2.7 Автоматическое управление электрическим режимом индукционной установки

Индукционный нагрев характеризуется энергетическими и термическими параметрами. Энергетические параметры - удельная мощность и время нагрева – определяют количество тепловой энергии, переданной детали, и достигнутую температуру.

Величина удельной мощности определяет скорость нагрева. Термические параметры – скорость нагрева в области фазовых превращений и конечная температура – определяют характер и интенсивность фазовых превращений.

Стабилизация индукционного нагрева в установках ТПЧ производится стабилизация напряжения на инверторе. В этом случае для питания цепи возбуждения инвертора используют схемы имеющие обратную связь от напряжения на выходе ТПЧ с тиристорными возбудителями.

При этом стабильность форм кривых изменения мощности и температуры нагрева гарантируется при полном сохранении параметров установки и настройки.

Контролёры для дозирования индукционного нагрева позволяют управлять режимом нагрева в соответствии с заданной технологами термической кривой и получат стабильные результаты закалки (глубину закаленного слоя, микрструктуру и твердость на любой установке с необходимыми для нагрева частотой мощностью.

~380

Рисунок 2.5-Схема установки с устройством для программного

регулирования индукционного нагрева

Индукционные установки с автоматическим управлением работают с обратной связью от сигнала термопары или напряжения (или тока) индуктора.

Рисунок 2.6-Структурная схема индукционной установки.

На рис. 2.6 изображена схема установки с устройством для автоматического регулированием индукционного нагрева по напряжению. Основным узлом является блок согласования (БС).

Блок согласования осуществляет генерирование сигналов управления, для тиристорных ключей в каждом такте работы. ФСУ (формирователи сигналов управления), в соответствии с требованиями циклического чередования фаз сети во время равенства интервалов коммутации тиристоров или другими особенностями управления, направленными на получение ожидаемых параметров ТП.

T^ocU

T^ocU

850^оС

Uинд

850^оС

Uинд

t(c)

t(c)

а) б)

Рисунок 2.7-Осцилограммы температуры (Т ) и кривая изменения (U_инд ) напряжения на зажимах индуктора.

а) с использованием устаревших технологий.

б) с использованием современных технологий

2.8 Расчет параметров индуктора

Для расчёта задано внутренний диаметр индуктора Dı=44мм;диаметр изделия D2=40мм, толщина индуктирующего провода dı=12мм; ширина индуктора и активного слоя а1 =а2 =а =2,8см; глубина закаленного х_к=10мм; размеры b=2,8см; b2=18,5см; l₁=100мм; l2=50мм; d_ш=0,2см.

h_ш=0,2см; частота f=2000Гц; удельная мощность в нагреваемом изделии pо=0,814 кВт/см².

Требуется определить напряжение на индукторе U_и; ток в индукторе Ι_и, коэффициент на индукторе cos φ_и, КПД инд.ηи мощность, подводимую к индуктору Р_и. Время нагрева tк.

1. Расчетный диаметр детали;

(2.5)

;принимаем (2.6)

μ2=16(m=-0,6) Из таблицы 3-4 [1] находим,

что М=0,902; тогда ξ=М∆к=0,0101м. При этом

D′2= D2-ζ=0,04-0,01=0,03м.

2. Приведенное значение удельной мощности

р о′ =р оD2 /D2′=8,14·10 ⁶·0,04:0,03=10,8·10⁶ вт/м² (2.7)

3. Относительная магнитная проницаемость.

Задаваясь несколькими значениями m,находим по таблице 3-1, 3-2, 3-3, [1] соответствующие значения K, N,cosφ и определяем Н_me , Н_mk пользуясь формулой (3-26) [1].

По усредненной кривой намагничивая на рис 2.5 [1] находим μ2′, как показано в примере 3-1 [1]. Построив графики μ 2= f(m) и μ2′= f(m), подобные приведенным на рис.3-7 получим μ2=15,4; m=-0,594, k=1,433, cosφ=0,923,sinφ=0,386.

4. Активное и внутреннее реактивное сопротивления нагреваемого слоя.

