От чего зависит мощность индуктора. Индукционный нагрев, основные принципы и технологии. Индуктивный разряд без внешнего магнитного поля

Изобретение относится к электротехнике и направлено на увеличение срока службы ВЧИ-плазмотронов и повышение их теплового КПД. Поставленная задача решается тем, что ВЧИ-плазмотрон содержит цилиндрическую разрядную камеру, выполненную в виде водоохлаждаемых продольных профилированных металлических секций, размещенных в защитном диэлектрическом кожухе, охватывающий кожух индуктор, установленные внутри разрядной камеры в ее торцевой части узлы ввода основного и термозащитного газов. Узел ввода термозащитного газа выполнен в виде одного или более коаксиальных кольцевых рядов продольных металлических трубок с количеством в каждом ряду, равным количеству продольных профилированных металлических секций. Трубки со стороны индуктора имеют профилированный зазор для выхода газа, а также продольный зазор относительно соседних трубок в ряду до расстояния не менее одного внутреннего диаметра разрядной камеры, считая от ближайшего витка индуктора. Трубки соединены по боковой поверхности пайкой или сваркой с радиально расположенными продольными металлическими трубками соседнего коаксиального кольцевого ряда, причем продольные металлические трубки ряда, ближайшего к продольным профилированным металлическим секциям, соединены по боковой поверхности со смежной секцией пайкой или сваркой. Узел ввода основного газа со стороны индуктора снабжен диафрагмой, расположенной на расстоянии не менее одного внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего витка индуктора и имеющей, по крайней мере, одно отверстие для прохода газа. Торцы продольных металлических трубок для выхода газа в каждом ряду расположены вне зоны индуктора и равноудалены от его ближайшего витка, а расстояние торцов продольных металлических трубок для выхода газа от ближайшего витка индуктора увеличивается с удалением коаксиального кольцевого ряда от продольных профилированных металлических секций. Продольные металлические трубки расположены на поверхности соседних, радиально расположенных продольных металлических трубок, причем продольные металлические трубки коаксиального кольцевого ряда, ближайшего к продольным профилированным металлическим секциям, расположены на поверхности смежных секций. Диафрагма со стороны индуктора образует кольцевой зазор для прохода газа с продольными металлическими трубками ближайшего коаксиального кольцевого ряда, а высота кольцевого зазора для прохода газа выполнена меньше высоты профилированного зазора для выхода газа продольных металлических трубок ближайшего коаксиального кольцевого ряда. Использование предлагаемой конструкции ВЧИ-плазмотрона в качестве генератора низкотемпературной плазмы в струйно-плазменных процессах обработки дисперсных материалов позволило создать эффективные плазменные реакторные устройства для вскрытия тонкоизмельченного рудного сырья, сфероидизации дисперсных материалов и получения высокодисперсных порошков оксидов за счет генерирования незакрученных плазменных струй при тепловом КПД ВЧИ-плазмотронов более 80%. 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

И устройствах тепло в нагреваемом приборе выделяется токами, возникающими в переменном электромагнитном поле внутри агрегата. Называются они индукционными. В результате их действия происходит повышение температуры. Индукционный нагрев металлов основывается на двух главных физических законах:

• Фарадея-Максвелла;
• Джоуля-Ленца.

В металлических телах при их помещении в переменное поле начинают возникать вихревые электрические поля.

Устройство индукционного нагрева

Все происходит следующим образом. Под действием переменного изменяется электродвижущая сила (ЭДС) индукции.

ЭДС действует так, что внутри тел протекают вихревые токи, которые и выделяют теплоту в полном соответствии с законом Джоуля-Ленца. Также ЭДС генерирует переменный ток в металле. При этом происходит выделение тепловой энергии, что и приводит к повышению температуры металла.

Этот вид нагрева самый простой, так как является бесконтактным. Он позволяет достигать очень высоких температур, при которых можно обрабатывать

Чтобы обеспечить индукционный нагрев, требуется создать в электромагнитных полях определенное напряжение и частоту. Сделать это можно в специальном приборе - индукторе. Питание его производится от промышленной сети в 50 Гц. Можно для этого использовать индивидуальные источники питания - преобразователи и генераторы.

