Induktions-Hochfrequenzerwärmung. Berechnung der Induktionserwärmung Hochfrequenzinduktion

Die Erfindung bezieht sich auf die Elektrotechnik und zielt darauf ab, die Lebensdauer von HF-Plasmabrennern zu erhöhen und deren thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen. Das Problem wird dadurch gelöst, dass der HF-Plasmabrenner eine zylindrische Entladungskammer aus wassergekühlten, in Längsrichtung profilierten Metallprofilen in einem schützenden dielektrischen Gehäuse, einen das Gehäuse abdeckenden Induktor und Eingangseinheiten für die Haupt- und Wärmequelle enthält Schutzgase, die in der Entladungskammer an ihrem Endteil installiert sind. Die thermische Schutzgas-Eingabeeinheit besteht aus einer oder mehreren koaxialen ringförmigen Reihen länglicher Metallrohre, wobei in jeder Reihe eine Anzahl gleich der Anzahl länglicher profilierter Metallabschnitte ist. Die Rohre auf der Induktorseite weisen einen profilierten Spalt für den Gasaustritt sowie einen Längsspalt zu benachbarten Rohren in einer Reihe bis zu einem Abstand von mindestens 1 auf Innendurchmesser Entladungskammer, gezählt von der nächsten Windung des Induktors. Die Rohre werden entlang der Seitenfläche durch Löten oder Schweißen mit radial angeordneten Längsmetallrohren der benachbarten koaxialen Ringreihe verbunden, und die Längsmetallrohre der Reihe, die den längsprofilierten Metallabschnitten am nächsten liegen, werden entlang der Seitenfläche mit dem angrenzenden Abschnitt verbunden durch Löten oder Schweißen. Die Hauptgaseinlasseinheit auf der Induktorseite ist mit einer Membran ausgestattet, die in einem Abstand von mindestens einem Innendurchmesser der Entladungskammer von der nächsten Windung des Induktors angeordnet ist und mindestens ein Loch für den Gasdurchtritt aufweist. Die Enden der Längsmetallrohre für den Gasauslass in jeder Reihe befinden sich außerhalb der Induktorzone und haben den gleichen Abstand von der nächsten Windung, und der Abstand der Enden der Längsmetallrohre für den Gasauslass von der nächsten Windung des Induktors nimmt mit dem Abstand der koaxialen Ringreihe von den Längsprofilen zu. Metalllängsrohre befinden sich auf der Oberfläche benachbarter, radial angeordneter Metalllängsrohre, und die Metalllängsrohre der koaxialen Ringreihe, die den Metalllängsprofilabschnitten am nächsten liegen, befinden sich auf der Oberfläche benachbarter Abschnitte. Die Membran auf der Induktorseite bildet mit den Längsmetallrohren der nächstgelegenen koaxialen Ringreihe einen Ringspalt für den Gasdurchtritt, wobei die Höhe des Ringspalts für den Gasdurchtritt geringer ist als die Höhe des Profilspalts für der Gasauslass der Längsmetallrohre der nächstgelegenen koaxialen Ringreihe. Die Verwendung des vorgeschlagenen Designs eines HF-Plasmabrenners als Generator von Niedertemperaturplasma in Jet-Plasma-Prozessen zur Verarbeitung dispergierter Materialien hat es ermöglicht, effektive Plasmareaktorvorrichtungen zum Öffnen fein gemahlener Erzrohstoffe, zum Sphäroidisieren dispergierter Materialien usw. zu schaffen Gewinnung hochdisperser Oxidpulver durch Erzeugung ungedrehter Plasmastrahlen mit einem thermischen Wirkungsgrad von RFID-Plasmabrennern von mehr als 80 %. 15 Gehalt f-ly, 5 Abb.

Bei der Induktionserwärmung handelt es sich um eine Methode der berührungslosen Erwärmung elektrisch leitfähiger Materialien mit Hochfrequenzströmen (RFH – Radiofrequenzerwärmung, Erwärmung durch Hochfrequenzwellen).

Beschreibung der Methode.

Unter Induktionserwärmung versteht man die Erwärmung von Materialien elektrische Ströme, die durch ein magnetisches Wechselfeld induziert werden. Folglich handelt es sich hierbei um die Erwärmung von Produkten aus leitfähigen Materialien (Leiter) durch das Magnetfeld von Induktoren (Wechselstromquellen). Magnetfeld). Es wird eine Induktionserwärmung durchgeführt auf die folgende Weise. Ein elektrisch leitendes (Metall, Graphit) Werkstück wird in einen sogenannten Induktor gelegt, bei dem es sich um eine oder mehrere Drahtwindungen (meistens Kupfer) handelt. Mit einem speziellen Generator werden im Induktor starke Ströme verschiedener Frequenzen (von mehreren zehn Hz bis zu mehreren MHz) induziert, wodurch um den Induktor herum ein elektromagnetisches Feld entsteht. Das elektromagnetische Feld induziert Wirbelströme im Werkstück. Wirbelströme erwärmen das Werkstück unter dem Einfluss von Joule-Wärme (siehe Joule-Lenz-Gesetz).

Das Induktor-Blank-System ist ein kernloser Transformator, bei dem der Induktor die Primärwicklung ist. Das Werkstück ist die Sekundärwicklung, kurzgeschlossen. Der magnetische Fluss zwischen den Wicklungen wird durch die Luft geschlossen.

Bei hohen Frequenzen werden Wirbelströme durch das von ihnen selbst erzeugte Magnetfeld in dünne Oberflächenschichten des Werkstücks Δ verdrängt (Oberflächeneffekt), wodurch deren Dichte stark zunimmt und sich das Werkstück erwärmt. Die darunter liegenden Metallschichten werden aufgrund der Wärmeleitfähigkeit erhitzt. Entscheidend ist nicht der Strom, sondern die hohe Stromdichte. In der Hautschicht Δ nimmt die Stromdichte um das E-fache relativ zur Stromdichte auf der Oberfläche des Werkstücks ab, während 86,4 % der Wärme in der Hautschicht freigesetzt werden (von der gesamten Wärmefreisetzung). Die Tiefe der Hautschicht hängt von der Strahlungsfrequenz ab: Je höher die Frequenz, desto dünner die Hautschicht. Außerdem hängt es von der relativen magnetischen Permeabilität μ des Werkstückmaterials ab.

Bei Eisen-, Kobalt-, Nickel- und Magnetlegierungen hat μ bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punkts einen Wert von mehreren Hundert bis Zehntausenden. Für andere Materialien (Schmelzen, Nichteisenmetalle, flüssige niedrigschmelzende Eutektika, Graphit, Elektrolyte, elektrisch leitfähige Keramik usw.) ist μ ungefähr gleich eins.

Beispielsweise beträgt die Skintiefe bei einer Frequenz von 2 MHz für Kupfer etwa 0,25 mm, für Eisen ≈ 0,001 mm.

Der Induktor wird im Betrieb sehr heiß, da er seine eigene Strahlung absorbiert. Darüber hinaus absorbiert es die Wärmestrahlung des heißen Werkstücks. Sie stellen Induktoren daraus her Kupferrohre, mit Wasser gekühlt. Die Wasserzufuhr erfolgt durch Ansaugen – dies gewährleistet Sicherheit im Falle eines Durchbrennens oder einer anderen Druckentlastung des Induktors.

Anwendung:
Hochreines, berührungsloses Schmelzen, Löten und Schweißen von Metall.
Beschaffung von Prototypen von Legierungen.
Biegen und Wärmebehandlung von Maschinenteilen.
Schmuckherstellung.
Bearbeitung von Kleinteilen, die durch Gasflammen- oder Lichtbogenerwärmung beschädigt werden können.
Oberflächenhärtung.
Härten und Wärmebehandlung von Teilen mit komplexen Formen.
Desinfektion medizinischer Instrumente.

Vorteile.

Schnelles Erhitzen oder Schmelzen von elektrisch leitfähigen Materialien.

Das Erhitzen ist in einer Schutzgasatmosphäre, in einer oxidierenden (oder reduzierenden) Umgebung, in einer nichtleitenden Flüssigkeit oder im Vakuum möglich.

