авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Астрологический Прогноз на год: карьера, финансы, личная жизнь


Pages:   || 2 |

Трансформаторы для устройств электронагрева

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КУЗЬМИН ВЯЧЕСЛАВ МАТВЕЕВИЧ ТРАНСФОРМАТОРЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА Специальность 05.09.01. – Электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Томск – 2002 2

Работа выполнена на кафедре электромеханики Комсомольского - на Амуре государственного технического университета.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.Я.Беспалов доктор технических наук, профессор В.П.Обрусник доктор технических наук А.И.Елшин Ведущая организация – ВНИИФТИ “Дальстандарт”, г. Хабаровск.

Защита диссертации состоится “” июня 2002 г. в часов на заседании диссертационного совета ДР 212.269.08 Томского политехниче ского университета по адресу: 634004, г. Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского поли технического университета

Автореферат разослан “” _ 2002 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ю.Н.Дементьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Производство тепловой энергии, как средство соз дания необходимых комфортных условий возникло в древнейшие времена и с тех пор является спутником человека на пути цивилизованного развития. Поэтому одной из наиболее важных и сложных проблем в развитии экономики является проблема энерго сбережения, повышения эффективности производства тепловой энергии. В настоящее время горячее водоснабжение и обогрев жилых и промышленных помещений в круп ных городах и промышленных центрах осуществляется с помощью таких источников тепловой энергии, как ТЭЦ, в небольших городах и поселках - с помощью котельных и печного отопления. Особенно остро стоит проблема получения тепла в небольших на селенных пунктах и фермерских хозяйствах, удаленных от тепломагистрали жилых зданиях. Традиционные источники тепловой энергии обладают рядом существенных недостатков: низкий КПД, определенные сложности в доставке тепла потребителю и т.д. Необходимость строительства ТЭЦ и котельных в непосредственной близости от потребителя ухудшает экологическую обстановку в жилых микрорайонах. Поэтому представляет значительный интерес получение горячей воды и непосредственный обогрев таких объектов с помощью электронагрева, реализация которого не требует значительных капиталовложений, строительных работ и постоянного обслуживающего персонала.

Наиболее распространенными типами электронагревательных устройств явля ются установки, выполненные на основе трубчатых нагревательных элементов (ТЭН), электродные электроводонагреватели, электронагреватели с открытыми тепловыде ляющими элементами и установки индукционного нагрева. Основными недостатками этих видов электроприборов являются их низкая надежность и недостаточный уровень безопасности в эксплуатации. Устранение указанных недостатков может быть достиг нуто путем использования электронагревательных устройств трансформаторного типа.

Они представляют собой понижающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сети, а вторичная обмотка замкнута накоротко и является тепловыде ляющим элементом.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка теории и создание новых видов трансформаторов для устройств электронагрева, обеспечивающих улуч шение эксплуатационных показателей децентрализованных систем горячего водоснаб жения и отопления.

В соответствии с указанной целью ставятся следующие задачи:

- разработка принципов формирования электронагревательных устройств на основе трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой;

- анализ электромагнитных и тепловых процессов, разработка методик проек тирования, определения параметров, электромагнитных и тепловых нагрузок, энерге тических показателей;

- создание комплекса программ для расчета и проектирования трансформато ров с короткозамкнутой вторичной обмоткой, предназначенных для работы в качестве нагревательного элемента;

- выявление особенностей работы электронагревательных устройств в децен трализованных энергетических системах, разработка методов и устройств для питания и управления электронагревательными устройствами трансформаторного типа;

- выполнение комплекса работ по созданию, экспериментальному исследова нию и освоению серийного производства новых типов электронагревательных уст ройств трансформаторного типа.

Методы исследований. Исследования проводились с использованием аналити ческих и численных методов расчета электромагнитных и тепловых полей, теории электрических цепей, теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии, теплофизики, теории подобия, теории планирования эксперимента, физиче ского моделирования, современных методов экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, обеспечивающий создание и ос воение серийного производства широкого спектра электронагревательных устройств трансформаторного типа, в частности:

- впервые разработаны принципы построения и предложены новые конструк ции нагревательных элементов трансформаторного типа, обеспечивающих повышен ный класс электробезопасности и высокую надёжность в эксплуатации;

- выявлены особенности работы трансформаторов с короткозамкнутой вто ричной обмоткой в качестве нагревательных элементов;



- разработаны новые математические модели для анализа тепловых и элек тромагнитных процессов, учитывающие особенности конструкции и режимы работы как однофазных, так и трёхфазных трансформаторов, используемых в качестве нагре вательных элементов;

- разработаны методики проектирования, определения рабочей частоты, пара метров, размерных соотношений, электромагнитных и тепловых нагрузок трансформа торов с короткозамкнутой вторичной обмоткой, используемых в качестве нагреватель ного элемента трансформаторного типа;

- впервые сформулированы требования, предъявляемые к автономным систе мам энергообеспечения на основе нагревательных элементов трансформаторного типа, и разработаны принципы формирования таких систем;

- выявлены особенности работы электронагревательных устройств трансфор маторного типа в децентрализованных энергетических системах, разработаны методы управления и устройства для питания электронагревательных устройств трансформа торного типа;

- в результате исследований выработаны рекомендации по использованию и проектированию специальных видов трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой для установок электронагрева.

- показана эффективность использования трансформаторов с короткозамкну той вторичной обмоткой в качестве нагревательных элементов. Впервые предложены и реализованы в масштабах серийного производства конструкции новых нагревательных устройств с нагревательными элементами трансформаторного типа мощностью от 0, до 200 кВт.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Принципы формирования электронагревательных устройств на основе трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой и новые конструкции на гревательных элементов трансформаторного типа, обеспечивающие высокие показате ли безопасности и надёжности в эксплуатации;

2. Основы теории электромагнитных и тепловых процессов, протекающих в трансформаторах с короткозамкнутой вторичной обмоткой, работающих в качестве на гревательного элемента;

комплекс программно-реализованных математических моде лей для анализа электромагнитных и тепловых процессов, расчета и проектирования.

3. Комплекс теоретических и экспериментальных исследований электронагре вательных устройств трансформаторного типа.

4. Результаты создания и серийного производства электронагревательных уст ройств трансформаторного типа, а также децентрализованных систем энергообеспече ния на их основе.

Практическая ценность работы заключается в решении крупной научно технической задачи по созданию нового энергетического оборудования для систем го рячего водоснабжения и отопления, отвечающего современным требованиям и соот ветствующего уровню лучших мировых образцов, разработке и исследовании новых конструкций нагревательных элементов на основе трансформаторов с короткозамкну той вторичной обмоткой, создании методик и алгоритмов электромагнитных и тепло вых расчётов предложенных устройств и реализации их в виде пакетов прикладных программ, ориентированных на использование современных ЭВМ, разработке реко мендаций по выбору электромагнитных нагрузок и размерных соотношений для проек тирования однофазных и трёхфазных трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой различной мощности, создании макетных образцов и освоении серийного производства электронагревательных устройств на основе нагревательных элементов трансформаторного типа.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной рабо ты докладывалось и получило одобрение на Всесоюзной научно–практической конфе ренции "Развитие и размещение производственных сил, и транспортное обеспечение Дальневосточного экономического региона на период до 2005 года", г. Хабаровск, 1984г.;

конференции «Автоматизация электроприводов и оптимизация режимов элек тропотребления», г. Красноярск, 1985г.;

научно-технических совещаниях в ЛитНИИ строительства и архитектуры, г. Каунас, 1986г.;

Госплане Литовской ССР, г. Вильнюс, 1986г.;

ВНИИЭТО, г. Москва, 1986г.;

ВИТ, г. Запорожье, 1988г., 1990г.;

межведомст венной комиссии МЭТП, ВНИИ «Информэлектро», г. Москва, 1986г.;

четырех дальне восточных региональных научно-практических конференциях "Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промыш ленных предприятий", г. Комсомольск-на-Амуре, 1986г., 1989г., 1992г., 1995г.;

конфе ренции по итогам выполнения МРНТП “Дальний Восток России” за 1993-1996 гг., г.

Комсомольск-на-Амуре, 1996г.;

научно-технической конференции «Механика твердого тела», г. Комсомольск-на-Амуре, 1997г.;

Всесоюзной научно-технической конференции «Энергосберегающее электрооборудование для АПК», г. Москва, 1990г.;

Республикан ской научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи и ма шинно-вентильные системы», г. Томск, 1991г.;

трех Международных научно технических симпозиумах «Научное и научно-техническое обеспечение экономическо го и социального развития Дальневосточного региона», г. Комсомольск-на-Амуре, 1993г., 1994г., 1999г.;

региональной научно-технической конференции “Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири”, г. Иркутск, 1994г.;

3-й Международной конференции "Новые энергетические системы и преобра зование энергии" (NESSC'97), г. Казань 1997г.;

Международной научно-технической конференции «Синергетика 2000. Самоорганизующиеся процессы в системах и техно логиях», г.Комсомольск-на-Амуре, 2000г.;

Международной научно-технической кон ференции «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2001г.;

Между народной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения. Теплооб мен в электротермических и факельных печах и топках», г. Тверь, 2001г.;

научно технических семинарах электротехнического факультета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, 1984-2001г.;

научно-техническом семи наре кафедры электромеханики Томского политехнического университета, 2002г.

