12-2 (Лекции), страница 2

Удельное сопротивлениеменяется по закону, близкому к линейному: магнитная проницаемость слабо зависит оттемпературы примерно до 650-700ºС (температуры Кюри), после чего скачкообразно падает довеличины, примерно равной магнитной проницаемости вакуума.Параметры, определяющие индукционный нагревВзаимные превращения магнитных и электрических полей описываются уравнениямиМаксвелла,которыевыводятсянапримерепаденияэлектромагнитнойволнынаполубесконечное металлическое тело с плоской поверхностью, физические параметры которого- магнитная проницаемость µ и удельное сопротивление ρ - постоянны во всех точках и независят от температуры и времени.

Решение уравнений Максвелла дает следующуюзависимость плотности вихревых токов i, возникающих в ферромагнитном теле под действиемпеременного магнитного поля с частотой f, от расстояния х от поверхности тела:i = i0 ⋅ e-μa fxρ(4.1)где: io - значение плотности тока на поверхности тела;μа - абсолютная магнитная проницаемость тела;f - частота (применительно к индукционному нагреву f - частота тока).На рис.

6,а представлен график этого выражения, показывавший, что величина тока,наибольшая на поверхности, резко уменьшается по мере удаления от нее, что связано споверхностным эффектом.6ii1,01,00,80,8à)0,6á)0,60,40,3630,21234xδ0,1861234xδРис.6 - Зависимость плотности тока i от глубины проникновения токаРассмотрим точку тела, находящуюся на расстоянииδ от поверхности, в которойотношение i / i 0 = e . Выражение (4.1) для этой точки примет вид:−1e =e-μa fδρ,откуда δ =ρμa f(4.2)Величина δ носит название глубины проникновения тока. Этот параметр является оченьважным дня понимания сущности индукционного нагрева.

Если перестроить график нарис.4.3,а в координатах i² = f(x), то согласно закону Джоуля-Ленца каждая ордината этогографика будет пропорциональна количеству теплоты, выделяемой в данной точке, Расчетыпоказывают; что количество теплоты, выделяемое в слое δ, будет составлять более 90% всейвыделяемой теплоты. Это дает основание принять, что вихревые токи возникают только наглубине δ, причем их плотность считается одинаковой по всей глубине δ.Рассмотрим влияние отдельных параметров, входящих в формулу (4.2), на глубинупроникновения тока. Величина δ зависит от физических характеристик металла μа и ρ, a такжеот частоты тока f. Физические характеристики μа и ρ в свою очередь зависят от температуры(см.

рис.5). С увеличением температуры δ будет увеличиваться, так как удельноесопротивление ρ растет, а магнитная проницаемость μа падает. Однако существенноеувеличение глубины проникновения тока будет иметь место при достижении температурыКюри, так как магнитная проницаемость μа при этой температуре резко падает до 1. Однако врасчетах принимают среднее значение μа и ρ Формула (4.2) упрощается:δ=Kf7где К - коэффициент, зависящий от материала и размерности величин δ и f. Есливыражать δ в метрах, а f в Гц, то для стали при температуре 1000-1200°С К ≈ 0,5, для меда притемпературе 40°С К = 0,07.Наибольший интерес представляет зависимость глубины проникновения тока от частотыf, так как только этим параметром можно изменять δ.

Зависимость δ от f обратнопропорциональная: чем больше частота, тем меньше глубина проникновения тока, и наоборот.Изменяя же глубину проникновения тока, мы тем самым изменяем толщину токонесущего слоя,а следовательно, и активное сопротивление заготовки, которое можно рассчитать но формуле:brз = ρ ,Sздесь b - длина токонесущего слоя, равного b = πdср, (dср - средний диаметртоконесущего слоя заготовки);S = δl (l - длина нагреваемой части заготовки)- площадь сечения токонесушего слоязаготовки.Активное сопротивление r в свою очередь определяет джоулево тепло:Q=I 2 rз τ ,Таким образом, с помощью частоты тока можно изменять мощность тепловыделенияв каждой точке токонесущего слоя заготовки.

Частота тока в индукционных нагревателяхвыбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальный КПД установки.Рассмотрим это подробнее. КПД индукционной установки ηин определяется поформуле:η = ηт ⋅ ηэл ,где ηт - тепловой КПД, связанный с потерями теплоты в окружающую среду в процессенагрева, а ηэл - электрический КПД, определяемый по формуле:ηэл =rзrин +rз,где r3 и rин - активные сопротивления, соответственно заготовки и индуктора.Зависимость ηт и ηэл от отношения диаметра заготовки d3 к глубине проникновениятока δ представлена на рис.7.8Рис.70,80,6электрического31 2Зависимостьтеплового 2 и полного 30,4КПД0,2нагревательного01,123456789dзδ10 11индукционногоустройства от отношениядиаметразаготовкикглубинепроникновениятока в нагретую стальДействительно, с уменьшением δуменьшается толщина слоя металла, в которомвыделяется теплота, и в то же время увеличивается объем металла, нагреваемого путемтеплопроводности; увеличивается время нагрева, а следовательно, и тепловые потери вокружающую среду.