Erwärmung durch die Wände einer Schutzkammer aus Glas, Zement, Kunststoff, Holz – diese Materialien absorbieren elektromagnetische Strahlung sehr schwach und bleiben während des Betriebs der Anlage kalt. Es wird nur elektrisch leitendes Material erhitzt – Metall (einschließlich geschmolzenes), Kohlenstoff, leitfähige Keramik, Elektrolyte, flüssige Metalle usw.

Durch die entstehenden MHD-Kräfte kommt es zu einer intensiven Durchmischung des flüssigen Metalls bis hin zum Schwebenlassen in Luft oder einem Schutzgas – so erhält man hochreine Legierungen in kleinen Mengen (Levitationsschmelzen, Schmelzen im elektromagnetischen Tiegel) .

Da die Erwärmung durch elektromagnetische Strahlung erfolgt, kommt es bei der Gasflammenerwärmung nicht zu einer Kontamination des Werkstücks mit Brennerverbrennungsprodukten und bei der Lichtbogenerwärmung mit dem Elektrodenmaterial. Einbringen von Proben in eine Inertgasatmosphäre und hohe Geschwindigkeit Durch Erhitzen wird die Bildung von Ablagerungen verhindert.

Benutzerfreundlichkeit aufgrund der geringen Größe des Induktors.

Der Induktor kann eine spezielle Form haben – dadurch kann er Teile mit komplexer Konfiguration gleichmäßig über die gesamte Oberfläche erwärmen, ohne dass es zu deren Verformung oder lokaler Nichterwärmung kommt.

Es ist einfach, eine lokale und punktuelle Erwärmung durchzuführen.

Da die stärkste Erwärmung in den dünnen oberen Schichten des Werkstücks auftritt und die darunter liegenden Schichten aufgrund der Wärmeleitfähigkeit sanfter erwärmt werden, eignet sich das Verfahren ideal zur Oberflächenhärtung von Teilen (der Kern bleibt zähflüssig).

Einfache Automatisierung der Ausrüstung – Heiz- und Kühlzyklen, Temperatureinstellung und -wartung, Zuführung und Entnahme von Werkstücken.

Induktionsheizgeräte:

Für Anlagen mit einer Betriebsfrequenz bis 300 kHz kommen Wechselrichter auf Basis von IGBT-Baugruppen oder MOSFET-Transistoren zum Einsatz. Solche Anlagen sind für die Erwärmung großer Teile bestimmt. Zur Erwärmung kleiner Teile werden Hochfrequenzen eingesetzt (bis 5 MHz, Mittel- und Kurzwellen), Hochfrequenzanlagen werden auf Vakuumröhren aufgebaut.

Zur Erwärmung kleiner Teile werden außerdem Hochfrequenzanlagen mit MOSFET-Transistoren für Betriebsfrequenzen bis 1,7 MHz gebaut. Die Steuerung und der Schutz von Transistoren bei höheren Frequenzen stellt gewisse Schwierigkeiten dar, sodass höhere Frequenzeinstellungen immer noch recht teuer sind.

Der Induktor zum Erhitzen kleiner Teile hat kleine Größen und kleine Induktivität, was zu einer Verringerung des Gütefaktors des Arbeitsschwingkreises bei niedrigen Frequenzen und einer Verringerung des Wirkungsgrades führt und auch eine Gefahr für den Hauptoszillator darstellt (der Gütefaktor des Schwingkreises ist proportional zu L/C). , ein Schwingkreis mit niedrigem Gütefaktor wird zu gut mit Energie „gepumpt“, bildet einen Kurzschluss entlang der Induktivität und deaktiviert den Hauptoszillator). Um die Güte des Schwingkreises zu erhöhen, werden zwei Wege genutzt:
- Erhöhung der Betriebsfrequenz, was zu komplexeren und teureren Installationen führt;
- Verwendung ferromagnetischer Einsätze im Induktor; Bekleben des Induktors mit Platten aus ferromagnetischem Material.

Da der Induktor bei hohen Frequenzen am effizientesten arbeitet, fand die Induktionserwärmung nach der Entwicklung und dem Beginn der Produktion von Hochleistungsgeneratorlampen industrielle Anwendung. Vor dem Ersten Weltkrieg war die Induktionserwärmung nur begrenzt einsetzbar. Als Generatoren wurden damals Hochfrequenz-Maschinengeneratoren (Werke von V.P. Vologdin) oder Funkenentladungsanlagen eingesetzt.

Der Generatorkreis kann im Prinzip alles sein (Multivibrator, RC-Generator, Generator mit unabhängiger Erregung, verschiedene Entspannungsgeneratoren), der mit einer Last in Form einer Induktorspule betrieben wird und über ausreichende Leistung verfügt. Außerdem muss die Schwingungsfrequenz hoch genug sein.

Um beispielsweise einen Stahldraht mit einem Durchmesser von 4 mm in wenigen Sekunden zu „schneiden“, ist eine Schwingleistung von mindestens 2 kW bei einer Frequenz von mindestens 300 kHz erforderlich.

Das Schema wird nach folgenden Kriterien ausgewählt: Zuverlässigkeit; Vibrationsstabilität; Stabilität der im Werkstück freigesetzten Kraft; einfache Herstellung; einfache Einrichtung; minimale Teileanzahl zur Kostenreduzierung; die Verwendung von Teilen, die zusammen eine Reduzierung von Gewicht und Abmessungen usw. bewirken.

Als Generator hochfrequenter Schwingungen wurde jahrzehntelang ein induktiver Dreipunktgenerator (Hartley-Generator, Generator mit Spartransformator-Rückkopplung, Schaltung auf Basis eines Induktionsschleifen-Spannungsteilers) eingesetzt. Dabei handelt es sich um einen selbsterregenden Parallelstromkreis für die Anode und einen frequenzselektiven Schaltkreis, der auf einem Schwingkreis basiert. Es wurde erfolgreich eingesetzt und wird weiterhin in Labors, Schmuckwerkstätten, Industrieunternehmen sowie im Amateurtraining. Während des Zweiten Weltkriegs wurde beispielsweise auf solchen Anlagen eine Oberflächenhärtung der T-34-Panzerrollen durchgeführt.

Nachteile von drei Punkten:

Geringe Effizienz (weniger als 40 % bei Verwendung einer Lampe).

Eine starke Frequenzabweichung beim Erhitzen von Werkstücken aus magnetischen Materialien über den Curie-Punkt (≈700 °C) (μ-Änderungen) führt zu einer Änderung der Tiefe der Hautschicht und einer unvorhersehbaren Änderung des Wärmebehandlungsmodus. Bei der Wärmebehandlung kritischer Teile kann dies unzulässig sein. Außerdem müssen leistungsstarke HDTV-Anlagen in einem engen, von Rossvyazohrankultura zugelassenen Frequenzbereich betrieben werden, da es sich bei schlechter Abschirmung tatsächlich um Radiosender handelt und Fernseh- und Radiosendungen sowie Küsten- und Rettungsdienste stören können.

Bei einem Werkstückwechsel (zum Beispiel von einem kleineren auf ein größeres) ändert sich die Induktivität des Induktor-Werkstück-Systems, was auch zu einer Änderung der Frequenz und Tiefe der Hautschicht führt.

Beim Wechsel von Single-Turn-Induktoren zu Multi-Turn-Induktoren, zu größeren oder kleineren, ändert sich auch die Frequenz.

Unter der Leitung von Babat, Lozinsky und anderen Wissenschaftlern wurden zwei- und dreikreisige Generatorschaltungen entwickelt, die einen höheren Wirkungsgrad (bis zu 70 %) aufweisen und zudem die Betriebsfrequenz besser halten. Das Funktionsprinzip ist wie folgt. Aufgrund der Verwendung gekoppelter Schaltkreise und der Schwächung der Verbindung zwischen ihnen führt eine Änderung der Induktivität des Betriebsschaltkreises nicht zu einer starken Änderung der Frequenz des Frequenzeinstellschaltkreises. Funksender sind nach dem gleichen Prinzip aufgebaut.