Реализация работы осуществлена в рамках межвузовской региональной науч но-технической программы «Научно-технические и социально-экономические пробле мы развития дальневосточного региона России («Дальний Восток России») по проекту «Совершенствование преобразователей энергии, бытового и промышленного электро оборудования, направленное на применение и освоение производства предприятиями дальневосточного региона»;

в соответствии с заказ-нарядом Е1286.594-3В14 ВПО «Союзтрансформатор» по теме «Исследование, разработка и освоение производства серии проточных электроводонагревателей мощностью 2-5 кВт»;

ряда госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских тем, выполняемых под руководством автора на кафедре электромеханики КнАГТУ. На новые технические решения получено 24 па тента и свидетельства РФ.

Научные рекомендации и технические предложения автора использованы при разработке и освоении серийного производства на Биробиджанском заводе силовых трансформаторов однофазных и трехфазных электронагревателей мощностью от 0,5 до 200 кВт типов: ЭВАН-100/1,25Т1;

ЭВАН-50/1,0 “Орель”;

ЭВП-25/380;

ЭВП-6/220;

ЭВП-6/380;

ЭНТ-16/380;

ЭВП-50/500;

ЭВП-100/500;

ЭВП-200/500;

ЭРГНТ-0,75/220;

ЭРГУ-0,5/220 “Прогресс”;

при разработке и созданию электрорадиатора трансформа торного типа ЭРГПС-0,75/220(ст) по заданию ОАО «Амурская ЭРА, г. Комсомольск на-Амуре. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также раз работанная техническая документация и макетные образцы электронагревателей пере даны в ЛитНИИ строительства и архитектуры, г. Каунас, ВНИИЭТО, г. Москва, ВИТ, г. Запорожье, ВНИИ «Информэлектро», г. Москва.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе (специ альность 230300 "Бытовые машины и приборы") при курсовом и дипломном проекти ровании, при чтении лекционных курсов "Бытовые машины и приборы", "Проектиро вание бытовых машин и приборов", "Бытовые электронагревательные устройства и приборы", в лабораторном практикуме и при проведении практических занятий по ука занным курсам.

Созданные макетные образцы электронагревательных устройств трансформа торного типа экспонировались на Всероссийском выставочном центре (ВДНХ) в 1986, 1993 г.г.;

на международных выставках в г. Шанхай, КНР (1996, 1997г.г.);

на между народной специализированной выставке “Российские наукоёмкие технологии и техни ка” в г. Харбине (КНР) (1996г.);

региональных выставках в г.г. Хабаровск, Благове щенск, Комсомольск-на-Амуре (1996, 1997, 1998г.г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований, отражённых в диссертационной работе, опубликована монография, учебное пособие, 72 научные работы, в том числе 22 патента и свидетельства Российской Федерации.

СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, семи раз делов, заключения, библиографического списка из 216 наименований и 11 приложений.

Она содержит 325 страниц машинописного текста и 128 рисунков.

Общий объем диссертации составляет 408 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана общая характеристика науч ной проблемы, поставлены цель и задачи, показана научная новизна, практическая ценность, апробация и реализация проведенных исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе приведена классификация электронагревательных устройств и сделан обзор конструкций нагревательных элементов (НЭ) и приведена их классифика ция. При всём многообразии конструкций следует выделить основные группы НЭ (ре зистивные, электродные, индукционные и трансформаторного типа), которые нашли наиболее широкое применение в промышленном производстве и в быту. Установлено, что элементы первой и второй групп обладают рядом существенных недостатков, огра ничивающих область применения таких устройств. Этими недостатками являются низ кий класс электробезопасности, невысокая надёжность и долговечность, а нагреватель ные элементы индукционного типа имеют низкий коэффициент мощности. В результа те анализа производства и применения установок электронагрева в стране и за рубе жом, прогнозов развития теплоэнергетики и тенденций развития технического уровня электронагревателей отмечено развитие разработок широкого спектра электронагрева тельных приборов. Такие приборы должны обеспечивать высокую степень защиты от поражения электрическим током, иметь простую и технологичную конструкцию, большой срок службы, невысокую стоимость, хорошие эксплуатационные и массогаба ритные показатели, высокий КПД и коэффициент мощности.

Показано, что одним из наиболее эффективных путей повышения надёжности и безопасности систем децентрализованного горячего водоснабжения и отопления не больших промышленных и сельскохозяйственных предприятий и бытового сектора яв ляется применение в качестве нагревательных элементов однофазных и трёхфазных трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой (КЗО), являющейся тепло выделяющим элементом.

1. Во втором разделе разработаны принципы построения электронагревательных устройств трансформаторного типа и сформулированы предъявляемые к ним требования. Общая классификация электронагревательных устройств трансформаторного типа представлена на рис. Рис. 1. Классификация электронагревательных устройств трансформаторного типа.

По принципам построения нагревательные элементы устройства трансформаторного типа (НЭТ) могут быть подразделены на следующие группы:

2. По назначению: для низкотемпературного нагрева жидкостей;

для низкотемпературного нагрева газов.

3. По типу индуктора (магнитопровод с первичной обмоткой): тороидальный;

стержневой;

пространственный;

с вращающимся магнитным полем.

4. По взаимному расположению индуктора и вторичной обмотки: с расположением индуктора внутри вторичной обмотки;

с расположением индуктора снаружи вторичной обмотки;

с вторичной обмоткой, вращающейся относительно индуктора;

с вынесенной нагрузкой.

5. По типу вторичной обмотки: короткозамкнутая обмотка;

обмотка с пассивным элементом.

6. По исполнению вторичной обмотки: объемная;

трубчатая;

ленточная;

волнообразная;

гребенчатая;

цилиндрическая;

кольцевая.

7. По исполнению пассивного элемента вторичной обмотки: бифиляр;

пассивный виток.

Тепловыделяющим элементом в таких конструкциях является вторичная обмот ка трансформатора. Она должна отвечать следующим специфическим требованиям, ко торые часто противоречат друг другу:

- поверхность вторичной обмотки нагревательного элемента должна иметь достаточно большую площадь соприкосновения с нагреваемой средой для достижения минимального значения удельной поверхностной мощности.

- мощность, выделяющаяся с поверхности обмотки, не контактирующей с нагреваемой средой, должна быть минимальной для обеспечения максимально возможной величины КПД.

- обмотка должна быть короткозамкнутой, так при этом вся активная мощность, потребляемая электронагревателем из сети, отдается с поверхности обмотки в нагреваемую среду.

- конструкция вторичной обмотки должна исключать возможность соприкосновения первичной обмотки и магнитопровода с нагреваемой водой.

- индуктивность рассеяния вторичной обмотки должна быть минимальной для достижения максимально возможной величины коэффициента мощности устройства.

- для обеспечения требуемой безопасности при эксплуатации электронагревателя электродвижущая сила фазы вторичной обмотки не должна превышать величину 2…4 В.

- материал, из которого изготовлена обмотка, должен быть коррозионно стойким и относиться к категории "пищевых" материалов (особенно для бытовых электроводонагревателей).

- конструкция и материал вторичной обмотки должны обеспечивать возможность изготовления и герметичного соединения деталей обмотки при использовании простых и дешевых методов (штамповка, сварка и т.п.).

- температура поверхности вторичной обмотки электроконвекторов трансформаторного типа не должна превышать значения 80…85 °С.





В работе предложены принципиально новые конструкции однофазных и трёх фазных трансформаторов, предназначенные для использования в качестве НЭ. НЭТ мо гут быть выполнены на основе однофазных трансформаторов (рис. 1) с тороидальным (рис.1 а, в) или стержневым (рис.1 б) магнитопроводом 1, на котором размещена пер вичная обмотка 2. Индуктор размещён внутри герметичной тороидальной камеры 3, которая является КЗ вторичной обмоткой и закрывает индуктор от проникновения во ды. Вторичная обмотка со всех сторон омывается нагреваемой водой. Для увеличения площади теплоотдающей поверхности нагревательного устройства вторичной обмотки она может быть изготовлена из токопроводящей ленты.

Рис. 1. Однофазные трансформаторы с короткозамкнутой вторичной обмоткой Трехфазные электронагревательные элементы могут быть созданы на основе плоских стержневых шихтованных магнитных систем, широко используемых в трехфазных силовых трансформаторах. Магнитная система (сердечник) и первичная обмотка образуют индуктор нагревательного элемента, который подобен индуктору трехфазного силового трансформатора.

Короткозамкнутая вторичная обмотка цилиндрического типа (рис. 2) состоит из трех цилиндров 1, концентрически охватывающих первичные обмотки 2, боковины 3, охватывающей все три стержня 4 с обмотками и двух торцов (верхнего 5 и нижнего 6).

Все части обмотки выполняются из металлических листов и соединяются между собой сваркой, образуя герметичную камеру, через которую пропускается нагреваемая вода и которая снабжается патрубками для входа и выхода воды.

Увеличение КПД электроводонагревателя с короткозамкнутой цилиндрической вторичной обмоткой возможно за счет ее размещения внутри кольцевого теплоизолированного резервуара, выполненного из диэлектрического материала.

