Электротехнологические установки (стр. 7 из 32)
3.5. Электрооборудование установок контактной сварки
Контактная сварка обладает высокой производительностью, а во многих случаях является единственно возможным и экономически целесообразным способом соединения.
Выпускаемые машины контактной сварки подразделяют на машины общего назначения и высокопроизводительные специализированные машины, предназначенные для сварки конкретных изделий.
В машинах контактной сварки общего назначения с целью повышения надежности широко применяются сварочные трансформаторы с витыми сердечниками и обмотками, залитыми эпоксидным компаундом, используется аппаратура управления на элементах «Логика» и с интегральными схемами; прерыватели тока с применением тиристоров, высокопроизводительная пневматическая и гидравлическая аппаратура и уплотнительные манжеты повышенной надежности.
По роду питания, преобразования или накопления энергии различаются следующие машины контактной сварки: а) однофазного переменного тока промышленной или пониженной частоты; б) постоянного тока (с выпрямлением тока во вторичном контуре); в) трехфазного тока, низкочастотные с тиристорным преобразователем; г) с накоплением энергии (в конденсаторах, электромагнитных системах, вращающихся массах).
.
Применение однофазных машин контактной сварки ограничивается возможностями включения в заводские трехфазные сети однофазных нагрузок большой мощности вследствие возможного перекоса фаз. Сложность электроснабжения однофазных сварочных машин обусловлена повторнократковременным режимом их работы, вызывающим периодические изменения напряжения сети,, что оказывает вредное влияние на работу параллельно с машиной других электроприемников.
УСТАНОВКИ ИНДУКЦИОННОГО И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА 4.1. Физико-технические основы индукционного нагрева
Индукционный нагрев проводящих тел - проводников первого и второго рода - основан на поглощении ими электромагнитной энергии, возникновении наведенных вихревых токов, нагревающих тело по закону Джоуля - Ленца. Переменное магнитное поле создается индуктором, который по отношению к нагреваемому телу является первичной обмоткой трансформатора. Нагреваемое тело выполняет роль вторичной обмотки трансформатора, содержащей один короткозамкнутый виток (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Принципиальная схема индукционного нагрева:1 - индуктор; 2 - магнитный поток в нагреваемом теле; 3 - нагреваемое тело; 4 - наведенный ток; 5 - воздушный зазор Переменный магнитный поток Ф (2), создаваемый первичной обмоткой - индуктором 1, пропорционален его МДС и обратно пропорционален сопротивле- нию магнитной цепи. Возникающая в нагреваемом теле ЭДС Е = 4,44Фwf ·10-8 В при известном значении сопротивления нагреваемого тела обеспечивает возникновение в нем вихревого тока I (4) и выделение соответствующей мощности
Р = I2r = Е2r/z2.
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, достаточных для нагрева металлов, плавления металлов и неметаллов, перегрева, расплава, испарения материалов и получения плазмы.
Режим выделения мощности при индукционном нагреве обладает большим быстродействием и легко поддается автоматизации по требованию
технологических процессов, проходящих в открытой атмосфере, в защитных газах и вакууме.
Особенностью индукционного ввода энергии является возможность регули- рования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов. Вопервых, вихревые токи протекают в пределах площади, охватываемой индукто- ром. Нагревается только та часть тела, которая находится в магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела. Во-вторых, глубина зоны цирку- ляции 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 индук- тора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и повышается при его уменьшении. Как и нагрев сопротивлением, индукционный нагрев обеспе- чивает высокую производительность и хорошие санитарно-гигиенические условия труда, хотя для его осуществления требуются более сложные источники питания и повышенный удельный расход электроэнергии на технологические операции. Принципиальная схема индукционного нагрева включает в себя индуктор, зазор и нагреваемое тело. Эти элементы определяют эффективность преобразова- ния электрической энергии, получаемой от источника питания, в тепловую. Индуктор создает переменный во времени магнитный поток, т. е. электромагнит- ную волну, падающую на нагреваемое тело. Сам индуктор, находящийся в созданном им электромагнитном поле, тоже поглощает энергию, которая выделяется в нем в виде потерь.
