ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЯ

       электронный учебно-методический комплекс

Лекция 3

Лекция 3

Индукционный нагрев

3.1 Особенности индукционного нагрева

3.2 Индукторы (индукционные нагреватели)

3.3 Энергетические соотношения системы индуктор - изделие

3.4 Режимы и оптимальная частота высокочастотного индукционного нагрева

3.5 Расчет индукторов

3.6 Генераторы токов высокой частоты

3.7 Применение индукционного нагрева

Контрольные вопросы

Лабораторная работа 5

Индукционный нагрев

3.1 Особенности индукционного нагрева

Индукционный нагрев осуществляется в переменном магнитном поле. Проводники, помещенные в поле, нагреваются вихревыми токами, наводимыми в них по законам электромагнитной индукции.

Интенсивный нагрев можно получить лишь в магнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создаются специальными устройствами - индукторами (индукционными нагревателями), питаемыми от сети или индивидуальных генераторов токов высокой частоты (рис. 3.1). Индуктор является как бы первичной обмоткой воздушного трансформатора, вторичной обмоткой которого служит нагреваемое тело.

В зависимости от применяемых частот установки индукционного нагрева разделяются следующим образом:

а) низкой (промышленной) частоты (50 Гц);

б) средней (повышенной) частоты (до 10 кГц);

в) высокой частоты (свыше 10 кГц).

Рис. 3.1. Индукторы: а - цилиндрический; б - петлевой для нагрева плоских деталей; И - индуктор; Д - деталь.

Деление индукционного нагрева по частотным диапазонам диктуется техническими и технологическими соображениями. Физическая сущность и общие количественные закономерности для всех частот одинаковы и основываются на представлениях, о поглощении проводящей средой энергии электромагнитного поля.

Частота оказывает существенное влияние на интенсивность и характер нагрева. При частоте 50 Гц и напряженности магнитного поля 3000-5000 А/м удельная мощность нагрева не превышает 10 Вт/см², а при высокочастотном (ВЧ) нагреве мощность достигает сотен и тысяч Вт/см². При этом развиваются температуры, достаточные для плавления самых тугоплавких металлов.

Вместе с тем, чем выше частота, тем меньше глубина проникновения токов в металл и, следовательно, тоньше нагреваемый слой, и наоборот. На высоких частотах осуществляют поверхностный нагрев. Снижая частоту и увеличивая тем самым глубину проникновения тока, можно осуществить глубинный или даже сквозной нагрев, одинаковый по всему сечению тела. Таким образом, выбирая частоту, можно получить необходимый по технологическим условиям характер нагрева и его интенсивность. Возможность нагрева изделий практически на любую толщину - одно из основных преимуществ индукционного нагрева, который широко используется для поверхностей закалки деталей и инструмента.

Поверхностное упрочнение после индукционного нагрева значительно повышает износостойкость изделий по сравнению с тепловой обработкой в печах. Индукционный нагрев успешно применяется также для плавки, термической обработки, деформации металлов и в других процессах.

Индуктор - это рабочий орган установки индукционного нагрева. Эффективность нагрева тем выше, чем ближе вид испускаемой индуктором электромагнитной волны к форме нагреваемой поверхности. Вид волны (плоская, цилиндрическая и др.) определяется формой индуктора.

Конструктивное оформление индукторов зависит от формы нагреваемых тел, целей и условий нагрева. Простейший индуктор представляет собой изолированный проводник, помещенный внутрь металлической трубы, вытянутый или свернутый в спираль. При пропускании по проводнику тока промышленной частоты в трубе наводятся греющие ее вихревые токи. В сельском хозяйстве предпринимались попытки использовать этот принцип для обогрева почвы в закрытом грунте, насестов для птицы и др.

Рис. 3.2. Индуктор для закалки лемехов: а - индуктор; б - лемех.

В индукционных водонагревателях и пастеризаторах молока (работы по ним не вышли пока за рамки экспериментальных образцов) индукторы выполняют по типу статоров трехфазных электродвигателей. Внутрь индуктора помещен металлический сосуд цилиндрической формы. Вращающееся (или пульсирующее при однофазном исполнении) магнитное поле, создаваемое индуктором, наводит в стенках сосуда вихревые токи и нагревает их. От стенок тепло передается находящейся в сосуде жидкости.

