γ= J 1 p γ

Przemiana energii pola elektromagnetycznego w ciepło.
Pomiar mocy użytecznej i sprawności wzbudnika generatora
indukcyjnego wielkiej częstotliwości metodą kalorymetryczną
1. Podstawy teoretyczne
Nagrzewanie indukcyjne jest to nagrzewanie elektryczne polegające na generacji ciepła przy
przepływie prądów wirowych wywołanych zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej w elementach
sprzężonych magnetycznie.
Rysunek 1. Piec indukcyjny Kjellina ilustrujący zasadę nagrzewania indukcyjnego
1 — wzbudnik, 2 — ciekły metal, 3 — rdzeń, 4 — pierścieniowa rynna ceramiczna, 5 — pokrywa
moc czynna zamieniana na ciepło
1
P=∫ E 2 dV =−∫  E m2 dV
2
V
V
a po uwzględnieniu prawa Ohma
J= γE
P=∫
V
lub
J m = γ Em
1
1
J m2 dV =∫ J 2 dV =∫ pV dV
2

V
V
gdzie pV- gęstość objętościowa mocy wydzielanej w ośrodku, np. w nagrzewanym wsadzie - jest
określona wzorem
1 2
J
γ
pV =
Indukcyjny układ grzejny tworzą następujące elementy:
- wzbudnik, czyli odpowiednio ukształtowany przewodnik lub zespół przewodników zasilany ze
źródła pola elektromagnetycznego (odpowiednik pierwotnego uzwojenia w transformatorze,
- poddawany nagrzewaniu wsad (uzwojenie wtórne),
1
- ewentualne wyposażenia służące polepszeniu sprzężenia magnetycznego wzbudnika ze wsadem
(magnetowody – rdzenie lub boczniki magnetyczne, koncentratory).
Magnetowody są stosowane zwłaszcza przy małych częstotliwościach i trasują drogę strumienia
magnetycznego. Boczniki magnetyczne to rdzenie otwarte umieszczone w stosunku do wzbudnika i
wsadu w sposób zmniejszający strumień rozproszenia. Koncentratory służą do kierowania
strumienia magnetycznego na określony fragment powierzchni wsadu przy jego lokalnym
nagrzewaniu. Schematy trzech układów z magnetowodami są pokazane na rys. 2 b, d, f.
Rysunek 2. Podstawowe konfiguracje indukcyjnych układów grzejnych: a) wsad we wnętrzu wzbudnika; b) wsad
we wnętrzu wzbudnika z bocznikami magnetycznymi; c) wsad na zewnątrz wzbudnika; d) wsad na zewnątrz
wzbudnika z rdzeniem zamkniętym; e) wsad poza wzbudnikiem; f) wsad poza wzbudnikiem, z rdzeniem ze
szczeliną l - wzbudnik, 2 - wsad, 3 - magnetowód
2. Budowa generatora
Schemat elektryczny generatora indukcyjnego będącego przedmiotem badań przedstawiony jest
na rysunku 3. W skład generatora wchodzą następujące obwody:
a) zasilacz wysokonapięciowy,
b) obwody wielkiej częstotliwości,
c) obwody kontroli, zabezpieczenia i sterowania.
Zadaniem zasilacza jest dostarczenie wysokiego napięcia i prądu stałego do zasilania anod lamp
generacyjnych oraz napięć żarzeniowych.
Transformator wysokiego napięcia TW ma dzielone uzwojenie wtórne podwyższające napięcie
sieci 230V do wartości skutecznej ponad 3kV na jednej połówce uzwojenia. Po stronie pierwotnej
transformator posiada cztery zaczepy regulacyjne służące do skokowej regulacji napięcia
wyjściowego transformatora, a tym samym mocy oddawanej przez generator. Najwyższa wartość
napięcia wyjściowego wynosi około 3000 V, a najniższa około 2300 V.
Transformator żarzenia lamp prostowniczych TP ma cztery zaczepy regulacyjne po stronie
pierwotnej i pozwala na skokową regulację napięcia co 5% wartości znamionowej. Pozwala to na
utrzymanie napięcia wtórnego na odpowiednim poziomie bez względu na wahania napięcia sieci.
Wartość napięcia wtórnego wynosi 5 V (2,5V + 2,5V jak widać na rysunku).
Transformator żarzenia lamp generacyjnych TG wykonany jest podobnie z tym, że wartość
napięcia wtórnego wynosi 10 V. Lampy prostownicze typu RG 1000/3000 są gazotronami na
napięcie 3000 V i prąd stały 1250 mA. Prąd żarzenia gazotronów jest równy 6,75 A przy napięciu
5V. W zasilaczu gazotrony pracują w układzie dwupołówkowym.