Moderne HDTV-Generatoren sind Wechselrichter auf Basis von IGBT-Baugruppen oder Hochleistungs-MOSFET-Transistoren, meist nach einer Brücken- oder Halbbrückenschaltung aufgebaut. Betrieb mit Frequenzen bis zu 500 kHz. Die Transistor-Gates werden über ein Mikrocontroller-Steuerungssystem geöffnet. Das Steuerungssystem ermöglicht Ihnen je nach Aufgabenstellung ein automatisches Halten

A) konstante Frequenz
b) konstante im Werkstück freigesetzte Leistung
c) größtmögliche Effizienz.

Wenn beispielsweise ein magnetisches Material über den Curie-Punkt erhitzt wird, nimmt die Dicke der Hautschicht stark zu, die Stromdichte sinkt und das Werkstück beginnt sich stärker zu erwärmen. Auch die magnetischen Eigenschaften des Materials verschwinden und der Prozess der Magnetisierungsumkehr stoppt – das Werkstück beginnt sich stärker zu erwärmen, der Lastwiderstand nimmt schlagartig ab – dies kann zur „Ausbreitung“ des Generators und seinem Ausfall führen. Das Steuersystem überwacht den Übergang durch den Curie-Punkt und erhöht automatisch die Frequenz, wenn die Last abrupt abnimmt (oder die Leistung verringert).

Anmerkungen.

Der Induktor sollte nach Möglichkeit möglichst nahe am Werkstück platziert werden. Dadurch erhöht sich nicht nur die elektromagnetische Felddichte in der Nähe des Werkstücks (proportional zum Quadrat des Abstands), sondern auch der Leistungsfaktor Cos(φ).

Eine Erhöhung der Frequenz verringert den Leistungsfaktor stark (proportional zur Potenz der Frequenz).

Beim Erhitzen magnetischer Materialien wird durch die Magnetisierungsumkehr zusätzlich Wärme freigesetzt; das Erhitzen auf den Curie-Punkt ist wesentlich effizienter.

Bei der Berechnung eines Induktors muss die Induktivität der zum Induktor führenden Busse berücksichtigt werden, die viel größer sein kann als die Induktivität des Induktors selbst (wenn der Induktor in Form einer Windung mit kleinem Durchmesser ausgeführt ist oder sogar Teil einer Kurve - ein Bogen).

Es gibt zwei Fälle von Resonanz in Schwingkreisen: Spannungsresonanz und Stromresonanz.
Parallelschwingkreis – Stromresonanz.
In diesem Fall ist die Spannung an der Spule und am Kondensator dieselbe wie die des Generators. Bei Resonanz wird der Stromkreiswiderstand zwischen den Verzweigungspunkten maximal und der Strom (I total) durch den Lastwiderstand Rn wird minimal (der Strom innerhalb des Stromkreises I-1l und I-2s ist größer als der Generatorstrom).

Im Idealfall ist die Schleifenimpedanz unendlich – der Stromkreis zieht keinen Strom von der Quelle. Wenn sich die Generatorfrequenz in irgendeiner Richtung von der Resonanzfrequenz ändert, nimmt die Stromkreisimpedanz ab und der Leitungsstrom (I total) steigt.

Serienschwingkreis – Spannungsresonanz.

Das Hauptmerkmal eines Serienresonanzkreises besteht darin, dass seine Impedanz bei Resonanz minimal ist. (ZL + ZC – Minimum). Wenn die Frequenz über oder unter die Resonanzfrequenz abgestimmt wird, erhöht sich die Impedanz.
Abschluss:
In einer Parallelschaltung bei Resonanz ist der Strom durch die Schaltungsklemmen 0 und die Spannung maximal.
In einer Reihenschaltung hingegen tendiert die Spannung gegen Null und der Strom ist maximal.

Der Artikel wurde von der Website http://dic.academic.ru/ übernommen und von Prominductor LLC in einen für den Leser verständlicheren Text überarbeitet.

Die Induktionserwärmung erfolgt in einem magnetischen Wechselfeld. In einem Feld platzierte Leiter werden durch in sie induzierte Wirbelströme gemäß den Gesetzen der elektromagnetischen Induktion erhitzt.

Eine intensive Erwärmung kann nur in Magnetfeldern hoher Intensität und Frequenz erreicht werden, die durch spezielle Geräte erzeugt werden – Induktoren (Induktionsheizgeräte), die über das Netzwerk oder einzelne Hochfrequenzstromgeneratoren gespeist werden (Abb. 3.1). Der Induktor ist wie die Primärwicklung eines Lufttransformators, dessen Sekundärwicklung der beheizte Körper ist.

Abhängig von den verwendeten Frequenzen werden Induktionsheizanlagen wie folgt unterteilt:

a) niedrige (industrielle) Frequenz (50 Hz);

b) mittlere (hohe) Frequenz (bis zu 10 kHz);

c) Hochfrequenz (über 10 kHz).

Die Einteilung der Induktionserwärmung in Frequenzbereiche wird durch technische und technologische Überlegungen bestimmt. Das physikalische Wesen und die allgemeinen quantitativen Muster sind für alle Frequenzen gleich und basieren auf Vorstellungen über die Absorption elektromagnetischer Feldenergie durch ein leitendes Medium.

Die Frequenz hat einen erheblichen Einfluss auf die Intensität und Art der Erwärmung. Bei einer Frequenz von 50 Hz und einer magnetischen Feldstärke von 3000–5000 A/m überschreitet die spezifische Heizleistung 10 W/cm 2 nicht, und bei Hochfrequenzerwärmung (HF) erreicht die Leistung Hunderte und Tausende W/ cm 2 . Dabei entstehen Temperaturen, die ausreichen, um hochschmelzende Metalle zu schmelzen.

Gleichzeitig gilt: Je höher die Frequenz, desto geringer ist die Eindringtiefe der Ströme in das Metall und desto dünner ist folglich die erhitzte Schicht und umgekehrt. Die Flächenerwärmung erfolgt mit hohen Frequenzen. Durch die Reduzierung der Frequenz und damit die Erhöhung der Eindringtiefe des Stroms ist es möglich, eine tiefe oder sogar gleichmäßige Erwärmung über den gesamten Körperquerschnitt zu erreichen. Somit können Sie durch die Auswahl einer Frequenz die erforderliche Frequenz erhalten technologische Bedingungen die Art der Erwärmung und ihre Intensität. Die Möglichkeit, Produkte auf nahezu jede beliebige Dicke zu erhitzen, ist einer der Hauptvorteile der Induktionserwärmung, die häufig zum Härten von Oberflächen von Teilen und Werkzeugen eingesetzt wird.

Durch die Oberflächenhärtung nach der Induktionserwärmung wird die Verschleißfestigkeit der Produkte im Vergleich zur Wärmebehandlung in Öfen deutlich erhöht. Induktionserwärmung wird auch erfolgreich zum Schmelzen, zur Wärmebehandlung, zur Metallverformung und für andere Prozesse eingesetzt.

Ein Induktor ist ein Arbeitsteil einer Induktionserwärmungsanlage. Je näher die Art der vom Induktor ausgesendeten elektromagnetischen Welle an der Form der beheizten Oberfläche liegt, desto höher ist die Heizeffizienz. Die Art der Welle (flach, zylindrisch usw.) wird durch die Form des Induktors bestimmt.

Die Gestaltung von Induktoren hängt von der Form der beheizten Körper, dem Verwendungszweck und den Heizbedingungen ab. Der einfachste Induktor ist ein isolierter Leiter im Inneren Metallrohr, länglich oder gewunden. Wenn ein Industriefrequenzstrom durch einen Leiter geleitet wird, werden im Rohr Wirbelströme induziert, die es erhitzen. IN Landwirtschaft Es wurden Versuche unternommen, dieses Prinzip zur Erwärmung des Bodens in geschlossenen Böden, Geflügelsitzstangen usw. zu nutzen.

