Studenti, diplomirani studenti, mladi znanstvenici koji koriste bazu znanja u studiju i radu bit će vam zahvalni.
Objavljeno na http://www.allbest.ru/
HF - indukcijsko pražnjenje: uvjeti izgaranja, dizajn i područje primjene
Uvod
Jedno od najvažnijih pitanja u organizaciji plazme tehnološki procesi je razvoj izvora plazme sa svojstvima koja su optimalna za ovu tehnologiju, na primjer: velika jednoličnost, s obzirom na gustoću plazme, energiju nabijenih čestica, koncentraciju kemijski aktivnih radikala. Analiza pokazuje da visokofrekventni (HF) izvori plazme najviše obećavaju za uporabu u industrijskim tehnologijama, budući da se, prvo, mogu koristiti za obradu vodljivih i dielektričnih materijala, a Drugo, kao radni plinovi, možete koristiti ne samo inertne, već i kemijski aktivne plinove. Danas su poznati izvori plazme zasnovani na kapacitivnom i induktivnom RF pražnjenju. Značajka kapacitivnog RF pražnjenja, koje se najčešće koristi u plazma tehnologijama, je postojanje prostornog naboja na slojevima elektroda u kojem nastaje pad prosječnog vremena, koji ubrzava ione u smjeru elektrode . To omogućuje obradu uzoraka materijala koji se nalaze na elektrodama VF kapacitivnog pražnjenja pomoću ubrzanih iona. Nedostatak kapacitivnih izvora RF pražnjenja je relativno niska koncentracija elektrona u glavnom volumenu plazme. Znatno veća koncentracija elektrona pri istim RF snagama karakteristična je za induktivna RF pražnjenja.
Induktivno RF pražnjenje poznato je više od stoljeća. Ovo je pražnjenje pobuđeno strujom koja teče kroz induktor smješten na bočnoj ili krajnjoj površini obično cilindričnog izvora plazme. Davne 1891. godine J. Thomson je sugerirao da induktivno pražnjenje uzrokuje i održava vrtlog električno polje, koje stvara magnetsko polje, zauzvrat, inducirano strujom koja teče kroz antenu. U 1928.-1929., Raspravljajući s J. Thomsonom, D. Townsend i R. Donaldson iznijeli su ideju da induktivno VF pražnjenje nije podržano vrtložnim električnim poljima, već potencijalnim koji se pojavljuju zbog prisutnosti razlike potencijala između okretaja induktora. Godine 1929. K. McKinton je eksperimentalno pokazao mogućnost postojanja dva načina izgaranja pražnjenjem. Pri malim amplitudama RF napona, pražnjenje se zapravo pojavilo pod djelovanjem električnog polja između zavoja zavojnice i imalo je karakter slabog uzdužnog sjaja duž cijele cijevi za pražnjenje plina. S povećanjem amplitude VF napona, sjaj je postao svjetliji, a na kraju se pojavio i sjajni prsten. Nestao je sjaj uzrokovan uzdužnim električnim poljem. Nakon toga, ova dva oblika pražnjenja nazvana su E - H - pražnjenje.
Područja postojanja induktivnog pražnjenja mogu se uvjetno podijeliti u dvije velike regije: to su visoki pritisci(narudžba atmosferski pritisak) pri kojoj je generirana plazma blizu ravnoteže, i niski pritisci pri kojoj je generirana plazma neravnotežna.
Periodična pražnjenja. HF i mikrovalna plazma. Vrste visokofrekventnih pražnjenja
Za uzbuđenje i održavanje sjajnog pražnjenja istosmjerna struja potrebno je da dvije provodne (metalne) elektrode budu u izravnom dodiru s zonom plazme. S tehnološkog gledišta, takav dizajn plazma-kemijskog reaktora nije uvijek prikladan. Prvo, pri provođenju procesa taloženja plazme dielektričnih prevlaka, na elektrodama se također može stvoriti neprovodni film. To će dovesti do povećanja nestabilnosti pražnjenja i, u konačnici, do njegovog slabljenja. Drugo, u reaktorima s unutarnjim elektrodama uvijek postoji problem onečišćenja ciljnog procesa materijalima uklonjenim s površine elektrode tijekom fizičkog prskanja ili kemijskih reakcija s česticama plazme. Kako bi se izbjegli ti problemi, uključujući potpuno, napuštanje uporabe unutarnjih elektroda, dopušteno je korištenje periodičnih pražnjenja, pobuđenih ne konstantnim, već izmjeničnim električnim poljem.
Glavni učinci koji se javljaju pri periodičnim pražnjenjima određeni su odnosima između karakterističnih frekvencija procesa u plazmi i učestalosti primijenjenog polja. Preporučljivo je uzeti u obzir tri karakteristična slučaja:
Niske frekvencije. Na frekvencijama vanjskog polja do 10 2 - 10 3 Hz situacija je bliska onoj koja se ostvaruje u konstanti električno polje... Međutim, ako je karakteristična učestalost gubitka naboja vd manja od frekvencije polja w (vd? W), naboji nakon promjene znaka polja imaju vremena nestati prije nego što vrijednost polja dosegne vrijednost dovoljna za održavanje pražnjenja. Tada će se pražnjenje dva puta ugasiti i zapaliti tijekom razdoblja promjene polja. Napon ponovnog pokretanja trebao bi ovisiti o frekvenciji. Što je veća frekvencija, manji dio elektrona će imati vremena nestati tijekom postojanja polja nedovoljnog za održavanje pražnjenja, manji je potencijal za ponovno buđenje. Na niskim frekvencijama nakon kvara omjer struje i napona izgaranja odgovara statičkoj strujno-naponskoj karakteristici pražnjenja (slika 1, krivulja 1). Parametri pražnjenja "prate" napon promjene.
Srednje frekvencije. S povećanjem učestalosti, kada su karakteristične frekvencije procesa u plazmi usporedive i nešto niže od frekvencije polja (vd? W), stanje pražnjenja nema vremena "pratiti" promjenu napona napajanja. U dinamičkoj I -V karakteristici pražnjenja pojavljuje se histereza (slika 1, krivulja 2).
Visoke frekvencije. Ako je uvjet ispunjen< v d < Riža. 1. Volt -amperska svojstva periodičnih pražnjenja: 1 - statička I - V karakteristika, 2 –– I - V karakteristika u prijelaznom frekvencijskom području, 3 - dinamička I - V karakteristika u stacionarnom stanju Postoji mnogo vrsta električnih pražnjenja u plinu, ovisno o prirodi primijenjenog polja (konstantno električno polje, naizmjenično, impulsno, (HF), ultra-visoke frekvencije (UHF)), o tlaku plina, obliku i mjestu elektroda itd. Za VF pražnjenja postoje sljedeće metode pobude: 1) kapacitivna na frekvencijama manjim od 10 kHz, 2) induktivna na frekvencijama u rasponu 100 kHz - 100 MHz. Ove metode uzbude uključuju uporabu generatora podataka o rasponu. S kapacitivnom metodom pobude, elektrode se mogu ugraditi unutar radne komore ili izvan nje, ako je komora izrađena od dielektrika (slika 2 a, b). Za indukcijsku metodu koriste se posebne zavojnice čiji broj zavoja ovisi o upotrijebljenoj frekvenciji (slika 2 c). VF indukcijsko pražnjenje Visokofrekventno indukcijsko pražnjenje (bez elektroda) u plinovima poznato je od kraja prošlog stoljeća. Međutim, nije ga bilo odmah moguće potpuno razumjeti. Indukcijsko pražnjenje lako je uočiti ako se evakuirana posuda postavi unutar solenoida, kroz koji teče dovoljno jaka visokofrekventna struja. Pod djelovanjem vrtložnog električnog polja, koje inducira izmjenični magnetski tok, dolazi do sloma zaostalog plina i dolazi do pražnjenja. Jouleova toplina prstenaste indukcijske struje koja teče u ioniziranom plinu duž linija sile vrtložnog električnog polja troši se za održavanje pražnjenja (ionizacije) (magnetske linije sile unutar dugog solenoida paralelne su s osi; Sl. 3). Slika 3 Dijagram polja u solenoidu Među starim radovima o pražnjenju bez elektroda, najopsežnije studije pripadaju J. Thomsonu, 2 koji je, posebno, eksperimentalno dokazao induktivnu prirodu pražnjenja i izveo teoretske uvjete za paljenje: ovisnost praga magnetskog polja za slom tlak plina (i frekvencija). Kao i Paschenove krivulje za razbijanje praznine u konstantnom električnom polju, krivulje paljenja imaju minimum. Za praktični raspon frekvencija (od desetina do desetaka megaherca), minimumi leže u području niskih tlakova; stoga se pražnjenje obično promatralo samo u visokorazrijeđenim plinovima. Uvjeti izgaranja VF - indukcijskog pražnjenja Induktivno RF pražnjenje je pražnjenje pobuđeno strujom koja teče kroz induktor smješten na bočnoj ili krajnjoj površini obično cilindričnog izvora plazme (slika 4a, b). Središnje pitanje u fizici niskotlačnog induktivnog pražnjenja je pitanje mehanizama i učinkovitosti apsorpcije RF snage plazmom. Poznato je da se uz čisto induktivnu pobudu RF pražnjenja njegov ekvivalentni krug može prikazati u obliku prikazanom na Sl. 1d. RF generator učitava se na transformator, čiji se primarni namot sastoji od antene kroz koju protiče struja koju generira generator, a sekundarni namot je struja inducirana u plazmi. Primarni i sekundarni namot transformatora povezani su međusobnim koeficijentom indukcije M. Krug transformatora lako se može svesti na krug koji je serijski spojeni aktivni otpor i induktivnost antene, ekvivalentni otpori i plazma induktivnost (slika 4e), tako da se pokazalo da je snaga RF generatora P gen povezana s snagom P an t koja se emitira u anteni, i snagom P p1 koja se emitira u plazmi, pomoću izraza gdje je I struja koja teče kroz antenu, P ant je aktivni otpor antene, R p 1 je ekvivalentni otpor plazme. Iz formula (1) i (2) može se vidjeti da se pri usklađivanju opterećenja s generatorom aktivna RF snaga Pgen, koju generator daje vanjskom krugu, raspodjeljuje između dva kanala, naime: jedan dio energija ide na zagrijavanje antene, a drugi dio se apsorbira plazmom. Ranije se u velikoj većini radova apriorno pretpostavljalo da će u eksperimentalnim uvjetima R pl> R antvv (3) a svojstva plazme određena su snagom RF generatora koji je plazma potpuno apsorbirala. Sredinom devedesetih godina V. Godyak i njegovi suradnici uvjerljivo su pokazali da se u ispustima niskog tlaka može narušiti odnos (3). Očito je da pod uvjetom R pi? MRAVA (4) ponašanje HF induktivnog pražnjenja dramatično se mijenja. Riža. 4... Sheme (a, b) induktivnih izvora plazme i (c) induktivni izvor plazme s kapacitivnom komponentom, (d, e) ekvivalentna kola čisto induktivnog pražnjenja. Sada parametri plazme ne ovise samo o snazi RF generatora, već i o ekvivalentnom otporu plazme, koji pak ovisi o parametrima plazme i uvjetima za njeno održavanje. To dovodi do pojave novih učinaka povezanih sa samodostatnom preraspodjelom snage u vanjskom krugu pražnjenja. Ovo posljednje može značajno utjecati na učinkovitost izvora plazme. Očito, ključ za razumijevanje ponašanja pražnjenja u modovima koji odgovaraju nejednakosti (4), kao i za optimiziranje rada plazma uređaja, leži u pravilnostima promjene ekvivalentnog otpora plazme pri promjeni parametara plazme i uvjeti za održavanje pražnjenja. RF dizajn - indukcijsko pražnjenje Temelje za suvremena istraživanja i primjenu pražnjenja bez elektroda postavili su radovi G.I.Babata, koji su izvedeni prije samog rata u Lenjingradskoj tvornici električnih svjetiljki "Svetlana". Ti su radovi objavljeni 1942. 3 i postali su nadaleko poznati u inozemstvu nakon objavljivanja u Engleskoj 1947. 