автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка и исследование однофазных трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой для устройств электронагрева

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ИЗВЕСТНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ, ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ В ТРАНСФОРМАТОРАХ ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ С КОЮТКОЗАМКНУТОЙ ВТОРИЧНОЙ ОБМОТКОЙ

ДЛЯ УСТРОЙСТВЭЛЕКТРОНАГРЕВА.

1.1. Классификация нагревательных элементов.

12. Короткозамкнутые трансформаторы повышенной частоты для устройств электронагрева.

13. Вторичные контуры КЗТ для устройств электронагрева.

1.4. Тепловая нагрузка вторичного контура КЗТ.

15. Особенности конструкций вторичных контуров высокочастотных

КЗТ для устройств электронагрева.

ВЫВОДЫ.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТЮМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ ПЮЦБССОВ В ЭЛЕКТЮНАГРЕВАТЕЛЯХ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ.

2.1. Математическое моделирование электромагнитных процессов в КЗТ промышленной частоты.

2.2. Моделирование электромагнитных процессов в системах "преобразователь частоты — НЭТ*'.

2.3. Математическое моделирование тепловых процессов в электроводонагревателе на основе КЗТ.

ВЫВОДЫ.

3. УПРАВЛЕНИЕ УСТЮЙСТВАМИ ЭЛЕКТЮНАГРЕВА НА ОСНОВЕ КОРОТКОЗАМКНУТОГО ТРАНСФОРМАТОРА

3.1. Двухпозиционное регулирование мощности короткозамкнутого трансформатора.

3.2. Устройства питания трансформаторов повыщенной частоты с короткозамкнзпгой вторичной обмоткой.

ВЫВОДЫ.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЮТКОЗАМКНУТЫХ ТРАНСФОРМАТОГОВ

ДЛЯ УСТЮЙСТВ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА.

4.1. Описание экспериментальной установки и макетных образцов

4.2. Экспериментальные исследования макетных образцов электронагревателей на основе КЗТ промышленной частоты.

4.3. Экспериментальные исследования макетного образца электронагревателя на основе КЗТ повышленной частоты.

4.4. Методика определительных испытаний нагревательного элемента трансформаторного типа на надёжность.

4.5. Способы повышения надёжности трансформаторов с короткозамкнугой вторичной обмоткой.

ВЫВОДЫ.

Улучшение условий производства и повышение комфортности рабочих мест и жилых помещений, удалённых от теплоцентралей, связано с развитием децентрализованного горячего водоснабжения и отопления. Подготовка горячей воды и обогрев помещений осуществляется с помощью огневых устройств или электронагревательных приборов.

Электронагрев, в сравнении с другими видами нагрева, обладает рядом положительных качеств: высокая экологичность, высокая надёжность, сравнительно низкие затраты на эксплуатацию оборудования, возможность получения тепла на значительном расстоянии от мест добычи энергоносителей. В связи с этим устройства электронагрева получают всё большее распространение в бьпу, промышленности и в сельском хозяйстве.

Электронагревательные приборы должны обладать следующими качествами: высокий класс электробезопасности, длительный срок службы. Такие свойства присущи нагревательным приборам, выполненным на основе короткозамкнутых трансформаторов. Нагревательный элемент трансформаторного типа представляет собой трансформатор, вторичная обмотка которого замкнута накоротко. Как правило, она имеет один объёмный виток. Преобразование электрической энергии в тепловую происходит, в основном, в этом короткозамкнутом витке. На протяжении ряда лет разработкой и исследованием коротко-замкнутых трансформаторов для устройств электронагрева занимались В.М.Кузьмин, В.А. Размыслов, В.П.Романюк, В.В. Пыхтин,

A. B.Пяталов, А.В.Янченко, С.Н.Иванов, А.В.Сериков, А.И.Ёлшин,

B. М. Казанский, В.И. Клесов и другие.

Нагревательные элементы трансформаторного типа обладают рядом преимуществ перед нагревательными элементами других типов.

Наибольшее напряжение прикосновения на нагревательном элементе не превышает 2 В. Тепловьщеляющая поверхность нагревательного элемента трансформаторного типа не имеет гальванической связи с питающей сетью. Как правило, нагревательный элемент трансформаторного типа относится ко второму классу электробезопасности, тогда как трубчатые - к первому, а спиральные и электродные - к нулевому.

Удельные тепловые нагрузки на тепловьщеляющую поверхность в нагревательном элементе трансформаторного типа существенно ниже, чем в спиральных или трубчатых. Поэтому интенсивность образования накипи на поверхности нафевательных элементов трансформаторного типа меньше, чем у нагревательных элементов других типов. В связи с этим нагревательные элементы трансформаторного типа более надёжны.

