НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 Кафедра электроснабжения промышленных предприятий

 

 

 

ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ и

электротехнологические установки ПРОМПРЕДПРИЯТИЙ

 

Конспект лекций

для студентов всех форм обучения специальности 5В071800 – Электроэнергетика

                                              

Алматы 2010

СОСТАВИТЕЛИ: К.А. Бакенов, О.П. Живаева. Общепромышленные потребители и электротехнологические установки промпредприятий. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 5В071800 – Электроэнергетика. – Алматы: АУЭС, 2010. – 65 с.

 

В данном курсе лекций рассмотрены следующие вопросы: электрические печи сопротивления, установки индукционного и диэлектрического нагрева; электродуговые термические печи; установки контактной сварки; установки электронно-лучевого нагрева;   плазматроны; оптические квантовые генераторы; выпрямители однофазного и трехфазного тока; инверторы; основные типы источников света и их характеристики.

 

Рецензент: канд. техн. наук, доцент С.А. Бугубаев

 

Печатается по плану издания НАО «Алматинский институт энергетики и связи» на 2010 год.

 

                         © НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2010 г.

 

Содержание

1 Лекция. Электрические печи сопротивления	4
2 Лекция. Установки индукционного нагрева	8
3 Лекция. Установки диэлектрического нагрева	13
4 Лекция. Электродуговые термические печи	16
5 Лекция. Установки контактной сварки	20
6 Лекция. Плазмотроны	24
7 Лекция. Оптические квантовые генераторы	28
8 Лекция. Выпрямители однофазного тока	32
9 Лекция. Выпрямители трехфазного тока	36
10 Лекция. Инверторы ведомые сетью	40
11 Лекция. Автономный инвертор	43
12 Лекция. Тиристорные регуляторы напряжения	47
13 Лекция. Источники тока	50
14 Лекция. Лампы накаливания	56
15 Лекция. Газоразрядные лампы	59
Список литературы	64

1 Лекция. Электрические печи сопротивления

 

         Содержание лекции:

- конструкция, принцип работы и материалы, используемые в  электрических печах сопротивления, классификации печей сопротивления.

         Цель лекции:

- получить представление об электрических печах сопротивления, изучить конструкции печей сопротивления.

 

Электрические печи сопротивления (ЭПС) применяются для технологических операций в машиностроении, металлургии, легкой и химической промышленности, строительстве, коммунальном и сельском хозяйстве. Разнообразие материалов, обрабатываемых в ЭПС, и видов технологических процессов привело к большому разнообразию конструкций ЭПС, выпуску их малыми сериями и даже в индивидуальном порядке.

При технологических процессах, проводимых в ЭПС, используется только нагрев посредством электричества. В ряде случаев используется возможность нагрева в вакууме или защитных газах. Поэтому рассмотрим общие принципы построения печных установок без детального рассмотрения конструкций, а также схемы электроснабжения и принципы автоматизации.

Электропечи сопротивления выпускают в двух исполнениях: ЭПС косвенного и прямого действия. В ЭПС косвенного действия электрическая энергия превращается в тепловую в специальных нагревателях, а затем передается в рабочее пространство посредством теплопроводности, конвекции и излучения. В ЭПС прямого действия нагреваемое тело включается непосредственно в электрическую цепь.

По уровню достигаемых температур ЭПС можно расположить в следующем порядке: низкотемпературные (900-1000К), среднетемпературные (1000-1600 К) и высокотемпературные (выше 1600 К). В ранжированных по признаку достигаемых температур ЭПС применяются различные материалы для изготовления нагревательных элементов, огнеупорные и теплоизоляционные материалы. По группам технологических процессов, выполняемых в печах, ЭПС можно разделить на нагревательные и плавильные, по режиму работы – на периодически и непрерывно действующие. В свою очередь, печи периодического действия, обслуживающие различные технологические процессы, могут быть камерные, шахтные, колпаковые, камерные с выдвижным подом, элеваторные. Среди ЭПС непрерывного действия различают конвейерные, толкательные, рольганговые, карусельные, с шагающим подом, пульсирующим подом, барабанные, протяжные.

В печах периодического действия нагреваемые тела помещаются в рабочую камеру и постепенно нагреваются до заданной температуры, оставаясь неподвижными. В методических печах нагреваемые детали загружаются с одного конца печи, перемещаются по ее длине, при этом прогреваются до заданной температуры и выдаются с другого конца печи. В таких печах температура в различных точках неодинакова. Температура повышается от загрузочного конца печи к выгрузочному. Печи непрерывного действия сложнее печей периодического действия, так как в них необходимо обеспечить перемещение деталей вдоль камеры печи, однако они являются более производительными при тех же габаритных размерах и обеспечивают интенсивность режима термообработки. Поэтому печи непрерывного действия обычно применяются в массовых и крупносерийных производствах.

Электропечи сопротивления периодического действия. 

Колпаковая печь – печь периодического действия с открытым снизу подъемным нагревательным колпаком и неподвижным стендом (см. рисунок 1, а). Нагреваемые детали (садка) 5 с помощью подъем­но-транспортных устройств помещаются на стенд 1. Поверх них сначала устанавливается жаропрочный колпак – муфель 3, а затем основной колпак 2 камеры печи, выполненной из металлического каркаса с огнеупорной футеровкой. Нагревательные элемен­ты 4 расположены по боковым стенкам колпака и в кладке стенда. Питание нагревательных элементов осуществляется с помощью гибких кабелей и штепсельных разъемов. По окончании нагрева электропитание колпака отключается и он переносится на соседний стенд, где уже установлена очередная загрузка для нагрева. Остывание садки происходит на стенде под жароупорным муфелем, что обеспечивает необходимую скорость остывания.

Мощность колпаковых печей достигает нескольких сотен кило­ватт. Благодаря тому, что колпак и муфель могут быть герметизированы, нагрев и остывание садки можно проводить в защитной атмосфере.

Элеваторная электропечь – печь периодического действия с открытой снизу неподвижной камерой нагрева 2 и с опускающимся подом 6. Она представляет собой цилиндрическую или прямоугольную камеру, установленную на колоннах на высоте 3-4 м над уровнем пола цеха (см. рисунок 1,б).

Под печи поднимается и опускается гидравлическим или элект­ромеханическим подъемником, который установлен под камерой нагрева. Нагреваемые изделия – садку 5 нагружают на тележку, затем с помощью лебедки продвигают под печь и поднимают подъемником 7, вдвигая в камеру. По окончании технологического процесса под опускается и изделие снимается.

Камерная электропечь (см. рисунок 1, в) – печь периодического действия с камерой нагрева, загрузка и разгрузка садки которой производятся в горизонтальном направлении. Камерная печь состоит из прямоугольной камеры 2 с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, перекрытой сводом 8 и помещенной в металлический кожух. Печь загружается и выгружается через закрываемое дверцей отверстие в передней части.

В поду камерной печи обычно имеется жароупорная плита, на которой расположены нагреватели 4. В печах до 1000 К теплообмен обеспечивается за счет излучения или вынужденной конвекции, обеспечиваемой замкнутой циркуляцией печной атмосферы.

Шахтную печь выполняют в виде круглой, квадратной или пря­моугольной шахты, перекрываемой сверху крышкой. Нагревательные элементы в ней установлены обычно по боковым стенкам. Принципиальная схема такой печи показана на рисунке 1, г.

 

1 – стенд; 2 – камера печи; 3 – жаропрочный муфель; 4 – нагревательные элементы; 5 – нагреваемое изделие; 6 – опускающийся под; 7 – подъемное устройство; 8 – свод; 9 – механизм подъема свода.

Рисунок 1 – Печи сопротивления периодического действия

 

Электропечи сопротивления непрерывного действия (методические печи).

При установившемся технологическом процессе тер­мообработки для увеличения производительности предпочтительно применять непрерывно действующие печи. В зависимости от требований технологического процесса в таких печах кроме нагрева изделий до заданных температур можно производить выдержку при этой температуре, а также их охлаждение. В таком случае печи выполняют состоящими из нескольких зон, протяженность которых зависит от конкретных условий проведения технологического процесса.

Конвейерная печь – печь непрерывного действия с перемещением садки на горизонтальном конвейере (см. рисунок 2).

1 – теплоизолированный корпус; 1 – загрузочное окно; 2 – нагреваемое изделие;                         4 – нагревательные элементы; 5 – конвейер.

Рисунок 2 – Конвейерная печь

 

Под печи представляет собой конвейер – полотно, натянутое между двумя валами, которые приводятся в движение специальными двигателями. Нагреваемые изделия укладываются на конвейер и передвигаются на нем через рабочее пространство печи. Конвейер размещается целиком в камере печи и не остывает. Однако валы конвейера находятся в очень тяжелых условиях и требуют водяного охлаждения. Поэтому часто концы конвейера выносят за пределы печи. Конвейерные нагревательные печи в основном применяются для нагрева сравнительно мелких деталей до температуры около 1200 К.

Для высоких температур (выше 1400 К) применяются печи не­прерывного действия с перемещением садки путем проталкивания вдоль рабочего пространства – толкательные печи (см. рисунок 3). Они применяются для нагрева как мелких, так и крупных деталей. На поду таких печей устанавливаются направляющие в виде труб, рельсов или роликового пода, изготовленных из жароупорного материала, и по ним в сварных или литых специальных поддонах перемещаются нагреваемые изделия.

Толкательные печи, предназначенные для нагрева крупных заготовок правильной формы, выполняют без поддонов. При этом нагреваемые изделия укладывают в печь вплотную непосредственно на направляющие.

1 – толкатель с приводным механизмом; 2 – нагревательные изделия;                                                           3 – теплоизолированный корпус; 4 – нагревательные элементы; 5 – под печи;                        6 – закалочная ванна.

Рисунок 3 – Толкательная печь

 

Протяжная печь – печь непрерывного действия для нагрева проволоки, прутков или ленты путем непрерывной протяжки через камеру нагрева. Она представляет собой муфель с нагревателями, через который пропускается нагреваемое изделие (см. рисунок 4).

1 – теплоизолирующий корпус; 2 – нагреватель; 1 – муфель; 4 – нагреваемое изделие.

Рисунок 4 – Протяжная печь

 

Печи с рабочей температурой до 1500 К оборудованы металли­ческими муфелями, а при более высокой температуре – керамическими. Печи с температурой 1600 К оборудованы многоканальным алундовым муфелем, поверх которого намотан молибденовый нагреватель.

В протяжных печах применяется также смешанный способ нагрева; прямой – с помощью контактных приводных роликов и косвенный – с помощью нагревателя. Косвенный нагрев обеспечивает термообработку концов прутка в начале и в конце процесса, когда прямой нагрев не может быть осуществлен.

3 Лекция. Установки индукционного нагрева

 

         Содержание лекции:

- установки индукционного нагрева, область их применения, основные типы, принцип работы.

         Цель лекции:

- изучить основные принципы индукционного нагрева.

 

Индукционный нагрев проводящих тел основан на поглощении ими электромагнитной энергии, возникновении наведенных вихревых токов, нагревающих тело по закону Джоуля-Ленца.

По конструктивным особенностям индукционные плавильные печи подразделяют на два типа: канальные и тигельные. Конструкции этих печей в значительной мере определяют их электрические параметры, энергетические характеристики и технологические возможности.

Индукционные канальные печи.

В этих печах канал с расплавленным металлом является короткозамкнутым витком вторичной обмотки трансформатора, в нем поглощается 90-95% подведенной к печи электрической энергии. По электротехническим характеристикам канальные печи подобны силовым трансформаторам с расщепленной обмоткой по длине вторичной обмотки нагрузкой. Принципиальная схема индукционной канальной печи (ИКП) приведена на рисунке 5. С целью уменьшения потока рассеяния Ф_s первичную v₁ и вторичную v₂ обмотки располагают на одном стержне магнитопровода М, по которому протекает основной магнитный поток Ф₁.

Рисунок 5 – схема индукционной канальной печи

 

Индукционная канальная печь имеет следующие отличия от силовых трансформаторов:

1) вторичная обмотка совмещена с нагрузкой  и  имеет только один виток с относительно малой высотой по сравнению с высотой первичной обмотки;

2) из-за наличия большого потока рассеяния Ф_s, вызванного необходимостью футеровки печи, она имеет низкий соs j.

Магнитный поток первичной обмотки Ф₁, пересекая канал с металлом, наводит в нем электродвижущую силу E₂.

Возникающий в короткозамкнутом витке (канал с расплавленным металлом) ток I₂, проходя по металлу, выделяет теплоту со­гласно закону Джоуля - Ленца.

В канальных печах однородный химический состав и одинаковая температура жидкого металла обеспечиваются интенсивным перемешиванием металла, вызываемым взаимодействием магнитного поля индуктора с током в канале, что приводит к возникно­вению магнитогидродинамических явлений в печах.

Наиболее важным достоинством индукционных канальных печей является их высокий энергетический кпд, достигающий в за­висимости от рода переплавляемого металла значений 60-95%

Следует также отметить малый угар металла в индукционных канальных печах, поскольку здесь нет большого перегрева металла и его сильного окисления на поверхности ванны печи.

Существуют три основные конструктивные разновидности канальных печей: шахтная, барабанная и двухкамерная (см рисунок 6).

Рисунок 6 – Основные типы конструкций индукционных канальных печей

 

В ИКП шахтного типа плавильная камера имеет форму вертикального цилиндра, в донной части которого присоединена пла­вильная единица (см. рисунок 6,а). При разливке металла печь накло­няют с помощью гидравлического устройства. Достоинством кон­струкции печей такого типа является простота выполнения, ремонта и замены футеровки ванны печи.

В ИКП барабанного типа плавильная камера выполнена в ви­де горизонтально расположенного цилиндра. Она установлена на цапфах или катках с различными приводами механизма наклона. Печь имеет несколько индукционных единиц, которые установлены в нижней части печи (см. рисунок 6,б).

Двухкамерные канальные печи (см. рисунок 6,в) выполнены с наклонными или горизонтально расположенными каналами, соединяющими между собой две ванны. При этом одна из них используется как плавильная, а другая как раздаточная.

Индукционные тигельные печи.

Характерным электротехническим признаком индукционных тигельных печей является то, что нагреваемые в них электропроводящие тела образуют с индукто­ром, создающим переменное электромагнитное поле, систему двух индуктивно связанных контуров с током.

Индукционная тигельная печь (ИТП) (см. рисунок 7) состоит из следующих основных частей: индуктора 1 подключаемого к источнику переменного тока, расплавляемого металла 2, находящегося внутри огнеупорного тигля 3, и внешнего магнитопровода 4, применяемого в печах большой емкости для экранирования и уменьшения потерь энергии, а также токопроводов и устройства для наклона печи при сливе металла.

Рисунок 7 – Схема индукционной тигельной печи

 

Нагрев и расплавление металлической загрузки происходят за счет прохождения в ней индуцированного электромагнитным по­лем электрического тока и выделения при этом в загрузке тепло­ты по закону Джоуля-Ленца.

Плавка металла в ИТП характеризуется распределением выделения энергии по большей части периферии садки и интенсивным ее перемешиванием. Характерной особенностью ИТП в отличие от ИКП является возможность опорожнения печи при переходе на другую марку сплава или при длительном простое печи.

Кроме того, можно отметить следующие положительные свойства индукционных тигельных печей:

а) возможность получения чистых по химическому составу металлов и сплавов, поскольку отсутствует соприкосновение с топливом или электродами;

б) возможность  проведения  плавки в нейтральной среде или вакууме для получения металлов высокого качества;

в) отсутствие перегрева футеровки, что повышает срок службы печи.

Индукционные тигельные печи имеют естественный коэффициент мощности соs j_п = 0,8¸0,3 и требуют установки батареи конденсаторов для компенсации реактивной мощности.

Конструкция современных тигельных электропечей средней емкости предусматривает возможность изготовления отдельного выемного узла, состоящего из индуктора и тигля, что сокращает время при их замене. Плавильные тигельные печи вне зависимости от частоты питающего тока, начиная от 50 Гц до 400 кГц при емкости тигля от десятков тонн до нескольких килограммов расплавленного металла, имеют одни и те же кон­структивные элементы.

