Încălzire prin inducție de înaltă frecvență. Lanterna cu plasmă cu inducție de înaltă frecvență Principiul de funcționare al încălzitoarelor cu inducție

Încălzirea prin inducție este o metodă de încălzire fără contact cu curenți de înaltă frecvență (RFH - încălzire prin radiofrecvență, încălzire prin unde de radiofrecvență) a materialelor conductoare de electricitate.

Descrierea metodei.

Încălzirea prin inducție este încălzirea materialelor prin curenți electrici care sunt induși de un câmp magnetic alternativ. În consecință, aceasta este încălzirea produselor din materiale conductoare (conductoare) de către câmpul magnetic al inductorilor (surse de câmp magnetic alternativ). Încălzirea prin inducție se realizează după cum urmează. O piesă de prelucrat conductoare electric (metal, grafit) este plasată într-un așa-numit inductor, care este una sau mai multe spire de sârmă (cel mai adesea cupru). Curenți puternici de diferite frecvențe (de la zeci de Hz la câțiva MHz) sunt induși în inductor folosind un generator special, în urma căruia apare un câmp electromagnetic în jurul inductorului. Câmpul electromagnetic induce curenți turbionari în piesa de prelucrat. Curenții turbionari încălzesc piesa de prelucrat sub influența căldurii Joule (vezi legea Joule-Lenz).

Sistemul inductor-blank este un transformator fără miez în care inductorul este înfășurarea primară. Piesa de prelucrat este înfășurarea secundară, scurtcircuitată. Fluxul magnetic dintre înfășurări este închis prin aer.

La frecvențe înalte, curenții turbionari sunt deplasați de câmpul magnetic pe care îl generează ei înșiși în straturi subțiri ale suprafeței piesei de prelucrat Δ ​​(efectul de suprafață), în urma căruia densitatea lor crește brusc și piesa de prelucrat se încălzește. Straturile de metal subiacente sunt încălzite datorită conductivității termice. Nu curentul este important, ci densitatea mare de curent. În stratul de piele Δ, densitatea de curent scade de e ori în raport cu densitatea de curent pe suprafața piesei de prelucrat, în timp ce 86,4% din căldură este eliberată în stratul de piele (din degajarea totală de căldură. Adâncimea stratului de piele. depinde de frecvența radiației: cu cât frecvența este mai mare, stratul de piele mai subțire Depinde și de permeabilitatea magnetică relativă μ a materialului piesei de prelucrat.

Pentru fier, cobalt, nichel și aliaje magnetice la temperaturi sub punctul Curie, μ are o valoare de la câteva sute la zeci de mii. Pentru alte materiale (topite, metale neferoase, eutectice lichide cu punct de topire scăzut, grafit, electroliți, ceramică conductoare de electricitate etc.) μ este aproximativ egal cu unitatea.

De exemplu, la o frecvență de 2 MHz, adâncimea pielii pentru cupru este de aproximativ 0,25 mm, pentru fier ≈ 0,001 mm.

Inductorul devine foarte fierbinte în timpul funcționării, deoarece își absoarbe propria radiație. În plus, absoarbe radiația termică din piesa fierbinte. Inductoarele sunt fabricate din tuburi de cupru răcite cu apă. Apa este furnizată prin aspirație - aceasta asigură siguranță în caz de ardere sau altă depresurizare a inductorului.

Aplicație:
Topirea, lipirea și sudarea metalelor fără contact ultra-curate.
Obținerea de prototipuri de aliaje.
Îndoirea și tratarea termică a pieselor mașinii.
Fabricarea de bijuterii.
Prelucrarea pieselor mici care pot fi deteriorate de flacăra de gaz sau încălzirea cu arc.
Întărirea suprafeței.
Călirea și tratarea termică a pieselor cu forme complexe.
Dezinfectarea instrumentelor medicale.

Avantaje.

Încălzirea de mare viteză sau topirea oricărui material conductiv electric.

Încălzirea este posibilă în atmosferă de gaz protectoare, într-un mediu oxidant (sau reducător), într-un lichid neconductor sau în vid.

Încălzirea prin pereții unei camere de protecție din sticlă, ciment, materiale plastice, lemn - aceste materiale absorb radiațiile electromagnetice foarte slab și rămân reci în timpul funcționării instalației. Se încălzește numai materialul electric conductor - metal (inclusiv topit), carbon, ceramică conductoare, electroliți, metale lichide etc.

Datorită forțelor MHD care apar, are loc amestecarea intensivă a metalului lichid, până la menținerea acestuia în suspensie în aer sau într-un gaz protector - așa se obțin aliaje ultrapure în cantități mici (topirea prin levitare, topirea într-un creuzet electromagnetic) .

Deoarece încălzirea se realizează prin radiație electromagnetică, nu există nicio contaminare a piesei de prelucrat cu produse de ardere a pistolului în cazul încălzirii cu flacără cu gaz sau cu materialul electrodului în cazul încălzirii cu arc. Plasarea probelor într-o atmosferă de gaz inert și viteze mari de încălzire va elimina depunerile.

Ușurință în utilizare datorită dimensiunii reduse a inductorului.

Inductorul poate fi realizat dintr-o formă specială - acest lucru îi va permite să fie încălzit uniform pe întreaga suprafață a pieselor dintr-o configurație complexă, fără a duce la deformarea sau neîncălzirea locală a acestora.

Este ușor de realizat încălzire locală și selectivă.

Deoarece cea mai intensă încălzire are loc în straturile superioare subțiri ale piesei de prelucrat, iar straturile de dedesubt sunt încălzite mai ușor datorită conductivității termice, metoda este ideală pentru întărirea suprafeței pieselor (miezul rămâne vâscos).

Automatizare ușoară a echipamentelor - cicluri de încălzire și răcire, reglarea și întreținerea temperaturii, alimentarea și îndepărtarea pieselor de prelucrat.

Unități de încălzire prin inducție:

Pentru instalațiile cu o frecvență de funcționare de până la 300 kHz se folosesc invertoare bazate pe ansambluri IGBT sau tranzistoare MOSFET. Astfel de instalații sunt proiectate pentru încălzirea pieselor mari. Pentru încălzirea pieselor mici se folosesc frecvențe înalte (până la 5 MHz, unde medii și scurte), instalații de înaltă frecvență sunt construite pe tuburi vidate.

De asemenea, pentru încălzirea pieselor mici, se construiesc instalații de înaltă frecvență folosind tranzistoare MOSFET pentru frecvențe de operare de până la 1,7 MHz. Controlul tranzistorilor și protejarea lor la frecvențe mai înalte prezintă anumite dificultăți, așa că setările de frecvență mai înaltă sunt încă destul de costisitoare.

Inductorul pentru încălzirea pieselor mici are dimensiuni miciși inductanță mică, care duce la o scădere a factorului de calitate al circuitului oscilator de lucru la frecvențe joase și o scădere a eficienței și, de asemenea, prezintă un pericol pentru oscilatorul principal (factorul de calitate al circuitului oscilator este proporțional cu L/C , un circuit oscilator cu un factor de calitate scăzut este „pompat” prea bine cu energie și formează un scurtcircuit de-a lungul inductorului și dezactivează oscilatorul principal). Pentru a crește factorul de calitate al circuitului oscilator, sunt utilizate două moduri:
- cresterea frecventei de functionare, ceea ce duce la instalatii mai complexe si mai costisitoare;
- utilizarea inserţiilor feromagnetice în inductor; lipirea inductorului cu panouri din material feromagnetic.

Deoarece inductorul funcționează cel mai eficient la frecvențe înalte, încălzirea prin inducție a primit aplicație industrială după dezvoltarea și începerea producției de lămpi generatoare de mare putere. Înainte de Primul Război Mondial, încălzirea prin inducție avea o utilizare limitată. Ca generatoare s-au folosit apoi generatoare de mașini de înaltă frecvență (lucrări V.P. Vologdin) sau instalații de descărcare cu scântei.

