Сделай Сам Свою Работу на 5

Коэффициент полезного действия и коэффициент мощности при индукционном нагреве





 

Электромагнитная энергия, подводимая к индуктору, расходуется на полезный нагрев детали, компенсацию тепловых потерь с ее поверхности, а также на нагрев провода индуктора током, протекающим по нему. Отношение энергии Q1 затраченной на нагрев детали, ко всей энергии, подведенной к индуктору, называется его полным КПД:

, (5.12)

где ηи, ηт, ηэ - полный, термический и электрический КПД индуктора; Q1 - полезно расходуемая на нагрев детали теплота, Дж; Q2 - тепловые потери, Дж; Q3 - теплота, выделяющаяся в проводе индуктора, Дж.

 

Термический КПД, характеризующий тепловые потери с поверхности детали:

. (5.13)

Термический КПД прямо пропорционален увеличению толщины тепловой изоляции нагреваемой детали. Тепловые потери возрастают с повышением температуры поверхности детали и времени нагрева.

Электрический КПД, характеризующий совершенство передачи энергии из индуктора на деталь, представляет собой отношение электромагнитной энергии, поступающей в деталь, ко всей энергии, подводимой к индуктору:

. (5.14)

Если энергию Q1, Q2, Q3 отнести к единице времени, то можно записать:

, (5.15)

где Р2 - мощность, передаваемая в деталь, Вт; Р - мощность, подведенная к индуктору, Вт.



 

Система индуктор-деталь представляет собой воздушный трансформатор, у которого первичной обмоткой является индуктор, а вторичной обмоткой и одновременно нагрузкой – нагреваемый металл. Индукционный нагреватель и схема его замещения показаны на рисунке 5.4. Напряжение на индукторе (В):

, (5.16)

где I1 - ток в индукторе, A; R1 и Х1 - активное и индуктивное сопротивление первичной цепи (индуктора), Ом; R2′ и Х2′ - активное и индуктивное сопротивление вторичной цепи (Ом), приведенное к току индуктора.

 

Рис. 5.4. Индукционное нагревательное устройство (а), схемы его замещения (б, в):

1 – индуктор; 2 – нагреваемый металлический цилиндр; I – сила тока; U1, R1 и x1 – напряжение, активное и индуктивное сопротивление индуктора; Rм´=R1´ и хм´ – активное и индуктивное сопротивление металла, приведенные к индуктору; R и х – общее активное и индуктивное сопротивления индукционного нагревателя.

 

Сопротивление R2 и Х2:



, (5.17)

, (5.18)

где R2 и Х2 - активное и индуктивное сопротивления вторичной цепи, Ом; W2 - число витков индуктора.

 

Мощность, передаваемая в деталь:

. (5.19)

Активное сопротивление (Ом), металлического цилиндра диаметром D2 (м) и длиной l (м):

, (5.20)

где ρ2 - удельное электрическое сопротивление нагреваемого металла, Ом∙м; D2 - диаметр цилиндра, м; l - длина цилиндра, м; zо2 - эквивалентная глубина проникновения электромагнитного поля в нагреваемом металле, м.

 

Активное сопротивление нагреваемого металла (Ом), приведенное к току индуктора в соответствии с формулой (5.17).

. (5.21)

Мощность (Вт), подаваемая на индуктор,

. (5.22)

Полагая, что витки индуктора намотаны без зазора, с некоторым приближением можно считать:

, (5.23)

где ρ1 - удельное электрическое сопротивление проводника индуктора, Ом∙м; D1 - диаметр индуктора, м; l -длина индуктора, м; z01 - эквивалентная глубина проникновения электрического тока в проводнике индуктора, м.

 

Электрический КПД системы индуктор-деталь по выражению (5.15) с учетом отношений (5.19) и (5.22)

. (5.24)

Принимая во внимание уравнения (5.21) и (5.23),

. (5.25)

В большинстве случаен индуктор выполняют из медного проводникового материала, для которого μ1=1

. (5.26)

Таким образом, КПД системы индуктор-деталь зависит от соотношения диаметров индуктора и детали, а также удельного электрического сопротивления их материалов. Чем меньше отношение ρ12·μ2, тем больше КПД. Чтобы получить его повышенное значение, индукторы изготавливают из электролитической меди, имеющей низкое удельное сопротивление. Индукционный нагрев ферромагнитных материалов (μ2>1) с большим удельным сопротивлением более экономичен, чем нагрев цветных металлов. Например, при нагреве медного цилиндра в медном индукторе при идеальных условиях (D1/D2=1)



. (5.27)

В реальных условиях при D1/D2 КПД будет меньше 0,5 в начале нагрева и лишь по мере разогрева металла, когда ρ2 значительно возрастает, КПД достигнет максимального значения.

При расчете коэффициента мощности индукционной установки учитывают активные и реактивные сопротивления в нагреваемом металле, индукторе и воздушном зазоре.

Для схемы замещения системы индуктор-деталь (рис. 5.4, б) общее активное сопротивление:

. (5.28)

общее индуктивное сопротивление:

. (5.29)

полное сопротивление:

, (5.30)

где Rм и Хм - активное и индуктивное сопротивления нагреваемого металла приведенные к току индуктора Ом; Хв - индуктивное сопротивление воздушного зазора, приведенное к току индуктора, Ом.

 

Коэффициент мощности индукционного нагревателя

. (5.31)

Внутри нагреваемого металла фазы электрического и магнитного полей отличаются на угол 45º, т.е. Хм=Rм, а

. (5.32)

Результирующий коэффициент мощности системы индуктор-металл ввиду большого потока рассеяния в воздухе всегда меньше внутреннего коэффициента мощности в металле.

Для повышения коэффициента мощности параллельно индуктору подключают конденсаторную батарею. При этом образуется колебательный контур (индуктор-конденсаторная батарея), настраиваемый в резонанс. При резонансе он потребляет из источника питания только активную мощность. При этом источник и линия, соединяющая его с индуктором, разгружаются от реактивной энергии.

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.