Индукционные нагревательные установки.

Индукционные нагревательные установки подразделяют на два основных типа: установки сквозного и поверхностного нагрева.

Индукционные установки сквозного нагрева применяются для нагрева заготовок под последующую пластическую деформацию-ковку, штамповку, прессовку, прокатку и т. д.

В зависимости от геометрических параметров нагреваемых деталей и их материала источники питания индукционных установок выполняют на частой 50–10000 Гц. Для установок сквозного нагрева выбор рабочей частоты производят таким образом, чтобы выделение теплоты происходило в слое достаточной толщины по сечению детали при отсутствии большого градиента температуры между поверхностью и слоем определенной толщины. При этом будет меньше перегрев поверхности заготовки и выше кпд установки.

По режиму работу установки сквозного нагрева подразделяют на установки периодического и непрерывного действия. В установках периодического действия нагревается только одна заготовка или ее часть. При нагреве заготовок из магнитного материала происходит изменение потребляемой мощности, вначале она возрастает, а затем по достижении точки Кюри снижается до 60–70 % от начальной. При нагреве заготовок из цветных металлов мощность в конце нагрева несколько увеличивается за счет роста удельного электрического сопротивления.

Источники питания установок индукционного нагрева.

Индукционная плавильная или нагревательная установка состоит: из источника питания; согласующего устройства (согласующий трансформатор; автотрансформатор); конденсаторной батареи для компенсации реактивной мощности установки; индуктора нагревательной или плавильной установки; сети, связывающей источник питания с индуктором; аппаратуры защиты регулирова­ния и автоматического управления; механизмов загрузки, выгруз­ки и перемещения нагреваемого материала.

По частоте потребляемого тока установки индукционного нагрева подразделяют на установки промышленной, повышенной и высокой частоты.

Установки канальных и большинство тигельных печей большой и средней мощности имеют промышленную частоту 50 Гц. Питаются они от сетей внутризаводского электроснабжения напряже­нием 220, 380 или 660 В непосредственно или через специаль­ные трансформаторы, или автотрансформаторы. Установки большой мощности питаются от сетей напряжением 6-10 кВ через высоковольтные печные подстанции.

Нормальная эксплуатация канальных индукционных печей специальной регулировки не требует, так как температура жидкого металла в их каналах изменяется незначительно, а следовательно, незначительно меняются и электрические параметры печи. Если в одной и той же печи расплавляются металлы или сплавы с отли­чающимися параметрами, то требуется регулировка напряжения на зажимах печи в широких пределах. В этих случаях печи подключаются к сети через специальные печные трансформаторы или автотрансформаторы с секционированными обмотками.

Как индивидуальное, так и групповое питание печей имеет свои преимущества и недостатки. К недостаткам группового питания следует отнести: отсутствие возможности индивидуальной подстройки режима каждой печи при выходе из строя печного трансформатора, что случается очень редко, прекращение работы группы печей. Однако групповое питание обеспечивает более высокий кпд установки и простоту обслуживания.

Индукционные установки повышенной частоты питаются от специальных агрегатов, предназначенных для преобразования трехфазного тока промышленной частоты к однофазный ток повышенной частоты. Такими устройствами являются машинные генераторы, статические умно­жители и тиристорные преобразователи частоты.

Принцип получения более высоких частот таким методом мо­жет быть объяснен следующим образом. Если катушка с железным сердечником питается синусоидальным напряжением, то с увеличением магнитного потока, вследствие насыщения сердечника, форма тока все больше искажается и появляются нечетные гармо­ники. При соединении трех таких катушек в трехфазную систему может быть получен ток утроенной частоты, так как основная вол­на погашается, а результирующая третьих гармоник в 3 раза больше, чем в каждой из фаз.

 

3 Лекция. Установки диэлектрического нагрева

 

         Содержание лекции:

- изучение установок диэлектрического нагрева.

         Цель лекции:

- знакомство с конструкциями установок диэлектрического нагрева.

 

Использование электрического тока, проходящего через диэлектрики и полупроводники в переменном электрическом поле, является основой диэлектрического нагрева, который имеет преимущества перед другими способами нагрева. Это быстрота, равномерность и высокая производительность. С энергетической точки зрения такой нагрев является наиболее эффективным, поскольку при его осуществлении вся энергия вносится в массу нагреваемого материала.

По технологическим признакам установки высокочастотного диэлектрического нагрева подразделяют на три вида.

Установки первого вида используются в процессах промышленной обработки крупных изделий, требующих быстрого нагрева в однородном электрическом поле: сушка волокон шерсти или хлопка, целлюлозы и лесоматериалов, обжиг крупных электроизоляторов и фарфоровых изделий, производство звуко- и теп­лоизоляционных материалов, сварка пластмасс и полимерных пленок.

Установки второго вида применяются для нагрева протяженных плоских изделий: сушка текстильного волокна, рисунков на тканях, бумаги, фотопленки, химических и фармацевтических препаратов, полимеризации клеев, нагрев каучука, пастеризация и т. д.

В установках третьего вида проводятся процессы, не требующие быстрого и однородного нагрева: размораживание про­дуктов, разогрев и быстрое приготовление блюд, обжиг простых керамических изделий, сушка грибов, чая и т. п.

Использование высококачественного нагрева позволяет повысить качество продукции, ускорить технологические процессы и получить при массовом производстве большую экономию, несмотря на высокую стоимость оборудования.

Различают несколько видов поляризации.

Электронная поляризация атомов вызвана смещением электронного об­лака относительно ядра атома и приобретением последним индуцированного дипольного момента (см. рисунок 8,а). Время собственных колебаний электронов составляет 10^-14–10^-15 с, за это же время устанавливается электронная поляризация.

Ионная  поляризация   молекул  вызвана упругим смещением ионов в твердых диэлектриках с ионной кристаллической решеткой (ионы Na⁺ и Сl^-   в поваренной соли).

Период собственных  колебаний  решетки составляет 10^-12-10^-13 с. Время ионной упругой поляризации того же порядка.

Рисунок 8 – Виды поляризации диэлектрика в электрическом поле

 

Ориентационная поляризация имеет место в диэлектриках с молекулами, представляющими собой жесткие диполи, независи­мо от наличия внешнего электрического поля. Поляризация прояв­ляется в частичном повороте и упорядочении диполей под влия­нием внешнего электрического поля (см. рисунок 8,б). Это поляризация упругого смещения, возникающая в твердых или жидких диэлектриках, полярные молекулы которых связаны друг с другом так, что под действием электрического поля могут поворачи­ваться лишь на небольшой угол.

Установки диэлектрического нагрева подразделяют на два вида: собственно установки диэлектрического нагрева, работающие на высокой частоте (ВЧ-установки – частота 66 кГц – 100 мГц), и установки сверхвысокочастотного нагрева (СВЧ-нагрев–часто­та 1000 мГц и выше). Последние применяются при нагреве диэлектриков со сравнительно малым коэффициентом потерь, нагреве пищевых продуктов.

Выбор рабочих параметров установки определяется рядом физических свойств нагреваемого материала.

Одним из условий равномерного нагрева по всему объему однородного материала является превышение глубины проникновения электромагнитной волны в материал под его толщиной.

Конструкция технологического узла определяется в основном родом и видом нагреваемого материала. Различные схемы осуществления технологических узлов установок диэлектрического нагрева показаны на рисунке 9.

Схемы технологических узлов для нагрева и сушки крупногабаритных изделий и порошкообразных материалов показаны на рисунке 9, а, б. При диэлектрическом нагреве температура внутри нагреваемого материала выше, чем в поверхностных слоях, с которых происходит удаление влаги. Совместное влияние градиентов давления, влагосодержания и температуры способствует высокой производительности сушки с использованием высокочастотного нагрева.

На рисунке 9,а показана схема технологического узла для из­готовления изделий из пенопласта. При формировании различных видов изделий исходное сырье помещается в формы, рабочие по­гости которых повторяют конфигурацию изделия.

Существуют установки диэлектрического нагрева для термообработки пористых резин, предварительного нагрева таблетированных прессматериалов, нагрева в процессе прессования, термообработки изделий и нагрева перед штамповкой, склеивания термо­реактивными клеями, обработки сельхозпродуктов и т. д.

Рисунок 9 – Схемы технологических узлов установок диэлектрического нагрева

 

Для высокочастотного нагрева диэлектриков применяются ламповые генераторы на более высокие частоты (5,28-300 мГц). Они состоят в основном из тех же узлов, что и генераторы для индукционного нагрева проводящих материалов, но в отличие от последних нагрузкой в них является рабочий конденсатор, в котором находится нагреваемый материал. Так как в процессе нагрева емкость С_н и активное сопротивление R_н изменяются, то меняются эквивалентное сопротивление контура и режим работы генератора.

Для поддержания неизменным диапазона частот генератора в течение всего режима нагрева необходимо поддерживать неизменным эквивалентное сопротивление нагрузки, что достигается спе­циальным регулированием — согласованием нагрузки.

Установки для диэлектрического нагрева выпускают с унифи­цированными узлами, предназначенными для совместной работы с различным оборудованием (прессовым и т. п.).

Установки для нагрева материалов, свойства которых мало изменяются в процессе термообработки, или для работы в конвейерных линиях выпускают без технологических узлов, так как их конструируют и изготовляют с учетом конкретного обрабатывае­мого материала и режимов обработки.

4 Лекция. Электродуговые термические печи

 

         Содержание лекции:

- классификация электродуговых термических печей, назначение, принцип работы.

         Цель лекции:

- изучить конструкцию дуговых печей дуговых печей и оборудования, используемого для обеспечения их работы.

 

Электродуговые печи применяются в металлургической, химической, машиностроительной и ряде других отраслей промышленности. Они могут быть классифицированы следующим образом:

Дуговые печи косвенного действия, где электродуговой разряд горит между электродами, расположенными над нагреваемым материалом, и теплообмен между электрической дугой и материалом осуществляется в основном за счет излучения.

Дуговые печи прямого действия. В них электрическая дуга горит между концами электродов и нагреваемым материалом. Нагрев материала осуществляется при выделении энергии в опорных пятнах дуги, протекании тока через расплав, а также за счет излучения плазмы дуги, конвекции и теплопроводности.

Дуговые печи сопротивления. В них дуга горит под слоем элек­тропроводной шихты; теплота выделяется в дуговом разряде и преимущественно при прохождении тока через шихту в расплавленных материалах. Передача теплоты в объем печи осуществляется за счет теплопроводности, излучения и в меньшей мере конвекции.

Из числа дуговых печей можно выделить вакуумные дуговые печи. В них электрическая дуга горит в инертном газе или парах переплавляемого материала при низком давлении между расходуемым электродом, изготовленным из переплавляемого металла, и ванной жидкого металла, либо между нерасходуемым электродом  и  ванной жидкого металла.

Дуговые печи косвенного действия.

Дуговая печь косвенного действия предназначена для переплава цветных металлов и их сплавов, а также для выплавки некоторых сортов чугуна и никеля. Ее основное преимущество – небольшой угар металла, так как электродуговой разряд не соприкасается непосредственно с переплавляемым   материалом. Однофазная дуговая печь косвенного действия (см. рисунок 10)  представляет собой горизонтально расположенную ванну, футерованную изнутри огнеупором 1. В противоположных боковых стенках ее установлены электроды 2, перемещаемые по мере обгорания механизмами подачи. Переплавляемый материал 3 загружают на дно ванны через отверстие в боковой поверхности корпуса 5. На электроды подается напряжение, затем они сводятся до соприкосновения и возникновения тока в цепи и затем разводятся, что приводит к возникновению электрической дуги 4, Вследствие поглощения выделяемой дугой энергии происходит нагрев и расплавление металла. После расплавления металла печь наклоняется механизмом наклона и из нее сливается расплав. Регулирование мощности печи произво­дится с помощью источника питания за счет изменения тока дуги, а также ее длины при сближении и удалении электродов.

Рисунок 10 – Схема дуговой печи косвенного действия

 

К электрооборудованию дуговых печен косвенного действия относятся печной трансформатор, регулировочный реактор и элект­ропривод механизма подачи электродов.

Ток к электродам подводится по гибким кабелям от печной трансформаторной подстанции. Регулирование расстояния между электродами осуществляют с помощью электропривода, управляе­мого персоналом дистанционно, или автоматическим регулятором режима.

Дуговые печи косвенного действия производят емкостью 0,25 и 0,5 т. В них применяются графитизированные электроды. Они снабжены трансформаторами мощностью 175–250 и 250–400 кВА.

 

Дуговые печи прямого действия.

Основное назначение дуговой печи прямого действия (см. рисунок 11) – выплавка стали в слитки для последующего передела в прокатных цехах, а также для фасонного литья на машиностроительных заводах; получение металлургического сырья, химических продуктов.

Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) состоит из стального кожуха, имеющего цилиндрическую, расширяющуюся или ступенчатую форму 1. Внутри кожуха располагается огнеупорная футеровка 2. Поверх футерованного кожуха печи расположен свод печи 3, через который пропущены электроды 4. Для зажигания дуги электроды вначале опускаются до соприкосновения с расплавляемым материалом, а затем немного поднимаются до возбуждения дуги 6. В процессе плавки электроды перемещаются с помощью механиз­ма подъема  электродов 5.  Каждая печь имеет рабочие окна и сливное отверстие. Через рабочее окно производится загрузка печи, а через сливное отверстие – ее выгрузка. Иногда печь загружается сверху при снятом или отодвинутом своде. Слив готового ме­талла производится путем наклона печи.

Для выравнивания химического состава и температуры расплавляемого металла в печах большой емкости имеются электромагнитные устройства для перемешивания расплава.

Электродуговая печная установка снабжена механизмами на­клона печи для слива металла, подъема и отворота свода, перемещения электродов. Они могут иметь электромеханический или гидравлический привод. Электроды крепятся в  специальных электрододержателях, которые связаны с механизмом перемещения электродов. Ток подводится к электрододсржателю с помощью пакета медных шин    или в водоохлаждаемых труб.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 11 – Схема дуговой сталеплавильной печи 

К конструкции дуговой печи, ее элементам и схеме электроснабжения предъявляют особые требования:

1) возможность гибкого управления мощностью, поскольку в начальный период необходима максимальная мощность, чтобы ускорить процесс расплавления. В другие периоды нужно иметь возможность изменять мощность для управления температурами металла и шлака;

2) поддержание в печи восстановительной атмосферы;

3) быстрая реакция электрооборудования печи  на частые короткие замыкания и обрывы дуги в период расплавления, возможность ограничи­вать ток короткого замыкания до безопасных значений, ликвидировать все отступления от нормального электрического режима в кратчайшее время. Нарушение нормального режима происходит, как правило, по фазам. Поэтому каждый электрод печи должен быть оснащен механизмами подъема и опускания с авто­матическим регулированием.

Дуговые сталеплавильные печи являются трехфазными и имеют подину из непроводящего материала. Ванна с металлом в такой печи образует естественную нулевую точку трехфазной цепи, и печь оказывается включенной по трехпроводной системе трехфазного тока без нулевого провода.

Электрооборудование дуговых печных установок.

Основное электрооборудование дуговых печных установок (см. рисунок 12) включает печь с электродами и ванной, в которой горят дуги и находится перерабатываемый материал; отдельный для каждой печи понизительный трансформатор, вместе с которым часто размещены дроссели; короткую сеть, соединяющую вторич­ные выводы трансформатора с электродами печи; коммутацион­ную, измерительную и защитную аппаратуру.

 

 

1,6 – выключатели; 2 – высоковольтные шины; 3 – разъединитель; 4 – высоковольтная сеть; 5 – реактор; 7 – печной трансформатор; 8 – короткая сеть; 9 – электроды;                                     10 – электродуговая печь.

Рисунок 12 – Схема электропечной установки

 

В печных установках применяются трансформаторы и дроссели, изготовленные в виде отдельных аппаратов, а также трансформаторы со встроенными дросселями.

