Электротехника, электроника, электрооборудование: электротехника
Покупка
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Автор:
Фарнасов Геннадий Алексеевич
Год издания: 2012
Кол-во страниц: 423
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-87623-602-9
Артикул: 753423.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Учебник по курсам «Электротехника, электроника, электрооборудование» соответствует программам для студентов металлургических специальностей при подготовке инженеров, бакалавров и магистров, а также других неэлектротехнических специальностей. Он включает разделы: электротехника, электроника, электрооборудование, материал которых изложен на примерах электротехнических установок и электропривода основных металлургических аппаратов. Приведены упражнения, темы домашних заданий, методы расчетов при выполнении выпускной квалификационной работы, дипломного проекта. Предназначен для студентов специальностей: 150101 «Металлургия черных металлов», 150102 «Металлургия цветных металлов», 150103 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей», 150104 «Технология литейного производства», 150109 «Металлургия техногенных и вторичных ресурсов», 130405 «Обогащение полезных ископаемых», 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств», 080801 «Прикладная информатика в энергосбережении». Может быть полезен работникам промышленных предприятий.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.04: Электроника и наноэлектроника
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.03.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» Кафедра электротехники и микропроцессорной электроники Г.А. Фарнасов Электротехника, электроника, электрооборудование Электротехника Учебник Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению Металлургия Москва 2012
УДК 621.3 Ф76 Р е ц е н з е н т ы д-р техн. наук, проф., академик РАЭН В.П. Рубцов; кафедра АТПМиМ Московского государственного вечернего металлургического института (зав. каф. канд. техн. наук Е.Ф. Анисимов) Фарнасов, Г.А. Ф76 Электротехника, электроника, электрооборудование : электротехника : учебник / Г.А. Фарнасов. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. – 423 с. ISBN 978-5-87623-602-9 Учебник по курсам «Электротехника, электроника, электрооборудование» соответствует программам для студентов металлургических специальностей при подготовке инженеров, бакалавров и магистров, а также других неэлектротехнических специальностей. Он включает разделы: электротехника, электроника, электрооборудование, материал которых изложен на примерах электротехнических установок и электропривода основных металлургических аппаратов. Приведены упражнения, темы домашних заданий, методы расчетов при выполнении выпускной квалификационной работы, дипломного проекта. Предназначен для студентов специальностей: 150101 «Металлургия черных металлов»; 150102 «Металлургия цветных металлов»; 150103 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей»; 150104 «Технология литейного производства»; 150109 «Металлургия техногенных и вторичных ресурсов»; 130405 «Обогащение полезных ископаемых»; 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств»; 080801 «Прикладная информатика в энергосбережении». Может быть полезен работникам промышленных предприятий. УДК 621.3 ISBN 978-5-87623-602-9 © Г.А. Фарнасов, 2012
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ...................................................................................................6 1. Цепи постоянного тока......................................................................9 1.1. Особенности нагрева материалов энергией постоянного тока.....9 1.2. Элементы и режимы работы электрических цепей.................21 1.3. Методы расчета линейных электрических цепей....................31 1.4. Нелинейные цепи постоянного тока.........................................38 1.5. Измерения в цепях постоянного тока.......................................45 1.6. Упражнения по теме «Цепи постоянного тока»......................54 1.7. Домашнее задание № 1 «Расчет электрических параметров дуговой плавильной печи постоянного тока»............75 2. Однофазные цепи синусоидального тока ....................................76 2.1. Особенности применения энергии однофазного переменного тока...............................................................................76 2.2. Электрическая цепь с R-элементом ........................................100 2.3. Электрическая цепь с L-элементом ........................................103 2.4. Электрическая цепь с С-элементом........................................105 2.5. Электрическая цепь при последовательном соединении R- и L-элементов..............................................................................108 2.6. Мощность в электрической цепи с R- и L-элементами.........111 2.7. Электрическая цепь при последовательном соединении R-, L- и C-элементов ........................................................................113 2.8. Электрическая цепь при параллельном соединении R-, L- и C-элементов ........................................................................118 2.9. Особенности расчета цепей синусоидального тока ..............122 2.10. Измерения в цепях однофазного переменного тока............123 2.11. Упражнения по теме «Однофазные цепи синусоидального тока» ...................................................................128 2.12. Домашнее задание № 2 «Расчет электрических параметров индукционной тигельной плавильной печи» ...........167 3. Трехфазные цепи синусоидального тока ...................................168 3.1. Особенности применения энергии трехфазного переменного тока.............................................................................168 3.2. Соединение обмоток источника и фаз приемника звездой ..176 3.3. Соединение обмоток источника и фаз приемника треугольником .................................................................................181 3.4. Трехфазная цепь с несимметричным приемником................184 3.5. Мощность в трехфазной системе. Пример расчета параметров трехфазной конвейерной печи сопротивления ........193
