книги из ГПНТБ / Васильев, А. С. Статические преобразователи частоты для индукционного нагрева

Ниже иа примере литья микропровода и получения плазменного контрагированного разряда будет показано, как должны быть определены характеристики генерато­ ра и необходимый уровень стабилизации и регулирова­ ния выходных величин.

Каждый технологический режим зависит от большого числа параметров, конечный продукт также характери­ зуется целым рядом параметров. Обозначим параметры продукта через уи, а параметры технологии через х,-. Каждый из параметров продукта является функцией па­ раметров технологии:

Если вероятности отклонений величин х\ от их сред­ них значений распределены по нормальному закону и они независимы, то согласно [Л. 8] можно написать:

где Ауи и AXi — допуски на параметр продукта и на па­ раметр технологии, соответствующие одной и той же доверительной вероятности.

При рассмотрении малых изменений параметров не­ линейная зависимость yh= q>(xi) может быть заменена линейной. Последнее равенство дает возможность опре­ делить связь между допусками, которые установлены для выходного продукта, и требованиями к точности си­ стемы стабилизации или регулирования. Для того чтобы оценить границы, внутри которых должны находиться допуски иа технологические параметры, молено принять, что какой-то из технологических параметров является главным фактором нестабильности и влиянием осталь­ ных можно пренебречь. Тогда молено найти верхнюю границу величины Ад:*

Знак min обозначает, что следует выбрать наимень­ шую из величин, перечисленных в скобках. Необходимое требование к параметру хс

4 0

Теперь допустим, что под влиянием всех технологиче­ ских факторов, кроме Xi, дисперсии параметров выход­ ного продукта, определяемые допусками Ауь. и заданной доверительной вероятностью их отклонения, уже достиг­ ли величин, определяемых этими факторами. Чтобы оп­ ределить, во сколько раз целесообразно уменьшить вели­ чину Ахг по сравнению с Длймакс, надо исследовать урав­

нение (48). Если AXi = ~y Дх; макс> то доверительный

интервал отклонений параметров продукта, соответст­ вующий заданной вероятности, увеличивается по срав­ нению с допуском на 12%.

Если же AXi — Дх:г-макс, получим увеличение до­

верительного интервала всего на 5%. При дальнейшем снижении AXi уменьшение доверительного интервала будет все менее значительным. Выбор величины Дамане зависит от п — числа независимых существенных факто­ ров технологии. Если эти факторы могут быть подверг­ нуты регулированию, получим из условия сохранения доверительного интервала Дг/&:

для п = 4

Исходя из этих соотношений, можно установить не­ обходимую точность стабилизации или пределы регу­ лирования искомого параметра.

Автором совместно с инженерами В. П. Стрельнико­ вым и О. В. Ивановым была применена данная методи­ ка для определения параметров для проектирования установок для литья микропровода [Л. 9]. Прежде чем перейти к изложению примера, необходимо несколько подробнее рассмотреть сущность процесса.

4 1

6. Установки для получения микропровдДа

Для создания микроминиатюрных элементов в радиотехнике и электронике применяется провод с диаметром жилы от нескольких единиц до десятков микрон. Получение такого провода произво­ дится по методу проф. А. В. Улитовского. Метод заключается в со­ здании внутри стеклянной пробирки расплавленной капли металла, из которой вытягивается провод. При высокой температуре стекло размягчается и при помощи щупа-затравки можно вытянуть нить металла, которая легко наматывается на вращающийся барабан, причем нить оказывается в стеклянной изоляции (рис. 19). Таким способом получают медные провода или провода из материалов с высоким удельным сопротивлением (манганин). Весьма перспек­ тивно получение таким же способом монокристаллических нитей из полупроводниковых веществ. Потребность в мнкропроводе настолько велика, что необходимо создавать специальное оборудование, имею­ щее специфические характеристики. Остановимся несколько подроб­ нее на сущности технологического процесса.