В дуговых электропечных установках различают главную и вспомогательные цепи тока.

Главная цепь тока включает основное электрооборудование и электрические дуги печи. К вспомогательным относятся цепи: управления, измерения и защиты, автоматики и т. п.

В главной цепи различают первичную и вторичную стороны. Первичная цепь состоит из последовательно соединенных проводов и аппаратов высокого напряжения, дросселя и первичной обмотки печного трансформатора. Вторичная цепь состоит из последова­тельно соединенных вторичной обмотки трансформатора, токопроводов короткой сети, электродов и электрических дуг. Все части цепи, расположенные вне печи, получили общее название подводящей сети.

5 Лекция. Установки контактной сварки

 

         Содержание лекции:

- конструкция и принцип работы установок контактной сварки.

         Цель лекции:

- изучить конструктивные особенности установок и требования к источникам питания установок контактной сварки.

 

Электрическая контактная сварка представляет собой процесс образования неразъемного соединения в результате нагрева металлических деталей протекающим по ним электрическим током, расплавления и сдавливания деталей с последующим охлаждением зоны сварки за счет теплопроводности в тело свариваемых деталей.

По способу получения соединений различают стыковую, точечную и шовную контактную сварки (см. рисунок 13). От сварочного трансформатора Тр ток к свариваемым деталям 2 подводится посредством водоохлаждаемых электродов 1. В месте сварки 3 происходит сваривание деталей за счет выделяющейся джоулевой теплоты с последующим сжатием. Общее количество энергии Q (Дж), выделяющейся между электродами, где R_к – контактное сопротивление между деталями, Ом; R_д – сопротивление детали от электрода до места сварки, Ом; I – сварочный ток, А; t – время прохождения тока, с.

Рисунок 13 – Виды контактной сварки

 

Сварочные установки для контактной сварки имеют две основные части: электрическую и механическую. Электрическая часть состоит из сварочного трансформатора специальной конструкции, токопроводящих частей и устройств для включения и выключения сварочного тока. Механическая часть установок представляет собой устройство для импульсного сжатия свариваемых деталей.

 

Стыковая сварка.

Стыковая сварка (см. рисунок 13,а) – это способ контактной сварки, при котором детали соединяются по всей площади их касания. Различают 2 способа стыковой сварки – сопротивлением и оплавлением.

При сварке сопротивлением свариваемые детали 2 укрепляют в токоподводах 1 и сжимают с усилием F_сж. При пропускании по ним тока происходит нагрев деталей в стыке 3 до температуры, близкой к температуре плавления металла (0,8-0,9 Т_пл). Затем резко увеличивают усилие сжатия (осадка деталей), в результате чего в твердой фазе образуется сварное соединение.

Сварку оплавлением подразделяют на сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом.

При сварке непрерывным оплавлением детали сближаются при включенном сварочном трансформаторе, и путем сжатия осуществляется их контакт. При этом стык разогревается за счет протекания тока. Затем силу сжатия уменьшают, вследствие чего увеличивается контактное сопротивление и снижается сварочный ток. При снижении давления соприкосновение деталей по плоскости заменяется соприкосновением в отдельных точках, В этих точках эффективность нагрева повышается и отдельные выступающие участки оплавляются. После разрушения одних выступов металла начинается соприкосновение очередных выступающих участков, что создает новые пути прохождения сварочного тока.

Оплавление концов свариваемых деталей продолжается до тех пор, пока между их торцами не образуется прослойка жидкого металла. После этого создается сплошное металлическое соединение свариваемого стыка за счет приложения небольшого усилия осадки. Избыточный расплавленный металл выдавливается из зазора между свариваемыми деталями («грат»).

При сварке оплавлением с подогревом детали предварительно подогревают методом кратковременных замыканий их торцов, а затем оплавляются.

Сварка с оплавлением стыка деталей по сравнению со сваркой без оплавления имеет следующие преимущества: более прочный шов, не требующий большой механической обработки; меньшая мощность сварочной установки; пониженный удельный расход электроэнергии; возможность сваривания различных металлов.

К недостаткам следует отнести неизбежную хотя и небольшую потерю металла и наличие «грата» на стыке свариваемых деталей.

Машины для стыковой могут быть подразделены по способу сварки (без оплавления стыка и с его оплавлением), назначению (универсальные и специализированные)  и способу установки (стационарные и переносные).

Универсальные машины используются для сварки различных деталей в мелкосерийном и индивидуальном производстве, а специализированные – для сварки однотипных деталей в условиях крупносерийного и массового производства.

 

Точечная сварка.

При осуществлении точечной сварки свариваемые детали поме­щают между двумя электродами, закрепленными в электрододержателях (см. рисунок 13,б). Посредством нажимного механизма электроды плотно сжимают свариваемые детали. После сжатия на электроды подается  напряжение и  проходящий  через детали ток нагревает место сварки до необходимой температуры, при доста­точном сжатии в этом месте образуется неразъемное сварное соединение. В центре сварочной точки температура несколько выше температуры плавления свариваемого металла, ее диаметр близок к диаметру электродов.

Машины точечной сварки различаются по способу подвода тока. Наиболее широко распространена одноточечная двусторонняя (нормальная) сварка.

Существует довольно много конструкций машин для точечной сварки, отличающихся устройством механизмов для сжатия электродов – с педальным, электрическим или пневматическим механизмом сжатия. Кроме того, машины точечной сварки бывают ста­ционарные универсальные, переносные универсальные, стационар­ные специализированные (многоточечные) и прессы для рельефной сварки.

Работа механизмов сжатия деталей в машинах точечной сварки связана с моментами включения и выключения тока. Обычно при­нимается такая последовательность операций в машинах: сжатие деталей электродами без пропускания тока, пропускание сварочного тока через сжатые детали, выключение тока, подъем верхнего электрода. Если не соблюдать этой последовательности операций, то возможен непровар или прожог деталей в месте сварки.

Электроды точечных машин вставляются в электрододержатели, которые крепятся в хоботах точечной машины. Электрододержатели изготовляют из латуни. В них имеются каналы для охлаждающей воды. Охлаждающая вода имеет доступ к внутреннему ка­налу сменных электродов, которые изготовляют из холоднотянутой красной меди или из специального хромоцинкомедного сплава.

 

Шовная сварка.

В процессе шовной сварки соединение двух свариваемых деталей (обычно двух листов) осуществляется с помощью вращающих­ся роликов за счет пропускания через место сварки электрического тока, как показано на рисунке 13,в.  Машины для шовной сварки имеют два токопроводящих ролика, из которых один приводной, а другой вращается за счет силы трения при передвижении свариваемых листов. По своему принципу шовная сварка аналогична точечкой сварке.

При осуществлении процесса шовной сварки могут иметь место следующие режимы: непрерывное движение роликов с непрерывной подачей тока; непрерывное движение роликов при прерывистой подаче тока; прерывистое движение роликов с прерывистой подачей тока (шаговая сварка).

Наиболее эффективно применение шовной сварки при изготовлении тонкостенных сосудов, сварных металлических труб и других подобных изделий.

От стационарных точечных сварочных машин установки шов­ной сварки отличаются типом электродов (ролики с механическим приводом).

По характеру монтажа установки шовной сварки подразделяют на стационарные и передвижные, по расположению роликов – продольные и поперечные, по приводу – рычажно-пружинные и с ме­ханическим приводом нажатия, по расположению роликов относительно изделия – с дву- и односторонним расположением, по количеству роликов – на одно-, двух- и многороликовые.

 

Электрооборудование установок контактной сварки.

Выпускаемые машины контактной сварки подразделяют на машины общего назначения и высокопроизводительные специализированные машины, предназначенные для сварки конкретных изделий.

В машинах контактной сварки общего назначения с целью повышения надежности широко применяются сварочные трансформаторы с витыми сердечниками и обмотками, залитыми эпоксидным компаундом, используется аппаратура управления на элементах «Логика» и с интегральными схемами; прерыватели тока с применением тиристоров, высокопроизводительная пневматическая и гидравлическая аппаратура и уплотнительные манжеты повышенной надежности.

По роду питания, преобразования или накопления энергии различаются следующие машины контактной сварки:

а) однофазного переменного тока промышленной или пониженной частоты;

б) постоянного тока (с выпрямлением тока во вторичном контуре);

в) трехфазного тока, низкочастотные с тиристорным преобразователем;

г) с накоплением энергии (в конденсаторах, электромагнитных системах, вращающихся массах).

Электрическая силовая часть машин контактной сварки обеспечивает получение необходимого сварочного тока (2-10 кА) от питающей сети 380 или 220 В при мощности источников питания 75-750 кВА.

Контактные сварочные установки являются массовыми потребителями электроэнергии, поэтому совершенствование организации их использования является важным направлением экономии электроэнергии. Для достижения положительных результатов необходима совместная работа энергетиков и технологов. Наилучшие результаты дают следующие мероприятия: совершенствование технологии сварки, включающее подготовку деталей под сварку, ускорение компоновки деталей, оптимизация цикла сжатия де­талей, ограничение холостого хода источников питания, периодическая ревизия контактных соединений в цепи сварочного тока, установление норм расхода электроэнергии на сварочные работы.

 

6 Лекция. Плазмотроны

 

         Содержание лекции:

- конструкция плазматронов, область их применения и классификация.

         Цель лекции:

- изучить процесс получения плазмы и обеспечения рабочего режима.

 

Плазмотрон - газоразрядное устройство для получения низкотемпературной плазмы. Плазмообразующее вещество, в качестве которого используется газ или жидкость, нагревается в разрядной камере при взаимодействии с электрической дугой, имеющей  высокую концентрацию энергии, до температур десятков тысяч градусов и истекает с до- или сверхзвуковой скоростью. Используется, главным образом, в технологических целях: плазмохимии, плазменной металлургии, плазменной обработке поверхностей, плазменного тормоза и других.

Рисунок 14

 

На рисунке 14 показан плазматрон. Кварцевая труба (3) окружена индуктором (4) и зажата в держателе (2). При протекании по индуктору тока с частотой несколько мегагерц в газе, подаваемом тангенциально в кварцевую трубу; после инициирования разряда при помощи тугоплавкого электрода (1), вводимого кратковременно в зону индуктора, возникает устойчивый плазменный факел, имеющий при обычном давлении среднемассовую температуру порядка 10 000 К.

Плазмотроны классифицируются по ряду признаков: по роду тока, по виду дуги, по расположению дуги относительно электродов и конструктивных узлов плазмотрона, по виду катода, по виду газа, по способу стабилизации дуги, по способу охлаждения.

1 Классификация плазмотронов по роду тока: постоянного тока; переменного тока промышленной частоты; комбинированные; переменного тока высокой и сверхвысокой частоты.

2 Классификация плазмотронов по виду дуги:

а) с дугой прямого действия, когда одним из электродов является само изделие, например, при резке металлов – разрезаемый металл. Кпд процесса с использованием таких плазмотронов порядка 70%, т.к. кроме энергии плазменного потока на изделии выделяется энергия, поступающая на электрод;

б) плазмотроны с косвенной дугой, когда дуга горит внутри плазмотрона, а на изделие воздействует только плазменный поток. Кпд процессов с использованием таких плазмотронов составляет 40 - 50 %, т.к. часть энергии теряется на электродах плазмотрона.

3 По расположению дуги относительно электродов и конструктивных узлов плазмотроны можно разделить на две большие группы:

а) линейные плазмотроны. Основными элементами наиболее распространенного однокамерного линейного плазмотрона осевой схемы являются охлаждаемые катод, анод и вихревая камера. Электрическая дуга стабилизируется потоком газа, подаваемого через тангенциальные отверстия вихревой камеры так, что газ приобретает окружную составляющую скорости. В результате действия закрутки потока появляется градиент давления, направленный к стенкам канала. Поскольку плотность газа в столбе дуги значительно (в 30-50 раз) меньше плотности нагреваемого газа, дуга под действием архимедовой силы в поле сил вращающегося потока выталкивается в центральную зону канала;

б) коаксиальные плазмотроны. Коаксиальные плазмотроны – это плазмотроны с магнитной стабилизацией дуги. В них пространственное положение дуги определяется геометрическим положением центрального электрода, аэродинамическими силами и топологией магнитного поля. Постоянное магнитное поле вызывает перемещение дуги по электродам, при определенном соотношении тока и магнитного поля, удлиняет ее и закручивает около внутреннего электрода. Быстрое вращение дуги приводит к ее рассредоточению на значительную поверхность электродов, снижению удельного теплового потока через пятно и эрозии электродов, увеличению объема высокотемпературного газа и повышению интенсивности взаимодействия дуг с нагреваемым газом.

4 По виду катода плазмотроны можно разделить на:

– с расходуемым катодом;

– с малорасходуемым катодом; с самовосстанавливающимся катодом.

5 Классификация плазмотронов по роду газа.

Состав плазмообразующей среды определяется технологическим процессом. По химическому воздействию на обрабатываемые материалы и изделия плазмотроны можно разделить:

– с восстановительной средой (водород, аммиак, углеводороды: пропан, бутан и др.);

– с окислительной средой (кислород, воздух, вода, углекислый газ);

– с инертной средой (аргон).

6 По способу стабилизации дуги в плазмотронах.

Стабилизация дуги обеспечивает устойчивость работы плазмотрона и поддержание постоянства параметров плазменного потока. По способу стабилизации разряда плазмотроны делятся на плазмотроны со стабилизацией дуги стенкой, газовым потоком, магнитным полем. Наиболее часто применяется стабилизация дуги газовым потоком, которую в свою очередь можно разделить на стабилизацию:

а) газовым потоком с аксиальной или тангенциальной подачей газа;

б) стабилизация водяной или водо-воздушной смесью, подаваемой в рабочую камеру тангенциально.

7 Классификация плазмотронов по способу охлаждения.

В связи с большими тепловыми потоками, поступающими от дугового разряда в электроды и конструктивные узлы плазмотрона, охлаждение плазмотрона играет важную роль в обеспечении его ресурса работы и может быть разделено на:

а) газовое охлаждение;

б) водяное охлаждение;

в) комбинированное охлаждение.

Для стабилизации газового потока и фиксации (удлинения) дуги используют три способа:

а) Плазмотрон с уступом. Выходной электрод 2 в данной схеме выполнен с резким расширением - уступом (см. рисунок 15) в конце электрода. При этом диаметр уступа примерно в два раза больше диаметра электрода.

1, 2 – электроды; 3 – межэлектродная вставка; 4 – узел подачи рабочего газа; 5 – узел подачи защитного газа; 6 – соленоид.

Рисунок 15

 

В месте расширения из-за изменения аэродинамики газа возникают зоны с пониженным давлением, где и привязывается дуга, вследствие этого средняя длина дуги примерно постоянна. За счет сужения начальной части выходного электрода и увеличения расхода газа длина дуги может быть существенно увеличена;

б) плазмотрон с соленоидом. Соленоид устанавливается в месте привязки дуги и, воздействуя на радиальный участок, стабилизирует ее длину. Соленоид 6 обычно используют совместно с уступом выходного электрода;

в) плазмотроны с межэлектродными вставками (МЭВ) имеют набор электрически изолированных друг от друга и от электродов металлических охлаждаемых секций (см. рисунок 16).

Выходной электрод в таких плазмотронах разделяют изоляторами на секции. Самую дальнюю от катода секцию присоединяют непосредственно  к источнику питания. Остальные секции присоединяют к положительному полюсу источника через сопротивления. Это позволяет зажечь вначале короткую дугу. Общее падение напряжения на дуге и ближайшем к катоду сопротивлении должно быть больше, чем падение напряжения на дуге, касающейся второй секции, и на сопротивлении, присоединенном ко второй секции, и тогда дуга переключится на вторую секцию и т. д., пока не достигнет последней секции. Иногда после зажигания дуги сопротивления отключают. Плазмотроны с МЭВ являются высокоэнтальпийными и высоковольтными.

 

Рисунок 16

 

Плазменные технологические процессы можно разделить на:

а) использующие теплопередающие свойства плазменной струи;

б) использующие высокую температуру плазменной струи.