Bei Induktionswarmwasserbereitern und Milchpasteurisatoren (die Arbeiten an ihnen gingen noch nicht über experimentelle Muster hinaus) sind die Induktoren wie die Statoren von Drehstrom-Elektromotoren aufgebaut. Im Inneren des Induktors befindet sich ein zylindrisches Metallgefäß. Das vom Induktor erzeugte rotierende (oder bei der einphasigen Version pulsierende) Magnetfeld induziert Wirbelströme in den Gefäßwänden und erhitzt diese. Die Wärme wird von den Wänden auf die Flüssigkeit im Gefäß übertragen.

Bei der Induktionstrocknung von Holz wird ein Stapel Bretter mit einem Metallgitter ausgelegt und (auf einem speziellen Wagen gerollt) in einen zylindrischen Induktor gelegt, der aus Leitern mit großem Querschnitt besteht, die auf einen Rahmen aus Isoliermaterial gewickelt sind. Die Platinen heizen sich auf Metallgewebe, in dem Wirbelströme induziert werden.

Die aufgeführten Beispiele erläutern das Prinzip indirekter Induktionserwärmungsanlagen. Zu den Nachteilen solcher Anlagen zählen der niedrige Energiebedarf und die geringe Heizintensität. Die Niederfrequenz-Induktionserwärmung ist sehr effektiv, wenn massive Metallwerkstücke direkt erhitzt werden und ein bestimmtes Verhältnis zwischen ihrer Größe und der Eindringtiefe des Stroms besteht (siehe unten).

Induktoren von Hochfrequenzanlagen sind nicht isoliert; sie bestehen aus zwei Hauptteilen – einem Induktionsdraht, mit dessen Hilfe ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, und Stromleitungen zum Anschluss des Induktionsdrahtes an eine elektrische Energiequelle.

Die Gestaltung des Induktors kann sehr vielfältig sein. Zur Erwärmung ebener Flächen werden Flachinduktoren, zylindrische Werkstücke – zylindrische (Solenoid-)Induktoren usw. verwendet (Abb. 3.1). Induktoren können eine komplexe Form haben (Abb. 3.2), da elektromagnetische Energie in die gewünschte Richtung konzentriert, Kühl- und Abschreckwasser usw. zugeführt werden muss.

Um Felder hoher Intensität zu erzeugen, werden große Ströme von Hunderten und Tausenden Ampere durch die Induktoren geleitet. Um Verluste zu reduzieren, werden Induktivitäten mit möglichst geringem aktiven Widerstand hergestellt. Trotzdem erwärmen sie sich sowohl durch ihren Eigenstrom als auch durch die Wärmeübertragung von den Werkstücken stark und sind daher mit einer Zwangskühlung ausgestattet. Induktoren bestehen üblicherweise aus Kupferrohren mit rundem oder rechteckigem Querschnitt, in deren Inneren fließendes Wasser zur Kühlung geleitet wird.

Spezifische Oberflächenleistung. Die vom Induktor ausgesendete elektromagnetische Welle trifft auf einen Metallkörper und verursacht durch die Absorption in diesem eine Erwärmung. Die Kraft des Energieflusses, der durch eine Einheitsoberfläche des Körpers fließt, wird durch Formel (11) bestimmt.

unter Berücksichtigung des Ausdrucks

In praktischen Berechnungen wird das Maß D verwendet R also in W/cm2

Ersetzen Sie den resultierenden Wert H 0 in Formel (207) erhalten wir

Somit ist die im Produkt freigesetzte Leistung proportional zum Quadrat der Amperewindungen des Induktors und dem Leistungsabsorptionskoeffizienten. Bei konstanter Magnetfeldstärke ist die Heizintensität umso größer, je größer der spezifische Widerstand r, die magnetische Permeabilität des Materials m und die Frequenz des Stroms sind F.

Formel (208) gilt für eine ebene elektromagnetische Welle (siehe § 2 von Kapitel I). Wenn zylindrische Körper in Magnetspulen erhitzt werden, wird das Bild der Wellenausbreitung komplizierter. Je kleiner das Verhältnis ist, desto größer sind die Abweichungen von den Verhältnissen für eine ebene Welle. r/z a, Wo R- Zylinderradius, z a- aktuelle Eindringtiefe.

In praktischen Berechnungen verwenden sie immer noch die einfache Abhängigkeit (208) und führen je nach Verhältnis Korrekturfaktoren ein – Birch-Funktionen r/z a(Abb. 43). Dann

Formel (212) gilt für einen massiven Induktor ohne Lücken zwischen den Windungen. Bei Lücken erhöhen sich die Verluste im Induktor. Mit zunehmender Häufigkeit der Funktion F a (r a, z a) Und F und (r und, z a) tendieren zu Eins (Abb. 43), und das Leistungsverhältnis tendiert zum Grenzwert

Aus Ausdruck (3.13) folgt, dass der Wirkungsgrad mit zunehmendem Luftspalt und zunehmendem Widerstand des Induktormaterials abnimmt. Daher bestehen Induktoren aus massiven Kupferrohren oder Stromschienen. Wie aus Ausdruck (214) und Abbildung 43 hervorgeht, nähert sich der Effizienzwert bereits bei r/z a>5÷10. Dies ermöglicht es uns, eine Frequenz zu finden, die einen ausreichend hohen Wirkungsgrad bietet, indem wir die obige Ungleichung und Formel (15) für die Eindringtiefe verwenden z a , wir bekommen

.

(3.14)

Es ist zu beachten, dass einfache und visuelle Abhängigkeiten (3.13) und (3.14) nur für eine begrenzte Anzahl relativ einfacher Fälle von Induktionserwärmung gültig sind.

Leistungsfaktor des Induktors. Der Leistungsfaktor eines Heizinduktors wird durch das Verhältnis des aktiven und induktiven Widerstands des Induktor-Produkt-Systems bestimmt. Bei hohen Frequenzen sind die aktiven und internen induktiven Reaktanzen des Produkts gleich, da der Phasenwinkel zwischen den Vektoren und 45° und |D beträgt R| = |D Q|. Daher der maximale Leistungsfaktorwert

Wo A - Luftspalt zwischen Induktor und Produkt, m.

Somit hängt der Leistungsfaktor von den elektrischen Eigenschaften des Produktmaterials, dem Luftspalt und der Frequenz ab. Mit zunehmendem Luftspalt nimmt die Streuinduktivität zu und der Leistungsfaktor ab.

Der Leistungsfaktor ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Frequenz, daher verringert eine unangemessene Erhöhung der Frequenz die Energieleistung von Anlagen. Sie sollten stets darauf achten, den Luftspalt zu verringern, allerdings gibt es aufgrund der Durchschlagsspannung der Luft eine Grenze. Während des Aufheizvorgangs bleibt der Leistungsfaktor nicht konstant, da sich r und m (bei Ferromagneten) mit der Temperatur ändern. Unter realen Bedingungen überschreitet der Leistungsfaktor von Induktionsheizanlagen selten 0,3 und sinkt auf 0,1-0,01. Um die Netze und den Generator von Blindströmen zu entlasten und den Sof zu erhöhen, werden Kompensationskondensatoren üblicherweise parallel zur Induktivität geschaltet.

Die wichtigsten Parameter, die Induktionsheizmodi charakterisieren, sind Stromfrequenz und Effizienz. Abhängig von den verwendeten Frequenzen werden herkömmlicherweise zwei Induktionsheizmodi unterschieden: Tiefenerwärmung und Oberflächenerwärmung.

Bei dieser Frequenz wird eine Tiefenerwärmung („Niederfrequenzen“) durchgeführt F bei Eindringtiefe z a ungefähr gleich der Dicke der erhitzten (gehärteten) Schicht x k(Abb. 3.4, a). Die Erwärmung erfolgt sofort bis zur gesamten Schichttiefe x k Die Heizrate wird so gewählt, dass die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung tief in den Körper unbedeutend ist.

