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 J P E 2 1 d 2 E 2 m d a po uwzględnieniu prawa Ohma P γ E lub J γ m E m 1 2 J 2 1 m d J 2 d p d gdzie p - gęstość objętościowa mocy wydzielanej w ośrodku, np. w nagrzewanym wsadzie - jest określona wzorem p 1 J γ 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 2
- 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 230 do wartości skutecznej ponad 3k 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, a najniższa około 2300. 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 (2,5 + 2,5 jak widać na rysunku). Transformator żarzenia lamp generacyjnych TG wykonany jest podobnie z tym, że wartość napięcia wtórnego wynosi 10. Lampy prostownicze typu RG 1000/3000 są gazotronami na napięcie 3000 i prąd stały 1250 ma. Prąd żarzenia gazotronów jest równy 6,75 A przy napięciu 5. 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 L p C p. 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 U ż 10, prąd żarzenia J ż 10 A, napięcie anodowe U ao 3000, prąd anodowy J ao 415 ma, ujemne napięcie siatki U so -200, prąd siatki J so 55 ma, moc generowana P g 1000 W, moc admisyjna P a 300 W. częstotliwość maksymalna f max 67 Mhz. W celu dwukrotnego zwiększenia mocy generacyjnej zastosowano równoległe połączenia lamp. Obwód drganiowy składa się z małostratnego kondensatora wysokonapięciowego C p o pojemności 5000 pf (5nF) i napięciu znamionowym 15 k oraz z cewki L p o indukcyjności 14 μh, stanowiącej jednocześnie pierwotne uzwojenie transformatora wielkiej częstotliwości. W szereg z cewką L p włączona jest cewka dodatkowa L d nie obejmowana przez wtórne płaszczowe uzwojenie transformatora wielkiej częstotliwości. Zwiększa ona przekładnię transformatora. Kondensator C b służy blokowaniu składowej stałej prądu nie przedstawiając jednocześnie dużej oporności dla prądów dużej częstotliwości. Kondensator C s 2 2000 pf sprzęga siatkę z obwodem drgań i tworzy łącznie z oporem upływowym R s układ automatycznej polaryzacji siatki. Opór upływowy R s 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 L dł 4,6 mh łącznie z kondensatorem C 1 2500 pf stanowi filtr odcinający prąd wielkiej częstotliwości od zasilacza. Opór R p 5 Ω włączony w obwód siatki oraz kilkuomowej wartości R 2 przeciwdziałają powstawaniu drgań pasożytniczych. Kondensatory C 2 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 L s 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 P 2 i P 3 regulujące napięcie żarzenia lamp, 5. przełącznik błyskawiczny P 1 do zmiany sposobu sterowania generatora z ręcznego za pośrednictwem przycisku Z-W, na nożny,. W skład obwodu kontroli wchodzą: 1. woltomierz o zakresie 250 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 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 P 2 i P 3. 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 (I ao ) powinien wzrastać, a prąd siatki (I so ) maleć. Stosunek tych prądów powinien zawierać się w granicach: na początku nagrzewania I so (0,1 0,2) I ao na końcu nagrzewania (wsad gorący) I so (0,2 0,3) I ao 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 I ao 0,9A 0,95 A, I so 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 P 4 są następujące: Nr pozycji przełącznika Moc wyjściowa [W] P 4 1 770 2 980 3 1180 4 1340 Moc można regulować przełącznikiem P 4 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 dm 3 /h. Obliczenie mocy generatora pochłanianej w kalorymetrze możliwe jest za pomocą wzoru (1). Wielkości występujące we wzorze to γ gęstość wody kg/m 3, C w ciepło właściwe wody J/kg K, t k temperatura wody wypływającej, t p 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 cm 3 /min, wzór wygodnie jest przekształcić następnie do postaci (2) PC w t k t p 1 (1) PC w G t k t p (2) przy czym G jest przepływem wody w m 3 /s (należy wynik pomiaru w cm 3 /min podzielić przez J kg m 3 6 10 7 ). 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 P u i na skutek działania układu generacyjnego : moc tracona we wzbudniku P w oraz w transformatorze P t. 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). P u w (3) P u P w P u g (4) P u P w P t k P u P g (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 transformator wzbudnik przepływomierze kalorymetr 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 t 0 transformator Wzbudnik kalorymetr Moc czynna prąd t pobierana przez tr G tr t w G w t k G k generator 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 ra [ C] Ciepło właściwe [J/kgK] Gęstość [kg/m 3 ] 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