4. Babat je stvorio visokofrekventne generatore svjetiljki snage stotina kilovata, što mu je omogućilo da dobije snažna pražnjenja bez elektroda u zraku pri pritisak do atmosferskog ... Babat je radio u frekvencijskom rasponu 3–62 MHz, prigušnice su se sastojale od nekoliko zavoja promjera oko 10 cm. Ogromna snaga za to vrijeme, do nekoliko desetaka kilovata, uvedena je u visokotlačni pražnjenje (međutim , takve su vrijednosti visoke i za suvremene instalacije). ? Udarac? zrak ili drugi plin pri atmosferskom tlaku, naravno, nije bio moguć čak ni pri najvećim strujama u induktoru, pa su se morale poduzeti posebne mjere za paljenje pražnjenja. Najjednostavniji način bio je pokrenuti pražnjenje pri niskom tlaku, kada su polja razbijanja niska, a zatim postupno povećavati tlak, dovodeći ga do atmosferskog. Babat je primijetio da se, kada plin protiče kroz ispust, potonji može ugasiti ako je puhanje preintenzivno. Pri visokim tlakovima otkriven je učinak skupljanja, tj. Odvajanje iscjedka od stijenki ispusne komore. Pedesetih godina prošlog stoljeća pojavilo se nekoliko članaka o pražnjenju bez elektroda 5 ~ 7. Cabann 5 istraživao je ispuštanja u inertnim plinovima pri niskim tlakovima od 0,05 do 100 mm Hg. Umjetnost. i male snage do 1 kW na frekvencijama 1-3 MHz, odredile krivulje paljenja, izmjerile snagu unesenu u pražnjenje kalorimetrijskom metodom i izmjerile koncentracije elektrona uz pomoć sondi. Krivulje paljenja za mnoge plinove također su dobivene u ref. 7, pokušalo se koristiti pražnjenje za ultraljubičastu spektroskopiju. Plazma plamenicu bez elektroda, kojoj su trenutne instalacije vrlo blizu, projektirao je Reed 1960. 8. Njegov dijagram i fotografija prikazani su na Sl. 2. Kvarcna cijev promjera 2,6 cm bila je zatvorena peterokružnom prigušnicom izrađenom od bakrene cijevi s razmakom između zavoja 0,78 cm. Izvor energije bio je industrijski visokofrekventni generator s maksimalnom izlaznom snagom od 10 kW; radna frekvencija 4 MHz. Za paljenje pražnjenja korištena je pokretna grafitna šipka. Štap, umetnut u induktor, zagrijava se u visokofrekventnom polju i emitira elektrone. Okolni plin se zagrijava i širi, a u njemu dolazi do kvara. Nakon paljenja, šipka se uklanja, a pražnjenje nastavlja gorjeti. Najvažniji aspekt ovog postavljanja bila je upotreba tangencijalnog dovoda plina. Reed je istaknuo da bi se rezultirajuća plazma trebala širiti dovoljno brzo u odnosu na protok plina koji ga nastoji odnijeti. U suprotnom će se pražnjenje ugasiti, što se događa s nestabiliziranim plamenom. Pri niskim protocima održavanje plazme može osigurati normalnu toplinsku vodljivost. (Ulogu toplinske vodljivosti u ispustima pod visokim tlakom primijetio je i Cabann 5). Međutim, pri visokim brzinama protoka plina potrebno je poduzeti mjere za recirkulaciju dijela plazme. Zadovoljavajuće rješenje ovog problema bila je stabilizacija vrtloga koju je koristio Reed, pri čemu se plin tangencijalno dovodi u cijev i kroz nju teče zavojito. Zbog centrifugalnog otjecanja plina u aksijalnom dijelu cijevi nastaje stup sniženog tlaka. Ovdje gotovo da nema aksijalnog toka, a dio plazme je usisan uzvodno. Što je veća brzina uvlačenja, veća je svjetlosna plazma koja prodire u protok. Osim toga, s ovom metodom opskrbe plin teče duž cijevi uglavnom na njezinim stijenkama, istiskuje ispust iz stijenki i izolira potonji od razornog učinka visokih temperatura, što omogućuje rad pri povećanim snagama. Ova kvalitativna razmatranja, ukratko izražena od Reeda, vrlo su važna za razumijevanje fenomena, iako možda ne odražavaju sasvim točno bit stvari. Vratit ćemo se na pitanje održavanja plazme, koje se čini najozbiljnijim kada se uzme u obzir stacionarno stabilizirano pražnjenje u struji plina, ispod, u pogl. IV. Reed je radio s argonom i sa smjesama argona s helijem, vodikom, kisikom i zrakom. Napomenuo je da je najjednostavnije održavati ispuštanje u čistom argonu. Brzina protoka argona bila je 10-20 L / min (prosječna brzina plina po presjeku cijevi je 30-40 cm / s) kada je u ispust uvedena snaga od 1,5-3 kW, što je otprilike polovica snagu koju troši generator. Read je odredio energetsku bilancu u plazmatronu i izmjerio prostornu raspodjelu temperature u plazmi optičkom metodom. Objavio je još nekoliko članaka: o snažnim indukcijskim pražnjenjima pri niskim tlakovima, 9 o mjerenjima prijenosa topline na sonde uvedene u različitim mjestima plazma plamenika, 10 o rastućim kristalima vatrostalnih materijala pomoću indukcijske plamenice itd. Indukcijska plazma baklja, sličnog dizajna kao i Reedova, opisana je nešto kasnije u radovima Rebu4 5'46 Rebu ju je koristio za uzgoj kristala i izradu sfernih čestica vatrostalnih materijala. Od oko 1963. u našem i inozemnom tisku objavljeno je mnogo radova posvećenih eksperimentalnom proučavanju indukcijskih pražnjenja pod visokim tlakom i u zatvorenim posudama i u protoku plina1 2-3 3 ЃE 4 0-4 4-5 3 ЃE 8 0. Mjere se prostorne raspodjele temperature u području pražnjenja i u plazmi, te raspodjela koncentracija elektrona. Ovdje se u pravilu koriste dobro poznate optičke, spektralne i sondne metode koje se obično koriste u proučavanju plazme lučnih pražnjenja. Snage u pražnjenju mjere se različitim naponima na induktoru, različitim brzinama protoka plina, različitim ovisnostima parametara za različite plinove, frekvencijama itd. Kako sve ovisi o specifičnim uvjetima: promjeru cijevi, geometriji induktor, brzina protoka plina itd. Opći rezultat mnogih radova je zaključak da pri snazi reda od nekoliko ili desetaka kilovata temperatura argonske plazme doseže oko 9000-10000 ° K ... Raspodjela temperature općenito ima karakter visoravni. u sredini cijevi i naglo pada blizu stijenki; međutim, „plato? nije sasvim ujednačeno, u središnjem dijelu dobiva se mali nagib, obično veličine nekoliko stotina stupnjeva. U ostalim plinovima temperature su također reda veličine 10.000 °, ovisno o vrsti plina i drugim uvjetima. U zraku su temperature niže nego u argonu pri istoj snazi, i obrnuto, nekoliko puta veće snage su potrebne za postizanje istih temperatura 31. Temperatura se lagano povećava s povećanjem snage i slabo ovisi o brzini protoka plina. Na sl. Slike 3 i 4 daju ilustraciju raspodjele temperature po radijusu, temperaturnog polja (izoterme) i raspodjele koncentracija elektrona. Pokusi27 su pokazali da se s povećanjem brzine dovoda i protoka plina (s tangencijalnim dovodom) iscjedak sve više istiskuje iz stijenki, a radijus pražnjenja mijenja se s oko 0,8 na 0,4 radijusa cijevi. S povećanjem brzine protoka plina, snaga deponirana u pražnjenje također se blago smanjuje, što je povezano sa smanjenjem polumjera pražnjenja, tj. Protoka plazme ili brzine protoka. Tijekom pražnjenja u zatvorenim posudama, bez protoka plina, područje svjetlosnog pražnjenja obično dolazi vrlo blizu bočnih stijenki posude. Mjerenja koncentracija elektrona pokazala su da je stanje plazme pri atmosferskom tlaku blizu termodinamičke ravnoteže. Izmjerene koncentracije i temperature odgovaraju zadovoljavajućoj točnosti u Saha jednadžbu. Indukcijski HF - pražnjenje Trenutno su poznati izvori plazme niskog tlaka čiji se princip rada temelji na induktivnom VF pražnjenju u odsutnosti magnetskog polja, kao i na induktivnom VF pražnjenju smještenom u vanjsko magnetsko polje s indukcijom koja odgovara na uvjete elektronske ciklotronske rezonancije (ECR) i uvjete pobude helikona i valova Trivelpeace - Gold (TG) (u daljnjem tekstu helikonski izvori). Poznato je da se u plazmi induktivnog pražnjenja ogolevaju HF električna polja, t.j. zagrijavanje elektrona provodi se u uskom zidnom sloju. Kada se vanjsko magnetsko polje primijeni na plazmu induktivnog visokofrekventnog pražnjenja, pojavljuju se područja prozirnosti u kojima visokofrekventna polja prodiru duboko u plazmu, a elektroni se zagrijavaju po cijelom volumenu. Taj se učinak koristi u izvorima plazme čiji se princip rada temelji na ECR -u. Ovi izvori rade prvenstveno u mikrovalnom području (2,45 GHz). Mikrovalno zračenje se u pravilu uvodi kroz kvarcni prozor u cilindričnu komoru za pražnjenje plina, u kojoj se uz pomoć magneta stvara nehomogeno magnetsko polje. Magnetsko polje karakterizira prisutnost jedne ili više rezonantnih zona u kojima su ispunjeni uvjeti ECR -a i RF snaga se ubrizgava u plazmu. U radiofrekvencijskom području ECR se koristi u takozvanim izvorima plazme s neutralnom petljom. Bitnu ulogu u stvaranju plazme i formiranju strukture pražnjenja ima neutralni krug, koji je kontinuirani niz točaka s nultim magnetskim poljem. Zatvoreni magnetski krug nastaje pomoću tri elektromagneta. Struje u namotima gornje i donje zavojnice imaju isti smjer. Struja srednje zavojnice teče u suprotnom smjeru. HF indukcijsko pražnjenje s neutralnim krugom karakterizira velika gustoća plazme (10 11 - 10 12 cm ~ 3) i niska temperatura elektrona (1 -4 eV). Induktivno pražnjenje bez vanjskog magnetskog polja Snaga P pi koju apsorbira plazma iscrtana je kao neovisna varijabla duž apscise. Prirodno je pretpostaviti da je gustoća plazme ne proporcionalna P pi, ali treba napomenuti da će se za različite izvore plazme koeficijenti proporcionalnosti između P pi i ne e razlikovati. Kao što se može vidjeti, opća tendencija ponašanja ekvivalentnog otpora R pi je njegovo povećanje u području relativno malih vrijednosti ulazne snage, a zatim i njegovo zasićenje. Naprotiv, u području velikih koncentracija elektrona, gdje prevladava apsorpcija bez sudara, t.j. u području anomalnog kožnog učinka, ovisnost o R pl (ne) blizu je one dobivene za medije sa jakom prostornom disperzijom. Općenito, nemonotonost ovisnosti ekvivalentnog otpora o gustoći plazme objašnjava se natjecanjem dvaju čimbenika: s jedne strane, apsorpcija snage RF raste s porastom koncentracije elektrona; s druge strane, dubina sloja kože, koja određuje širinu područja apsorpcije RF energije, smanjuje se s povećanjem n e. Teorijski model izvora plazme pobuđen spiralnom antenom smještenom na gornjoj krajnjoj površini predviđa nepostojanje ovisnosti ekvivalentnog otpora plazme o duljini izvora plazme, pod uvjetom da je dubina sloja kože manja od duljine izvor plazme. Fizički je ovaj rezultat očit jer se apsorpcija RF snage događa unutar sloja kože. U uvjetima eksperimenta, dubina sloja kože očito je manja od duljine izvora plazme; stoga ne čudi da ekvivalentni otpor plazme izvora opremljenih antenom na gornjem kraju ne ovisi o njihovoj duljini. Naprotiv, ako se antena nalazi na bočnoj površini izvora, povećanje duljine izvora, popraćeno istodobnim povećanjem duljine antene, dovodi do povećanja područja u kojem se RF snaga se apsorbira, tj do produljenja sloja kože; stoga, u slučaju bočne antene, ekvivalentna impedancija raste s povećanjem duljine izvora. Eksperimenti i proračuni pokazali su da su pri niskim pritiscima apsolutne vrijednosti ekvivalentnog otpora plazme niske. Povećanje tlaka radnog plina dovodi do značajnog povećanja ekvivalentnog otpora. Taj je učinak više puta zabilježen u teorijskim i eksperimentalnim studijama. Fizički razlog povećanja sposobnosti plazme da apsorbira RF snagu s povećanjem tlaka leži u mehanizmu apsorpcije RF energije. Kao što se može vidjeti sa Sl. 5, na minimumu razmatranih pritisaka, p - 0,1 mTorr, prevladava Čerenkovljev mehanizam disipacije. Sudari elektrona i atoma praktički nemaju utjecaja na vrijednost ekvivalentnog otpora, a sudari elektrona i iona vode samo do neznatnog povećanja ekvivalentnog otpora pri n> 3 × 10 11 cm-3. Povećanje pritiska, tj. učestalost sudara elektron-atom dovodi do povećanja ekvivalentnog otpora zbog povećanja uloge kolizionog mehanizma apsorpcije RF energije. To se može vidjeti sa sl. 5, koji prikazuje omjer ekvivalentnog otpora izračunatog s obzirom na apsorpcijske mehanizme sudara i sudara s ekvivalentnim otporom izračunatim samo uz uzimanje u obzir sudara. Riža.5
.