Короткозамкнутая кольцевая вторичная обмотка (рис. 3) выполняется в виде полых электрически замкнутых колец, по которым пропускается нагреваемая вода. Кольца концентрически охватывают стержень 2 с первичной обмоткой 3. На каждом стержне должно быть, по крайней мере, по одному кольцу. Кольца имеют патрубки для входа и выхода. Вода может пропускаться по кольцам параллельными или последовательными потоками.

Рис.2 Рис. В случае установки нагревательного элемента непосредственно в аккумуляци онной емкости с водой, он может быть выполнен с вторичной обмоткой в виде метал лического бака с перемычками (рис. 4). Бак 1 снабжается дном 2 и крышкой 3, которые герметически закрывают индуктор 4 от проникновения воды. Две поперечные пе ремычки 5, привариваемые изнутри к стенкам бака служат для замыкания фазных токов вторичной обмотки. В соб ранных нагревательных элементах эти пе ремычки проходят через окна магнито провода 6. Перемычки водой не омывают ся. Поэтому для уменьшения выделяю щейся в них тепловой мощности и для улучшения теплоотвода от них к стенкам бака и воде, их следует выполнять из бо лее толстого листа, чем бак, а при воз можности даже из материала с меньшим Рис. 4. удельным электрическим сопротивлением.

Одним из путей повышения эффективности короткозамкнутых вторичных об моток является повышение скорости течения воды в канале вторичной обмотки, и, как следствие этого, увеличение коэффициента теплоотдачи в нагреваемую среду. Решение этой задачи обеспечивает использование короткозамкнутых трубчатых обмоток, вы полненных из алюминиевых труб круглого или прямоугольного сечения. Расчеты пока зывают, что выполнение трубчатой обмотки в виде одного или нескольких обмоточных витков невозможно из-за малого активного сопротивления такого витка и высокой теп ловой нагрузки вторичной обмотки. Разработано несколько вариантов конструкций ко роткозамкнутых трубчатых обмоток с увеличенной длиной витка: волнообразная об мотка;

обмотка с бифиляром, намотанным на собственный стержень;

обмотка с бифи ляром, намотанным по огибающей трех фаз;

обмотка с пассивным витком. В тепловом отношении все типы трубчатых обмоток примерно одинаковы. Плотность теплового потока на внутренней поверхности вторичной обмотки невелика (менее 10 Вт/см2), а коэффициент теплоотдачи в воду достаточно высокий. Температура вторичной обмот ки невысока, а теплоотдача в воду проис ходит без кипения, только за счет конвек ции.

Наилучшими эксплуатационными показателями обладает обмотка с пассив ным витком, так как не имеет тупиковых подъемов и местных концентраций по терь.

Средняя скорость движения воды в трубчатой обмотке должна быть равна 0,08…0,11 м/с. При меньшей скорости уменьшается интенсивность теплоотдачи в воду, и повышается температура вто ричной обмотки, а большая скорость не может быть получена за счет естествен ной циркуляции.

Электронагревательное устройство Рис. 5.

трансформаторного типа с пространствен ной магнитной системой (рис. 6) имеет магнитопровод, стержни 1 которого расположе ны в одной плоскости под углом 120 градусов относительно друг друга и охвачены кольцевым ярмом 2. На стержнях размеще на трехфазная первичная обмотка 3. Корот козамкнутая вторичная обмотка выполнена в виде трубок 4, предназначенных для про хождения нагреваемой жидкости, которые накоротко замкнуты на концах дисками 5.

Трубки размещены между стержнями маг нитопровода параллельно оси магнитной системы. Вторичная обмотка вместе с Рис. 5.

корпусной оболочкой 6 создает герметич ную камеру, внутри которой размещен маг нитопровод с первичной обмоткой.

Вследствие того, что конструкция электроводонагревателя герметична, он может использоваться как в качестве по гружного, так и в качестве проточного. При этом вся тепловая мощность передается в нагреваемую жидкость, что обеспечивает максимальный коэффициент полезного действия устройства. К достоинствам этой конструкции следует отнести полную сим метрию нагрузки фаз нагревателя, мини Рис. 6.

мальное электромагнитное рассеяние вто ричной обмотки, компактность, высокие энергетические, массогабаритные, стоимост ные и технологические показатели.

Электронагревательные устройства трансформаторного типа с вращающимся магнитным полем могут служить основой для создания нагревателя с вращающимся тепловыделяющим элементом. На рис. 7 показана конструктивная схема такого нагре вателя. Шихтованный магнитопровод 1 из электротехнической стали имеет пазы, в ко торые уложена первичная обмотка 2 из алюминиевых или медных проводников. Маг нитопровод и первичная обмотка образуют каркас нагревателя. Вторичная обмотка 3 является тепло выделяющим элементом и изготавливается из стержней, которые соединены между собой с помо щью замыкающих соединений. В нижней части вто ричной обмотки имеется опора 4, позволяющая этой обмотке свободно вращаться относительно каркаса.

Следует отметить, что вращение будет происходить при больших значениях скольжения, обусловленных повышенными потерями мощности Рис. 7. во вторичной обмотке. Такая конструкция может служить основой для создания бытовых и промышленных тепловентиляторов.

Скорость вращения можно регулировать с помощью полупроводниковых регуляторов.

В децентрализованных системах энергообеспечения с повышенными требова ниями к условиям безопасности и надежности в работе часто приходится применять дополнительные меры. В случае, когда применяются электронагревательные устройст ва трансформаторного типа, может быть использована «вынесенная нагрузка». В на гревателях с вынесенной нагрузкой короткозамкнутая вторичная обмотка выполняется таким образом, что основная доля мощности выделяется в той её части, которая удале на от индуктора и непосредственно контактирует с нагреваемой средой. Этот элемент вторичной обмотки должен иметь большую площадь теплоотдающей поверхности.

Часть вторичной обмотки, охватывающая магнитопровод с первичной обмоткой, обыч но изолируется от нагреваемой среды и проектируется так, чтобы в ней выделялся ми нимум тепловой мощности.

В третьем разделе рассматриваются особенности электромагнитных процессов и расчета параметров трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой для устройств электронагрева.

Особенностями исследуемых трансформаторов является наличие короткозамк нутой одновитковой обмотки с большой и неравномерно распределенной по длине витка плотностью тока. Причём режим короткого замыкания является нормальным ре жимом работы таких устройств. В короткозамкнутой вторичной обмотке сосредоточе на большая часть потерь мощности нагревательного элемента. Обмотка имеет воздуш ное или водяное охлаждение с естественной или искусственной конвекцией. В связи с этим, существующие рекомендации по выбору электромагнитных нагрузок и размер ных соотношений не подходят для расчёта нагревательных элементов трансформатор ного типа, и требуется иной подход при проектировании. Важным является то, что практически все тепловые потери трансформатора расходуются на нагрев, то есть по прямому назначению, поэтому тепловой коэффициент полезного действия можно при нять равным 1.

В классических трансформаторах коэффициент полезного действия (КПД) опре деляется отношением активной мощности, отдаваемой в нагрузку к потребляемой ак тивной мощности. Для трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой ис пользование такого понятия неприемлемо, так как вся активная мощность, передавае мая во вторичную обмотку, расходуется на ее нагрев, а КПД в режиме короткого замы кания равен нулю. Поэтому для рассматриваемого класса устройств целесообразно ис пользовать понятие «электромагнитный КПД» Рэм эм =, (1) P где Рэм = mE2I2 = mI2 r2 – электромагнитная мощность короткозамкнутого трансфор матора;

Р1 – потребляемая мощность;

m - число фаз;

E2 – электродвижущая сила вто ричной обмотки;

I2 – ток вторичной обмотки;

r2 – активное сопротивление вторичной обмотки.

Так как потери мощности в обмотках и сердечнике короткозамкнутых транс форматоров могут быть использованы по прямому назначению, то есть на производст во тепловой энергии, возможно их увеличение. Следовательно, электромагнитный КПД может быть меньше, чем у классических трансформаторов и допустимо завышение электромагнитных нагрузок, а тепловой коэффициент полезного действия можно при нять равным 1.

Короткозамкнутые обмотки для электронагрева могут быть установлены и на электромеханических преобразователях энергии, имеющих обмотки традиционных конструкций и назначения. Такое техническое решение может быть использовано на трансформаторах для тупиковых трансформаторных подстанций. В этом случае, мощ ность, подводимая к подстанции, расходуется как для обеспечения потребителя как электрической, так и тепловой энергией. Такие устройства могут также использоваться как балластный элемент системы электроснабжения. В электрических тепловентилято рах с короткозамкнутыми тепловыделяющими обмотками, энергия, переданная в об мотку ротора, расходуется как на нагрев, так и на вращение ротора.

Все эти особенности необходимо учитывать при разработке новых подходов при анализе процессов и проектировании таких устройств.

Электромагнитные процессы в электронагревательных устройствах трансформа торного типа с m неподвижными обмотками на статоре и n обмотками на роторе, вра щающимися с частотой р, могут быть описаны системой дифференциальных уравне ний обобщенного электромеханического преобразователя энергии, записанными в ор тогональной системе координат ;

.