С другой стороны, с уменьшением δ увеличивается активноесопротивление, заготовки, что приводит к увеличению ηэл.В соответствии с видом 1 и 2 кривая 3, характеризующая полный КПД, имеет максимум,соответствующий значению d3/δ≈3−5. Практически установлено, что наибольший КПДобеспечивается в диапазоне отношения d3/δ от 2,5 до 6.Задаваясь оптимальным значением d3/δ и используя формулу (2), легко найти значениячастоты тока f в зависимости от диаметра заготовки d3, обеспечивающие максимальный КПДустановки.

Ниже приведены данные ВНИИТВЧ им. Вологдина по выбору частоты тока длясквозного нагрева стальных цилиндрических заготовок.---------------------------------------------------------------------------------------------------------Частота тока, ГцДиаметр заготовок, мм5015050010002500800070-160 50-120 30-80 15-4010000 и выше20 и менее---------------------------------------------------------------------------------------------------------Как видно из таблицы, каждую заготовку можно нагревать током двух и даже трехсмежных частот.

Необходимо иметь ввиду, что с повышением частоты стоимость генераторовувеличивается, КПД уменьшается и возрастают потери в токопроводах. Поэтому всегда следуетстремиться использовать самую низкую из оптимальных частот.Машинные преобразователи имеют ряд существенных недостатков. Они имеют тяжелыебыстровращающиеся роторы, на разгон и остановку которых необходимо значительное время.При пуске машин неизбежны толчки нагрузки в сеть. На холостом ходу машины потребляют до910% от номинальной мощности. В случае остановки ковочно-штамповочных агрегатовиндукционные нагреватели отключаются, а преобразователи работают на холостом ходу, чтоведет к повышенному расходу энергии.Со второй половины 60-х годов XXв. в связи с развитием полупроводниковой техникипоявились мощные кремневые управляемые вентили (тиристоры), на основе которых созданыстатические преобразователи частот (вентиль электрический – общее название электрическихприборов,проводимостькоторыхвзначительнойстепенизависитотнаправленияэлектрического тока).

Тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ) относятся к неподвижнымэлектрическим устройствам, преобразующим ток промышленной частоты 50 Гц в ток другойчастоты, и потому именуются статическими преобразователями.Статистический преобразователь частоты осуществляет двойное преобразование, т.е.вначале преобразует переменный ток промышленной частоты в постоянный, а затемпостоянный ток – в переменный заданной частоты (инвертирование). Выпрямление иинвертирование производятся с помощью тиристорных управляемых вентилей.Весьма существенное преимущество статических преобразователей -возможностьплавного изменения частоты тока в процессе их работы.

Это преимущество позволяетсогласовывать параметры преобразователя с изменяющимися параметрами нагрузки в процессенагрева, что обеспечивает более полное использование мощности преобразователя.Тиристорные преобразователи обладают рядом преимуществ перед машинными:К.П.Д установок, работающих от машинных генераторов составляет 0,6-0,7,а оттиристорных более 0,9;лучшие возможности для регулирования;малая инерционность;сохранение высокого к.п.д. при разгрузке и в режиме повторно-кратковременнойнагрузки;более широкий диапазон оптимальных нагрузок без дополнительных согласующихустройств;практически мгновенная готовность к работе;малые пусковые токи и др.В то же время тиристорные преобразователи являются устройствами более сложными,чем электромашинные, что требует квалификационного обслуживания; их трудно применитьдля централизованного питания.10Преимущества и недостатки индукционного нагреваОсновные преимущества индукционного нагрева, это следствие выделения тепловойэнергии непосредственно в нагреваемом объекте.1.

Большая скорость нагрева, сокращающая время нагрева в несколько раз по сравнениюс пламенным способом.При индукционном нагреве током оптимальной частоты время нагрева сокращается посравнению с пламенным нагревом в 2,5 раза, при уменьшении диаметра заготовкиотносительная разница в скоростях нагрева возрастает в 5…10 раз. В производственныхусловиях в печи никогда не нагревают одну заготовку, а нагревают целую садку, время нагревакоторой значительно возрастает.2. Высокая скорость нагрева позволяет сохранить в стали мелкое зерно, обеспечивающеевысокую пластичность заготовки, что снижает расход энергии на обработку ее давлением иувеличивает срок службы кузнечно-штамповочного оборудования.3. Значительное уменьшение окалинообразования, которое составляет в среднем0,5…0,8 % от массы нагреваемого металла, против 2…4 % при нагреве в пламенных печах.Значительно уменьшается обезуглероживание сталей, которое при нагреве до 1100…1200 °Спрактическиотсутствует.Прииндукционномнагревеокалинообразованиеиобезуглероживание в основном происходят не при нагреве, а при транспортировке идеформировании заготовки.4.