Выбор структуры высокочастотного нагревательного комплекса для индукционной правки палубы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выбор структуры высокочастотного нагревательного комплекса для индукционной правки палубы

При сварке тонкостенных (толщина листового металла 2…10 мм) металлических конструкций из-за неравномерного и локального нагрева возникают внутренние термические напряжения в металле, которые приводят к его деформации. С такими проблемами сталкиваются на судостроительных предприятиях в процессе строительства кораблей при сварке палуб и палубных конструкций. Классический способ правки подразумевает нагрев локальных участков с помощью газовых горелок и механическое воздействие (вытягивание или продавливание) на деформированные участки конструкции. Это трудоемкий процесс, который требует от персонала большого опыта и сноровки.

Развитие полупроводниковой элементной базы и современные достижения в области преобразовательной техники позволяют создавать малогабаритное высокоэффективное высокочастотное индукционное нагревательное оборудование, которое при правильном применении позволит значительно упростить и автоматизировать процесс правки деформированных конструкций в условиях промышленных объектов.

В настоящее время в Санкт-Петербургском Государственном Электротехническом Университете в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 проводится научно-исследовательская работа по созданию индукционного нагревательного оборудования для правки алюминиевых палуб судов. Данная статья посвящена выбору оптимальной для данной технологии структуры нагревательного оборудования, его мощности и частотного диапазона.

Суть правки палубы с применением индукционного нагрева заключается в быстром (1 - 5 c.) нагреве локальной зоны металла до температуры пластической деформации 400 - 500 °C. Во время остывания под действием внутренних напряжений металл выдавливается наружу и происходит стягивание металлического настила.

Для достижения технологического эффекта необходим быстрый, локальный сквозной нагрев настила с минимальным температурным перепадом по толщине. Исходя из этих соображений и руководствуясь рекомендациями, изложенным в [1, 2], был изготовлен индуктор для нагрева алюминиевых листов рис. 1.

Рис. 1. Индуктор для нагрева алюминиевых листов.

Активная часть индуктора выполнена из профилированной трубки сечением 6х12 мм с толщиной стенки 1 мм. Её длина составляет 60 мм. Трубка сориентирована так, чтобы нагревательная часть имела ширину 6 мм. Для увеличения КПД индукционной системы индуктор изготовлен с магнитопроводом, который выполнен из феррита 2500НМС1.

Исходя из ширины нагреваемой зоны, можно провести оценку мощности, требуемой для нагрева алюминиевого настила. Для примера рассмотрим самый энергоёмкий случай: нагрев алюминиевого листа толщиной 10 мм за время t = 1 с. Вес активной части настила рассчитывается по формуле:

где a - ширина нагреваемой зоны [м]; b - длина нагреваемой зоны [м]; d - толщина нагреваемого листа [м]; с - плотность алюминия [кг/м³]. В нашем случае a ? 6 мм = 0.006 м (ширина нагревательной части индуктора), b ? 60 мм = 0.06 м (длина нагревательной части индуктора), d = 10 мм = 0.01 м (толщина алюминиевого листа), с = 2.7·10³ [кг/м³].

[кг]

Предполагаемое время нагрева зоны под индуктором t = 1 с., температура нагрева T=500°C. Энергия, необходимая для нагрева рассчитывается по формуле:

где c - удельная теплоёмкость алюминия [кДж/(кг·К)], с = 0.88 кДж/(кг·К).

[кДж]

Мощность, которую необходимо вложить в нагреваемый объект рассчитывается по формуле:

где t - время нагрева [c].

[кВт]

Из теории индукционного нагрева [1,2] известно, что при нагреве плоским индуктором алюминиевой поверхности КПД будет не более 30-40% [1,2]. С учётом КПД индукционной системы к индуктору необходимо подвести мощность P_и, определяемую по формуле:

Учитывая, что реально достижимый КПД в современных индукционных нагревательных комплексах составляет примерно 90%, и то, что при расчёте мощности мы пренебрегли тепловыми потерями, можно сделать вывод, что нагревательного комплекса мощностью 25 - 30 кВт будет достаточно для успешного проведения технологического процесса.

Теперь определим приемлемый для данной технологии частотный диапазон нагревательного комплекса. Из теории индукционного нагрева известно, что выбор частоты индукционного нагрева главным образом определяется исходя из глубины проникновения индуцированного тока в деталь [1, 2]. Для немагнитного материала (в том числе алюминия) глубина проникновения рассчитывается по формуле:

[м],

где с- удельное электрическое сопротивление материала нагреваемой детали [Ом/м]; f- частота индуцированного тока [Гц]. На рис.2 приведён график зависимости глубины проникновения тока в алюминиевый лист от частоты.

Рис. 2. Зависимость глубины проникновения тока в алюминий от частоты.