Ovisnost omjera ekvivalentnog otpora Rpi, izračunatog uzimajući u obzir mehanizme apsorpcije sudara i sudara, do ekvivalentnog otpora Rpi, izračunatog samo uzimajući u obzir sudare, o gustoći plazme. Proračun je izveden za izvore u obliku diska polumjera 10 cm pri neutralnom tlaku plina 0,3 mtorr (1), 1 mtorr (2), 10 mtorr (3), 100 mtorr (7), 300 mtorr (5 ). Induktivno pražnjenje s vanjskim magnetskim poljem U pokusima su korišteni izvori plazme opremljeni spiralnim antenama smještenim na bočnim i završnim površinama izvora, kao i antene Nagoya III. Za radnu frekvenciju od 13,56 MHz, područje magnetskih polja B «0,4-1 mT odgovara ECR uvjetima, a područje B> 1 mT odgovara uvjetima za pobudu helikona i valova Trivelpeace-Gold. Pri niskim tlakovima radnog plina (p> 5 mTorr) ekvivalentni otpor plazme bez magnetskog polja znatno je manji nego u području "helikona". Vrijednosti R pl dobivene za ECR regiju zauzimaju međupoložaj, a ovdje se ekvivalentni otpor monotono povećava s povećanjem magnetskog polja. Područje "helikona" karakterizira nemonotonska ovisnost ekvivalentnog otpora o magnetskom polju, a nemonotonost R pl (B) u slučaju krajnje spiralne antene i antene Nagoya III mnogo je izraženija nego u slučaju bočne spiralne antene. Položaj i broj lokalnih maksimuma krivulje ^ pi (B) ovise o ulaznoj RF snazi, duljini i radijusu izvora plazme, vrsti plina i njegovu tlaku. Povećanje ulazne snage, tj. koncentracija elektrona n e, dovodi do povećanja ekvivalentnog otpora i pomaka glavnog maksimuma funkcije ^ pi (B) u područje velikih magnetskih polja, a u nekim slučajevima i do pojave dodatnih lokalnih maksimuma. Sličan učinak opaža se s povećanjem duljine izvora plazme. Povećanje tlaka u rasponu od 2-5 mTorr, kao što se može vidjeti sa Sl. 4b, ne dovodi do značajnih promjena u karakteru ovisnosti o ^ pl (B), međutim pri pritiscima većim od 10 mTorr nestaje nemonotoničnost ovisnosti ekvivalentnog otpora o magnetskom polju, apsolutne vrijednosti ekvivalentni otpor se smanjuje i postaje manji od vrijednosti dobivenih bez magnetskog polja. Analiza fizikalnih mehanizama apsorpcije HF snage plazmom induktivnog pražnjenja u ECR uvjetima i uvjetima za pobudu helikona i TG valova provedena je u mnogim teorijskim radovima. Analitičko razmatranje problema pobude helikona i TG valova u općem slučaju povezano je sa značajnim poteškoćama, budući da je potrebno opisati dva međusobno povezana vala. Podsjetimo da je helikon brzi posmični val, a TG val spori uzdužni. Helikoni i TG valovi pokazuju se neovisnima samo u slučaju prostorno neograničene plazme, u kojoj predstavljaju vlastite načine oscilacija magnetizirane plazme. U slučaju ograničenog cilindričnog izvora plazme, problem se može riješiti samo numerički. No, glavne značajke fizičkog mehanizma apsorpcije VF energije pri B> 1 mT mogu se ilustrirati uz pomoć aproksimacije helikona, koja opisuje proces pobude valova u plazmi pod uvjetom da su nejednakosti Područje primjene magnetska plazma koja gori visokofrekventno Reaktori u plazmi i ionski izvori čiji se princip temelji na indukcijskom visokofrekventnom pražnjenju pod niskim tlakom već su nekoliko desetljeća bitna sastavnica suvremene zemaljske i svemirske tehnologije. Široku upotrebu tehničkih primjena induktivnog RF pražnjenja olakšavaju njegove glavne prednosti: mogućnost dobivanja visoke koncentracije elektrona na relativno niskoj razini RF snage, odsutnost kontakta između elektroda plazme i metala, niska temperatura elektrona, a time i nizak potencijal plazme u odnosu na stijenke koje ograničavaju pražnjenje. Potonji, uz smanjenje gubitaka energije na stijenkama izvora plazme, omogućuje izbjegavanje oštećenja površine uzoraka tijekom njihove obrade u pražnjenju visokoenergetskim ionima. Tipični primjeri izvora plazme koji rade na induktivnom RF pražnjenju bez magnetskog polja su plazma reaktori namijenjeni jetkanju podloga, ionski izvori namijenjeni implementaciji zemaljskih tehnologija s ionskim snopovima i rade u svemiru kao motori za ispravljanje orbite svemirskih letjelica, te svjetlost izvora. Uobičajena značajka dizajna navedenih uređaja je prisutnost komore za pražnjenje plina (GDK), na čijoj se vanjskoj površini ili unutar nje nalazi induktor ili antena. Uz pomoć antene spojene na visokofrekventni generator, visokofrekventna snaga se unosi u volumen GDK-a i pali se pražnjenje bez elektroda. Struje koje teku kroz antenu induciraju vrtložno električno polje u plazmi, koje zagrijava elektrone do energije potrebne za učinkovitu ionizaciju radnog plina. Tipične gustoće plazme u plazma reaktorima su 10 11 - 3 x 10 12 cm ~ 3, a u izvorima iona - 3 x 10 10 - 3 x 10 11 cm ~ 3. Karakteristični tlak neutralnog plina u reaktorima plazme varira od 1 do 30 mtorr, u izvorima iona iznosi 0,1 mtorr, u izvorima svjetlosti - 0,1-10 torr. Reaktori u plazmi i ionski izvori čiji se princip temelji na indukcijskom visokofrekventnom pražnjenju pod niskim tlakom već su nekoliko desetljeća bitna sastavnica suvremene zemaljske i svemirske tehnologije. Raširenu uporabu tehničkih primjena induktivnog RF pražnjenja olakšavaju njegove glavne prednosti - mogućnost dobivanja visoke koncentracije elektrona na relativno niskoj razini RF snage, odsutnost kontakta plazme s metalnim elektrodama, niska temperatura elektrona, i posljedično, nizak potencijal plazme u odnosu na stijenke koje ograničavaju pražnjenje. Potonji, uz smanjenje gubitaka energije na stijenkama izvora plazme, omogućuje izbjegavanje oštećenja površine uzoraka tijekom njihove obrade u pražnjenju visokoenergetskim ionima. Rezultati dobiveni posljednjih godina, eksperimentalni i teoretski, pokazuju da parametri induktivne visokofrekventne plazme pražnjenja ovise o gubicima snage u vanjskom krugu i vrijednostima snage koja se dovodi do pražnjenja kroz induktivnu i kapacitivnu kanala. Parametri plazme, s jedne strane, određeni su vrijednostima apsorbirane snage, a s druge strane sami određuju omjer snaga opskrbljenih različitim kanalima i, na kraju, snage koju apsorbira plazma . To je odgovorno za samodostatnu prirodu iscjedka. Samodosljednost se najjasnije očituje u snažnoj nemonotoničnosti ovisnosti parametara plazme o magnetskom polju i u prekidu pražnjenja. Značajni gubici snage u vanjskom krugu i nemonotonska ovisnost sposobnosti plazme da apsorbira RF snagu o gustoći plazme dovode do zasićenja gustoće plazme s povećanjem snage RF generatora i pojavom histereze u ovisnost parametara plazme o snazi RF generatora i vanjskog magnetskog polja. Prisutnost kapacitivne komponente pražnjenja uzrokuje promjenu udjela snage unesene u plazmu kroz induktivni kanal. To uzrokuje pomak u položaju prijelaza pražnjenja iz niskog u visoki način rada u područje manjih snaga RF generatora. Pri prelasku iz načina niskog pražnjenja u visoki, prisutnost kapacitivne komponente očituje se u glatkijoj promjeni gustoće plazme s povećanjem snage generatora i nestankom histereze. Povećanje zbog doprinosa snage kroz kapacitivni kanal koncentracije elektrona vrijednostima koje prelaze vrijednost pri kojoj ekvivalentni otpor doseže maksimum dovodi do smanjenja doprinosa RF snage kroz induktivni kanal. Fizički nije opravdano uspoređivati načine induktivnog RF pražnjenja s niskim i visokim koncentracijama elektrona s kapacitivnim i induktivnim načinom, budući da prisutnost jednog kanala za unos snage u plazmu dovodi do promjene udjela snage koja ulazi plazma kroz drugi kanal. Usavršavanje slike fizičkih procesa u niskotlačnom VF induktivnom pražnjenju omogućuje optimiziranje parametara plazma uređaja koji rade na njegovoj osnovi. Objavljeno na Allbest.ru Ionski električni vakuumski uređaj s plinskim pražnjenjem dizajniran za stabilizaciju napona. Načelo rada zener diode sa žarnim pražnjenjem. Osnovni fizikalni zakoni. Područje stabilizacije napona. Rad parametarskog stabilizatora. test, dodano 28.10.2011 Parametri djelomičnog pražnjenja i njihove ovisnosti. Osnove razvoja parcijalnih pražnjenja, dijagnostika kabelskih vodova. Razvoj analitičke sheme za procjenu stanja kabelskih vodova na temelju mjerenja karakteristika djelomičnih pražnjenja. diplomski rad, dodan 05.07.2017 Povijest razvoja impulsnih laserskih sustava. Mehanizam stvaranja inverzije. Karakteristična značajka samoodrživog sjajnog pražnjenja s hladnom katodom. Sustavi predionizacije ispuštanja plina. Osnovni elementi impulsnog lasera i njegova područja primjene. seminarski rad dodan 20.03.2016 Povećanje ukupnog broja znamenki s povećanjem višestruke pogreške koju treba ispraviti. Promjena prosječnog broja iskrivljenih znamenki s linearnom promjenom standardne devijacije. Odredite učestalost gubitka poruke. Iscrtavanje funkcije. laboratorijski rad, dodano 01.12.2014 Vrste visokofrekventnih kondenzatora. Određeni kapacitet. Upotreba kondenzatora velikog nazivnog kapaciteta. Promjenjivi kondenzatori zraka. Polu promjenjivi kondenzatori. Kondenzatori posebne namjene. Kondenzatori s integriranim krugom. sažetak, dodano 01.09.2009 Karakteristike elektromehaničkih instrumenata za mjerenje istosmjerne, izmjenične struje i napona. Njihov dizajn, princip rada, opseg, prednosti i nedostaci. Definicija i klasifikacija elektroničkih voltmetara, sklopova instrumenata. seminarski rad dodan 26.03.2010 Karakteristike i opseg signala u sustavima digitalne obrade. Specijalizirani digitalni procesor signala SPF SM: programeri i povijest, struktura i karakteristike, opseg, algoritmi i softver. seminarski rad, dodan 06.12.2010 Senzor tlaka manometra. Shema umjeravanja senzora. Provjera utjecaja elektromagnetskih smetnji na očitanja uređaja. Shematski dijagram paljenja pražnjenjem. Jednadžba ovisnosti pritiska o