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

сальный понижающий трансформатор Ь2. В генераторах на частоту 60 —70 кгц цепь обратной связи L8C2 'Присое­ динена к ветви первичного 'контура, связанной с конту­ ром нагрузки. На частоте 440 кгц цепь обратной связи более автономна и присоединяется к самостоятельной ветви контура. Связь между анодным и нагрузочным контурами автотрансформаторная. Внутри катушки пер­ вичного контура помещена короткозамкнутая катушка, высота которой равна половине высоты катушки первич-

Рис. 2. Принципиальная схема генераторов для индукционного на­ грева на частоте 70 кгц (высокочастотная часть).

ного контура. Когда короткозамкнутая катушка нахо­ дится в верхнем положении (между точками а, Ь), уменьшается индуктивность этого участка. Когда корот­ козамкнутая катушка передвигается вниз и занимает положение между точками Ь, d, то резко уменьшается индуктивность данного участка и увеличивается индук­ тивность участка ab.

Естественно, что сопротивление анодного контура всегда выше, чем сопротивление нагрузочного. Если под­ ключить нагрузочный контур параллельно анодному, то сопротивление системы резко снизится, и, наоборот, если контур нагрузки подключен к незначительной части анодного контура, то сопротивление нагрузки для лампы возрастет.

Когда короткозамкнутая катушка находится в верх­ нем положении, сопротивление участка, к которому под­ ключен вторичный контур (bd), т. е. сопротивление свя­ зи, максимально. Вторым случаем является нижнее по­ ложение короткозамкнутой катушки, при котором со­ противление связи уменьшается, а величина индуктивно­ сти между точками а, b возрастает. Сопротивление си-

10

стемы при этом максимально. Для регулирования сопро­ тивления системы можно также изменять точку включе­ ния выходного воздушного трансформатора.

Несколько слов о регулировании сеточного напряже­ ния. В схемах на частоте 70 кгц сеточное напряжение формируется на емкости контура С2 (схема с емкостной обратной связью). Для изменения этого напряжения сде­ лано дополнительное устройство. Последовательно с ем­ костью включены небольшие индуктивности Lgl и Ls2, не оказывающие существенного влияния на работу кон­ тура н намотанные встречно. Эти две катушки располо­ жены соосно и коэффициентом взаимоиндукции между ними можно пренебречь. Внутри данных катушек рас­ полагается катушка сеточной связи. Напряжение, кото­ рое наводится на ней потоками двух первых катушек, складывается с напряжением на емкости С2, образуя сеточное (Ugi).

Напряжение, индуктированное на сеточной катушке Lg, может оказаться либо в фазе с напряжением на кон­ денсаторе С2, либо в противофазе с ним в зависимости от того, внутри какой из двух вспомогательных катушек она расположена. Как видно из векторной диаграммы (рис. 2), напряжение на сетке меняется от Ug1 до Ug2. В схемах на частоте 440 кгц сеточное напряжение фор­ мируется на емкости С2 (рис. 1), включенной последова­ тельно с индуктивностью Lgi, выполненной с короткозамкнутым витком, который уменьшает или увеличивает величину данной индуктивности и тем самым изменяет напряжение на сетке.

Генераторы для плавки и закалки являются универ­ сальными и при работе на любую нагрузку не требуют предварительного расчета. В качестве показателя пра­ вильности режима обычно используют соотношение се­ точного и анодного токов. Как показывает практика, та­ кого рода эксплуатация приводит к недоиспользованию ламповых генераторов по мощности, снижению к. п. д. системы колебательных контуров. Удельный вес мощно­ сти накала лам-п резко возрастает, и общий энергетиче­ ский коэффициент полезного действия становится низ­ ким.

Для получения высокочастотного плазменного разря­ да и монокристаллов используются генераторы мощно­ стью 63 кет на частоте 5,28 Мгц с индуктивной и кондуктивной связью между контурами (рис. 3).

11

Серийные ламповые генераторы универсальны и сход­ ны по схемам. Это затрудняет внедрение автоматическо­ го управления процессами, ибо каждый раз приходится сталкиваться с приспосабливанием системы управления к серийному генератору. В настоящее время необходимо отказаться в ряде случаев от практики выпуска универ­ сальных ламповых генераторов и перейти к выпуску узкоспециализированных установок, что позволит улуч-

Рис. 3. Схема генератора для получения высокочастотного плазмен­ ного разряда, возникающего в поле индуктивности.

шить параметры как источников питания, так и системы управления установками. Для лучшей оценки этого по­ ложения попытаемся проанализировать работу генера­ торов с индукционными закалочными устройствами.

