Установки индукционного и диэлектрического нагрева. При изучении этого раздела прежде всего следует разобраться в физической сущности явлений: вспомнить основные законы и уравнения

При изучении этого раздела прежде всего следует разобраться в физической сущности явлений: вспомнить основные законы и уравнения, описывающие явления в электромагнитном поле; понять вывод выражения, определяющего глубину проникновения электромагнитной волны в плоское металлическое тело, и процесс выделения электромагнитной энергии в металлическом теле. В дальнейшем надо разобраться в современной классификации индукционных печей и установок, особенностях их работы и областях применения. Индукционная печь со стальным сердечником по принципу работы похожа на силовой трансформатор с закороченной вторичной обмоткой. Питание производится обычно от электрической сети частотой 50 Гц и напряжением () В. Регулирование мощности производится переключением ответвлений на трансформаторе. Для повышения коэффициента мощности, который в индукционных печах обычно очень низок (), конденсаторная батарея подключается непосредственно к выводам индуктора. Индукционная печь без сердечника состоит из индуктора, огнеупорного тигля и внешнего магнитопровода, применяемого в некоторых видах печей. Необходимо уметь определять минимальную частоту тока, знать технические особенности различных типов преобразователей частоты, а также обратить особое внимание на схему питания и управления работой индукционных печей. Действие регуляторов для автоматического управления электрическим режимом индукционных плавильных установок можно изучить на примере регулятора типа АРЭР, выпускаемого отечественной промышленностью. Этот регулятор состоит из трех функционально независимых блоков:

- автоматического регулятора коэффициента мощности (АРКМ), поддерживающего коэффициент мощности установки путем ступенчатого изменения емкости конденсаторной батареи, подключенной к выводам индуктора;

- автоматического регулятора напряжения (АРН), выполненного с применением электромагнитного усилителя с отрицательной обратной связью между напряжением генератора и его током возбуждения;

- устройства автоматического согласования параметров нагрузки с источником питания (АСПН), позволяющего изменять число витков индуктора в зависимости от тока в цепи источника, который в свою очередь зависит от технологического режима (расплавление шихты, рафинирование и т. п.).

Для автоматического управления индукционных плавильных установок служит также сигнализация «проедания» тигля, срабатывающая при уменьшении до определенной величины сопротивления между индуктором и пучком нихромовых проволочек, запекаемых в футеровку подины тигля, что свидетельствует о снижении механической прочности тигля в связи с проникновением в поры футеровки расплавленного металла.

Для нагрева отдельных металлических деталей под поверхностную закалку, штамповку, ковку и т.д. широко применяются установки индукционного нагрева, так как по сравнению с печами сопротивления, применяемыми для тех же целей, они имеют большую скорость нагрева, удобство автоматизации, большую равномерность нагрева, возможность нагрева не всей детали, а лишь отдельного участка ее, меньшую площадь для установки оборудования и меньший УРЭ. Магнитный поток индуктора создает в металлической детали ЭДС, вызывающую вихревые токи, замыкающиеся в массе металла. Наибольшая плотность тока будет в поверхностном слое металла. Количество тепла, которое выделится в металле, пропорционально мощности, передаваемой телу электромагнитным полем, и зависит от времени нагрева и частоты тока. Существуют эмпирические формулы для выбора оптимальной частоты тока, соответствующей минимуму УРЭ:

- для получения закаленного слоя глубиной х (в мм)

;

- для сквозного нагрева цилиндрической заготовки, имеющей диаметр ,

;

В зависимости от формы обрабатываемых изделий используют индукторы различной конструкции (плоскоспиральные, петлевые, цилиндрические, фасонные и т.п.). Индукторы выполняются из трубчатого провода, имеющего прямоугольное или цилиндрическое сечение. Внутри индуктора циркулирует охлаждающая жидкость (масло или вода). Сечение индуктора и скорость протекания охлаждающей жидкости зависят от требуемой мощности и допустимой температуры нагрева индуктора.

Для установок индукционного нагрева, как правило, требуется специальное электрооборудование:

- ламповые или машинные преобразователи частоты;

- конденсаторные батареи, изготавливаемые на соответствующую частоту и имеющие водяное охлаждение;

- понижающие трансформаторы на повышенные частоты с водоохлаждаемой вторичной обмоткой;

- аппаратура управления, защиты, регулирования и контроля работы установок.

Установки диэлектрического нагрева используются для термообработки материалов из полупроводников и диэлектриков. При этом обрабатываемый материал помещают между пластинами конденсатора, подключенного к ламповому генератору высокой частоты . Нагрев возникает за счет активной составляющей мощности, идущей на смещение электрических зарядов в атомах и молекулах при изменении электрического поля.

Мощность ламповых генераторов диэлектрических установок достигает 3000 кВт.

При изучении этой темы следует обратить внимание на неблагоприятное воздействие высокочастотного электромагнитного излучения на здоровье обслуживающего персонала. Для снижения напряженности электрического поля вблизи установки до нормы (5 кВ/м) генератор и камеру рабочего конденсатора необходимо экранировать.

Вопросы для самопроверки

1.Что такое «глубина проникновения» электромагнитной волны?

2. В чем состоит принцип работы индукционной печи со стальным сердечником?

3. Объясните устройство и принцип работы индукционных печей без сердечника.

4. Для чего необходима установка конденсаторов при индукционном нагреве?

5. Каковы особенности электрооборудования индукционных печей и установок?

6. Изложите принципы автоматического регулирования тигельной индукционной печи с автоматическим регулятором типа АРЭР.

7. Объясните принцип работы простейшего лампового генератора, его назначение.

8. Для нагрева каких материалов применяется диэлектрический нагрев?

9. Приведите и прокомментируйте простейшую схему установки для диэлектрического нагрева.

10. Что такое «фактор потерь» и как его величина влияет на выбор рабочей частоты?

11. Для чего необходимо экранирование установок диэлектрического нагрева?