Самое простое устройство индуктора небольшой частоты - спираль (проводник изолированный), который может быть помещен внутрь металлической трубы или намотан на нее. Проходящие токи нагревают трубу, которая, в свою очередь, передает тепло в окружающую среду.

Применение индукционного нагрева на малых частотах - достаточно редко. Более распространена обработка металлов на средней и высокой частоте.

Такие устройства отличаются тем, что магнитная волна попадает на поверхность, где происходит ее затухание. Тело преобразует энергию этой волны в тепло. Для достижения максимального эффекта обе составляющие должны быть близки по форме.

Где используются

Применение индукционного нагрева в современном мире широко распространено. Область использования:

• плавка металлов, их пайка бесконтактным способом;
• получение новые сплавов металлов;
• машиностроение;
• ювелирное дело;
• изготовление небольших деталей, которые могут быть повреждены при применении других методов;
• (причем детали могут быть самой сложной конфигурации);
• термообработка (обработка деталей для машин, закаленных поверхностей);
• медицина (дезинфекция приборов и инструментов).

Индукционный нагрев: положительные характеристики

У такого способа немало преимуществ:

• С его помощью можно быстро нагреть и расплавить любой проводящий ток материал.
• Позволяет производить нагрев в любой среде: в вакууме, атмосфере, жидкости, не проводящей ток.
• За счет того что нагревается только проводящий материал, стенки, слабо поглощающие волны, остаются холодными.
• В специализированных областях металлургии получение сверхчистых сплавов. Это занимательный процесс, ведь металлы перемешиваются в в оболочке из защитного газа.

• В сравнении с другими типами, индукционный не загрязняет окружающую среду. Если в случае с газовыми горелками загрязнение присутствует, так же как и в дуговом нагреве, то индукционный это исключает, за счет "чистого" электромагнитного излучения.
• Малые размеры прибора индуктора.
• Возможность изготовления индуктора любой формы, это не приведет к локальному нагреву, а будет способствовать равномерному распределению тепла.
• Незаменим, если необходимо нагреть только определенный участок поверхности.
• Не составляет большого труда настроить такое оборудование на нужный режим и регулировать его.

Недостатки

Система имеет такие минусы:

• Самостоятельно установить и наладить тип нагрева (индукционный) и его оборудование довольно непросто. Лучше обратиться к специалистам.
• Необходимость точно сопоставить индуктор и заготовку, иначе недостаточным будет индукционный нагрев, мощность его может достигать малых величин.

Отопление индукционным оборудованием

Для обустройства индивидуального отопления можно рассмотреть такой вариант, как индукционный нагрев.

В качестве агрегата пойдет трансформатор, состоящий из обмоток двух видов: первичной и вторичной (которая, в свою очередь, коротко замкнута).

Как работает

Принцип работы обычного индуктора: вихревые потоки проходят внутри и направляют электрическое поле на второй корпус.

Чтобы через такой котел проходила вода, к нему подводят два патрубка: для холодной, что поступает, и на выходе теплой воды - второй патрубок. За счет давления вода постоянно циркулирует, что исключает возможность нагрева элемента индуктора. Наличие накипи здесь исключено, так как в индукторе происходят постоянные вибрации.

Такой элемент в обслуживании будет недорогим. Главный плюс в том, что прибор работает бесшумно. Устанавливать его можно в любом помещении.

Изготовление оборудования самостоятельно

Установка индукционного нагрева большой сложности не составит. Даже тот, кто не имеет опыта, после тщательного изучения справится с поставленной задачей. Перед началом работы нужно запастись следующими необходимыми элементами:

• Инвертор. Его можно использовать от сварочного аппарата, он недорогой и будет необходимой высокой частоты. Изготовить его можно самостоятельно. Но это затратное занятие по времени.
• Корпус нагревателя (для этого подойдет кусок пластиковой трубы, индукционный нагрев трубы в этом случае будет самым эффективным).
• Материал (сгодится проволока диаметром не более семи миллиметров).
• Приспособления для подключения индуктора к сети отопления.
• Сетка для удержания проволоки внутри индуктора.
• Индукционною катушку можно создать из (она должна быть эмалированной).
• Насос (для того, чтобы вода подавалась в индуктор).

Правила изготовления оборудования самостоятельно

Для того чтобы установка индукционного нагрева работала правильно, ток для такого изделия должен соответствовать мощности (составлять он должен не меньше 15 ампер, если требуется, то можно больше).