naponu na senzoru. utjecaj pražnjenja na očitanja. seminarski rad, dodan 29.12.2012 Glavne vrste kabela za ruralne telefonske mreže, područje njihove primjene, dopuštene radne temperature i polaganje. Tehnički zahtjevi za strukturne dimenzije jednočetvrtinskih visokofrekventnih kabela za ruralne komunikacije, električne karakteristike. sažetak, dodano 30.08.2009 Osnovni parametri i principi prebacivanja. Sheme povezivanja ključeva. Mehanički i elektronički prekidači visoke frekvencije. Tranzistori s efektom polja s MOS strukturom vrata i monolitnim mikrovalnim integriranim krugovima. Pokretači mikrosustava. Indukcijsko zagrijavanje je metoda beskontaktnog zagrijavanja visokofrekventnim strujama (RFH-radio-frekvencijsko zagrijavanje) električno vodljivih materijala. Opis metode. Indukcijsko zagrijavanje je zagrijavanje materijala električnim strujama koje inducira izmjenično magnetsko polje. Posljedično, ovo je zagrijavanje proizvoda izrađenih od vodljivih materijala (vodiča) magnetskim poljem induktora (izvori izmjeničnog magnetskog polja). Indukcijsko zagrijavanje provodi se na sljedeći način. Električno vodljivi (metalni, grafitni) obradak smješten je u takozvani induktor, koji je jedan ili više zavoja žice (najčešće bakrene). U induktoru se, uz pomoć posebnog generatora, induciraju snažne struje različitih frekvencija (od deset Hz do nekoliko MHz), uslijed čega oko induktora nastaje elektromagnetsko polje. Elektromagnetsko polje izaziva vrtložne struje u izratku. Vrtložne struje zagrijavaju obradak pod utjecajem Jouleove topline (vidi Joule-Lenzov zakon). Sustav induktora obratka je transformator bez jezgre u kojem je induktor primarni namot. Obradak je kratko spojeni sekundarni namot. Magnetski tok između namota zatvoren je u zraku. Na velikoj frekvenciji vrtložne struje istiskuju magnetsko polje koje oni stvaraju u tanke površinske slojeve obratka Δ (površinski učinak), zbog čega se njihova gustoća naglo povećava, a radni komad zagrijava. Slojevi metala ispod njih zagrijavaju se zbog toplinske vodljivosti. Nije važna struja, već velika gustoća struje. U sloju kože Δ, gustoća struje se smanjuje za faktor e u odnosu na gustoću struje na površini obratka, dok se 86,4% topline oslobađa u sloju kože (od ukupnog oslobađanja topline. Dubina kože) sloj ovisi o frekvenciji zračenja: što je veća frekvencija, tanji je sloj kože Također ovisi o relativnoj magnetskoj propusnosti μ materijala obratka. Za željezo, kobalt, nikal i magnetske legure na temperaturama ispod Curiejeve točke μ ima vrijednost od nekoliko stotina do desetaka tisuća. Za ostale materijale (taline, obojeni metali, tekuća nisko topljiva eutektika, grafit, elektrolite, električno vodljiva keramika itd.) Μ je približno jednak jedinici. Na primjer, na frekvenciji od 2 MHz, dubina sloja kože za bakar iznosi oko 0,25 mm, za željezo ≈ 0,001 mm. Induktor se tijekom rada jako zagrijava jer apsorbira vlastito zračenje. Osim toga, apsorbira toplinsko zračenje iz vrućeg obratka. Induktori su izrađeni od bakrenih cijevi ohlađenih vodom. Voda se dovodi usisavanjem - to osigurava sigurnost u slučaju prodiranja ili drugog smanjenja tlaka induktora. Primjena: Prednosti. Brzo zagrijavanje ili taljenje bilo kojeg električno vodljivog materijala. Zagrijavanje je moguće u zaštitnoj plinskoj atmosferi, u oksidirajućoj (ili redukcijskoj) sredini, u neprovodnoj tekućini, u vakuumu. Zagrijavanje kroz stijenke zaštitne komore od stakla, cementa, plastike, drva - ti materijali vrlo slabo apsorbiraju elektromagnetsko zračenje i ostaju hladni tijekom rada instalacije. Zagrijava se samo električno vodljiv materijal - metal (uključujući rastopljeni), ugljik, vodljiva keramika, elektroliti, tekući metali itd. Zbog nastalih sila MHD -a, tekući se metal intenzivno miješa, sve do zadržavanja suspendiranog u zraku ili zaštitnom plinu - tako se dobivaju ultračiste legure u malim količinama (taljenje levitacijom, taljenje u elektromagnetskom loncu). Budući da se zagrijavanje vrši pomoću elektromagnetskog zračenja, nema zagađenja obratka proizvodima izgaranja baklje u slučaju zagrijavanja plamenom na plin, ili materijala elektrode u slučaju zagrijavanja luka. Postavljanje uzoraka u atmosferu inertnog plina i velika brzina zagrijavanja eliminirat će stvaranje kamenca. Jednostavna uporaba zbog male veličine induktora. Induktor može biti izrađen od posebnog oblika - to će omogućiti ravnomjerno zagrijavanje dijelova složene konfiguracije po cijeloj površini, bez da dovodi do njihovog savijanja ili lokalnog zagrijavanja. Lokalno i selektivno grijanje je jednostavno. Budući da je zagrijavanje najintenzivnije u tankim gornjim slojevima obratka, a donji se slojevi nježnije zagrijavaju zbog toplinske vodljivosti, metoda je idealna za površinsko stvrdnjavanje dijelova (jezgra ostaje viskozna). Jednostavna automatizacija opreme - ciklusi grijanja i hlađenja, kontrola i zadržavanje temperature, opskrba i uklanjanje izratka. Instalacije za indukcijsko grijanje: U instalacijama s radnom frekvencijom do 300 kHz, pretvarači se koriste na IGBT sklopovima ili MOSFET tranzistorima. Takve instalacije namijenjene su zagrijavanju velikih dijelova. Za zagrijavanje malih dijelova koriste se visoke frekvencije (do 5 MHz, raspon srednjih i kratkih valova), visokofrekventne instalacije izgrađene su na elektroničkim cijevima. Također, za zagrijavanje malih dijelova grade se instalacije povećane frekvencije na MOSFET tranzistorima za radne frekvencije do 1,7 MHz. Upravljanje tranzistorima i njihova zaštita na višim frekvencijama predstavlja određene poteškoće, stoga su postavke veće frekvencije još uvijek prilično skupe. Induktor za zagrijavanje malih dijelova ima malu veličinu i nizak induktivitet, što dovodi do smanjenja faktora kvalitete radnog oscilirajućeg kruga na niskim frekvencijama i smanjenja učinkovitosti, a predstavlja i opasnost za glavni oscilator (faktor kvalitete titrajnog kruga proporcionalno je L / C, titrajni krug s niskim faktorom kvalitete je previše dobar "Pumpa se" s energijom, stvara kratki spoj u induktoru i onemogućuje glavni oscilator). Za povećanje faktora kvalitete oscilatornog kruga koriste se dva načina: Budući da induktor najučinkovitije radi na visokim frekvencijama, indukcijsko zagrijavanje dobilo je industrijsku primjenu nakon razvoja i početka proizvodnje snažnih generatorskih svjetiljki. Prije Prvog svjetskog rata indukcijsko grijanje bilo je ograničene uporabe. U to su se vrijeme kao generatori koristili strojni generatori povećane frekvencije (rad V.P. Vologdina) ili instalacije za pražnjenje iskre. Krug generatora može biti, u načelu, bilo koji (multivibrator, RC generator, generator s neovisnom pobudom, različiti generatori opuštanja), koji radi na opterećenju u obliku induktora i ima dovoljnu snagu. Također je potrebno da frekvencija vibracija bude dovoljno visoka. Na primjer, da biste u nekoliko sekundi "prerezali" čeličnu žicu promjera 4 mm, potrebna je oscilatorna snaga od najmanje 2 kW pri frekvenciji od najmanje 300 kHz. Shema se bira prema sljedećim kriterijima: pouzdanost; stabilnost fluktuacija; stabilnost snage koja se oslobađa u izratku; jednostavnost proizvodnje; jednostavnost prilagodbe; minimalni broj dijelova za smanjenje troškova; korištenje dijelova koji zajedno smanjuju težinu i dimenzije itd. Dugi niz desetljeća induktivna trotočka korištena je kao generator visokofrekventnih oscilacija (Hartleyjev generator, generator s povratnom informacijom autotransformatora, krug na razdjelniku napona u induktivnoj petlji). Ovo je samopobudni krug paralelnog napajanja anode i sklop za odabir frekvencije napravljen na oscilatornom krugu. Uspješno se koristi i nastavlja koristiti u laboratorijima, nakitnim radionicama, industrijskim poduzećima, kao i u amaterskoj praksi. Na primjer, tijekom Drugog svjetskog rata na takvim je instalacijama provedeno površinsko otvrdnjavanje valjaka tenka T-34. Nedostaci tri točke: Niska učinkovitost (manje od 40% pri upotrebi svjetiljke). Snažno odstupanje frekvencije u vrijeme zagrijavanja izratka od magnetskih materijala iznad točke Curie (≈700C) (μ se mijenja), što mijenja dubinu sloja kože i nepredvidivo mijenja način toplinske obrade. Prilikom toplinske obrade kritičnih dijelova to može biti neprihvatljivo. Također, snažni televizori trebali bi raditi u uskom rasponu frekvencija koje dopušta Rossvyazokhrankultura, budući da su s lošom zaštitom zapravo radijski odašiljači i mogu ometati televizijsko i radijsko emitiranje, obalne i službe spašavanja. Pri mijenjanju izratka (na primjer, manjeg za veći), mijenja se induktivnost sustava induktor-obradak, što također dovodi do promjene učestalosti i dubine sloja kože. Pri prijelazu s jednookretnih prigušnica na višeokretne, na veće ili manje, mijenja se i frekvencija. Pod vodstvom Babata, Lozinskog i drugih znanstvenika razvijeni su krugovi generatora s dva i tri kruga koji imaju veću učinkovitost (do 70%), kao i bolje održavanje radne frekvencije. Njihov princip rada je sljedeći. Zbog uporabe spojenih krugova i slabljenja veze među njima, promjena induktivnosti radnog kruga ne povlači za sobom snažnu promjenu frekvencije kruga za podešavanje frekvencije. Radio odašiljači konstruirani su po istom principu. Suvremeni TVF generatori pretvarači su bazirani na IGBT sklopovima ili moćnim MOSFET-tranzistorima, obično izrađeni u shemi mosta ili polumosta. Radite na frekvencijama do 500 kHz. Vrata tranzistora otvaraju se pomoću upravljačkog sustava mikrokontrolera. Sustav upravljanja, ovisno o zadatku, omogućuje vam automatsko držanje A) konstantna frekvencija Na primjer, kada se magnetski materijal zagrije iznad točke Curie, debljina