CC BY
227
УДК 621.365.5:621.78]:61.312.2 ББК З 292.3:К 651.01]:З 261.8
АС. ГОРБУНОВ, Л.Э. РОГИНСКАЯ, И.Н. ТАНАЗЛЫ
РАСЧЕТ ИНДУКТОРОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ УСТАНОВОК С СОГЛАСУЮЩИМИ ТРАНСФОРМАТОРАМИ
Ключевые слова: индукционный нагрев, индуктор, добавочная проводящая среда, реторта, электромагнитное поле, магнитное поле, закалка, трансформатор, инвертор, аморфный сплав, нанокристаллический сплав.
Приведена классификация основных применяемых видов нагрева металлических деталей для термообработки, рассмотрены их преимущества и недостатки. Указаны преимущества индукционного нагрева. Создана математическая модель, позволяющая рассчитывать параметры электромагнитного поля в электротехнологических установках с индукционным нагревом со специальными индукторами, например, индукторами с добавочной проводящей средой. Получены результаты расчетов с помощью разработанной модели. Проведено экспериментальное подтверждение созданной модели путем исследования работы электротехнологических установок с индукционным нагревом для закалки и сравнения экспериментальных данных с результатами теоретического расчета. Предложено применение новых согласующих высокочастотных трансформаторов с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов в электротехнологических установках с индукционным нагревом.
A. GORBUNOV, L. ROGINSKAYA, I. THANAZLY INDUCTORS CALCULATION AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF INDUCTION-HEATING MACHINES WITH MATCHING TRANSFORMERS
Key words: induction heating, inductor, additional conducting medium, retort, electromagnetic field, magnetic field, hardening, transformer, inverter, amorphous alloy, nano-crystalline alloy.
We classified the main types of heating applied in heat treatment of metal parts and considered their advantages and disadvantages, listing advantages of induction heating. We created a mathematical model allowing to calculate parameters of electromagnetic field in induction heating machines with special inductors, for example, inductors with additional conducting medium. This model was experimentally verified by studying induction heating machines used for hardening and comparing the experimental data with the results of theoretical calculation obtained with the help of the model. We suggest using new matching high-frequency transformers with magnetic cores made of amorphous or nano-crystalline alloys in induction heating equipment.
1. Актуальность темы исследования. Классификация способов нагрева для термообработки металлических деталей. В настоящее время в связи с развитием электротехнологии отечественной и зарубежной промышленностью используются различные способы нагрева заготовок для их дальнейшей термообработки. К таким способам можно отнести [14]: 1) нагрев в печах сопротивления; 2) нагрев в электродуговых печах; 3) электроконтактный нагрев; 4) радиационный нагрев; 5) электронно-лучевой нагрев; 6) индукционный нагрев.
Нагрев деталей в печах сопротивления осуществляется достаточно медленно, затем заготовки выдерживаются, после чего происходит постепенное их охлаждение. К недостаткам таких печей можно отнести инерционность печи и низкую производительность нагрева.
В электродуговых печах возможно достичь очень высоких температур деталей, однако при этом имеется значительный температурный градиент в заготовках, что может привести к перегреву части деталей.
Сущность электроконтактного способа нагрева заключается в пропускании электрического тока через заготовку и выделении в ней тепловой энергии. К не-
достаткам такого метода можно отнести ограниченную применимость, связанную с менее эффективным нагревом деталей, отличных от цилиндрических, удлиненных, неравномерность нагрева заготовок сложной конструкции.
При радиационном способе нагрев деталей происходит при излучении энергии нагревателем, например, из вольфрама, нихрома и т.д. Однако при этом во время осуществления электротехнологического процесса может произойти загрязнение внешней поверхности заготовок частицами материала излучателя.
Электронно-лучевой вид нагрева характеризуется воздействием на поверхность деталей пучка электронов, при этом происходит быстрый нагрев соответствующей зоны заготовки. Но данный метод также обладает недостатками, заключающимися в необходимости иметь сложное и дорогостоящее оборудование и больших температурных перепадах между нагреваемой поверхностью и внутренней частью [14].
Помимо перечисленных видов расширяется применение электротехнологических процессов с индукционным нагревом в силу того, что данный способ обладает рядом преимуществ, к которым можно отнести выделение тепла непосредственно в нагреваемой загрузке, без использования промежуточных элементов, вследствие чего этот способ обладает высоким КПД. При необходимости с помощью индукционных установок возможно обеспечить локальный нагрев определенной области детали, что позволит значительно сократить продолжительность технологического процесса в силу отсутствия необходимости нагрева всей детали. Кроме того, при применении индукционного нагрева металлических деталей значительно меньше величина перепада температур между поверхностью и толщей заготовок по сравнению с таковой при других способах нагрева, что снижает вероятность повреждения поверхности нагреваемых деталей. Электротехнологические установки с индукционным нагревом применяются для нагрева, плавки, закалки деталей при промышленной частоте тока 50 Гц, повышенной частоте (100-10000 Гц) или высокой частоте (более 10000 Гц) [2].
