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

функции <рт. Определим минимум этой функции прй условии постоянства объема трансформатора

т. е. отношение зазора к линейному размеру трансфор­ матора, в случае равенства высоты и диаметра этот ли­ нейный размер равен им.

Коэффициент

есть отношение индуктивности нагрузки к тому же ли­ нейному размеру трансформатора.

При помощи этих параметров можно определить оптимальное отношение диаметра и высоты' трансфор­ матора для определенного типа нагрузки. На рис. 25 приведены графики зависимости <рт при различных зна­ чениях относительного зазора а и относительной индук­ тивности нагрузки (3. Анализ этих кривых позволяет сделать вполне определенные выводы для конструиро­ вания трансформатора.

Для значительных индуктивностей нагрузки (боль­ шие значения (3) функция срт имеет минимум при отно­ сительно больших отношениях D/Н порядка 1—1,2. При уменьшении индуктивности нагрузки оптимальное отно­ шение D/H падает, и трансформатор становится «высо­ ким». Это положение особенно важно для таких нагру­ зок, при которых затухание индуктора делается сравни­ мым с затуханием обмоток трансформатора. Надо сказать, что это очень распространенный случай при индукционном нагреве на радиочастотах. В частности, это имеет место при нагреве миниатюрных деталей, пай­ ке, литье микропровода, во всех случаях, когда в силу технологических причин приходится иметь малую связь между индуктором и обрабатываемым объектом (на­ пример, при индукционном нагреве кремния для зонной плавки со слитком внутри кварцевой трубы).

Абсолютные размеры трансформатора, характеризуе­ мые его объемом, не имеют оптимума. Увеличение объе-

70

ма трансформатора при заданном отношении DjH вле­ чет за собой рост к. п. д. вплоть до некоторого предель­ ного значения, зависящего от выбранного отношения DzlH. При одновременном увеличении объема и умень­ шении отношения DzIH может быть достигнут к. п. д., близкий к единице.

Если нагрузка трансформатора будет изменяться в некотором диапазоне, то следует выбирать оптималь­

был меньше, чем диаметр провода, из которого сделана первичная обмотка. На рис. 26, 27, 28 приведены наибо­ лее распространенные случаи нагрузок, при которых ра­ ботают воздушные выходные трансформаторы.

Следует остановиться еще на вопросе, который не был освещен до сих пор в литературе. Речь идет о токо­ подводящих шинах к нагрузке. Известно, что наилучщей формой шин явдяется трапецеидальная. Однако

71

16

i

j

г

Т

I

Ii

j.

Рис. 27. Зависимости функции срт от D?JH длн

7 ?

7 3

при заданных размерах iiitдуктора и расстоянии от трансформатора до нагруз­ ки существует оптимальный угол аш, при котором сопро­ тивление шин будет наи­ меньшим и, следовательно, будут наименьшие потери

Г л а в а ч е т в е р т а я

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ч а с т о т ы ДЛЯ ИНДУКЦИОННЫХ УСТАНОВОК

9. Применение статических преобразователей частоты в электротермии

Известно, что подавляющее большинство подвергаю­ щихся индукционному нагреву деталей обрабатывается на частотах звукового диапазона. На частоте 500—

74

1 0 0 0 гц работают мощные индукционные печи, на этих же частотах происходит напрев под ковку 'крупногаба­ ритных деталей; на частотах I 000—'2500 гц осуществля­ ется также нагрев под ковку, нагрев под прокат, плав-ка металлов и закалка очень широкой номенклатуры •маши­ ностроительных деталей. На частоте 2 500—8 000 гц про­ изводятся те же технологические операции, но для дета­ лей меньших размеров. К наиболее энергоемким процес­ сам относится плавка, нагрев под прокат, нагрев иод ковку. Остановимся на некоторых отличительных осо­ бенностях этих процессов.

Главная их черта — изменение электрических пара­ метров нагрузки в широком диапазоне из-за изменения физических свойств обрабатываемого металла. Известно, что в среднем реактивное и активное сопротивления индуктора изменяются в 2 —3 раза, что обычно приводит к резкому изменению мощности, потребляемой от источ­ ника. Следовательно, целый ряд технологических режи­ мов может быть значительно улучшен, если управление источником будет осуществляться но закону, близкому к оптимальному.

Рассмотрим, например, случай наиболее равномерной нагрузки для нагрева стальных прокатных заготовок перед обработкой давлением. Для этого обычно приме­ няется проходная индукционная печь, которая представ­ ляет собой продолжение технологического рольганга, между роликами которого устанавливаются индукторы, подключенные к источнику. Средняя мощность таких проходных печей составляет тысячи киловатт.

параметров системы индуктор — деталь. Если темп выда­ чи заготовок не нарушается, а количество заготовок в индукторе достаточно велико, то нагрузка для источ­ ника представляет постоянную величину и потребляет от него постоянную мощность. Однако на это нельзя рас­ считывать при разработке технологического процесса, ибо последний часто сопровождается нарушением рит­ мичности из-за кратковременных остановок прокатного стана. При этом представляется возможным индукторы печи разбить на две группы с разным потреблением мощности.

Если необходимо временно прекратить подачу нагре­ тых заготовок к стану, печь переводится в режим пока-

7 5

чивания; три этом автоматически заготовки из первой

подаваемая на вторую группу индукторов, резко снижа­ ется для компенсации тепловых потерь с поверхности заготовок. Последние начинают перемещаться реверсив­ но с определенным тактом.

Учитывая, что рабочие поверхности деталей для сов­ ременных прокатных станов лежат в пределах несколь­ ких десятков тысяч квадратных сантиметров, а удельная мощность достигает 100—150 вт/см2, общая мощность достигает 1 000— 2 000 кет на стан. Из этого видно, что даже наиболее благоприятная с точки зрения источника питания нагрузка предусматривает резкие сбросы мощ­ ности, что приводит к неравномерному потреблению мощности от источника. Все это делает невыгодным при­ менение источников питания с большим удельным весом потерь холостого хода, какими, например, являются машинные генераторы.