Circuitul generatorului poate fi, în principiu, orice (multivibrator, generator RC, generator cu excitație independentă, diverse generatoare de relaxare), funcționând la o sarcină sub formă de bobină inductor și având o putere suficientă. De asemenea, este necesar ca frecvența de oscilație să fie suficient de mare.

De exemplu, pentru a „taia” un fir de oțel cu diametrul de 4 mm în câteva secunde, este necesară o putere oscilativă de cel puțin 2 kW la o frecvență de cel puțin 300 kHz.

Schema este selectată în funcție de următoarele criterii: fiabilitate; stabilitate la vibrații; stabilitatea puterii eliberate în piesa de prelucrat; ușurință de fabricație; ușurință de configurare; număr minim de piese pentru a reduce costurile; utilizarea unor piese care împreună au ca rezultat o reducere a greutății și dimensiunilor etc.

Timp de multe decenii, un generator inductiv în trei puncte (generator Hartley, generator cu feedback autotransformator, circuit bazat pe un divizor de tensiune în buclă inductivă) a fost folosit ca generator de oscilații de înaltă frecvență. Acesta este un circuit de alimentare paralel cu autoexcitare pentru anod și un circuit selectiv de frecvență realizat pe un circuit oscilant. A fost folosit cu succes și continuă să fie folosit în laboratoare, ateliere de bijuterii, întreprinderi industriale, precum și în practica amatorilor. De exemplu, în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, pe astfel de instalații a fost efectuată întărirea suprafeței rolelor tancului T-34.

Dezavantajele celor trei puncte:

Eficiență scăzută (mai puțin de 40% atunci când utilizați o lampă).

O abatere puternică de frecvență în momentul încălzirii pieselor de prelucrat din materiale magnetice deasupra punctului Curie (≈700C) (modificări μ), care modifică adâncimea stratului de piele și schimbă în mod imprevizibil modul de tratament termic. Atunci când se tratează termic părți critice, acest lucru poate fi inacceptabil. De asemenea, instalațiile HDTV puternice trebuie să funcționeze într-o gamă restrânsă de frecvențe permise de Rossvyazohrankultura, deoarece cu o ecranare slabă sunt de fapt transmițătoare radio și pot interfera cu transmisiile de televiziune și radio, serviciile de coastă și de salvare.

La schimbarea pieselor de prelucrat (de exemplu, de la una mai mică la una mai mare), inductanța sistemului inductor-piesă de prelucrat se modifică, ceea ce duce, de asemenea, la o modificare a frecvenței și adâncimii stratului de piele.

La schimbarea inductoarelor cu o singură tură cu cele cu mai multe ture, cu altele mai mari sau mai mici, se modifică și frecvența.

Sub conducerea lui Babat, Lozinsky și alți oameni de știință, au fost dezvoltate circuite generatoare cu două și trei circuite care au o eficiență mai mare (până la 70%) și, de asemenea, mențin mai bine frecvența de funcționare. Principiul funcționării lor este următorul. Datorită utilizării circuitelor cuplate și slăbirii conexiunii dintre ele, o modificare a inductanței circuitului de funcționare nu implică o schimbare puternică a frecvenței circuitului de setare a frecvenței. Transmițătoarele radio sunt proiectate folosind același principiu.

Generatoarele moderne HDTV sunt invertoare bazate pe ansambluri IGBT sau tranzistoare MOSFET de mare putere, realizate de obicei după un circuit în punte sau semipunte. Funcționează la frecvențe de până la 500 kHz. Porțile tranzistorului sunt deschise folosind un sistem de control cu ​​microcontroler. Sistemul de control, în funcție de sarcina la îndemână, vă permite să țineți automat

A) frecventa constanta
b) putere constantă eliberată în piesa de prelucrat
c) cea mai mare eficienţă posibilă.

De exemplu, atunci când un material magnetic este încălzit deasupra punctului Curie, grosimea stratului de piele crește brusc, densitatea curentului scade și piesa de prelucrat începe să se încălzească mai rău. Proprietățile magnetice ale materialului dispar, de asemenea, și procesul de inversare a magnetizării se oprește - piesa de prelucrat începe să se încălzească mai rău, rezistența la sarcină scade brusc - acest lucru poate duce la „împrăștierea” generatorului și eșecul acestuia. Sistemul de control monitorizează trecerea prin punctul Curie și crește automat frecvența atunci când sarcina scade brusc (sau reduce puterea).

Note.

Dacă este posibil, inductorul trebuie amplasat cât mai aproape de piesa de prelucrat. Acest lucru nu numai că crește densitatea câmpului electromagnetic în apropierea piesei de prelucrat (proporțional cu pătratul distanței), dar crește și factorul de putere Cos(φ).

Creșterea frecvenței reduce brusc factorul de putere (proporțional cu cubul frecvenței).

La încălzirea materialelor magnetice căldură suplimentară se eliberează și datorită inversării magnetizării, încălzirea lor până la punctul Curie este mult mai eficientă.

Atunci când se calculează un inductor, este necesar să se țină cont de inductanța magistralelor care conduc la inductor, care poate fi mult mai mare decât inductanța inductorului în sine (dacă inductorul este realizat sub forma unei spire de diametru mic sau chiar și o parte a unei viraj - un arc).

Există două cazuri de rezonanță în circuitele oscilatoare: rezonanța de tensiune și rezonanța curentului.
Circuit oscilator paralel – rezonanța curentului.
În acest caz, tensiunea de pe bobină și de pe condensator este aceeași cu cea a generatorului. La rezonanță, rezistența circuitului dintre punctele de ramificare devine maximă, iar curentul (I total) prin rezistența de sarcină Rн va fi minim (curentul din interiorul circuitului I-1l și I-2s este mai mare decât curentul generatorului).

În mod ideal, impedanța buclei este infinită - circuitul nu atrage curent de la sursă. Când frecvența generatorului se schimbă în orice direcție față de frecvența de rezonanță, impedanța circuitului scade și curentul de linie (I total) crește.

Circuit oscilator serie – rezonanță de tensiune.

Caracteristica principală a unui circuit rezonant în serie este că impedanța sa este minimă la rezonanță. (ZL + ZC – minim). Când reglați frecvența deasupra sau sub frecvența de rezonanță, impedanța crește.
Concluzie:
Într-un circuit paralel la rezonanță, curentul prin bornele circuitului este 0 și tensiunea este maximă.
Într-un circuit în serie, dimpotrivă, tensiunea tinde spre zero, iar curentul este maxim.

Articolul a fost preluat de pe site-ul http://dic.academic.ru/ și revizuit într-un text mai ușor de înțeles pentru cititor de către Prominductor LLC.

Și în dispozitive, căldura din dispozitivul încălzit este eliberată de curenții care apar în câmpul electromagnetic alternativ din interiorul unității. Se numesc inducție. Ca urmare a acțiunii lor, temperatura crește. Încălzirea prin inducție a metalelor se bazează pe două legi fizice principale:

• Faraday-Maxwell;
• Joule-Lenz.

În corpurile metalice, atunci când sunt plasate într-un câmp alternativ, încep să apară câmpuri electrice vortex.

Dispozitiv de încălzire prin inducție

Totul se întâmplă în felul următor. Sub influența unei variabile, forța electromotoare (EMF) a inducției se modifică.

EMF acționează în așa fel încât curenții turbionari curg în interiorul corpurilor, care eliberează căldură în deplină conformitate cu legea Joule-Lenz. EMF generează, de asemenea, curent alternativ în metal. În acest caz, se eliberează energie termică, ceea ce duce la creșterea temperaturii metalului.