Использование для нагрева тока слишком высокой частоты может привести к тому, что нижняя часть нагреваемого листа ещё не достигнет требуемой температуры, а верхняя часть начнет расплавляться, это недопустимо. Технология индукционной правки требует минимального перепада температуры по толщине настила. С этой точки зрения оптимальной является частота, при которой глубина проникновения тока в деталь близка к толщине нагреваемого листа. Однако при снижении частотного диапазона увеличиваются габариты нагревательного оборудования, уменьшается его мобильность. Это может привести к невозможности ведения технологического процесса на промышленном объекте. Основываясь на личном опыте по разработке индукционного оборудования и современных разработках в области материалов, применяемых для изготовления магнитопроводов высокочастотных трансформаторов, авторы статьи пришли к выводу, что наиболее приемлемым частотным диапазоном для рассматриваемой технологии является диапазон 15 - 25 кГц.

В частотном диапазоне выше 10 кГц до недавнего времени использовались ламповые преобразователи частоты, имеющие низкий КПД, большие размеры и вес. Отсутствие приемлемых преобразователей частоты с высокими энергетическими показателями сдерживало внедрение индукционного нагрева в перспективные технологии.

Благодаря созданию новых полностью управляемых полупроводниковых приборов, таких как полевые транзисторы (MOSFET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) открылись новые возможности для разработки нагревательного оборудования в области частот от 10 кГц до сотен кГц. Рассмотрим самые распространённые структуры индукционных нагревательных комплексов на базе транзисторных преобразователей частоты.

На рис.3 показана структура, включающая регулируемый выпрямитель (РВ), транзисторный инвертор тока (ИТ), блок согласования с параллельной компенсацией реактивной мощности (БС), индуктор (И), систему управления (СУ) и датчики выходного тока (ДТ) и выходного напряжения (ДН) инвертора. В такой структуре регулирование выходных параметров осуществляется с помощью выпрямителя. Инвертор всегда работает в резонансном режиме с минимальными потерями в силовых ключах [3].

Рис. 3. Структура комплекса индукционного нагрева на базе инвертора тока.

Достоинством такой системы является то, что инвертор всегда работает с максимальным КПД. Недостатками такой структуры являются наличие регулируемого выпрямителя, который усложняет силовую часть и систему управления преобразователя частоты и отрицательно влияет на питающую сеть, а также ограничение длины высокочастотного кабеля, соединяющего инвертор с нагревательным устройством. Паразитная индуктивность этого кабеля ухудшает коммутационные процессы силовых транзисторов инверторного моста и тем самым снижает эффективность его работы. Это ограничивает применение инвертора тока в комплексах индукционного нагрева с выносным блоком согласования, которые необходимы во многих индукционных технологиях. Как правило, нагревательные комплексы с такой структурой конструктивно выполняют в одном корпусе, стараясь минимизировать длину ошиновки, соединяющей инвертор и блок согласования с индуктором.

На рис.4. показана структура, включающая неуправляемый выпрямитель (В), инвертор напряжения (ИН), блок согласования с последовательной компенсацией реактивной мощности (БС), индуктор (И), систему управления (СУ) и датчик выходного тока инвертора. При такой структуре система управления обеспечивает регулирование выходных параметров за счет изменения частоты выходного напряжения инвертора. По сравнению с нагревательным комплексом на базе инвертора тока данная структура имеет более простую силовую часть и систему управления. А главное позволяет конструктивно разделить преобразователь частоты и блок согласования с индуктором, что крайне полезно при применении нагревательного оборудования в стеснённых условиях промышленных объектов.

Недостатком такой структуры является неоптимальный режим работы инвертора [3]. Но, не смотря на это, структура на базе инвертора напряжения больше подходит для построения нагревательного комплекса для правки алюминиевых палуб судов, так как позволяет сделать нагревательное оборудование более мобильным.

Рис. 4. Структура комплекса индукционного нагрева на базе инвертора напряжения.

Одной из особенностей технологии индукционно правки алюминиевых листов является то, что индукционная система имеет маленькое активное сопротивление. В связи с этим целесообразным является построить инвертор напряжения по полумостовой схеме. Выходное напряжение полумостового инвертора в два раза меньше, чем у мостового. Это позволит уменьшить габариты согласующего трансформатора и тем самым сделать нагревательный узел более лёгким и мобильным.

Литература

сварка металлический конструкция правка

1. Установки индукционного нагрева: Учебное пособие для вузов / А. Е. Слухоцкий, В. С. Немков, Н. А. Павлов, А. В. Бамунер; Под ред. А. Е. Слухоцкого. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. Отд-ние, 1981.- 328 с., ил.

2. Слухоцкий А. Е., Рыскин С. Е. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1974. - 264 с.

3. Бондаренко, Д.Н., Дзлиев, С.В., Патанов, Д.А. Коммутационные процессы в транзисторных инверторах для индукционного нагрева] // Изв. ГЭТУ. - 1996. - Вып. 497. - С.98-110.

Размещено на Allbest.ru