Обратимся теперь к случаю нагрева под ковку куз­ нечных заготовок. Этот метод, впервые внедренный в 1951 г., получил едва ли не самое широкое распрост­ ранение среди других применений индукционного нагре­ ва. Главным достоинством метода является уменьшение расхода металлов на окалину и припусков на последую­ щую обработку, увеличение стойкости штампов, улучше­ ние условий труда и, что особенно важно, легкость авто­ матизации нагрева с возможностью создания автомати­ зированных линий. По данным, приведенным в [Л. 18], видно, что применяемые источники питания делают сто­ имость одинаковой с другими типами нагрева. К сожа­ лению, приведенная в [Л. 18] величина 500 (квт-ч)/т является несколько заниженной. Как показывает опыт, в среднем за год удельный «расходэлектроэнергии состав­ ляет более 550 '{кет-ч) 1т. Причиной этого увеличения является отсутствие ритмичности в работе цехов, нерав­ номерная загрузка генераторов, приводящая к их недо­ использованию и, следовательно, к увеличению удельно­ го веса потерь холостого хода. Конечно, немаловажную роль здесь играет и излишне широкая номенклатура изделий, которые отнесены к одному типу нагревателя, что влияет на к. п. д. устройства. Существенное влияние на стоимость оказывает и расход воды, большая часть которой идет на охлаждение системы двигатель — гене­

76

температуры и поступает под'пресс, а ее место занимает следующая и т. д., и методические, когда детали через индуктор идут непрерывным ’Потоком. В первом случае изменение параметров системы индуктор—деталь про­ исходит довольно резко, во втором случае устанавлива­ ется стабильное сопротивление системы индуктор — де­ таль, однако при первом включении, т. е. при полностью холодных заготовках, также наблюдается резкое измене­ ние параметров.

При периодическом тине нагревателя изменение мощ­ ности происходит в пределах 35—40% номинальной величины; при методическом нагревателе изменение параметров обусловливается переходом с одной номен­ клатуры деталей на другую, внезапной остановкой прес­ са с выключением индуктора и изменением количества заготовок в индукторе.

Итак, для питания индукционных нагревателей для ковки требуются источники с мощностью не менее 500— 1 0 0 0 кет при частоте 1 0 0 0 гц и источники на мощности 150—250 кет на частоте 2 500 гц, работающие на нагруз­ ку с резкими изменениями мощностей и резко меняющи­ мися параметрами. Источник должен сохранять высокие энергетические показатели при неполной нагрузке и лег­ ко воспринимать переход от холостого хода к полной нагрузке. Обычно, для того чтобы избавиться от нерав­ номерности загрузки высокочастотных генераторов, при­ меняют так называемое централизованное питание. 'При этом несколько машинных генераторов включаются па­ раллельно, образуя высокочастотную станцию. К высоко­ частотной станции подключается значительное количе­ ство потребителей. Централизованное питание возникло как средство борьбы с неравномерной нагрузкой машин­ ных генераторов с целью экономии электроэнергии и уменьшения относительной доли потерь холостого хода.

•Опыт заводов показывает, что неравномерность за­ грузки высокочастотной станции остается. Неритмич­ ность производства, перемена размеров изделий приво­ дит- к резким уменьшениям потребляемой мощности. Поэтому и при централизованном питании сохраняется довольно высокий расход электроэнергии на 1 г металла. На рис. 30 приведен график характерной загрузки высо­ кочастотной станции, полученный на одном из заводов. Из рис. 30 видно, что неравномерность уровня потребля­ емой мощности достигает трехкратной величины.

7 8

Система централизованного питания должна оцениваться не только с позиции экономии электроэнергии. Она должна оцениваться как возможность создания единой энергетической системы при питании большого количества постов. Централизованное питание позволя­ ет, во-первых, отделить систему источников питания от цехов, сосредоточить контроль и уход за этой системой, решить вопросы рациональной канализации электроэнер­ гии и легко решить вопросы резерва мощности при выхо­ де из строя одного из генераторов, включенных парал­ лельно.

Централизованное питание не позволяет, однако, управлять напряжением на посту без дополнительных агрегатов и мешает возможности гибкого управления процессом. Вопрос о целесообразности применения цент­ рализованного пли индивидуального питания должен решаться по конкретным показателям отдельно для каж­ дого случая только после оценки всей группы факторов, определяющих особенности производства. Надо думать, что в ближайшие годы найдет место и индивидуальная система питания и централизованная форма подачи вы­ сококачественной энергии.

До сих пор для той пли иной системы питания при­ менялись исключительно электромашннные преобразова­ тели с большими потерями холостого хода н значитель­ ной зависимостью к. п. д. от степени загрузки генера­ тора. Самой главной их особенностью является очень малая гибкость в управлении. Преобразователь пред­ ставляет собой источник с поддержанием постоянного по величине и по частоте выходного высокочастотного напряжения. Всякое понижение напряжения в случае индивидуального питания вело к резкому недоиспользо­ ванию по мощности и увеличению уровня постоянных потерь. В этом основной недостаток современных электромашинных генераторов. Поэтому до сих пор не реше­ ны основные вопросы осуществления программного регу­ лирования для заданной технологии. Необходимо упомя­ нуть, что новая серия отечественных электромашинных преобразователей обладает весьма хорошими технико­ экономическими показателями. Эти генераторы вполне могут быть установлены там, где нагрузка является почти постоянной, и поэтому их выпуск должен быть продолжен еще долгие годы.

80