Применяющиеся в настоящее время электротехнологические установки с индукционным нагревом состоят из следующих основных модулей: выпрямитель, инвертор, индуктор, а также при необходимости согласующий высокочастотный трансформатор [7, 16]. Для осуществления ряда технологических процессов, например плавки в холодном тигле, нагрева цилиндрических деталей, нагрева для нанесения защитных (цинковых) покрытий, помимо обычных индукторов расширяется применение индукторов с добавочной проводящей средой [1, 6].
Главными недостатками использующихся устройств и их элементов, ограничивающими их возможности, являются недостаточно высокие эффективность и технико-экономические показатели.
Например, известные комплексные электротехнологические установки с индукторами с добавочной проводящей средой, представляющей собой полый цилиндр из немагнитной жаропрочной нержавеющей стали, также называемой ретортой, внутри которой помещены заготовки для их индукционного нагрева и нанесения на них защитных (цинковых) покрытий [6], обладают недостаточно высоким КПД так как используемая стальная реторта не является полностью прозрачной для электромагнитного поля, создаваемого индуктором. В результате этого при эксплуатации такой установки происходит затухание напряженности поля, достигающего нагреваемые заготовки. С це-
лью повышения технико-экономических показателей таких устройств необходимо разработать математические модели, с помощью которых можно рассчитывать зависимость параметров электромагнитного поля от параметров промежуточной среды и частоты тока, области рациональных параметров комплексов с добавочными проводящими средами, при которых не происходит существенное ослабление поля, а также определять области параметров установок, при которых необходимо выполнение реторты с прорезями для обеспечения проникновения поля к нагреваемым заготовкам [9].
Другим способом повышения эффективности электротехнологических установок с индукционным нагревом является применение новых согласующих высокочастотных трансформаторов с современными магнитными материалами - аморфными или нанокристаллическими сплавами, которые обладают значительно меньшими массогабаритными показателями, меньшими потерями и более высоким КПД по сравнению с аналогичными показателями применяющихся в настоящее время согласующих трансформаторов на базе магнитопроводов из электротехнической стали, ферритов [11].
2. Исследование комплексных электротехнологических процессов с индукционным нагревом для нанесения защитных покрытий на детали. На рис. 1 представлена схема исследуемой комплексной электротехнологической установки с добавочной проводящей средой, состоящей из индуктора, создающего электромагнитное поле, добавочной проводящей среды, внутри которой помещены нагреваемые детали, представленные для простоты единой заготовкой, а также насыпана насыщающая смесь, в состав которой входит цинк, благодаря чему обеспечивается термодиффузионное цинкование заготовок [6, 9, 10]. Нагрев деталей может осуществляться как при промышленной частоте 50 Гц, так и при высоких частотах, до нескольких килогерц и выше.
а=1200
Рис. 1. Комплексная электротехнологическая установка с добавочной проводящей средой
В работах [8-10] авторами были созданы математические модели, в которых на базе решения уравнений Бесселя (1) нулевого порядка от комплексного аргумента (>/"7"'т), где т - относительный радиус добавочной проводящей среды, были получены значения напряженностей электромагнитного поля в добавочной проводящей среде и нагреваемых деталях, а также плотностей тока в деталях.
Уравнение Бесселя нулевого порядка от комплексного аргумента получено в следующем виде [13]:
d 2 jJ 1 dH
" 42 + "/=-* Ai J \ + "m = (1)
dW—7• m\ V- J •m dW" J •m\
где Hm - амплитуда напряженности магнитного поля, А/м.
Напряженность магнитного поля на внутренней поверхности добавочной проводящей среды [13] определяется выражением
Hm = ci • J°(m•Л/—/) + C2 • N°(m•Л/—J), (2)
где с1, с2 - постоянные коэффициенты; J° - функция Бесселя первого рода, нулевого порядка; N° - функция Бесселя второго рода, нулевого порядка.
Величины указанных функций Бесселя от комплексного аргумента можно получить, используя справочную литературу [17] или современные математические пакеты Mathematica или MathCad [4, 5].