При индукционной сушке древесины штабель досок перекладывают металлическими сетками и помещают (закатывают на специальной тележке) внутрь цилиндрического индуктора из проводников большого сечения, намотанных на каркас из изоляционного материала. Доски нагреваются от металлических сеток, в которых индуктируются вихревые токи.

Приведенные примеры поясняют принцип установок косвенного индукционного нагрева. К недостаткам таких установок относятся низкие энергетические показатели и малая интенсивность нагрева. Низкочастотный индукционный нагрев достаточно эффективен при прямом нагреве массивных металлических заготовок и определенном соотношении между их размерами и глубиной проникновения токов (см. далее).

Индукторы высокочастотных установок выполняют неизолированными, они состоят из двух основных частей - индуктирующего провода, при помощи которого создается переменное магнитное поле, и токоподводов для подключения индуктирующего провода к источнику электрической энергии.

Конструктивное выполнение индуктора может быть весьма разнообразным. Для нагрева плоских поверхностей используются плоские индукторы, цилиндрических заготовок - цилиндрические (соленоидные) индукторы и т. п. (рис. 3.1). Индукторы могут иметь сложную форму (рис. 3.2), обусловленную необходимостью концентрации электромагнитной энергии в нужном направлении, подвода охлаждающей и закалочной воды и пр.

Для создания полей высокой напряженности по индукторам пропускают большие токи, исчисляемые сотнями и тысячами ампер. В целях снижения потерь индукторы изготавливают с возможно малым активным сопротивлением. Несмотря на это, они все же интенсивно нагреваются как собственным током, так и за счет теплопередачи от заготовок, поэтому их оборудуют принудительным охлаждением. Индукторы обычно выполняют из медных трубок круглого или прямоугольного сечения, внутри которых пропускается проточная вода для охлаждения.

Удельная поверхностная мощность. Излучаемая индуктором электромагнитная волна падает на металлическое тело и, поглощаясь в нем, вызывает нагрев. Мощность потока энергии, протекающего через единицу поверхности тела, определяется формулой (11)

,

(3.1)

Удельную мощность на поверхности тела можно получить, подставив, в приведенное выражение z = 0; и значение k из формулы

(3.2)

с учетом выражения

.

(3.3)

После преобразования получаем (Вт/м²)

,

(3.4)

В практических расчетах пользуются размерностью D Р в Вт/см², тогда

,

(3.5)

где Н₀ - в А/см; r - в Ом×см.

Величина носит название коэффициента поглощения мощности. Выразим D Р через ампер-витки индуктора. С известным приближением напряженность магнитного поля H₀ можно представить в виде произведения действующего значения тока индуктора I и числа витков w ₀ на 1 см его высоты:

,

(3.6)

Подставив полученное значение H ₀ в формулу (207), получим

.

(3.7)

Таким образом, мощность, выделяемая в изделии, пропорциональна квадрату ампер-витков индуктора и коэффициенту поглощения мощности. При неизменной напряженности магнитного поля интенсивность нагрева тем больше, чем больше удельное сопротивление r , магнитная проницаемость материала m и частота тока f.

Формула (208) справедлива для плоской электромагнитной волны (см. § 2 главы I). При нагреве цилиндрических тел в соленоидных индукторах картина распространения волн усложняется. Отклонения от соотношений для плоской волны тем больше, чем меньше отношения r/z_а, где r - радиус цилиндра, z_а - глубина проникновения токов.

Рис. 3.3. Функции Берча для вычисления мощности у поверхности индуктора, выделяющейся в нагреваемом цилиндре и индукторе.