Da in diesem Modus die Eindringtiefe der Ströme z a relativ groß ( z a » x k), dann nach der Formel:

Die Oberflächenerwärmung („Hochfrequenzen“) erfolgt bei relativ hohen Frequenzen. In diesem Fall die Eindringtiefe von Strömen z a deutlich geringer als die Dicke der erhitzten Schicht x k(Abb. 3.4,6). Erwärmung über die gesamte Dicke x k entsteht aufgrund der Wärmeleitfähigkeit des Metalls. Beim Heizen in diesem Modus ist weniger Generatorleistung erforderlich (in Abbildung 3.4 ist die Nutzleistung proportional zu den doppelt schraffierten Flächen), aber die Heizzeit und spezifischer Verbrauch Strom steigt. Letzteres ist mit einer Erwärmung aufgrund der Wärmeleitfähigkeit der tiefen Metallschichten verbunden. Effizienz Erwärmung, proportional zum Verhältnis der doppelt schraffierten Flächen zur gesamten durch die Kurve begrenzten Fläche T und Koordinatenachsen, im zweiten Fall niedriger. Dabei ist zu beachten, dass für eine zuverlässige Verbindung der gehärteten Schicht mit dem Grundmetall das Erhitzen einer hinter der Härtungsschicht liegenden, Übergangsschicht genannten Metallschicht der Dicke b auf eine bestimmte Temperatur unbedingt erforderlich ist. Bei einer Flächenheizung ist diese Schicht dicker und die Verbindung zuverlässiger.

Bei einer deutlichen Abnahme der Frequenz wird eine Erwärmung völlig unmöglich, da die Eindringtiefe sehr groß und die Energieaufnahme im Produkt unbedeutend ist.

Mit der Induktionsmethode kann sowohl eine Tiefen- als auch eine Flächenerwärmung durchgeführt werden. Bei Externe Quellen Hitze (Plasmaerwärmung, in elektrischen Widerstandsöfen) ist eine Tiefenerwärmung nicht möglich.

Basierend auf dem Funktionsprinzip gibt es zwei Arten der Induktionserwärmung: simultan und kontinuierlich-sequentiell.

Bei gleichzeitiger Erwärmung ist die Fläche des Induktionsdrahtes, die der erhitzten Oberfläche des Produkts zugewandt ist, ungefähr gleich der Fläche dieser Oberfläche, was eine gleichzeitige Erwärmung aller seiner Bereiche ermöglicht. Bei der kontinuierlichen sequentiellen Erwärmung bewegt sich das Produkt relativ zum Induktionsdraht, und beim Vorbeilaufen kommt es zu einer Erwärmung seiner einzelnen Abschnitte Arbeitsbereich Induktor.

Frequenzauswahl. Ein ausreichend hoher Wirkungsgrad kann nur mit einem bestimmten Verhältnis zwischen Körpergröße und Stromfrequenz erreicht werden. Die Auswahl der optimalen Stromfrequenz wurde oben erwähnt. In der Praxis der Induktionserwärmung wird die Frequenz nach empirischen Abhängigkeiten gewählt.

Beim Erwärmen von Teilen zur Oberflächenhärtung bis zur Tiefe x k(mm) Die optimale Frequenz (Hz) ergibt sich aus folgenden Abhängigkeiten: für Teile einfacher Form (ebene Flächen, Rotationskörper)

Beim Durchwärmen von zylindrischen Stahlrohlingen mit einem Durchmesser D(mm) Die erforderliche Frequenz wird durch die Formel bestimmt

Beim Erhitzen erhöht sich der spezifische Widerstand von Metallen r. Bei Ferromagneten (Eisen, Nickel, Kobalt usw.) nimmt der Wert der magnetischen Permeabilität m mit steigender Temperatur ab. Bei Erreichen des Curie-Punktes sinkt die magnetische Permeabilität ferromagnetischer Materialien auf 1, d. h. sie verlieren ihre magnetischen Eigenschaften. Die übliche Erwärmungstemperatur zum Härten liegt bei 800–1000° C, für die Druckbehandlung bei 1000–1200° C, also oberhalb des Curie-Punktes. Ändern physikalische Eigenschaften Bei Metallen führt eine Temperaturänderung zu einer Änderung des Leistungsaufnahmekoeffizienten und der spezifischen Oberflächenleistung (3.8), die während des Erhitzungsprozesses in das Produkt gelangt (Abb. 3.5). Aufgrund einer Erhöhung von r steigt zunächst die spezifische Leistung D R steigt und erreicht den Maximalwert D P max= (1,2 ÷ 1,5) D R starten und sinkt dann aufgrund des Verlusts der magnetischen Eigenschaften durch Stahl auf ein Minimum D Р min. Um die Heizung im optimalen Modus (mit ausreichend hohem Wirkungsgrad) aufrechtzuerhalten, sind die Anlagen mit Vorrichtungen zur Anpassung der Parameter des Generators und der Last ausgestattet, d. h. mit der Möglichkeit, den Heizmodus zu regulieren.

Vergleicht man die Durchwärmung von Werkstücken zur plastischen Verformung nach dem Induktionsverfahren und der elektrischen Kontaktmethode (beide beziehen sich auf die direkte Erwärmung), so kann man sagen, dass die elektrische Kontakterwärmung hinsichtlich des Energieverbrauchs für lange Werkstücke von relativ geeignet ist kleiner Querschnitt, und die Induktionserwärmung eignet sich für kurze Werkstücke mit relativ großen Durchmessern.

Eine genaue Berechnung von Induktoren ist recht umständlich und erfordert die Verwendung zusätzlicher semiempirischer Daten. Wir betrachten eine vereinfachte Berechnung zylindrischer Induktoren für die Oberflächenhärtung, basierend auf den oben erhaltenen Abhängigkeiten.

Thermische Berechnung. Aus der Betrachtung der Induktionsheizmodi folgt, dass die Dicke der gehärteten Schicht gleich bleibt x k kann bei unterschiedlichen Werten der spezifischen Leistung D erhalten werden R und Heizdauer t. Der optimale Modus wird nicht nur durch die Schichtdicke bestimmt x k, sondern auch durch die Größe der Übergangszone b, die die gehärtete Schicht mit den tieferen Schichten des Metalls verbindet.

Wenn keine Geräte zur Steuerung der Generatorleistung vorhanden sind, wird die Art der Änderung der vom Stahlprodukt verbrauchten spezifischen Leistung in der Grafik in Abbildung 3.5 dargestellt. Während des Aufheizvorgangs verändert sich der rc-Wert und nimmt gegen Ende des Aufheizvorgangs, nach Durchschreiten des Curie-Punkts, stark ab. Es erfolgt eine Art Selbstabschaltung des Stahlprodukts, die dafür sorgt hohe Qualität Härten ohne Ausbrennen. Wenn Steuergeräte vorhanden sind, Leistung D R kann gleich oder sogar kleiner als D sein Р min(Abb. 3.5), was es ermöglicht, durch die Verlängerung des Erwärmungsprozesses die spezifische Leistung zu reduzieren, die für eine bestimmte Dicke der gehärteten Schicht erforderlich ist x k.

Diagramme der Heizmodi für die Oberflächenhärtung für Kohlenstoff- und niedriglegierte Stähle mit einer Übergangszonendicke von 0,3–0,5 der gehärteten Schicht sind in den Abbildungen 3.6 und 3.7 dargestellt.

Durch die Wahl des Wertes D R Es ist nicht schwierig, die dem Induktor zugeführte Leistung zu ermitteln.

wo h tr- Wirkungsgrad des Hochfrequenztransformators (Löschtransformator).

Vom Netzwerk verbrauchter Strom

bestimmt durch den spezifischen Energieverbrauch A(kWh/t) und Produktivität G(t/h):

zur Flächenheizung

,

(3.26)

wo d ich- Erhöhung des Wärmeinhalts des Werkstücks infolge der Erwärmung, kJ/kg;

D- Dichte des Werkstückmaterials, kg/m 3 ;

M 3 - Werkstückmasse, kg;

S 3- Oberfläche der ausgehärteten Schicht, m2;

B- Metallabfälle (mit Induktionserwärmung 0,5-1,5 %);

h tp- Effizienz der Wärmeübertragung aufgrund der Wärmeleitfähigkeit im Inneren des Werkstücks (mit Oberflächenhärtung h tp = 0,50).

Die übrigen Notationen werden oben erläutert.