Из модели можно получить модели всех основных типов электронагревательных устройств трансформаторного типа. Отличительной чертой, объединяющей все модели электронагревателей, выполненных на основе трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой, является наличие в модели, как минимум, одной обмотки с на пряжением u = 0. Математические модели электронагревателей, выполненных на осно ве трансформаторов с неподвижными обмотками и традиционными конструкциями ин дуктора, имеют обмотки, расположенные только по одной из осей и р=0. Математи ческие модели электронагревателей с пространственной магнитной системой и вра щающимся магнитным поле имеют обмотки, как по оси, так и по оси. Электрона греватели с вращающимися короткозамкнутыми обмотками представляются моделями с р 0. Например, однофазный электронагреватель на основе тороидального транс форматора представляется математической моделью, состоящей только из двух непод вижных обмоток w1 и w 2, при этом р = 0;

u 2 = 0.

s s s Реальный вторичный контур имеет один виток, но на модели вторичная обмотка w 2 предполагается приведенной к числу витков первичной обмотки с коэффициентом трансформации W1. Для учета магнитных потерь в стали сердечника в переходных ре жимах вводится в рассмотрение короткозамкнутая фиктивная обмотка w3, располо женная на сердечнике.

В качестве примера (рис. 7) приведены расчетные кривые изменения во време ни относительных значений магнитного потока Ф*=f(t) и тока первичной обмотки i1*= f(t) электронагревателя при 0= /6 в холодном состоянии (20 оС).

Рис.7. Фmax* = 1,71, i1max* = 3,38.

Расчеты показали, что максимальный бросок тока включения i1max сильно зави сит от начальной фазы напряжения 0. В кривой тока включения наблюдаются нагру зочная и намагничивающая составляющие. Нагрузочный ток ввиду малости индуктив ностей рассеяния практически сразу принимает установившийся синусоидальный ха рактер и не зависит от 0.

Намагничивающий ток при включении сильно зависит от начальной фазы на пряжения. При 0 = 0, когда напряжение в момент включения переходит через нуль, броски тока максимальны и достигают 4…6 кратного значения по сравнению с ампли тудой номинального тока. При 0=/2, когда напряжение проходит через максимум, намагничивающий ток сразу достигает установившихся значений с небольшой ампли тудой. Поэтому при 1/3 0 2/3 броски тока включения практически не превосхо дят амплитуду номинального тока.

Электронагреватели обычно комплектуют электронными терморегуляторами или регуляторами мощности, которые осуществляют достаточно частое повторно кратковременное включение нагревательного элемента с длительностью цикла от не скольких десятков секунд до нескольких минут. Для предотвращения перегрева пер вичной обмотки индуктора, выхода из строя силовых элементов электронных регуля торов, а также ложного срабатывания элементов защиты питающих сетей необходимо ограничивать броски тока при включении. Поэтому схемы регуляторов должны обес печивать их включение в момент времени, соответствующий максимальному значению напряжения питающей сети.

Вторичные обмотки рассматриваемых трансформаторов, как правило, выполнены в виде объемного полого короткозамкнутого витка большого сечения.

Форма такого витка может быть достаточно сложной. Такие обмотки изготавливаются либо из листового токопроводящего материала, либо из металлических труб.

Индуктивное сопротивление рассеяния короткозамкнутых обмоток в большинстве случаев относительно невелико, оказывает незначительное влияние на величину коэффициента мощности трансформатора и может быть определено по известным методикам, однако, в ряде случаев требуется корректировка традиционных методик.

Это обусловлено спецификой материала и формы короткозамкнутого витка, неравномерностью распределения тока по его длине, а также особенностями проявления эффекта вытеснения тока.

Указанные факторы оказывают существенное влияние и на величину активного сопротивления вторичной обмотки. При расчете и проектировании короткозамкнутых трансформаторов особое значение имеет определение активного сопротивления вторичной обмотки, так как именно на этом сопротивлении выделяется полезная мощность трансформатора. Расчет активного сопротивления алюминиевых обмоток, имеющих относительно простую форму, может быть выполнен с использованием аналитических методов. Определение параметров обмоток сложной формы, а также обмоток, выполненных с использованием ферромагнитных материалов, осуществляется на основе анализа их электромагнитного поля и требует применения ЭВМ.

Активное сопротивление вторичной обмотки сложной формы r2 может быть представлено суммой сопротивлений r2i отдельных последовательно соединенных между собой элементов относительно простой формы: лента, лист, цилиндр, труба, диск, кольцо, тор, конус и т.д.

При этом сопротивление каждого элемента определяется с учетом проявления эффекта вытеснения тока и неравномерности распределения плотности тока по длине l элемента, обусловленной формой элемента и особенностями токоподвода к элементу.

Представляя сопротивление реальной обмотки в виде суммы сопротивлений l бесконечного числа её элементарных участков r = dr, где dr = dl - активное S(l) l сопротивление элементарного участка, можно аналитически определить степень увеличения активного сопротивления за счет неравномерности распределение плотности тока в таких элементах.

Короткозамкнутая вторичная обмотка может содержать элементы, имеющие форму гофрированного тепловыделяющего корпуса (ТВК), замкнутого через централь ную цилиндрическую шину. В этом случае на распределение плотности тока и, как следствие, на величину сопротивления элемента обмотки, оказывают влияние условия токоподвода к элементу обмотки. Степень увеличения активного сопротивления за счет неравномерности распределение плотности тока в таких элементах можно оценить на основе анализа их электрического поля.

Благодаря симметрии конструкции электрическое поле ТВК электрообогревате ля является осесимметричным и описывается двухмерным уравнением в прямоуголь ной системе координат 2U + 2U = 0, (2) x2 y где U - электрический потенциал.

Расчетная область ограничивается четвертой частью сечения корпуса плоско стью ХОY (рис. 8).

Внешняя поверхность вторичной обмотки омывается воздухом или водой и для нее выполняются граничные условия второго рода:

U U U = = = 0, (3) n x y где n - внешняя нормаль к границе, и граничные условия первого рода U 0 = 1;

U = 0. (4) Рис. 8.

Электрическое поле вторичной обмотки рассчитывается методом конечных эле ментов (МКЭ).

Расчетная область разбивается на совокупность линейных треугольников и рас четными узлами в вершинах, то есть на двухмерные симплекс элементы. Согласно об щей схеме МКЭ, задача сводится к решению системы алгебраических уравнений отно сительно неизвестных узловых значений потенциалов.

[K ][U ] [F ] = 0, (5) где матрица [К] и вектор свободных членов [F] получаются суммированием вкладов всех внутренних и граничных конечных элементов.

Ток вторичной обмотки U i ( yi yi 1 ) mL I 2 =, (6) Hx i = U (U = 0 ) U где = E = graddU = = i - плотность тока;

- удельная n Hx электрическая проводимость материала обмотки;

Hx- характерный размер по оси ОХ;

mL - количество одномерных элементов;

Lq = yi yi 1 - длина одномерного элемента по OY;

- толщина листа;

B - высота корпуса;

L - длина корпуса;

R - радиус цен тральной шины.

Тогда, определяя активное сопротивление вторичной обмотки, как L U0 0 U r2 = = и приняв за базисное значение сопротивления r2б =, можно B I I рассчитать относительное значение сопротивления U0B r r2 = = (7).

U ( y yi 1 ) r2б mL L i i Hx i = Анализ распределения электрического поля и определение активного сопротив ления r2 вторичной обмотки (тепловыделяющего контура) с центральной шиной пря моугольного сечения проводились по аналогии с расчетами для обмотки с центральной цилиндрической шиной.

В результате расчетов установлено, что на величину сопротивления вторичной обмотки, выполненной в виде гофрированного тепловыделяющего корпуса (ТВК), замкнутого через центральную шину, наибольшее влияние оказывают условия токо подвода от шины к ТВК.

Степень концентрации тока на участках ТВК, расположенных в непосредствен ной близости к центральной шине и увеличение относительного значения активного сопротивления в основном определяются: геометрическими соотношениями ширины В корпуса и радиуса R центральной цилиндрической шины (рис. 9);

соотношениями размеров центральной шины прямоугольного сечения b/C и тепловыделяющего корпу са A/C (рис. 10). С увеличением отношений B/R и А/С значение сопротивления r2* возрастает, хотя и не в значительной степени.

Рис. 9. Рис.10.

Получены соотношения, позволяющие достаточно просто определить величину относительного значения активного сопротивления короткозамкнутой вторичной об мотки (табл. 1). Предлагаемые методики расчета могут быть применены и при опреде лении активного сопротивления токопроводящих участков любой другой формы.