В практических расчетах все же пользуются простой зависимостью (208), вводя в нее поправочные коэффициенты - функции Берча, зависящие от отношения r/z_а (рис. 43). Тогда

,

(3.8)

К.п.д. индукционного нагрева. С известным приближением можно считать, что напряженность магнитного поля у поверхности заготовки и проводников индуктора одинакова (в действительности она выше). При таком допущении активную мощность, выделяемую в индукторе (мощность потерь), можно определять по формуле, аналогичной (209). Обозначая величины, относящиеся к изделию и индуктору, соответственно индексами "а" и "и", имеем

,

(3.9)

.

(3.10)

Принимая высоту изделия и индуктора одинаковой, возьмем отношение полных мощностей Р_а и Р_и, которые пропорциональны в этом случае радиусам r_а и r_и, где r_и - внутренний радиус цилиндрического индуктора:

.

(3.11)

Формула (212) справедлива для сплошного индуктора без зазоров между витками. При наличии зазоров потери в индукторе возрастают. При возрастании частоты функции F_а(r_а, z_а) и F_и(r_и, z_а) стремятся к единице (рис. 43), а отношение мощностей- к пределу

.

(3.12)

Формула позволяет получить предельное значение к. п. д. индукционного нагрева для соленоидного индуктора и цилиндра

.

(3.13)

Из выражения (3.13) следует, что к. п. д. уменьшается с увеличением воздушного зазора и удельного сопротивления материала индуктора. Поэтому индукторы выполняют из массивных медных трубок или шин. Как следует из выражения (214) и рисунка 43, значение к. п. д. приближается к своему пределу уже при r/z_a>5÷10. Это позволяет найти частоту, обеспечивающую достаточно высокий к. п. д. Воспользовавшись приведенным неравенством и формулой (15) для глубины проникновения z_a, получим

.

(3.14)

Следует отметить, что простые и наглядные зависимости (3.13) и (3.14) справедливы лишь для ограниченного числа сравнительно простых случаев индукционного нагрева.

Коэффициент мощности индуктора. Коэффициент мощности нагревательного индуктора определяется соотношением активного и индуктивного сопротивлений системы индуктор - изделие. При высокой частоте активное и внутреннее индуктивное сопротивления изделия равны, так как фазовый угол между векторами и составляет 45° и |D Р| = |D Q|. Следовательно, максимальное значение коэффициента мощности

.

(3.15)

Однако к внутренней индуктивности изделия добавляется еще индуктивность, обусловленная наличием магнитного потока в воздушном зазоре между индуктором и изделием. Поэтому действительное значение cosj всегда меньше 0,707 и при нагреве высокими частотами вычисляется по формуле

,

(3.16)

где а - воздушный зазор между индуктором и изделием, м.

Таким образом, коэффициент мощности зависит от электрических свойств материала изделия, воздушного зазора и частоты. С увеличением воздушного зазора возрастает индуктивность рассеяния и коэффициент мощности снижается.

Коэффициент мощности обратно пропорционален корню квадратному из частоты, поэтому необоснованное завышение частоты снижает энергетическиехпоказатели установок. Всегда следует стремиться к уменьшению воздушного зазора, однако здесь существует предел, обусловленный пробивной напряженностью воздуха. В процессе нагрева коэффициент мощности не остается постоянным, так как r и m (для ферромагнитов) изменяются с изменением температуры. В реальных условиях коэффициент мощности установок индукционного нагрева редко превышает значение 0,3, снижаясь до 0,1-0,01. Для разгрузки сетей и генератора от реактивных токов и повышения созф параллельно индуктору обычно включают компенсирующие конденсаторы.

Основными параметрами, характеризующими режимы индукционного нагрева, являются частота тока и к. п. д. В зависимости от применяемых частот условно различают два режима индукционного нагрева: глубинный нагрев и поверхностный.

Глубинный нагрев ("малыми частотами") осуществляется при такой частоте f когда глубина проникновения z_а примерно равна толщине нагреваемого (закаливаемого) слоя х_к (рис. 3.4, а). Нагрев происходит сразу на всю глубину слоя х_к скорость нагрева выбирают такой, чтобы передача тепла теплопроводностью в глубь тела была незначительной.