2
Rysunek 3: Schemat elektryczny generatora indukcyjnego wielkiej częstotliwości
W skład obwodów wielkiej częstotliwości wchodzi układ generacyjny i obwód wyjściowy.
Układ generacyjny przetwarza energię prądu stałego otrzymaną z zasilacza w energię prądu
zmiennego wielkiej częstotliwości w obwodzie rezonansowym LpCp.
Lampy generacyjne wchodzące w skład układu generacyjnego uzupełniają straty energii w
obwodzie rezonansowym i utrzymują dzięki temu drgania niegasnące w tym obwodzie.
Zastosowane lampy, typu ES833, mają następującą charakterystykę:
● napięcie żarzenia Uż = 10 V, prąd żarzenia Jż = 10 A,
● napięcie anodowe Uao = 3000 V, prąd anodowy Jao = 415 mA,
● ujemne napięcie siatki Uso = -200 V, prąd siatki Jso=55 mA,
● moc generowana Pg = 1000 W, moc admisyjna Pa = 300 W.
● częstotliwość maksymalna fmax=67 Mhz.
W celu dwukrotnego zwiększenia mocy generacyjnej zastosowano równoległe połączenia lamp.
Obwód drganiowy składa się z małostratnego kondensatora wysokonapięciowego Cp o
pojemności 5000 pF (5nF) i napięciu znamionowym 15 kV oraz z cewki Lp o indukcyjności 14 μH,
stanowiącej jednocześnie pierwotne uzwojenie transformatora wielkiej częstotliwości. W szereg z
cewką Lp włączona jest cewka dodatkowa Ld nie obejmowana przez wtórne płaszczowe uzwojenie
transformatora wielkiej częstotliwości. Zwiększa ona przekładnię transformatora.
Kondensator Cb służy blokowaniu składowej stałej prądu nie przedstawiając jednocześnie dużej
oporności dla prądów dużej częstotliwości.
Kondensator Cs = 2 · 2000 pF sprzęga siatkę z obwodem drgań i tworzy łącznie z oporem
upływowym Rs układ automatycznej polaryzacji siatki. Opór upływowy Rs składa się z oporu
drutowego 1500 Ω i oporu dwóch żarówek 40 W połączonych szeregowo. Żarówki stabilizują prąd
siatki przy zmianach obciążenia generatora.
Dławik wielkiej częstotliwości Dł o indukcyjności Ldł = 4,6 mH łącznie z kondensatorem C1 =
2500 pF stanowi filtr odcinający prąd wielkiej częstotliwości od zasilacza.
Opór Rp = 5 Ω włączony w obwód siatki oraz kilkuomowej wartości R2 przeciwdziałają
powstawaniu drgań pasożytniczych.
Kondensatory C2 = 2 · 100 pF ułatwiają drogę prądom wielkiej częstotliwości płynącym do
masy i nie dopuszczają ich do transformatora żarzenia.
Układ generacyjny pracuje w równoległym układzie zasilania anodowego, stosowanym
3
powszechnie do celów grzejnictwa indukcyjnego. Generator jest samowzbudny o bezpośrednim
sprzężeniu zwrotnym obwodu anodowego z obwodem siatkowym (układ Hartley'a).
W celu wykorzystania maksymalnej mocy lamp i zapewnienia dobrej sprawności generator
pracuje w klasie C.
Obwód wyjściowy służy do przekazywania energii z obwodu drgań do wsadu. Składa się z
wtórnego uzwojenia transformatora wielkiej częstotliwości Ls i przyłączonego do jego zacisków
wzbudnika.
W skład układu sterowania wchodzą:
1. przycisk „Z-W” służący do pośredniego włączania i wyłączania wysokiego napięcia
zasilającego anody lamp generacyjnych,
2. stycznik S włączający transformator wysokiego napięcia do sieci,
3. wyłącznik główny WG służący do włączania i wyłączania napięcia sieci,
4. przełączniki P2 i P3 regulujące napięcie żarzenia lamp,
5. przełącznik błyskawiczny P1 do zmiany sposobu sterowania generatora z ręcznego za
pośrednictwem przycisku „Z-W”, na nożny,.
W skład obwodu kontroli wchodzą:
1. woltomierz V o zakresie 250 V do kontroli napięcia żarzenia
2. amperomierz A o zakresie 1 A do pomiaru składowej stałej prądu anodowego,
3. miliamperomierz mA o zakresie 150 mA do pomiaru składowej stałej prądu siatkowego
4. lampki sygnalizacyjne.
Zabezpieczenie generatora stanowią dwa bezpieczniki topikowe 35A.
Generator jest przeznaczony do indukcyjnego, powierzchniowego nagrzewania wsadów
metalowych o średnicy do 8 mm. Grzanie wsadów o większej średnicy wymaga doboru
odpowiedniego wzbudnika i dopasowanie generatora.