Процессы, использующие теплопередающие свойства плазменной струи, в свою очередь можно различить на два вида:

1) в которых плазменная струя воздействует на материал: а) плазменная резка; б) плазменная сварка; в) плазменный нагрев металлов для механической обработки; г) плазменная полировка стекол; д) температурное испытание новых конструкций, материалов и изделий;

2) в которых обрабатываемый материал вводится в плазменную струю: а) плазменное напыление; б) плазменная сфероидизация частиц и получение дисперсных материалов; в) плазменное выращивание монокристаллов по методу Вернейля.

Процессы, использующие высокую температуру плазменной струи, также могут быть двух типов:

1) обратимые процессы, при которых равновесие химической реакции при высоких температурах сдвинуто в сторону получения требуемого материала. К таким процессам относятся металлургические процессы прямого восстановления металлов из окислов;

2) процессы, скорость протекания которых при высоких температурах значительно увеличивается. К ним относятся: а) металлургические процессы (например, интенсификация доменного производства); б) плазмохимические процессы неорганической химии (получение карбидов, нитридов, металлокерамики и композиционных материалов, а также окислов); в) плазмохимические процессы органической химии (получение аммиака, плазменный розжиг котлов, плазменная газификация угля и плазменная обработка органических материалов).

 

7 Лекция. Оптические квантовые генераторы

 

         Содержание лекции:

- конструкция и принцип работы оптических квантовых генераторов.

         Цель лекции:

- знакомство с видами оптических квантовых генераторов.

 

Основой работы оптического квантового генератора (ОКГ) является генерирование монохроматических волн оптического диапазона под воздействием индуцированного (вынужденного) излучения.

Любой ОКГ независимо от конструктивного выполнения содержит следующие основные элементы:

1) рабочее тело, состоящее из ансамбля атомов или молекул, для которых может быть создана инверсия заселенностей;

2) систему, позволяющую осуществлять инверсию (ее обычно называют системой накачки);

3) оптический резонатор;

4) устройство для вывода энергии из резонатора;

5) систему управления концентрацией энергии и пространственным положением полученного пучка света;

6) различные специальные системы, связанные с конкретным применением ОКГ.

Для инверсии населенности в ОКГ применяют следующие виды накачки:

а) оптическую – за счет облучения вещества мощным световым потоком;

б) электрическую, осуществляемую при прохождении через вещество электрического тока;

в) химическую, когда инверсия возникает за счет химической реакции, а которой принимает участие рабочее вещество, и т. д.

В зависимости от режима работы ОКГ различают устройства, работающие в непрерывном и импульсно-периодическом режимах. Существующие лазеры по роду материалов, используемых для получения индуцированного излучения, подразделяют на четыре основных типа: твердотельные с оптическим возбуждением, полупроводниковые (инжекционные), жидкостные и газовые.

1. Лазеры твердотельные с оптической накачкой (см. рисунок 17). В лазерах этого типа излучателем – активным элементом – является твердое тело. В таких ОКГ основная масса диэлектрика (матрица) непосредственного участия в процессе генерации индуцированного излучения не принимает. Стимулированное излучение и генерация связаны с происходящими в матрице переходами атомов активатора, содержащегося в ней в количестве 0,01–10%.

Материалом матрицы служат кристаллы щелочно-земельных фторидов, вольфраматов или молибдатов, синтетического рубина, иттриево-алюминиевые гранаты, стекла различных составов. Акти­вирующими примесями являются различные редкоземельные эле­менты, а также хром и уран.

Принципиальная схема твердотельного оптического квантового генератора показана на рисунке 17,а. Стержень 2, изготовленный из рабочего вещества, помещен между двумя зеркалами 1, 3. Зеркало 1 полностью отражает все падающие на него лучи, а зерка­ло 3 является полупрозрачным. Для накачки энергии используется газоразрядная лампа-вспышка 6, которая для большей эффективности облучения кристалла помещена вместе с ним внутрь отражающего кожуха 4 с поперечным сечением в форме эллипса. При размещении лампы и кристалла в фокусах эллипса создаются наилучшие условия равномерного освещения кристалла. Питание лампы-вспышки осуществляется от импульсного высоковольтного источника 5.

 

Рисунок 17 – Принципиальная схема твердотельных лазеров

 

Длительность импульса твердотельных ОКГ определяется индуктивностью, включаемой в цепь конденсаторной батареи, и обычно колеблется в пределах 0,1 – 10 мс. Частота повторения импульсов зависит в основном от условий охлаждения и характе­ристик импульсной лампы. В современных ОКГ она доходит до GOO импульсов в минуту.

Энергия излучения, генерируемого современными твердотельны­ми ОКГ, изменяется в пределах от сотых долей до сотен джоулей. КПД твердотельных лазеров относительно невысок,  поскольку значительная часть подводимой к лампе накачки энергии превра­щается в теплоту.

Лазерное излучение на поверхности обрабатываемой детали фокусируется с помощью сферической или цилиндрической оптики. В первом случае луч фокусируется в точку, во втором – в линию, длина которой определяется поперечным сечением луча генератора. Если в качестве фокусирующего объектива применять сфери­ческие, цилиндрические и другие специальные оптические устройст­ва, импульсы излучения лазера можно фокусировать соответствен­но в точку, линию, группу параллельных линий, окружность и т. д.

2. Твердотельные полупроводниковые лазеры. Лазеры этого ти­па отличаются от рубиновых тем, что в качестве излучающего свет вещества в них используется кусочек полупроводника.

Полупроводниковые лазеры, в которых возбуждение осуще­ствляется при инжекции носителей заряда через р-n-переход, на­зывают инжекционными. Примером лазеров такого типа может служить полупроводниковый квантовый генератор на р-n-переходе в арсениде галлия (см. рисунок 17,б) Акцепторными примесями в арсениде галлия являются цинк, кадмий, индий и др., донорными примесями – теллур, селен и др.

Полупроводниковые инжекционные лазеры характеризуются очень высоким преобразованием электрической энергии в когерентное излучение (до 100%) и могут работать в непрерывном режиме В полупроводниковых ОКГ, работающих при температуре жидкого азота, достигается мощность порядка 100 Вт, а при температуре жидкого гелия – до 10 Вт. Наиболее перспективны инжекционные лазеры на гетеропереходах. Они могут работать в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Недостатком полупроводниковых лазеров является связанная с их малыми размерами невысокая направленность излучения, а также трудность получения высокой монохроматичности.

3. Жидкостные лазеры. Их основное преимущество – возможность циркуляции жидкости с целью ее охлаждения, что позволяет получать большие энергии и мощности излучения в импульсном и непрерывном режимах. Созданы лазеры на основе растворов редкоземельных ионов в ряде неорганических жидкостей, а также лазеры непрерывного и импульсного действия, у которых в каче­стве активной среды используются растворы органических красителей

4. Газовые лазеры. Принципиальное устройство лазеров этого типа гораздо проще уже рассмотренных. Стеклянная трубка наполняется специальной газовой смесью. В ее торцы впаивают два электрода и к ним подводят напряжение от источника питания (см. рисунок 18). В трубке возбуждается газовый разряд. Для газо­вых лазеров подбирают специальные активные смеси,  атомы или молекулы  которых  могут некоторое время  находиться  в  метастабильном состоянии. По сравнению с твердыми телами и жидкости ми газы обладают меньшей плотностью и более высокой однород­ностью, что не вызывает искажения светового луча, его рассеяния и потерь энергии. В результате направленность лазерного излуче­ния в газах резко увеличивается, достигая предела, обусловленного дифракцией. В качестве активных газов в ОКГ применяют аргон, неон, криптон, ксенон, смеси гелия и неона, углекислый газ с добавкой азота и гелия. Газовые ОКГ подразделяют на три большие группы лазеры на атомных, ионных и молекулярных переходах.

Рисунок 18 – Схемы газовых лазеров

 

Технологические генераторы когерентного светового излучения (в основном газовые и твердотельные) имеют мощность непрерывного излучения до нескольких сотен киловатт и энергию отдельного импульса до нескольких сотен джоулей. Хотя они имеют большие габаритные размеры, потребляют значительную мощность, сложны в изготовлении и эксплуатации, однако их использование дает ряд технологических преимуществ, определяющих их широ­кое применение:

1) возможность передачи энергии в виде свето­вого луча на расстоянии в любой оптически прозрачной среде;

2) отсутствие механического и электрического контакта между источником энергии с изделием в месте обработки;

3) наличие высокой концентрации энергии в пятне нагрева;

4) возможность плавной регулировки плотности лучистого потока в пятне нагрева изменением фокусировки луча;

5) возможность получения как импульсов энергии весьма малой длительности (до 10^-9 с), так и непрерывного излучения перемещением луча с высокой точностью и скоростью с помощью систем развертки при неподвижном объекте обработки.

Мощные лазеры применяются в технологических процес­сах обработки различных материалов. В частности, с их помощью производят сварку, закалку, резку и сверление различных материалов без возникновения в них механических напряжений и с очень большой точностью, вплоть до нескольких длин световых волн. Лазерами обрабатывают материалы практически любой твердости, металлы, алмазы, рубины и т. д.

8 Лекция. Выпрямители однофазного тока

 

         Содержание лекции:

- типы однофазных выпрямителей.

         Цель лекции:

- изучить принцип работы и получить навыки проектирования выпрямителей.

 

Они могут быть разделены на три типа: однополупериодная однофазная схема; двухполупериодная однофазная схема (нулевая); однофазная мостовая схема.

Однополупериодная однофазная схема. В этой схеме (см. рисунок 19,а) трансформатор имеет одну вторичную обмотку, напряжение u₂ которой изменяется по синусоидальному закону u₂==U_макс2sin ωt. Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды (см. рисунок 19,в) когда точка а вторич­ной обмотки, к которой присоединен анод вентиля В₁, имеет положительный потенциал относительно точки б. В отрицатель­ные полупериоды (интервал времени  ωt*_1-2 на рисунке 19,в) к вентилю В₁ прикладывается обратное напряжение и он будет закрыт.

а – однополупериодная схема; б – двухполупернодная схема; в и г – диаграммы напряжений и токов на элементах схем выпрямления.

Рисунок 19 – Однофазный выпрямитель

 

Выпрямленное напряжение и_d будет описываться положи­тельными полуволнами напряжения u₂ вторичной обмотки трансформатора. Среднее за период значение напряжения на нагрузке называется выпрямленным напряжением U_d. Ток в нагрузке R_d проходит в одном направлении, но имеет пульсирующий характер и представляет собой выпрямленный ток i_d.

Выпрямленные напряжения и_d и ток i_d. содержат постоян­ную (полезную) составляющую U_d и I_d и переменную состав­ляющую (пульсации) U_d~ и I_d~. Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полез­ной составляющей и пульсациями напряжения и тока. Для однополупериодной схемы справедливы следующие соотношения между напряжениями, токами и мощностями в отдельных элементах выпрямителя.

Среднее значение выпрямленного напряжения при идеаль­ных вентилях и трансформаторе

U_d0 = 0.45/U₂.

 

Максимальное значение обратного напряжения, приклады­ваемое к вентилю в непроводящую часть периода, определяется через U_d0.

 

U_{обр.макс} =U₂=3.14U_d0

 

где U₂ – действующее значение напряжения вторичной об­мотки трансформатора Тр.

Среднее значение тока, проходящего через вентиль и нагрузку,  /_a = /_d = U_d0/R_d.

Средняя мощность, отдаваемая в нагрузку, определя­ется произведением напряжения - U_d и тока I_d , т. е. P_d =U_dI_d.

Расчетная (типовая) мощность трансформатора, определя­ющая его габариты, в 3.09 раза больше мощности в нагруз­ке R_d

 

S_тр=3.09 U_dI_d.

 

Таким образом, расчетная мощность трансформатора, работающего на выпрямитель, больше мощности в нагрузке, так как во вторичной обмотке проходит несинусоидальный ток, имеющий постоянную и переменные составляющие, а в первич­ной обмотке, кроме тока основной частоты f₁ токи высших гармоник. По отношению к сети питания эти токи являются реактивными и, не создавая полезной мощности, лишь нагревают обмотки трансформатора выпрямителя.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансфор­матора определяется формулой

 

I₂=1.57 I_d.

 

Из формулы следует, что показания амперметра элек­тромагнитной системы A₂, включенного в цепь вторичной обмотки трансформатора Тр (см. рисунок 19, а), будут в 1.57 раза превышать показания магнитоэлектрического амперметра A_d, так как первый измеряет действующее значение тока , а вто­рой - средний ток в цепи нагрузки.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки

U₂= 2.22 U_d.

Действующее значение тока первичной обмотки с учетом коэффициента трансформации K_тр = ω₁/ω₂  равно

I₁=1.51

Недостатки этой схемы выпрямления следующие: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на вентилях, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Достоинства выпрямителя следующие: простота схемы и питающего трансформатора; применяется только один вентиль или одна группа последовательно соединенных вентилей.

Таким образом, как видно из приведенных соотношений, выпрямитель не только преобразует переменный ток в постоянный, но и определяет параметры трансформаторов и величину среднего напряжения на нагрузке.

Двухполупериодная однофазная схема. Схема состоит из трансформатора, имеющего одну первичную и две последовательно соединенные вторичные обмотки с выводом общей (нулевой) точки у этих обмоток (см. рисунок 19,б). Свободные концы вторичных обмоток а и б присоединяются к анодам вентилей   В₁ и В₂, катоды которых соединяются вместе. Нагрузка R_d включается между катодами вентилей, которые являются положительным полюсом выпрямителя, и нулевым выводом 0 трансформатора, который служит отрица­тельным полюсом.

Вентили в этой схеме, как и вторичные обмотки трансфор­матора, работают поочередно, пропуская в нагрузку ток при положительных значениях анодных напряжений , U_2а и U_2б (см. рисунок 19,г), в качестве которых обычно принимают направле­ния, совпадающие с проводимостями вентилей.

Однофазная мостовая схема состоит из трансформатора Тр с двумя обмотками и четырех вентилей В₁, В₂, В₃ и В₄ соеди­ненных по схеме моста (см. рисунок 20,а). К одной диагонали моста (точки 1, 3) присоединяется вторичная обмотка, в другую (точки 2, 4) включается нагрузка R_d. Общая точка катодов вентилей В₁и В₂является положительным полюсом выпрями­теля, а отрицательным – точка связи анодов вентилей В₃ и В₄ Вентили в этой схеме работают парами поочередно. В по­ложительный полупериод напряжения U₂ .проводят ток вентили В₁ и В₃, а к вентилям В₂ и В₄ прикладывается обратное напря­жение и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения U₂ будут проводить ток вентили В₂ и В₄, а вентили В₁ и В₃ выдерживают обратное напряжение.

Ток i_d в нагрузке проходит все время в одном направле­нии - от соединенных катодов вентилей В₁ и В₂ к анодам вен­тилей В₃ и В₄. Ток i₂ во вторичной обмотке трансформатора (см. рисунок 20,б) меняет свое направление каждые полпериода и будет синусоидальным. Постоянной составляющей тока во вторичной обмотке нет. Следовательно, не будет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным магнитным потоком. Ток в первичной обмотке трансформатора также синусоидальный.

 

a – схема; б и в – диаграммы напряжений и токов на элементах схемы.

Рисунок 20 – Однофазный мостовой выпрямитель

 

Достоинства двухполупериодных однофазных схем выпрямления.

Однофазная нулевая схема:

1) Число вентилей в 2 раза меньше, чем в однофазной мостовой.

2) Потери мощности в выпрямителе будут меньше, так как в нулевой схеме ток проходит через один вентиль, а в мостовой — последовательно через два.

Однофазная мостовая схема:

1) Обратное напряжение на вентилях в 2 раза меньше, чем в нулевой схеме.

2) Вдвое меньше напряжение (число витков) вторичной обмотки при одинаковом значении U_d0.

3) Трансформатор имеет обычное исполнение, так как нет вывода средней точки на вторичной обмотке.

4) Расчетная мощность трансформатора на 25% меньше, чем в нулевой схеме, следовательно, меньше расходуется меди и железа, меньше будут размеры и масса.