Поскольку в этом режиме глубина проникновения токов z_а сравнительно большая (z_а » х_к), то, согласно формуле:

(3.17)

частота тока индуктора должна быть относительно низкой ("малой"). Нагрев сразу всего слоя х_к требует сравнительно большой мощности генератора. Такой режим целесообразен при поточном производстве в условиях высокой загрузки оборудования.

Рис. 3.4 Распределение температуры от поверхности в глубь тела при глубинном (а) и поверхностном (б) индукционном нагреве.

Поверхностный нагрев ("большими частотами") проводят на сравнительно высоких частотах. При этом глубина проникновения токов z_а значительно меньше толщины нагреваемого слоя х_к (рис. 3.4,6). Прогрев на всю толщину х_к происходит за счет теплопроводности металла. При нагреве по этому режиму требуются меньшие мощности генератора (на рисунке 3.4 полезная мощность пропорциональна заштрихованным площадям, имеющим двойную штриховку), но время нагрева и удельный расход электроэнергий возрастают. Последнее связано с прогревом за счет теплопроводности глубинных слоев металла. К.п.д. нагрева, пропорциональный отношению площадей с двойной штриховкой ко всей площади, ограниченной кривой t и осями координат, во втором случае ниже. Вместе с тем следует отметить, что прогрев до определенной температуры слоя металла толщиной b , лежащего за слоем закалки и называемого переходным слоем, совершенно необходим для надежной связи закаленного слоя с основным металлом. При поверхностном нагреве этот слой толще и связь надежнее.

При значительном понижении частоты нагрев становится вообще неосуществимым, так как глубина проникновения будет очень большой и поглощение энергии в изделии незначительным.

Индукционным способом можно осуществлять как глубинный, так и поверхностный нагрев. При внешних источниках тепла (плазменный нагрев, в электропечах сопротивления) глубинный нагрев невозможен.

По принципу работы различают два вида индукционного нагрева: одновременный и непрерывно-последовательный.

При одновременном нагреве площадь индуктирующего провода, обращенная к нагреваемой поверхности изделия, примерно равна площади этой поверхности, что позволяет одновременно нагревать все ее участки. При непрерывно-последовательном нагреве изделие перемещается относительно индуктирующего провода, и нагрев отдельных его участков происходит по мере прохождения рабочей зоны индуктора.

Выбор частоты. Достаточно высокий к. п. д. может быть получен лишь при определенном соотношении между размерами тела и частотой тока. О выборе оптимальной частоты тока упоминалось выше. В практике индукционного нагрева частоту выбирают по эмпирическим зависимостям.

При нагреве деталей под поверхностную закалку на глубину х_к (мм) оптимальную частоту (Гц) находят из следующих зависимостей: для деталей простой формы (плоские поверхности, тела вращения)

,

(3.18)

для деталей сложной формы

.

(3.19)

При сквозном нагреве стальных цилиндрических заготовок диаметром d (мм) необходимую частоту определяют по формуле

.

(3.20)

Рис. 3.5 Изменение удельной мощности, выделяемой в стали, в процессе нагрева под закалку.

В процессе нагрева удельное сопротивление металлов r возрастает. У ферромагнетиков (железо, никель, кобальт и др.) с повышением температуры снижается значение магнитной проницаемости m . При достижении точки Кюри магнитная проницаемость ферромагнетиков падает до 1, то есть они теряют свои магнитные свойства. Обычная же температура нагрева под закалку 800-1000° С, под обработку давлением 1000 - 1200° С, то есть выше точки Кюри. Изменение физических свойств металлов с изменением температуры приводит к изменению коэффициента поглощения мощности и удельной поверхностной мощности (3.8), поступающей в изделие в процессе нагрева (рис. 3.5). Вначале вследствие возрастания r удельная мощность D Р увеличивается и достигает максимального значения D Р_mах= (1,2÷1,5) D Р_нач, а затем вследствие потери сталью магнитных свойств падает до минимального D Р_min. Для поддержания нагрева в оптимальном режиме (с достаточно высоким к. п. д.) установки снабжают устройствами согласования параметров генератора и нагрузки, то есть возможностью регулирования режима нагрева.