• Проволока должна быть нарезана на куски не более пяти сантиметров. Это нужно для эффективного нагрева в высокочастотном поле.
• Корпус должен быть по диаметру не меньше, чем подготовленная проволока, и обладать толстыми стенками.
• Для крепления к сети отопления на одну сторону конструкции крепится специальный переходник.
• На дно трубы нужно положить сетку для предотвращения выпадения проволоки.
• Последняя нужна в таком количестве, чтобы она заполнила все внутреннее пространство.
• Конструкция закрывается, ставится переходник.
• Затем сооружают из этой трубы катушку. Для этого обматывают ее уже заготовленной проволокой. Число витков нужно соблюсти: минимум 80, максимум 90.
• После подключения к системе отопления в аппарат заливают воду. Катушку подключают к заготовленному инвертору.
• Устанавливается насос для подачи воды.
• Монтируется регулятор температуры.

Таким образом, расчет индукционного нагрева будет зависеть от следующих параметров: длина, диаметр, температура и время обработки. Обращайте внимание и на индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше показателей самого индуктора.

Про варочные поверхности

Еще одно применение в домашнем обиходе, кроме системы отопления, данный вид нагрева нашел в варочных панелях плит.

Такая поверхность имеет вид обычного трансформатора. Катушка его спрятана под поверхность панели, которая может быть стеклянной или керамической. По ней проходит ток. Это первая часть катушки. А вот второй является та посуда, в которой будет проходить приготовление пищи. На дне посуды создаются вихревые токи. Они и нагревают сначала посуду, а затем продукты в ней.

Тепло будет выделяться только тогда, когда на поверхность панели поставят посуду.

Если она отсутствует, никакого действия не происходит. Индукционная зона нагрева будет соответствовать диаметру поставленной на нее посуды.

Для таких плит нужна специальная посуда. Большинство ферромагнитных металлов могут взамодействовать с индукционным полем: алюминий, нержавеющая и эмалированная сталь, чугун. Не подходят для таких поверхностей только: медная, керамическая, стеклянная и изготовленная из неферромагнитных металлов посуда.

Естественно, что включится только тогда, когда подходящая посуда будет на ней установлена.

Современные плиты снабжены электронным блоком управления, что позволяет распознавать пустую и непригодную для применения посуду. Основными преимуществами варочных являются: безопасность, легкость уборки, быстрота, эффективность, экономичность. Об поверхность панели никогда нельзя обжечься.

Итак, мы выяснили, где используется данный тип нагрева (индукционный).

ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ — это электрический нагреватель , работающий при изменении потока магнитной индукции в замкнутом проводящем контуре. Это явление носит название электромагнитной индукции. Хотите знать, как работает индукционный нагреватель? ZAVODRR - это торговый информационный портал, где Вы найдете информацию про нагреватели.

Вихревые индукционные нагреватели

Индукционная катушка способна разогреть любой металл, собираются нагреватели на транзисторах и имеют высокий КПД более 95%, они давно заменили ламповые индукционные нагреватели, у которых КПД не выходил за 60%.

Вихревой индукционный нагреватель для бесконтактного нагрева не имеет потерь на настройку резонансного совпадения рабочих параметров установки с параметрами выходного колебательного контура. Нагреватели вихревого типа собранные на транзисторах умеют отлично анализировать и подстраивать выходную частоту в автоматическом режиме.

Индукционные нагреватели металла

Нагреватели для индукционного нагрева металла обладают бесконтактным способом за счет действия вихревого поля. Разные типы нагревателей проникают в металл на определенную глубину от 0,1 до 10 см в зависимости от выбранной частоты:

• высокая частота;
• средняя частота;
• сверхвысокая частота.

Индукционные нагреватели металла позволяют обрабатывать детали не только на открытых площадках, но и размещать нагреваемые объекты в изолированных камерах, в которых можно создать любую среду, а также вакуум.

Электрический индукционный нагреватель

Высокочастотный электрический индукционный нагреватель с каждым днем обретает новые способы применения. Нагреватель работает на переменном электрическом токе. Чаще всего индукционные электронагреватели применяются для доведения металлов до необходимых температур при следующих операциях: ковка, пайка, сварка, гибка, закалка и т.п. Электрические индукционные нагреватели, работают на высокой частоте 30-100 кГц и используются для нагрева различных типов сред и теплоносителей.