Г л а в а в т о р а я

ЛАМПОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА СТАЛИ

3. Работа ламповых генераторов для термообработки стальных изделий

При анализе влияния параметров нагрузки необхо­ димо рассмотреть случай наиболее резких изменений сопротивления нагрузки при технологическом процессе. Характерным примером служит система индуктор — де­ таль при нагреве ферромагнитной заготовки. Известно, что термообработка мелких деталей, как правило, осу­ ществляется на частотах 60 кгц и выше. Оптимальной частотой при нагреве цилиндрических деталей является такая частота, при которой глубина проникновения тока в нагретую выше точки Кюри сталь (Ал) в 2—2,5 раза больше, чем требуемая глубина закалки Xkj Xk—

12

= (0,4—0,5)Ал, где A/t= -p= -10~2 м; f — частота тока,

гц.

При таком выборе частоты термический и энергети­ ческий к. п. д. получаются наибольшими. Вообще же при индукционном нагреве цилиндра с однородными свойствами необходимо следить, чтобы глубина проник­ новения была по крайней мере в 3,5—4 раза меньше диаметра детали. Все расчеты обычно проводят для «горячего» режима, т. е. для полностью нагретой заго­ товки. Расчет для случая ненагретой ферромагнитной детали не производится. При значительных удельных мощностях, которые имеют место при индукционном на­ греве (выше 100 вт на 1 см2), процесс длится от долей секунд до нескольких секунд. При этом и индуктивное сопротивление системы индуктор—деталь, и активное сопротивление этой же системы претерпевают суще­ ственные изменения, которые объясняются физическими свойствами ферромагнитных материалов. При включе­ нии генератора на индуктор с холодной деталью (холод­ ный режим) мы имеем магнитную загрузку. При этом глубина проникновения тока в деталь А невелика, т. е.

где f — частота; ро— магнитная проницаемость вакуума; р — удельное сопротивление материала; р — магнитная проницаемость материала в относительных единицах.

Приведенная формула справедлива для постоянной величины магнитной проницаемости по сечению. При сильных магнитных полях практически вся энергия вы­ деляется за счет индуктированных токов и потерями за счет гистерезиса можно пренебречь. Это дает возмож­ ность пользоваться основной кривой намагничения, кото­ рую согласно [Л. 1] можно рассматривать как отрезок параболы. Расчетные формулы показывают, что эффек­ тивная глубина проникновения с учетом зависимости магнитной проницаемости от напряженности в 1,37 ра»- за меньше, чем в случае постоянных параметров мате­ риала.

Таким образом, для начального момента (холодный режим) индуктивное сопротивление системы велико изза магнитных свойств детали, а активнее сопрбтивле-

13

ние также велико из-за резко выраженного поверхност­ ного эффекта. Затем по мере разогрева до точки Кюри происходит увеличение удельного сопротивления мате­ риала, следовательно, несколько увеличивается глубина проникновения, т. е. возрастает сечение стали, по кото­ рому проходит ток. Так как деталь к этому времени еще не потеряла магнитных свойств, а площадь, по ко­ торой проходит магнитный поток, возросла, то индук­ тивное сопротивление увеличивается; увеличивается, как показывают эксперименты и расчеты, и активное сопро­ тивление из-за того, что увеличение удельного сопро­ тивления сказывается сильнее, чем увеличение активного сечения детали (промежуточный режим).

Через некоторое время у поверхности детали появ­ ляется слой, нагретый выше точки Кюри, при этом ин­ дуктивное сопротивление системы начинает падать. На­ конец, вследствие дальнейшего разогрева магнитные свойства детали теряются и благодаря этому значи­ тельно увеличивается глубина проникновения. Этому мо­ менту (горячий режим) соответствует резкое падение индуктивного и активного сопротивлений, вследствие че­ го будет иметь место сильное изменение как реактивно­ го, так и активного сопротивлений контуров генератора к изменение генерируемой частоты.

Обязательным условием работы лампового генера­ тора является стабильность генерируемой частоты в гра­ ницах разрешенных пределов. Любая колебательная си­ стема генератора может быть приведена к эквивалент­ ному колебательному контуру. Реактивное сопротивление такого колебательного контура должно изменяться при частоте 60 кгц не более чем в 1,11 раза, а при частоте 440 кгц— в 1,05 раза. Следовательно, необходимо про­ ектировать такую колебательную систему, которая демп­ фирует изменение параметров нагрузки, а это возможно лишь за счет увеличения реактивной мощности колеба­ тельных контуров или за счет уменьшения связи с на­ грузкой. При этом уменьшение коэффициента полезного действия (к. п. д.) оказывается неизбежным. Задача за­

14

муму. Не менее важным является изменение активного сопротивления эквивалентного колебательного контура и связанное с этим изменение режима генераторной лампы. Мощность, рассеиваемая анодом, увеличивается, а это также приводит к уменьшению к. п. д. анодной це­ пи генераторной лампы.

700

Рис. 4. Зависимость электрических па­ раметров системы индуктор—стальная деталь от температуры нагрева на часто­ те 66 кгц при зазоре между индуктором и деталью 0,5 см, ширине индуктора 3 см, диаметре детали 3 см.

Рассмотрим последовательно изменение к. п. д. кон­ туров при поддержании постоянной генерируемой часто­ ты и изменение к. п. д. самой лампы из-за изменения ее режима. Для этого оценим изменение параметров на­ грузки на примерах некоторых распространенных дета­ лей, обрабатываемых на ламповых генераторах (цилин­ дрические деталей с диаметром от 1 до 5 см). В качестве примера приведем табл. 2 и рис. 4.

