Лабораторная работа 3
МГД-ВРАЩАТЕЛЬ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
Цель работы: Исследование вращения жидкого металла и изменения формы свободной поверхности от параметров электропитания индуктора.
Оборудование и приборы
1. Персональный компьютер.
2. Физическая модель МГД-вращателя жидкого металла.
3. Частотный преобразователь «Веспер».
4. Система измерений электро-физических величин «LabVIEW SignalExpress».
Краткие теоретические сведения
МГД-вращатель представляет собой дуговую асинхронную машину. Устройство дуговой асинхронной машины показано на рис 3.1. Магнитопровод статора 3 имеет форму дугового сектора. Трехфазная первичная обмотка 2 размещается в пазах на внутренней (или внешней) цилиндрической поверхности дугового сектора. Подвижной частью (или ротором) 1 в данной модели является жидкий металл.
Рисунок 3.1 – Схема дугового асинхронного двигателя
Особенностью этого двигателя является зависимость частоты вращения его ротора 1 от длины дуги, на которой располагается обмотка 2 статора 3. Если обмотка статора располагается на дуге, длина которой соответствует центральному углу α = 2τp, где τ – длина полюсного деления и p – число пар полюсов, тогда за один период тока вращающееся поле статора совершит поворот на угол 2τр/р = α/р, а в течение одной минуты поле повернется на n оборотов, т.е. будет иметь частоту вращения n, об/мин (формула 3.1). Выбирая различные α, можно выполнять дуговые двигатели с различными частотами вращения ротора.
|
|
(3.1) |
.
Рабочие свойства электрических машин в зависимости от исполнения подвижной части аналогичны свойствам машин либо с короткозамкнутым ротором, либо с массивным ротором.
Однако энергетические показатели дуговых машин хуже, чем у машин с кольцевым статором. Объясняется это тем, что в дуговых машинах возникают краевые эффекты, так как их статоры не замкнуты в кольцо. В результате этого кроме основного магнитного бегущего поля возникает пульсирующее поле, которое можно представить в виде прямого и обратного бегущих полей. Обратное поле создает паразитные тормозные силы, вызывает неравномерное распределение тока в фазах обмотки статора, искажение распределения магнитного поля в воздушном зазоре, дополнительные потери мощности. Поэтому энергетические и тяговые показатели дуговых электрических машин хуже, чем у машин нормального кольцевого исполнения. Особенно низкие энергетические показатели получаются при большом воздушном зазоре между статором и ротором.
МГД-вращатель, соединенный каналом с ванной плавильной печи может использоваться для ввода в плавильную печь мелких частиц лома (опилки, стружка и т.д.) или лигирующих элементов с минимальными потерями в процессе плавления и приготовления. Мелкие частицы, помещаются в емкость вращателя. При взаимодействии с горячим металлом эти частицы плавятся и растворяются по пути циркуляции расплава между ванной печи и цилиндрическим вращателем, включая соединительный канал, при этом введенный материал перемешивается с расплавом ванны плавильной печи. Если мелкие частицы сразу подавать в пространство газовой печи, где температура факела более 900о С, то большая часть этих частиц будет сгорать в результате окисления.
Явление вращения жидкого металла возникает в результате воздействия вращающегося магнитного поля на расплав. Его создает индуктор, включающий в себя трехфазную систему обмоток, включенную по схеме: «AZBXCY» и магнитопровод, состоящий из листовой электротехнической стали.
Устройство и принцип работы модели. На рисунке 3.2 представлены горизонтальный и вертикальный разрезы физической модели плавильной печи с МГД-вращателями жидкого металла. Установка состоит из каркасов ванны печи 1 и МГД-вращателя 2, выполненных из листа немагнитной стали, так что между емкостями ванны печи 4 и МГД-вращателем 5 имеется соединительный канал 3. Для моделирования жидкого металла в модели используется эвтектический сплав.
Вращающееся магнитное поле создается дугообразным индуктором, который состоит из магнитопровода 6 и трехфазной обмотки, катушки которой намотаны через спинку или ярмо магнитопровода. Индуктор имеет число пар полюсов p = 1, число пазов на полюс и фазу q = 1 и число пазов z = 2pm = 6 (m = 3 число фаз). Обмотка имеет фазную зону 60о (электрических)
Рисунок 3.2 – Модель МГД-вращателя. Где 1 – имитация ванны с расплавом;2 – загрузочный карман; 3 – канал между ванной и карманом;4 – расплав в ванне; 6 - магнитопровод; 7 – обмотки индуктора; 8 – направление движения расплава; 9 – алюминиевая стружка.
При подключении обмотки индуктора 7 к трехфазному напряжению в пазах индуктора возникают токи. В индукторе появляется вращающаяся волна линейной токовой нагрузки в последовательности A–Z–B–X–C–Y, что приводит к появлению в зазоре между индуктором и каркасом вращающегося магнитного поля. Угловая скорость вращения магнитного поля равна, об/мин.
|
|
(3.2) |
,
где
–
угол дуги индуктора, рад; f–
частота питающего напряжения, с-1.
В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля и наведенных им в жидком металле электрических токов создаются электромагнитные силы, приводящие расплав во вращение. Скорость вращения расплава определяется выражением
|
|
(3.3) |
,
где S – скольжение.
Поверхность сочленения соединительного канала 3 и цилиндрической емкости МГД-вращателя 5 имеет свойство винта. Поэтому вращение расплава вокруг оси, вызванное индуктором, приводит к появлению поступательного его движения вдоль оси. Возникает циркуляция расплава 8 показанная на рисунке 3.1.
Применение. В газовых плавильных печах для переплавки мелкодисперсного металлического лома (опилки, стружка, тонкостенная тара и др.). В частности, устройство реализовано на плавильной печи емкостью 20 т, установленной в плавильно-литейном цехе Саянского алюминиевого завода.