Рядом российских предприятий освоен выпуск устройств элеюро-нагрева на основе короткозамкнугых трансформаторов (типы ЭВАН "Орель", ЭВП, ЭНТ, ЭРГНТ, ЭРГУ и др).

Недостатком перечисленных моделей электронагревательных приборов на основе короткозамкнутого трансформатора является большая масса индуктора. Снижение массы и габаритов индуктора возможно за счёт использования напряжения повышенной частоты для питания короткозамкнутого трансформатора.

В печати отсутствуют результаты исследования работы коротко-замкнугых трансформаторов от источника повышенной частоты. В связи с проявлением эффекта вытеснения тока вторичные обмотки известных конструкций оказьюаются малопригодными для работы на повышенных частотах. Разработка новых конструкций вторичных короткозамкнугых обмоток для высокочастотных нагревательных элементов требует создания методики расчёта параметров этих обмоток. В настоящее время стоит задача по исследованию электромагнитных и тепловых процессов в нагревательных элементах трасформаторного типа.

ЦЕЛЬЮ настоящей диссертационной работы является разработка и исследование короткозамкнугых трансформаторов повышенной частоты для устройств электронагрева, исследование процессов регулирования мощности в этих устройствах.

АКТУАЛЬНОСТЬ данной работы вызвана необходимостью разработки и исследования высокочастотных короткозамкнугых трансформаторов для устройств электронагрева с высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ основывалась на применении математического и физического моделирования. В теоретических исследованиях применялись аналитические и численные методы расчёта. Экспериментальные исследования проводились на физических моделях и промышленных образцах электронагревателей на основе ко-роткозамкнугых трансформаторов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА предлагаемой диссертационной работы заключается в следующем:

- разработаны новые конструкции вторичных контуров короткозамк-нутых трансформаторов повышенной частоты;

- создана методика расчета параметров вторичных обмоток коротко-замкнутых трансформаторов для устройств электронагрева с учетом особенностей их конструкций;

- определены значения наибольшей допустимой частоты питающего напряжения для ряда мощностей НЭТ;

- рассмотрены принципы построения систем управления регуляторами мощности и преобразователями частоты для короткозамкнутых трансформаторов, определён способ управления регулятором мощности ко-роткозамкнутого трансформатора.

-разработаны математические модели систем "регулятор мощности — короткозамкнутый трансформатор" и "преобразователь частоты — ко-роясозамкнутый трансформатор", ориентированные на использование цифровых ЭВМ и позволяющие исследовать системы различной мощности и на разных частотах;

-произведено исследование математических моделей устройств этого класса;

- в результате теоретических и экспериментальных исследований выработаны рекомендации по проектированию электронагревательных приборов на основе короткозамкнутых трансформаторов, в том числе высокочастотных и систем управления этими приборами.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ заключается в разработке и исследовании новых конструкций короткозамкнутых трансформаторов для устройств электронагрева, выработке рекомендаций по проектированию высокочастотных нагревательных элементов трансформаторного типа.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертационной работы внедрены на ОАО Амурская "ЭРА" г. Комсомольск-на-Амуре в форме технической документации и методик электромагнитного и теплового расчётов для использования при разработке, проектировании и подготовки производства новых типов электронагревательных устройств, что подтверждается соответствующим актом внедрения.

АПЮБАЦИЯ РАБОТЫ. Основное содержание работы докладывалось и получило одобрение на:

- трёх научно-практических конференциях Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета с 1997 по 2000 гг.

- региональной научной конференции "Молодёжь и научно-технический прогресс" (г.Владивосток, 1998 г.).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований, отражённых в диссертационной работе получено свидетельство на полезную модель. Общее количесво публикаций - 4.

СТРУКТУРА РАБОТЫ, Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка из 167 наименований и 3 приложений,

ВЫВОДЫ.

1. Экспериментальные исследования макетного образца короткозамк-нутого трансформатора повышенной частоты полностью подтвердили правильность теоретических вьюодов и результатов математического моделирования.

2. Исследования показали, что преобразователь частоты при работе на трансформатор с короткозамкнутой обмоткой обеспечивает высокие энергетические показатели. Значения коэффициентов передачи по току равен 1Д по напряжению — 0,97; коэффициент мощности не ниже 0,98.

3. Разработана методика определительных испытаний на надёжность нагревательного элемента трансформаторного типа.

4. Надежность короткозамкнутого трансформатора определяется, в основном, состоянием изоляции первичной обмотки. Более высокий класс нагревостойкости обуславливает более высокую надёжность КЗТ.

5. Срок службы нагревательного элемента трансформаторного типа может быт увеличен за счёт снижения скорости нарастания температуры изоляции. Для снижения скорости нарастания температуры наиболее рациональным является мягкое включение электронагревателя.