книги из ГПНТБ / Васильев, А. С. Статические преобразователи частоты для индукционного нагрева

А. С. ВАСИЛЬЕВ

СТАТИЧЕСКИЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ЧАСТОТЫ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

«Э Н Е Р Г И Я» МОСКВА 1974

Предисловие

„(Последние годы характеризуются резким увеличени_мощности устройств индукционного нагрева как в пасти повышенных частот (от 500 до 10000 гц), так и ■'асти высоких частот (от 0,06 до 40 Мгц). При при-

- .отах получили распространение системы централизонного питания, когда большое пиело потребителей подючается к единой преобразовательной станции. Мощ- ^сть таких станций может достигать нескольких десят­ ков тысяч киловатт. Хотя в области высоких частот 'мощ­ ности установок редко превосходят 100—200 кет, но боль­ шое распространение этих установок приводит к тому,

На протяжении последних двух-трех десятилетий па­ раллельно с разработкой технологии индукционного на­ терт велись работы по созданию специализированных "чков питания нагревательных устройств. Эти раривели к созданию целого ряда схем статических азователей частоты как на ионных или полупрошых управляемых вентилях, так и на мощных рных лампах. При разработке этих схем центьными вопросами оставались вопросы повышения д., снижения потерь холостого хода и наиболее легсогласования с нагрузкой. Однако основные труднопри этом были связаны с невозможностью оценить гяние изменения параметров нагрузки и большого кошетва случайных факторов на устойчивость стати-

^ских преобразователей.

Одновременно с разработкой наиболее устойчивых схем преобразователей целью автора в последние годы являлось освоение современных методов анализа схем

3

статических преобразователей, позволяющих, в частно­ сти, с помощью ЭВМ облегчить труд разработчиков и получить полную информацию об переходных и устано­ вившихся процессах в схемах преобразователей.

Применение этих методов иллюстрируется в книге практически важными примерами расчета сложных вен­ тильных схем, работающих параллельно и образующих

В целом ряде сложных прецизионных технологических процессов (получение микропровода в стеклянной изоля­ ции, выращивание монокристаллов полупроводников, получение устойчивого плазменного разряда) необходи­ мо обратить особое внимание на влияние случайных возмущений режима ламповых генераторов. В связи с этим освещены некоторые требования к стабилизации подобных устройств.

Так как к. п. д. преобразователя определяется не только выбором схемы и ее режимом, но и конструкцией силовых элементов схемы, в книге уделяется внимание и этому вопросу.

Значительная пасть работ, описанных в книге, прово­ дилась в Отраслевой лаборатории высокочастотной элек­ тротехники ЛЭТИ им. В. И. Ульянова (Ленина) и во Всесоюзном институте токов высокой частоты им. проф.

а также "редактору канд. техн. наук С. Г. Обухову за большую работу по подготовке рукописи к печати.

Автор

ленной ультразвуковой обработки материалов. Для гид­ ролокации обычно используется электроакустический преобразователь емкостного типа на нелинейной керами­ ке. Питающие такой преобразователь генераторы рабо­ тают в импульсном режиме с большой продолжитель­ ностью импульса (десятки миллисекунд). Для промыш­ ленной ультразвуковой обработки материалов (очистка, мойка, сварка, точная обработка) используются магнитострикционные преобразователи, работающие в непре­ рывном режиме.

Разнообразие нагрузок накладывает дополнительные требования на выбор схемы лампового генератора. Для гидролокации и точной обработки материалов требуется довольно точное поддержание постоянства частоты ге­ нератора, для очистки и мойки деталей допускается большее отклонение частоты от номинальной. Основной проблемой этого класса генераторов является их согла­ сование с нелинейной изменяющейся нагрузкой.

На частоте 66 кгц в СССР осуществляется индукци­ онный нагрев для плавки небольших количеств стали (до 50 кг) и закалка -всевозможного типа машинострои­ тельных деталей, деталей судовых механизмов и т. д. Довольно широкий диапазон разрешенного отклонения от номинальной частоты (22%) позволяет выполнять достаточно универсальные генераторы с самовозбужде­ нием. Разработанная схема генератора на этой частоте позволяет менять связь имежду нагрузкой и генератором, что приводит к довольно легкому согласованию практи­ чески любого типа нагрузки с генератором.

Однако на данной частоте трудно добиться высокой добротности контуров при больших мощностях и полу-

6

чнть значительную мощность в малом объеме, что часто и является основным требованием при термообработке деталей на радиочастотах. Поэтому в последнее время все больший интерес проявляется к использованию ис­ точников с частотой 440 кгц. Во-первых, использование данной частоты позволяет сократить габариты устано­ вок, во-вторых, удается сделать контуры с большей доб­ ротностью. На этой частоте работают устройства для получения методом зонной плавки .монокристаллического германия, установки для сварки труб, сварки алюминие­ вых кабелей и кабельных оболочек, а также закалки малогабаритных изделий. Однако применение тока с частотой 440 кгц связано с более жесткими требова­ ниями но поддержанию постоянства час¥оты. Особенно тяжело выполнять эти условия при изменении парамет­ ров нагрузки во время технологического цикла.