Формы индукторов весьма разнообразны - цилиндрическая, плоская, фасонная. Как правило, индукторы изготовляют из меди - немагнитного металла и охлаждаются водой. В большинстве случаев индукторы имеют много витков и изоляцию между витками. При выполнении нагревательных операций индуктор может находиться снаружи нагреваемого тела либо внутри его. В последнем случае внутри индуктора помещают сердечник из листовой трансформаторной стали. Наиболее распространенным является внешнее расположение индуктора на цилиндрическом нагреваемом теле. При прохождении по индуктору переменного тока в соответствии с теорией, изложенной в [33], напряженность магнитного поля в полости одинакова во всех его точках. Поток энергии (квар) внутрь полости индуктора через его поверхность на единицу длины составляет
Рq1,0 = 7,9·10-9(Iw1,0)2f(πD2в/4),
где (Iw1,0)2 - квадрат ампер-витков индуктора; f - частота тока; πD2в/4 - площадь поперечного сечения полости индуктора.
Отсюда следует, что мощность в полости индуктора чисто реактивная и идет на создание переменного магнитного поля.
Потери в многовитковом индукторе, создаваемые поглощением электромагнитной энергии на 1 м его длины,
____
Ри 1,0 = 6,2·10-6(Iw1,0)2Dа√ρиfFи/kэи;
____
Риq 1,0 = 6,2·10-6(Iw1,0)2Dа√ρиfGи/kэи.
Здесь Dа = 2Rа - «активный» диаметр индуктора (для индуктора снаружи нагреваемого тела Dа = Dв = 2Rа, для индуктора, помещенного в полость цилиндра, Dа = Dн = 2Rн); ρи - удельное сопротивление материала индуктора; Fк, Gи - комплексы, образованные из функции Бесселя, приведены в виде таблиц и графиков в справочной литературе. Потери мощности в зазоре между индуктором и нагреваемым телом зависят от взаимных размеров сопрягающихся деталей. Если в полости индуктора находится нагреваемый металлический цилиндр, то потери в зазоре
Рзq 1,0 = 6,2·10-9(Iw1,0)2 fd20[(Dв/d0)2-1].
При нахождении индуктора в полости нагреваемого цилиндра потери энергии в зазоре
Рзq 1,0 = 6,2·10-9(Iw1,0)2 fd2в[1-(Dн/dв)2].
Здесь d0, dв, Dв и D- характерные размеры нагреваемого тела и индуктора. Энергия, вводимая в нагреваемое тело, определяется в инженерных расчетах через значение мощности, выделяющейся в металлическом цилиндре на 1 м его длины. Для активной мощности
___
Р1,0 = 6,2·10-6(Iw1,0)2d0√ρμf F0ц
и реактивной мощности
____
Рq1,0 = 6,2·10-6(Iw1,0)2d0√ρμf G0ц,
где ρ - удельное сопротивление нагреваемого материала; μ - магнитная проницаемость; f - частота поля; (Iw1,0) - ампер-витки индуктора; F0ц, G0ц - сложные комплексы, образованные из функции Бесселя, определяются по таблицам и графикам.
Электрический КПД системы индуктор - металлический цилиндр определяется из соотношения полезной активной мощности Р1,0, выделяющейся в металле, и активных потерь в индукторе Ри1,0:
ηэ=1/(1+ Ри1,0/ Р1,0).
Максимальное значение КПД составляет 0,70-0,881. Для получения высоких КПД частота при уменьшении диаметра цилиндра должна повышаться до некоторого предела, после которого КПД остается неизменным.
Чем больше зазор между индуктором и нагреваемым цилиндром, тем больше реактивная мощность Рзq 1,0 и тем ниже соз ф. В слое металла толщиной Δэ поглощается 86,4 % энергии, прошедшей через поверхность тела. Используя соотношение μа = μμ0 и ω = 2πf, где μ - относительная магнитная проницаемость нагреваемого металла; μ0 - магнитная постоянная, равная 0,4π10-6 Гн/м, глубина проникновения
_____
Δэ = 503√ρ/(μf).
Отсюда следует, что глубина нагрева тела увеличивается с ростом его удельного сопротивления и понижается с ростом частоты тока. Кроме того, 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 1, глубина проникновения тока резко увеличивается, однако поглощаемая мощность при этом уменьшается.
Индукционный способ нагрева применяется при следующих технологических процессах: плавка металлов и неметаллов; поверхностная закалка; нагрев заготовок под пластическую деформацию или термохимическую обработку; сварка и пайка; зонная очистка металлов и полупроводников, плавка во взвешенном состоянии; получение монокристаллов из тугоплавких оксидов; получение плазмы.