sloja kože naglo se povećava, gustoća struje opada, a izradak se počinje lošije zagrijavati. Također, nestaju magnetska svojstva materijala i prestaje proces preokreta magnetiziranja - izradak se počinje gore zagrijavati, otpor opterećenja naglo opada - to može dovesti do "odvajanja" generatora i njegovog kvara. Upravljački sustav prati prijelaz kroz Curie točku i automatski povećava frekvenciju kada se opterećenje naglo smanji (ili smanji snaga). Opaske. Induktor bi trebao biti postavljen što je moguće bliže izratku. Time se ne povećava samo gustoća elektromagnetskog polja u blizini obratka (proporcionalna kvadratu udaljenosti), već se povećava i faktor snage Cos (φ). Povećanjem frekvencije dramatično se smanjuje faktor snage (proporcionalan kocki frekvencije). Prilikom zagrijavanja magnetskih materijala također se oslobađa dodatna toplina zbog preokreta magnetiziranja; njihovo zagrijavanje do točke Curie mnogo je učinkovitije. Pri proračunu prigušnice potrebno je uzeti u obzir induktivnost sabirnica koje opskrbljuju induktor, a koja može biti mnogo veća od induktivnosti samog induktora (ako je induktor izveden u obliku jednog okreta malog promjera ili čak i dio zavoja - luk). U oscilatornim krugovima postoje dva slučaja rezonance: rezonancija napona i rezonancija struje. U idealnom slučaju, impedancija petlje je beskonačna - krug ne vuče nikakvu struju iz izvora. Kad se frekvencija generatora promijeni u bilo kojem smjeru od rezonantne frekvencije, ukupni otpor kruga se smanjuje, a linijska struja (I ukupno) raste. Serijski oscilatorni krug - naponska rezonancija. Glavna značajka serijskog rezonantnog kruga je to što je njegova impedancija minimalna pri rezonanciji. (ZL + ZC - minimum). Kad je frekvencija podešena na vrijednost veću ili ispod rezonantne frekvencije, impedancija se povećava. Članak je preuzet sa web stranice http://dic.academic.ru/ i prerađen u tekst koji je čitatelju razumljiviji od strane tvrtke "Prominductor". Indukcijsko zagrijavanje provodi se u izmjeničnom magnetskom polju. Vodiči smješteni u polju zagrijavaju se vrtložnim strujama induciranim u njima prema zakonima elektromagnetske indukcije. Intenzivno zagrijavanje može se postići samo u magnetskim poljima velikog intenziteta i frekvencije, koja stvaraju posebni uređaji - induktori (indukcijski grijači) koji se napajaju iz mreže ili pojedinačni generatori visokofrekventnih struja (slika 3.1). Induktor je, takoreći, primarni namot zračnog transformatora, čiji je sekundarni namot zagrijano tijelo. Ovisno o korištenim frekvencijama, jedinice za indukcijsko grijanje dijele se na sljedeći način: a) niska (industrijska) frekvencija (50 Hz); b) srednja (povećana) frekvencija (do 10 kHz); c) visoke frekvencije (preko 10 kHz). Podjelu indukcijskog grijanja na frekvencijske raspone diktiraju tehnička i tehnološka razmatranja. Fizikalna suština i opći kvantitativni zakoni za sve frekvencije isti su i temelje se na idejama o apsorpciji energije elektromagnetskog polja vodičkim medijem. Učestalost ima značajan utjecaj na intenzitet i prirodu zagrijavanja. Na frekvenciji od 50 Hz i jačini magnetskog polja 3000-5000 A / m, specifična snaga grijanja ne prelazi 10 W / cm 2, a s visokofrekventnim (HF) zagrijavanjem snaga doseže stotine i tisuće W / cm 2. Time se razvijaju temperature dovoljne za taljenje većine vatrostalnih metala. Istodobno, što je veća frekvencija, to je manja dubina prodiranja struja u metal i, posljedično, zagrijani sloj tanji, i obrnuto. Površinsko zagrijavanje vrši se na visokim frekvencijama. Smanjivanjem frekvencije i time povećanjem dubine prodiranja struje, moguće je provesti duboko ili čak zagrijavanjem, koje je isto po cijelom dijelu tijela. Tako je odabirom frekvencije moguće dobiti karakter zagrijavanja i njegov intenzitet koji zahtijevaju tehnološki uvjeti. Sposobnost zagrijavanja proizvoda do gotovo bilo koje debljine jedna je od glavnih prednosti indukcijskog grijanja, koje se naširoko koristi za gašenje površina dijelova i alata. Površinsko otvrdnjavanje nakon indukcijskog zagrijavanja značajno povećava otpornost proizvoda na trošenje u usporedbi s toplinskom obradom u pećima. Indukcijsko zagrijavanje također se uspješno koristi za taljenje, toplinsku obradu, deformaciju metala i u drugim procesima. Induktor je radni element instalacije za indukcijsko grijanje. Učinkovitost zagrijavanja je veća, što je oblik elektromagnetskog vala koji emitira induktor bliži obliku zagrijane površine. Vrsta vala (ravna, cilindrična itd.) Određena je oblikom induktora. Dizajn prigušnica ovisi o obliku grijanih tijela, namjeni i uvjetima zagrijavanja. Najjednostavniji induktor je izolirani vodič postavljen unutar metalne cijevi, produžen ili namotan. Kada kroz vodič prolazi struja industrijske frekvencije, u cijevi se induciraju vrtložne struje koje ga zagrijavaju. U poljoprivredi se pokušalo koristiti ovo načelo za zagrijavanje tla u staklenicima, kokošinjacima itd. U indukcijskim grijačima vode i pasterizatorima mlijeka (rad na njima još nije izašao iz okvira eksperimentalnih uzoraka) induktori se izvode poput statora trofaznih elektromotora. Unutar induktora postavljena je cilindrična metalna posuda. Rotirajuće (ili pulsirajuće za jednofazni dizajn) magnetsko polje koje stvara induktor inducira vrtložne struje u stijenkama posude i zagrijava ih. Sa stijenki se toplina prenosi na tekućinu u posudi. Tijekom indukcijskog sušenja drva, hrpa ploča premješta se metalnim rešetkama i postavlja (valjana na posebnim kolicima) unutar cilindričnog induktora izrađenog od vodiča velikih presjeka namotanih na okvir od izolacijskog materijala. Ploče se zagrijavaju metalnim rešetkama u kojima se induciraju vrtložne struje. Gornji primjeri ilustriraju princip instalacija neizravnog indukcijskog grijanja. Nedostaci takvih instalacija uključuju niske energetske performanse i nizak intenzitet grijanja. Niskofrekventno indukcijsko zagrijavanje prilično je učinkovito za izravno zagrijavanje masivnih metalnih praznina i određeni omjer između njihove veličine i dubine prodiranja struja (vidi dolje). Induktori visokofrekventnih instalacija izrađeni su neizolirani, sastoje se od dva glavna dijela - induktivne žice, uz pomoć koje se stvara izmjenično magnetsko polje, i strujnih vodiča za povezivanje induktivne žice s izvorom električne energije. Dizajn induktora može biti vrlo raznolik. Za zagrijavanje ravnih površina koriste se ravni induktori, cilindrične praznine - cilindrični (solenoidni) induktori itd. (Slika 3.1). Induktori mogu imati složeni oblik (slika 3.2), zbog potrebe koncentriranja elektromagnetske energije u željenom smjeru, opskrbe vodom za hlađenje i gašenje itd. Za stvaranje polja visokog intenziteta, kroz prigušnice prolaze velike struje, koje iznose stotine i tisuće ampera. Kako bi se smanjili gubici, induktori se izrađuju s najmanjim mogućim aktivnim otporom. Unatoč tome, oni se ipak intenzivno zagrijavaju vlastitom strujom i zbog prijenosa topline iz obratka, stoga su opremljeni prisilnim hlađenjem. Induktori su obično izrađeni od okruglih ili pravokutnih bakrenih cijevi, unutar kojih se propušta tekuća voda radi hlađenja. Specifična površinska snaga. Elektromagnetski val koji emitira induktor pada na metalno tijelo i, upijajući se u njega, uzrokuje zagrijavanje. Snaga toka energije koja teče kroz jedinicu tjelesne površine određena je formulom (11) s obzirom na izraz U praktičnim proračunima koristi se dimenzija D R u W / cm 2, dakle Zamjenom dobivene vrijednosti H 0
u formulu (207), dobivamo Dakle, snaga oslobođena u proizvodu proporcionalna je kvadratu amper-zavoja induktora i koeficijentu apsorpcije snage. S konstantnom jakošću magnetskog polja, intenzitet zagrijavanja je veći, što je veća otpornost r, magnetska propusnost materijala m i trenutna frekvencija f. Formula (208) vrijedi za ravni elektromagnetski val (vidi § 2 Poglavlja I). Kada se cilindrična tijela zagrijavaju u magnetnim induktorima, slika širenja valova postaje složenija. Odstupanja od omjera za ravni val su veća, što su omjeri manji r / z a, gdje r- polumjer cilindra, z a- dubina prodiranja struja. U praktičnim izračunima još uvijek koriste jednostavan odnos (208), unoseći u njega korekcijske faktore - Birchove funkcije, ovisno o omjeru r / z a(slika 43). Zatim Formula (212) vrijedi za čvrsti induktor bez razmaka između zavoja. U prisutnosti praznina, gubici u induktoru se povećavaju. Kako se frekvencija povećava, funkcija F a (r a, z a) i F i (r i, z a) teže jedinstvu (slika 43), a omjer snaga - do granice Iz izraza (3.13) slijedi da se učinkovitost smanjuje s povećanjem zračnog jaza i otpornosti materijala induktora. Stoga su induktori izrađeni od masivnih bakrenih cijevi ili sabirnica. Kako slijedi iz izraza (214) i slike 43, vrijednost učinkovitosti približava se svojoj granici već pri r / z a> 5 ÷ 10. To omogućuje pronalaženje frekvencije koja osigurava dovoljno visoku učinkovitost. Koristeći gornju nejednakost i formulu (15) za dubinu prodiranja z a, dobiti Valja napomenuti da jednostavne i ilustrativne ovisnosti (3.13) i (3.14) vrijede samo za ograničen broj relativno jednostavnih slučajeva indukcijskog zagrijavanja. Faktor snage induktora. Faktor snage indukcijskog grijanja određen je omjerom aktivnog i induktivnog otpora sustava induktor - produkt. Na visokoj frekvenciji, aktivni i unutarnji induktivni otpor proizvoda su jednaki, budući da fazni kut između vektora iznosi 45 ° i | D R| = | D P|. Dakle, najveća vrijednost faktora snage gdje ali - zračni razmak između induktora i proizvoda, m. Dakle, faktor snage ovisi o električnim svojstvima materijala proizvoda, zračnom rasporu i frekvenciji. S povećanjem zračnog jaza povećava se induktivitet istjecanja i smanjuje se faktor snage. Faktor snage je obrnuto proporcionalan kvadratnom korijenu frekvencije, stoga nerazumno precjenjivanje frekvencije smanjuje energetske performanse instalacija. Uvijek biste trebali nastojati smanjiti zračni jaz, ali ovdje postoji granica zbog jačine proboja zraka. Tijekom zagrijavanja faktor snage ne ostaje konstantan jer se r i m (za feromagnete) mijenjaju s temperaturom. U stvarnim uvjetima faktor snage instalacija s indukcijskim grijanjem rijetko prelazi 0,3, smanjujući se na 0,1-0,01. Kompenzacijski kondenzatori obično su uključeni paralelno s prigušnicom za rasterećenje mreža i generatora od reaktivnih struja i povećanje cosf. Glavni parametri koji karakteriziraju načine indukcijskog grijanja su trenutna frekvencija i učinkovitost. Ovisno o korištenim frekvencijama, konvencionalno se razlikuju dva načina indukcijskog grijanja: duboko zagrijavanje i površinsko zagrijavanje. Na toj frekvenciji provodi se duboko zagrijavanje ("niske frekvencije") f pri dubini prodiranja z a približno jednaka debljini zagrijanog (otvrdnutog) sloja x do(Slika 3.4, a). Zagrijavanje se događa odmah do cijele dubine sloja x do brzina zagrijavanja odabrana je tako da je prijenos topline toplinskom vodljivošću u unutrašnjost tijela beznačajan. Budući da je u ovom načinu dubina prodiranja struja z a relativno velika ( z a »
