WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 12 |

Рабочая частота составляет от 1 до 10 кГц и определяется диаметром заготовки. Установки под пластическую деформацию можно условно разделить на установки методического и периодического действия для нагрева в кузницах, и проходные печи для использования в прокатном производстве. Каждый из видов установок предъявляет специфические требования к режимам работы преобразователей.

Наиболее массовым видом установок для индукционного высокочастотного нагрева являются установки для нагрева под поверхностную закалку. Диапазон рабочих частот таких установок 2,4 кГц - 1,76 МГц в зависимости от размеров термообрабатываемых деталей и глубины закаливаемой зоны. В нижней части диапазона рабочих частот могут использоваться в качестве источников питания тиристорные преобразователи. Уровень мощностей таких установок, как правило, 25-кВт.

Особым требованием при применении преобразователей для закалки является требование частых пусков, доходящих до 15-30 в минуту. Наряду с установками малой и средней мощности для термообработки используются и установки большой мощности; в частности, к таким технологиям относится одновременная закалка головок рельс и локальная по шву или объемная термообработка спиральношовных труб. Мощность таких установок доходит до нескольких тысяч киловатт.

В 70-е – 80-е годы получила развитие высокочастотная пайка – процесс, имеющий целый ряд технологических преимуществ. Наряду с ламповыми преобразователями с рабочими частотами от 66 до 1760 кГц в качестве ИП находят применение и тиристорные. Требуемая мощность, как правило, не превышает 100 кВт, диапазон частот 8-10 – 18-22 кГц. В связи с тем, что пайке могут подвергаться изделия из материалов с малым электрическим сопротивлением (например, медь), а также изделия сложной конфигурации, что требует для равномерного нагрева больших зазоров между индуктором и деталью, нагрузка характеризуется в основном высокими значениями добротности.

Повышенные частоты тока используются и для целей сварки металлов (в основном, в трубном производстве). При этом с одной стороны, для наименьших потерь энергии, требуется частота 10 и выше килогерц, т. е.

верхняя граница диапазона повышенных частот, а с другой - в связи с необходимостью доведения металла до оплавления и обеспечения высокой производительности требуется большая единичная мощность (от 1 до МВт).

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Одним из наиболее перспективных направлений технологических применений токов высокой частоты является нагрев газа (получение индукционной плазмы) с целью воздействия на какие-либо материалы для их оплавления, нагрева, испарения и т. д. и для обеспечения плазмохимических процессов. Нагретый в индукционном плазматроне газ имеет температуру (610)·103 К. При таких температурах все вещества находятся в ионизированном состоянии и химически очень активны, что позволяет успешно выполнять плазмохимические процессы и высокотемпературный нагрев различных материалов. Индукционная плазма, в отличие от дуговой, позволяет осуществлять более «чистые» процессы, так как в плазме отсутствуют примеси материала электрода, который практически не расходуется.

Особенностью индукционной плазмы является то, что устойчивость разряда зависит от соотношения частоты тока и мощности в разряде: чем ниже частота, тем выше должна быть мощность (в частности, в области звуковых частот минимальная мощность плазматрона составляет единицы мегаватт).

Особенностью плазматрона как нагрузки является то, что в холодном состоянии газ является непроводником. Поэтому при проектировании ИП необходимо предусмотреть возможность выполнения режима с резким переходом от холостого хода (с ненагруженного индуктора) к полной нагрузке. Вторым фактором, который необходимо учитывать при выборе и проектировании ИПП, является то, что разряд газа в плазматроне неоднороден по своей геометрии и зависит от подводимой мощности, расхода газа и других факторов, т. е. параметры нагрузки могут существенно меняться не только в процессе возбуждения плазменного разряда, но и при его горении.

Кроме плазменных разрядов, находят применение и другие виды высокочастотных разрядов, в частности тлеющий и коронный. Из практических применений таких разрядов назовем два: синтез озона и модификация поверхностных свойств материала. Использование тока повышенной частоты в этих процессах по сравнению с частотой тока 50 Гц и постоянным током позволяет получить больший выход озона при той же затраченной энергии, наиболее равномерное распределение разрядных каналов вдоль электрода или трубки озонатора, а также позволяет уменьшить напряжение на выходе установки. Мощность установок для озонирования определяется производительностью озонатора и может доходить до сотен киловатт при частотах до 2,4 кГц. Установки для модификации поверхностных свойств имеют мощность в единицы киловатт, а наиболее подходящие рабочие частоты от 4 до 22 кГц.

Следует отметить, что при использовании тлеющего и коронного разрядов нагрузка имеет активно-емкостный характер, что является предпочтительным именно при работе от тиристорного преобразователя, так как нагрузочная емкость может использоваться как часть коммутирующей.