3.6. Периодические несинусоидальные токи в электрических цепях металлургических установок............................................... 202 3.7. Измерения в цепях трехфазного переменного тока.............. 207 3.8. Упражнения по теме «Трехфазные цепи синусоидального тока» ................................................................... 208 3.9. Домашнее задание № 3 «Расчет электрических параметров трехфазной дуговой сталеплавильной печи»........... 233 4. Применение электромагнитных устройств в металлургии... 235 4.1. Магнитные цепи ....................................................................... 235 4.2. Трансформатор ......................................................................... 246 4.3. Электромагнитные устройства, использующие энергию вращающегося поля......................................................... 272 4.4. Электромагнитные устройства, использующие энергию бегущего поля.................................................................................. 290 4.5. Электрические машины постоянного тока в приводе механизмов металлургических установок .................................... 296 4.6. Упражнение по теме: «Электромагнитные устройства» ...... 309 4.7. Домашнее задание №4 «Расчет электрических параметров однофазного трансформатора».................................. 316 Библиографический список ............................................................. 317 Приложение. Примеры расчетов параметров электромагнитных устройств .......................................................... 319 1. Расчет параметров трехфазного трансформатора, работающего на мостовой выпрямитель с дуговой нагрузкой ... 319 2. Расчет параметров электромагнитного кристаллизатора для разливки алюминиевых сплавов ............................................. 327 3. Расчет параметров индукционной канальной печи для плавки медных сплавов с моделированием в пакете SIMULINK программы MatLab...................................................... 334 4. Расчет параметров магнитодинамического насоса для транспортировки и разливки жидкого металла ..................... 346 5. Расчет параметров установки для высокочастотного индукционного нагрева стальных деталей под термообработку.....355 6. Расчет параметров установки с высокочастотным индукционным плазмотроном для получения электроплавленных сфероидизированных материалов............... 359 7. Расчет параметров индукционной тигельной печи для выплавки синтетического чугуна с моделированием в пакете SIMULINK программы MatLab....................................... 363 8. Расчет параметров индукционной печи с «холодным» тиглем для выплавки жаропрочных сплавов................................ 377
9. Расчет параметров асинхронного трехфазного двигателя с короткозамкнутым ротором.........................................................385 10. Расчет параметров установки с вращающимся полем для очистки стружки от масла........................................................391 11. Расчет параметров статора электромагнитного перемешивания металла в кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок с моделированием в пакете SIMULINK программы MatLab......................................................396 12. Расчет параметров кольцевого статора для перемешивания жидкого чугуна в ковше...............................405 13. Расчет параметров плоского статора для перемешивания жидкой стали в ковше .....................................................................411 14. Расчет параметров электромагнитного лотка для транспортирования и разливки жидкого алюминия..............417
ВВЕДЕНИЕ Электротехника является наукой о техническом использовании электромагнитных явлений, а также отраслью техники, связанной с применением их для преобразования энергии природы в электрическую ( электроэнергетика). Значение электротехники определяется возможностью получения значительных количеств электрической энергии, сравнительной простотой ее передачи на расстояние и легкостью преобразования в энергию других видов – тепловую, механическую, световую, химическую и т. д. На базе широкого применения электрической энергии развиваются наиболее энергоемкие производства (электрометаллургия стали, ферросплавов и цветных металлов, электротермия, электрохимия). В результате перехода на электротехнологические процессы повышается качество металлов и материалов, появляется возможность создавать материалы, которые иным способом получить невозможно, а также улучшаются санитарные условия труда (социальный фактор) и снижается вредное воздействие на окружающую среду (экологический фактор). В металлургии широко применяется