5) Данная схема выпрямителя может работать и без транс­форматора, если напряжение сети vi подходит по величине для получения необходимого значения U_d0 и не требуется изоляция цепи выпрямленного тока от сети.

При использовании в выпрямителе электронных или ионных вентилей с подогревным катодом целесообразнее применять однофазную нулевую схему, так как в этом случае требуется меньшее число накальных трансформаторов или обмоток. При использовании полупроводниковых вентилей очевидным стано­вится применение однофазной мостовой схемы.

Примечания. Для неуправляемых выпрямителей α=0, cos α=1 и U_d=U_d0. Для всех схем принято U₂, - фазное напряжение и x_a = 0. Соотношения для I_a._действ, I₂, S_тр указаны при L_d = 0 (числитель) и L_d= (знаменатель).

 

9 Лекция. Выпрямители трехфазного тока

 

         Содержание лекции:

- схемы трехфазных выпрямителей.

         Цель лекции:

- дать навыки проектирования трехфазных выпрямителей.

 

Трехфазные выпрямители имеют следующие схемы: трехфазная схема с нулевой точкой; трехфазная мостовая схема; трехфазная схема с уравнительным реактором.

Трехфазная схема выпрямления с нулевой точкой (или трехфазная нулевая, схема Миткевича). К сети трехфазного тока подключен трансформатор Тр, три первичные обмотки которого могут быть соединены в звезду или треугольник, вторичные обмотки -только в звезду (рисунок 21,а). Свободные концы а, б, с каждой из фаз вторичной обмотки присоединяются к анодам вентилей В₁, В₂, В₃. Катоды вентилей соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки Rd, а нулевая точка 0 вторичной обмотки трансформатора - отрицательным полюсом.

Из временной диаграммы на рисунке 21,б видно, что напряжения u_2a, u_2b, u_2c сдвинуты по фазе на 2π/3 (град) и в те­чение 1/3 периода (1/3 Т) напряжение одной фазы выше напряжения двух других фаз относительно нулевой точки транс­форматора.

а – схема; б-г – диаграммы напряжений и токов на элементах.

Рисунок 21 – Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой

 

Ток через вентиль i_a, связанную с ним вторичную обмотку и нагрузку будет проходить в течение той трети периода, когда напряжение в данной фазе больше, чем у двух других. Работающий вентиль прекращает проводить ток тогда, когда потенциал его анода становится ниже общего потен­циала катодов.

Переход тока от одного вентиля к другому (коммутация тока) происходит в момент пересечения кривых фазных напря­жений (точки а, б, в и г на рисунке 21,б). Выпрямленный ток i_d проходит через нагрузку R_d   непрерывно (см. рисунок 21,в).

Напряжение на выходе выпрямителя u_d в любой момент равно мгновенному значению напряжения той вторичной обмот­ки, в которой вентиль открыт, и выпрямленное напряжение представляет собой огибающую верхушек синусоид фазных напряжений u_2ф.

На рисунке 21,г изображен ток фазы а, токи фаз b и с изображаются подобными кривыми, сдвинутыми на 2 π/3 отно­сительно друг друга.

Каждый вентиль в данной схеме работает один раз за пери­од в течение 1/3Т. Следовательно, среднее значение тока через вентиль в 3 раза меньше тока нагрузки, т. е. I_а = 1/3 I_d .

Поочередное прохождение однонаправленных токов по вто­ричным обмоткам трансформатора, которые не полностью компенсируются токами первичной обмотки, создает во всех трех сердечниках поток Ф₀ одного направления, значение которого изменяется с тройной частотой в соответствии с пульсацией анодного тока и который замыкается через воздух и кожух трансформатора. Наличие потока однофазного или вынужден­ного намагничивания Ф_о в сердечниках приводит к увеличению намагничивающего тока трансформатора, а также к необходи­мости увеличения сечения сердечника во избежание его насыщения.

Трехфазная мостовая система (схема Ларионова). Выпрямитель в данной схеме состоит из трансформатора, первичные и вторичные обмотки которого соединяются в звезду или треугольник, и шести вентилей, которые могут быть разбиты на две группы (см. рисунок 22,а):

1) катодную или нечетную (вентили B₁, B₃ и B₅), в которой электрически связаны катоды вентилей, и общий вывод их является положительным полюсом для внешней цепи, а аноды присоединены к выводам вторичных обмоток трансформатора;

2) анодную или четную (вентили B₂, B₄  и B₆ ), в которой электрически связаны между собой аноды вентилей, а катоды соединяются с анодами первой группы. Общая точка связи анодов является отрицательным полюсом для внешней цепи.

Катодная группа вентилей повторяет режим работы трехфазной нулевой схемы. В этой группе вентилей в течение каждой трети периода работает вентиль с наиболее высоким потенциалом анода (см. рисунок 22,б). В анодной группе в данную часть периода работает тот вентиль, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал по отношению к общей точке анодов.

Вентили катодной группы открываются в момент пересече­ния положительных участков синусоид (точки а, б, в и г на рисунке 26,б), а вентили анодной группы - в момент пересечения отрицательных участков синусоид (точки  к, л, м и н ). Каж­дый из вентилей работает в течение одной трети периода (см. рисунок 22,е).

При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме в любой момент времени проводят ток два вентиля, один из катодной, другой из анодной группы, при этом любой вентиль одной группы работает поочередно с двумя вентилями другой группы, соединенными с разными фазами вторичной обмотки (см. рисунок 22,г).

В течение рабочего интервала одновременно проходят токи во вторичных обмотках, расположенных на разных стержнях магнитной системы (см. токи i_a2 и i_b2 на рисунке 22,а), при этом через две первичные обмотки, расположенные на тех же стержнях, также проходят токи. Намагничивающие силы от токов i₁ и i₂ на каждом из стержней в этом случае уравнове­шиваются, и однонаправленный поток Ф₀ не возникает.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а – соединение элементов; б-е – диаграммы напряжений и токов.

Рисунок 22 – Трехфазная мостовая схема выпрямителя 

Трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором. Силовой трансформатор данной схемы имеет на каждом стерж­не две одинаковые вторичные обмотки, которые соединяются в две звезды – прямую а-b-с  и обратную х-у-z (см. рисунок 23,а).

         К свободным началам вторичных обмоток одной звезды присоединяются аноды нечетной группы вентилей В₁ – В₃ – В₅, к концам обмоток другой звезды - аноды вентилей четной группы В₂ – В₄ – В₆. Нагрузка R_d включается между средней точкой 0 уравнительного реактора УР, связывающего нулевые точки звезд 0₁ и О₂, и общей точкой катодов вентилей, которая является положительным полюсом выпрямителя.

         Эту схему можно рассматривать как параллельное соеди­нение двух трехфазных выпрямителей с нулевой точкой, фазные напряжения питания которых u_2a– u_2b – u_2c и u_2x– u_2y – u_2z  (на рисунке 23,б эти напряжения показаны соответственно сплошными и пунктирными линиями) сдвинуты по фазе относи­тельно друг друга на 60°.

         Уравнительный реактор выравнива­ет мгновенные значения напряжений двух вторичных обмоток. При выполнении УР с замкнутым стальным сердечником намагничивающий ток I_ур = I_{d крит} составляет не более 1% номинального тока нагрузки I_{d н.} В любой момент времени через две вторичные обмотки разных звезд проходят одновременно в противополож­ных направлениях токи, что исключает явление вынужденного намагничивания сердечника трансформатора, характерное для трехфазной нулевой схемы выпрямления.

         Двойная трехфазная схема с уравнительным реактором при незначительном (критическом) токе нагрузки I_{d крит} начинает работать как шестифазная схема с нулевым выводом, так как уравнительный реактор в этом случае не создает добавочного напряжения u_k, а его полуобмотки играют роль анодной индук­тивности.

 

а – схема; б-д – диаграммы токов и напряжений.

Рисунок 23 – Трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором

10 Лекция. Инверторы ведомые сетью

 

         Содержание лекции:

- инверторы ведомые сетью, схемы, принцип работы.

         Цель лекции:

- изучить инверторы ведомые сетью.

 

Инверторы ведомые сетью, называют зависимыми, поскольку они отдают энергию в сеть переменного тока, а частота на выходе равна частоте сети.

Инвертор ведомый сетью может быть выполнен на базе управляемого выпрямителя со средней точкой во вторичной обмотке трансформатора.

Изменение направления потока энергии требует изменения знака мощности P_d=U_dI_d, развиваемой выпрямителем, что может быть достигнуто путем изменения направления тока I_d или напряжения U_d. Но выпрямленный ток не может изменить своего направления относительно зажимов выпрямителя вследствие односторонней проводимости тиристоров, поэтому изменение знака мощности можно осуществить только за счет изменения знака среднего значения выпрямленного напряжения, что достигается в управляемом выпрямителе увеличением угла управления α > 90°.

Переход от выпрямительного режима к инверторному рассмотрим на примере управляемого преобразователя, собранного по двухполупериодной схеме, в качестве нагрузки которого включены: аккумуляторная батарея с э.д.с. E_a,, сопротивление R_d и катодный дроссель L_d = ∞. Влиянием анодных индуктивностей L_a, обмоток трансформатора пренебрегаем.

Пусть α₁<90⁰, переключатель Пр. находится в верхнем положении и среднее значение напряжения U_dB=U_d0cosα₁>E_a. Преобразователь работает выпрямителем на батарею, э.д.с. E_a, которая играет роль противодействующего напряжения, поэтому на рисунке 24,б она показана ниже оси абсцисс.

Выпрямление тока, т.е. передача модности от сети переменного тока в звено постоянного тока, начинается тогда, когда u₂>0  и тиристоры открываются при угле α₁= 60°, при котором напряжение U_dB превышает противо-э.д.с. E_a. Если индуктивность L_d = ∞, то ток i_d = I_d продолжает проходить по цепи и в последующем интервале времени, когда u₂ <0 за счет э.д.с. самоиндукции е_L, возникающей в индуктивности L_d (момент π-t₂ для Т1).

Аккумуляторная батарея будет подзаряжаться выпрямленным током, среднее значение которого определяется выражением

Если постепенно увеличивать угол α>α₁ , то будут уменьшаться напряжение U_dB и ток I_d. При α₂=90⁰ среднее значение выпрямленного напряжения U_dB = 0 и преобразователь потребляет из сети только реактивную мощность, так как постоянная составляющая выпрямленного тока будет равна нулю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а – схема; б-д – кривые напряжений при различных углах g.

Рисунок 24 – Работа управляемого преобразователя в выпрямительном и инверторном режимах

 

Для перехода к инверторному режиму необходимо изменить полярность напряжения Е_a  аккумуляторной батареи (переключатель Пр на рисунке 24,а перебрасывается в нижнее положение) и одновременно увеличить угол управления α до значений, превышающих 90°. При этом тиристоры Т1 и Т2 открываются и проводят ток в основном при отрицательных напряжениях u₂₁ и u₂₂ (см. рисунок 24,г) под воздействием положительного напряжения Е_a, подаваемого от батареи через нагрузку R_d и вторичные обмотки трансформатора на аноды тиристоров.

При α₃>90° среднее напряжение преобразователя становится отрицательным U_dИ =U_d0cos α₃ <0,. если оно будет меньше э. д. с. Е_a, то через нагрузку будет проходить ток прежнего направления, среднее значение которого определяется выражением

Аккумуляторная батарея работает генератором на сеть переменного тока, а напряжение преобразователя играет роль встречной ЭДС. Среднее значение отрицательного напряжения U_dИ будет тем

больше, чем больше величина угла α приближается к 180°. В инверторном режиме угол управления тиристорного преобразователя (ТП) обычно называют углом опережения управления, отсчитывают его от момента естественного закрывания вентиля (ωt=π) и обозначают буквой β (см. рисунок 24, г). Сумма углов α и β равна π (180°), тогда β = π - α и среднее напряжение инвертора при угле опережения β:

где U_d0 – напряжение инвертора при β=0, равное напряжению выпрямителя при α=0.

Необходимо отметить, если в выпрямительном режиме возможна работа ТП с углами α_min =0, то в инверторном режиме угол β_min всегда должен быть больше 0°. Это связано с тем, что тиристору после отключения необходимо, предоставить определенное время для восстановления запирающих свойств. В течение этого отрезка времени δ, которое составляет не более 1/100 длительности периода при δ ≈ (2-4°), анодное напряжение тиристора должно быть отрицательным.

Обратное напряжение на закрытом тиристоре равно разности напряжений двух соседних фаз. По кривым рисунка 24, в-д можно установить, что с увеличением угла α>90⁰ напряжение на выключающемся тиристоре уменьшается. Так, для тиристора Т1 напряжение U_а-к, равное разности ординат напряжений u₂₁–u₂₂, после закрытия Т1 в момент ωt₂ при работе преобразователя с утлом α₂=90° равно отри­цательной ординате – u_ба  с углом α₃= 120° равно ординате – u_ГВ.

При угле управления α=180° (или β=0) это напряже­ние становится равным нулю и далее положительным, что является недопустимым. Если закрывающийся тиристор за время β_мин„ не восстановит свои управляющие свойства, то в момент ωt=π он вступит в работу повторно и будет пропускать ток под воздействием суммы напряжений u₂₁ и Е_a. Это явление приводит к короткому замыканию схемы или, как говорят, к опрокидыванию (прорыву) инвертора, так как одновременно будут работать оба тиристора T1 и T2.

Если в анодных цепях тиристоров имеются индуктивности L_a, то необходимо учитывать процесс коммутации тока (см. рисунок 24, д). В этом случае величина угла опережения β долж­на превосходить угол коммутации γ на величину угла δ не меньшего, чем это необходимо для полного восстановления запертого состояния тиристора. Следовательно, для нормаль­ной работы тиристорного преобразователя в инверторном режиме требуется соблюдать условие Β _мин ≥ γ + δ.

 

11 Лекция. Автономный инвертор

 

         Содержание лекции:

- автономный инвертор, схемы, принцип работы.

         Цель лекции:

- изучить автономный инвертор.

 

Автономные инверторы – это вентильные преобразователи, преобразующие постоянный ток в переменный и работающие на автономную нагрузку. В автономных инверторах ток тиристоров коммутируется специальным коммутирующим устройством, а частота инвертированного тока определяется частотой управления импульсов.

По числу фаз выходного напряжения автономные инверторы подразделяют на однофазные и трехфазные и выполняют по схе­мам со средней точкой, мостовой и полумостовой.

В зависимости от характера протекания электромагнитных про­цессов автономные инверторы подразделяют на три типа: инвер­торы тока, резонансные инверторы, инверторы напряжения.

В резонансных инверторах нагрузка, имеющая значительную индуктивность, образует с реактивными элементами инвертора ко­лебательный контур, в котором наблюдается резонанс напряже­ний. Запирание тиристоров происходит благодаря плавному спаду до нуля анодного тока тиристора (тока колебательного контура) на каждом полупериоде выходной частоты. Собственная частота контура в резонансных инверторах должна быть выше или равна рабочей частоте инвертора. Источники питания, питающие резо­нансные инверторы, могут работать в режиме генератора напря­жения или генератора тока. При этом инверторы, питаемые генера­тором напряжения, называют инверторами с открытым входом, а генератором тока – с закрытым входом. Подобно инверторам тока, резонансные инверторы могут быть параллельными, последо­вательными и последовательно-параллельными.

В инверторах напряжения источник питания работает в режиме генератора напряжения, обладающего малым внутренним сопротивлением. При питании от источника с большим внутренним сопротивлением на входе инвертора устанавливают конденсатор большой емкости.

Основными областями применения инверторов тока и напря­жения являются: стабилизированные по выходным параметрам преобразователи частоты; вторичные источники питания перемен­ным током; установки частотно-регулируемого электропривода.

Резонансные инверторы целесообразно использовать при вы­ходных частотах более 1-2 кГц (электротермические и ультра­звуковые установки, источники питания высокоскоростных элект­родвигателей). Это обусловлено малыми коммутационными поте­рями в тиристорах вследствие плавного нарастания (в большинст­ве инверторов) и плавного спада тока через тиристоры.