Электрический нагреватель применяется во многих областях:

• металлургической (ТВЧ нагреватели, индукционные печи);
• приборостроения (пайка элементов);
• медицинской (производство и обеззараживание инструмента);
• ювелирной (изготовление ювелирных изделий);
• жилищно-коммунальной (индукционные котлы отопления);
• питание (индукционные паровые котлы).

Среднечастотные индукционные нагреватели

Когда требуется более глубокий прогрев, применяют индукционные нагреватели среднечастотного типа, работающие средних частотах от 1 до 20 кГц. Компактный индуктор для всех типов нагревателей бывает самой разной формы, которая подбирается так, чтобы обеспечить равномерный нагрев образцов самой разнообразной формы, при этом можно осуществить и заданный локальный нагрев. Среднечастотный тип обработает материалы для ковки и закалки, а так же сквозного нагрева под штамповку.

Легкие в управлении, с КПД до 100%, индукционные среднечастотные нагреватели, применяются для большого круга технологий в металлургии (также и для плавки различных металлов), машиностроении, приборостроении и других областях.

Высокочастотные индукционные нагреватели

Самая широкая область применения у индукционных нагревателей высокочастотного типа. Нагреватели характеризуются высокой частотой 30-100 кГц и широким диапазоном мощностей 15-160 кВт. Высокочастотный тип обеспечивают небольшой по глубине нагрев, однако этого достаточно, чтобы улучшить химические свойства металла.

Высокочастотные индукционные нагреватели легки в управлении и экономичны, и при этом их КПД может достигать 95%. Все типы работают непрерывно продолжительное время, а двухблочный вариант (когда трансформатор высокой частоты вынесен в отдельный блок) допускает круглосуточную работу. Нагреватель имеет 28 типов защит, каждая из которых отвечает за свою функцию. Пример: контроль напора воды в системе охлаждения.

Сверхвысокочастотные индукционные нагреватели

Индукционные нагреватели сверхвысокочастотного типа работают на сверх частоте (100-1,5 МГц), и проникают на глубину прогрева (до 1 мм). Сверхвысокочастотный тип незаменим для обработки тонких, мелких, с малым диаметром деталей. Использование таких нагревателей позволяет избежать сопутствующих нагреву нежелательных деформаций.

Сверхвысокочастотные индукционные нагреватели на JGBT-модулях и MOSFET-транзисторах имеют пределы мощности — 3,5-500 кВт. Применяются в электронике, в производстве высокоточных инструментов, часов, ювелирных изделий, для производства проволоки и для других целей, предусматривающих особую точность и филигранность.

Кузнечные индукционные нагреватели

Основное назначение индукционных нагревателей кузнечного типа (ИКН) — подогрев деталей или их частей, предшествующий последующей ковке. Заготовки могут быть самого разного типа, сплава и формы. Индукционные кузнечные нагреватели позволяют обрабатывать цилиндрические заготовки любым диаметром в автоматическом режиме:

• экономичны, так как тратят на нагрев всего несколько секунд и имеют высокий КПД до 95%;
• просты в использовании, позволяют осуществлять: полный контроль процесса, полуавтоматическую загрузку-выгрузку. Есть варианты с полной автоматикой;
• надежны и могут работать непрерывно долгое время.

Индукционные нагреватели валов

Индукционные нагреватели для закалки валов работают совместно с закалочным комплексом. Обрабатываемая деталь находится в вертикальном положении и вращается внутри неподвижного индуктора. Нагреватель позволяет использовать все типы валов для последовательного локального нагрева, глубина закалки может составлять доли миллиметров по глубине.

В результате индукционного нагрева вала по всей длине с мгновенным охлаждением, многократно повышается его прочность и стойкость.

Индукционные нагреватели труб

Все типы труб можно обрабатывать индукционными нагревателями. Нагреватель для труб может быть с воздушным или водяным типом охлаждения, мощностью от 10-250 кВт, со следующими параметрами:

• Индукционный нагрев трубы с воздушным охлаждением производится при помощи гибкого индуктора и термического одеяла. Температура нагрева до температуры 400 °C, и использовать трубы диаметром 20 - 1250 мм с любой толщиной стенки.
• Индукционный нагрев трубы с водяным охлаждением имеет температуру нагрева 1600 °C и используется для “гибки” трубы диаметром 20 - 1250 мм.