Значения постоянных коэффициентов с1, с2 могут быть определены из граничных условий. В зависимости от конструкции установки с добавочными проводящими средами такими граничными условиями могут быть значения параметров электромагнитного поля и плотности тока на границах рассматриваемой среды. При применении реторты в виде полого цилиндра искомые граничные условия представляют собой значение напряженности магнитного поля на внешней поверхности реторты Hm0 и значение плотности тока на внутренней поверхности реторты 5 m3. Таким образом, в исследуемой установке постоянные коэффициенты определяются из следующей системы уравнений [8, 13]:
Jim = Hm° = ^ w 1И = С1 • J°(m2 чУ—J) + С2 • N°(m2 •V-T);
a
— 2 • ■
5m3 = J •[ J1 Wn3'4—~J\+ С2 • N1 (m3 •V-J)]= (3)
Д 2
= -J^R •[[ • J1 (m3 •VJ С2 • N1 (m3 •VJ 2-P
где w - число витков индуктора; 1И - ток индуктора, А; a - длина индуктора, м; m2 - относительный наружный радиус добавочной проводящей среды; Д2 -глубина проникновения тока в материал цилиндра, м; J1 - функция Бесселя первого рода, первого порядка; m3 - относительный внутренний радиус промежуточной среды; N1 - функция Бесселя второго рода, первого порядка; ю -круговая частота, рад/с; - магнитная постоянная, Гн/м; R3 - внутренний радиус добавочной проводящей среды, м; р - удельное электрическое сопротивление материала цилиндра, Омм.
Из системы уравнений (3) определяются постоянные коэффициенты с1, с2, а затем по уравнению (2) производится расчет электромагнитного поля в толще реторты.
По итогам решения уравнений (3) и (2) было получено распределение напряженностей магнитного поля в добавочной проводящей среде при различных параметрах, таких как толщина стенки, внешний диаметр полого цилиндра [8], а также частота тока. Зависимость от толщины стенки и наружного диаметра при частоте 5° Гц представлена на рис. 2. На рис. 3 показана зависимость напряженности магнитного поля от частоты при различных наружных диаметрах и толщине стенки 7 мм.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Толщина стенки, мм
—о—Диаметр 0,19 м —□—Диаметр 0,3 м —й—Диаметр 0,4 м
—х—Диаметр 0,6 м —*—Диаметр 0,8 м —о—Диаметр 1,0 м
—■—Диаметр 1,2 м —А—Диаметр 1,5 м - Диаметр 2,0 м
и ■
ое
I °
е,
£ Ч
С к
ал но к С
£ £ .0 о
лент
Рис. 2. Значения напряженностей магнитного поля в добавочной проводящей среде при различных толщинах стенки и наружных диаметрах при частоте 50 Гц
1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000 Частота, Гц
-Диаметр 0,19 м
-Диаметр 0,3 м
-Диаметр 0,6 м
-Диаметр 1,0 м
Рис. 3. Значения напряженностей магнитного поля в добавочной проводящей среде при различных частотах тока и наружных диаметрах реторты при толщине стенки 7 мм
Из рис. 2 видно, что напряженность магнитного поля комплексных электротехнологических установок сильно зависит от параметров реторты. При толщине стенки 10 мм напряженность уменьшается более чем на 35% при наружном диаметре от 1,2 м [8]. С ростом частоты тока напряженность магнитного поля внутри реторты существенно уменьшается (рис. 3), например при частоте 1000 Гц при диаметре промежуточной среды 0,19 м и толщине стенки 7 мм напряженность магнитного поля составляет 38% от напряженности поля, создаваемого индуктором.
Дальнейший расчет электромагнитного поля комплексной электротехнологической установки, в том числе определение параметров поля в деталях, производится аналогично и приведен в [9, 10].
Таким образом, на основании созданной математических моделей и полученных результатов расчетов можно определять целесообразность индукцион-
0
ного нагрева деталей внутри добавочных проводящих сред, рассчитывать степень затухания электромагнитного поля, проходящего через цилиндр к нагреваемым деталям, в зависимости от параметров добавочной среды и частоты. На основании полученных результатов становится возможным определение области рациональных параметров добавочных проводящих сред комплексных электротехнологических установок, при которых целесообразен комплексный электротехнологический процесс индукционного нагрева и нанесения защитных покрытий, а также параметров, при которых необходимо применение промежуточных проводящих сред с прорезями. Как показали исследования в [3, 9], использование прорезей позволяет обеспечить равенство параметров электромагнитного поля на внешнем и внутреннем радиусах реторты.
3. Экспериментальное подтверждение адекватности разработанных моделей. В настоящее время в силу большого разнообразия деталей различной формы и размеров, при термообработке которых используется индукционный нагрев, разработан и применяется широкий спектр индукторов, а также имеется ряд вариантов включения нагрузки - конденсаторно-индуктор-ного модуля [14, 16].
Одним из примеров электротехнологических установок с индукционным нагревом является комплекс с примыкающим индуктором, разработанный в НКТБ «Вихрь» для закалки непрерывно-последовательным способом плоских поверхностей заготовок, например реборды шкива кранового колеса, представленный на рис. 4.
