Содержание к диссертации
Введение 3
I. АНАЛИЗ УСТРОЙСТВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
Классификация устройств индукционного нагрева 5
Обзор объектно-ориентированных преобразователей индукционного
нагрева 8
Анализ предлагаемых схем 13
Цели и задачи исследований 20 П. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
Анализ методов расчета 22
Выбор эквивалентной схемы 25
Электромагнитные процессы в системе преобразователь - индуктор -
деталь 31
Построение регулировочных характеристик 3 8
Расчет энергетических показателей 42
Режим источника с прямоугольным выходным напряжением 44
Гармонический анализ 49
Определение параметров эквивалентной схемы системы индуктор-деталь на основе её геометрии и физических свойств 53
Выводы 57
III. МОДЕЛИРОВАНИЕ
Моделирование процессов нагрева и тепловой деформации детали 5 8
Моделирование электромагнитных процессов системы преобразователь- индуктор - деталь в среде OrCAD 10.0 69
Определение энергетических параметров 69
Моделирование процесса регулирования мощности нагрева 73 Выводы 76
IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОДТВЕРЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1. Определение параметров системы индуктор-деталь из опытных
данных и сравнение с расчетными значениями 77
4.2. Определение энергетических параметров системы.
Сравнение с результатами расчета и моделирования 83
Выводы 88
V. РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДРЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
5.1. Преобразователи для индукционного нагрева при ремонте узлов и
деталей подвижного состава. Основные технические характеристики 89
5.2. Применение систем индукционного нагрева 95
Выводы 99
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
Список используемой литературы 102
ПРИЛОЖЕНИЯ 111
Введение к работе
Нагрев металлов в быстро переменных электромагнитных полях сравнительно недавно начал входить в промышленную практику [10].
В 1913 г. фирмой «Лоренц» были начаты опыты с бессердечниковыми индукционными печами.
В 1915 - 1916 г.г. фирма «Аякс» выпустила на рынок первые бессердечниковые высокочастотные печи.
До 1933 г. индукционный нагрев промышленно применялся только в двух областях: для плавки металлов и удаления газов из электровакуумных приборов.
Ограничение областей применения индукционного нагрева сдерживали два фактора, первый - сравнительно низкая надежность и, как следствие, высокая стоимость эксплуатации высокочастотных генераторов (имеются в виду прежде всего ламповые генераторы) и второй, - промышленность была еще не готова для восприятия высокочастотного индукционного нагрева металлов как технологического метода.
Вместе с тем стремительное развитие радиотехники к началу 30-х годов позволило создать надежные и мощные генераторы (прежде всего ламповые) и, как следствие, стоимость энергии тока высокой частоты снизилась до 2-х +- 4-х кратных значений от стоимости энергии промышленной частоты.
Именно с этого периода у высокочастотных источников питания появились перспективы в плане широкого промышленного применения в целях нагрева металлов.
Появление тиристоров, а также мощных биполярных, полевых и IGBT-транзисторов позволило еще более существенно улучшить энергетические и потребительские характеристики преобразователей частоты в целом и для ВЧ нагрева в частности [11, 12, 22, 26, 82, 83].
Одновременно с ростом качественных характеристик преобразователей для ВЧ нагрева росла область применения токов высокой
частоты. Плавка металлов, нагрев под ковку, прокат, закалка, частичный отпуск и поверхностное легирование, пайка, сварка, нагрев с целью получения материалов сверхвысокой чистоты, технологический нагрев для горячей посадки и съема - вот далеко не полный перечень задач, которые в настоящее время успешно решаются с помощью высокочастотного индукционного нагрева [24, 25, 80, 84].
Большой вклад в развитие индукционного нагрева внесли: Л.Р. Нейман, В.П. Вологдин, К.З. Шепеляковский, Г.И. Бабат, М.Г. Лозинский, А.В. Донской, Н.М. Родигин, А.Б.Кувалдин, А.Е. Слухоцкий, А.Н. Шамов и ряд других [10, 24, 25, 53, 56, 75, 76 ,43, 84, 87].
Для обеспечения бесперебойной работы подвижного состава железнодорожного транспорта среди других форм обслуживания важнейшее место занимает ремонт элементов вращающегося оборудования, которое наиболее подвержено износу. При помощи различных способов осуществляется по возможности равномерный разогрев детали до установленной температуры, после чего производится их монтаж. В случае демонтажа, особенно при условии, что сопрягаемые детали имеют близкие по значению коэффициенты теплового расширения, наряду с допустимой температурой нагрева особую значимость приобретает интенсивность нагрева. В настоящее время для монтажа и демонтажа внутренних подшипниковых колец буксы колёсной пары применяется нагрев с помощью газовых горелок или индукционный нагрев на частоте промышленной сети. Имеются также сведения о применении для указанных целей систем индукционного нагрева, работающих на частотах до 8кГц [62]. Применительно к индукционному нагреву диапазон частот от 1 до ЮкГц иногда называют среднечастотным [76]. Нагрев при помощи газовых горелок для указанных целей не технологичен и поэтому бесперспективен. Системы индукционного нагрева на промышленной частоте имеют большие массогабаритные показатели, особенно, если содержат в своём составе разделительные или согласующие трансформаторы. Масса такого индуктора
сопоставимой мощности также значительно превышает массу индуктора, работающего в среднечастотном диапазоне. При незначительном увеличении удельной мощности потерь в обмотке индуктора среднечастотного диапазона, её абсолютная величина существенно снижается с уменьшением веса обмотки. Учитывая, что нагрев под горячую посадку является низкотемпературным и редко превышает температуру 160С, при однослойной конструкции индуктора даже при его естественном охлаждении имеется возможность снять ограничения по количеству циклов работы.
Появление на рынке большой номенклатуры мощных силовых IGBT транзисторов и транзисторных модулей, в том числе и интеллектуальных, позволяет создавать простые, надежные и малогабаритные преобразователи для индукционного нагрева. [1, 26] Применение рассматриваемых систем среднечастотного индукционного нагрева позволит сократить время и уменьшить затраты на ремонт деталей и узлов подвижного состава.
I. Анализ устройств индукционного нагрева