x do),
tada, prema formuli: Površinsko zagrijavanje ("visoke frekvencije") provodi se na relativno visokim frekvencijama. U tom slučaju dubina prodiranja struja z a znatno manja od debljine zagrijanog sloja x do(Slika 3.4.6). Grijanje pune debljine x do nastaje zbog toplinske vodljivosti metala. Pri zagrijavanju u ovom načinu rada potrebna je manja snaga generatora (na slici 3.4, korisna snaga proporcionalna je zasjenjenim područjima koja imaju dvostruko zasjenjenje), ali se vrijeme zagrijavanja i specifična potrošnja energije povećavaju. Potonji je povezan s zagrijavanjem zbog toplinske vodljivosti dubokih slojeva metala. Učinkovitost d. zagrijavanje proporcionalno omjeru područja s dvostrukim šrafiranjem prema cijelom području omeđenom krivuljom t i koordinatne osi, u drugom slučaju ispod. Istodobno, valja napomenuti da je zagrijavanje sloja metala debljine b do određene temperature, koji leži iza sloja za stvrdnjavanje i naziva se prijelazni sloj, apsolutno potrebno za pouzdano vezivanje očvrslog sloja s podlogom metal. S površinskim zagrijavanjem, ovaj sloj je deblji i veza je pouzdanija. Uz značajno smanjenje učestalosti, zagrijavanje postaje općenito neizvedivo, jer će dubina prodiranja biti vrlo velika, a apsorpcija energije u proizvodu beznačajna. Indukcijska metoda može se koristiti i za dubinsko i za površinsko zagrijavanje. Kod vanjskih izvora topline (zagrijavanje plazmom, u električnim otpornim pećima) duboko zagrijavanje nije moguće. Prema principu rada postoje dvije vrste indukcijskog zagrijavanja: istodobno i kontinuirano-sekvencijalno. Uz istodobno zagrijavanje, površina induktivne žice okrenuta prema zagrijanoj površini proizvoda približno je jednaka površini ove površine, što omogućuje istovremeno zagrijavanje svih njezinih presjeka. S kontinuiranim uzastopnim zagrijavanjem, proizvod se pomiče u odnosu na induktivnu žicu, a zagrijavanje njegovih pojedinih presjeka događa se dok prolazi radnim područjem induktora. Odabir frekvencije. Dovoljno visoka učinkovitost može se postići samo uz određeni omjer između veličine tijela i frekvencije struje. Odabir optimalne frekvencije struje bio je gore spomenut. U praksi indukcijskog zagrijavanja frekvencija se bira prema empirijskim odnosima. Prilikom zagrijavanja dijelova za površinsko stvrdnjavanje do dubine x do(mm) optimalna frekvencija (Hz) nalazi se iz sljedećih ovisnosti: za dijelove jednostavnog oblika (ravne površine, okretna tijela) Sa kroz zagrijavanje čeličnih cilindričnih gredica promjera d(mm) potrebna frekvencija određena je formulom U procesu zagrijavanja povećava se otpornost metala r. U feromagnetima (željezo, nikal, kobalt itd.) Vrijednost magnetske propusnosti m opada s porastom temperature. Kad se dosegne točka Curie, magnetska propusnost feromagneta pada na 1, odnosno oni gube svoja magnetska svojstva. Uobičajena temperatura zagrijavanja za kaljenje je 800-1000 ° C, za obradu pod tlakom od 1000 - 1200 ° C, odnosno iznad točke Curie. Promjena fizikalnih svojstava metala s promjenom temperature dovodi do promjene koeficijenta apsorpcije snage i specifične površinske snage (3.8) koja ulazi u proizvod tijekom zagrijavanja (slika 3.5). U početku, zbog povećanja r, specifična snaga D R povećava i doseže najveću vrijednost D P max= (1,2 ÷ 1,5) D P početak, a zatim, zbog gubitka magnetskih svojstava čelika, pada na minimum D P min... Za održavanje grijanja u optimalnom načinu rada (s dovoljno visokom učinkovitošću), instalacije su opremljene uređajima za usklađivanje parametara generatora i opterećenja, odnosno mogućnosti regulacije načina grijanja. Usporedimo li zagrijavanje praznih mjesta za plastične deformacije indukcijskom metodom i metodom električnog kontakta (obje se odnose na izravno zagrijavanje), tada možemo reći da je u pogledu potrošnje energije zagrijavanje električnim kontaktom preporučljivo za duge praznine relativno malih dimenzija poprečni presjek i indukcija-za blanko kratke veličine relativno velikih promjera. Strog izračun induktora prilično je glomazan i uključuje dodatne polu-empirijske podatke. Razmotrit ćemo pojednostavljeni izračun cilindričnih induktora za površinsko otvrdnjavanje, na temelju gore dobivenih ovisnosti. Toplinski proračun. Iz razmatranja načina indukcijskog zagrijavanja proizlazi da je ista debljina očvrslog sloja x do mogu se dobiti pri različitim vrijednostima specifične snage D R i trajanje zagrijavanja t. Optimalni način rada ne određuje samo debljina sloja x k, ali i veličinu prijelazne zone b koja povezuje otvrdnuti sloj s dubokim slojevima metala. U nedostatku uređaja za kontrolu snage generatora, priroda promjene specifične snage koju troši čelični proizvod prikazana je na grafikonu prikazanom na slici 3.5. Tijekom zagrijavanja vrijednost pc se mijenja i do kraja zagrijavanja, nakon prolaska kroz točku Curie, naglo se smanjuje. Postoji svojevrsno samo-isključivanje čeličnog proizvoda, što osigurava visokokvalitetno kaljenje bez opeklina. U prisutnosti upravljačkih uređaja, snaga D R može biti jednako ili čak manje od D P min(Slika 3.5), što omogućuje produljenjem procesa zagrijavanja da se smanji specifična snaga potrebna za zadanu debljinu očvrslog sloja x K. Grafikoni načina zagrijavanja za površinsko kaljenje ugljičnih i niskolegiranih čelika s debljinom prijelazne zone od 0,3-0,5 očvrsnutog sloja prikazani su na slikama 3.6 i 3.7. Odabirom vrijednosti D R, lako je pronaći napajanje induktora, gdje h tr- učinkovitost visokofrekventnog (kaljenje) transformatora. Energija koja se troši iz mreže, određena specifičnom potrošnjom energije ali(kWh / t) i kapacitet G(t / h): za površinsko zagrijavanje gdje je D. i- prirast toplinskog udjela obratka kao rezultat zagrijavanja, kJ / kg; D- gustoća materijala obratka, kg / m 3; M 3 - težina obratka, kg; S 3- površina stvrdnutog sloja, m 2; b- metalni otpad (s indukcijskim zagrijavanjem 0,5-1,5%); h TP- učinkovitost prijenosa topline zbog toplinske vodljivosti unutar obratka (s površinskim otvrdnjavanjem h TP = 0,50). Ostatak zapisa je gore objašnjen. Približne vrijednosti specifične potrošnje energije tijekom indukcijskog zagrijavanja: temperiranje -120, kaljenje - 250, karburiziranje - 300, zagrijavanje za strojnu obradu - 400 kWh / t. Električni proračun. Električni izračun temelji se na ovisnosti (3.7). Razmotrimo slučaj gdje je dubina prodiranja z a mnogo manje od dimenzija prigušnice i dijela te udaljenosti ali između induktora i proizvoda mali je u usporedbi sa širinom induktivnog vodiča b(slika 3.1). U ovom slučaju, induktivitet L sa induktor sustava - proizvod se može izraziti formulom Zamjenjujući vrijednost struje u formuli (3.7) i imajući to u vidu Formula (3.30) daje odnos između specifične snage, električnih parametara i geometrijskih dimenzija induktora, fizičkih karakteristika zagrijanog metala. Uzimajući dimenzije induktora kao funkciju, dobivamo za zagrijano stanje Faktor snage induktora gdje je P aktivna snaga induktora, W; U i- napon na induktoru, V; f- frekvencija Hz. Prilikom spajanja kondenzatora na primarni krug visokofrekventnog transformatora, kapacitet kondenzatora mora se povećati kako bi se kompenzirala reaktivnost transformatora i spojnih vodiča. Primjer. Izračunajte induktor i odaberite visokofrekventni stroj za površinsko stvrdnjavanje za cilindrične gredice od ugljičnog čelika promjera d a= 30 mm i visina h a= 90 mm. Dubina stvrdnutog sloja x k = 1 mm, napon na induktoru U i = 100 V. Preporučenu frekvenciju nalazimo po formuli (218): Zaustavljamo se na najbližoj primijenjenoj frekvenciji f= 67 kHz. Iz grafikona (slika 3.7) uzimamo D R= 400 W / cm 2. Formulom (3.33) nalazimo al za hladno stanje: Prihvacamo ali= 0,5 cm, zatim promjer induktora Dužina induktivnog vodiča Broj zavoja induktora Visina induktora Snaga koja se daje induktoru, prema gdje je 0,66 učinkovitost induktora (slika 3.8). Oscilatorna snaga generatora Odabiremo visokofrekventnu jedinicu LPZ-2-67M, koja ima oscilatornu snagu 63 kW i radnu frekvenciju 67 kHz. Tehnika indukcijskog grijanja koristi struje niske (industrijske) frekvencije 50 Hz, srednje frekvencije 150-10000 Hz i visoke frekvencije od 60 kHz do 100 MHz. Srednjofrekventne struje dobivaju se pomoću strojnih generatora ili pretvarača statičke frekvencije. U