Acest tip de încălzire este cel mai simplu, deoarece este fără contact. Vă permite să atingeți temperaturi foarte ridicate la care puteți procesa

Pentru a asigura încălzirea prin inducție, este necesar să se creeze o anumită tensiune și frecvență în câmpurile electromagnetice. Acest lucru se poate face într-un dispozitiv special - un inductor. Este alimentat de la o rețea industrială la 50 Hz. Puteți utiliza surse individuale de alimentare pentru aceasta - convertoare și generatoare.

Cel mai simplu dispozitiv pentru un inductor de joasă frecvență este o spirală (conductor izolat), care poate fi plasată în interior teava metalica sau înfăşurat în jurul ei. Curenții de trecere încălzesc conducta, care la rândul său transferă căldura către mediu inconjurator.

Utilizarea încălzirii prin inducție la frecvențe joase este destul de rară. Prelucrarea metalelor la frecvențe medii și înalte este mai frecventă.

Astfel de dispozitive se disting prin faptul că unda magnetică lovește suprafața, unde este atenuată. Corpul transformă energia acestui val în căldură. Pentru a obține un efect maxim, ambele componente trebuie să fie apropiate ca formă.

Unde sunt folosite?

Aplicarea încălzirii prin inducție în lumea modernă răspândită. Domeniu de utilizare:

• topirea metalelor, lipirea lor folosind o metodă fără contact;
• obtinerea de noi aliaje metalice;
• inginerie mecanică;
• fabricarea de bijuterii;
• fabricarea de piese mici care pot fi deteriorate la utilizarea altor metode;
• (iar piesele pot fi de cea mai complexa configuratie);
• tratament termic (prelucrarea pieselor de mașini, suprafețe întărite);
• medicament (dezinfectia aparatelor si instrumentelor).

Încălzire prin inducție: caracteristici pozitive

Această metodă are multe avantaje:

• Cu ajutorul acestuia, puteți încălzi și topi rapid orice material conducător de curent.
• Permite incalzirea in orice mediu: in vid, atmosfera, lichid neconductor.
• Datorită faptului că numai materialul conductor este încălzit, pereții, care absorb slab valurile, rămân reci.
• În domeniile specializate ale metalurgiei, producția de aliaje ultra-pure. Acesta este un proces interesant, deoarece metalele sunt amestecate într-un înveliș de gaz protector.

• În comparație cu alte tipuri, inducția nu poluează mediul. Dacă în cazul arzătoarelor cu gaz contaminarea este prezentă, la fel ca și în cazul încălzirii cu arc, atunci inducția elimină acest lucru datorită radiației electromagnetice „pure”.
• Dimensiuni mici ale dispozitivului inductor.
• Capacitatea de a fabrica un inductor de orice formă; acest lucru nu va duce la încălzire locală, dar va promova o distribuție uniformă a căldurii.
• Indispensabil dacă este necesar să încălziți doar o anumită zonă a suprafeței.
• Nu este dificil să configurați un astfel de echipament în modul dorit și să îl reglați.

Defecte

Sistemul are următoarele dezavantaje:

• Este destul de dificil să instalați și să reglați independent tipul de încălzire (inductie) și echipamentul acestuia. Este mai bine să contactați specialiști.
• Necesitatea de a potrivi cu precizie inductorul și piesa de prelucrat, altfel încălzirea prin inducție va fi insuficientă, puterea sa poate atinge valori mici.

Incalzire cu echipament de inductie

Pentru a aranja încălzirea individuală, puteți lua în considerare o opțiune precum încălzirea prin inducție.

Unitatea va fi un transformator format din înfășurări de două tipuri: primar și secundar (care, la rândul său, este scurtcircuitat).

Cum functioneazã

Principiul de funcționare al unui inductor convențional: fluxurile vortex trec înăuntru și direcționează câmp electric spre a doua clădire.

Pentru ca apa să treacă printr-un astfel de cazan, două conducte sunt conectate la acesta: pentru apa rece care intră și la ieșirea apei calde - a doua conductă. Datorită presiunii, apa circulă constant, ceea ce elimină posibilitatea încălzirii elementului inductor. Prezența scării este exclusă aici, deoarece în inductor apar vibrații constante.

Un astfel de element va fi ieftin de întreținut. Principalul avantaj este că dispozitivul funcționează silențios. Poate fi instalat în orice cameră.

Faceți singur echipament

Instalarea încălzirii prin inducție nu este foarte dificilă. Chiar și cineva care nu are experiență va face față sarcinii după un studiu atent. Înainte de a începe, trebuie să vă aprovizionați cu următoarele articole necesare:

• Invertor. Poate fi folosit de la aparat de sudura, este ieftin și va avea frecvența înaltă necesară. O poți face singur. Dar aceasta este o activitate consumatoare de timp.
• Corpul încălzitorului (o bucată din teava de plastic, încălzirea prin inducție a conductei în acest caz va fi cea mai eficientă).
• Material (sârmă cu un diametru de cel mult șapte milimetri va face).
• Dispozitive pentru conectarea inductorului la rețeaua de încălzire.
• Plasă pentru ținerea firului în interiorul inductorului.
• Din bobină de inducție se poate realiza (trebuie emailată).
• Pompă (pentru a furniza apă la inductor).

Reguli pentru a face singur echipamentul

Pentru ca instalația de încălzire prin inducție să funcționeze corect, curentul pentru un astfel de produs trebuie să corespundă puterii (trebuie să fie de cel puțin 15 amperi, dacă este necesar, mai mult).

• Sârma trebuie tăiată în bucăți nu mai mari de cinci centimetri. Acest lucru este necesar pentru o încălzire eficientă într-un câmp de înaltă frecvență.
• Corpul nu trebuie să fie mai mic în diametru decât firul pregătit și să aibă pereți groși.
• Pentru atașarea la rețeaua de încălzire, pe o parte a structurii este atașat un adaptor special.
• O plasă trebuie plasată în partea de jos a țevii pentru a preveni căderea firului.
• Acesta din urmă este necesar într-o asemenea cantitate încât să umple întreg spațiul interior.
• Structura este închisă și adaptorul este instalat.
• Apoi, din această țeavă este construită o bobină. Pentru a face acest lucru, înfășurați-l cu sârmă deja pregătită. Trebuie respectat numărul de ture: minim 80, maxim 90.
• După conectarea la sistemul de încălzire, apa este turnată în dispozitiv. Bobina este conectată la invertorul pregătit.
• Este instalată o pompă de alimentare cu apă.
• Este instalat un regulator de temperatură.

Astfel, calculul încălzirii prin inducție va depinde de următorii parametri: lungime, diametru, temperatură și timp de procesare. Acordați atenție inductanței magistralelor care duc la inductor, care poate fi mult mai mare decât inductorul în sine.

Despre plite

O altă aplicație în uz casnic, pe lângă sistemul de încălzire, s-a regăsit și acest tip de încălzire plite plăci

Această suprafață arată ca un transformator obișnuit. Bobina sa este ascunsă sub suprafața panoului, care poate fi din sticlă sau ceramică. Curentul trece prin el. Aceasta este prima parte a bobinei. Dar al doilea sunt preparatele în care va fi gătită mâncarea. Curenții turbionari sunt creați în partea de jos a vaselor de gătit. Ei încălzesc mai întâi vasele și apoi mâncarea din ele.

Căldura va fi eliberată numai atunci când vasele sunt așezate pe suprafața panoului.

Dacă lipsește, nu are loc nicio acțiune. Zona de încălzire prin inducție va corespunde diametrului vaselor de gătit așezate pe ea.

Pentru astfel de sobe ai nevoie de preparate speciale. Majoritatea metalelor feromagnetice pot interacționa cu câmpul de inducție: aluminiu, oțel inoxidabil și emailat, fontă. Singurele care nu sunt potrivite pentru astfel de suprafete sunt: ​​cuprul, ceramica, sticla si ustensilele din metale neferomagnetice.

Desigur, se va porni numai atunci când pe el sunt instalate vase adecvate.