15

Для каждой температуры, указанной в табл. 2, было определено значение магнитной проницаемости детали по методике, изложенной в [Л. 2]. В результате расчета были получены эквивалентное активное сопротивление индуктора (Рэ), его реактивное (А'э) и полное (Z3) со­ противления, коэффициент мощности (cosqj3), коэффи­ циент полезного действия (г)3) и затухание системы индуктор — деталь (бэ) (рис. 4).

Рис. 5. Изменение электри­ ческих параметров системы индуктор—деталь в процес­ се нагрева.

С точки зрения стабилизации частоты лампового ге­ нератора желательно, чтобы относительное изменение реактивного сопротивления системы было минимально. Известно, что с увеличением воздушного зазора между индуктором и деталью уменьшается относительное из­ менение эквивалентной индуктивности системы.

Однако данная мера приводит к снижению к. л. д. Расчет, проведенный для серии индукторов, позволяет количественно оценить влияние величины воздушного зазора на изменение параметров системы в процессе на­ грева разных типов деталей. Рассмотрим это влияние для трех образцов при мощности в нагрузке Рг=Ю кет и частоте 66 кгц. Для трех размеров деталей на рис. 5 приведены зависимости относительных значений актив­ ного и реактивного сопротивлений системы индуктор — деталь от температуры детали в процессе нагрева при

1G

(рис. 8). Для короткого индуктора к. п. Д. при увеличе­ нии зазора уменьшается на 2% (кривая 1). Для длинно­ го индуктора к. п. д. уменьшается более заметно: на 16% (кривая 2). Поэтому короткий индуктор допускает работу при большом зазоре.

Рис. 7. Изменение электрических параметров си­ стемы индуктор—деталь в зависимости от зазо­ ра Да для образцов рис. 5.

Вопрос о к. п. д. тесным образом связан с коэффи­ циентом мощности системы, ибо увеличение воздушного зазора приводит к значительному уменьшению coscp. Вообще, коэффициент мощности выше у коротких ин­ дукторов и ниже — у длинных. Резкое уменьшение coscp индуктора приведет к снижению к. п. д. устройства.

7“

/ /

Рис. 8. Изменение к. и. д. системы индуктор—де­ таль в зависимости от зазора.

Из сравнения приведенных кривых видно, что при малых зазорах (1—3 мм) происходит довольно резкое изменение параметров системы. Если же зазор имеет величину порядка 1 см, получаем в целом ряде случаев довольно низкий к. п. д. не только самой системы ин­ дуктор— деталь, но и выходного трансформатора ввиду работы последнего на нагрузку с очень низким затуха­ нием. Исходя из сказанного выше, можно рекомендовать применение зазора порядка 5—7 мм. Тогда будет иметь

18

место незначительное снижение к. п. д. п уменьшение изменения реактивного сопротивления. Если возьмем рассчитанные нами случаи индукторов и сравним их па­ раметры только при горячем режиме для всех зазоров от 0,15 см до 1 см, то отношение минимальной индук­ тивности к максимальной для зазора 0,15 см составляет 75, а для зазора 1 см составляет — 24. С учетом изме­ нения параметров нагрузки можем ожидать изменения индуктивности нагрузки в 200 и более раз. При таком изменении индуктивности нагрузки работа лампового генератора с поддержанием постоянной частоты практи­ чески невозможна. В этом случае необходимо разделить весь диапазон на ряд зон и установить для каждой опре­ деленное количество витков индуктора, при котором из­ менение индуктивности не будет выходить за пределы разрешенной полосы [Л. 3], что обеспечит необходимую стабильность частоты.

В среднем можно считать, что при помощи изменения количества витков диапазон изменения индуктивности может быть всегда сокращен максимально до 4—5. Та­ ким образом, при правильно подобранной для данного типа генератора нагрузке нужно иметь колебательную

реактивного сопротивления нагрузки. Режим лампы дол­ жен быть рассчитан на значительные изменения эквива­ лентного активного сопротивления системы.

Несмотря на жесткие нормы отклонения рабочей частоты генератора от номинальной, все же нет необхо­ димости проектировать ламповый генератор с независи­ мым возбуждением, так как это потребует автоматиче­ ского согласования собственной частоты колебательной системы с частотой возбудителя, в противном случае работа будет осуществляться на расстроенную нагрузку и передаваемая в нее мощность и к. п. д. системы ока­ жутся чрезвычайно низкими. Широкое распространение промышленных генераторов в неэлектротехнических предприятиях и их эксплуатация в тяжелых условиях термических цехов заставляет проектировать эти гене­ раторы по максимально простым схемам, достигая про­ стоты обслуживания и высокой надежности установки. Таким образом, для индукционного нагрева нами будут рассмотрены схемы с самовозбуждением и минимальным количеством согласующих устройств.