На рисунке 25,а приведена принципиальная схема однофазного параллельного мостового инвертора тока.

Тиристоры отпираются попарно (B1 и В2, В3 и В4) с относительным фазовым сдвигом, равным 180°. Во входной цепи включен дроссель Ld, индуктивность которого достаточно велика (в пределе L_d=∞), благодаря чему входной ток i_d идеально сглажен, а ток через тиристоры имеет прямоугольную форму  (см. рисунок 25,б). При отпирании тиристоров B1, В2 ток i_d, равный в течение полупериода выходной частоты току i_вых, разветвляется по двум ветвям: ток i_н протекает через нагрузку, а ток i_с – через конденсатор С, заряжая его с полярностью, указанной на рисунке без скобок.

a – схема; б – временные диаграм­мы токов и напряжений. Рисунок 25 – Однофазный мостовой параллельный инвертор тока

Через полупериод выходной частоты отпираются тиристоры B3, B4 и конденсатор С оказывается закороченным всеми тиристорами. При этом ток разряда конденсатора, протекая на­встречу рабочему току тиристоров B1, В2, уменьшает его до нуля практически мгновенно, так как сопротивление в контуре разряда конденсатора через тиристоры мало, а индуктивности рассеяния обмоток трансформатора (если последний имеется) находятся вне этого контура. Быстрое нарастание тока в тиристорах, которые отпираются, может вывести их из строя вследствие превышения Допустимой величины dia/dt. Поэтому в анодные цепи тиристоров на практике вводят дроссели, ограничивающие допустимую для конкретного типа тиристоров величину dia/dt. После спадания анодного тока тиристоров B1, В2 до нуля к ним прикладывается обратное напряжение, определяемое напряжением на коммутирующем конденсаторе С. При запирании тиристоров B1, В2 конденсатор С перезаряжается от источника питания через тиристоры В3, В4, приобретая противоположную полярность (на рисунке указана в скобках). Отметим, что при отпирании очеред­ной пары тиристоров одновременно с разрядом конденсато-ра по контуру открытых тиристоров происходит также его разряд на на­грузку.

При этом часть энергии конденсатора переходит в энер­гию индуктивностей контура, а другая часть рассеивается в его активных сопротивлениях. При отпирании тиристоров B1, В2 про­цесс повторяется. В любой момент времени суммарный ток на выходе инвертора при принятом допущении (Ld®µ) равен i_Bыx=i_H+i_c=Id=const, но его направление изменяется через каждый полупериод на про­тивоположное (см. рисунок 25,б).

В течение времени t_выкл напряжение на конден­саторе  (u_c=u_н) совпадает по на­правлению с прежним, ток нагрузки i_н сохраняет свое прежнее направле­ние за счет разряда конденсатора на нагрузку, а ток коммутирующего конденсатора i_c с момента коммута­ции изменяет направление на про­тивоположное. Таким образом, ток конденсатора i_c после коммутации имеет макси­мальное значение и уменьшается по мере его перезаряда, а ток нагрузки i_н постепенно спадает до нуля и, ре­версируя, совпадает по направлению с током i_c.

Дроссель L_d выполняет функцию фильтра высших гармонических со­ставляющих напряжения, так как к нему в любой момент времени прикладывается разность между неиз­менным напряжением источника питания и пульсирующим напряжени­ем на входе инвертора (называемый противо-э. д. с. инвертора).

Выходное напряжение инвертора повторяет по форме напряжение на конденсаторе и представляет собой в каждый полупериод сумму двух составляющих: постоянной, равной напряжению источника питания, и переменной, возникающей за счет  реактивной мощности конденсатора. Поскольку за полупериод выходной  частоты реактивная мощность равна нулю, заштрихованные площадки S1 и S2 (см. рисунок 25,б), характеризующие интегральные значения переменной составляющей, равны между собой. Среднее значение выходного напряжения за полупериод равно напря­жению источника питания Ud

Напряжение на тиристорах B1 (u_{b1 2} на рисунке 25,б) после ком­мутации изменяется от отрицательного значения к положительному. В течение времени t_выкл на тиристорах B1 и В2 поддерживается отрицательное напряжение, и они восстанавливают запирающие свойства.

Если t_выкл>t_восст, то с восстановлением положительного анод­ного напряжения тиристоры B1 и В2 (см. рисунок 25,б) останутся запер­тыми вплоть до прихода следующего отпирающего импульса. Если же этого времени окажется недостаточно, то указанные тиристоры снова откроются, и произойдет срыв инвертирования.

Коммутирующий конденсатор может быть включен параллель­но первичной или вторичной обмотке трансформатора, если такой имеется.

Рассматривая параллельное соединение коммутирующего конден­сатора С и резистора Z_H как общую нагрузку, нетрудно видеть, что инвертор тока может работать лишь на общую емкостную нагрузку, когда выходной ток инвертора i_вых опережает напряжение u_H на выходе инвертора. В этом случае к тиристорам, которые до коммутации проводили ток, прикладывается обратное напряжение. Время действия обратного напряжения на тиристорах должно быть достаточным для восстановления их запирающих свойств, т. е. t_выкл³t_восст или β≥δ, где β=ωt_выкл, t_восст., ω – угловая выходная частота инвертора. Приведенное условие выполняется бла­годаря наличию угла опережения (запирания) β тока i_вых, потреб­ляемого нагрузкой и конденсатором, и напряжения u_H. Угол β создается за счет тока ic коммутирующего конденсатора.

При каждой коммутации тиристоров от источника питания потребляется дополнительная энергия на перезаряд конденсатора, которая накапливается в магнитном поле дросселя L_d и электрическом поле коммутирующего конденсатора С. Так как между дросселем L_d и конденсатором С происходит непрерывный обмен энергией, амплитуда напряжения на конденсаторе, а следо­вательно, и на тиристорах все время возрастает, что приводит к пробою тиристоров и срыву инвертирования.

При возрастании B_a, т.е. уменьшении Z_H, уменьшается время разряда конденсатора на нагрузку, снижается напряжение на нагрузке и уменьшается угол опережения.

Таким образом, параллельный инвертор тока нормально работает только в определенном диапазоне изменения коэффициента нагрузки: при малых значениях B_a возникает опасность появления перенапряжений, при больших значениях B_a угол опережения становится недостаточным и происходит срыв инвертирования.

При уменьшении коэффициента мощности нагрузки без одно­временного увеличения емкости коммутирующего конденсатора мо­жет произойти срыв инвертирования, так как индуктивность на­грузки компенсирует реактивный ток коммутирующего конденсатора и тем самым уменьшает время запирания t_ВЫКЛ.

Кроме времени выключения тиристора, определяемого временем восстановления, добавляется время отключения тиристора, называемого схемным временем:

t_т= t _сх+ t_восст .

 

В связи с этим инверторы, работающие на тиристорах, могут давать переменный ток с частотой не более 10 кГц.

Потребители большой мощности имеют малое сопротивление, а значит падение напряжения до которого заряжается конденсатор С, будет недостаточно для закрытия тиристоров. В связи с этим для мощных электроприемников применяются последовательные инверторы, в которых коммутирующий конденсатор С устанавливается последовательно с нагрузкой. В таких схемах величина и время протекания тока определяется соотношением сопротивления нагрузки  и величиной емкости конденсатора С, поскольку ток будет протекать только до момента, когда конденсатор С зарядится до напряжения сети Uс = Е.

12 Лекция. Тиристорные регуляторы напряжения

 

         Содержание лекции:

- тиристорные регуляторы напряжения, схемы и принцип регулирования напряжения.

         Цель лекции:

- изучить с основами регулирования напряжения в тиристорных регуляторах.

 

ТРН подразделяются на 2 группы: тиристорные регуляторы переменного тока и тиристорные регуляторы постоянного тока.

Тиристорные регуляторы переменного тока бывают одно и трех фазными

Существует 3 способа регулирования:      

1)  регулирование напряжения путем суммирования сдвинутых по фазе напряжений;

2)  широтное регулирование;

3)  фазовое регулирование.

 

 

 

 

  

а – схема;  б – векторная   диаграмма.

Рисунок 26 – Регулирование выходного напряжения путем суммирования сдвинутых по фазе напряжении двух инверторов (И1 и И2)

 

Регулирование напряжения путем суммирования сдвинутых по фазе напряжений выполняется с использованием двух одинаковых инверторов И1 и И2 выходы которых включены на две первичные обмотки трансформатора Т₁.

 

 

 

 

  

Рисунок 27 – Широтное регулирование

Вторичные обмотки трансформатора соединяются последовательно, а их выходные напряжения U₂₁ и U₂₂ с одинаковыми действующими значениями сдвигаются по фазе относительно друг друга и суммируются. Как показано на рисунке 26, результирующее напряжение U₂  зависит от угла y фазового сдвига между выходными напряжениями двух инверторов. Однако использование этого метода в инверторах напряжения приводит к увеличению содержания гармоник при снижении выходного напряжения.

Широтное регулирование часто применяют для питания группы ЭТУ, где график работы каждой установки можно сдвинуть между собой таким образом, чтобы они перекрывали паузы друг у друга (см. рисунок 27).

При широтном регулировании изменение напряжения происходит за счет изменения продолжительности времени включения установки (t_вкл = gTр) при постоянстве периода регулирования Тр = const (паузное регулирование).

Для характеристики регулирования вводится понятие скважности g, т.е. относительной продолжительности включения, она равна

где m – количество периодов.

Тогда напряжение на нагрузке определяется как U_с. Изменить γ можно изменяя t_в t_п.

Принцип работы фазового регулирования переменного тока основан на включении двух тиристоров в одну фазу по встречно-параллельной схеме (см. рисунок 28). Когда идет положительная полуволна переменного тока то работает тиристор V2, когда идет отрицательная полуволна работает – V1.

 

Рисунок 28 - Принцип работы фазового регулирования переменного тока

Если эти тиристоры включать в момент прохождения тока через ноль, т.е. ά = 0, то через нагрузку Rн  пройдет переменный ток сети. Если  каждый тиристор отпирать при другом значении α, то на нагрузке появится регулируемое напряжение. Однако основным недостатком этой схемы является несинусоидальное напряжение, т.е. провалы напряжения на нагрузке Rн. Существуют различные схемы,  устраняющие этот недостаток.

 

Кроме однонаправлен­ных приборов, имеются также полупроводниковые приборы, основан­ные на использовании многослойных электронно-дырочных структур, которые при воздействии напряжений различной полярности могут переключиться в двух направлениях. В каждом направлении они мо­гут находиться в двух устойчивых состояниях: запертом (с высоким внутренним сопротивлением) и открытом (с малым внутренним сопро­тивлением). Такие приборы получили название симисторов (симметричных ти­ристоров) и обычно применяются в схемах фазового регулирования на переменном токе. Применение симисторов позволяет в ряде случаев упростить схемы преобразователей.

Тиристорные регуляторы постоянного тока

Существует также три вида регулирования:

1) регулирование напряжения на переменном токе с последующим выпрямлением;

2) регулирование напряжения с помощью управляемого выпрямителя;

3) регулирование с помощью ключа.

Регулирование напряжения с помощью управляемого выпрямителя описано в разделе выпрямители.

Регулирование с помощью ключа осуществляется двумя способами:

-       частотно-импульсное регулирование (ЧИР).

-       широтно-импульсное регулирование (ШИР).

Рисунок 29 – Регулирующий ключ

 

Рисунок 30 – Изменение периода следования импульсов и частоты

В качестве регулирующего ключа может быть использован тиристор (см. рисунок  29).

При ЧИР длительность импульса постоянна (t_И=const), а длительность паузы переменна (t_П=var), поэтому меняется период следования импульсов и частота f=1/t_П  (см. рисунок 30).

ШИР на постоянном токе характеризуется как и ШИР на переменном токе скважностью q= t_И / t_П. Имея величину скважности (q) можно определить величину регулируемого напряжения U_1,2,3 = qU_mах  (см. рисунок 30).

Для того, чтобы при регулировании на постоянном токе не было перерывов тока, к нагрузке подключается демодулятор, представляющий из себя индуктивность L включенную последовательно с нагрузкой Rн и диод VD включаемый параллельно нагрузке (см. рисунок 29).

При включенном ключе «К» ток импульса протекает через индуктивность L и нагрузку Rн. В момент выключения импульса t_H выключается ключ К, однако запасенная в индуктивности L энергия  продолжает поддерживать протекание тока по нагрузке Rн, замыкая его через VD. В результате этого процесса в период паузы рабочий ток падает, но не до нуля (см. рисунок 30). Таким образом, использование демодулятора позволяет подавать в нагрузку хотя и пульсирующий, но непрерывный ток.

 

13 Лекция. Источники тока

 

         Содержание лекции:

- особенности схем и характеристик источников тока.

         Цель лекции:

- ознакомится с принципом работы и основами проектирования источников тока.

 

Напряжение сети имеет вольтамперную характеристику (ВАХ) в виде прямой линии почти  параллельной оси абсцисс, поэтому его можно считать источником напряжения. Большая часть потребителей имеет линейные возрастающие ВАХ и поэтому устойчиво работает с источником напряжения. Вольтамперные характеристики дуговых установок имеют в основном падающий нелинейный вид (см. рисунок 31) и неустойчиво работают с сетью.   Поэтому к  источникам питания (ИП) дуговых установок предъявляются особые требования, для питания таких установок должны применяться источники тока, имеющие ВАХ в виде прямой линии параллельной оси ординат или выходная характеристика такого источника должна иметь крутопадающий участок,  т.е.  в области рабочих параметров это должен быть источник тока. Он должен обладать достаточной мощностью и в нем должна быть предусмотрена ее регулировка. Источник питания должен обеспечивать устойчивое зажигание дуги и поддерживать ее устойчивое горение при  колебаниях напряжения сети и флуктуациях в дуге.

ИП дуговых установок, имеющие падающие ВАХ, могут быть разделены на:

1) ИП с балластным сопротивлением;

2) ИП со специальными трансформаторами;

3) параметрические ИП;

4) ИП с обратной связью;

5) ИП с дозированной подачей энергии в дугу.

ИП с балластным сопротивлением.

Наиболее простым способом преобразования источника напряжения в источник близкий к источнику тока (источник с падающей ВАХ) является включение последовательно с дугой балластного сопротивления. Тогда напряжение, подведенное к дуге U_{к дуге}, будет равно разности между напряжением сети и падением напряжения на сопротивлении (U_{к дуге} = U_сети - I*Z_б) и поскольку напряжение сети постоянно, а падение напряжения на сопротивлении имеет возрастающий вид, то напряжение U_кдуге будет иметь падающий вид (см. рисунок 31). В качестве балластного сопротивления можно использовать активные, емкостные и индуктивные сопротивления.

Источники с активным, емкостным и индуктивным линейным балластными сопротивлениями.

Поскольку ВАХ  активного, емкостного балластных сопротивлений и катушки индуктивности без сердечника, имеют вид  возрастающей прямой линии, то ВАХ нового источника (U_{к дуге}) будет иметь вид падающей прямой линии, начинающейся на оси ординат в точке с напряжением равным напряжению сети (U_сети), наклон которой зависит от величины балластного сопротивления (см. рисунок 31).

Рисунок 31 – ВАХ ИП с линейным сопротивлением

 

ВАХ нового источника U_{к дуге} = (U_сети - I*Z_б) прямая линия, которая  пересекает вольт - амперную характеристику дуги в точках А и В. Этим точкам соответствуют токи I_А и  I_В. Исследуя эти точки на устойчивость, можно увидеть, что точка А соответствует неустойчивому, а точка В устойчивому режимам работы системы ИП – дуга. Правее точки А, например в точке В’, между вольт – амперной характеристикой дуги и внешней характеристикой питающейся сети существует подпитывающая ЭДС (Ldi_д/dt), которая способствует увеличению  тока дуги. В точке В подпитывающая ЭДС равна нулю, поскольку напряжения источника и дуги одинаковы. Правее точки В, в точке В΄΄ горения дуги невозможно, так как напряжение на ее электродах должно быть большее, чем может дать сеть при этом токе, т.е. подпитывающая ЭДС (Ldi_д/dt) имеет отрицательный характер. В точке А случайному увеличению тока соответствует положительное значение ЭДС, которая и стремиться увеличивать ток до значения I_В. При случайном уменьшении тока меньше I_А напряжение для горения дуги при этом токе должно быть больше, чем может дать сеть и поэтому дуга погаснет.