Учет эффекта вытеснения тока при расчете сопротивления короткозамкнутых обмоток осуществляется на основе анализа электромагнитного поля в электропроводя щем листе при протекании переменного тока. Определены коэффициенты увеличения активного и полного сопротивления, а также коэффициент мощности проводника (эле r Z мента) вторичной обмотки, обусловленные вытеснением тока: k r = 2 ;

K r = 2 ;

r2l r2l r cos 2 =, где r2l - сопротивление проводника постоянному току, приходящееся на Z единицу длины элемента вторичной обмотки (рис.11). Расчеты, проведенные с учетом реальных значений электрической проводимости и магнитной проницаемости, для проводников, выполненных из конструкционной стали (Ст.3) и сплава АМг-5, показали что эффект вытеснения тока практически не влияет на величину сопротивления про водников из сплава АМг-5 (µ = 410-7 Гн/м). Для проводников из конструкционной стали влияние вытеснения тока ярко выражено, особенно при толщине листа более 0, мм (см. рис. 11). Магнитная проницаемость стали определялась по реальной кривой & намагничивания µ=f( H m ) для листов толщиной от 0,5 до 3,0 мм.

Таблица Относительное значение Форма элемента обмотки активного сопротивления (R1 + R 2 ) ln R 2 (R1 R 2 ) R r2* = Rт r2* = Rт Rср 2 r2* = 0,0256 ln B + R 0, r2* =0,0173 b ln A + C C 0, +0,923 b C Приведенные на рис. 11 зависимо сти с достаточной степенью точности (99,8%) определяются следующими вы ражениями:

kr = 0,13732 - 0,2418 + 1,0982;

Kr = 0,40042 - 0,2794 + 1,0167;

(8) сos2 = 0,07533- 0,35062+ 0,1936 +0,978.

Исходя из вышеизложенного, мож но сделать вывод, что для изготовления короткозамкнутой вторичной обмотки можно использовать алюминий и его Рис. 11.

сплавы, а также конструкционную сталь толщиной не более 0,8…1,0 мм. При использовании стали с большей толщиной, значи тельно возрастает индуктивная составляющая сопротивления вторичной обмотки, что приводит к росту потребляемой реактивной мощности и снижению коэффициента мощности всего устройства.

В четвертом разделе приведены результаты исследований тепловых процессов в трансформаторах для устройств электронагрева.

Исследование теплового состояния нагревательного элемента позволяет выявить особенности тепловых процессов, оценить правильность выбора электромагнитных нагрузок и режимов работы, выработать рекомендации по совершенствованию конструкции, выбору материалов и т.д.

Исследование тепловых режимов различных электротехнических устройств ос новывается либо на решении уравнения теплопроводности при определенных идеали зирующих допущениях, либо на использовании формальной аналогии между электри ческими и тепловыми процессами. Последний способ, известный как метод тепловых схем замещения, получил широкое распространение при расчете и проектировании электротехнических устройств из-за простоты, что особо важно для конструкций, от личающихся сложной схемой процесса теплообмена.

В основе решения задачи лежит закон Фурье, записанный в форме, аналогичной закону Ома в электротехнике Q x = Т, где Qx - тепловой поток в направлении x;

Rx Т = Т1 Т 2 - перепад температур (термический потенциал);

Rx - термическое сопротивление в направлении x.

В случае передачи тепла теплопроводностью термическое сопротивление x =, где x - толщина стенки в направлении теплового определяется как Rx S потока, S - площадь поверхности теплообмена, - коэффициент теплопроводности стенки. При конвективном теплообмене термическое сопротивление определяется из 1, где - коэффициент конвективной теплоотдачи (КТО) на выражения Rx = x Sx x поверхности раздела жидкого и твердого тела;

S x - площадь поверхности омываемой жидкостью.

Учитывая, что сумма перепадов температуры вдоль замкнутого контура схемы замещения равна нулю, для каждого из контуров можно составить уравнение n Ri Qi = 0,где Qi и Ri - тепловой поток и термическое сопротивление i - й ветви в i = выбранном контуре соответственно.

Дополнительным условием, используемым при составлении математической модели процесса теплообмена, является тот факт, что при стационарных режимах в узлах схемы замещения не может происходить накопления энергии, тогда n Pk = Qki, где Pk - мощность k -го элементарного теплового источника;

Qki i = тепловой поток i -й ветви, отходящей от k -го теплового источника.

Nu =, где Nu - критерий Коэффициент конвективной теплоотдачи l Нуссельта;

l - характерный размер системы. Характерный размер системы в случае гидравлического канала в водонагревателе определяется для каждого участка канала = 4F как эквивалентный диаметр соответствующего участка Dэ, где F - площадь П жидкости в сечении участка канала;

П - смоченный периметр.

потока Характерный размер системы в случае теплопередачи от внешней поверхности бака в неограниченное пространство определяется высотой бака.

Критерий Нуссельта Nu при вынужденной конвекции связан с характером движения жидкости и ее теплофизическими свойствами, которые определяются v Dэ, где - плотность нагреваемой жидкости;

v числами Рейнольдса Re = µ скорость движения жидкости;

µ - динамическая вязкость жидкости, и Прандтля µ cp Pr =, где c p - удельная теплоемкость жидкости.

Для турбулентного потока воды в гидравлическом канале водонагревателя 0, Prm Nu = Pr 0,021 Re 0,8 Prm, 0.

s Индексы m и s означают, что величины, характеризующие теплофизические свойства, выбираются по среднему значению температуры жидкости и стенки соответственно.

При определении теплового сопротивления теплопередачи свободной конвекцией от внешней поверхности бака в неограниченное пространство число Нуссельта рассчитывается из условия 0, Nu f = 0,8 (Gr f Pr f ) 1 + 1 + 0,, Pr f где Gr - число Грасгофа, характеризующее действие гидростатической подъемной силы и силы вязкости жидкости при конвекции. Индекс f здесь показывает на то, что все физические свойства должны определяться при T f = (TS + T )/ 2. При этом следует отметить, что ламинарная конвекция имеет место, когда 104 Grf Prf 109. При GrfPrf 104 влияние конвекции на теплообмен незначительно.

Тепловой расчет однофазного тороидального трансформатора для проточного электроводонагревателя следует проводить при следующих допущениях:

- режим течения потока принимается турбулентным ввиду сложной геометрической формы канала для протекания жидкости;

- коэффициенты теплопроводности изоляционных материалов, материала корпуса бака и водоразделяющего кожуха в водонагревателе считаются неизменными в широком диапазоне температур и равными значениям соответствующих коэффициентов при 20 оС;

- форма внешнего корпуса электроводонагревателя принимается цилиндрической с площадью основания, равной площади основания реального корпуса.

Эквивалентная тепловая схема замещения трансформатора может быть представлена в виде, изображенном на рис. 12. На схеме приняты следующие обозначения:

P1-магнитные потери в тороидальном магнитопроводе;

P2 - P5 - основные электрические потери в первичной обмотке;

P6 - P9- мощности, выделя ющиеся в объемном короткозамк нутом витке (вторичной обмотке), определенные соответственно для четырех элементарных поверхностей;

R1-R4 - тепловые сопротивления изоляции между сердечником и первичной обмоткой;

R5-R8 – тепловые сопротивления вдоль проводников первичной обмотки Рис.12.

между элементарными участками;

R9-R12- тепловые сопротивления изоляции между обмотанным сердечником и внутренней поверхностью вторичной обмотки;

R13-R16 – тепловые сопротивления вдоль вторичной обмотки между элементарными участками теплоотдающей поверхности;

R17-R19 - тепловые сопротивления между соответствующими участками теплоотдающей поверхности нагревательного элемента и воздухом;

R20 - тепловое сопротивление между поверхностью выходной трубки и нагреваемой средой;

Q1, Q2,..., Q20 - тепловые потоки в соответствующих элементах конструкции водонагревателя или их частях.

Разработана эквивалентная тепловая схема замещения для расчета теплового состояния аккумуляционных электронагревательных устройств, учитывающая наличие вынесенной нагрузки и особенности аккумуляционного режима работы.

Порядок расчета тепловой схемы замещения трансформатора имеет итерационный характер, причем на каждой итерации должны рассчитываться среднемассовые температуры воды в участках гидравлического канала, температуры соответствующих поверхностей элементов конструкции и, в конечном счете, новые значения теплофизических параметров воды, которые являются исходными на последующей итерации. Указанный итерационный процесс является сходящимся, при завершении которого определяются точные значения температур и величин перегревов.

Для ускорения сходимости применяется не простая итерация, а релаксационный процесс, при котором коэффициенты теплоотдачи для последующего (n+1)-го итерационного шага вычисляются по формуле n+ ( n +1) = ( n ) + U p ( (n) ), n+ 1 (n ), – значение коэффициента теплоотдачи на предыдущем шаге;

2 – где уточненное значение коэффициента теплоотдачи;

U p = 0,2…0,6 – коэффициент релаксации. Итерационный процесс заканчивается, если достигается заданная точность Ti(n ) Ti(n 1), где Ti( n ), Ti( n 1) - значения температур, полученные на данном и предыдущем шагах;

– заданная точность расчета температур.

Температуры на выходе участков гидравлического канала водонагревателя определяются на каждой итерации по известным значениям среднемассовой температуры и температуры на выходе предыдущего участка. Первоначально температура жидкости в гидравлическом канале задается равной температуре воды в водопроводе.

Эквивалентные тепловые схемы замещения однофазных электроотопительных устройств трансформаторного типа имеют аналогичную структуру. Расчет тепловых сопротивлений в этом случае производится с учетом того, что нагреваемой средой является воздух.

