Использование индукционного нагрева
зависит только от вашего воображения
В ряде публикаций на страницах журнала мы рассказываем об использовании индукционного нагрева для решения множества технологических задач современного производства: в области термообработки, нормализации сварных швов, пайки, объемного нагрева для горячей штамповки, плавки, кристаллизационной вытяжки из расплава, термопосадки, горячего вальцевания, гибки, сварки металлов и пластмасс, производства прямошовных труб и отводов, выращивания кристаллов, нагрева газовых смесей, плавки образцов для рентгенографического анализа, подогрева труб и кабелей перед нанесением изоляции, сжигания геттера в вакуумных лампах, сжигания металлических плавней, поджигания самоспекающихся смесей, отделения металла от резины и многого другого…
Отдельная тема будет посвящена закалочным станкам и автоматическим закалочным линиям для массовой термообработки деталей в автомобилестроении.
Мы продолжаем цикл статей, в этом номере журнала рассмотрены следующие темы: особенности использования индукционных установок различного частотного диапазона с водяным и воздушным охлаждением, виды индукционных трансформаторов, промышленные системы охлаждения для индукционного оборудования.
В следующей статье я расскажу вам о специализированном индукционном оборудовании для решения конкретных технологических задач: об индукционных плавильных печах и индукционных кузнечных нагревателях, линиях по производству прямошовных труб и трубогибах с индукционным нагревом.
Специализация и область использования ТВЧ установок
напрямую зависит от их рабочей частоты
Среднечастотные индукционные установки имеют преобразователи на тиристорах и транзисторных IGBT модулях, и рабочий диапазон частот 1-20 кГц. Диапазон доступных мощностей от 15 кВт до 10 МВт. Нуждаются в системе водяного охлаждения. Применяются для глубокого или сквозного нагрева заготовок, для пайки массивных деталей и плавки металлов, для закалки на максимальную глубину.
Назначение:Высокочастотные индукционные установки имеют преобразователи на транзисторных IGBT модулях и рабочий диапазон частот 20-80 кГц. Диапазон доступных мощностей от 5 кВт до 1 МВт. Нуждаются в системе водяного охлаждения. Являются самыми универсальными. Могут применяться для закалки и отпуска деталей, для кузнечного нагрева небольших заготовок и пайки.
Назначение:Сверхвысокочастотные индукционные установки имеют преобразователи на транзисторных IGBT модулях, MOSFET и SEC транзисторах, их рабочий диапазон частот 100-450 кГц. Диапазон доступных мощностей от 5 кВт до 1 МВт. Нуждаются в системе водяного охлаждения. Применяются для поверхностной закалки, нагрева небольших заготовок, пайки тонких и тонкостенных деталей, термообработки проволоки.
НазначениеУсловно, специализацию индукционных установок различного частотного диапазона можно свести в следующую таблицу:
| Параметры и специализация, обозначение | СЧ | ВЧ | СВЧ |
|---|---|---|---|
| Диапазон рабочих частот, кГц | 1-20 | 20-80 | 100-450 |
| Диапазон доступных мощностей, кВт | 15-10000 | 5-1000 | 5-1000 |
| Плавка в индукционных плавильных печах | Да | Ограниченно | Нет |
| Сквозной нагрев перед горячей штамповкой и пластической деформацией, размер заготовок | Большие | Небольшие | Нет |
| Пайка, размер деталей | Крупные | Средние | Мелкие |
| Сварка прямошовных труб, скорость сварки | Нет | Средняя | Высокая |
| Закалка, диапазон глубины закаленного слоя мм | 3-5 | 1,5-3 | 0,8-1,2 |
| Термопосадка, размер деталей | Крупные | Средние | Нет |
Научно-технический прогресс не стоит на месте, и сегодня мы имеем возможность поставлять индукционные установки без водяного охлаждения, т.е. с воздушным охлаждением. В таких установках используются мощные вентиляторы, транзисторные ключи и диоды расположены на массивных радиаторах с большой охлаждающей поверхностью. Применяются Х-образные трансформаторы с рассредоточенным сердечником. Обмотки трансформаторов выполнены из литцендрата, многожильного провода с изолированными и переплетенными жилами. Литцендрат в силу своего строения позволяет снизить индуктивность проводов и обмоток и вынуждает токи протекать по всей площади сечения провода. Уменьшая, таким образом, их активное сопротивление.
Если на выходе генератора с воздушным охлаждением установлен трансформатор для гальванической развязки, нагруженный на высокоиндуктивный индуктор, то в этом случае, трансформатор и длинный индуктор не нуждаются в водяном охлаждении. Это тот самый счастливый случай, когда индукционная установка и индуктор охлаждаются только воздухом. Такие индукционные установки используются для термообработки труб, нагрева экструдеров термопластавтоматов, а так же для термопосадки и съема крупных деталей.