Индуктор представляет собой один виток, располагающийся непосредственно над нагреваемым участком колеса. Данный индуктор применяется с магнитопроводом П-образной формы, который набран из листов электротехнической стали [13, 16]. Применение магнитопроводов позволяет концентрировать электромагнитное поле и токи в заданной области, а также избавиться от влияния кольцевого эффекта на распределение тока в индукторе, снизить сопротивления обратного замыкания [12, 13]. Схема индуктора с магнитопроводом показана на рис. 5. Линиями со стрелками показаны силовые линии магнитного поля индуктора [15]. Магнитопровод обращен открытой стороной паза к нагреваемой поверхности колеса. Нагреваемой зоной при этом является участок поверхности под пазом магнитопровода, так как ток более резко сконцентрирован в этой области, по сравнению с установками без магнитопроводов. На рис. 6 показаны индуктор с магнитопроводом и профиль закаливаемой зоны колеса. Длина сердечника чуть больше длины нагреваемой зоны. В рассматриваемой установке длина зоны нагрева составляет 70 мм, которая получается из участка обода шкива и реборд. Индукция в магнитопроводе обычно составляет 0,15-0,8 Тл, и в расчетах обычно его магнитным сопротивлением пренебрегают. В качестве источника питания был выбран преобразователь мощностью 250 кВт.
Экспериментальное исследование электротехнологической установки для закалки с использованием индуктора с магнитопроводом осуществлялось
Рис. 4. Электротехнологическая установка с индуктором с магнитопроводом для закалки реборды шкива кранового колеса
следующим образом. Перед началом работы установки опытным путем был определен рациональный режим нагрева. Сначала закаливаемое колесо устанавливалось и поджималось требуемым образом в центрах. Индуктор для закалки, подключенный к источнику питания через закалочный трансформатор, как показано на схеме на рис. 7, был установлен над нагреваемым участком колеса. При этом индуктор с трансформатором были расположены на платформе со специальными механизмами, осуществляющими ее перемещение в продольном и поперечном направлениях, т.е. с двумя степенями свободы. Таким образом осуществлялись позиционирование индуктора относительно закаливаемой поверхности и обеспечение необходимого точного размера зазора между ними, составляющего 3-4 мм.
%?/)>//
V
Рис. 5. Схема исследуемого индуктора с магнитопроводом для закалки плоских поверхностей и силовые линии магнитного поля
ЗакалиЬаемое колесо
Рис. 6. Индуктор с магнитопроводом и профиль нагреваемой зоны колеса
Рис. 7. Схема подключения индуктора для закалки реборды шкива кранового колеса
После того как индуктор для закалки был установлен, была включена электротехнологическая установка. Особенностью использованного индуктора является наличие специального душевого устройства с отверстиями для выпуска закалочной воды для быстрого охлаждения и закалки нагреваемого участка колеса. Через несколько секунд после того, как было подано питание на катушку индуктора и нагреваемый участок колеса достиг требуемой температуры, было начато вращение кранового колеса с определенной требуе-
мой величиной угловой скорости, после чего было включено душевое устройство для выпуска закалочной воды.
При осуществлении экспериментального исследования электротехнологической установки с индукционным нагревом для закалки частотомером осуществлялось измерение частоты тока нагрузки, вольтметром определялось выходное напряжение инвертора, ток, потребляемый инвертором, контролировался амперметром. При помощи пирометра осуществлялось измерение температуры нагрева закаливаемого участка поверхности колеса. Для исследуемого комплекса такая температура составляла примерно 970 °С. Кроме того, термометрами определялась температура воды, используемой для охлаждения индуктора и нагреваемой детали.
Мощность, подводимая к индуктору, определялась на основании измеренных значений потребляемого инвертором тока и выходного напряжения инвертора.
Исследуемый источник питания, показанный на рис. 7, применялся на базе симметричного мостового тиристорного инвертора, с использованием закалочного трансформатора типа ТЗ4-800 [16].
Другим вариантом исследуемых электротехнологических установок являются комплексы с одновитковыми индукторами, использующиеся для индукционного нагрева с последующей закалкой шеек валов. Индуктор в таких устройствах представляет собой один виток провода из меди прямоугольного поперечного сечения, с полостью внутри, в которую осуществляется подача воды для охлаждения индуктирующего провода (рис. 8) [3, 15].
Экспериментальное исследование электротехнологической установки с одновитковым индуктором для закалки шеек валов производилось аналогично ранее рассмотренной установке с индуктором с магнитопроводом.
Перед началом работы установки подобным образом опытным путем был определен рациональный режим нагрева. Закаливаемый вал устанавливался и поджимался в центрах. В рассматриваемой установке в качестве нагреваемой детали использовался вал с внешним диаметром 80 мм. Далее индуктор для закалки, подключенный к источнику питания по автотрансформаторной схеме через закалочный трансформатор, как показано на схеме на рис. 9, был установлен над нагреваемым участком вала, при этом аналогичным путем перемещения и позиционирования платформы с закрепленными на ней индуктором и закалочным трансформатором относительно вала был достигнут требуемый размер зазора между индуктором и закаливаемой шейкой вала, составляющий не более 3-4 мм.