Если сравнивать сквозной нагрев заготовок под пластическую деформацию индукционным способом и электроконтактным способом (оба относятся к прямому нагреву), то можно сказать, что по расходу электроэнергии электроконтактный нагрев целесообразен для длинных заготовок сравнительно небольшого сечения, а индукционный - для короткомерных заготовок относительно больших диаметров.

Строгий расчет индукторов довольно громоздок и связан с привлечением дополнительных полуэмпирических данных. Мы рассмотрим упрощенный расчет цилиндрических индукторов для поверхностной закалки, основываясь на полученных выше зависимостях.

Тепловой расчет. Из рассмотрения режимов индукционного нагрева следует, что одну и ту же толщину закаленного слоя х_к можно получить при различных значениях удельной мощности D Р и длительности нагрева t. Оптимальный режим определяется не только толщиной слоя х_к, но и величиной переходной зоны b, связывающей закаленный слой с глубинными слоями металла.

Рис. 3.6. Зависимость длительности нагрева от толщины закаливаемого слоя.

Рис. 3.7. Зависимость средней удельной мощности от толщины закаливаемого слоя.

При отсутствии устройств регулирования мощности генератора характер изменения удельной мощности, потребляемой стальным изделием, изображен графиком, приведенным на рисунке 3.5. В процессе нагрева величина рц изменяется и к концу нагрева, после перехода через точку Кюри, резко уменьшается. Происходит как бы самовыключение стального изделия, что обеспечивает высокое качество закалки без пережогов. При наличии регулирующих устройств мощность D Р может быть равной или даже меньше D Р_min (рис. 3.5), что позволяет за счет удлинения процесса нагрева уменьшать удельную мощность, требуемую для данной толщины закаливаемого слоя х_к.

Графики режимов нагрева под поверхностную закалку для углеродистых и малолегированных сталей при толщине переходной зоны, составляющей 0,3-0,5 от закаливаемого слоя, приведены на рисунках 3.6 и 3.7.

Выбрав значение D Р, нетрудно найти мощность, подводимую к индуктору,

,

(3.21)

где d_а - диаметр изделия, см;

h_и -высота индуктора (см), принимаемая на 10-20% больше ширины закаливаемого слоя;

h _и - к. п. д. индуктора (рис. 3.8).

Колебательная мощность генератора

,

(3.22)

где h _тр - к. п. д. высокочастотного (закалочного) трансформатора.

Мощность, потребляемая из сети,

,

(3.23)

где h_г - к. п. д. генератора (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Зависимость к. п. д. установок индукционного нагрева от диаметра заготовок: 1 - к. п. д. индуктора; 2 - к.п.д. высокочастотного трансформатора; 3 - к. п. д. генератора; 4 - общий к. п. д.

Потребляемая мощность генератора (равная при номинальной загрузке установленной) может быть, согласно выражению

,

(3.24)

определена по удельному расходу электроэнергии а (кВт-ч/т) и производительности G (т/ч):

(3.25)

Удельный расход электроэнергии (кВт-ч/т) при индукционном нагреве определяют по следующим формулам:

для сквозного нагрева

,

(3.25)

для поверхностного нагрева

,

(3.26)

где D i - приращение теплосодержания заготовки в результате нагрева, кДж/кг;

D -плотность материала заготовки, кг/м³;

М₃-масса заготовки, кг;

S₃- поверхность закаливаемого слоя, м²;

b - угар металла (при индукционном нагреве 0,5-1,5%);

h _тп - к. п. д. передачи тепла за счет теплопроводности внутри заготовки (при поверхностной закалке h _тп = 0,50).

Остальные обозначения объяснены выше.

Примерные значения удельного расхода электроэнергии при индукционном нагреве: отпуск-120, закалка - 250, цементация - 300, сквозной нагрев под механическую обработку - 400 кВт-ч/т.

Электрический расчет. В основе электрического расчета лежит зависимость (3.7). Рассмотрим случай, когда глубина проникновения z_а значительно меньше размеров индуктора и детали, а расстояние а между индуктором и изделием мало по сравнению с шириной индуктирующего проводника b (рис. 3.1). Для этого случая индуктивность L_с системы индуктор - изделие можно выразить по формуле

(3.27)

где l - развернутая длина индуктирующего проводника.