Когда же на выходе преобразователя установлен трансформатор с короткой одновитковой обмоткой, например для пайки или закалки, мы вынуждены применять воду для охлаждения выходной обмотки и самого индуктора. Ведь как только в узлах индукционной установки возникают большие токи, нужна вода для их охлаждения. Причем, обмотки трансформатора и индукторы делают из медной трубки и по ним пропускают охлаждающую воду.
Преобразователи данного класса оборудования охлаждаются воздухом и поэтому мы называем их индукционные установки с воздушным охлаждением.
Имеет преобразователи на транзисторных IGBT модулях, рабочие частоты находятся в двух диапазонах СЧА: 1-10 кГц и ВЧА: 10-100 кГц. Диапазон доступных мощностей от 20 кВт до 320 кВт. Преобразователи частоты имеют воздушное охлаждение. Применяются для термообработки сварных соединений трубопроводов и нагрева перед сваркой, в том числе в полевых условиях, выращивания полупроводниковых кристаллов, горячей посадки и съема крупногабаритных деталей, пайки роторов, термообработки крупных деталей, нагрева экструдеров термопластавтоматов, производства графитовых нитей.
На сегодняшний день индукционные установки с воздушным охлаждением являются самым высокотехнологичным индукционным оборудованием.
Вот их главные преимущества:Как правило, индукционные генераторы средней мощности имеют максимальное выходное напряжение 550 – 1500 вольт. Причем генераторы, собранные по схеме параллельного резонанса, выдают напряжение ~ 550 В, а собранные по схеме последовательного резонанса ~ 1500 В. Столь высокое напряжение можно подавать напрямую на индукторы плавильных печей и кузнечных нагревателей или на длинные индукторы для нагрева труб. Во всех остальных случаях необходимо применять понижающие трансформаторы. Трансформаторы бывают нескольких видов: закалочные, универсальные, разделительные и выносные.
Для подключения к среднечастотным и высокочастотным установкам маловитковых, низкоиндуктивных индукторов используют закалочные трансформаторы, отличающиеся тем, что в них можно в широких пределах менять коэффициент трансформации. И как следствие менять напряжение и выходные токи, подбирая их под конкретные задачи и конструкцию индуктора. Высокочастотные и сверхвысокочастотные установки, как правило, комплектуются штатными универсальными трансформаторами, которые вовсе не умеют изменять коэффициент трансформации. Разве что лишь некоторые модели. И поэтому с ними можно применять лишь ограниченные по количеству витков индукторы, например на высокочастотных установках средней мощности с одним витком на выходе трансформатора, индуктор имеет 3-6 витков диаметром 50 мм. Такой диапазон индуктивности индуктора, генератор компенсирует подстройкой рабочей частоты для работы в резонансе. Но возможности генератора по изменению частоты не безграничны и при дальнейшем увеличении или уменьшении количества витков индуктора, вас сможет выручить только закалочный трансформатор.
Есть еще один тип трансформаторов - разделительные, они не меняют выходное напряжение, а служат лишь для гальванической развязки от питающей сети. Трансформаторы бывают встроенные и выносные. Выносные трансформаторы иногда делают малогабаритными и достаточно легкими, для того, что бы их было удобно держать в руках. Сердечники таких трансформаторов делают из феррита или аморфного железа. Подобные сердечники позволяют концентрировать и преобразовывать большие мощности при малом объеме и весе. И как я уже указывал ранее, в этом случае требуется водяное охлаждение. Учитывая, то что на выносной трансформатор подается напряжение до 1500 В при токах в несколько десятков ампер, потери в подводящих проводах сведены к минимуму. Это позволяет подключать выносные трансформаторы к генераторам длинными проводами от 3 до 5 метров. Вместе с проводами идет и трубка для подвода и отвода охлаждающей жидкости к обмоткам трансформатора и его сердечнику.
С помощью выносного трансформатора удобно паять медные шины мощных электродвигателей и генераторов, калачи систем охлаждения, производить термоправку-натяжение, приваренных стальных листов на полах и обшивке кораблей. Выносные трансформаторы часто применяют в автомобильных мастерских для нагрева при правке рам и кузовов автомобилей.
Более 90% современных индукционных установок требуют водяного охлаждения. Основными параметрами системы водяного охлаждения являются расход и давление оборотной охлаждающей жидкости, и отводимая тепловая (охлаждающая) мощность. Увеличить расход и давление охлаждающей жидкости можно довольно дешево с помощью замены насоса на более мощный или оснащенный большим количеством лопастей. А вот повышение охлаждающей мощности стоит немалых денег. Это необходимо учитывать при приобретении индукционной установки. Ведь зачастую стоимость охлаждающей системы сопоставима с половиной стоимости самой индукционной установки. И на ней не стоит экономить. Это как купить автомобиль без системы охлаждения двигателя. Далеко не уедешь.