Отметим особенности данного эксперимента. В отличие от ранее рассмотренной установки при исследовании данного комплекса предварительно было начато вращение нагреваемого вала, а затем был включен нагрев индуктором начального участка закаливаемой шейки вала. Через несколько секунд после подачи питания на закалочный индуктор, после
достижения исходным участком требуе- Рис 8 0дновитковый индуктор
мой температуры, включалось душевое для поверхностной закалки
устройство для выпуска охлаждающей воды для закалки нагретого участка шейки вала, затем было включено устройство, обеспечивающее движение индуктора вдоль нагреваемого вала со скоростью около 5-6 мм/с. Величина скорости перемещения индуктора определяется требуемым значением удельной мощности в нагреваемом участке вала и зависит от площади данной области. Как правило, в таких электротехнологических ^установках с индукционной закалкой удельная мощность равна 1-1,5 кВт/см .
т
ж
Рис. 9. Схема индукционной установки
При осуществлении экспериментального исследования электротехнологической установки с индукционной закалкой шеек валов с применением одновит-кового индуктора частота выходного тока инвертора измерялась частотомером. Вольтметром определялось напряжение на выходе инвертора. Выпрямленный ток контролировался амперметром. Кроме того, при помощи пирометра производилось периодическое измерение температуры закаливаемого участка поверхности вала, которая также достигала 970°С. Аналогично с ранее рассмотренным комплексом температура охлаждающей воды определялась термометрами.
В исследуемой электротехнологической установке, схема которой представлена на рис. 9, применялся источник питания на базе мостового тиристорно-го инвертора с удвоением частоты. При этом одновитковый индуктор присоединялся к инвертору через закалочный трансформатор типа ТЗ4-800 [16] по автотрансформаторной схеме. Первичная обмотка использованного закалочного трансформатора состояла из 13 витков, вторичная обмотка состояла из одного витка. Выводы источника питания были присоединены к четырем виткам первичной обмотки данного трансформатора. Батарея конденсаторов для компенсации реактивной мощности индуктора была подключена к 13 виткам первичной обмотки трансформатора ТЗ4-800. Индуктор, в свою очередь, был присоединен к одному витку вторичной обмотки трансформатора.
В исследованных комплексах для индукционной закалки измерялись в основном электрические параметры, так как путем определения величин токов и напряжений имеется возможность контролировать мощность, подводимую к индуктору, а также потребляемую всем закалочным комплексом мощность.
По итогам осуществления экспериментального исследования работы электротехнологических установок с индуктором с магнитопроводом для нагрева под закалку реборды шкива кранового колеса были получены следующие данные: мощность источника питания: Рист = 250 кВт, частота питания /= 2400 Гц, напряжение на индукторе ии = 30 В.
На рис. 10 показан снимок приборного блока с результатами экспериментального исследования комплекса с использованием одновиткового индуктора для нагрева под закалку шеек валов.
Рис. 10. Приборный блок комплекса с одновитковым индуктором для закалки шеек валов
Из рис. 10 видно, что частота инвертирования составляет 7900 Гц, т.е. примерно 8000 Гц. Напряжение на выходе выпрямителя иа = 500 В, а величина выпрямленного тока 1а = 160 А. Напряжение на выходе мостового тиристорного инвертора составляет ивых = 200 В. Как было выше отмечено, путем измерения токов и напряжений можно контролировать мощность, подводимую к нагрузке: Ра = ий • 1а = 500-160 = 80 000 Вт.
Таким образом, полученная в результате экспериментального исследования указанной установки мощность, подводимая к индуктору, составляет 80 кВт. Также по итогам измерений была получена температура нагрева поверхности вала Тзак = 970 °С. С помощью вольтметра была измерена величина напряжения на катушке индуктора, равная ии = 60 В.
На основе разработанных математических моделей, а также ряда методик [8-10, 12, 13, 15] были произведены поверочные расчеты параметров электротехнологических установок с индукционным нагревом под закалку с использованием индуктора с магнитопроводом и одновиткового индуктора. Было рассчитано электромагнитное поле электротехнологических установок с помощью решения уравнений Бесселя. По заданным параметрам закалочных установок были рассчитаны соответствующие величины постоянных коэффициентов сь с2, с помощью которых были получены решения уравнений Бесселя (1). На основе известных начальных данных, таких как размеры индукторов, закаливаемых участков колеса и вала, подводящих шин, были рассчитаны параметры устройств, а именно коэффициенты мощности исследуемых индукторов, токи, протекающие в индукторах для закалки, величины мощностей, подводимых к индуктору с магнитопроводом и одновитковому индуктору.