Тогда ток индуктора

(3.28)

Подставив значение тока в формулу (3.7) и имея в виду, что

(3.29)

после преобразования получим

(3.30)

Формула (3.30) дает связь между удельной мощностью, электрическими параметрами и геометрическими размерами индуктора, физическими характеристиками нагреваемого металла. Принимая за функцию размеры индуктора, получим

(3.31)

Для углеродистой стали можно принять: в холодном состоянии r = 10^-5 Ом× см, m = 100; в нагретом до 800° С состоянии r = 10^-4 Ом× см, m =1. Тогда формула (3.31) примет следующий вид:

для холодного состояния

(3.32)

для нагретого состояния

(3.33)

Значение U_и при поверхностной закалке находится в пределах 50 - 100 В, а при сквозном нагреве 100 - 250 В. Формулы (3.30), (3.31) позволяют найти любую из входящих в них величин при известных других.

Рис. 3.9. Векторная диаграмма индуктора.

Коэффициент мощности индуктора

(3.34)

обычно очень низок. Для повышения соsj до нормируемого значения подключают конденсаторные батареи, реактивная мощность которых в 10 - 20 раз превышает активную мощность установок.

Необходимую емкость компенсирующих конденсаторов при подключении их непосредственно на вход индуктора определяют следующим образом (рис. 3.9).

Компенсируемая реактивная мощность индуктора

(3.35)

(3.36)

должна быть равна реактивной мощности конденсаторов

откуда

(3.37)

где Р - активная мощность индуктора, Вт;

U_и - напряжение на индукторе, В;

f - частота, Гц.

При подключении конденсаторов к первичной цепи высокочастотного трансформатора емкость конденсаторов должна быть увеличена для компенсации реактивности трансформатора и соединяющих проводников.

Пример. Рассчитать индуктор и выбрать высокочастотную установку для поверхностной закалки цилиндрических заготовок из углеродистой стали диаметром d_а = 30 мм и высотой h_а = 90 мм. Глубина закаливаемого слоя х_к = 1 мм, напряжение на индукторе U_и =100 В. Находим рекомендуемую частоту по формуле (218):

Гц.

Останавливаемся на ближайшей из применяемых частот f =67 кГц.

Из графика (рис. 3.7) принимаем D Р = 400 Вт/см².

По формуле (3.33) находим аl для холодного состояния:

см².

Принимаем а = 0,5 см, тогда диаметр индуктора

см.

Длина индуктирующего проводника

см

Число витков индуктора

Высота индуктора

см.

Мощность, подводимая к индуктору, по

кВт

где 0,66 - к. п. д. индуктора (рис. 3.8).

Колебательная мощность генератора

кВт.

Выбираем высокочастотную установку ЛПЗ-2-67М, имеющую колебательную мощность 63 кВт и рабочую частоту 67 кГц.

В технике индукционного нагрева используются токи низкой (промышленной) частоты 50 Гц, средней частоты 150-10000 Гц и высокой частоты от 60 кГц до 100 МГц.

Токи средней частоты получают при помощи машинных генераторов или статических преобразователей частоты. В диапазоне 150-500 Гц используются генераторы обычного синхронного типа, а выше (до 10 кГц) - машинные генераторы индукторного типа.

В последнее время машинные генераторы вытесняются более надежными статическими преобразователями частоты, выполняемыми на трансформаторах и тиристорах.

Токи высокой частоты от 60 кГц и выше получают исключительно при помощи ламповых генераторов. Установки с ламповыми генераторами используются для выполнения разнообразных операций термической обработки, поверхностной закалки, плавки металлов и др.

Не затрагивая теории вопроса, излагаемой в других курсах, рассмотрим лишь некоторые особенности генераторов для нагрева.

