Преобразователи энергии Ишимбай УГАТУ

       Индукционный нагрев (нагрев токами высокой частоты, англ. RFH — radio-frequency heating) — метод бесконтактного нагрева электропроводящих материалов

       Описание метода.

       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.

       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.              (поверхностный-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. В скин-слое (Скин-эффект (поверхностный эффект) — эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь проводящей среды. В результате этого эффекта, например, переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое.)  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.

Формула для вычисления глубины скин-слоя в мм:

,

где μ0 = 4π·10−7 — магнитная постоянная Гн/м, а ρ — удельное электрическое сопротивление материала заготовки при температуре обработки.

          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.

Недостатки

      Повышенная сложность оборудования, необходим квалифицированный персонал для настройки и ремонта.

      При плохом согласовании индуктора с заготовкой требуется бо́льшая мощность на нагрев.

     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:

1.      повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;

2.      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 трёхточки:

1.      Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).

2.      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 являютcя фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам.

3.      При смене заготовок (например, более мелкой на более крупную) изменяется индуктивность системы индуктор-заготовка, что также приводит к изменению частоты и глубины скин-слоя.

4.      При смене одновитковых индукторов на многовитковые, на более крупные или более малогабаритные частота также изменяется.

       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).

      Иногда в качестве генератора высокой частоты использовали списанные мощные радиопередатчики, где антенный контур заменяли на нагревательный индуктор.

           Индукционный нагрев и закалка металлов

      Наиболее широко применяется прямой индукционный нагрев металлов на средних и высоких частотах. Для этого используют индукторы специального исполнения. Индуктор испускает электромагнитную волну, которая падает на нагреваемое тело и затухает в нем. Энергия поглощенной волны преобразуется в теле в теплоту. Эффективность нагрева тем выше, чем ближе вид испускаемой электромагнитной волны (плоская, цилиндрическая и т. д.) к форме тела. Поэтому для нагрева плоских тел применяют плоские индукторы, цилиндрических заготовок - цилиндрические (соленоидные) индукторы. В общем случае они могут иметь сложную форму, обусловленную необходимостью концентрации электромагнитной энергии в нужном направлении.

       Особенностью индукционного ввода энергии является возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов. Во-первых, вихревые токи протекают в пределах площади, охватываемой индуктором. Нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела. Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и, следовательно, зоны выделения энергии зависит, кроме других факторов, от частоты тока индуктора (увеличивается при низких частотах и уменьшается с повышением частоты). Эффективность передачи энергии от индуктора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении.

Индукционный нагрев применяют для поверхностной закалки стальных изделий, сквозного нагрева под пластическую деформацию (ковку, штамповку, прессование и т. д.), плавления металлов, термической обработки (отжиг, отпуск, нормализация, закалка), сварки, наплавки, пайки металлов.