При поверочном расчете электротехнологических установок для индукционного нагрева под закалку реборды шкива кранового колеса [15] были определены параметры индуктора с магнитопроводом:
КПД закалочного индуктора
Д2 0,00046 пол
ЪИ = — = --= 0,84,
ДИ 0,00055
где Д - приведенное активное сопротивление нагреваемого слоя закаливаемой заготовки, Ом; ДИ - эквивалентное активное сопротивление индуктора с магнитопроводом, Ом.
Коэффициент мощности закалочного индуктора
, Дн 0,00055 039
С08фИ =-=-= 0,39,
гИ 0,0014
где гИ - эквивалентное полное сопротивление индуктора с магнитопроводом, Ом. Ток в закалочном индукторе
,И= Ё = ,р^ = 6460 А,
V Д \ 0,00046
где Р2 -мощность, передаваемая в закаливаемый участок кранового колеса, Вт. Мощность, подводимая к закалочному индуктору с магнитопроводом:
Рн= Л = 1^50 = 23022,5 Вт. Ъи 0,84
При поверочном расчете параметров электротехнологических установок с одновитковым индуктором для закалки шеек валов [15] были определены значения Д = 0,0018 Ом, цИ = 0,7, величина выходного напряжения инвертора и аналогично были получены параметры одновиткового индуктора: выходное напряжение инвертора
п 314
иН =ил •-• К = 500•-— 0,51 = 200В, 44
где К - коэффициент [13];
ток в закалочном индукторе
= Р = /59564,6 И V Д2 = V 0,0018
мощность, подводимая к одновитковому индуктору:
Рн = Р_ = 595%46 = 84700 в,
ЪИ 0,7
По результатам поверочного расчета можно отметить, что в исследованных электротехнологических установках с плоским индуктором для закалки реборды шкива кранового колеса мощность, подводимая к индуктору, значительно меньше по сравнению с номинальной мощностью используемого источника питания. Поэтому в данных комплексах возможно применение источника питания номинальной мощностью 23 кВт вместо источника с номинальной мощностью 250 кВт, обладающего большими массогабаритными параметрами и высокой стоимостью. Такая замена приведет к значительному упрощению всего комплекса, уменьшит размеры и массу, а также значительно удешевит его. В установках с одновитковым индуктором вычисленная мощность, подводимая к индуктору, которая была получена с использованием разработанных математических моделей, близка к значению, которое было получено опытным путем, расхождение данных величин не превышает 6%.
= 5809,76 А;
Как уже отмечалось ранее, подключение индукторов осуществлялось с помощью закалочных трансформаторов типа ТЗ4-800 [16], благодаря этому обеспечивалась возможность согласования напряжения на выходе источника питания с требуемым напряжением индуктора для закалки, которое имеет низкую величину. Применяемый трансформатор имеет магнитопровод на базе электротехнической стали, что ограничивает его применение на высоких частотах. В связи с этим закалочный трансформатор типа ТЗ4-800 используется при частотах не более 10 000 Гц, потому что при превышении этой частоты магнитные потери достигают недопустимых значений. Поэтому с целью повышения эффективности, расширения области применения и функциональных возможностей комплексов для индукционной закалки целесообразно применение новых согласующих высокочастотных трансформаторов с магнитопроводами на базе современных магнитных материалов - аморфных или нанокристаллических сплавов вместо используемых закалочных трансформаторов. Как показали исследования в [11], применение новых трансформаторов приводит к значительному повышению энергетических и массогабаритных показателей всего комплекса. В отличие от использующихся трансформаторов новые устройства способны функционировать при более высоких частотах, составляющих до сотен килогерц со значительно меньшими магнитными потерями. Значения рабочей индукции предлагаемых трансформаторов составляют до 1 Тл, что значительно выше рабочей индукции согласующих высокочастотных трансформаторов на базе ферритовых магнитопроводов. Расчеты также показали, что КПД новых трансформаторов достигает 99% и выше [11].
Выводы. 1. Экспериментальными исследованиями была подтверждена адекватность созданных математических моделей комплексных электротехнологических установок с индукционным нагревом заготовок, находящихся внутри промежуточной проводящей среды. При определении мощности, которая подводилась к индуктору, расхождение значений, полученных экспериментальным путем и в ходе теоретического исследования, не превысило 6%.
2. В электротехнологических комплексах с индукционным нагревом для закалки металлических заготовок экспериментально была подтверждена возможность применения высокочастотных согласующих трансформаторов как составных элементов этих установок, а также целесообразность использования новых высокочастотных согласующих трансформаторов с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов для повышения энергетических показателей, снижения массы и габаритных размеров всего комплекса. Как показали исследования, предлагаемые трансформаторы обладают более высокой эффективностью в отличие от обычно применяемых согласующих трансформаторов с сердечниками из электротехнической стали, а также ферритов. Новые трансформаторы могут работать при значениях магнитной индукции до 1 Тл, а также на частотах тока до сотен кГц, потери в сердечнике при этом намного ниже, чем при обычно применяемых магнитных материалах, а КПД может достигать более 99% [11].