Таким образом, рассматриваемую характеристику можно разбить на три зоны. Левее точки А – зона устойчивого гашения дуги, между точками А и В – зона горения и  правее точки В – зона ограничения тока. Дуга может гореть устойчиво лишь при токе I_В, точка А соответствует неустойчивому горению дуги.

Выделяющаяся мощность в дуге определяется силой тока и напряжением. Энергия, которая потребляется от источника питания, расходуется на покрытие энергии, выделяющееся в дуге, и на энергию, теряющуюся в балластном сопротивление цепи дуги.

Наиболее простым и часто применяемым, как на переменном, так и на постоянном токе является источник питания с активным балластным сопротивлением. Однако в таком источнике на балластном сопротивлении теряется (рассеивающейся) порядка 40% от общей потребляемой мощности установки.

Источники с емкостным балластным сопротивлением более экономичны,  так как на емкости фактически отсутствуют активные потери и коэффициент мощности (сов φ)  такой установки больше по сравнению с установками с индуктивным сопротивлением. Их применение ограничивается дороговизной конденсаторов и возможностью осуществлять только ступенчатое регулирование мощности.

Источники питания с индуктивным нелинейным балластным сопротивлением.

 

Если использовать в качестве балластного сопротивления обычную катушку индуктивности L_б, то такой источник питания будет работать аналогично ИП с активным R_б и емкостным С_б балластными сопротивлениями, но иметь низкий коэффициент мощности (сов φ). Если вместо катушки индуктивности использовать дроссель (т.е. катушку индуктивности с железным сердечником), то изменится не только индуктивность катушки, но и ВАХ дросселя будет иметь нелинейный вид (из-за добавления к магнитному полю катушки магнитного поля доменов сердечника). При этом вначале ВАХ дросселя  будет иметь пологий вид (см. рисунок 32), а затем резко возрастающий вид до момента насыщения сердечника. При полном насыщении сердечника ВАХ дросселя будет иметь вид обычной катушки индуктивности (т.е. магнитное насыщение сердечника равносильно его отсутствию).

 

 

 

 

 

 

Рисунок 32 – ВАХ ИП с нелинейным сопротивлением

 

Нелинейный характер ВАХ дросселя приводит к тому, что ВАХ  ИП с балластным индуктивным сопротивлением L_б имеет более круто падающий вид чем ВАХ с активным R_б и емкостным С_б балластными сопротивлениями. Потому, если режим устойчивой работы наблюдается в точке В (см. рисунок 31 и 32) и произойдет флуктуация тока DI, то возврат дуги в режим соответствующий точке В на источнике с активным R_б и емкостным  С_б балластными сопротивлениями произойдет медленнее, чем на ИП с нелинейным индуктивным сопротивлением L_б, т.к. напряжение возвращающее систему в исходную точку с индуктивным сопротивлением L_б (подпитывающая ЭДС E_L) значительно больше, чем напряжение (подпитывающая ЭДС E_R), возвращающее систему в исходную точку с линейными балластными сопротивлениями (см. рисунок 32).

Параметрические ИП можно разделить на два вида:

1) резонансные;

2) транзисторные.

Резонансные или индуктивно-емкостные преобразователи (ИЕП).

Свойство устройств с резонансным контуром стабилизировать ток при изменении нагрузки, было замечено французским исследователем Полем Бушеро. Принципиальная схема такого источника в однофазном исполнении приведена на рисунке 33.

Рисунок 33

 

Если подобрать реактивные сопротивления в плечах

равными по модулю и противоположными по знаку, т.е. настроить контур в резонанс с частотой входного напряжения, то такой четырехполюсник станет стабилизатором тока.

Ограничение тока в цепи достигается за счет  компенсирующего влияния емкости на индуктивную проводимость токовой цепи.

В идеализированном виде схемы Бушеро не нашли применения. Оказалось, что они обладают низким коэффициентом мощности, так как в Т – образной схеме входное сопротивление имеет индуктивный характер даже при активной нагрузке. Коэффициент полезного действия схем Бушеро также низок. Реальные элементы схем обладают конечной величиной активного сопротивления, поэтому коэффициент передачи по мощности у таких схем меньше единицы, причем его величина зависит от сопротивления нагрузки. Она будет максимальной при определенном соотношении между величинами нагрузки и сопротивления элементов схемы.

Частично вышеназванные недостатки устраняются при использовании резонансных схем на трехфазном токе. На рисунке 34 представлена принципиальная схема трехфазного источника питания на основе индуктивно-емкостных преобразователей. В источниках подобного типа в резонанс  настраиваются индуктивности L и емкости С.

а)

б)

Рисунок 34

 

Показатели ИП значительно улучшаются при введении в схему следующих элементов: трансформатора согласования Тр, активных сопротивлений R в плечи индуктивных сопротивлений L, взаимосвязи М между индуктивными сопротивлениями.

Сопротивление нагрузки, включенное на выходе трансформатора согласования, возрастает на его выходе в N² раз (N - сопротивление чисел первичных и вторичных витков).

Правильно выбрав коэффициент трансформации, можно повысить сопротивление нагрузки (дуги) до значений, в диапазоне которых коэффициент передачи устройства по мощности принимает максимальное значение.

Трансформатор согласования позволяет снизить напряжение холостого хода устройства, так как при режиме холостого хода он работает на участке насыщения кривой намагничивания.

При соответствующем выборе активных сопротивлений и введении взаимосвязи между индуктивными сопротивлениями можно существенного улучшить частотные характеристики устройства. Введение взаимосвязи между индуктивностями позволяет уменьшить габариты дросселей (индуктивных сопротивлений Z) и емкостей С.

Конструктивно дроссель выполняется в виде двух одинаковых катушек  с общим магнитопроводом. Для обеспечения линейности характеристик дросселя в широком диапазоне токов и для удобства настройки магнитопровод выполняется с воздушным зазором.

Внешние характеристики устройства при различных рабочих токах Iд₁, Iд₂, Iд₃, пропорциональных соответствующим входным напряжения u_вх1, u_вх2, u_вх3 имеют вид, представленный на рисунке 34 (u_{х. х} – напряжение холостого хода, r – коэффициент пропорциональности).

Практическое применение для 3-х фазных цепей резонансная схема нашла в источнике для плазменной резки металлов типа «Киев 4».

Транзисторные ИП имеют характеристики наиболее близкие к идеальным источникам тока.

Работа источника основана на принципе стабилизации и регулирования тока дуги с помощью блока мощных транзисторов Т, соединенных между собой параллельно и последовательно включенных в цепь с выпрямителем В и другой Д. Кроме указанных выше, на рисунке введены следующие обозначения: БУ - блок управления; ГИ – генератор импульсов, БП – блок поджига. Стабилизирующие свойства транзистора наглядно видны на его выходной характеристике, представляющей собой зависимость коллекторного тока I_к от напряжения, приложенного к транзистору и_к при неизменном значении тока базы I_б. При  изменении напряжения на транзисторах  и   (если оно не ниже определенного порогового напряжения и_к0,) ток I_к остается неизменным. Он практически зависит только от I_б

 

I_к = β I_б

 

где β – коэффициент усиления транзистора по току.

Таким образом, блок транзисторов, включенный последовательно с другой в цепь источника выпрямленного неизменного напряжения, преобразует его в параметрический источник тока. В этом случае при изменении напряжения на дуге величина сварочного тока I_д, равного I_к, поддерживается неизменной.

Изменяя малый по величине ток I_б, можно плавно регулировать ток дуги. Если ввести в блок управления,  задающий маломощный генератор импульсов, например полупроводниковый мультивибратор, то ток дуги также станет импульсным.

14 Лекция. Лампы накаливания

 

Содержание лекции:

- устройство ламп накаливания, галогенные лампы накаливания.  

Цели лекции:

- знакомство с лампами накаливания и их основными параметрами.

 

Устройство ламп накаливания. Главной частью является тело накала. Оно может представлять собой нить, спираль, биспираль, триспираль, иметь разнообразные размеры и форму. Тело накала изготавливается из вольфрамовой проволоки, имеющей высокую температуру плавления (3650±50 К) и малую скорость испарения 9.9-10^-3 г/(м²с) при 3000 К, он формоустойчив при высокой рабочей температуре и устойчив к механическим нагрузкам; обладает высокой пластичностью в горячем состоянии, что позволяет получать из него нити весьма малых диаметров путем протяжки проволоки через калиброванные отверстия; гонкие проволоки хорошо спирализуются.

Тело накала фиксируют в пространстве с помощью внутренних звеньев токовых вводов (электродов) и держателей. В зависимости от типа ламп вводы могут быть одно-, двух- и трехзвенными. Трехзвенные вводы состоят из внутреннего звена, изготовленного из никеля, ферроникеля, меди или платинита - в зависимости от вида ламп, среднего звена, впаиваемого в стекло (большей частью из платинита) и внешнего звена (вывода), обычно медного или платинового.

Вводы и держатели являются частью так называемой ножки. Это стеклянный конструктивный узел лампы, который, кроме вводов и держателей, включает в себя стеклянный цельный или пустотелый штабик с линзой, стеклянный пустотелый штенгель и стеклянную трубку-тарелку, развернутую в нижней части, соединенные в единую конструкцию расплавлением и заштамповкой стеклянных элементов в зоне лопатки. Ножка служит опорой для тела накала лампы и вместе с колбой обеспечивает герметизацию лампы.

Для обеспечения нормальной работы ножку с телом накала помещают в стеклянную колбу; горло колбы герметично спаивают с разверткой тарелки; через штенгель и откачное отверстие из пространства внутри колбы откачивают воздух (в случае газополной лампы затем вводят инертный газ); на конец запаивают штенгель, обеспечивая полную герметичную изоляцию внутреннего пространства лампы от окружающей среды.

Для удобства эксплуатации на горле лампы с помощью цоколевочной мастики укрепляют цоколь, к корпусу и контактной пластине которого припаивают или приваривают выводы электродов.

Классификация ЛН чаще всего производится по двум признакам: по назначению и по конструкции (технологии изготовления). Все ЛН разделяют обычно на лампы общего назначения и лампы специального назначения. В основе классификации по конструкции лежит принцип группировки ламп, которые можно изготавливать на однотипном технологическом оборудовании. Это, прежде всего, определяется размером и формой колб, от которых зависят размер и конструкция ножек, тела накала, вводов, тип цоколя, а значит, и характер соответствующего технологического оборудования.

Лампы накаливания могут классифицироваться и по другим признакам, например, по напряжению, мощности, по характеру среды, окружающей тело накала (вакуумные, газополные, т.е. аргоновые, криптоновые, ксеноновые с разным содержанием азота, галогенные - с добавкой к наполняющему газу определенной доли галогенов).

Спектральные и цветовые параметры. ЛН имеют сплошной (непрерывный) спектр излучения. Из-за относительно невысоких рабочих температур тела накала (2400 - 2600 К, при этом Т_цв » 2500¸2700 К) в видимом излучении ЛН преобладают оранжево - красные лучи. Поэтому при освещении такими лампами усиливаются «теплые» цветовые тона и ослабляются «холодные», что не позволяет обеспечить высокое качество цветопередачи.

Геометрические и конструктивные параметры - это габаритные размеры (полная длина лампы l, диаметр колбы d_K); присоединительные размеры, определяемые выбранными цоколем и патроном; высота светового центра h; форма и расположение тела накала; конструкция ножки; форма колбы; тип цоколя.

Галогенные лампы накаливания. Принцип действия ГЛН заключается в образовании на стенке колбы летучих соединений - галогенидов вольфрама, которые испаряются со стенки, разлагаются на теле накала и возвращают ему, таким образом, испарившиеся атомы вольфрама.

Галогенные ЛН по сравнению с обычными лампами имеют более стабильный по времени световой поток и, следовательно, повышенный полезный срок службы, а также значительно меньшие размеры, более высокие термостойкость и механическую прочность благодаря применению кварцевой колбы. Малые размеры и прочная оболочка позволяют наполнять лампы до высоких давлений дорогостоящим ксеноном и получать на этой основе более высокую яркость и повышенную световую отдачу (либо увеличенный физический срок службы).

Галогенная добавка в ЛН с вольфрамовым телом накала вызывает замкнутый химический цикл. Для йодно-вольфрамового цикла требуются следующие условия:

а) температура внутренней стенки колбы повсюду должна быть не ниже 250 и не выше 1200 °С; наиболее предпочтительна температура 500 – 600 °С, поэтому колбу изготавливают из кварца и придают ей необходимую форму для обеспечения лучшей равномерности температуры;

б) минимальная температура тела накала должна быть выше 1600°С;

в) йод не должен образовывать на стенке лампы какие-либо другие химические соединения, кроме WI₂, поэтому в галогенной лампе недопустимо применение никеля и молибдена, алюминиевого, циркониевого и фосфорного газопоглотителей, с которыми йод активно взаимодействует;

г) количество йода дозировано; излишек йода для компенсации потерь не допускается, так как пары йода заметно поглощают видимое излучение, особенно в области 500 - 520 нм.

Йодно-вольфрамовый цикл препятствует осаждению вольфрама на колбе, но не обеспечивает возвращения его частиц в дефектные участки тела накала. Поэтому механизм перегорания тела накала в йодных лампах остается таким же, как и в обычных ЛН. Применение йода в ГЛН выявило некоторые его недостатки: агрессивность по отношению к металлическим деталям, трудность дозировки, некоторое поглощение излучения в желто-зеленой области. Другие галогены (бром, хлор, фтор), будучи более агрессивными, в чистом виде не могли его заменить. В настоящее время в подавляющем большинстве ГЛН применяют химические соединения галогенов.

Устройство ГЛН. Колба лампы - длинная узкая кварцевая трубка; тело накала - прямолинейная вольфрамовая спираль, закрепленная на вольфрамовых держателях по оси колбы. Расположенные по обоим концам трубки вольфрамовые вводы соединены с выводами впаянной в кварц молибденовой фольгой. Место отпая штенгеля расположено на боковой стенке колбы. Диаметр трубки-колбы, и расположение тела накала в ней выбираются так, чтобы при горении ГЛН температура стенки была равна 500 – 600 °С, не менее 250 и не более 1000°С.

Тело накала ГЛН изготавливается из специальных марок вольфрамовой проволоки, преимущественно в виде спирали, которой в лампе с помощью электродов и держателей придается необходимая форма.

Основные типы ГЛН. Галогенные лампы применяются для светильников общего освещения и прожекторов; инфракрасного облучения; кинофотосъемочного и телевизионного освещения; автомобильных фар; аэродромных огней; оптических приборов; специальных применений. По конструктивным признакам ГЛН делятся на две группы: с длинным спиральным телом накала при соотношении длины ГЛН к диаметру более 10 - линейные или трубчатые лампы; с компактным телом накала при отношении длины ГЛН к диаметру менее 8 - эти ГЛН подразделяются, в свою очередь, на мощные и малогабаритные, в которых электроды размещены обычно с одной стороны.

Лампы для светильников и прожекторов выпускаются преимущественно на 220 В мощностью от 1 до 20 кВт; световая отдача 22÷26 лм/Вт; срок службы 2000 ч; лампы трубчатые; положение горения горизонтальное.

Лампы для инфракрасного облучения выпускаются на напряжения 127÷380 В мощностью 0,5÷5 кВт; срок службы повышенный (2500÷5000 ч), так как тела накала этих ламп работают при низких температурах 2400÷2700 К; лампы трубчатые; положение горения горизонтальное.