Мы рекомендуем своим клиентам использовать в качестве охлаждающей жидкости только дистиллированную воду. Тому есть несколько причин. Дистиллированная вода плохо проводит электрический ток и поэтому не мешает работе электронных компонентов генератора, замкнутых через воду друг на друга. По этой же причине исключено поражение электрическим током персонала через воду. Отсутствует электролизное разъедание радиаторов мощных электронных ключей, а значит, не потребуется их замены. Не будет отложения солей и как следствие ухудшения условий теплоотвода в индукторах и радиаторах.
Иногда для охлаждения индукционных установок применяется антифриз, например, этиленгликоль. Раствор этиленгликоля в воде в концентрации 60% застывает при температуре минус 49ᵒС, что позволяет использовать его в качестве охлаждающей жидкости в неотапливаемых цехах и на улице на всей территории европейской части России. Можно использовать антифриз при размещении индукционной установки в отапливаемом цеху, а двухконтурную градирню вынести на улицу. Этиленгликоль имеет еще одно интересное свойство. Даже при замерзании водноэтиленгликолевые растворы не становятся твердыми, а лишь превращаются в рыхлую массу и не расширяются столь значительно как обычный лед, вследствие чего не могут повредить трубы и радиаторы. Этиленгликоль обладает очень высокой гигроскопичностью и сильно поглощает воду из воздуха и других газов.
Этиленгликоль ядовит, нельзя допускать его попадания внутрь организма. А вот его противоядием является спирт. Для снижения степени отравления этиленгликолем нужно срочно дать пострадавшему 100-150 грамм водки.
Кстати, если вы решили поставить индукционную установку на хранение на холодном складе или перевезти зимой на автомобиле, потрудитесь удалить всю воду из системы охлаждения прибора. Наклоняя корпус установки и с помощью продувки сжатым воздухом. В противном случае вы рискуете разморозить оборудование со всеми вытекающими последствиями по его ремонту.
Предназначены для охлаждения индукционного оборудования средней и большой мощности. Используются для водяного охлаждения индукционных плавильных печей, тиристорных и транзисторных преобразователей частоты, индукционных кузнечных нагревателей, индукционных ТВЧ установок, закалочной жидкости. Мы поставляем двухконтурные градирни с охлаждающей мощностью от 36 до 1550 кВт. Что соответствует мощностям преобразователей индукционных плавильных печей мощностью от 60 кВт до 4 МВт.
Преимущества:Промышленные холодильники для воды предназначены для охлаждения индукционного оборудования, в первую очередь для поддержания рабочей температуры (не выше 35ᵒС) в контуре охлаждения преобразователей частоты. Мы предлагаем два типа чиллеров: «Вода-воздух» с охлаждающей мощностью от 1,4 до 732 кВт, и чиллеры типа «Вода-вода», с охлаждающей мощностью от 6 до 1067 кВт.
Преимущества:Чиллер это фреоновый холодильник для воды. Эффективность его работы обусловлена высокой разницей температур в теплообменных средах. Чиллеры с воздушным охлаждением более универсальны, им не требуется техническая вода, они экономичнее и находятся в постоянной готовности к работе. Однако они нагревают воздух в помещении и по этой причине их располагают на некотором удалении от индукционного оборудования. Мощные чиллеры с воздушным охлаждением имеют выносные уличные конденсаторы. Чиллеры с водяным охлаждением не греют воздух в помещении, но они менее экономичны из-за использования технической воды. Могут использовать для охлаждения воду из уличной градирни или водоема.
Большое значение имеет подбор оптимальной мощности чиллера. Ведь, фреоновый компрессор не охлаждает дистиллированную воду во встроенном баке постоянно. Он включается только при повышении температуры воды выше заданного порога. Если мощность чиллера будет мала, компрессор будет работать постоянно и быстро выработает свой ресурс. Если велика, включаться чиллер будет реже нормы, однако и стоить он будет намного дороже.
Использование чиллеров для охлаждения кузнечных индукционных нагревателей или индукционных плавильных печей, а так же иных нагревателей встроенных в поточные производственные линии, позволяет существенно поднять производительность линии в целом за счет исключения простоев из-за перегрева индукционных установок.
Мы рекомендуем использовать промышленные чиллеры, как наиболее экономичные и автоматизированные устройства, для поддержания заданной температуры дистиллированной воды в охлаждающей системе преобразователя индукционной установки. Причем индукционные катушки и закалочные жидкости можно охлаждать, например, с помощью двухконтурных градирен. Потребность в охлаждении компонентов индукционных установок распределяется примерно так: Транзисторный или тиристорный преобразователь – до 10% потребляемой мощности. Индукционные катушки – до 30%, охлаждающая жидкость закалочных установок – до 60%. Все модели чиллеров имеют встроенный насос для перекачивания охлаждающей жидкости.
Автор статьи директор компании «Мосиндуктор»
(С) 2014 Кучеров Вячеслав Васильевич
Авторские права защищены.
Гарантируется судебное преследование
за размещение статьи на любом сайте
кроме www.mosinductor.ru