Ungefähre Werte des spezifischen Energieverbrauchs für die Induktionserwärmung: Anlassen – 120, Härten – 250, Aufkohlen – 300, Durchwärmen für die mechanische Bearbeitung – 400 kWh/t.

Elektrische Berechnung. Die elektrische Berechnung basiert auf der Abhängigkeit (3.7). Betrachten wir den Fall der Eindringtiefe z a deutlich kleiner als die Abmessungen des Induktors und des Teils sowie der Abstand A zwischen dem Induktor und dem Produkt ist klein im Vergleich zur Breite des induktiven Leiters B(Abb. 3.1). Für diesen Fall die Induktivität L mit Induktor-Produkt-Systeme können durch die Formel ausgedrückt werden

Ersetzen Sie den aktuellen Wert in Formel (3.7) und berücksichtigen Sie dies

Formel (3.30) gibt den Zusammenhang zwischen spezifischer Leistung, elektrischen Parametern und geometrischen Abmessungen des Induktors sowie den physikalischen Eigenschaften des erhitzten Metalls an. Wenn wir die Abmessungen des Induktors als Funktion betrachten, erhalten wir:

für beheizten Zustand

Leistungsfaktor des Induktors

wobei P die Wirkleistung des Induktors W ist;

U und- Spannung an der Induktivität, V;

F- Frequenz Hz.

Beim Anschluss von Kondensatoren an den Primärkreis eines Hochfrequenztransformators muss die Kapazität der Kondensatoren erhöht werden, um die Reaktivität des Transformators und der Anschlussleiter auszugleichen.

Beispiel. Berechnen Sie den Induktor und wählen Sie eine Hochfrequenzanlage zur Oberflächenhärtung von zylindrischen Werkstücken aus Kohlenstoffstahl mit einem Durchmesser von d a= 30 mm und Höhe h a= 90 mm. Tiefe der ausgehärteten Schicht x k = 1 mm, Induktorspannung U und = 100 V. Ermitteln Sie die empfohlene Frequenz mithilfe der Formel (218):

Hz

Wir stoppen bei der nächstgelegenen genutzten Frequenz F=67 kHz.

Aus der Grafik (Abb. 3.7) nehmen wir D R= 400 W/cm2.

Mit der Formel (3.33) finden wir al für kalten Zustand:

cm 2.

Wir akzeptieren A= 0,5 cm, dann der Durchmesser des Induktors

cm.

Länge des induktiven Leiters

cm

Anzahl der Induktorwindungen

Induktorhöhe

Dem Induktor zugeführte Leistung gemäß

kW

wobei 0,66 der Wirkungsgrad des Induktors ist (Abb. 3.8).

Schwingungsleistung des Generators

kW.

Wir wählen eine Hochfrequenzanlage LPZ-2-67M mit einer Schwingleistung von 63 kW und einer Betriebsfrequenz von 67 kHz.

Bei der Induktionserwärmungstechnik werden Ströme mit niedriger (Industrie-)Frequenz von 50 Hz, mittlerer Frequenz von 150–10.000 Hz und hoher Frequenz von 60 kHz bis 100 MHz verwendet.

Mittelfrequente Ströme werden mit Maschinengeneratoren oder statischen Frequenzumrichtern gewonnen. Im Bereich von 150–500 Hz kommen Generatoren des üblichen Synchrontyps zum Einsatz, oberhalb (bis 10 kHz) Maschinengeneratoren des Induktortyps.

IN In letzter Zeit Maschinengeneratoren werden durch zuverlässigere statische Frequenzumrichter auf Basis von Transformatoren und Thyristoren ersetzt.

Hochfrequenzströme ab 60 kHz werden ausschließlich mit Röhrengeneratoren erzeugt. Anlagen mit Lampengeneratoren werden zur Durchführung verschiedener Vorgänge der Wärmebehandlung, Oberflächenhärtung, Metallverhüttung usw. verwendet.

Ohne auf die in anderen Kursen vorgestellte Theorie des Themas einzugehen, werden wir nur einige der Merkmale von Wärmeerzeugern betrachten.

Heizgeneratoren sind in der Regel selbsterregt (Autogeneratoren). Im Vergleich zu unabhängigen Erregergeneratoren sind sie einfacher aufgebaut und weisen eine bessere Energie- und Wirtschaftsleistung auf.

Die Schaltungen von Röhrengeneratoren zum Heizen unterscheiden sich nicht grundsätzlich von denen der Funktechnik, weisen jedoch einige Besonderheiten auf. Für diese Schaltungen ist keine strenge Frequenzstabilität erforderlich, was sie erheblich vereinfacht. Schematische Darstellung Der einfachste Generator zur Induktionserwärmung ist in Abbildung 3.10 dargestellt.

Das Hauptelement der Schaltung ist die Generatorlampe. Heizgeneratoren verwenden am häufigsten Drei-Elektroden-Lampen, die einfacher als Tetroden und Pentoden sind und eine ausreichende Zuverlässigkeit und Stabilität der Erzeugung bieten. Die Last der Generatorlampe ist ein Anodenschwingkreis, dessen Parameter die Induktivität ist L und Kapazität MIT werden aus den Betriebsbedingungen der Schaltung in Resonanz bei der Betriebsfrequenz ausgewählt:

Wo R- reduzierter Schleifenverlustwiderstand.

Konturoptionen R, L, C werden unter Berücksichtigung von Änderungen bestimmt, die durch die elektrophysikalischen Eigenschaften erhitzter Körper entstehen.

Die Anodenkreise der Generatorlampen werden mit Strom versorgt Gleichstrom aus Gleichrichtern, die auf Thyratrons oder Gastrons montiert sind (Abb. 3.10). Aus wirtschaftlichen Gründen wird Wechselstrom nur bei geringen Leistungen (bis 5 kW) eingesetzt. Die Sekundärspannung des Leistungstransformators (Anodentransformator), der den Gleichrichter speist, beträgt 8 - 10 kV, die gleichgerichtete Spannung beträgt 10 - 13 kV.

Ungedämpfte Schwingungen in einem Selbstoszillator treten bei ausreichender positiver Spannung auf Rückmeldung Netz mit einer Kontur und die Erfüllung bestimmter Bedingungen, die die Parameter der Lampe und der Kontur verbinden.

Netzrückkopplungskoeffizient

Wo Du mit , U zu , U a- Spannung jeweils am Netz, am Schwingkreis und an der Anode der Generatorlampe;

D- Lampendurchlässigkeit;

s d- dynamische Steigung der Anoden-Gitter-Eigenschaften der Lampe.

Die Netzrückkopplung in Generatoren zur Induktionserwärmung erfolgt meist über eine Dreipunktschaltung, bei der die Netzspannung einem Teil der Induktivität der Anode oder des Heizkreises entnommen wird. In Abbildung 3.10 wird das Netz von einem Teil der Windungen der Koppelspule mit Spannung versorgt L2, welches ein induktives Element des Heizkreises ist.

Heizgeneratoren sind im Gegensatz zu Funkgeneratoren meist zweikreisig (Abb. 3.10) oder sogar einkreisig. Zweikreisgeneratoren lassen sich leichter auf Resonanz einstellen und sind stabiler im Betrieb.

In Generatoren werden Schwingungen zweiter Art angeregt. Der Anodenstrom fließt nur für einen Teil (1/2-1/3) der Periode in Impulsen durch die Lampe. Dadurch wird der konstante Anteil des Anodenstroms reduziert, die Erwärmung der Anode verringert und der Wirkungsgrad des Generators erhöht. Auch der Netzstrom hat eine Impulsform. Die Abschaltung des Anodenstroms (innerhalb des Abschaltwinkels q = 70-90°) erfolgt durch Anlegen einer konstanten negativen Vorspannung an das Gitter, die durch den Spannungsabfall am Gitterwiderstand entsteht R g wenn ein konstanter Anteil des Netzstroms fließt.