Sobele moderne sunt echipate cu o unitate de control electronică, care vă permite să recunoașteți vasele de gătit goale și necorespunzătoare. Principalele avantaje ale aragazelor sunt: ​​siguranța, ușurința de curățare, viteza, eficiența și rentabilitatea. Nu ar trebui să vă ardeți niciodată pe suprafața panoului.

Asadar, am aflat unde se foloseste acest tip de incalzire (inductie).

Invenția se referă la inginerie electrică și are ca scop creșterea duratei de viață a pistoletelor cu plasmă RF și creșterea eficienței termice a acestora. Problema este rezolvată prin faptul că lanterna cu plasmă HF conține o cameră de descărcare cilindrică realizată sub formă de secțiuni metalice profilate longitudinale răcite cu apă, plasate într-o carcasă dielectrică de protecție, un inductor care acoperă carcasa și unități de intrare pentru principal și termic. gaze de protecție instalate în interiorul camerei de descărcare la partea sa de capăt. Unitatea de intrare a gazului de protecție termică este realizată sub forma unuia sau mai multor rânduri inelare coaxiale de tuburi metalice longitudinale cu un număr în fiecare rând egal cu numărul de secțiuni metalice profilate longitudinale. Tuburile de pe partea inductorului au un spațiu profilat pentru evacuarea gazului, precum și un spațiu longitudinal față de tuburile adiacente într-un rând la o distanță de cel puțin un diametru interior al camerei de descărcare, numărând de la cea mai apropiată tură a inductorului. Tuburile sunt conectate de-a lungul suprafeței laterale prin lipire sau sudare cu tuburi metalice longitudinale amplasate radial ale rândului inel coaxial adiacent, iar tuburile metalice longitudinale ale rândului cel mai apropiat de secțiunile metalice profilate longitudinale sunt conectate de-a lungul suprafeței laterale la secțiunea adiacentă. prin lipire sau sudare. Unitatea principală de intrare a gazului pe partea inductorului este echipată cu o diafragmă situată la o distanță de cel puțin un diametru interior al camerei de descărcare de cea mai apropiată tură a inductorului și având cel puțin o gaură pentru trecerea gazului. Capetele tuburilor metalice longitudinale pentru ieșirea de gaz din fiecare rând sunt situate în afara zonei inductorului și sunt echidistante de cea mai apropiată tură a acesteia, iar distanța capetelor tuburilor metalice longitudinale pentru ieșirea de gaz de cea mai apropiată tură a inductorului. crește odată cu distanța rândului de inele coaxiale față de secțiunile metalice profilate longitudinale. Tuburile metalice longitudinale sunt situate pe suprafața tuburilor metalice longitudinale adiacente, situate radial, iar tuburile metalice longitudinale ale rândului inelar coaxial cel mai apropiat de secțiunile metalice profilate longitudinale sunt situate pe suprafața secțiunilor adiacente. Diafragma de pe partea inductorului formează un spațiu inelar pentru trecerea gazului cu tuburile metalice longitudinale ale celui mai apropiat rând inel coaxial, iar înălțimea golului inelar pentru trecerea gazului este mai mică decât înălțimea golului profilat pt. ieșirea de gaz a tuburilor metalice longitudinale ale celui mai apropiat rând de inele coaxiale. Utilizarea proiectării propuse a unei torțe cu plasmă RF ca generator de plasmă la temperatură joasă în procesele cu jet-plasmă pentru prelucrarea materialelor dispersate a făcut posibilă crearea de dispozitive eficiente de reactoare cu plasmă pentru deschiderea materiilor prime minereu fin măcinate, sferoidizarea materialelor dispersate și obţinerea de pulberi de oxid foarte dispersate prin generarea de jeturi de plasmă nerăsucite la eficienţa termică a torţelor cu plasmă RFID de peste 80%. 15 salariu f-ly, 5 ill.

Caracteristica principală a încălzirii prin inducție este conversia energiei electrice în căldură folosind un flux magnetic alternativ, adică inductiv. Dacă un curent electric alternativ I este trecut printr-o bobină spirală cilindrică (inductor), atunci se formează un câmp magnetic alternativ F m în jurul bobinei, așa cum se arată în Fig. 1-17, c. Densitatea fluxului magnetic este cea mai mare în interiorul bobinei. Când un conductor metalic este plasat în cavitatea inductorului, în material apare o forță electromotoare, a cărei valoare instantanee este egală cu:

Sub influența emf. într-un metal plasat într-un câmp magnetic alternant rapid, apare un curent electric, a cărui mărime depinde în primul rând de mărimea fluxului magnetic care traversează conturul materialului încălzit și de frecvența curentului f, formând fluxul magnetic.

Eliberarea de căldură în timpul încălzirii prin inducție are loc direct în volumul materialului încălzit, iar cea mai mare parte a căldurii este eliberată în straturile de suprafață ale părții încălzite (efect de suprafață). Grosimea stratului în care are loc cea mai activă degajare de căldură este:

unde ρ este rezistivitatea, ohm*cm; μ - permeabilitatea magnetică relativă a materialului; f - frecvență, Hz.

Din formula de mai sus se poate observa că grosimea stratului activ (adâncimea de penetrare) scade pentru un metal dat cu o frecvență crescândă. Alegerea frecvenței depinde în principal de cerinte tehnologice. De exemplu, la topirea metalelor, va fi necesară o frecvență de 50 - 2500 Hz, la încălzire - până la 10.000 Hz, la întărirea suprafeței - 30.000 Hz sau mai mult.

La topirea fontei se folosește frecvența industrială (50 Hz), ceea ce face posibilă creșterea eficienței generale. instalații, deoarece pierderile de energie datorate conversiei de frecvență sunt eliminate.

Încălzirea prin inducție este de mare viteză, deoarece căldura este eliberată direct în grosimea metalului încălzit, ceea ce permite metalului să fie topit în cuptoarele electrice cu inducție de 2-3 ori mai rapid decât în ​​cuptoarele cu flacără reflectorizante.

Încălzirea folosind curenți de înaltă frecvență poate fi efectuată în orice atmosferă; unitățile termice cu inducție nu necesită timp pentru a se încălzi și sunt ușor de integrat în liniile automate și de producție. Folosind încălzirea prin inducție, pot fi atinse temperaturi de până la 3000 °C sau mai mult.

Datorită avantajelor sale, încălzirea de înaltă frecvență este utilizată pe scară largă în industria metalurgică, mecanică și prelucrare a metalelor, unde este utilizată pentru topirea metalului, tratarea termică a pieselor, încălzirea pentru ștanțare etc.

PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL CUPTORULUI INDUCȚIE. PRINCIPIUL ÎNCĂLZIRII POR INDUCȚIE

Principiul încălzirii prin inducție este de a converti energia câmpului electromagnetic absorbită de un obiect încălzit conducător de electricitate în energie termică.

În instalațiile de încălzire prin inducție, câmpul electromagnetic este creat de un inductor, care este o bobină cilindrică cu mai multe spire (solenoid). Un curent electric alternativ trece prin inductor, rezultând un câmp magnetic alternativ care variază în timp în jurul inductorului. Aceasta este prima transformare a energiei câmpului electromagnetic, descrisă de prima ecuație a lui Maxwell.

Obiectul încălzit este plasat în interiorul sau lângă inductor. Fluxul în schimbare (în timp) al vectorului de inducție magnetică creat de inductor pătrunde în obiectul încălzit și induce un câmp electric. Linii electrice Acest câmp este situat într-un plan perpendicular pe direcția fluxului magnetic și este închis, adică câmpul electric din obiectul încălzit este de natură vortex. Sub influența unui câmp electric, conform legii lui Ohm, apar curenți de conducere (curenți turbionari). Aceasta este a doua transformare a energiei câmpului electromagnetic, descrisă de a doua ecuație a lui Maxwell.