3. Опытным путем была подтверждена целесообразность определения параметров специальных индукторов с сердечниками на основе уравнений, используемых для расчета трансформаторов. Это существенно упрощает и сокращает продолжительность проектирования электротехнологических установок с индукционным нагревом, включающих в себя специальные индукторы с магнитопроводами для закалки металлических деталей.
Литература
1. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1965. 551 с.
2. БальянР.Х. Трансформаторы для радиоэлектроники. М.: Советское радио, 1971. 72Q с.
3. Гайнетдинов Т.А. Индукторно-трансформаторный комплекс для высокочастотной термообработки материалов (разработка и исследование): дис. ... канд. техн. наук. Уфа, 2Q1Q. 151 с.
4. ДьяконовВ.П. Mathematica 5/6/7. Полное руководство. М.: ДМК Пресс, 2Q1Q. 624 с.
5. МакаровЕ.Г. Инженерные расчеты в Mathcad 15. СПб.: Питер, 2Q11. 4QQ с.
6. Пат. 25334QQ РФ, МПК C23C1Q/36. Способ нанесения цинкового покрытия и установка для его осуществления / В.И. Кубанцев и др.; заявитель и патентообладатель Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик Министерство промышленности и торговли РФ (МИНПРОМТОРГ РОССИИ). № 2Q12145441/Q2; заявл. 26.1Q.2Q12; опубл. 2Q.11.2Q14, Бюл. № 32. 16 с.
7. Разработка и проектирование тиристорных источников питания / А.К. Белкин и др. М.: Энергоатомиздат, 1994. 222 с.
S. Рогинская Л.Э., Горбунов А.С. Влияние диаметра промежуточной цилиндрической проводящей среды при индукционном нагреве деталей токами промышленной частоты // Вопросы образования и науки: теоретический и методический аспекты: сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. (31 мая 2Q14 г.): в 11 ч. Тамбов: ООО Консалтинговая компания Юком, 2Q14. Ч. 5. С. 117-12Q.
9. Рогинская Л.Э., Горбунов А.С. Расчет электромагнитного поля в комплексных электротехнологических установках для индукционного нагрева // Вестник УГАТУ. 2Q14. Т. 1S, № 2 (63). С. 61-68.
1Q. Рогинская Л.Э., Горбунов А.С., Шуляк А.А. Расчет параметров комплексной электротехнологической установки, включающей индукционный нагрев деталей [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. 2Q12. № 6. URL: http://www.science-education.ru/lQ6-SQ42 (дата обращения 1Q.Q7.2Q15).
11. Рогинская Л.Э., Горбунов А.С. Трансформаторно-индукторный комплекс с последовательным включением конденсатора в цепь нагрузки [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. 2Q13. № 6. URL: http://www.science-education.ru/ll3-ll6QS (дата обращения 1Q.Q7.2Q15).
12. Слухоцкий А.Е. Индукторы / под ред. А.Н. Шамова. 5-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 19S9. б9 с.
13. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1974. 264 с.
14. Тиристорные преобразователи частоты / А.К. Белкин, Т.Н. Костюкова, Л.Э. Рогинская и др. М.: Энергоатомиздат, 2QQQ. 263 с.
15. Установки индукционного нагрева / А.Е. Слухоцкий, В.С. Немков, Н.А. Павлов и др. Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 19S1. 32S с.
16. Элементы индукционных установок / А.К. Белкин, Л.И. Гутин, И.Н. Таназлы и др.; под ред. Ю.М. Гусева. М.: Энергоатомиздат, 2QQ7. 14Q с.
17. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. Формулы, графики, таблицы. 3-е изд., стереотип. М.: Наука, 1977. 342 с.
References
1. Babat G.I. Induktsionnyi nagrev metallov i ego promyshlennoe primenenie [Induction heating of metals and its industrial application]. Moscow, Energiya Publ., 1965, 551 p.
2. Bal'yan R.Kh. Transformatory dlya radioelektroniki [Transformers for radio electronics]. Moscow, Sovetskoe radio Publ., 1971, 72Q p.
3. Gainetdinov T.A. Induktorno-transformatornyi kompleks dlya vysokochastotnoi termoobrabotki materialov (razrabotka i issledovanie). Dis. kand. tekhn. nauk [Inductor and transformer complex for high-frequency heat treatment of materials (development and research). Cand. Diss.]. Ufa, 2Q1Q. 151 p.