Рис. 3.10. Принципиальная электрическая схема лампового автогенератора для индукционного нагрева: Тр1 - трансформатор анодный; бп - выпрямитель на тиратронах; Пр - предохранитель; Lст - дроссель анодный; Л - лампа генераторная; Ср - конденсатор разделительный; Сг, Rг - конденсатор и сопротивление гридлика; С1, L1 - конденсатор и индуктивность анодного контура; L2 - катушка связи; С2 - конденсатор нагревательного контура; Тр2-высокочастотный трансформатор; И - индуктор; Д - деталь.

Нагревательные генераторы выполняются, как правило, с самовозбуждением (автогенераторы). По сравнению с генераторами независимого возбуждения они проще по устройству и имеют лучшие энергетические и экономические показатели.

Схемы ламповых генераторов для нагрева принципиально не отличаются от радиотехнических, но имеют некоторые особенности. От этих схем не требуется строгая стабильность частоты, что заметно их упрощает. Принципиальная схема простейшего генератора для индукционного нагрева приведена на рисунке 3.10.

Основным элементом схемы является генераторная лампа. В нагревательных генераторах чаще всего используются трехэлектродные лампы, которые по сравнению с тетродами и пентодами проще и обеспечивают достаточную надежность и устойчивость генерации. Нагрузкой генераторной лампы служит анодный колебательный контур, параметры которого индуктивность L и емкость С подбираются из условия работы контура в резонансе на рабочей частоте:

(3.38)

Для собственной частоты эквивалентное резонансное сопротивление контура R_а является чисто активным

(3.39)

где R - приведенное сопротивление потерь контура.

Параметры контура R, L, С определяются с учетом изменений, вносимых электрофизическими свойствами нагреваемых тел.

Питание анодных цепей генераторных ламп осуществляется постоянным током от выпрямителей, собранных на тиратронах или газотронах (рис. 3.10). Питание переменным током по экономическим соображениям применяется только для малых мощностей (до5 кВт). Вторичное напряжение силового (анодного) трансформатора, питающего выпрямитель, составляет 8 - 10 кВ, выпрямленное напряжение 10 - 13 кВ.

Незатухающие колебания в автогенераторе возникают при наличии достаточной положительной обратной связи сетки с контуром и выполнении определенных условий, связывающих параметры лампы и контура.

Коэффициент обратной сеточной связи

(3.40)

должен отвечать следующему аналитическому условию самовозбуждения автогенератора:

,

(3.41)

где U_с, U_к, U_а - напряжения соответственно на сетке, колебательном контуре и аноде генераторной лампы;

D - проницаемость лампы;

s_д - динамическая крутизна анодно-сеточной характеристики лампы.

Обратная сеточная связь в генераторах для индукционного нагрева выполняется чаще всего по трехточечной схеме, когда сеточное напряжение берется от части индуктивности анодного или нагревательного контура. На рисунке 3.10 напряжение на сетку подается от части витков катушки связи L2, которая представляет собой элемент индуктивности нагревательного контура.

Нагревательные генераторы в отличие от радиотехнических чаще всего выполняются двухконтурными (рис. 3.10) или даже одноконтурными. Двухконтурные генераторы легче настраиваются в резонанс и более устойчивы в работе.

В генераторах возбуждаются колебания второго рода. Анодный ток протекает через лампу импульсами, только в течение части (1/2-1/3) периода. Благодаря этому снижается постоянная составляющая анодного тока, уменьшается нагрев анода и повышается к. п. д. генератора. Форму импульсов имеет и сеточный ток. Отсечка анодного тока (в пределах угла отсечки q = 70-90°) осуществляется подачей на сетку постоянного отрицательного смещения, которое создается падением напряжения на сопротивлении гридлика R_г при протекании постоянной составляющей сеточного тока.