Într-un obiect încălzit, energia câmpului electric alternant indus se transformă ireversibil în energie termică. O astfel de disipare termică a energiei, care are ca rezultat încălzirea obiectului, este determinată de existența curenților de conducere (curenți turbionari). Aceasta este a treia transformare a energiei câmpului electromagnetic, iar relația energetică a acestei transformări este descrisă de legea Lenz-Joule.

Transformările descrise ale energiei câmpului electromagnetic fac posibile:
1) transmite energie electrica inductor într-un obiect încălzit fără a recurge la contacte (spre deosebire de cuptoarele cu rezistență)
2) eliberează căldură direct în obiectul încălzit (așa-numitul „cuptor cu o sursă de încălzire internă”, conform terminologiei Prof. N.V. Okorokov), drept urmare utilizarea energiei termice este cea mai perfectă și încălzirea rata crește semnificativ (comparativ cu așa-numitele „cuptoare cu sursă externă de încălzire”).

Mărimea intensității câmpului electric într-un obiect încălzit este influențată de doi factori: mărimea fluxului magnetic, adică numărul de linii magnetice de forță care străpunge obiectul (sau cuplate cu obiectul încălzit) și frecvența curent de alimentare, adică frecvența modificărilor (în timp) fluxul magnetic cuplat la obiectul încălzit.

Acest lucru face posibilă crearea a două tipuri de instalații de încălzire prin inducție, care diferă atât prin design, cât și prin proprietăți operaționale: instalații cu inducție cu și fără miez.

În funcție de scopul tehnologic, instalațiile de încălzire prin inducție se împart în cuptoare de topire pentru topirea metalelor și instalații de încălzire pentru tratament termic (călire, revenire), pentru încălzirea prin intermediul pieselor de prelucrat înainte de deformarea plastică (forjare, ștanțare), pentru sudare, lipire și suprafață, pentru produse de tratament chimico-termic etc.

În funcție de frecvența modificărilor curentului care alimentează instalația de încălzire prin inducție, acestea se disting:
1) instalatii industriale de frecventa (50 Hz), alimentate din retea direct sau prin transformatoare descendente;
2) instalații de înaltă frecvență (500-10000 Hz), alimentate de mașini electrice sau convertoare de frecvență cu semiconductor;
3) instalații de înaltă frecvență (66.000-440.000 Hz și peste), alimentate de generatoare electronice cu tuburi.

Încălzirea prin inducție se realizează într-un câmp magnetic alternativ. Conductorii plasați într-un câmp sunt încălziți de curenții turbionari induși în ei conform legilor inducției electromagnetice.

Încălzirea intensă poate fi realizată numai în câmpuri magnetice de intensitate și frecvență ridicate, care sunt create dispozitive speciale- inductoare (încălzitoare cu inducție), alimentate de la rețea sau generatoare individuale de curent de înaltă frecvență (Fig. 3.1). Inductorul este ca înfășurarea primară a unui transformator de aer, a cărui înfășurare secundară este corpul încălzit.

În funcție de frecvențele utilizate, instalațiile de încălzire prin inducție sunt împărțite astfel:

a) frecvență joasă (industrială) (50 Hz);

b) frecvență medie (înaltă) (până la 10 kHz);

c) înaltă frecvență (peste 10 kHz).

Împărțirea încălzirii prin inducție în intervale de frecvență este dictată de considerente tehnice și tehnologice. Esența fizică și modelele cantitative generale pentru toate frecvențele sunt aceleași și se bazează pe idei despre absorbția energiei câmpului electromagnetic de către un mediu conductor.

Frecvența are influenta semnificativa asupra intensității și naturii încălzirii. La o frecvență de 50 Hz și o intensitate a câmpului magnetic de 3000-5000 A/m, puterea specifică de încălzire nu depășește 10 W/cm 2 , iar la încălzirea de înaltă frecvență (HF) puterea ajunge la sute și mii de W/ cm 2 . În acest caz, se dezvoltă temperaturi care sunt suficiente pentru a topi cele mai refractare metale.

În același timp, cu cât frecvența este mai mare, cu atât adâncimea de pătrundere a curenților în metal este mai mică și, în consecință, stratul încălzit este mai subțire și invers. Încălzirea suprafeței se realizează la frecvențe înalte. Prin reducerea frecvenței și prin creșterea adâncimii de penetrare a curentului, este posibil să se realizeze o adâncime sau chiar prin încălzire, uniformă pe întreaga secțiune transversală a corpului. Astfel, prin alegerea frecventei se poate obtine caracterul de incalzire si intensitatea cerute de conditiile tehnologice. Capacitatea de a încălzi produse la aproape orice grosime este unul dintre principalele avantaje ale încălzirii prin inducție, care este utilizată pe scară largă pentru întărirea suprafețelor pieselor și sculelor.

Întărirea suprafeței după încălzirea prin inducție crește semnificativ rezistența la uzură a produselor în comparație cu tratamentul termic în cuptoare. Încălzirea prin inducție este, de asemenea, utilizată cu succes pentru topire, tratament termic, deformare a metalelor și alte procese.

Un inductor este o parte de lucru a unei instalații de încălzire prin inducție. Cu cât tipul de undă electromagnetică emisă de inductor este mai aproape de forma suprafeței încălzite, cu atât eficiența de încălzire este mai mare. Tipul de undă (plată, cilindrică etc.) este determinat de forma inductorului.

Proiectarea inductoarelor depinde de forma corpurilor încălzite, de scopuri și de condițiile de încălzire. Cel mai simplu inductor este un conductor izolat plasat în interiorul unei țevi metalice, alungită sau spiralată. Când un curent de frecvență industrial este trecut printr-un conductor, curenți turbionari sunt induși în conductă și o încălzesc. În agricultură, s-a încercat utilizarea acestui principiu pentru a încălzi solul în teren închis, bibani de păsări etc.

În încălzitoarele de apă cu inducție și pasteurizatoarele de lapte (lucrarea la acestea nu a depășit încă sfera probelor experimentale), inductoarele sunt fabricate ca statoarele motoarelor electrice trifazate. Un vas metalic cilindric este plasat în interiorul inductorului. Câmpul magnetic rotativ (sau pulsatoriu în versiunea monofazată) creat de inductor induce curenți turbionari în pereții vasului și îi încălzește. Căldura este transferată de pe pereți în lichidul din vas.

La uscarea lemnului prin inducție, un teanc de scânduri este așezat cu plasă metalică și plasat (rulat pe un cărucior special) în interiorul unui inductor cilindric format din conductoare de secțiune mare înfășurate pe un cadru din material izolator. Plăcile sunt încălzite cu plase metalice în care sunt induși curenți turbionari.

Exemplele date explică principiul instalațiilor de încălzire indirectă prin inducție. Dezavantajele unor astfel de instalații includ niveluri scăzute de energie și intensitate scăzută de încălzire. Încălzirea prin inducție de joasă frecvență este destul de eficientă atunci când se încălzi direct piesele metalice masive și un anumit raport între dimensiunile acestora și adâncimea de penetrare a curentului (vezi mai jos).

Inductoarele instalațiilor de înaltă frecvență sunt realizate neizolate; sunt formate din două părți principale - un fir de inducție, cu ajutorul căruia se creează un câmp magnetic alternativ și cabluri de curent pentru conectarea firului de inductie la o sursă de energie electrică.

Designul inductorului poate fi foarte divers. Pentru a încălzi suprafețele plane, se folosesc inductori plate, piese de prelucrat cilindrice - inductori cilindric (solenoid) etc. (Fig. 3.1). Inductoarele pot avea o formă complexă (Fig. 3.2), datorită necesității de a concentra energia electromagnetică în direcția dorită, de a furniza apă de răcire și de stingere etc.