4. D'yakonov V.P. Mathematica 5/6/7. Polnoe rukovodstvo [Mathematics 5/6/7. Full manual]. Moscow, DMK Press Publ., 2Q1Q, 624 p.
5. Makarov E.G. Inzhenernye raschety v Mathcad 15 [Engineering calculations in Mathcad 15]. St. Petersburg, Piter Publ., 2Q11, 4QQ p.
6. Kubantsev V.I. [et al.] Sposob naneseniya tsinkovogo pokrytiya i ustanovka dlya ego osu-shchestvleniya [The method of zinc coating and installation for its implementation]. Patent RF, no. 2533400, 2014.
7. Belkin A.K. [et al.] Razrabotka i proektirovanie tiristornykh istochnikov pitaniya [Development and design of thyristor power supplies]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1994, 222 p.
8. Roginskaya L.E., Gorbunov A.S. Vliyanie diametra promezhutochnoi tsilindricheskoi provo-dyashchei sredy pri induktsionnom nagreve detalei tokami promyshlennoi chastoty [Influence of the diameter of intermediate cylindrical conducting medium in case of induction heating of components by means of power currents]. Voprosy obrazovaniya i nauki: teoreticheskii i metodicheskii aspekty: sbornik nauchnykh trudov po materialam Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii 31 maya 2014 g.: v 11 chastyakh. Chast' 5 [Proceedings of the International scientific and practical conference «Questions of science and education: theoretical and methodical aspects» on May 31, 2014. 11 parts. Part 5]. Tambov, 2014. pp.. 117-120.
9. Roginskaya L.E., Gorbunov A.S. Raschet elektromagnitnogopolya v kompleksnykh elektro-tekhnologicheskikh ustanovkakh dlya induktsionnogo nagreva [Calculation of electromagnetic field in complex electrotechnological systems for induction heating]. Vestnik UGATU [Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University)], 2014, vol. 18, no. 2 (63), pp. 61-68.
10. Roginskaya L.E., Gorbunov A.S., Shulyak A.A. Raschetparametrov kompleksnoi elektro-tekhnologicheskoi ustanovki, vklyuchayushchei induktsionnyi nagrev detalei [Calculation of parameters of complex electrotechnological system, including induction heating of components]. Sovremen-nye problemy nauki i obrazovaniya [Modern problems of science and education], 2012, no. 6. Available at: http://www.science-education.ru/106-8042 (Accessed 10 Jul. 2015).
11. Roginskaya L.E., Gorbunov A.S. Transformatorno-induktornyi kompleks s posledova-tel'nym vklyucheniem kondensatora v tsep' nagruzki [Transformer and inductor complex with series connection of the capacitor in a load circuit]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya [Modern problems of science and education], 2013, no. 6. Available at: http://www.science-education.ru/113-11608 (Accessed 10 Jul. 2015).
12. Slukhotskii A.E. Induktory [Inductors]. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1989, 69 p.
13. Slukhotskii A.E., Ryskin S.E. Induktory dlya induktsionnogo nagreva [Inductors for induction heating]. Leningrad, Energiya Publ., 1974, 264 p.
14. Belkin A.K., Kostyukova T.N., Roginskaya L.E. et al. Tiristornye preobrazovateli chastoty [Thyristor frequency converters]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 2000, 263 p.
15. Slukhotskii A.E., Nemkov V.S., Pavlov N.A. et al. Ustanovki induktsionnogo nagreva [Installations of induction heating]. Leningrad, Energoizdat. Leningradskoe otdelenie Publ., 1981, 328 p.
16. Belkin A.K., Gutin L.I., Tanazly I.N. et al. Elementy induktsionnykh ustanovok [Elements of induction installations]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 2007, 140 p.
17. Yanke E., Emde F., Lesh F. Spetsial'nye funktsii. Formuly, grafki, tablitsy [Special functions. Formulas, diagrams, tables]. Moscow, Nauka Publ., 1977, 342 p.
ГОРБУНОВ АНТОН СЕРГЕЕВИЧ - инженер кафедры электромеханики, Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия, Уфа (freizer-anton@yandex.ru).
GORBUNOV ANTON - Engineer of Electromechanics Department, Ufa State Aviation Technical University, Russia, Ufa.
РОГИНСКАЯ ЛЮБОВЬ ЭММАНУИЛОВНА - доктор технических наук, профессор кафедры электромеханики, Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия, Уфа (roginskaya36@mail.ru).
ROGINSKAYA LYUBOV - Doctor of Technical Sciences, Professor, Electromechanics Department, Ufa State Aviation Technical University, Russia, Ufa.
ТАНАЗЛЫ ИВАН НИКОЛАЕВИЧ - директор, ООО «НПФ «Вихрь-V», Россия, Уфа (thanazly_iv@mail.ru).
THANAZLY IVAN - Director of «SPC «Vihr-V», Ltd., Russia, Ufa.