При составлении эквивалентных тепловых схем замещения трехфазных элек тронагревателей следует учитывать то обстоятельство, что их магнитная система и первичная обмотка образуют индуктор, подобный индуктору обычного силового трех фазного трансформатора.

Как показали расчеты и экспериментальные исследования, наиболее пригодной является трубчатая обмотка с активным витком, охватывающим одну фазу, и одним пассивным витком, охватывающим одновременно все три фазы. Такая обмотка обла дает небольшим электромагнитным рассеянием, что обеспечивает высокий коэффици ент мощности электроводонагревателя. Кроме того, она имеет монотонный подъем, что исключает образование воздушных или паровых пробок. Это делает возможной естест венную циркуляцию воды через нагреватель. Для этого накопительная емкость с водой должна располагаться на 0,5…1 м выше нагревателя и на небольшом отдалении от не го. Живое сечение трубы вторичной обмотки и подводящего трубопровода должно быть достаточно большое, чтобы скорость воды при максимальном расходе была около 0,1 м/с.

Эквивалентная тепловая схема электроводонагревателя, выполненного на основе трехфазного масляного трансформатора с трубчатой обмотка и пассивным витком по казана на рис. 13.

Рис.13.

Источниками тепла в ней являются мощность вторичной обмотки P2, потери в первичной обмотке P01 и потери в сердечнике PС. В схеме имеются следующие терми ческие сопротивления конвективной теплоотдачи: R2В, R2М – с поверхностей вторич ной обмотки, соответственно, в воду и масло;

RОМ – с поверхности первичной обмотки в масло;

RС – с поверхности сердечника в масло;

RМб – от масла к стенкам бака;

RбВ – от стенки бака в окружающий воздух. Термическое сопротивление R01 соответствует теплопроводности изоляции первичной обмотки, а RН есть термическое сопротивление загрязнения (накипи) на внутренней поверхности трубы вторичной обмотки. Тепловые процессы во входной и выходной частях трубы учитываются отдельно введением со противлений теплопередачи от масла к холодной воде входной части трубы RТ и от го рячей воды выходной части трубы к маслу RВЫХ. Температуру воздуха Т0, температуру воды на входе ТВХ и выходе ТВЫХ, а также среднюю температуру воды в канале вторич ной обмотки ТВ = (ТВХ + ТВЫХ)/2 можно считать заданными.

Проведены тепловые расчеты элек троводонагревателей мощностью 160 кВт при различных температурах окружаю щего воздуха (от 0 до 40 оС) и воды на входе (от 10 до 40 оС). Температура воды на выходе была принята неизменной и равной 90 оС. Получены зависимости температуры масла от температуры воз духа и входящей воды, а также зависи мость КПД нагревателя от указанных па раметров (рис. 14). Рис. 14.

Расчеты показывают, что измене- 1- при температуре входящей ние температуры входящей воды не при- 2- воды Твх = 10 оС;

2 – при водит к такому же изменению темпера Твх = 25 оС;

3 - при Твх = 40 оС туры масла. Например, при отсутствии тепловой изоляции бака уменьшение температуры входящей воды на 30 оС (от 40 до о С) приводит к понижению температуры масла лишь на 3…4 оС. Это объясняется уменьшением теплоотдачи от вторичной обмотки в воду, поэтому температура вторич ной обмотки уменьшается лишь на 1…1,5 оС. С другой стороны, понижение темпе ратуры масла приводит к повышению температурного напора между вторичной обмот кой и маслом, а, следовательно, и теплового потока, направленного от обмотки в масло.

Температура окружающего воздуха относительно слабо влияет на температуру масла.

В случае идеальной теплоизоляции бака температура входящей воды оказывает более сильное влияние на температуру масла и индуктора.

Потери энергии в нагревателе обусловлены рассеянием ее в окружающий воз дух. Как показали расчеты, потери и КПД нагревателя существенно зависят от тем пературы воздуха и слабо зависят от температуры входящей воды. С уменьше нием температуры воздуха КПД значительно уменьшается, поэтому желательно тепло изолировать бак электроводонагревателя от воздуха.

Расчёт теплового поля в электронагревательных устройствах трансформаторного типа преследует следующие основные цели: получение картины распределения температуры внутри нагревательного элемента;

оценку правильности выбора электромагнитных нагрузок;

анализ распределения температуры и тепловых потоков для разработки рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок и оптимизации конструкции.

Для решения задачи методом конечных элементов сечение электроводонагревателя разбивается на совокупность E треугольных элементов так, чтобы границы раздела сред совпадали со сторонами треугольников.

При исследовании теплового состояния нагревательного элемента, очевидно, что максимальная температура в нём будет наблюдаться в длительном режиме работы, когда температура всех частей нагревателя достигнет установившихся значений.

Поэтому рассматривается установившийся режим работы, тепловое поле в котором является стационарным. Расчёт тороидальных трансформаторов производится в цилиндрической системе координат r, z, при следующих допущениях.

T = 0, что обосновывается 1. Температурное поле осесимметрично симметричностью конструкции, распределения потерь и расположения поверхностей охлаждения относительно оси z.

2. Область исследования кусочно-однородна, а коэффициенты теплопроводности материалов и мощность источников тепла не зависят от температуры.

3. Главные оси анизотропии сред совпадают с осями координат r, z.

С учетом принятых допущений тепловое поле электроводонагревателя может быть описано двухмерным уравнением в сечении Оrz.

1 r T T z + + qV = 0, (9) r r r r z z r, z T – температура, К;

где – коэффициенты теплопроводности среды по осям r и z, соответственно, Вт/(м·К);

qV – удельная мощность источников тепла, Вт/м3.

На внешней поверхности вторичной обмотки справедливы граничные условия конвективной теплоотдачи в воду T T r lr + z l + (T Tв ) = 0, (10) r z z где lr, l z направляющие косинусы внешней нормали к граничной поверхности;

коэффициент теплоотдачи в воду, Вт/(м2К);

Если температура стенки превышала 100 °С, то кипение воды учитывалось при нахождении коэффициента теплоотдачи следующим образом q v (Ts Tв ) q = =, Tнас, 100 + Tнас Tв q – плотность теплового потока, полученная по данным предыдущего где итерационного шага;

Ts – температура теплоотдающей стенки, полученная на предыдущем шаге;

Tв – уточнённое значение среднемассовой температуры воды;

v – уточнённое значение коэффициента теплоотдачи за счет только вынужденной конвекции. Tв температура воды в канале, К. Так как вторичная обмотка выполнена из изотропного материала (r = z ), то рассматриваемое граничное условие T + (T Tв ) = 0, где n – внешняя нормаль к границе. На записывается в виде n конце выступающей части внутренней трубки справедливы условия теплоизоляции T = 0.

n В МКЭ решение уравнения (9) заменяется поиском функции, минимизирующей функционал J = fV dV + f г dS = (11) V Sг 1 r T + r T 2r q T dV + r (T T ) 2 dS.

2 = r V z 2 r z b V Sг Так как объект исследования осесимметричен, то интеграл (11) представляется в следующем виде E G J = fV 2 r d S + f г 2 r dL. (12) e =1S e g =1S g Минимизация функционала (11) приводит к системе линейных уравнений, при чём матрица её имеет симметричную и ленточную структуру. Система решалась мето дом квадратных корней, который учитывает структуру матрицы.

Картина распределения температуры в исследуемом сечении трансформатора мощностью 5 кВт для проточного электроводонагревателя показана на рис. 15, распре деление температуры по радиальной координате в средней части трансформатора – на рис. 16.

Рис. 15. Рис. 16.

Приведённые результаты показывают, что распределение температуры в сечении нагревательного элемента трансформаторного типа происходит неравномерно.

Это объясняется неравномерным распределением плотности источников тепла во вторичной обмотке. Так, например, во внутренней трубке выделяется в 4 раза больше мощности, чем во внешнем цилиндре, имеющем в 9,5 раза большую поверхность охлаждения. Этим объясняется то, что плотность теплового потока на поверхности трубки (около 30,6 Вт/см2) в 40 раз больше, чем на поверхности внешнего цилиндра (0,75 Вт/см2). Часть тепла от внутренней трубки вторичной обмотки отводится через изоляционный промежуток и по виткам первичной обмотки к наружному цилиндру вторичной обмотки. Максимальная температура 120°С наблюдается во внутренней трубке вторичной обмотки. Внутренняя трубка и соседние с ней участки торцевых частей вторичной обмотки нагреваются выше 100°С. Вода на этих участках канала начинает кипеть, а это нежелательно с точки зрения возникновения накипи и ухудшения теплового состояния трансформатора. Поэтому целесообразно принять меры для получения более равномерного распределения мощности источников тепла во вторичной обмотке, что, в частности, может быть достигнуто уменьшением толщины внешнего цилиндра и применением для него материала с более высоким электрическим сопротивлением, чем для внутренней трубки, небольшим увеличением внутреннего диаметра трубки (до 30…40 мм) и её толщины (до 5…7 мм). Следует отметить, что коэффициент теплоотдачи внешнего цилиндра вторичной обмотки относительно низок (около 300 Вт/(м2К)), что обусловлено большим сечением внешнего кольцевого канала и малой скоростью воды в нём. Очевидно, на этой поверхности целесообразно увеличить интенсивность теплоотдачи уменьшением сечения канала за счёт усложнения пути протекания воды, а также турбулизацией течения. Анализ математической модели позволил оценить правильность выбора электромагнитных нагрузок и указать направления для улучшения конструкции трансформатора с целью более равномерного распределения тепловых нагрузок, в частности, это может быть достигнуто уменьшением толщины внешнего цилиндра и применением для него материала с более высоким электрическим сопротивлением, чем для внутренней трубки. Расчёт показал, что перепад температуры приходится, в основном, на поверхность теплоотдачи в воду. Перепад температуры в изоляции обмоток и в первичной обмотке относительно невелик. Максимальная температура первичной обмотки равна 90,5°С, сердечника – 91,6°С.

