3. Выбор частоты тока

Частоту тока выбирают по следующим соотношениям:

(3.1.)

f ≥ 20 000/d²;

(3.2.)

δ_н = (15 – 55) (1 / ),

Соотношение (3.1.)определяет наименьшую желательную частоту тока f, Гц в зависимости от диаметра нагреваемых изделий d, см. При меньшей частоте деталь данного сечения либо вообще нельзя нагреть выше температуры потери магнитных свойств (если f < 5000/d² либо (при 20 000/ /d³ >f> 5000/d³) нагрев будет неэффективным с большим перерасходом энергии.

Соотношение (3.2.)позволяет определить оптимальную глубину слоя δ_н, см в деталях из низколегированных конструкционных сталей, нагреваемого до надкритических температур при данной частоте тока.

4. Преобразователи частоты

Преобразователи частоты выпускают различных типов.

Машинные преобразователи средней частоты бывают: а) типа ВПЧ на частоты 2,4кГц (мощностью 50 и 100кВт), и 8кГц (мощностью 30, 50, 100кВт); б) типа ОПЧ на частоты 1кГц (мощностью 250, 320, 500, 2500кВт), 2,4кГц (мощностью 250 и 500кВт) и 10кГц (мощностью 250кВт),

Разработаны и используются в промышленности устройства программного регулирования режимов нагрева с питанием установок от машинных преобразователей.

В зависимости от частоты и мощности к. п. д. машинных преобразователей составляет 0,7-0,8.

Ламповые преобразователи радиочастот на частоту 0,44МГц (мощностью от 10 до 63кВт) и 0,066МГц (мощностью 100 и 160кВт). Они имеют при удовлетворительном coгласовании с нагрузкой к. п. д. 0,5-0,7 и работают достаточно устойчиво и надежно.

Весьма перспективными являются статические (тиристорные) преобразователи средней частоты. По сравнению с машинными преобразователями они характеризуются более высоким к. п. д. (0,9-0,95) при его сохранении в режиме повторно-кратковременной нагрузки, более широким диапазоном оптимальных нагрузок без дополнительных согласующих устройств, практически мгновенной готовностью к работе, малыми пусковыми токами. Все это обеспечивает экономию электроэнергии до 20%. Указанные преобразователи требуют квалифицированного инженерного обслуживания как текущего, так и при переналадках, комплектации запасными полупроводниковыми устройствами и приборами. В отличие от машинных преобразователей выпускаемые в настоящее время тири-сториые преобразователи частоты не приспособлены для параллельной работы нескольких преобразователей на общую нагрузку.

Тиристорные преобразователи типа ТПЧ с номинальными частотами 1кГц (мощностью 630 и 800кВт), 2,4кГц (мощностью 250 и 500кВт) и 4кГц (мощностью 160кВт). В ближайшие годы номенклатура преобразователей несомненно расширится.

5. Выбор мощности преобразователя частоты и питающей сети

Для поверхностного нагрева мощность генератора (N_r кВт) может быть оценена по формуле:

(5.1.)

где N₀ – удельная мощность, кВт/см². Определяется в зависимости от требуемой глубины прогрева, частоты тока, размера детали и времени нагрева. Соответствующие данные представлены на рисунке 5.1 и в таблице 5.1.

S – площадь нагреваемой поверхности изделия, см⁸;

- соответственно К.П.Д. индуктора, закалочного трансформатора, конденсаторной батареи и линии электропередачи (силовых кабелей и токопроводов установки).

Для предварительных расчетов рекомендуется принимать следующие значения К.П.Д.:

(5.2.)

η_и = 0,75; η_тр = 0,85; η_к = 0,97; η_л = 0,95

Точные значения определяются расчетом.

Для сквозного индукционного нагрева (в случае объемно поверхностной закалки некоторых деталей) мощность (кВт) генератора средней частоты может быть оценена по формуле:

(5.3.)

где С_ср – средняя интегральная удельная теплоемкость нагреваемого металла в интервале температур от t₀ до t_к кДж/(кг·К) (для стали 0,7 кДж/(кг·К);

t_Q, t_к – начальная и конечная температура нагрева, °С;

m – масса детали или заготовки, кг;

τ_н – время нагрева, с;

n – количество одновременно нагреваемых в индукторе деталей или заготовок;

N_пол – полезная мощность, которую требуется передать в изделие для нагрева его до заданной температуры, кВт;

η – общий К.П.Д. нагревательного устройства: η = ~0,5-0,6.

Рисунок 5.1 Графики для ориентировочного выбора удельной мощности и времени нагрева в зависимости от необходимой глубины нагрева и температуры поверхности t_п стали (Ф. Райнке)

а – частота тока 10 кГц;

б – частота тока 4 кГц

Таблица 5.1 - Удельная мощность, необходимая для осуществления поверхностной закалки

Частота, кГц	Диапазон глубин закалки, мм	Удельная мощность кВт/см2
		возможная	оптимальная
500	0,4—1,1	0,70—1,1	0,90
	1,1—2,2	0,30-0,70	0,50
10	1,5—2,3	0,70—1,5	1,0
	2,3—3,0	0,50—1,4	180
	3,0—4,0	0,50-1,3	1,0
1	5,0—7,0	0,50—1,1	1,0
	7,0-9,0	0,50—1,1	1.0

При длительном нагреве с малой удельной мощностью в открытых (без футеровки) индукторах необходимо учитывать потери на излучение от нагретой поверхности металла в окружающую среду. Для стали, нагретой до 850°С, эти потери составляют около 8Вт/см², при более высокой температуре они существенно возрастают и при 1000^оС составляют приблизительно 12Вт/см².

Для оценки мощности, потребляемой установкой из сети, нужно учесть К.П.Д, преобразователей частоты, значения которого для ориентировочных расчетов могут быть приняты 0,5; 0,7 и 0,9 соответственно для ламповых (70-500кГц), машинных (1-10кГц) и тиристорных преобразователей частоты.