Ток повышенной частоты применяется в установках, предназначенных для получения особо чистых материалов: кремния и окислов различных веществ, применяемых в квантовой электронике, новых отраслях энергетики PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com и других областях техники. В этой технологии используется косвенный нагрев получаемого материала. В качестве нагреваемого тигля используются графит, иридий, вольфрам, молибден. Мощность установок 25-100 кВт, частота 8-22 кГц. Как правило, процессы кристаллизации длительные, сырье дорогое, поэтому к установкам предъявляется требование высокой надежности. С этой точки зрения использование источников повышенной частоты является более предпочтительным, чем применение высокочастотных ламповых генераторов благодаря низким напряжениям, исключающим возникновение тлеющих разрядов или пробоев, и отсутствию элементов, имеющих сравнительно малый срок службы (генераторные лампы).



Следует отметить и возможности применения преобразователей повышенной частоты для ЭТУ, не связанных с электротермией. В частности, хорошие перспективы имеет применение таких преобразователей в ультразвуковых технологических установках частотой 18, 22 и 44 кГц.

Требуемые мощности не превышают нескольких десятков киловатт.

Одним из распространенных в промышленности применением токов повышенной частоты является технология ультразвуковой обработки материалов: очистка, обработка твердых хрупких материалов, сварка и др.

Для большинства таких процессов рабочая частота ультразвуковых технологических установок 18 или 22 кГц. Мощность установок, как правило, ограничивается 25 кВт, но может доходить до 200 кВт. Нижняя граница мощности, с которой при современном развитии силовых полупроводниковых приборов целесообразно создавать тиристорные преобразователи, - 4 кВт. В дальнейшем по мере увеличения единичной мощности силовых транзисторов, эта граница будет перемещаться в сторону больших мощностей. Преобразователи повышенной частоты в ЭТУ могут применяться и во вспомогательных целях.

Кроме ЭТУ преобразователи повышенной частоты могут применяться также в качестве ИП высокоскоростных электродвигателей, бортовых сетей подвижных объектов, ламп люминесцентного освещения и в радиотехнике в качестве передатчиков сверхдлинноволнового диапазона.

Перспектива развития тиристорных преобразователей повышенной частоты, их применение в электротехнологических установках в большой степени определяется прогрессом в области создания частотных вентилей.

Такие полупроводниковые приборы как тиристоры с комбинированным выключением, арсенидогалливые тиристоры позволяют повысить частотный предел применения инверторов, имеющих сравнительно простые силовые схемы, а также применить новые схемные решения.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com ЧАСТЬ I. ИНДУКЦИОННЫЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И ИХ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИНДУКЦИОННО-НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИНДУКЦИОННЫХ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ По назначению индукционные установки делятся на плавильные печи, миксеры и нагревательные установки. Под индукционными электропечами подразумевают индукционные установки, предназначенные для нагрева металлов и сплавов выше температуры их расплавления и перегрева металла до температуры разливки. Сюда относятся электропечи для плавки черных металлов и для плавки цветных металлов и сплавов. Миксеры служат как для подогрева жидкого металла до температуры разливки, так и для выравнивания его состава и поддержания его температуры[2,3].

Под нагревательными индукционными установками подразумевают установки для нагрева деталей до температуры термообработки или горячей деформации металла, то есть меньшей, чем температура расплавления металла. Это - индукционные установки для сквозного нагрева под горячую деформацию металлических заготовок и установки для термообработки (поверхностная закалка, отпуск и пр.).

По частоте тока источника питания индукционные установки делятся на печи и нагревательные установки низкой (промышленной) частоты (Гц), печи и нагревательные установки средней частоты (150-10000 Гц), печи и нагревательные установки высокой частоты (50-1000 кГц) и установки диэлектрического нагрева - установки сверхвысокой частоты (5-5000МГц).

По конструкции индукционные печи и нагревательные установки могут выполняться открытыми, то есть работающими при атмосферном давлении воздуха, и герметически закрытыми, т. е. работающими или с разрежением воздуха внутри плавильного пространства, или с повышенным давлением при заполнении рабочего пространства нейтральным газом (азотом, аргоном, водородом).

По режиму работы различают печи и установки периодического действия и печи и установки непрерывного действия.

По принципу действия индукционные печи подразделяются на тигельные (печи без сердечника) и канальные (печи с сердечником), названные так по элементам конструкции печи, где находится расплавленный металл.

Индукционный нагрев металлов в настоящее время широко применяется в различных областях промышленности для самых разнообразных целей: для плавки металлов и сплавов, горячей деформации металла, термообработки, зонной очистки металлов и т. п.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Установки диэлектрического нагрева образуют отдельную группу установок, работающих на высоких и сверхвысоких частотах. Они разнообразны по назначению и исполнению. В качестве источников питания применяются ламповые генераторы. Эти установки предназначены главным образом для нагрева диэлектриков и полупроводниковых материалов при получении синтетических материалов из пресс-порошков, склейке, сушке, сварке пластиков и других видах обработки непроводниковых материалов.

При диэлектрическом нагреве используются частоты от сотен килогерц до сотен мегагерц. Преимуществом нагрева материалов в поле конденсатора является выделение теплоты непосредственно внутри нагреваемого объекта за счет поляризации (токов смещения).





1.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛОВ.