Каждый вариант термообработки применяется для улучшения качества любых стальных труб.

Пирометр для контроля нагрева

Один из важнейших параметров работы индукционных нагревателей — температура. Для более тщательного контроля за ней, помимо встроенных датчиков, часто применяются инфракрасные пирометры. Эти оптические приборы позволяют быстро и без труда определить температуру труднодоступных (из-за высокого нагрева, вероятности воздействия электричества и т.п.) поверхностей.

Если подсоединить пирометр к индукционному нагревателю, можно не только отслеживать температурный режим, но и автоматически поддерживать температуру нагрева в течение заданного времени.

Принцип работы индукционных нагревателей

В индукторе во время работы образуется магнитное поле, в которое помещается деталь. В зависимости от поставленной задачи (глубина нагрева) и детали (состав) выбирается частота, она может быть от 0.5 до 700 кГц.

Принцип работы нагревателя по законам физики гласит: при нахождении проводника в переменном электромагнитном поле, в нем образуется ЭДС (электродвижущая сила). График амплитуды показывает, что она движется пропорционально изменения скорости магнитного потока. Благодаря этому в контуре образуются вихревые токи, величина которых зависит от сопротивления (материала) проводника. По закону Джоуля-Ленца ток приводит к нагреву проводника, у которого имеется сопротивление.

Принцип действия всех типов индукционных нагревателей похож на трансформатор. Токопроводящая заготовка, которая располагается в индукторе, подобна трансформатору (без магнитопровода). Первичная обмотка - это индуктор, вторичная индуктивность детали, а нагрузка это сопротивление металла. При ТВЧ нагреве образуется «скин-эффект», вихревые токи которые образуются внутри заготовки, вытесняют основной ток на поверхность проводника, ведь нагрев металла на поверхности сильнее, чем внутри.

Преимущества индукционных нагревателей

Индукционный нагреватель обладает несомненными преимуществами и является лидером среди всех типов приборов. Это преимущество складывается в следующим:

• Он потребляет меньше электроэнергии и не загрязняет окружающее пространство.
• Удобный в управлении, он обеспечивает высокое качество работы и позволяет контролировать процесс.
• Нагревание через стенки камеры обеспечивает особую чистоту и возможность получить сверхчистые сплавы, при этом плавку можно производить в разной атмосфере, в том числе в инертных газах и в вакууме.
• С его помощью возможен равномерный нагрев деталей любой формы или избирательный нагрев
• Наконец, индукционные нагреватели универсальны, что позволяет их использовать повсеместно, вытесняя устаревшие энергозатратные и неэффективные установки.

Ремонт индукционных нагревателей производится из запасных частей с нашего склада. На данный момент можем отремонтировать все типы нагревателей. Индукционные нагреватели достаточно надежны, если строго следовать инструкциям по эксплуатации и не допускать запредельных режимов работы — в первую очередь следить за температурой и правильным водяным охлаждением.

Тонкости эксплуатации всех типов индукционных нагревателей зачастую не полностью публикуются в документации производителей, их ремонтом должны заниматься квалифицированные специалисты, хорошо знакомые с подробным принципом работы подобной аппаратуры.

Видео работы индукционных среднечастотных нагревателей

Вы можете ознакомиться с видео работы среднечастотного индукционного нагревателя.. Средняя частота используется для глубокого проникновения во все типы металлических изделий. Среднечастотный нагреватель - это надежное и современное оборудование, которое работает круглые сутки на благо вашего предприятия.

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).

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.

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)

с учетом выражения

В практических расчетах пользуются размерностью D Р в Вт/см 2 , тогда

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

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.

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

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

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

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:

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)

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

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.

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,

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

Мощность, потребляемая из сети,

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

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

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

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

для нагретого состояния

Коэффициент мощности индуктора

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 = 1мм, 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

Высота индуктора

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.

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:

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

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

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?

Индукционный нагрев (Induction Heating) - метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH - radio-frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов.

Описание метода.

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.

Преимущества.

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.

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).

Замечания.

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.

Статья взята с сайта http://dic.academic.ru/ и переработана в более понятный для читателя текст, компанией ООО «Проминдуктор».