дят оттяжку стекла вниз через от­ верстие индуктора. Образовавшийся стеклянный капилляр сразу же заполняется жидким металлом, растягивается и утончается. Капил­ ляр и металлическая жила окончательно формируются, проходя через струю охлаждающей жидкости (воды, трансформаторного масла), где и фиксируется диаметр микропровода. Для получения микропро­ вода используется индуктор типа «чашечка» (рис. 19).

Обычно нижняя часть капли жидкого металла при плавке имеет . форму гиперболоида вращения. Размеры капли при литье микро­ провода зависят от формы индуктора (угла конусности), разме­ ров стеклянной трубки и условий смачивания ее металлом. В свою очередь форма капли влияет на заполнение металлом стеклянного капилляра. Каплю можно разбить на три части: верхнюю сфериче­

нижнего среза индуктора до кристаллизатора). Проникновению ме­ талла в капилляр способствует образование окисной пленки, которая благоприятствует смачиванию стекла металлом. При наличии сма­ чивания и из-за пониженного давления под каплей металл втяги­ вается в капилляр. Диаметр капилляра и скорость затвердевания

42

ход стекла компенсируется путем равномерной подачи стеклянной трубки. Расход металла компенсируется либо периодической под­ питкой капли (капельный метод литья), либо путем непрерывной подачи металлического стержня через верхнее отверстие стеклянной трубки (непрерывный метод литья). Скорость подачи стержня от десятых долей до 2—3 мм/сек.

Капельным методом обычно осуществляется литье микропрово­ да из сплавов с высоким удельным сопротивлением, непрерывным — из меди. Требования к постоянству диаметра микропровода сравни­ тельно жесткие, а факторов, влияющих на технологию и на каче­ ство готового продукта, чрезвычайно много. К основным факто­ рам относятся: температура капли, ее геометрическая форма и по­ ложение в индукторе, скорость вытягивания провода, качество стек­ ла и т. д. Очень важным для правильного проектирования установ­ ки является выяснение степени влияния частоты, величины и формы напряжения генератора.

Выбор частоты при получении микропроводов

Частота выбирается исходя из необходимого соотношения взве­ шивающей силы и поглощаемой мощности. Поэтому остановимся иа определении поглощаемой мощности. Определение необходимой мощности можно произвести из следующих соображений. В процессе литья микропровода необходимо поддерживать постоянной темпера­ туру капли и вести расплавление массы металла, поступающей при движении стержня. Следовательно, передаваемая мощность Рк бу­ дет расходоваться на компенсацию потерь за счет теплоотвода в стержень и шейку капли (Рст) при статическом режиме без учета

движения стержня, потерь на излучение с поверхности капли (РЛзл),

пература плавления металла, К; АТ — превышение температуры над температурой плавления, К, для меди и манганина, АТ= (140н-160)К;

ной меди, покрытой тонким слоем вязкого стекла, е=0,65; для рас­

здесь s — площадь сечения стержня, и;2; Я,,,,— удельная теплота

плавления; Уст— скорость подачи стержня, м/сек, оСт= Уп(dm/d)2, d ,к — диаметр жилы получаемого микропровода, м, vn — скорость вытяжки микропровода, м/сек.

Мощность потерь па излучение с поверхности капли

Мощность потерь в стеклянной трубке

где sTp — площадь сечения трубки, м2\ Я — коэффициент теплопро­ водности стекла, вт/(м-°С), Я=0,75 вт/(м-°С)\ grad Г=2,5 ■105 °С/м.

Так как отвод тепла с поверхности капли конвекцией практи­ чески осуществляется только с нижней половины капли, то мощ­ ность конвективных потерь

где Гв — температура окружающего воздуха; а — коэффициент теп­ лопередачи, вт/(м2 -°С), а » 15 вт/(м2 - 0С).

Мощность, отводимая во вторичный конус,

4

Приведем пример расчета для медной капли массой 3 г при непрерывном методе литья.