Heizgeneratoren unterliegen einer sich während des Heizvorgangs ändernden Belastung, die durch Änderungen der elektrischen Eigenschaften der erhitzten Materialien verursacht wird. Um sicherzustellen, dass der Generator im optimalen Modus arbeitet, gekennzeichnet durch höchste Werte Um Ausgangsleistung und Wirkungsgrad zu gewährleisten, sind die Anlagen mit Lastanpassungsgeräten ausgestattet. Der optimale Modus wird durch Auswahl des geeigneten Werts des Netzrückkopplungskoeffizienten erreicht k s und Erfüllung der Bedingung

Wo E a - Versorgungsspannung;

E s - konstanter Offset im Raster;

Ich a1-die erste Harmonische des Anodenstroms.

Zur Anpassung an die Last bieten die Schaltkreise die Möglichkeit, den Resonanzwiderstand des Schaltkreises anzupassen R a und die Netzspannung ändern Uns. Die Änderung dieser Werte wird durch die Einführung zusätzlicher Kapazitäten oder Induktivitäten in den Stromkreis und das Umschalten der Anoden-, Kathoden- und Gitterklemmen (Sonden) erreicht, die den Stromkreis mit der Lampe verbinden.

Induktionserwärmungsanlagen sind in Reparaturwerken und landwirtschaftlichen Gerätebetrieben weit verbreitet.

In der Reparaturindustrie werden Mittel- und Hochfrequenzströme zur Durch- und Oberflächenerwärmung von Gusseisen- und Stahlteilen zum Härten, vor der Warmverformung (Schmieden, Stanzen), bei der Restaurierung von Teilen durch Oberflächen- und Hochfrequenzmetallisierungsverfahren, beim Hartlöten, usw.

Einen besonderen Stellenwert nimmt die Oberflächenhärtung von Teilen ein. Die Fähigkeit, die Kraft an einer bestimmten Stelle eines Teils zu konzentrieren, ermöglicht es, eine Kombination aus einer äußeren gehärteten Schicht mit der Plastizität tiefer Schichten zu erhalten, was die Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Wechsel- und Stoßbelastungen deutlich erhöht.

Die Vorteile der Oberflächenhärtung mittels Induktionserwärmung sind folgende:

1) die Fähigkeit, Teile und Werkzeuge bei Bedarf auf jede erforderliche Dicke zu härten und dabei nur die Arbeitsflächen zu bearbeiten;

2) erhebliche Beschleunigung des Härteprozesses, was eine hohe Produktivität der Anlagen gewährleistet und die Kosten der Wärmebehandlung senkt;

3) in der Regel geringerer spezifischer Energieverbrauch im Vergleich zu anderen Erwärmungsmethoden aufgrund der Selektivität der Erwärmung (nur bis zu einer bestimmten Tiefe) und der Schnelligkeit des Prozesses;

4) hohe Qualität der Härtung und Reduzierung von Fehlern;

5) die Möglichkeit, den Produktionsfluss und die Prozessautomatisierung zu organisieren;

6) hohe Produktionsstandards, Verbesserung der sanitären und hygienischen Arbeitsbedingungen.

Induktionsheizanlagen werden nach folgenden Hauptparametern ausgewählt: Zweck, Nennschwingleistung, Betriebsfrequenz. Industriell gefertigte Geräte haben eine genormte Leistungsskala mit folgenden Schritten: 0,16; 0,25; 0,40; 0,63; 1,0 kW und mehr durch Multiplikation dieser Zahlen mit 10, 100 und 1000.

Anlagen zur Induktionserwärmung haben Leistungen von 1,0 bis 1000 kW, darunter Lampengeneratoren bis 250 kW und höher – mit Maschinengeneratoren. Die rechnerisch ermittelte Betriebsfrequenz richtet sich nach der für den Einsatz in elektrothermischen Anwendungen zugelassenen Frequenzskala.

Hochfrequenzanlagen zur Induktionserwärmung haben eine einzige Indizierung: HF (Hochfrequenzinduktion).

Nach den Buchstaben gibt ein Strich die Schwingungsleistung (kW) im Zähler und die Frequenz (MHz) im Nenner an. Nach den Zahlen stehen Buchstaben, die den technologischen Zweck angeben. Zum Beispiel: VCHI-40/0,44-ZP – Hochfrequenz-Induktionsheizgerät, Schwingleistung 40 kW, Frequenz 440 kHz; Buchstaben ZP – zum Härten von Oberflächen (NS – für Durchwärmung, ST – Rohrschweißen usw.).

1. Erklären Sie das Prinzip der Induktionserwärmung. Umfang seiner Anwendung.

2. Listen Sie die Hauptelemente einer Induktionserwärmungsanlage auf und geben Sie deren Zweck an.

3. Wie erfolgt die Heizungswicklung?

4. Welche Vorteile bietet die Heizung?

5. Was ist das Phänomen des Oberflächeneffekts?

6. Wo kann der Induktionslufterhitzer eingesetzt werden?

7. Was bestimmt die Eindringtiefe des Stroms in das erhitzte Material?

8. Was bestimmt den Wirkungsgrad eines Ringinduktors?

9. Warum auftreten? Induktionsheizgeräte Ist es notwendig, ferromagnetische Rohre bei Industriefrequenzen zu verwenden?

10. Was beeinflusst den Cos eines Induktors am stärksten?

11. Wie ändert sich die Heizrate mit steigender Temperatur des erhitzten Materials?

12. Welche Parameter von Stahl werden durch die Temperaturmessung beeinflusst?

Und bei Geräten wird die Wärme im beheizten Gerät durch Ströme freigesetzt, die im elektromagnetischen Wechselfeld im Inneren des Geräts entstehen. Sie werden Induktion genannt. Durch ihre Wirkung steigt die Temperatur. Die Induktionserwärmung von Metallen basiert auf zwei wesentlichen physikalischen Gesetzen:

• Faraday-Maxwell;
• Joule-Lenz.

Wenn Metallkörper in ein Wechselfeld gebracht werden, beginnen elektrische Wirbelfelder zu entstehen.

Induktionsheizgerät

Alles geschieht wie folgt. Unter dem Einfluss einer Variablen ändert sich die elektromotorische Kraft (EMF) der Induktion.

EMF wirkt so, dass im Inneren von Körpern Wirbelströme fließen, die in voller Übereinstimmung mit dem Joule-Lenz-Gesetz Wärme freisetzen. EMF erzeugt auch Wechselstrom im Metall. Dabei wird Wärmeenergie freigesetzt, die zu einer Temperaturerhöhung des Metalls führt.

Diese Art der Erwärmung ist die einfachste, da sie berührungslos erfolgt. Damit können Sie sehr viel erreichen hohe Temperaturen, bei dem eine Bearbeitung möglich ist

Um eine Induktionserwärmung zu gewährleisten, ist eine Erzeugung erforderlich elektromagnetische Felder spezifische Spannung und Frequenz. Dies kann in erfolgen spezielles Gerät- Induktor. Die Stromversorgung erfolgt über ein Industrienetz mit 50 Hz. Hierfür können Sie einzelne Stromquellen nutzen – Konverter und Generatoren.

Das einfachste Gerät für einen Niederfrequenzinduktor ist eine Spirale (isolierter Leiter), die in ein Metallrohr gelegt oder darum gewickelt werden kann. Fließende Strömungen erwärmen das Rohr, das wiederum Wärme an das Rohr überträgt Umfeld.

Der Einsatz von Induktionserwärmung bei niedrigen Frequenzen ist eher selten. Häufiger ist die Metallbearbeitung bei mittleren und hohen Frequenzen.

Solche Geräte zeichnen sich dadurch aus, dass die magnetische Welle auf die Oberfläche trifft und dort gedämpft wird. Der Körper wandelt die Energie dieser Welle in Wärme um. Für Leistung maximale Wirkung Beide Komponenten sollten eine ähnliche Form haben.

Wo werden sie verwendet?

Anwendung der Induktionserwärmung in moderne Welt weit verbreitet. Einsatzgebiet:

• Schmelzen von Metallen, deren Löten im berührungslosen Verfahren;
• Beschaffung neuer Metalllegierungen;
• Maschinenbau;
• Schmuckherstellung;
• Herstellung kleiner Teile, die bei Verwendung anderer Methoden beschädigt werden können;
• (und die Teile können die komplexeste Konfiguration haben);
• Wärmebehandlung (Bearbeitung von Maschinenteilen, gehärtete Oberflächen);
• Medizin (Desinfektion von Geräten und Instrumenten).