rasponu od 150-500 Hz koriste se generatori uobičajenog sinkronog tipa, a iznad (do 10 kHz) - strojni generatori induktorskog tipa. Nedavno su strojne generatore zamijenili pouzdaniji pretvarači statičke frekvencije na bazi transformatora i tiristora. Visokofrekventne struje od 60 kHz i više dobivaju se isključivo uz pomoć cijevnih generatora. Instalacije s generatorima svjetiljki koriste se za izvođenje različitih operacija toplinske obrade, površinskog kaljenja, taljenja metala itd. Ne dotičući se teorije problematike predstavljene u drugim tečajevima, razmotrit ćemo samo neke značajke generatora za grijanje. Generatori grijanja obično se izvode sa samopobudom (autogeneratori). U usporedbi s generatorima neovisne pobude, jednostavniji su u dizajnu i imaju bolje energetske i ekonomske performanse. Krugovi generatora svjetiljki za grijanje ne razlikuju se bitno od radiotehničkih, ali imaju neke posebnosti. Ovi krugovi ne zahtijevaju strogu frekvencijsku stabilnost, što ih uvelike pojednostavljuje. Shematski dijagram najjednostavnijeg generatora za indukcijsko zagrijavanje prikazan je na slici 3.10. Glavni element kruga je oscilatorna svjetiljka. U generatorima grijanja najčešće se koriste troelektrodne svjetiljke, koje su jednostavnije od tetroda i pentoda i pružaju dovoljnu pouzdanost i stabilnost proizvodnje. Opterećenje žarulje generatora je anodni oscilatorni krug čiji su parametri induktivnost L i kapacitet S odabiru se iz radnih uvjeta kruga u rezonanciji na radnoj frekvenciji: gdje R - smanjeni otpor gubitaka petlje. Okvirni parametri R, L, C određuju se uzimajući u obzir promjene unesene elektrofizičkim svojstvima zagrijanih tijela. Anodni krugovi svjetiljki generatora napajaju se istosmjernom strujom iz ispravljača sastavljenih na tiratronima ili gasotronima (slika 3.10). Iz ekonomskih razloga, napajanje izmjeničnom strujom koristi se samo za male snage (do 5 kW). Sekundarni napon energetskog (anodnog) transformatora koji napaja ispravljač je 8-10 kV, ispravljeni napon je 10-13 kV. Kontinuirane oscilacije u oscilatoru nastaju kada postoji dovoljna pozitivna povratna sprega mreže s krugom i ispunjeni su određeni uvjeti koji povezuju parametre žarulje i kruga. Koeficijent povratne sprege mreže gdje U sa , U to , U a- naponi na mreži, oscilatornom krugu i anodi oscilatorne svjetiljke; D- propusnost svjetiljke; s d- dinamički nagib karakteristika anodne rešetke svjetiljke. Povratne informacije mreže u generatorima za indukcijsko zagrijavanje najčešće se izvode prema shemi u tri točke, kada se napon mreže uzima s dijela induktivnosti anode ili kruga grijanja. Na slici 3.10 napon se na mrežu dovodi iz dijela zavoja komunikacijske zavojnice L2, koji je element induktivnosti kruga grijanja. Generatori grijanja, za razliku od radiotehničkih, najčešće se izvode u dvokružnom (slika 3.10) ili čak jednokružnom. Generatore s dva kruga lakše je podesiti na rezonanciju i stabilniji su u radu. U generatorima se pobuđuju oscilacije druge vrste. Anodna struja prolazi kroz svjetiljku u impulsima, samo tijekom dijela (1 / 2-1 / 3) perioda. Zbog toga se konstantna komponenta anodne struje smanjuje, zagrijavanje anode se smanjuje, a povećava se i učinkovitost generatora. Struja mreže također ima oblik impulsa. Isključivanje anodne struje (unutar graničnog kuta q = 70-90 °) provodi se primjenom konstantne negativne pristranosti na mrežu, koja nastaje padom napona na otporu mreže. R g kada teče konstantna komponenta struje mreže. Generatori za grijanje imaju različito opterećenje tijekom zagrijavanja, uzrokovano promjenom elektrofizičkih svojstava materijala koji se zagrijavaju. Kako bi se osigurao rad generatora u optimalnom načinu rada, koji karakteriziraju najveće vrijednosti izlazne snage i učinkovitosti, instalacije su opremljene uređajima za usklađivanje opterećenja. Optimalni način rada postiže se odabirom odgovarajuće vrijednosti koeficijenta povratne veze mreže k sa i ispunjenje uvjeta gdje E a - napon napajanja; E c - stalan pomak na mreži; Ja a1- prvi harmonik anodne struje. Kako bi odgovaralo opterećenju u krugovima, moguće je podesiti rezonantni otpor kruga R a i promijeniti napon na mreži U s. Promjena ovih vrijednosti postiže se uvođenjem dodatnih kondenzatora ili induktivnosti u krug i prebacivanjem anode, katode i stezaljki (sondi) koje povezuju krug sa svjetiljkom. Instalacije za indukcijsko grijanje vrlo su česte u popravcima i poduzećima "Selkhoztekhnike". U industriji popravaka struje srednjih i visokih frekvencija koriste se za prolazno i površinsko zagrijavanje dijelova od lijevanog željeza i čelika za kaljenje, prije vruće deformacije (kovanje, štancanje), pri obnavljanju dijelova navarivanjem i visokofrekventnom metalizacijom, pri lemljenju itd. Površinsko očvršćavanje dijelova zauzima posebno mjesto. Sposobnost koncentriranja snage na zadanom mjestu dijela omogućuje dobivanje kombinacije vanjskog otvrdnutog sloja s plastičnošću dubokih slojeva, što značajno povećava otpornost na trošenje i otpornost na izmjenična i udarna opterećenja. Prednosti površinskog stvrdnjavanja indukcijskim grijanjem su sljedeće: 1) sposobnost otvrdnjavanja dijelova i alata do bilo koje potrebne debljine, po potrebi obrada samo radnih površina; 2) značajno ubrzanje procesa stvrdnjavanja, što osigurava visoku produktivnost instalacija i smanjuje troškove toplinske obrade; 3) specifična potrošnja energije obično je manja u usporedbi s drugim metodama grijanja zbog selektivnosti grijanja (samo na zadanu dubinu) i brzine procesa; 4) visokokvalitetno otvrdnjavanje i smanjenje otpada; 5) mogućnost organiziranja tijeka proizvodnje i automatizacije procesa; 6) visoka kultura proizvodnje, poboljšanje sanitarno -higijenskih uvjeta rada. Instalacije za indukcijsko grijanje odabiru se prema sljedećim glavnim parametrima: namjeni, nazivnoj vibracijskoj snazi, radnoj frekvenciji. Postrojenja koja proizvodi industrija imaju standardnu ljestvicu snage sa sljedećim koracima: 0,16; 0,25; 0,40; 0,63; 1,0 kW i dalje pri množenju ovih brojeva s 10, 100 i 1000. Instalacije za indukcijsko grijanje imaju snagu od 1,0 do 1000 kW, uključujući one s generatorima svjetiljki do 250 kW, i veće s strojnim generatorima. Radna frekvencija, određena proračunom, specificirana je prema frekvencijskoj ljestvici dopuštenoj za uporabu u elektrotermiji. Visokofrekventne instalacije za indukcijsko grijanje imaju jedno indeksiranje: HFI (visokofrekventna indukcija). Nakon slova kroz crticu, oscilatorna snaga (kW) označena je u brojniku, a frekvencija (MHz) u nazivniku. Nakon brojeva ispisuju se slova koja označavaju tehnološku namjenu. Na primjer: VCHI-40 / 0,44-ZP-visokofrekventna indukcijska grijaća jedinica, oscilatorna snaga 40 kW, frekvencija 440 kHz; slova ZP - za površinsko stvrdnjavanje (NS - za zagrijavanje, ST - zavarivanje cijevi itd.). 1. Objasnite princip indukcijskog zagrijavanja. Njegov opseg. 2. Navedite glavne elemente instalacije za indukcijsko grijanje i naznačite njihovu namjenu. 3. Kako se izvodi namotavanje grijača? 4. Koje su prednosti grijača? 5. Što je fenomen površinskog efekta? 6. Gdje se može primijeniti indukcijski grijač zraka? 7. Što određuje dubinu prodiranja struje u zagrijani materijal? 8. Što određuje učinkovitost prstenastog induktora? 9. Zašto je potrebno koristiti feromagnetne cijevi za izradu indukcijskih grijača na industrijskim frekvencijama? 10. Koji je najznačajniji učinak na cos induktora? 11. Kako se brzina zagrijavanja mijenja s porastom temperature zagrijanog materijala? 12. Na koje parametre čelika utječe mjerenje temperature? INDUKCIJSKI GRIJAČ Je električno grijač radi pri promjeni toka magnetske indukcije u zatvorenoj provodnoj petlji. Taj se fenomen naziva elektromagnetska indukcija. Želite li znati kako radi indukcijski grijač? ZAVODRR je trgovački informacijski portal na kojem ćete pronaći informacije o grijačima. Indukcijska zavojnica može zagrijati bilo koji metal, tranzistorski grijači su sastavljeni i imaju visoku učinkovitost veću od 95%, dugo su zamijenili indukcijske grijače svjetiljki, čija učinkovitost nije prelazila 60%. Vrtložni indukcijski grijač za beskontaktno grijanje nema gubitaka za podešavanje rezonantne podudarnosti radnih parametara instalacije s parametrima izlaznog oscilatornog kruga. Vrtlovni grijači sastavljeni na tranzistorima mogu savršeno analizirati i prilagoditi izlaznu frekvenciju u automatskom načinu rada. Grijači za indukcijsko zagrijavanje metala imaju beskontaktnu metodu zbog djelovanja vrtložnog polja. Različite vrste grijača prodiru u metal do određene dubine od 0,1 do 10 cm, ovisno o odabranoj frekvenciji: Metalni indukcijski grijači omogućuju obradu dijelova ne samo na otvorenim površinama, već i postavljanje zagrijanih predmeta u izolirane komore, u kojima možete stvoriti bilo koje okruženje, kao i vakuum. Visokofrekventni električni indukcijski grijač svakodnevno dobiva nove načine primjene. Grijač radi na izmjeničnu električnu struju. Najčešće se indukcijski električni grijači koriste za dovođenje metala na potrebne temperature tijekom sljedećih operacija: kovanje, lemljenje, zavarivanje, savijanje, kaljenje itd. Električni indukcijski grijači rade na visokoj frekvenciji od 30-100 kHz i koriste se za zagrijavanje različitih vrsta medija i tekućina za prijenos topline. Električni grijač primjenjuje se u mnogim područjima: Kad je potrebno dublje zagrijavanje, koriste se srednjefrekventni indukcijski grijači koji rade na srednjim frekvencijama od 1 do 20 kHz. Kompaktni induktor za sve vrste grijača može biti vrlo različitog oblika, odabran tako da osigura ujednačeno zagrijavanje uzoraka najrazličitijih oblika, dok