электронагрев, который в отличие от газового значительно меньше влияет на «загрязненность» металла, способствует рафинированию и повышению свойств сталей и сплавов при прохождении через них электрического тока, применении электрического разряда, вихревых токов, электромагнитного поля. Многообразие электротехнических явлений делает возможной комплексную обработку расплава в вакууме при регулируемом мас- сообмене, реализацию различных технологических операций в одном агрегате, механизацию и автоматизацию производства. Это позволяет интенсифицировать существующие процессы, создавать новые способы выплавки и рафинирования черных и цветных металлов, решать в условиях истощения природных ресурсов актуальные задачи повышения качества продукции, снижения ее себестоимости, улучшения санитарно-гигиенических условий труда. Преобразование электрической энергии в тепловую (теплогене- рация) в электротехнологических установках происходит в результате необратимого рассеяния (диссипации) энергии электромагнитного поля в нагреваемом материале по закону Джоуля– Ленца, при магнитной поляризации ферромагнитного материала, электрической поляризации диэлектрика, преобразовании энергии потока ускоренных в электрическом поле электронов, возникновении электрического разряда в газе или при воздействии когерент-
ного излучения квантового генератора, возбуждаемого электромагнитным полем. Вращающиеся и бегущие магнитные поля, которые переводят электрическую энергию в механическую или гидродинамическую с минимальными потерями на нагрев, используют для создания электродвигателей и устройств управления движением жидкого металла. Подвод к печи и получение электроэнергии необходимых параметров осуществляют с помощью электротехнических коммутационных и преобразовательных устройств – высоковольтных и автоматических выключателей, контакторов, магнитных пускателей, трансформаторов, реакторов, выпрямителей, преобразователей частоты. Названная аппаратура совместно с печным преобразователем электроэнергии в тепловую ( методами сопротивления, индукционным, дуговым) относится к силовой цепи установки и обтекается рабочим током, составляющим, как правило, тысячи ампер. Привод механизмов печи (наклона, перемещения электрода и др.) осуществляется с помощью электрических двигателей (асинхронных, постоянного тока). Для изменения режимов работы этих устройств применяют цепи управления, как правило, слаботочные, которые вместе с измерительной аппаратурой (амперметр, вольтметр, фазометр и др.) размещают на специальном пульте. В этих цепях широко применяют элементы электроники (диод, тиристор, транзистор, интегральная мик- росхема, контроллер) и преобразователи, выполненные с их исполь- зованием, работа которых определяется законами электротехники. Совокупность элементов электроники и электротехнических уст- ройств определяют понятием «электрооборудование металлургиче- ской установки». Инженер-металлург (технолог цеха) разрабатывает технологию выплавки сплава, а значит, должен задать характер изменения тепло- вых потоков в рабочем пространстве печи; оценить по ним вводимую в печь электрическую мощность, силу тока, напряжение; выбрать в зависимости от металлургических возможностей род тока, принцип действия и тип преобразователя (источника питания); определить диапазон изменения электрических величин во времени; составить программу плавки, т.е. работы всего электрооборудования. Автору довелось разрабатывать и создавать промышленные элек- тротермические установки для металлургических и литейных цехов – дуговые и струйные плазмотроны постоянного тока, дуговые и плаз- менные плавильные печи, установки комбинированного нагрева, вы- сокочастотные индукционно-плазменные, электромагнитного пере- мешивания металла, электромагнитные аппараты вихревого слоя, а
также системы управления к ним. На своем опыте он убедился, как важно знать и уметь применять на практике законы и явления элек- тротехники будущим технологам. В течение многих лет автор преподает в МИСиС курсы по мето- дике, в основу которой положено профилирование, позволяющее рассматривать законы и явления электротехники, работу электротех- нического оборудования на примерах металлургических установок. Перечисленные выше вопросы отражены в известном учебни- ке [1]. Однако с момента его издания произошли изменения, основ- ная особенность которых – подготовка бакалавров и магистров по металлургическому направлению. В новых учебных планах преду- смотрены курсы по электротехнике, электронике, микропроцессо- рам, электрооборудованию. Кроме того, в силовой электронике поя- вились в промышленном исполнении биполярные транзисторы с изолированным затвором и устройства, выполненные на них. В связи с этим возникла необходимость переработки учебника с добавлением раздела по микропроцессорам, расширением вопросов электрообо- рудования установок, введением примеров устройств управления с использованием контроллеров, а также примеров расчетов электри- ческих параметров силовых цепей электроустановок, что целесооб- разно для выполнения КНИР, выпускных квалификационных работ бакалавров и магистров, дипломных проектов специалистов с при- влечением современных методов моделирования. Материал учебника направлен на формирование у металлургов знаний по техническим возможностям и принципу действия электро- оборудования основных металлургических установок, методам рас- чета их электрических характеристик.
1. ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 1.1. Особенности нагрева материалов энергией постоянного тока При наложении электромагнитного поля в проводящей среде (на- пример, в кристаллической решетке металлов) электроны проводи- мости, не ослабляя своего хаотического движения со скоростями по- рядка тысяч км/с, сравнительно медленно со скоростью vд порядка 10–3 … 10–5 м/с «сносятся» против вектора Е силой ( ) F H : д эф d v F e E m t = − = , где е = 1,602·10 –16 Кл – заряд электрона; эф m – эффективная масса электрона проводимости, отличающая- ся от массы покоя электрона mе = 9,1·10 –31 кг по причине элек- тростатических взаимодействий в кристаллической решетке. Такое слабое упорядоченное движение («дрейф») электронов обу- славливает ток проводимости плотностью (А/м2) д e J N ev = − , где Nе – плотность электронов проводимости, м –3. В металлах положительные ионы закреплены в узлах кристал- лической решетки, совершая хаотические гармонические колеба- ния относительно своих положений равновесия с амплитудой сме- щения Δx при данной температуре Т. Колебания ионов нарушают периодичность кристаллической решетки, препятствуют упорядо- ченному движению электронов, вызывая электрическое сопротив- ление току проводимости согласно известному в электротехнике закону Ома. Электроны рассеиваются внутри решетки, передавая ионам при неупругом взаимодействии избыток кинетической энергии ΔKе (Дж), приобретенной в электромагнитном поле напряженностью Е: 2 эф д 0,5 e K m v Δ = . При таком взаимодействии возрастает потенциальная энергия ио- нов ΔG (Дж) массой М (кг) вследствие увеличения амплитуды Δx те-
пловых колебаний с максимальной (характеристической) угловой частотой ω (с –1) ΔG = 0,5 M ω 2 (Δx)2, что определяет повышение температуры металла. Если прохождение тока проводимости не связано с изменениями структуры вещества и не сопровождается химическими процессами, внешняя работа электрических сил в соответствии с теоремой Умова полностью идет на изменение тепловой энергии в единице объема нагреваемого тела со скоростью qv (Вт/м3): д e v JF N v F q e = = = . Соотношение выражает закон теплового действия тока проводимости плотностью J, известный под названием закона Джоуля–Ленца и являющийся частным случаем закона сохранения энергии. Необходимый для теплогенерации ток проводимости можно создать, например, вдоль оси нагреваемого электропроводного тела, если с помощью контактов присоединить тело к внешней электрической цепи, имеющей требуемую согласно закону Ома разность потенциалов. Такой контактный (кондукционный) подвод энергии осуществляют в электрических установках, которые могут работать на постоянном (или переменном) токе (рис. 1.1). Рис. 1.1. Схемы установок прямого нагрева В установках прямого нагрева (рис. 1.1, а) пропускают постоянный ток через нагрузку 1 с помощью контактов 2, осуществляя изме- нение ее температуры для целей горячей обработки давлением (ков- ки, штамповки, отжига) и термической обработки (закалки, отпуска, гибки); сварки штабиков тугоплавких металлов; графитизации уголь-
ных изделий; получения карборунда. Изменение подводимой от сети мощности осуществляют тиристорами выпрямителя 3 и переключе- нием обмоток трансформатора 4 (5 – автоматический выключатель). Применение постоянного тока (вместо переменного) позволяет рав- номерно прогревать нагрузку по всему сечению, а значит, снижать расход электроэнергии, время обработки, повышать качество про- дукции, изменять ее свойства. Количество тепла, выделяемого при прохождении тока, по закону Джоуля–Ленца равно (Дж): 2 4190 0,86 , Q I R = ⋅ τ где I – сила тока, А; R – активное сопротивление проводника, Ом; τ – время прохождения тока, ч. Мощность, потребляемая на нагрев (кВт), 2 3 10 P I R − = ⋅ . Для прямого нагрева, как правило, требуются большие значе- ния токов (сотни и тысячи ампер) при относительно низких напря- жениях (5…25) В. Рис. 1.2. Схема электролизера Такой способ используют и для плавления оксидных материалов (варки стекла, базальта и др.), когда ток пропускают между электро- дами 1 через нагрузку 2 в рабочей камере 3 (рис 1.1, б). Структура электрооборудования аналогична рис. 1.1, а. В промышленности применяют технологические процессы, в ко- торых используют одновременно электронагрев сопротивлением и