Малогабаритные лампы разного назначения выпускаются на напряжения до 30 В мощностью 15÷650 Вт; лампы имеют компактную форму тела накала. Поскольку от большинства этих ламп требуется высокая яркость, они выпускаются с температурой тела накала 3000÷3200 К, и имеют срок службы несколько десятков или сотен часов; положение горения любое.

15 Лекция.  Газоразрядные лампы

 

Содержание лекции:

- люминесцентные лампы, лампы типа ДРЛ и ртутно-вольфрамовые лампы, металлогалогенные лампы, натриевые лампы.

Цели лекции:

- ознакомиться с основными принципами работы газоразрядных ламп, их свойствами и параметрами.

 

Газоразрядной лампой (ГЛ) называют лампу, в которой оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях.

Особенности ГЛ и области применения определяются тем, что ГЛ имеют самую высокую световую отдачу и большой срок службы по сравнению с ЛН, а также могут иметь разнообразные спектры излучения и широкий диапазон значений мощности, яркости и других параметров. Поэтому современные ГЛ все шире применяются для освещения, оттесняя ЛН. Уже сегодня в передовых странах мира ГЛ создают более половины светового потока, так, например, в США на законодательном уровне потребителей электроэнергии обязывают переходить даже в домашнем освещении на ГЛ.

Применение ГЛ во многих отраслях народного хозяйства, в медицине, новейшей технике и др., объясняется особенностями электрического разряда, которые позволяют создавать источники излучения с весьма разнообразным сочетанием параметров. Подбирая соответствующие наполнение и условия разряда, удается создавать высокоэффективные источники излучения практически в любой части не только видимого, но также УФ и ИК спектров. При этом можно получать спектры излучения, состоящие из одиночных линий, многолинейчатые и непрерывные. Это достоинство ГЛ открыло им исключительно широкие возможности применения не только для освещения, но также для многочисленных специальных целей.

Люминесцентные лампы.

Люминесцентные лампы (ЛЛ) представляют собой разрядные источники света низкого давления, в которых УФ излечение ртутного разряда преобразуется люминофором в более длинноволновое излучение. Основные достоинства ЛЛ:

а) высокой световой отдачей и большим сроком службы;

б) малой себестоимостью, связанной с высокой степенью механизации, простотой конструкции и с доступностью сырья и материалов;

в) благоприятным спектром излучения, обеспечивающим высокое качество цветопередачи;

г) низкой яркостью и температурой поверхности лампы.

В то же время существует ряд недостатков ЛЛ - малопригодны для наружного освещения и освещения высоких помещений, что обусловлено малой мощностью (в пределах от 4 до 150 Вт), большими размерами ЛЛ, трудностью перераспределения и концентрации их светового потока в пространстве, а также ненадежной работой при низких температурах окружающей среды.

Классификация ЛЛ по характеру разряда в них позволяет выделить ЛЛ дугового разряда с горячими катодами и лампы тлеющего разряда с холодными катодами. Лампы дугового разряда, зажигаемые от стандартного сетевого напряжения с предварительным подогревом катодов, наиболее экономичны, просты в эксплуатации и получили самое широкое применение в осветительной технике. В зависимости от способа зажигания ЛЛ могут быть стартерного, быстрого или мгновенного зажигания. Лампы тлеющего разряда зажигаются мгновенно и применяются для сигнализации и световой рекламы. ЛЛ дугового разряда можно подразделить на лампы общего и специального назначения. Лампы общего назначения - это ЛЛ стартерного зажигания для сетей напряжением 127 и 220 В в прямой колбе и с удельной электрической мощностью не более 0.05 Вт/см². Лампы специального назначения имеют особые эксплуатационные свойства, обусловленные особенностями конструкции: малогабаритные ЛЛ, ЛЛ с фигурной колбой, амальгамные, быстрого зажигания, высокоинтенсивные, рефлекторные (лампы-светильники), панельные, цветные и со специальным спектром излучения (для фотосинтеза, для ультрафиолетового облучения, эритемные). Существуют ЛЛ с разрядом в инертных газах - безртутные ЛЛ, которые имеют важные преимущества: они нетоксичны и могут работать при низких температурах. Однако у них значительно ниже световая отдача и мал срок службы. Наиболее удовлетворительны эти параметры у неоновых красных ЛЛ. Наиболее перспективными являются люминофоры на основе редкоземельных элементов, дающие люминесценцию в узких спектральных полосах, обеспечивающие большую световую отдачу, чем галофосфатные люминофоры.

Цветные ЛЛ предназначены для декоративного освещения и световой рекламы, главным образом, внутри помещений. По размерам они взаимозаменяемы со стандартными лампами, но рассчитаны на работу в схеме быстрого пуска. Сигнальные малогабаритные ЛЛ тлеющего разряда с рабочим током около 3 мА предназначены для систем автоматики и радиоэлектроники, выпускаются с различными люминофорами, определяющими цвет свечения лампы: оранжевый, зеленый, голубой и желтый. Цвет отмечается последней буквой в обозначении типа лампы. Газосветные лампы (трубки), применяемые в световой рекламе, представляют собой лампы тлеющего разряда, в которых используются излучение положительного столба разряда и свечение люминофора, нанесенного на трубку и возбуждаемого излучением разряда.

Пульсация светового потока при питании ЛЛ переменным током вызвана пульсацией УФ излучения столба разряда и несколько сглаживается за счет послесвечения люминофора. Для сглаживания пульсации освещенности ЛЛ включают так, чтобы их токи были сдвинуты по фазе относительно друг друга, за счет чего коэффициент пульсации доводится до нормы. Наиболее заметна пульсация яркости свечения концевых участков ЛЛ, так как здесь частота пульсации вдвое ниже - 50 Гц вместо 100 Гц в середине ЛЛ, а коэффициент пульсации соответственно выше. Поэтому рекомендуется экранировать концы ЛЛ. Радикальным средством снижения пульсации является переход на высокочастотное питание. Радиопомехи генерируются ЛЛ всех типов и мощностей в диапазоне от 0,15 до 1,5 МГц, т.е. в диапазоне длинных и средних волн. В момент зажигания ЛЛ радиопомехи на порядок интенсивнее, чем при горении. Для снижения радиопомех служат фильтры, являющиеся элементом электрической схемы светильника. При эксплуатации ЛЛ с фильтрами радиопомехи не превышают нормы.

Утилизацию отработавших ЛЛ нужно проводить с учетом токсичности ртути, содержащейся в наполнении ЛЛ.

Лампы типа ДРЛ и ртутно-вольфрамовые лампы.  

Д - дуговая, Р - ртутная, Л – люминесцентная, цифры после букв: мощность ламп в ваттах, далее в скобках - «красное отношение», %, через дефис, цифра - номер разработки или с вольфрамовой спиралью. Принцип действия и устройство ДРЛ основаны на преобразовании при помощи люминофора УФ излучения ртутного разряда ГЛВД, составляющего » 40 % всего потока излучения, в недостающее излучение в красной части спектра. Качество исправления цветопередачи ДРЛ определяется относительным содержанием «красного излучения» - отношением светового потока в красной области спектра к общему световому потоку лампы («красное отношение»). При освещении ДРЛ без люминофора возникает сильное искажение цвета предметов, особенно человеческой кожи, что объясняется отсутствием излучения в оранжево-красной части спектра. Современные ДРЛ представляют собой ртутную горелку в виде трубки из прозрачного кварцевого стекла, смонтированную в колбе из тугоплавкого стекла. Внутренняя поверхность внешней колбы покрыта тонким слоем порошкообразного люминофора и снабжена резьбовым цоколем. Большинство ДРЛ выпускается с горелками, имеющими, кроме двух основных электродов, еще один или два так называемых зажигающих электрода, служащих для облегчения зажигания разряда и включающимися в сеть через дроссель. Схемы включения двухэлектродных ДРЛ имеют, кроме дросселя, специальную зажигающую часть. Положение горения допускается любое. Однако при горизонтальном положении дуга в горелке из-за конвекционных потоков слегка выгибается кверху, что приводит к небольшому снижению мощности и световой отдачи. Срок службы при этом из-за перегрева кварцевого стекла в верхней части горелки несколько снижается. Рабочая температура центральной части внешней колбы от 220 до 280 °С. Температура на цоколе не должна превышать окружающую на 110°С - 150 °С в зависимости от мощности лампы. Температура горелки достигает 700-750°С. Температура окружающей среды t_окр влияет на напряжение зажигания Uз. При минусовых температурах давление паров ртути становится настолько малым, что зажигание разряда происходит в чистом аргоне и требуется более высокое напряжение, чем при наличии паров ртути. Напряжение сети Uс определяет рабочий режим лампы. При работе отдельной ДРЛ в сети с частотой 50 Гц в схеме со стандартным дросселем коэффициент пульсации составляет 63 - 74 %. При этой частоте (100 Гц) пульсации на глаз незаметны, но при наличии вращающихся деталей машин они могут вызывать опасный стробоскопический эффект. Пульсации суммарного потока могут быть уменьшены при включении ламп в разные фазы трехфазной сети. Срок службы 12-15 тысяч часов при стендовых испытаниях и уменьшается при увеличении числа включении. В процессе работы ДРЛ происходит постепенное снижение светового потока и красного отношения. Скорость спада у маломощных и мощных ДРЛ больше, чем у ламп средней мощности. Основные области применения: НО, освещение промышленных предприятий с потолками выше 3 - 5 м, не требующих высокого качества цветопередачи.

Металлогалогенные лампы.

Перспективы их использования определяются исключительно широкими возможностями варьирования спектральным распределением излучения от практически однородного до непрерывного при высоком КПД и высокой удельной мощности. Устройство и принцип действия МГЛ основаны на том, что галогениды многих металлов испаряются легче, чем сами металлы, и не разрушают кварцевое стекло. Поэтому внутрь разрядных колб МГЛ, кроме ртути и аргона, как в ртутных ЛВД, дополнительно вводятся различные химические элементы в виде их галоидных соединений. После зажигания разряда, когда достигается рабочая температура колбы, галогениды металлов частично переходят в парообразное состояние. Попадая в центральную зону разряда с температурой в несколько тысяч Кельвинов, молекулы галогенидов диссоциируют на галоген и металл. Атомы металла возбуждаются и излучают характерные для них спектры. Диффундируя за пределы разрядного канала и попадая в зону с более низкой температурой вблизи стенок колбы, они воссоединяются в галогениды, которые вновь испаряются. Этот замкнутый цикл обеспечивает два принципиальных преимущества:

а) в разряде создается достаточная  концентрация атомов металлов, дающих требуемый спектр излучения, потому что при рабочей температуре кварцевой колбы 800 - 900 °С давление паров галогенидов многих металлов значительно выше, чем у самих металлов, таких, как таллий, индий, скандий, диспрозий и др.;

б) появляется возможность вводить в разряд щелочные (натрий, литий, цезий) и другие агрессивные металлы (например, кадмий, цинк), которые в чистом виде вызывают весьма быстрое разрушение кварцевого стекла при температурах выше 300-400°С, а в виде галогенидов не вызывают такого разрушения.

Применение галогенидов резко увеличило число химических элементов, используемых для генерации излучения, и позволило создавать МГЛ с весьма различными спектрами, особенно в случае использования смеси галогенидов. Ртутный пар играет роль буфера, обеспечивая высокую температуру в разряде, высокий градиент потенциала, малые тепловые потери и др. Классификация МГЛ осуществляется по применению:

а) МГЛ общего назначения;

б) трубчатые и шаровые МГЛ с улучшенным качеством цветопередачи (например, для цветных телепередач и киносъемок);

в) МГЛ для многочисленных специальных применений, в основном технологических.

Натриевые лампы.

Натриевые лампы являются одной из самых эффективных групп источников видимого излучения: они обладают самой высокой световой отдачей среди всех известных ГЛ и незначительным снижением светового потока при длительном сроке службы. Поэтому натриевые лампы, в первую очередь, высокого давления, все шире применяются для экономичного освещения, особенно наружного. Недостатком этих ламп является низкое качество цветопередачи. Принцип действия натриевых ламп основан на использовании резонансного излучения D-линий натрия. По рабочему давлению натрия выделяют два типа натриевых ламп - низкого НЛНД и высокого давления НЛВД. Кривая зависимости световой отдачи излучения натриевого разряда от давления паров натрия имеет два максимума. Область первого максимума соответствует давлению около 0,2 Па и достигается при температуре жидкой фазы 270-300°С; второй максимум световой отдачи достигается в НЛВД при давлении около 10 кПа. Это давление имеют насыщенные пары натрия при температуре 650-750°С в разрядной трубке из светопропускающего высокотемпературного материала, устойчивого к длительному воздействию агрессивных паров натрия при 1300-1400°С и представляющего собой керамику на основе поликристаллической окиси алюминия. Области применения. НЛНД - освещение автострад, туннелей, перекрестков, складов и товарных станций, промышленных объектов; архитектурное и декоративное освещение. Благодаря желтому монохроматическому свету, обеспечивающему превосходную видимость и разрешающую способность глаза при низких уровнях освещенности и хорошее прохождение излучения в тумане, НЛНД находят применение в светосигнальных установках. Значительное улучшение качества цветопередачи и более приятное зрительное впечатление можно получить путем сочетания в осветительной установке НЛВД с другими эффективными источниками, дающими преимущественное излучение в сине-зеленой части спектра, например, с РЛВД. Несмотря на то, что цена НЛВД в 7 - 10 раз превышает цены РЛВД типа ДРЛ и МГЛ типа ДРИ, их применение дает заметную экономию капитальных и эксплуатационных затрат как для проектируемых новых осветительных установок, так и для реконструируемых существующих.

 

Список литературы 

1 Плазменные электротехнологические установки: учебник /В.С. Чередниченко, А. С. Аньшаков, М. Г. Кузьмин. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008.

2 Электротехнологические установки. Электродуговые печи: Учеб. пособие / Т. Ф. Малахова; М-во образования Рос. Федерации. Гос. учреждение Кузбас. гос. техн. ун-т Кемерово, 2002.

3 Мукажанов В.Н.. Плазменно-дуговые технологические установки.Учебное пособие. - Алматы: АИЭС, 2000.

4 Мукажанов В. Н., Коньшин С. В., Силовая преобразовательная техника и источники питания электротехнологических установок. Учебное пособие. - Алматы: АИЭС, 1999.

5 Электротехнологические установки: [Учеб. для вузов по спец. "Электроснабжение пром. предприятий"] /А.В. Болотов, Г.А. Шепель
- М.: Высш. шк., 1988.

6 Болотов А.В., Шепель Г.А. Электротехнологические установки. - Алма-Ата: Мектеп, 1983.

7 Электротехнологические промышленные установки. Учебник для вузов / И.П.Евтюкова, Л.С.Кацевич, И.М.Некрасова, А.Д.Свенчанский; под редакцией А.Д.Свенчанского. - М.: Энергоиздат, 1982.

8 Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники. - М.: Высшая школа, 1980.

9 Электротехнологические процессы и установки : [Сб. науч. тр.] / Новосиб. гос.техн.ун-т; Под ред. В.С.Чередниченко. - Новосибирск: НГТУ, 1995.

10 Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б. Айзенберга – 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1995.

11 Электротермические и электротехнологические установки: Учеб. пособие / А.Н. Макаров. - Тверь: ТвеПИ, 1993.

12 Электротехнологические промышленные установки : Учеб. пособие / А. М. Викторенко, А. И. Гаврилин; Том. политехн. ин-т им. С.М. Кирова
- Томск: ТПИ, 1991.

13 А.Б. Кувалдин. Учебное пособие по курсу "Электротехнологические установки и системы". Технологические процессы с применением индукционного нагрева /Ред. А.Ю. Макаров. - М.: Изд-во МЭИ, 1990.

14 Электрическое освещение: Учеб. пособие/ Махнева О.П. - Свердловск: Свердлов. инж.-пед. ин-т, 1990.

15 Забродин Ю.С. Промышленная электроника. - М.: Высшая школа, 1982.

16 Свенчанский А.Д. и др. Электрические промышленные печи, “Дуговые печи и установки специального нагрева”. - М.: Энергоиздат, 1981.

Свод. план 2010 г., поз. 239