Генераторы для нагрева имеют изменяющуюся в процессе нагрева нагрузку, вызванную изменением электрофизических свойств нагреваемых материалов. Чтобы обеспечить работу генератора в оптимальном режиме, характеризуемом наибольшими значениями отдаваемой мощности и к. п. д., установки оборудуют устройствами согласования нагрузки. Оптимальный режим достигается подбором соответствующего значения коэффициента обратной сетчатой связи k_с и выполнением условия

(3.42)

где R_э - эквивалентное сопротивление (оптимальная нагрузка) генераторной лампы, зависящее от типа и режима лампы, напряжения источника питания и коэффициента обратной связи k_с, определяемое по формуле

,

(3.43)

где Е_а- напряжение источника питания;

Е_с - постоянное смещение на сетке;

I_а1 -первая гармоника анодного тока.

Для согласования нагрузки в схемах предусматривается возможность регулировать резонансное сопротивление контура R_а и изменять напряжение на сетке U_с. Изменение этих величин достигается введением в контур дополнительных емкостей или индук-тивностей и переключением анодного, катодного и сеточного зажимов (щупов), соединяющих контур с лампой.

Установки индукционного нагрева весьма распространены на ремонтных заводах и предприятиях "Сельхозтехники".

В ремонтном производстве токи средней и высокой частоты применяются для сквозного и поверхностного нагрева деталей из чугуна и стали под закалку, перед горячей деформацией (ковкой, штамповкой), при восстановлении деталей методами наплавки и высокочастотной металлизации, при пайке твердыми припоями и др.

Особое место занимает поверхностная закалка деталей. Возможность концентрации мощности в заданном месте детали позволяет получать сочетание наружного закаленного слоя с пластичностью глубинных слоев, что значительно повышает износостойкость и устойчивость к знакопеременным и ударным нагрузкам.

Достоинства поверхностной закалки при помощи индукционного нагрева заключаются в следующем:

1) возможность закаливать детали и инструмент на любую необходимую толщину, при необходимости обрабатывая только рабочие поверхности;

2) значительное ускорение процесса закаливания, что обеспечивает высокую производительность установок и снижает стоимость термообработки;

3) обычно меньший по сравнению с другими способами нагрева удельный расход энергии вследствие избирательности нагрева (только на заданную глубину) и быстротечности процесса;

4) высокое качество закаливания и уменьшение брака;

5) возможность организации поточности производства и автоматизации процессов;

6) высокая культура производства, улучшение санитарно-гигиенических условий труда.

Установки индукционного нагрева выбирают по следующим основным параметрам: назначению, номинальной колебательной мощности, рабочей частоте. Выпускаемые промышленностью установки имеют стандартную шкалу мощностей со следующими ступенями: 0,16; 0,25; 0,40; 0,63; 1,0 кВт и далее при умножении этих чисел на 10, 100 и 1000.

Установки для индукционного нагрева имеют мощности от 1,0 до 1000 кВт, в том числе с ламповыми генераторами до 250 кВт, а выше - с машинными генераторами. Рабочую частоту, определяемую расчетом, уточняют по шкале частот, разрешенных для применения в электротермии.

Высокочастотные установки для индукционного нагрева имеют единую индексацию: ВЧИ (высокочастотные индукционные).

После букв через тире обозначается в числителе колебательная мощность (кВт), в знаменателе - частота (МГц). После цифр пишутся буквы, обозначающие технологическое назначение. Например: ВЧИ-40/0,44-ЗП - высокочастотная установка индукционного нагрева, колебательная мощность 40 кВт, частота 440 кГц; буквы ЗП - для закалки поверхностей (НС - для сквозного нагрева, СТ - сварки труб и т. п.).

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип индукционного нагрева. Область его применения.

2. Перечислите основные элементы установки индукционного нагрева и укажите их назначение.

3. Как выполняется обмотка нагревателя?

4. Каковы достоинства нагревателя?

5. В чем заключается явление поверхностного эффекта?

6. Где может применяться индукционный воздушный нагреватель?

7. От чего зависит глубина проникновения тока в нагреваемый материал?

8. Чем определяется КПД кольцевого индуктора?

9. Почему для выполнения индукционных нагревателей на промышленной частоте необходимо применять ферромагнитные трубы?

10. Что наиболее существенно влияет на cos индуктора?

11. Как изменяется скорость нагрева с повышением температуры нагреваемого материала?

12. На какие параметры стали влияет измерение температуры?

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006