Przed włączeniem generatora do sieci należy go uziemić.
Generator włącza się do sieci przekręcając wyłącznik pokrętny WG (pozycja Z), co powoduje
zasilenie obwodów żarzenia lamp prostowniczych i generacyjnych. Na woltomierzu V
umieszczonym na tablicy pomiarowo-sterowniczej należy sprawdzić, czy wartość tego napięcia
leży w zakresie oznaczonym czerwonymi kreskami ( zakres dopuszczalny napięcia znamionowego
+/- 5 % wartości). Wskazywanie przez woltomierz napięcia transformatora żarzenia lamp
prostowniczych uzyskuje się przez położenie przełącznika P 2 w lewo. Ustawienie w prawo
powoduje pomiar napięcia lamp generacyjnych. Wskazówka powinna znajdować się w obszarze
ograniczonym czerwonymi kreskami. W przeciwnym wypadku należy wyregulować napięcie
żarzenia lamp za pomocą P2 i P3.
Zielona lampka oznacza pracę generatora.
Przed włączeniem wysokiego napięcia należy odczekać 2 minuty. Powinna być również
włączone chłodzenie wodne wzbudnika, transformatora oraz wsadu. Za pomocą obserwacji
wskazań cyfrowego przepływomierza (ew. pływakowego) dobrać odpowiednie przepływy dla
każdego z elementów generatora. Włączenie wysokiego napięcia następuje po przyciśnięciu
przycisku Z. Zapala się jednocześnie czerwona lampka sygnalizacyjna. Wciśnięcie przycisku W
wyłącza wysokie napięcie.
Generator zostaje obciążony w momencie umieszczenia wsadu we wzbudniku, co będzie
widoczne na wskazaniach przyrządów. Prąd anodowy (Iao) powinien wzrastać, a prąd siatki (Iso)
maleć. Stosunek tych prądów powinien zawierać się w granicach:
● na początku nagrzewania Iso = (0,1 ÷ 0,2) Iao
● na końcu nagrzewania (wsad gorący) Iso = (0,2 ÷ 0,3) Iao
Wsad powinien zostać umieszczony koncentrycznie we wzbudniku, odległość między
wzbudnikiem a wsadem nie powinna być mniejsza niż 1 mm.
Największą moc wydzieloną we wsadzie uzyskuje sie przy optymalnych wielkościach prądów
wynoszących Iao = 0,9A ÷ 0,95 A , Iso = 0,1A ÷ 0,11 A.
4
Moc użyteczną reguluje się przełącznikiem P 4. W warunkach dopasowania generatora do wsadu,
wartości mocy użytecznej dla każdej z pozycji P4 są następujące:
Nr pozycji przełącznika
Moc wyjściowa [W]
P4
1
770
2
980
3
1180
4
1340
Moc można regulować przełącznikiem P4 przy wyłączonym wysokim napięciu.
3. Obwód pomiarowy
Do pomiarów mocy użytecznej generatorów indukcyjnych wielkiej częstotliwości stosowane są
kalorymetry rurowe. Układ pomiarowy pokazany jest na rysunku 4.
Zastępcze obciążenie generatora stanowi rura metalowa (stalowa lub miedziana), przez którą
płynie woda. Do pomiarów temperatury wody dolotowej i wylotowej służą czujniki LM35
zainstalowane w przewodzie doprowadzającym wodę, oraz w przewodach odprowadzających wodę
z chłodzenia transformatora, wzbudnika i wsadu. Dzięki temu możliwy jest pomiar przyrostu
temperatury wody, czyli inaczej energii zakumulowanej w wodzie. Pomiar przepływu wody
realizowany jest za pomocą rotametrów pływakowych i cyfrowych, opartych na pomiarze ilości
impulsów wytwarzanych przez przepływomierz elektroniczny FHKSC firmy Digmesa. Pomiar
wykonuje odpowiednio zaprogramowany mikrokontroler Pic16F877A. Całość została wykonana w
Zakładzie Elektrotermii. Wyniki przedstawiane są na wyświetlaczu Led, za pomocą przycisku
następuje wybór przepływomierza. Wskazania realizowane są w cm 3/min, a rotametry
pływakowe wskazują w dm3/h.
Obliczenie mocy generatora pochłanianej w kalorymetrze możliwe jest za pomocą wzoru (1).
