Назад: 1.7. Физические основы электрической контактной сварки

1.8. Физико-технические основы индукционного нагрева

Индукционный нагрев (проводников первого и второго рода) основан на поглощении электропроводящими телами электромагнитной энергии с нагревом тела наведенными вихревыми токами (закон Джоуля-Ленца). Переменное магнитное поле создается индуктором, который по отношению к нагреваемому телу является первичной обмоткой трансформатора. Нагреваемое тело исполняет роль вторичной обмотки, трансформатора, содержащей один короткозамкнутый виток (рис.1.16).

Переменный магнитный поток 2, создаваемый первичной обмоткой индуктором 1, пропорционален его магнитодвижущей силе и обратно пропорционален сопротивлению магнитной цепи.

Возникающая ЭДС в нагреваемом теле Е = 4,44×Ф×ω×f 10^-8 (В) при известном значении сопротивления нагреваемого тела обеспечивает возникновение в нем вихревого тока 4 и выделение соответствующей мощности:

(1.14)

Рис. 1.16. Принципиальная схема индукционного нагрева: 1 – индуктор; 2 – магнитный поток в нагреваемом теле; 3 – нагреваемое тело; 4 – наведенный ток; D – воздушный зазор

Таким образом, индукционный нагрев является прямым нагревом сопротивлением, а включение нагреваемого тела в цепь тока производится за счет магнитной связи. Индукционный нагрев, обладает достоинствами прямого нагрева сопротивлением: высокая скорость нагрева пропорциональная вводимой мощности, неограниченный уровень достигаемых температур, достаточный для нагрева металлов, плавление металлов и неметаллов, перегрев, расплав, испарение материалов и получение плазмы.

Режим выделения мощности при индукционном нагреве обладает большим быстродействием и легко подается автоматизации по требованию технологических процессов, проходящих в открытой атмосфере, в защитных газах в вакууме.

Особенностью индукционного ввода энергия является возможность регулирования пространственного расположения зоны, по которой протекают вихревых токов. Во-первых, вихревые токи 4 протекают в пределах площади, охватываемой индуктором 1, и нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела (рис. 1.16). 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 телу зависит от величины зазоре между ними и повышается при его уменьшении.

Как и нагрев сопротивлением, индукционный нагрев обеспечивает высокую производительность и хорошие санитарно-гигиенические условия труда, хотя питания и повышенный удельный расход электроэнергии на технологические операции.

Принципиальная схема индукционного нагрева включает в себя индуктор 1, воздушный зазор D и нагреваемое тело 3. Сам индуктор, находящийся в созданном им электромагнитном поле, тоже поглощает энергию, которая выделяется в нем в виде потерь. Формы индукторов весьма разнообразны и зависят от формы обрабатываемых деталей. Индукторы изготавливаются из меди – немагнитного металла и охлаждаются водой. В большинстве случаев индукторы имеют много витков и изоляцию между ними.

При выполнении нагревательных операций индуктор может находиться снаружи нагреваемого тела либо внутри его. В последнем случае внутри индуктора помещают сердечник, собранный из листовой трансформаторной стали. Наиболее распространенным является внешнее расположение индуктора на цилиндрическом нагреваемом теле. При прохождении по индуктору переменного тока напряженность магнитного поля в полости одинакова во всех его точках. Поток энергии (квар) внутрь полости индуктора через его поверхность на единицу длины составляет

, (1.15)

где (I∙ω_1,0)² – квадрат ампер-витков индуктора; f – частота тока; – площадь поперечного сечения полости индуктора.

Из (1.15) следует, что мощность в полости индуктора чистая реактивная идёт на создание переменного магнитного пола.

Потери в многовитковом индукторе, создаваемом поглощением электромагнитной энергии на одном метре его длины

где D_a = 2×R_a – «активный» диаметр индуктора (для индуктора снаружи нагреваемого тела D_a = D_В = 2×R_a для индуктора, помещенного в полость цилиндра, D_a = D_н = 2∙R_н); ρ_и – удельное сопротивление материала индуктора; F_и, G_и – комплексы, образованные из функций Бесселя, приведенные в виде таблиц и графиков в справочной литературе.

Потери мощности в зазоре между индуктором и нагреваемым телом зависит от взаимных размеров сопрягающихся деталей. Если в полости индуктора находится нагреваемый металлической цилиндр, то потери в зазоре (деталь индуктор) составляют

(1.18)

При нахождении индуктора в полости нагреваемого цилиндра потери энергии в зазоре,

(1.19)

где d_o, d_в, D_в и D_и – характерные размеры нагреваемого тела и индуктора.

Энергия, вводимая в нагреваемое тело, определяется в инженерных расчетах через значение мощности, выделяющейся в металлическом цилиндре на 1м длины. Для активной мощности

(1.20)

и реактивной мощности

(1.21)

где ρ – удельное сопротивление нагреваемого материала; μ – магнитная проницаемость; f – частота поля; (I∙ω_1,0) – ампервитки индуктора; F_оц, G_оц – сложные комплексы, образованные из функции Бесселя, определяются по таблицам и графикам.