(2.8)

х_м2=r ₂·sinφ/cosφ= 5,6·10^-4·0,386/0,923=2,3·10 ^-4ом

5. Реактивное сопротивление хе. Так как а 1=а2=а

то х е=х 10k1/(1-k1); х10=ωμ0S1/а=2π·2000·4·10 ^–7(4·0,028)=16,45·10 ^-4ом. (2.9)

k1=f(D1/а )=f(0,044/0,028)=0,61(по рис 6-2) [1]

xе=16,45·10^{- 4}·061/0,39=25,7·10 ^-4ом.

6. Реактивное сопротивления рассеяния.

Xs=ωμ0( S1- S2)/а=2π·2000·4π·10 ^-7π(0,044²-0,040²) / (4·0,028)=1,48·10^-4 ом. (2.10)

7. Коэффициент приведения активного сопротивления детали

[=(г2/хе)²+[1+(хs+х _м2)/хe]²=(5,6/25,7)²+[1+(1,48+2,3)/25,7]²=0,73 (2.11)

8. Приведенное активное сопротивление.

r2′=сr2=0,73·0,56=4,08·10 ^-4ом (2.12)

9. Приведенное реактивное сопротивление.

х2′=с(хs+х_м2+[(хs+хм2)²+r2²]/хe)=

=0,73(1,48+2,3+[(1,48+2,3)²+5,6²]/25,7)=5,5·10^-4ом (2.13)

10. Активное и внутреннее реактивное сопротивление индуктирующего провода:

r_1п=ρ1πD1/(аd1q)=0,02·3,14·44/28·1,2·0,9≈0,09∙10^-4ом (2.14)

(2.15)

d₁/Δ ₁=7,5; k г≈ kх ≈ d1/∆₁=7,5 (2.16)

r1=r 1_п k_r=х _м1=г_1п k_х=0,09·7,5=0,67·10ом (2.17)

11. Активное сопротивление шин.

r_{ш k}=2p1l_kk_r (d ш bk′) (2.18)

D 1/Δ₁=0,002/0,0016=1,25 k _r=1,2(по таб 4-1[1] (2.19)

в2′=(0,028+0,185)/г=0,106м (2.20)

r _ш1=2·2·10 ^-8·0,1·1,2/(0,002·0,028)=0,8571·10 ^-4ом (2.21)

r_ш2=2·2·10 ^-8·0,05·1,2/(0,002·0,106)=0,11·10 ^-4ом (2.22)

r _ш=r_ш1+r _ш2=0,96·10 ^-4ом (2.22)

12. Реактивное сопротивление шин.

Х _шk=2p₁l _k k_x/(d _шb_k ′)+7,9·10 ^-6fh_шl_k/b´_k (2.23)

X_ш1=2·2·10⁸·0,1·1,2/(0,002·0,028)=0,85·10⁴oм+7,9·10⁶·2000·0,002·0,1/0,028=

=1,97·10 ^-4ом (2.24)

Х_ш2=0,163·10 ^-4ом х_ш=2,133·10^-4ом. (2.25)

13. Активное, реактивное и полное сопротивления индуктора.

r_и=r ш+r 1+r 2′=0,96+0,67+4,08=5,71·10^-4ом (2.26)

Х _и=х ш+х μ1+х2′=2,133+0,67+0,55=8,3·10^-4ом (2.27)

(2.28)

14. КПД индуктор

η _и=r ´₂/r _и=4,08/5,71=0,71 (2.29)

15. Коэффициент мощности индуктора

cosφ=r_и/z_и=5,71/10,1=0,565 (2.30)

16. Мощность, передаваемая в нагреваемую деталь.

Р2=πD₂ap₀=3,14·40·28·0,814=2,8·10⁴ом. (2.31)

17. Ток в индукторе.

кА (2.32)

18. Напряжение на индукторе.

U_и=U´_и=I _иZ_и=8284·10,1·10^-4=8,3в (2.33)

19. Мощность, подводимая к индуктору.

P_и=P2/η_и′=2,8·10⁴/0,71=39,4квт. (2.34)

20. Задаваемая ч=0,1 Из таблицы П-2 с помощью интерполирования определяем

S(0,246;0,01)=0,1040; S(0,246; 0,2; 0,1)=0,067 (2.35)

по формуле (7-29)

Т 0=(0,1+0,1040) / (0,1+0,067)=1,2 (2.36)

21. По графику (7-5) [1] определяем требуемое время .

Из графика находим tk=10c p0=4.78·10⁶вm/μ²