Induktionserwärmung: positive Eigenschaften

Diese Methode hat viele Vorteile:

• Mit seiner Hilfe können Sie jedes stromleitende Material schnell erhitzen und schmelzen.
• Ermöglicht das Erhitzen in jeder Umgebung: Vakuum, Atmosphäre, nicht leitende Flüssigkeit.
• Dadurch, dass nur das leitfähige Material erhitzt wird, bleiben die Wände, die Wellen nur schwach absorbieren, kalt.
• In Spezialgebieten der Metallurgie Herstellung hochreiner Legierungen. Dies ist ein interessanter Prozess, da die Metalle in einer Schutzgashülle vermischt werden.

• Im Vergleich zu anderen Arten belastet die Induktion die Umwelt nicht. Wenn im Fall von Gasbrenner Während wie bei der Lichtbogenerwärmung eine Verunreinigung vorhanden ist, wird diese durch die Induktion aufgrund der „reinen“ elektromagnetischen Strahlung beseitigt.
• Kleine Abmessungen des Induktorgeräts.
• Die Möglichkeit, einen Induktor beliebiger Form herzustellen, führt nicht zu einer lokalen Erwärmung, sondern fördert eine gleichmäßige Wärmeverteilung.
• Unverzichtbar, wenn nur ein bestimmter Bereich der Oberfläche erwärmt werden soll.
• Es ist nicht schwierig, solche Geräte auf den gewünschten Modus einzustellen und zu regulieren.

Mängel

Das System hat folgende Nachteile:

• Es ist ziemlich schwierig, die Art der Heizung (Induktion) und ihre Ausrüstung unabhängig zu installieren und einzustellen. Es ist besser, Spezialisten zu kontaktieren.
• Die Notwendigkeit, den Induktor und das Werkstück genau aufeinander abzustimmen, da sonst die Induktionserwärmung nicht ausreicht und ihre Leistung kleine Werte erreichen kann.

Heizung mit Induktionsgerät

Zur Absprache individuelle Heizung Sie können eine Option wie Induktionserwärmung in Betracht ziehen.

Bei der Einheit handelt es sich um einen Transformator, der aus Wicklungen zweier Art besteht: Primär- und Sekundärwicklung (die wiederum kurzgeschlossen ist).

Wie funktioniert es

Das Funktionsprinzip eines herkömmlichen Induktors: Wirbelströme strömen nach innen und richten sich aus elektrisches Feld zum zweiten Gebäude.

Damit Wasser durch einen solchen Kessel fließen kann, sind zwei Rohre daran angeschlossen: für das eintretende Kaltwasser und am Auslass. warmes Wasser- zweites Rohr. Aufgrund des Drucks zirkuliert ständig Wasser, wodurch eine Erwärmung des Induktorelements ausgeschlossen ist. Das Vorhandensein von Zunder ist hier ausgeschlossen, da im Induktor ständige Vibrationen auftreten.

Ein solches Element ist kostengünstig in der Wartung. Der Hauptvorteil besteht darin, dass das Gerät geräuschlos arbeitet. Es kann in jedem Raum installiert werden.

Ausrüstung selbst herstellen

Die Installation einer Induktionsheizung ist nicht sehr schwierig. Selbst jemand, der keine Erfahrung hat, wird die Aufgabe nach sorgfältigem Studium meistern. Bevor Sie beginnen, müssen Sie sich mit den folgenden notwendigen Artikeln eindecken:

• Wandler. Es kann ab verwendet werden Schweißgerät Es ist kostengünstig und verfügt über die erforderliche hohe Frequenz. Sie können es selbst machen. Dies ist jedoch eine zeitaufwändige Tätigkeit.
• Heizkörper (ein Stück Kunststoffrohr In diesem Fall ist die Induktionserwärmung des Rohrs am effektivsten.
• Material (Draht mit einem Durchmesser von nicht mehr als sieben Millimetern reicht aus).
• Geräte zum Anschluss des Induktors an das Heizungsnetz.
• Netz zum Halten des Drahtes im Induktor.
• Eine Induktionsspule kann daraus hergestellt werden (sie muss emailliert sein).
• Pumpe (um den Induktor mit Wasser zu versorgen).

Regeln für die Herstellung von Geräten selbst

Damit die Induktionserwärmungsanlage ordnungsgemäß funktioniert, muss der Strom für ein solches Produkt der Leistung entsprechen (er muss mindestens 15 Ampere betragen, bei Bedarf auch mehr).

• Der Draht sollte in Stücke geschnitten werden, die nicht größer als fünf Zentimeter sind. Dies ist für eine effiziente Erwärmung im Hochfrequenzfeld notwendig.
• Der Körper darf im Durchmesser nicht kleiner als der vorbereitete Draht sein und dicke Wände haben.
• Für den Anschluss an das Heizungsnetz wird an einer Seite des Aufbaus ein spezieller Adapter angebracht.
• Am Boden des Rohres sollte ein Netz angebracht werden, um ein Herausfallen des Drahtes zu verhindern.
• Letzteres wird in einer solchen Menge benötigt, dass es den gesamten Innenraum ausfüllt.
• Die Struktur wird geschlossen und der Adapter installiert.
• Aus diesem Rohr wird dann eine Spule konstruiert. Umwickeln Sie es dazu mit bereits vorbereitetem Draht. Dabei ist die Anzahl der Windungen einzuhalten: minimal 80, maximal 90.
• Nach dem Anschluss an das Heizsystem wird Wasser in das Gerät eingefüllt. Die Spule wird an den vorbereiteten Wechselrichter angeschlossen.
• Eine Wasserversorgungspumpe ist installiert.
• Ein Temperaturregler ist eingebaut.

Daher hängt die Berechnung der Induktionserwärmung von folgenden Parametern ab: Länge, Durchmesser, Temperatur und Verarbeitungszeit. Achten Sie auf die Induktivität der zum Induktor führenden Busse, die viel größer sein kann als der Induktor selbst.

Über Kochfelder

Eine weitere Anwendung im Hausgebrauch, neben der Heizungsanlage, fand diese Art der Heizung in Kochfelder Platten

Diese Oberfläche sieht aus wie ein normaler Transformator. Seine Spule ist unter der Oberfläche der Platte verborgen, die aus Glas oder Keramik bestehen kann. Strom fließt durch ihn hindurch. Dies ist der erste Teil der Spule. Aber das zweite sind die Gerichte, in denen das Essen zubereitet wird. Am Boden des Kochgeschirrs entstehen Wirbelströme. Sie erhitzen zuerst das Geschirr und dann das darin enthaltene Essen.

Wärme wird nur dann abgegeben, wenn Geschirr auf der Oberfläche des Panels abgestellt wird.

Fehlt es, erfolgt keine Aktion. Die Induktionsheizzone entspricht dem Durchmesser des darauf platzierten Kochgeschirrs.

Für solche Öfen braucht man spezielles Geschirr. Die meisten ferromagnetischen Metalle können mit dem Induktionsfeld interagieren: Aluminium, rostfreier und emaillierter Stahl, Gusseisen. Nicht für solche Oberflächen geeignet sind lediglich: Kupfer, Keramik, Glas und Utensilien aus nicht ferromagnetischen Metallen.

Natürlich schaltet es sich nur ein, wenn geeignetes Geschirr darauf installiert ist.

Moderne Herde sind mit einer elektronischen Kontrolleinheit ausgestattet, die es Ihnen ermöglicht, leeres und ungeeignetes Kochgeschirr zu erkennen. Die Hauptvorteile von Herden sind: Sicherheit, einfache Reinigung, Schnelligkeit, Effizienz und Kosteneffizienz. An der Oberfläche des Panels sollten Sie sich niemals verbrennen.

So haben wir herausgefunden, wo diese Art der Erwärmung (Induktion) eingesetzt wird.