При нагреве металлической плиты активная и реактивная составляющие мощности соответственно

(1.22)

(1.23)

Эти зависимости показывают, что регулирование мощности при индукционном нагреве может осуществляться за счет изменения числа витков индуктора, тока намагничивания и его частоты. При прочих равных условиях выделяющаяся мощность больше для тел, имеющих высокое удельное сопротивление и магнитную проницаемость. При нагреве до высоких температур, когда заметно становится изменение удельного сопротивления ρ, необходимо регулирование напряженности магнитного поля и частоты.

Электрический КПД системы индуктор – металлический цилиндр определяется из отношения полезной активной мощности Р_1,0 (1.20), выделяющейся в металле, и активных потерь в индукторе Р_{и 1,0} (1.16)

(1.24)

Максимальное значение КПД составляет 0,70-0,88. Для получения высоких величин КПД частота при уменьшении диаметра цилиндра должна повышаться до некоторого предела, после которого КПД остается неизменным.

Потери энергии в зазоре снижают КПД системы приблизительно на 10 % (при больших зазорах). Эффективность нагрева тем выше, чем меньше соотношение , поэтому индукционный нагрев сплошных металлических цилиндров из высоко проводящих материалов меди или алюминия неэкономичен.

При определении коэффициента мощности системы необходимо учитывать активные и реактивные мощности, выделяющиеся не только в нагреваемом теле, но и в индукторе и особенно в зазоре:

(1.25)

Чем больше зазор между индуктором и нагреваемым цилиндром, тем больше реактивная мощность P_{з g,1,0} и тем ниже cosφ. Магнитное поле, выходя из индуктора, встречает поверхность нагреваемого тела, в которой сразу начинается выделение тепловой энергии. По мере продвижения в глубину тела в механизм проведения тока включаются более глубокие слои, а ток проводимости в это же время создает встречное магнитное поле, препятствующее продвижению внешнего поля. Поэтому индукционный нагрев по своей природа является поверхностным, и поток энергии на глубине ∆_э поглощается 86,4% энергии, прошедшей через поверхность тела. Используя соотношение, μ_а = μ×μ₀ и ω = 2 π f, где μ – относительная магнитная проницаемость нагреваемого металла; μ₀ - магнитная постоянная, равная 0,4 π×10^-6 , определяем глубину проникновения

(1.26)

Отсюда следует, что глубина нагрева тела увеличивается с ростом его удельного сопротивления и понижается с ростом частоты тока. Эта формула позволяет определить необходимую частоту тока для нагрева тела на заданную глубину. Для ферромагнитных материалов, когда с ростом температуры увеличивается ρ, а при достижении точки Кюри значение μ падает от 50-100 до I, глубина проникновения тока резко увеличивается, однако, поглощаемая мощность при этом падает.

Наличие в системе индуктор-нагреваемое тело двух потоков магнитной энергии (прямого и встречного, вызванного наведенными токами) приводит к возникновению механических усилий, действующих на каждый элемент за счет электродинамических сил.

Сжимающее усилие определяется по (1.27):

, (1.27)

где z – координата.

Для немагнитного или любого расплавленного металла, когда μ = 1, сжимающее усилие определяется по (1.28):

. (1.28)

Сжимаемое усилие при прочих условиях обратно пропорционально глубине проплавления ∆_э и прямо пропорционально магнитной проницаемости μ. Максимальное значение сжимающих усилий находится в точках, наиболее удаленных от индуктора, с уменьшением частоты Р_cж возрастает. Указанные свойства системы приводят к деформации нагретых тел и перемещению расплава и плазмы.

При выводе приведенных формул были приняты некоторые допущения и учитывалось взаимное влияние отдельных факторов друг на друга, которые необходимо предусматривать в инженерных расчетах. Кроме того, в индукционных нагревательных устройствах имеют место: поверхностный эффект – вытеснение тока к поверхности проводника при увеличении частоты изменения тока; эффект близости – повышение плотности тока на внутренних сторонах двух проводников; катушечный эффект – повышение плотности тока на внутренней поверхности.

Индикатор представляет собой в большинстве случаев соленоид, имеющий один или несколько добавочных отводов от внутренних витков. Витковое напряжение (напряжение между смежными витками) изменяется в широких пределах от 20-175 до 400-600 и даже 1000 В. Ток индукторов составляет от сотен до нескольких тысяч ампер при средней плотности тока порядка 20 . Потери энергии в индукторе могут достигать 20-30 % полезной мощности установки. В силу того, что индуктор находится под напряжением и охлаждается хладагентом, а изделие нагревается до высоких температур, между индуктором и изделием создают зазор, который влияет на энергетические свойства установки. В этом зазоре помещается электрическая и огнеупорная изоляция, толщена которой зависит от свойств применяемых материалов. Нагреваемое тело может быть в твердом (металлы), жидком (расплавы металлов и неметаллов) и плазменном состоянии. Поэтому индукционный способ нагрева применяется при следующих технологических процессах: плавка металлов и неметаллов; поверхностная закалка; нагрев заготовок под пластическую деформацию или термохимическую обработку; сварка, наплавка и пайка; зонная очистка металлов и полупроводников, плавка во взвешенном состоянии; получение монокристаллов из тугоплавких оксидов; получение плазмы.

Далее: 1.9. Индукционные плавильные установки