Индукционный нагрев, основные принципы и технологии.
Индукционный нагрев (Induction Heating) — метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH — radio-frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов.
Индукционный нагрев — это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно — это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла (см. закон Джоуля-Ленца).
Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.
На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Δ (Поверхностный-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое Δ плотность тока уменьшается в e раз относительно плотности тока на поверхности заготовки, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла (от общего тепловыделения. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала заготовки.
Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри μ имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электролиты, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице.
Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,25 мм, для железа ≈ 0,001 мм.
Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием — этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.
Применение:
Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.
Получение опытных образцов сплавов.
Гибка и термообработка деталей машин.
Ювелирное дело.
Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.
Поверхностная закалка.
Закалка и термообработка деталей сложной формы.
Обеззараживание медицинского инструмента.
Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.
Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в непроводящей жидкости, в вакууме.
Нагрев через стенки защитной камеры, изготовленной из стекла, цемента, пластмасс, дерева — эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки. Нагревается только электропроводящий материал — металл (в том числе расплавленный), углерод, проводящая керамика, электролиты, жидкие металлы и т. п.
За счёт возникающих МГД усилий происходит интенсивное перемешивание жидкого металла, вплоть до удержания его в подвешенном состоянии в воздухе или защитном газе — так получают сверхчистые сплавы в небольших количествах (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле).
Поскольку разогрев ведётся посредством электромагнитного излучения, отсутствует загрязнение заготовки продуктами горения факела в случае газопламенного нагрева, или материалом электрода в случае дугового нагрева. Помещение образцов в атмосферу инертного газа и высокая скорость нагрева позволят ликвидировать окалинообразование.
Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора.
Индуктор можно изготовить особой формы — это позволит равномерно прогревать по всей поверхности детали сложной конфигурации, не приводя к их короблению или локальному непрогреву.
Легко провести местный и избирательный нагрев.
Так как наиболее интенсивно разогрев идет в тонких верхних слоях заготовки, а нижележащие слои прогреваются более мягко за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина при этом остаётся вязкой).
Лёгкая автоматизация оборудования — циклов нагрева и охлаждения, регулировка и удерживание температуры, подача и съём заготовок.
Установки индукционного нагрева:
На установках с рабочей частотой до 300 кГц используют инверторы на IGBT-сборках или MOSFET-транзисторах. Такие установки предназначены для разогрева крупных деталей. Для разогрева мелких деталей используются высокие частоты (до 5 МГц, диапазон средних и коротких волн), установки высокой частоты строятся на электронных лампах.
Также для разогрева мелких деталей строятся установки повышенной частоты на MOSFET-транзисторах на рабочие частоты до 1,7 МГц. Управление транзисторами и их защита на повышенных частотах представляет определённые трудности, поэтому установки повышенной частоты пока ещё достаточно дороги.
Индуктор для нагрева мелких деталей имеет небольшие размеры и небольшую индуктивность, что приводит к уменьшению добротности рабочего колебательного контура на низких частотах и снижению КПД, а также представляет опасность для задающего генератора (добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью слишком хорошо «накачивается» энергией, образует короткое замыкание по индуктору и выводит из строя задающий генератор). Для повышения добротности колебательного контура используют два пути:
— повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;
— применение ферромагнитных вставок в индукторе; обклеивание индуктора панельками из ферромагнитного материала.
Так как наиболее эффективно индуктор работает на высоких частотах, промышленное применение индукционный нагрев получил после разработки и начала производства мощных генераторных ламп. До первой мировой войны индукционный нагрев имел ограниченное применение. В качестве генераторов тогда использовали машинные генераторы повышенной частоты (работы В. П. Вологдина) или искровые разрядные установки.
Схема генератора может быть в принципе любой (мультивибратор, RC-генератор, генератор с независимым возбуждением, различные релаксационные генераторы), работающей на нагрузку в виде катушки-индуктора и обладающей достаточной мощностью. Необходимо также, чтобы частота колебаний была достаточно высока.
Например, чтобы «перерезать» за несколько секунд стальную проволоку диаметром 4 мм, необходима колебательная мощность не менее 2 кВт при частоте не менее 300 кГц.
Выбирают схему по следующим критериям: надёжность; стабильность колебаний; стабильность выделяемой в заготовке мощности; простота изготовления; удобство настройки; минимальное количество деталей для уменьшения стоимости; применение деталей, в сумме дающих уменьшение массы и габаритов, и др.
На протяжении многих десятилетий в качестве генератора высокочастотных колебаний применялась индуктивная трёхточка (генератор Хартли, генератор с автотрансформаторной обратной связью, схема на индуктивном делителе контурного напряжения). Это самовозбуждающаяся схема параллельного питания анода и частотно-избирательной цепью, выполненной на колебательном контуре. Она успешно использовалась и продолжает использоваться в лабораториях, ювелирных мастерских, на промышленных предприятиях, а также в любительской практике. К примеру, во время второй мировой войны на таких установках проводили поверхностную закалку катков танка Т-34.
Недостатки трёх точки:
Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).