Распределение температуры в исследуемом сечении трансформато ра для аккумуляционного электро водонагревателя мощностью 1,25 кВт приведено на рис. 17. Расчеты пока зали, что температура распределена в сечении трансформатора относитель но равномерно. Наибольший перепад температур происходит на поверх ности вторичной обмотки. Перепад температур в изоляции между обмот ками и в изоляции между сердеч ником и первичной обмоткой неве Рис. 17. лик, что указывает на возможность увеличения электромагнитных нагрузок.

Математическая модель расчёта теплового поля для трёхфазного нагревательного элемента, выполненного на основе пространственной магнитной системы, с учетом симметричности конструкции, реализуется для одного сегмента в прямоугольной системе координат x, y при следующих допущениях.

1. Тепловой поток на прилегающих сторонах сегмента отсутствует.

2. Область исследования кусочно-однородна, а коэффициенты теплопроводно сти материалов и мощность источников тепла не зависят от температуры.

3. Главные оси анизотропии сред совпадают с осями координат x, y.

С учётом принятых допущений тепловое поле трансформатора описывается двухмерным уравнением теплопроводности в сечении 0xy 2T 2T x + y + qV = 0. (13) x2 y На внутренней поверхности вторичной обмотки и внешней поверхности герме тизирующей оболочки справедливы граничные условия конвективной теплоотдачи в воду (10). На прилегающих сторонах сегмента справедливо условие теплоизоляции.

Решение уравнения (13) с граничными условиями заменяется поиском функции, мини мизирующей функционал J= fV dV + f г dS = V Sг 1 T + T 2q T dV + h (T T ) 2 dS.

2 = V y (14) 2 x x y в V Sг При рассмотрении граничных условий конвективного теплообмена предполага лось, что температура воды, которая омывает внутреннюю поверхность трубок и внешнюю поверхность герметизирующей оболочки известна, а КТО определялись итерационным методом как для однофазной конструкции. Особенностью является то, что режим течения воды, омывающей по верхности теплоотдачи, ламинарный, в связи с большим расчётным диаметром трубок. В работе реализована математическая модель теплового поля НЭТ в виде программы для ЭВМ, написанной на языке Паскаль. Картина поля для трансформатора мощностью 25 кВт с КЗ вторичной обмоткой, выполненной из нержавеющей стали, приведена на рис. 18.

Анализ теплового поля в среднем се чении трёхфазного трансформатора показы вает, что максимальная температура наблю дается в районе первичной обмотки и вели чина её 160°С, поэтому необходимо выбирать изоляцию, соответствующую классу H. Часть тепла от первичной обмотки через изоляцию и магнитопровод отводится с наружной по верхности трансформатора, а другая часть отводится через изоляцию к трубкам. Макси мальная температура поверхности вторичной Рис. 18.

обмотки равна 110 °С. Поэтому целесообразно принять меры для увеличения интенсивности теплоотдачи с помощью турбулизации течения за счёт искусственного усложнения пути протекания воды.

В пятом разделе работы рассмотрены вопросы проектирования трансформа торов с короткозамкнутой обмоткой, работающих в режиме нагревательного элемента.

Исследуемые трансформаторы имеют внутренний осевой канал для прохождения на греваемой жидкости. Размеры этого канала определяются из условий обеспечения за данного значения удельной тепловой нагрузки вторичной обмотки и, в значительной степени, определяют массогабаритные показатели и стоимость трансформатора. Гео метрия таких трансформаторов с прямоугольной формой поперечного сечения магни топровода характеризуется безразмерными коэффициентами.

Dc1 H D ;

y= с ;

z= т, x= (15) a a a где a - ширина магнитопровода;

Dc1 – внутренний диаметр магнитопровода;

Hc – вы сота магнитопровода. Dт – внутренний диаметр центральной трубки вторичной об мотки. Коэффициенты x, y, z представляют собой относительные значения внутренне го диаметра магнитопровода, высоты магнитопровода и внутреннего диаметра цен тральной трубки соответственно;

Через эти коэффициенты и ширину a магнитопровода можно выразить все характеристики, зависящие от геометрических размеров (площади поперечных сечений и поверхностей, объем и др.), а также вес и стоимость. Все эти ве личины выражаются формулами вида i ( x, y, z ) a n, где n может принимать значения от 1 до 3, а характер функции i зависит от определяемой величины и типа транс форматора.

Определены новые соотношения между i и безразмерными коэффициентами x, y, z, учитывающие наличие внутреннего осевого канала для прохождения нагреваемой жидкости.

Поиск оптимальных размеров трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой относится к классу задач условной оптимизации, для решения которых мо жет быть применен метод штрафных функций.

В качестве целевой функции принят комплексный критерий качества KE, кото рый является интегральным критерием оценки оптимальности геометрии и для транс форматора промышленной частоты представляется следующим образом 0, к KE = E, (16) пк (m y ок ) где E = к (Со1 о1kо + Со2 о2 ) + сСс с kc - функция коэффициента эффек тивности;

Со1 – цена обмоточного провода первичной обмотки;

Со2 – цена материала вторичной обмотки;

Сс – цена стали магнитопровода;

о1 - удельная плотность мате риала первичной обмотки, кг/м3;

о2 - удельная плотность материала вторичной об мотки, кг/м3;

с - удельная плотность материала магнитопровода;

kо – коэффициент за полнения обмотки;

kс – коэффициент заполнения сталью магнитопровода.

Используемые в комплексном критерии качества KE относительные значения объема с, площади поперечных сечений и поверхностей, к, ок, пк позволяют учесть особенности конструкции вторичной обмотки трансформатора, а функция ко эффициента эффективности Е учитывает массу и специфику материала вторичной об мотки.

Предварительный анализ показывает, что критерий качества KE является унимо дальной функцией и имеет минимум в области изменения параметров оптимизации.

Допустимая область ограничена условиями положительности значения ширины a и вы соты Hc магнитопровода. Кроме того, необходимо, чтобы внутренний диаметр об мотки Do1 превышал минимальное значение, допустимое по технологическим усло виям, а толщина трубки т была больше минимального значения (1 мм).

В качестве штрафной функции принята функция вида p (а, H с ) = [g i (а, H с )]2 {1 sign [g i (а, H с )]}, (17) i = где g i (а, H с ) - i-тая функция-ограничение;

i=1, …, p;

p – число функций.

В качестве внутреннего метода безусловной оптимизации использован метод Гаусса-Зайделя с выбором на каждой итерации оптимального шага t из условий мини мума целевой функции по параметру t.

Расчет оптимального шага по каждой из переменных осуществляется методом золотого сечения. В итоге определяются значения параметров оптимизации a, Hc, в ка честве которых принимаются середины последних интервалов неопределенности.

Разработана программа расчета оптимальных геометрических соотношений для трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой, работающих в режиме на гревательного элемента.

В работе реализован алгоритм поиска электромагнитных нагрузок и размерных соотношений этих с помощью математической модели, построенной на основе метода планирования эксперимента. В качестве функции цели Y выступала стоимость актив ных материалов трансформатора Са.м., а в качестве ограничительных функций – макси мальная температура изоляции Tиз и плотность теплового потока с поверхности цен тральной трубки вторичной обмотки qт. Факторы, которые в наибольшей степени влияют на эти функции, выбраны по результатам анализа тепловых процессов в торои дальном трансформаторе. Ими являются плотность тока в первичной обмотке J1 (x1), относительная высота магнитопровода y (x2) – отношение высоты магнитопровода к его ширине. В качестве третьего фактора взят изоляционный промежуток между пер вичной обмоткой и центральной трубкой вторичной обмотки 1 (x3), так как эта вели чина влияет на значение теплового потока от трубки к первичной обмотке. Четвёртым варьируемым фактором выбрано расстояние между первичной обмоткой и торцевой поверхностью h12 (x4), от которого зависит qт. Зависимости Са.м., Tиз и qт от незави симых переменных x1, x2, x3 и x4 найдены в виде полиномов второго порядка 4 4 Y = b0 + bi xi + bij xi x j + bii xi2, (11) i =1 i= j i = Коэффициенты b0, bi, bij, bii этих полиномов определялись с помощью числен ного эксперимента, для постановки которого применялось ортогональное центральное композиционное планирование второго порядка.