Pentru a crea câmpuri de mare intensitate, prin inductori trec curenți mari, în valoare de sute și mii de amperi. Pentru a reduce pierderile, inductoarele sunt realizate cu cea mai mică rezistență activă posibilă. În ciuda acestui fapt, ele încă se încălzesc intens atât prin propriul curent, cât și datorită transferului de căldură din piesele de prelucrat, astfel încât sunt echipate cu răcire forțată. Inductoarele sunt de obicei realizate din tuburi de cupru rotunde sau secțiune dreptunghiulară, in interiorul caruia se trece apa curgatoare pentru racire.

Puterea specifică de suprafață. Unda electromagnetică emisă de inductor cade pe un corp metalic și, fiind absorbită în acesta, provoacă încălzire. Puterea fluxului de energie care curge printr-o suprafață unitară a corpului este determinată de formula (11)

tinand cont de expresie

În calculele practice se utilizează dimensiunea D Rîn W/cm2, atunci

Înlocuind valoarea rezultată H 0 în formula (207), obținem

.

(3.7)

Astfel, puterea eliberată în produs este proporțională cu pătratul spirelor amperi ale inductorului și cu coeficientul de absorbție a puterii. Cu o intensitate constantă a câmpului magnetic, intensitatea de încălzire este mai mare, cu cât este mai mare rezistivitatea r, permeabilitatea magnetică a materialului m și frecvența curentului. f.

Formula (208) este valabilă pentru o undă electromagnetică plană (vezi § 2 din Capitolul I). Când corpurile cilindrice sunt încălzite în inductori solenoizi, imaginea propagării undelor devine mai complicată. Cu cât raportul este mai mic, cu atât abaterile de la relațiile pentru o undă plană sunt mai mari. r/z a, Unde r- raza cilindrului, z a- adâncimea de penetrare a curentului.

În calculele practice, ei folosesc încă dependența simplă (208), introducând factori de corecție în ea - funcții Birch, în funcție de raport r/z a(Fig. 43). Apoi

Formula (212) este valabilă pentru un inductor solid fără spații între spire. Dacă există goluri, pierderile în inductor cresc. Pe măsură ce frecvența funcției crește F a (r a, z a)Și F și (r și, z a) tind spre unitate (Fig. 43), iar raportul de putere tinde spre limită

Din expresia (3.13) rezultă că eficiența scade odată cu creșterea spațiului de aer și a rezistivității materialului inductor. Prin urmare, inductoarele sunt fabricate din tuburi masive de cupru sau bare colectoare. După cum reiese din expresia (214) și Figura 43, valoarea eficienței se apropie de limita deja la r/z a>5÷10. Acest lucru ne permite să găsim o frecvență care oferă o eficiență suficient de mare. Folosind inegalitatea de mai sus și formula (15) pentru adâncimea de penetrare z a , primim

.

(3.14)

Trebuie remarcat faptul că dependențele simple și vizuale (3.13) și (3.14) sunt valabile doar pentru un număr limitat de cazuri relativ simple de încălzire prin inducție.

Factorul de putere a inductorului. Factorul de putere al unui inductor de încălzire este determinat de raportul dintre rezistența activă și cea inductivă a sistemului inductor-produs. La frecvențe înalte, reactanțele inductive active și interne ale produsului sunt egale, deoarece unghiul de fază dintre vectori și este de 45° și |D R| = |D Q|. Prin urmare, valoarea factorului de putere maximă

Unde A - spațiu de aer între inductor și produs, m.

Astfel, factorul de putere depinde de proprietățile electrice ale materialului produsului, întrefierul și frecvența. Pe măsură ce spațiul de aer crește, inductanța de scurgere crește și factorul de putere scade.

Factorul de putere este invers proporțional cu rădăcina pătrată a frecvenței, prin urmare o creștere nerezonabilă a frecvenței reduce performanța energetică a instalațiilor. Ar trebui să vă străduiți întotdeauna să reduceți spațiul de aer, dar există o limită din cauza tensiunii de întrerupere a aerului. În timpul procesului de încălzire, factorul de putere nu rămâne constant, deoarece r și m (pentru feromagneți) se modifică cu temperatura. În condiții reale, factorul de putere al instalațiilor de încălzire prin inducție depășește rar 0,3, scăzând la 0,1-0,01. Pentru a descărca rețelele și generatorul de curenții reactivi și pentru a crește sofo-ul, condensatorii de compensare sunt de obicei conectați în paralel cu inductorul.

Parametrii principali care caracterizează modurile de încălzire prin inducție sunt frecvența curentă și eficiența.În funcție de frecvențele utilizate, se disting în mod convențional două moduri de încălzire prin inducție: încălzirea adâncă și încălzirea la suprafață.

Încălzirea profundă („frecvențe joase”) este efectuată la această frecvență f când adâncimea de penetrare z a aproximativ egală cu grosimea stratului încălzit (întărit). x k(Fig. 3.4, a). Încălzirea are loc imediat la toată adâncimea stratului x k viteza de încălzire este aleasă astfel încât transferul de căldură prin conductivitate termică adânc în corp să fie nesemnificativ.

Deoarece în acest mod adâncimea de pătrundere a curenţilor z a relativ mare ( z a » x k), apoi, după formula:

Încălzirea suprafeței („frecvențe înalte”) se realizează la frecvențe relativ înalte. În acest caz, adâncimea de penetrare a curenților z a semnificativ mai mică decât grosimea stratului încălzit x k(Fig. 3.4,6). Incalzire pe toata grosimea x k apare din cauza conductivității termice a metalului. La încălzirea în acest mod, este necesară mai puțină putere a generatorului (în Figura 3.4, puterea utilă este proporțională cu zonele dublu hașurate), dar timpul de încălzire și consumul specific de energie cresc. Acesta din urmă este asociat cu încălzirea datorită conductivității termice a straturilor profunde ale metalului. Eficienţă încălzire, proporțională cu raportul dintre zonele dublu hașurate și întreaga zonă delimitată de curbă tși axele de coordonate, în al doilea caz inferioare. În același timp, trebuie remarcat că încălzirea la o anumită temperatură a unui strat de metal cu grosimea b situat în spatele stratului de întărire și numit strat de tranziție este absolut necesară pentru conectarea fiabilă a stratului întărit cu metalul de bază. Cu încălzirea suprafeței, acest strat este mai gros și conexiunea este mai fiabilă.

Cu o scădere semnificativă a frecvenței, încălzirea devine complet imposibilă, deoarece adâncimea de penetrare va fi foarte mare, iar absorbția de energie în produs va fi nesemnificativă.

Metoda de inducție poate fi utilizată pentru a efectua atât încălzirea adâncă, cât și la suprafață. Cu sursele externe de căldură (încălzire cu plasmă, cuptoare electrice cu rezistență), încălzirea profundă este imposibilă.

Pe baza principiului de funcționare, există două tipuri de încălzire prin inducție: simultană și continuă-secvențială.

În timpul încălzirii simultane, aria firului inductiv îndreptată spre suprafața încălzită a produsului este aproximativ egală cu aria acestei suprafețe, ceea ce permite încălzirea simultană a tuturor zonelor sale. În timpul încălzirii secvențiale continue, produsul se mișcă în raport cu firul de inducție, iar încălzirea secțiunilor sale individuale are loc pe măsură ce trece prin zona de lucru a inductorului.

Selectarea frecventei. Eficiența suficient de mare poate fi obținută numai cu un anumit raport între dimensiunea corpului și frecvența curentului. Alegerea frecvenței optime de curent a fost menționată mai sus. În practica încălzirii prin inducție, frecvența este selectată în funcție de dependențe empirice.