Wielkości występujące we wzorze to γ – gęstość wody kg/m3, Cw – ciepło właściwe wody J/kg·K,
tk – temperatura wody wypływającej, tp – temperatura wody dopływającej. Ze względu na pomiar
Rysunek 4: Techniczny układ do pomiarów mocy użytecznej generatorów indukcyjnych wielkiej częstotliwości: 1
- dopływ wody, 2 - zawór, 3 - pomiar temperatury wody wlotowej, 4 - rotametr, 5- wzbudnik generatora, 6 kalorymetr rurowy, 7 - pomiar temperatury wody wylotowej, 8 - odpływ wody
5
przepływu wody, realizowanego w cm3/min, wzór wygodnie jest przekształcić następnie do postaci
(2)
P=C w  V t k −t p  1
(1)
P=C w  Gt k −t p 
(2)
przy czym G jest przepływem wody w m /s (należy wynik pomiaru w cm 3/min podzielić przez
3
J
kg m
6·107). Jednostka wzoru to
czyli W.
kg K m 3 s K
Wykorzystanie wzorów powyższych, wymaga założenia że straty ciepła z kalorymetru do
otoczenia są niewielkie, co związane jest z niewielką różnicą temperatur między powierzchnią
kalorymetru, a otoczeniem.
Pomiary przepływu wody przez wzbudnik, kalorymetr oraz transformator, pozwalają wyznaczyć
wartości mocy generowane w czasie nagrzewania wsadu Pu i na skutek działania układu
generacyjnego : moc tracona we wzbudniku Pw oraz w transformatorze Pt.
Pomiary mocy pozwalają wyznaczyć sprawności wzbudnika przy zastosowaniu wzoru 3 oraz
sprawność generatora (4). Pomiar mocy czynnej pobieranej przez generator pozwala ocenić
uzyskane wyniki metodą kalorymetryczną (5).
Pu
w =
(3)
P u P w
3
 g=
Pu
P u P w P t
k =
Pu
Pg
(4)
(5)
4. Pomiary
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z typowymi sposobami pomiaru mocy użytecznej generatora
indukcyjnego oraz sprawności wzbudnika i generatora. W celu lepszego zrozumienia ćwiczenia jest
bardzo ważne, aby przystąpić do niego przygotowanym, na co bardzo zwraca uwagę prowadzący!
Przykładowe pytania:
•
równania Maxwella
•
głębokość wnikania fali i zjawisko wypierania prądu
•
sposób generacji pola elektromagnetycznego wysokiej częstotliwości
•
opis metody kalorymetrycznej
•
sposób pomiaru w ćwiczeniu
•
czemu w układzie generacyjnym występują lampy a nie tranzystory
•
różnice w odbiorze mocy w miedzi i stali
6
zawory regulacyjne
pomiar temperatury wody
dopływającej
przepływomierze
transformator
kalorymetr
wzbudnik
pomiar temperatury wody
odpływającej z elementów
generatora
Rysunek 5: Schemat przedstawia układ pomiarowy
2. Układ pomiarowy
Przed przystąpieniem do wykonywania pomiarów, należy zaznajomić się ze schematem generatora
(rys. 3) oraz pomiarowym (rys. 5). Składa się on z następujących elementów:
1 zaworów regulacyjnych przepływ wody
2 przepływomierzy mierzących przepływy medium chłodzącego transformator, wzbudnik,
kalorymetr
3 czujników temperatury, których wskazania odczytuje się na wyświetlaczu LCD poprzez
wybór odpowiedniego pomiaru
3. Pomiary
W ćwiczeniu dysponujemy kalorymetrem miedzianym oraz stalowym. Pomiary kalorymetryczne
wykonujemy dla każdego z 4 stopni generatora. Wyniki umieszczamy w tabeli:
Stopień mocy Temperatura
wlotowa wody
t0
transformator
ttr
Wzbudnik kalorymetr Moc
czynna prąd
tw
Gw
tk
Gk pobierana przez
generator
Gtr
Pomiary przepływu i temperatury zapisujemy po ustaleniu się równowagi termicznej. Następnie
należy wyznaczyć moce pobierane przez każdy z elementów generatora. Ciepło właściwe wody
należy przyjąć dla temperatury z wzoru t m=0.5 t pt k  (jako średnia temperatura wody na
wlocie i wylocie). Wartości ciepła właściwego oraz gęstości wody umieszczono w tabeli:
7
Temperatu Ciepło
ra [°C]
właściwe
[J/kgK]
Gęstość
[kg/m3]
0
4212
999,9
10
4191
999,7
20
4183
998,2
30
4174
995,7
40
4174
992,2
50
4174
988,1
60
4179
983,2
70
4187
977,8
80
4195
971,8
4. Sprawozdanie
W sprawozdaniu powinny się znaleźć następujące punkty:
1. opis działania generatora i zjawisk fizycznych umożliwiających nagrzewanie indukcyjne
2. opis metody kalorymetrycznej i zamieszczone wyniki
3. obliczenia mocy pobieranej przez transformatora, wzbudnik oraz kalorymetr
4. wyznaczenie sprawności wzbudnika, generatora, kalorymetru
5. porównanie uzyskanych wyników z wartościami mocy czynnej pobieranej przez generator
6. ocena dokładności pomiarów
7. wnioski
8