По результатам численного эксперимента построены зависимости (рис.19), ана лиз которых позволил обоснованно подойти к выбору варианта для проектирования трансформатора с минимальной стоимостью при следующих ограничениях: макси мальная температура изоляции не должна превышать допустимую, определяемую классом используемых изоляционных материалов;

величина плотности теплового по тока с поверхности центральной трубки вторичной обмотки qт не должна превышать 10 Вт/см2. Анализ полученных зависимостей показал, что наибольшее влияние на стои мость активных материалов трансформатора оказывает плотность тока в первичной обмотке (рис. 19а), а наименьшее – относительная высота магнитопровода, причём на блюдается точка с минимальной стоимостью при y 1,4 (рис. 19б). На выбор этих вели чин существенное влияние оказывает увеличение тепловых нагрузок Tиз. и qт при по вышении J1 и y.

Рис. 19.

С учётом ограничений целесообразно выбирать значения плотности тока в об ласти 3…3,5 А/мм2, а относительную высоту магнитопровода можно выбирать в доста точно широких пределах от 1 до 1,5. Анализ зависимостей (рис. 19в) показал, что уве личение изоляционного расстояния 1 приводит к уменьшению Tиз. вследствие ограни чения величины теплового потока от центральной трубки к первичной обмотке.

Уменьшается и стоимость активной части. Из-за уменьшения диаметра центральной трубки уменьшается поверхность охлаждения и значительно повышается qт. Поэтому необходимо увеличивать поверхность трубки за счёт её удлинения. Это приводит к не которому повышению стоимости и температуры первичной обмотки (рис.19г).

Результаты расчётов (рис. 20) для однофазных трансформаторов мощностью 1,25…7 кВт с вторичной обмоткой из алюминия марки АД-1 позволяют определить взаимосвязь основных геометрических соотношений (x – относительный внутренний диаметр магнитопровода;

z – относительный внутренний диаметр центральной трубки вторичной обмотки), размеров магнитопровода (Dc1, Hc, а – внутренний диаметр, вы сота и ширина магнитопровода), электромагнитных нагрузок (j1, j2 – плотности тока в первичной обмотке и в центральной трубке) и электромагнитного коэффициента по лезного действия эм с мощностью нагревательного элемента. Эти соотношения могут быть использованы при проектировании тороидальных трансформаторов с коротко замкнутой вторичной обмоткой.

Для разработки рекомендаций при проектировании трехфазных трансформато ров с пространственной магнитной системой, в работе исследовано влияние электро магнитных нагрузок и размеров вторичной обмотки т (x4) на стоимость материалов Са.м. трансформатора и максимальную температуру изоляции Tиз.. Результаты исследо вания в виде графиков представлены на рис. 21.

Рис. 20.

Рис. 21.

Зависимость стоимости от числа витков при постоянной плотности тока и ин дукции имеет вид пологой кривой с точкой экстремума, в которой наблюдается мини мум. Зависимость максимальной температуры изоляции от W1 при тех же условиях так же имеет экстремум (максимум) в зоне больших значений W1, поэтому число витков в первичной обмотке при расчётах следует принимать в пределах 60…70. При больших значениях W1 трудно обеспечить необходимую величину Tиз. и требуется значительное снижение плотности тока, что сказывается на стоимости. При меньших значениях W не обеспечивается необходимый по условиям безопасной эксплуатации НЭТ потенциал на вторичной обмотке.

Исследования показали, что выбор W1 свыше 75 витков приводит к значитель ному возрастанию диаметра трубки, так как ток обмотки низшего напряжения возрас тает пропорционально уменьшению напряжения витка и для обеспечения требуемой мощности необходимо уменьшать сопротивление трубки за счёт повышения её диа метра. Эти обстоятельства приводят к увеличению габаритных размеров магнитопро вода, массы и стоимости активных материалов. При этом, повышение стоимости про исходит более быстрыми темпами, чем уменьшение температуры и при W175 витков невозможно получить требуемые условия по нагреву. Зависимость стоимости активных материалов от толщины трубки при постоянной индукции Bс и допустимой темпера туре изоляции имеет минимум. Анализ этих зависимостей показал, что при толщине стенки трубки менее 2 мм для обеспечения требуемого сопротивления необходимо увеличивать диаметр трубки, что влечёт за собой увеличение габаритов и стоимости магнитопровода. При толщине трубки более 3 мм, для обеспечения необходимого со противления, её диаметр необходимо уменьшать. С другой стороны, чтобы обеспечить требуемую поверхность охлаждения, необходимо увеличивать длину трубки. В этом случае резко повышается температура изоляции и приходится снижать плотность тока в первичной обмотке, что является причиной повышения стоимости.

Результаты расчётов (рис. 22) позволяют оценить влияние мощности нагрева тельного элемента на изменение основных геометрических соотношений, ( – отноше Рис. 22.

ние средней длины витка первичной обмотки к длине стержня, занимаемой обмоткой), размеров магнитопровода и электромагнитных нагрузок и могут быть использованы при проектировании трёхфазных трансформаторов с пространственной магнитной сис темой и короткозамкнутой вторичной обмоткой.

Предложенные методики проектирования можно использовать и для любых других конструкций трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой, предназначенных для работы в режиме нагревательного элемента.

В шестом разделе рассмотрены особенности работы короткозамкнутых транс форматоров в автономных энергетических системах.

Резко возросший в последнее время интерес к системам децентрализованного теплоснабжения объясняется, прежде всего, неудовлетворительным качеством центра лизованного теплоснабжения при явной тенденции к повышению стоимости отпускае мой теплоты. За рубежом, в том числе для крупных потребителей, наряду с системами централизованного теплоснабжения широкое применение имеют системы децентрали зованного энергоснабжения на основе высокоэффективных автоматизированных ис точников, обеспечивающих меньший расход энергоресурсов (на 10…30%), снижение материалоемкости в 2…5 раз, значительное сокращение сроков строительства.

Большинство применяемых в России децентрализованных систем электроото пления и горячего водоснабжения выполнены на базе выпускаемых электроводонагре вателей ЭПЗ, САОС, ВЭТ и др., либо реализующими электродный способ нагрева во ды, либо содержащими качестве нагревательных элементов трубчатые электронагре ватели. Следует отметить, что такие недостатки как низкая степень надежности и безо пасности, присущие устройствам таких типов, в значительной степени усугубляются с ростом единичной мощности децентрализованной системы энергообеспечения.

Использование в таких системах в качестве нагревательных элементов транс форматоров с короткозамкнутой вторичной обмоткой позволяет устранить указанные недостатки, однако требует использования специальных принципов управления и уст ройств электропитания. Необходимость разработки новых принципов и систем управ ления обусловлена следующими особенностями децентрализованных систем электро отопления и горячего водоснабжения, выполненных на основе нагревательных элемен тов трансформаторного типа:

1. Возможность выполнения систем теплоснабжения на широкий диапазон но минальных мощностей (от 0,5 до 800 кВт);

2. Возможность подключения к электрическим сетям с напряжением до 6…10 кВ;

3. Возможность выполнения в одном модуле понижающей трансформаторной под станции и нагревательного элемента;

4. Возможность использования трансформатора с короткозамкнутой вторичной обмоткой в качестве балластного элемента системы стабилизации переменного напря жения;

5. Улучшение массогабаритных показателей системы при питании первичной об мотки нагревательного элемента токами повышенной частоты;

6. Высокая степень надежности нагревательных элементов, определяющая спе цифику требований к элементной базе и конструкциям коммутирующей аппаратуры и регуляторов;

7. Обеспечение II класса по электробезопасности, диктующее требования к устрой ствам защиты;

8. Наличие апериодических составляющих токов при включении и в других пе реходных режимах работы;

9. Нелинейность параметров нагревательных элементов, обусловленная насы щением магнитопровода трансформатора и эффектом вытеснения тока во вторичной обмотке;

10. Возможность возникновения перенапряжений при отключениях и в переходных режимах работы;

11. Необходимость точного определения момента подключения каждой из фаз пер вичной обмотки трансформатора к сети;

Особенности нагревательных устройств, используемых в децентрализованных системах энергоснабжения, во многом определяют специфику источников электропи тания и устройств управления. При изменении частоты питающего напряжения транс форматора с короткозамкнутой вторичной обмоткой изменяются электродвижущие си лы и индуктивные сопротивления обмоток, потери мощности в магнитопроводе, по требляемая и полезная мощность. Поэтому важно установить взаимосвязь между час тотой питающего напряжения и параметрами нагревательных элементов трансформа торного типа, а также определить наиболее приемлемые типы источников питания для децентрализованных энергосистем, в которых применяются нагреватели трансформа торного типа. В работе предложены и исследованы такие источники питания.

В качестве критерия выбора рабочей частоты КЗТ предлагается использовать удельную ЭДС еуд, представляющую собой отношение ЭДС одного витка к площади поперечного сечения магнитопровода. Определены зависимости рабочей частоты трансформатора с короткозамкнутой вторичной обмоткой от удельной ЭДС (рис. 23) и наибольшего допустимого значения рабочей частоты от мощности (рис. 24).

Рис. 23. Рис. 24.

Для управления мощностью нагревательного элемента трансформаторного типа на промышленной частоте наиболее целесообразно использование двухпозиционного регулирования. При этом необходимо, чтобы включение КЗТ производилось в мо мент ожидаемого перехода тока через ноль, а длительности включенного и выключен ного состояния были кратными периоду напряжения сети.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.