wzór można przedstawić:
∆PFe = k h × f + k w × f 2
Wykonując pomiary strat w obwodzie magnetycznym przy zmiennej częstotliwości można wykonać
wykres:
∆PFe
= kw × f + kh
f
⎡⎛ P ⎞
⎤1
k w = ⎢⎜⎜ Fe ⎟⎟ − k h ⎥
⎢⎣⎝ f ⎠1
⎦⎥ f
i rozdzielić straty na histerezę oraz prądy wirowe
-2-
Laboratorium Elektroenergetyki
Ćwiczenie: Badanie prądów wirowych
Straty w obwodach magnetycznych urządzeń elektrycznych mogą być wykorzystane w
procesach elektrotermicznych. Nagrzewanie wsadu pod wpływom indukowanych w nim prądów wirowych nazywa się nagrzewaniem indukcyjnym.
W indukcyjnych urządzeniach grzejnych, podobnie Jak w transformatorach, występują dwa
obwody prądowe. Obwód pierwotny na uzwojenie (zwane wzbudnikiem), wytwarzające zmienne pole
magnetyczne. W obwodzie wtórny zamiast uzwojenia występuje nagrzewany przedmiot. Jedno
konstrukcyjnych możliwych rozwiązań konstrukcyjnych nagrzewnicy indukcyjnej; pokazuje rysunek 12.2,
W nagrzewaniu indukcyjnym duże znaczenie ma zjawisko naskórkowości, polegające na tym, że prąd
przemienny, w odróżnieniu od prądu stałego, nie rozkłada się równomiernie w całym przewodniku. W
warstwach przypowierzchniowych gęstość prądu jest większa niż w jego środku. Efekt naskórkowości
wzrasta ze wzrostem częstotliwości„ Tę właściwość wykorzystano w celu nagrzewania
przypowierzchniowych warstw metalu.
-3-
Laboratorium Elektroenergetyki
Ćwiczenie: Badanie prądów wirowych
3. Pomiary laboratoryjne
Zadanie 1. Pomiar rezystancji wzbudnika.
Pomiar należy wykonać prądem stałym, stosując metodę techniczną (rys. 12.3). Wyniki
zanotować w tabeli 12.1.
Tabela 12.1. Wyniki pomiarów i obliczeń
U-V
L.p.
V-W
U-W
U
I
R
Rśr
U
I
R
Rśr
U
I
R
Rśr
[V]
[A]
[Ω]
[Ω]
[V]
[A]
[Ω]
[Ω]
[V]
[A]
[Ω]
[Ω]
Zadanie 2: Pomiar parametrów pracy jałowej nagrzewnicy.
W celu wykonania pomiarów należy przyłączyć nagrzewnicę do sieci zgodnie ze schematem
połączeń przedstawionym na rys. 12.4.
Rys.12.2. Schemat układu pomiarowego
Wyniki zanotować w tabeli 12.2
Tabela 12.2. Wyniki pomiarów i obliczeń
L.p.
U
I0
P1
P2
P0
cosø
∆PCu
∆PFe
[V]
[A]
[W]
[W]
[W]
---
[W]
[W]
Uwagi
Straty mocy czynnej w uzwojeniu wzbudnika ∆PCU oraz straty mocy czynnej w rdzeniu nagrzewnicy ∆PFe
należy obliczyć ze wzorów:
PO = ∆PCu + ∆PFe
∆PCu = 3 × (I O ) × R
2
Zadanie 3: Pomiar parametrów nagrzewnicy w stanie obciążenia
Pomiary wykonać w układzie przedstawionym na rysunku 12.4. Badania przeprowadzić dla
-4-
Laboratorium Elektroenergetyki
Ćwiczenie: Badanie prądów wirowych
różnych konfiguracji materiału i różnych materiałów. Wyniki pomiarów zanotować w tabeli 12.3.
Tabela 3. Wyniki pomiarów i obliczeń
L.p.
U
I0
P1
P2
P0
cosø
[V]
[A]
[W]
[W]
[W]
---
Wsad
Uwagi
Zadanie 4; Badanie temperatury wsadu.
W układzie jak na rysunku 12.4. miernikiem temperatury należy zmierzyć temperaturę
nagrzewanych materiałów. Pomiary wykonywać, co 30 sek. do temperatury 100°C. Wyniki pomiarów
umieścić w tabeli 12.4.
Tabela 12.4 Wyniki pomiarów temperatury wsadu
L.p.
4.
a)
b)
Wsad I
……………………..
Wsad II
……………………..
Wsad III
……………………..
czas
Temp
czas
Temp
czas
Temp
[s]
[OC]
[s]
[OC]
[s]
[OC]
Uwagi
c)
Opracowanie wyników pomiarów:
Uzupełnić tabela o odpowiednie obliczenia,
Na podstawie wykreślnej charakterystyki θ=f(t) określić przybliżoną temperaturę graniczną θg, jaką
osiągnąłby wsad po nieskończenie długim czasie nagrzewania,
Przeprowadzić dyskusje wyników oraz podać wnioski z przeprowadzonych pomiarów.
5.
a)
b)
c)
d)
Zawodnienia i pytania kontrolne:
Przyczyny powstawania prądów wirowych,
Od czego zależą straty mocy w obwodach magnetycznych maszyn elektrycznych?
W jaki sposób można wykorzystać prądy wirowe?
Na czym polega zjawisko naskórkowości?
6. Literatura
1. Praca zbiorowa: Laboratorium przemian energii elektrycznej. Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej,
Wrocław 1980.
-5-