La încălzirea pieselor pentru întărirea suprafeței până la adâncime x k(mm) frecvența optimă (Hz) se găsește din următoarele dependențe: pentru părți de formă simplă (suprafețe plane, corpuri de revoluție)

Când prin încălzirea semifabricatelor cilindrice din oțel cu un diametru d(mm) frecvența necesară este determinată de formulă

În timpul încălzirii, rezistivitatea metalelor r crește. Pentru feromagneți (fier, nichel, cobalt etc.), valoarea permeabilității magnetice m scade odată cu creșterea temperaturii. Când este atins punctul Curie, permeabilitatea magnetică a materialelor feromagnetice scade la 1, adică își pierd proprietățile magnetice. Temperatura obișnuită de încălzire pentru călire este de 800-1000° C, pentru tratarea sub presiune 1000 - 1200° C, adică deasupra punctului Curie. O modificare a proprietăților fizice ale metalelor cu o modificare a temperaturii duce la o modificare a coeficientului de absorbție a puterii și a puterii specifice de suprafață (3.8) care intră în produs în timpul procesului de încălzire (Fig. 3.5). Inițial, datorită creșterii lui r, puterea specifică D R crește și atinge valoarea maximă D P max= (1,2÷1,5) D R începe, iar apoi, din cauza pierderii proprietăților magnetice de către oțel, scade la un minim D Р min. Pentru a menține încălzirea într-un mod optim (cu o eficiență suficient de mare), instalațiile sunt echipate cu dispozitive pentru potrivirea parametrilor generatorului și ai sarcinii, adică capacitatea de a regla modul de încălzire.

Dacă comparăm încălzirea directă a pieselor de prelucrat pentru deformarea plastică prin metoda inducției și metoda contactului electric (ambele se referă la încălzirea directă), atunci putem spune că în ceea ce privește consumul de energie, încălzirea prin contact electric este adecvată pentru piesele lungi de un secțiune transversală mică, iar încălzirea prin inducție este potrivită pentru piese scurte de prelucrat cu diametre relativ mari.

Un calcul riguros al inductorilor este destul de greoi și necesită utilizarea unor date semi-empirice suplimentare. Vom lua în considerare un calcul simplificat al inductoarelor cilindrice pentru călirea suprafeței, pe baza dependențelor obținute mai sus.

Calcul termic. Din luarea în considerare a modurilor de încălzire prin inducție rezultă că aceeași grosime a stratului întărit x k poate fi obtinut cu sensuri diferite densitatea de putere D R si durata incalzirii t. Modul optim este determinat nu numai de grosimea stratului x k, dar şi prin mărimea zonei de tranziţie b, legând stratul întărit cu straturile adânci ale metalului.

În absența dispozitivelor de control al puterii generatorului, natura modificării puterii specifice consumate de produsul din oțel este prezentată în graficul prezentat în Figura 3.5. In timpul procesului de incalzire, valoarea rc se modifica si spre finalul incalzirii, dupa trecerea prin punctul Curie, scade brusc. Produsul din oțel pare să se oprească automat, ceea ce asigură o întărire de înaltă calitate fără arderi. Dacă există dispozitive de control, alimentarea D R poate fi egală sau chiar mai mică decât D Р min(Fig. 3.5), care permite, prin prelungirea procesului de încălzire, să se reducă puterea specifică necesară pentru o anumită grosime a stratului întărit x k.

Graficele modurilor de încălzire pentru călirea suprafeței pentru oțelurile carbon și slab aliate cu o grosime a zonei de tranziție de 0,3-0,5 a stratului întărit sunt prezentate în figurile 3.6 și 3.7.

Prin alegerea valorii D R, nu este dificil să găsiți puterea furnizată inductorului,

unde h tr- randamentul transformatorului de inalta frecventa (stingere).

Putere consumată din rețea

determinat de consumul specific de energie A(kWh/t) și productivitate G(t/h):

pentru încălzirea suprafeței

,

(3.26)

unde D i- creșterea conținutului de căldură al piesei de prelucrat ca urmare a încălzirii, kJ/kg;

D- densitatea materialului piesei de prelucrat, kg/m 3 ;

M 3 - masa piesei de prelucrat, kg;

S 3- suprafata stratului intarit, m2;

b- deșeuri metalice (cu încălzire prin inducție 0,5-1,5%);

h tp- eficienta transferului de caldura datorita conductibilitatii termice in interiorul piesei de prelucrat (cu intarire la suprafata h tp = 0,50).

Notațiile rămase sunt explicate mai sus.

Valori aproximative ale consumului specific de energie pentru încălzirea prin inducție: revenire - 120, călire - 250, cementare - 300, prin încălzire pentru prelucrare mecanică - 400 kWh/t.

Calcul electric. Calculul electric se bazează pe dependență (3.7). Să luăm în considerare cazul când adâncimea de penetrare z a mult dimensiuni mai mici inductor și părți, precum și distanța Aîntre inductor și produs este mică în comparație cu lățimea conductorului de inductie b(Fig. 3.1). În acest caz inductanța L cu sistemele inductor-produs pot fi exprimate prin formula

Înlocuind valoarea curentă în formula (3.7) și ținând cont de faptul că

Formula (3.30) oferă relația dintre puterea specifică, parametrii electrici și dimensiunile geometrice ale inductorului și caracteristicile fizice ale metalului încălzit. Luând în funcție dimensiunile inductorului, obținem

pentru starea încălzită

Factorul de putere a inductorului

unde P este puterea activă a inductorului, W;

U și- tensiunea la bobină, V;

f- frecventa Hz.

La conectarea condensatoarelor la circuitul primar al unui transformator de înaltă frecvență, capacitatea condensatoarelor trebuie mărită pentru a compensa reactivitatea transformatorului și a conductorilor de conectare.

Exemplu. Calculați inductorul și selectați o instalație de înaltă frecvență pentru călirea suprafeței pieselor de prelucrat cilindrice din oțel carbon cu un diametru de d a= 30 mm și înălțime h a= 90 mm. Adâncimea stratului întărit x k = 1mm, tensiune inductor U și = 100 V. Găsiți frecvența recomandată folosind formula (218):

Hz

Ne oprim la cea mai apropiată frecvență folosită f=67 kHz.

Din grafic (Fig. 3.7) luăm D R= 400 W/cm2.

Folosind formula (3.33) găsim al pentru stare rece:

cm 2.

Noi acceptam A= 0,5 cm, apoi diametrul inductorului

cm.

Lungimea conductorului inductiv

cm

Numărul de spire a inductorului

Înălțimea inductorului

Puterea furnizată inductorului, conform

kW

unde 0,66 este randamentul inductorului (Fig. 3.8).

Puterea oscilatoare a generatorului

kW.

Alegem o instalație de înaltă frecvență LPZ-2-67M, care are o putere de oscilație de 63 kW și o frecvență de funcționare de 67 kHz.

Tehnica de încălzire prin inducție folosește curenți de frecvență joasă (industrială) 50 Hz, frecvență medie 150-10000 Hz și frecvență înaltă de la 60 kHz la 100 MHz.

Curenții de medie frecvență se obțin folosind generatoare de mașini sau convertoare statice de frecvență. În intervalul 150-500 Hz, se folosesc generatoare de tip sincron obișnuit, iar mai sus (până la 10 kHz) se folosesc generatoare de mașini de tip inductor.

Recent, generatoarele de mașini au fost înlocuite cu convertoare statice de frecvență mai fiabile bazate pe transformatoare și tiristoare.

Curenții de înaltă frecvență de la 60 kHz și mai sus sunt obținuți exclusiv folosind generatoare cu tuburi. Instalatiile cu generatoare de lampi sunt folosite pentru a efectua diverse operatii de tratament termic, calire a suprafetei, topire a metalelor etc.

Fără a atinge teoria problemei, prezentată în alte cursuri, vom lua în considerare doar câteva dintre caracteristicile generatoarelor de încălzire.

Generatoarele de încălzire sunt de obicei autoexcitate (autogeneratoare). În comparație cu generatoarele de excitație independente, acestea au un design mai simplu și au performanțe energetice și economice mai bune.