Скоростные процессы индукционного нагрева прак­ тически исключают создание автоматизированных уст­ ройств для самонастройки колебательной системы. По­ этому приходится идти на увеличение реактивной мощ­ ности в колебательных контурах, чтобы сгладить изме­ нение параметров нагрузки. Перечисленные технологиче­ ские процессы часто являются энергоемкими и разнооб­ разными. Поэтому диапазон мощностей генераторов до­ вольно 'велик: 10—400 кет.

Частота 880 кгц обычно используется в установках для получения изделий из микропровода. Высокие тре­ бования к стабильности процесса вытягивания микро­ провода в стеклянной изоляции требуют высокой точно­ сти, поддержания величины и формы выходного напря­ жения. На этой же частоте, как, впрочем, и на частоте 440 кгц, получают устойчивые высокочастотные индук­ ционные плазменные разряды. Низкотемпературная плазма нашла широкое применение для синтеза целого ряда химических процессов. Представляет интерес воз­ можность получения индукционного разряда, отжатого от стенок камер, так называемого контрагированного раз­ ряда. Получение такого разряда накладывает особые требования на характеристики генераторов. Установки для получения микропровода и плазменного разряда представляет собой слабоизменяющиеся по параметрам нагрузки, что позволяет сохранять частоту генератора достаточно стабильной при использовании схемы с само­ возбуждением-

7

На частотах 1,76 и 5,28 Мгц осуществляются техно­ логические процессы для получения монокристаллического кремния и его соединений. Здесь в целом ряде случаев применяются специальные индукторы для под­ держания малых порций расплава 'во взвешенном со­ стоянии. Нагрузка по своим параметрам меняется мало, но требования к стабильности процесса высоки. Мощно­ сти подобных установок лежат в пределах 10—30 кет.

Частоты от 13,56 Мгц и выше используются исключи­ тельно для нагрева диэлектриков, причем самое боль­ шое распространение получил высокочастотный напрев всевозможного типа пластмасс п других синтетических материалов с целью полимеризации и сварки. Эти про­ цессы характеризуются резким изменением параметров во время технологического цикла, что приводит к значи­ тельному изменению частоты. Требования же стабиль­ ности режимов по мощности, по выходному напряжению здесь относительно низкие.

Рассматривая все многообразие нагрузок, можно с точки зрения оптимальной работы генераторов разде­ лить их на три типа. Первый тип нагрузок — это нагруз­ ки постоянные по параметрам во время работы, но предъявляющие жесткие требования к частоте. К таким нагрузкам относится ультразвуковой акустический пре­ образователь. Основной задачей при проектировании по­ добных генераторов является поддержание постоянной частоты генератора в узком диапазоне, близком к часто­ те механического резонанса вибратора. Установленные нормы позволяют изменять частоту в широких преде­ лах, но нормальная работа выходного устройства допу­ скает лишь незначительные отклонения.

Второй тип нагрузок — это нагрузки, связанные с тех­ нологическими процессами, которые не требуют сами по себе постоянства частоты тока, но дают сильные измене­ ния реактивного и активного 'сопротивлений в ходе про­ цесса. Трудность проектирования подобных установок заключается в том, чтобы сохранить выгодный энергети­ ческий режим во время всего процесса и не выйти за пределы разрешенной полосы частот. К таким нагрузкам относятся: система индуктор— деталь при индукционном нагреве ферромагнитных деталей под закалку, индук­

8

Третий тип нагрузйй связан с технологическими про­ цессами, не требующими постоянства частоты и стабиль­ ными во времени. Например, индукционный плазменный разряд, существующий при частоте 880 кгц, будет су­ ществовать в широком диапазоне частот около 880 кгц. Однако неправильно выбранный режим генератора при­ ведет к неустойчивому горению разряда. 'При зонной плавке кремния нагрузка также постоянна и процесс не требует строгой стабилизации частоты. При этом, однако, возникает требование к форме выходного напряжения (величине пульсаций) и режиму генератора. К этому же классу нагрузок относится и система индуктор—капля при вытягивании микролровода в стеклянной изоляции. В зависимости от характера нагрузки и нужно проекти­ ровать источник питания — ламповый генератор.

2. Современные типы промышленных ламповых генераторов

Ламповые генераторы, выпускаемые в СССР, являют­ ся в целом ряде случаев универсальными. Для питания ультразвуковых устройств, на которых обрабатываются хрупкие и твердые материалы, выпускаются ламповые генераторы мощностью от 0,1 до 1,6 кет. В качестве излу­ чателя применяют магнитострикционный преобразова­ тель. Для индукционного нагрева выпускаются лампо­ вые генераторы мощностью 60—100 кет на частоту 60— 70 кгц и генераторы 10—63 кет на частоту 440 гц. Схе­ мы этих генераторов показаны на рис. 1, 2. Все они имеют анодный 1 и нагрузочный 2 контуры и выходной универ-

+

грева на частоте 440 кгц (высокочастотная часть).

9