Сильное отклонение частоты в момент нагрева заготовок из магнитных материалов выше точки Кюри (≈700С) (изменяется μ), что изменяет глубину скин-слоя и непредсказуемо изменяет режим термообработки. При термообработке ответственных деталей это может быть недопустимо. Также мощные твч-установки должны работать в узком диапазоне разрешённых Россвязьохранкультурой частот, поскольку при плохом экранировании являются фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам.
При смене заготовок (например, более мелкой на более крупную) изменяется индуктивность системы индуктор-заготовка, что также приводит к изменению частоты и глубины скин-слоя.
При смене одновитковых индукторов на многовитковые, на более крупные или более малогабаритные частота также изменяется.
Под руководством Бабата, Лозинского и других учёных были разработаны двух- и трёхконтурные схемы генераторов, имеющих более высокий кпд (до 70 %), а также лучше удерживающие рабочую частоту. Принцип их действия состоит в следующем. За счёт применения связанных контуров и ослабления связи между ними, изменение индуктивности рабочего контура не влечёт сильного изменения частоты частотозадающего контура. По такому же принципу конструируются радиопередатчики.
Недостаток многоконтурных систем — повышенная сложность и возникновение паразитных колебаний УКВ-диапазона, которые бесполезно рассеивают мощность и выводят из строя элементы установки. Также такие установки склонны к затягиванию колебаний — самопроизвольному переходу генератора с одной из резонансных частот на другую.
Современные твч-генераторы — это инверторы на IGBT-сборках или мощных MOSFET-транзисторах, обычно выполненные по схеме мост или полумост. Работают на частотах до 500 кГц. Затворы транзисторов открываются с помощью микроконтроллерной системы управления. Система управления в зависимости от поставленной задачи позволяет автоматически удерживать
а) постоянную частоту
б) постоянную мощность, выделяемую в заготовке
в) максимально высокий КПД.
Например, при нагреве магнитного материала выше точки Кюри толщина скин-слоя резко увеличивается, плотность тока падает, и заготовка начинает греться хуже. Также пропадают магнитные свойства материала и прекращается процесс перемагничивания — заготовка начинает греться хуже, сопротивление нагрузки скачкообразно уменьшается — это может привести к «разносу» генератора и выходу его из строя. Система управления отслеживает переход через точку Кюри и автоматически повышает частоту при скачкообразном уменьшении нагрузки (либо уменьшает мощность).
Индуктор по возможности необходимо располагать как можно ближе к заготовке. Это не только увеличивает плотность электромагнитного поля вблизи заготовки (пропорционально квадрату расстояния), но и увеличивает коэффициент мощности Cos(φ).
Увеличение частоты резко уменьшает коэффициент мощности (пропорционально кубу частоты).
При нагреве магнитных материалов дополнительное тепло также выделяется за счет перемагничивания, их нагрев до точки Кюри идет намного эффективнее.
При расчёте индуктора необходимо учитывать индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше индуктивности самого индуктора (если индуктор выполнен в виде одного витка небольшого диаметра или даже части витка — дуги).
Имеются два случая резонанса в колебательных контурах: резонанс напряжений и резонанс токов.
Параллельный колебательный контур – резонанс токов.
В этом случае на катушке и на конденсаторе напряжение такое же, как у генератора. При резонансе, сопротивление контура между точками разветвления становится максимальным, а ток (I общ) через сопротивление нагрузки Rн будет минимальным (ток внутри контура I-1л и I-2с больше чем ток генератора).
В идеальном случае полное сопротивление контура равно бесконечности — схема не потребляет тока от источника. При изменение частоты генератора в любую сторону от резонансной частоты полное сопротивление контура уменьшается и линейный ток (I общ) возрастает.
Последовательный колебательный контур – резонанс напряжений.
Главной чертой последовательного резонансного контура является то, что его полное сопротивление минимально при резонансе. (ZL + ZC – минимум). При настройке частоты на величину, превышающую или лежащую ниже резонансной частоты, полное сопротивление возрастает.
Вывод:
В параллельном контуре при резонансе ток через выводы контура равен 0, а напряжение максимально.
В последовательном контуре наоборот — напряжение стремится к нулю, а ток максимален.
Источник
ЭЛЕКТР О ТЕХНОЛОГИЯ
электронный учебно-методический комплекс
|
|
|
|
|
|
|
Лекция 3
 |
Лекция 3
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/см 2 , а при высокочастотном (ВЧ) нагреве мощность достигает сотен и тысяч Вт/см 2 . 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/м 2 )
 , | (3.4) |
В практических расчетах пользуются размерностью D Р в Вт/см 2 , тогда
 , | (3.5) |
где Н 0 — 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 H 0 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 cos j 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/м 3 ;
М 3 —масса заготовки, кг;
S 3 — поверхность закаливаемого слоя, м 2 ;
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 соs j 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
 | (3.37) |
где Р — активная мощность индуктора, Вт;
U и — напряжение на индукторе, В;
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/см 2 .
По формуле (3.33) находим аl для холодного состояния:
см 2 .
Принимаем а = 0,5 см, тогда диаметр индуктора
см.
Длина индуктирующего проводника
см
Число витков 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; б п — выпрямитель на тиратронах; Пр — предохранитель; Lст — дроссель анодный; Л — лампа генераторная; С р — 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.).
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
Источник