При прохождении по проводнику переменного тока, около него создаётся переменное электромагнитное поле. В куске металла, помещенном в этом поле, индуктируются токи, частота которых совпадает с частотой первичного тока. Прохождение индуктированного электрического тока вызывает нагрев металла. Нагрев металла описанным способом называется индукционным, а проводник, по которому пропускается электрический ток, – индуктирующим проводником (проводом). Индуктирующий провод может быть изготовлен из любого хорошо проводящего материала, и ему может быть придана любая форма. Чаще всего он навивается из прямоугольных медных трубок в виде цилиндрических спиралей. Внутри спиралей устанавливается нагреваемая заготовка. Для уменьшения тепловых потерь между индуктирующим проводом и заготовкой помещается изоляция из жароупорных теплоизоляционных материалов. Для отвода тепла, выделяющегося при прохождении тока по медной трубке, образующей индуктирующий провод, пропускается вода. Индуктирующий провод, жароупорная футеровка, шланги, через которые подаётся вода, изоляционные бруски для крепления провода, контактные пластины объединяются в единое устройство, называемое индуктором.

Основой метода индукционного нагрева металлов является поверхностный эффект. Он выражается в неравномерном распределении тока по сечению проводника, при котором наибольшая плотность тока наблюдается у одной из поверхностей проводника.

Рассмотрим поверхностный эффект на примере падения плоской электромагнитной волны на полуограниченное металлическое тело с плоской поверхностью. Будем считать, что размеры поверхности и глубина тела бесконечны, а его физические свойства - магнитная проницаемость µ и удельное сопротивление - постоянны во всех точках.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com z y H l Е f e a b a o c x Рис.1.1. Ориентация векторов поля в плоской электромагнитной волне При решении задачи исходными уравнениями являются основные уравнения электромагнитного поля (уравнения Максвелла). В общем случае эти уравнения имеют вид[2,3]:

D rotH = + ;

t B rotE = - ;

t divB = 0;

divD = q;

B = H;

D = E, где B - вектор магнитной индукции;

D - вектор электрической индукции;

H – вектор напряжённости магнитного поля;

E – вектор напряжённости электрического поля;

Гн µ0 = 4 10-7 – магнитная проницаемость вакуума (магнитная м постоянная);

– относительная магнитная проницаемость;

1 Ф 0 = - диэлектрическая проницаемость вакуума;

м 4 9 – относительная диэлектрическая проницаемость;

- вектор плотности тока проводимости;

D - вектор плотности тока смещения.

t В плоской волне вектора H и E имеют лишь по одной составляющей:

Hz, Ey. Первое и второе уравнения принимают вид:

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Hz Dy - = Ey + ;

x t Ey Hz - = 0, x t где – удельная проводимость.

Dy Для проводящей среды E >> (ток проводимости много больше t тока смещения), то есть плотностью тока смещения по сравнению с током проводимости можно пренебречь.

В дальнейшем индексы y и z опустим. Если Е и Н – синусоидальные функции времени, то получаем решение в комплексной форме записи:

&= & H Hm exp(j (wt + н )) = Hm exp(jwt) exp(jн ) = Hm exp(jwt);

&= & E Em exp(j (wt + e )) = Em exp(jwt) exp(je ) = Em exp(jwt), & & где Hm, Em и Hm, Em - действительные и комплексные амплитуды напряженностей магнитного и электрического полей соответственно;

H, Е - соответствующие начальные фазы;

– угловая частота.

Таким образом, получаются следующие дифференциальные уравнения:

& Hm & & - = = Em, m x & Em & = - j Hm.

x & Подставив в последнее уравнение выражение для Em из предпоследнего уравнения, получаем:

.

& d2Hm & & = j µ0 µ Hm = j 2 k Hm, dx 1 µ0 µ где k = = ;

= 503 - глубина проникновения тока;

µ0 µ µ f Решение последнего дифференциального уравнения имеет вид:

& Hm = A exp(1 x) + B exp(2 x) Коэффициенты находятся из характеристического уравнения:

1,2 = ±k 2 j = ±k (1+ j).

& Выражение для Hm может содержать только член с отрицательным &m значением, так как в противном случае H будет неограниченно & возрастать с возрастанием х, что невозможно. При х=0 Hm =Нme=А, то есть амплитуда напряженности равна своему значению на поверхности. Выбрав & начало отсчёта времени так, что при х=0, н=0, получим Hm = Нme.

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com & Тогда выражение для Hm примет вид:

(1+ j) x & & Hm = Hme exp(-k (1+ j) x) = Hme exp(- ).

& dHm & & Из уравнения - = m = Em находим:

dx & dHm x & & Em = m = - = 2 Hm exp(j ) exp(-(1+ j) ).

dx & &m Модули Hm, E имеют вид:

x Hm = Hme exp(- ), x Em = Eme exp(- ), x m = me exp(- ).

На поверхности при х=0 имеем:

Em = Eme = 2 Hme, Eme Hme m = me = = 2.

Начальные фазы для напряженностей x H = -, x E = - +.

Hm Em x Зависимость = от относительной глубины приведена на рис. 1.2.

Hme Eme m E H m m,, me E H me me x 0 1 2 Рис.1.2. Зависимость плотности тока, напряженностей электрического и магнитного полей от глубины.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 12 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.