Circuitele generatoarelor cu tuburi pentru încălzire nu sunt fundamental diferite de cele de inginerie radio, dar au unele caracteristici. Aceste circuite nu trebuie să aibă o stabilitate strictă a frecvenței, ceea ce le simplifică foarte mult. Diagramă schematică Cel mai simplu generator pentru încălzirea prin inducție este prezentat în Figura 3.10.

Elementul principal al circuitului este lampa generatorului. Generatoarele de încălzire folosesc cel mai adesea lămpi cu trei electrozi, care sunt mai simple decât tetrodele și pentodele și oferă suficientă fiabilitate și stabilitate de generare. Sarcina lămpii generatorului este un circuit oscilant anodic, ai cărui parametri sunt inductanța L si capacitate CU sunt selectate din condițiile de funcționare ale circuitului în rezonanță la frecvența de funcționare:

Unde R- rezistență redusă la pierderea buclei.

Opțiuni de contur R, L, C sunt determinate ținând cont de modificările introduse de proprietățile electrofizice ale corpurilor încălzite.

Circuitele anodice ale lămpilor generatoare sunt alimentate cu curent continuu de la redresoare asamblate pe tiratroni sau gastroni (Fig. 3.10). Din motive economice, curent alternativ este utilizat doar pentru puteri mici (până la 5 kW). Tensiunea secundară a transformatorului de putere (anod) care alimentează redresorul este de 8 - 10 kV, tensiunea redresată este de 10 - 13 kV.

Oscilațiile neamortizate într-un auto-oscilator apar atunci când există suficient feedback pozitiv de la rețea la circuit și sunt îndeplinite anumite condiții care conectează parametrii lămpii și circuitului.

Coeficientul de feedback al grilei

Unde U cu , si tu , U a- tensiunea respectiv pe grila, circuitul oscilator si anodul lampii generatorului;

D- permeabilitatea lampii;

s d- panta dinamică a caracteristicilor anod-grilă ale lămpii.

Feedback-ul rețelei în generatoarele pentru încălzirea prin inducție se realizează cel mai adesea folosind un circuit în trei puncte, atunci când tensiunea rețelei este preluată din o parte a inductanței anodului sau a circuitului de încălzire. În figura 3.10, tensiunea este furnizată rețelei de la o parte din spirele bobinei de cuplare L2, care este un element inductiv al circuitului de încălzire.

Generatoarele de încălzire, spre deosebire de generatoarele radio, sunt cel mai adesea cu dublu circuit (Fig. 3.10) sau chiar cu un singur circuit. Generatoarele cu dublu circuit sunt mai ușor de reglat la rezonanță și sunt mai stabile în funcționare.

Oscilațiile de al doilea fel sunt excitate în generatoare. Curentul anodic trece prin lampă în impulsuri, doar pentru o parte (1/2-1/3) a perioadei. Datorită acestui fapt, componenta DC a curentului anodului este redusă, încălzirea anodului este redusă și eficiența generatorului este crescută. Curentul rețelei are, de asemenea, o formă de impuls. Tăierea curentului anodului (în unghiul de tăiere q = 70-90°) se realizează prin aplicarea unei polarizări negative constante rețelei, care este creată de căderea de tensiune pe rezistența gridlick. R g când circulă o componentă constantă a curentului rețelei.

Generatoarele de încălzire au o sarcină care se modifică în timpul procesului de încălzire, cauzată de modificări ale proprietăților electrice ale materialelor încălzite. Pentru a se asigura că generatorul funcționează în regim optim, caracterizat prin cele mai mari valori ale puterii de ieșire și eficienței, instalațiile sunt echipate cu dispozitive de adaptare a sarcinii. Modul optim se realizează prin selectarea valorii corespunzătoare a coeficientului de feedback al plasei k s si indeplinirea conditiei

Unde E a - tensiunea de alimentare;

E s - offset constant pe grilă;

eu a1-prima armonică a curentului anodic.

Pentru a se potrivi cu sarcina, circuitele oferă capacitatea de a regla rezistența rezonantă a circuitului R ași modificați tensiunea rețelei U s. Modificarea acestor valori se realizează prin introducerea capacităților sau inductanțelor suplimentare în circuit și comutarea clemelor (sondelor) ale anodului, catodului și rețelei care conectează circuitul la lampă.

Instalațiile de încălzire prin inducție sunt foarte frecvente la uzinele de reparații și la întreprinderile de utilaje agricole.

În industria reparațiilor, curenții de medie și înaltă frecvență sunt utilizați pentru încălzirea transversală și la suprafață a pieselor din fontă și oțel pentru călire, înainte de deformarea la cald (forjare, ștanțare), la restaurarea pieselor folosind metode de suprafață și metalizare de înaltă frecvență, la lipire, etc.

Întărirea la suprafață a pieselor ocupă un loc special. Capacitatea de a concentra puterea într-o locație dată a unei piese face posibilă obținerea unei combinații a unui strat exterior întărit cu plasticitatea straturilor adânci, ceea ce crește semnificativ rezistența la uzură și rezistența la sarcini alternative și la impact.

Avantajele călirii suprafeței prin încălzire prin inducție sunt următoarele:

1) capacitatea de a întări piesele și sculele la orice grosime cerută, dacă este necesar, prelucrând numai suprafețele de lucru;

2) accelerarea semnificativă a procesului de călire, care asigură o productivitate ridicată a instalațiilor și reduce costul tratamentului termic;

3) consumul specific de energie de obicei mai mic comparativ cu alte metode de încălzire datorită selectivității încălzirii (doar la o adâncime dată) și rapidității procesului;

4) calitate înaltă a întăririi și reducerea defectelor;

5) posibilitatea organizării fluxului de producție și automatizării proceselor;

6) cultură înaltă producție, îmbunătățirea condițiilor sanitare și igienice de lucru.

Instalațiile de încălzire prin inducție sunt selectate în funcție de următorii parametri principali: scop, putere oscilativă nominală, frecvență de funcționare. Unitățile produse industrial au o scară de putere standard cu următorii pași: 0,16; 0,25; 0,40; 0,63; 1,0 kW și mai departe prin înmulțirea acestor numere cu 10, 100 și 1000.

Instalațiile pentru încălzire prin inducție au puteri de la 1,0 la 1000 kW, inclusiv generatoare de lămpi de până la 250 kW și mai mari - cu generatoare de mașini. Frecvența de funcționare, determinată prin calcul, este specificată în funcție de scara de frecvență permisă pentru utilizare în aplicații electrotermale.

Instalațiile de înaltă frecvență pentru încălzirea prin inducție au o singură indexare: HF (inductie de înaltă frecvență).

După litere, o liniuță indică puterea de oscilație (kW) la numărător și frecvența (MHz) la numitor. După numere sunt scrise litere care indică scopul tehnologic. De exemplu: VCHI-40/0,44-ZP - unitate de încălzire prin inducție de înaltă frecvență, putere oscilantă 40 kW, frecvență 440 kHz; literele ZP - pentru întărirea suprafețelor (NS - pentru încălzire prin încălzire, ST - sudarea țevilor etc.).

1. Explicați principiul încălzirii prin inducție. Domeniul de aplicare a acestuia.

2. Enumerați elementele principale ale unei instalații de încălzire prin inducție și indicați scopul acestora.

3. Cum se face bobinarea încălzitorului?

4. Care sunt avantajele încălzitorului?

5. Care este fenomenul efectului de suprafață?

6. Unde poate fi aplicat încălzitorul de aer cu inducție?

7. Ce determină adâncimea pătrunderii curentului în materialul încălzit?

8. Ce determină eficiența unui inductor inel?

9. De ce este necesar să folosim tuburi feromagnetice pentru a face încălzitoare cu inducție la frecvență industrială?

10. Ce afectează cel mai semnificativ cosul unui inductor?

11. Cum se modifică viteza de încălzire odată cu creșterea temperaturii materialului încălzit?

12. Ce parametri ai oțelului sunt afectați de măsurarea temperaturii?