химические воздействия, например электролиз (рис. 1.2). Сущность его состоит в выделении из электролита при протекании через него постоянного тока частиц вещества и осаждении их на погруженных в ванну электродах (электроэкстракция) или в переносе веществ с од- ного электрода 2 через электролит 1 на другой (электролитическое рафинирование). Так получают алюминий, цинк, магний, очищают медь, никель, свинец. В качестве источника питания применяют вы- прямительные агрегаты 3 на тиристорах, трансформатор 4 с пере- ключением ступеней напряжения, высоковольтный выключатель 5 и разъединитель 6. Установленная мощность серии ванн при производ- стве алюминия достигает 250 МВ·А; удельный расход электроэнер- гии 14…16 МВт·ч/т. Если через нагрузку (рис. 1.3) от источника энергии в десятки ки- ловатт пропускать постоянный ток в виде импульсов длительностью 10–4...10–5 с при плотности тока в импульсе 106...107 А/см2, то в ней можно получить пиковые мощности от десятков до тысяч мегаватт, что позволяет, например, нагревать газовую плазму до 4·104...5·104 K с последующей автозакалкой ее со скоростями 107...108 K/с. Это дает возможность проводить процессы модифицирования и получения порошков различных материалов путем обработки дисперсных и га- зовых сред; очищать поверхность отливок в воде; измельчать струк- туру кристаллизирующегося сплава. Рис. 1.3. Схема импульсной установки Импульсный разряд 1 (см. рис 1.3) возникает между электродами 2 (или обрабатываемым металлом 3) в рабочем пространстве печи 4 или в жидкости. В первом случае проводят восстановление металлов из оксидов с получением порошков элементов или соединений. Во втором случае обрабатывают поверхность отливок от пригара (электрогидроим- пульсные установки). Импульс тока возникает при разряде конденса- тора C (накопитель) через разрядник Р. Напряжение от сети устанав-
ливается повышающим трансформатором Тр и преобразуется высо- ковольтным выпрямителем В (АВ – автоматический выключатель; БП – блок поджига). Теплогенерация за счет электрической энергии в газообразной среде связана с целым рядом физических явлений и энергетических эффектов. В зависимости от величины внешнего энергетического воздействия электромагнитного поля возможно возбуждение ней- тральных молекул газа с усилением колебательного движения ато- мов, диссоциация с расщеплением на более простые частицы, фраг- ментированные молекулы или атомы, ионизация. Наличие заряжен- ных частиц создает электропроводность нагреваемой газовой среды, способствуя диссипации энергии электромагнитного поля и возник- новению электрического разряда. В металлургии применяют следующие типы электрических разря- дов в газах: • коронный – для ионизации аэрозолей в электрическом поле на- пряженностью 15 кВ/см и выше при очистке дымовых газов в электрофильтрах, а также в различных электронно-ионных тех- нологических процессах; • искровой – для электроэрозионной обработки металлов за счет теплового и механического воздействия импульсных электрон- ных лавин, возникающих при напряжении 100…200 В и нагре- вающих газ до 104 К; • тлеющий – для распыления металлов за счет бомбардировки ка- тода положительными ионами разреженного газа при получении тонких пленок в полупроводниковой технологии и при произ- водстве сверхпроводящих материалов; • дуговой – для теплогенерации в дуговых печах, при дуговой сварке, в электрохимических горелках. Основные разновидно- сти дугового разряда – электрическая дуга постоянного или пе- ременного тока, горящая при атмосферном давлении или в ва- кууме, и импульсный разряд. В электрофильтре (рис. 1.4), применяемом для очистки отходя- щих из печи дымовых газов от пыли, коронный разряд существует вокруг коронирующего электрода 6, на который подается «минус» от источника питания (регулирующий автотрансформатор 1 или тиристорный регулятор напряжения, повышающий трансформатор 2, высоковольтный выпрямитель 3, кабель с ограничительным со- противлением 4, изолирующий вывод 5); «плюс» от источника пи- тания подводят к осадительному электроду 7. При разности потен- циалов между электродами U0 = 50...80 кВ и токе 0,1...0,5 мА/м
Доступ онлайн
В корзину