Объем капли V=0,3337 ■10“° м3, радиус капли г,,=0,43 • 10~ 2 м,

площадь поверхности шара 2,32 • Ю~ 4 м2, площадь поверхности кап­ ли 3,32 - 10~ 4 м2.

При АТ=144 К, Г0=1 356+144=1 500 К,

сг'=0,65 •5 •67 •10-8=3,68 •10-8 в/(м2-°С4),

и D = 2 ,5 -1 0 - 3 м.

Мощность, идущая па нагрев стержня согласно формуле (54), равна:

ЯСт=38,6 вт.

Мощность, расходуемую на плавление конца стержня, можно определить, если принять диаметр жилы rf,к = 20 мкм, тогда

/ 2- 10-6 45

0 = 7 м/сек и ост = 7 I 9 5 . 1 (РТ~ ) = 4,4810- * м/сек

и

4 4

Мощность потерь в стеклянной трубке (трубка берется с на­

[Л. 10] показывает, что к. п. д. таких индукторов для манганина массой от 1 до 5 г лежит в пределах 0,5—0,7. Для капли меди массой 3—40 г к. п. д. составляет 0,4—0,5. Таким образом мощ­ ность, подводимая к индуктору, должна достигать 500—600 вт. Выбор частоты генератора основан на том, что, с одной стороны, должен быть обеспечен ярко выраженный поверхностный эффект, при котором к. п. д. системы будет лежать в вышеуказанных пре­ делах, а с другой стороны — должна существовать сила, достаточ­ ная для поддержания капли. Сила, удерживающая каплю в со­

45:

Уравнения для силы, достаточной для поддержания капли, и достаточной передаваемой мощности дают необходимую частоту генератора. Для плавки медных капель массой 5— 10 г эти частоты лежат в диапазоне 265—1 850 кгц (т. е. генераторы могут быть построены на 440, 880 и 1 760 кгц). Обычно считается рациональной частота для меди 880 кгц, а для манганина 440 кгц.

Выработка критериев для составления схем управления и стабилизации лампового генератора

После выбора частоты и мощности определим степень необ­ ходимой стабилизации выходных параметров генератора.

Обратимся к вопросу стабилизации частоты. Так как основным фактором, определяющим параметры микропровода, является диа­ метр жилы, то попробуем взять его за главный параметр продукта, принимая скорость вытяжки постоянной. Диаметр жилы (d>K) за­ висит от температуры капли, которая в свою очередь есть функция мощности {Рк), передаваемой в каплю, частоты ()) и геометрии капли (<Пн). Для того чтобы воспользоваться соотношением (48), необходимо оценить количество параметров технологии при литье микропровода, а также вычислить величину производной дйщ1д(.

46

Обычно при изготовлении мнкропровода количество параметров п принимается равным десяти. Отклонение частоты может быть определено по формуле (48)

трех случаев: постоянной величины тока в индукторе, постоянного напряжения на нем и постоянной мощности "в капле.

Найдем величину dT/dP. При пренебрежении всеми видами

Если предположить, что изменение высоты капли равно изменению

T\sdh

длины зоны растягивания, то дт)к можно найти из выражения (64).

Используя (69) и (70), определим остальные производные выра­ жения при /n=const; Un=const и PK= const:

Of J P=const

(74)

47

рис. 20, так как при литье мнкропровода число факторов техно­ логии может быть примерно равным 8—9, то согласно (48)

Аналогичные рассуждения могут привести пас к определению норм на стабилизацию напряжения на индукторе Uu н на пульса-

cos а=0,6; 5 — cos а=0,7 (а —угол конусности индуктора);

6 — P=const.

цию выпрямленного напряжения. Пользуясь предыдущими рассуж­ дениями, необходимо найти:

ddmjdUK или ddmjdia.

Для определения этих величии можно исходить из эксперимен­ тально установленных зависимостей параметров провода от тем­ пературы капли (Тк), длины зоны, растягивания (Л) и скорости литья (о), а затем эти величины связать с электрическими парамет­ рами индуктора.

48