se može izvršiti zadano lokalno zagrijavanje. Srednjefrekventni tip će obrađivati materijale za kovanje i kaljenje, kao i zagrijavanjem za štancanje. Jednostavni za rad, s učinkovitošću do 100%, srednjefrekventni indukcijski grijači koriste se za širok raspon tehnologija u metalurgiji (također za taljenje različitih metala), strojarstvu, proizvodnji instrumenata i drugim poljima. Najširi raspon primjena ima visokofrekventne indukcijske grijače. Grijače karakterizira visoka frekvencija od 30-100 kHz i širok raspon snage od 15-160 kW. Visokofrekventni tip omogućuje plitko zagrijavanje, ali to je dovoljno za poboljšanje kemijskih svojstava metala. Visokofrekventni indukcijski grijači jednostavni su za rad i ekonomični, dok njihova učinkovitost može doseći 95%. Sve vrste rade kontinuirano dulje vrijeme, a verzija s dvije jedinice (kada je visokofrekventni transformator smješten u zasebnu jedinicu) omogućuje rad 24 sata dnevno. Grijač ima 28 vrsta zaštite, od kojih je svaka odgovorna za svoju funkciju. Primjer: praćenje tlaka vode u rashladnom sustavu. Indukcijski grijači mikrovalnog tipa rade na superfrekvenciji (100-1,5 MHz) i prodiru do dubine zagrijavanja (do 1 mm). Vrsta super visoke frekvencije neophodna je za obradu tankih, malih dijelova malog promjera. Korištenje takvih grijača omogućuje izbjegavanje neželjenih deformacija koje prate grijanje. UHF indukcijski grijači na bazi JGBT-modula i MOSFET-tranzistora imaju raspon snage od 3,5-500 kW. Koriste se u elektronici, u proizvodnji visokopreciznih instrumenata, satova, nakita, za proizvodnju žice i u druge svrhe koje zahtijevaju posebnu preciznost i finoću. Glavna svrha indukcijskih grijača kovačkog tipa (TSC) je zagrijavanje dijelova ili njihovih dijelova prije naknadnog kovanja. Blankovi mogu biti vrlo različitog tipa, legure i oblika. Indukcijski grijači za kovanje omogućuju automatsku obradu cilindričnih komada bilo kojeg promjera: Indukcijski grijači za stvrdnjavanje vratila raditi zajedno s kompleksom za stvrdnjavanje. Obradak je u okomitom položaju i rotira se unutar nepomičnog induktora. Grijač omogućuje uporabu svih vrsta valjaka za uzastopno lokalno zagrijavanje; dubina stvrdnjavanja može biti dio milimetra u dubinu. Kao rezultat indukcijskog zagrijavanja vratila po cijeloj dužini s trenutnim hlađenjem, njegova snaga i izdržljivost uvelike se povećavaju. Sve vrste cijevi mogu se tretirati indukcijskim grijačima. Grijač cijevi može biti zračno hlađen ili vodeno hlađen, snage 10-250 kW, sa sljedećim parametrima: Svaka se mogućnost toplinske obrade primjenjuje za poboljšanje kvalitete bilo koje čelične cijevi. Jedan od najvažnijih parametara rada indukcijskih grijača je temperatura. Za temeljitiju kontrolu nad njim, osim ugrađenih senzora, često se koriste i infracrveni pirometri. Ovi optički instrumenti omogućuju vam brzo i jednostavno određivanje temperature teško dostupnih (zbog velike topline, vjerojatnosti izloženosti električnoj energiji itd.) Površina. Priključite li pirometar na indukcijski grijač, ne samo da možete pratiti temperaturni režim, već i automatski održavati temperaturu grijanja određeno vrijeme. Tijekom rada u induktoru se stvara magnetsko polje u koje se postavlja dio. Ovisno o zadatku (dubini zagrijavanja) i dijelu (sastavu), odabire se frekvencija, može biti od 0,5 do 700 kHz. Načelo rada grijača prema zakonima fizike kaže: kada je vodič u izmjeničnom elektromagnetskom polju, u njemu se stvara EMF (elektromotorna sila). Graf amplitude pokazuje da se kreće proporcionalno promjeni brzine magnetskog toka. Zbog toga se u krugu stvaraju vrtložne struje čija veličina ovisi o otporu (materijalu) vodiča. Prema Joule-Lenzovom zakonu, struja dovodi do zagrijavanja vodiča koji ima otpor. Princip rada svih vrsta indukcijskih grijača sličan je transformatoru. Vodljivi radni komad, koji se nalazi u induktoru, sličan je transformatoru (bez magnetskog kruga). Primarni namot je induktor, sekundarni induktivitet dijela, a opterećenje je otpor metala. Tijekom zagrijavanja HFC -om nastaje "učinak kože", vrtložne struje koje nastaju unutar obratka istiskuju glavnu struju na površinu vodiča, jer je zagrijavanje metala na površini jače nego unutra. Indukcijski grijač ima neporecive prednosti i vodeći je među svim vrstama uređaja. Ova prednost sažeta je u sljedeće: Popravak indukcijskih grijača vrši se od rezervnih dijelova iz našeg skladišta. Trenutno možemo popraviti sve vrste grijača. Indukcijski grijači prilično su pouzdani ako se strogo pridržavate uputa za rad i izbjegavate ekstremne načine rada - prije svega, pratite temperaturu i pravilno hlađenje vodom. Zamršenosti rada svih vrsta indukcijskih grijača često nisu u potpunosti objavljene u dokumentaciji proizvođača; njihov popravak trebaju izvesti kvalificirani stručnjaci koji su dobro upoznati s detaljnim načelom rada takve opreme. Možete pogledati video zapis rada indukcijskog grijača srednje frekvencije. Srednja frekvencija koristi se za duboki prodor u sve vrste metalnih proizvoda. Grijač srednje frekvencije pouzdana je i moderna oprema koja radi non -stop u korist vaše tvrtke.
Glavna značajka indukcijskog grijanja je pretvaranje električne energije u toplinu pomoću promjenjivog magnetskog toka, tj. Induktivno. Ako se izmjenična električna struja I propušta kroz cilindrični spiralni svitak (induktor), tada se oko zavojnice stvara izmjenično magnetsko polje F m, kao što je prikazano na Sl. 1-17, c. Magnetski tok ima najveću gustoću unutar zavojnice. Kad se metalni vodič postavi u indukcijsku šupljinu, u materijalu nastaje elektromotorna sila čija je trenutna vrijednost: Pod utjecajem elektromotorne sile u metalu smještenom u magnetsko polje koje se brzo mijenja nastaje električna struja čija veličina prvenstveno ovisi o veličini magnetskog toka koji prelazi konturu zagrijanog materijala i učestalosti struje f koja tvori magnetski tok. Stvaranje topline tijekom indukcijskog zagrijavanja događa se izravno u volumenu zagrijanog materijala, a većina topline oslobađa se u površinskim slojevima zagrijanog dijela (površinski učinak). Debljina sloja u kojem dolazi do najaktivnijeg oslobađanja topline je: gdje ρ - otpor, ohm * cm; μ je relativna magnetska propusnost materijala; f - frekvencija, Hz. Iz gornje formule se može vidjeti da se debljina aktivnog sloja (dubina prodiranja) smanjuje za dati metal s povećanjem učestalosti. Izbor frekvencije ovisi uglavnom o tehnološkim zahtjevima. Na primjer, pri taljenju metala potrebna je frekvencija od 50 - 2500 Hz, pri zagrijavanju - do 10.000 Hz, s površinskim otvrdnjavanjem - 30.000 Hz ili više. Kod taljenja lijevanog željeza koristi se industrijska frekvencija (50 Hz), što omogućuje povećanje ukupne učinkovitosti. instalacije, budući da su gubici energije za pretvaranje frekvencije isključeni. Indukcijsko zagrijavanje je velike brzine jer se toplina oslobađa izravno u debljini zagrijanog metala, što omogućuje topljenje metala u indukcijskim električnim pećima 2-3 puta brže nego u reflektirajućim plamenima. Zagrijavanje strujama visoke frekvencije može se izvesti u bilo kojoj atmosferi; indukcijske grijaće jedinice ne zahtijevaju vrijeme zagrijavanja i lako se integriraju u automatske i proizvodne linije. Uz pomoć indukcijskog zagrijavanja mogu se postići temperature do 3000 ° C i više. Zbog svojih prednosti, visokofrekventno grijanje naširoko se koristi u metalurškoj, strojarskoj i metaloprerađivačkoj industriji, gdje se koristi za taljenje metala, tijekom toplinske obrade dijelova, zagrijavanje za štancanje itd. NAČELO RADA INDUKCIJSKIH PEĆI. NAČELO INDUKCIJSKOG GRIJANJA
Princip indukcijskog zagrijavanja je pretvaranje energije elektromagnetskog polja koje apsorbira električno vodljivi grijani objekt u toplinsku energiju. U instalacijama s indukcijskim grijanjem, induktor stvara elektromagnetsko polje, koje je višekružna cilindrična zavojnica (solenoid). Naizmjenična električna struja prolazi kroz induktor, zbog čega oko induktora nastaje izmjenično magnetsko polje koje se mijenja u vremenu. Ovo je prva transformacija energije elektromagnetskog polja opisana Maxwellovom prvom jednadžbom. Predmet koji treba zagrijati stavlja se unutar induktora ili pored njega. Vremenski promjenjivi tok vektora magnetske indukcije koji stvara induktor prodire u zagrijani objekt i inducira električno polje. Električne linije ovog polja nalaze se u ravnini okomitoj na smjer magnetskog toka i zatvorene su, odnosno električno polje u grijanom objektu ima vrtložni karakter. Pod utjecajem električnog polja, prema Ohmovom zakonu, nastaju provodne struje (vrtložne struje). Ovo je druga transformacija energije elektromagnetskog polja, opisana drugom Maxwellovom jednadžbom. U zagrijanom objektu energija induciranog izmjeničnog električnog polja nepovratno se pretvara u toplinu. To toplinsko rasipanje energije, koje rezultira zagrijavanjem objekta, određeno je postojanjem provodnih struja (vrtložnih struja). Ovo je treća transformacija energije elektromagnetskog polja, a omjer energije te transformacije opisuje Lenz-Jouleov zakon. Opisane transformacije energije elektromagnetskog polja omogućuju: Na veličinu jakosti električnog polja u grijanom objektu utječu dva čimbenika: veličina magnetskog toka, tj. Broj magnetskih vodova sile koji prodiru u objekt (ili su prilijepljeni na grijani objekt) i učestalost napajanja struja, odnosno učestalost promjena (u vremenu) magnetskog toka spojenog na grijani objekt. To omogućuje izvođenje dvije vrste instalacija s indukcijskim grijanjem, koje se razlikuju i po dizajnu i po radnim svojstvima: indukcijske instalacije s jezgrom i bez jezgre. Prema tehnološkoj namjeni, instalacije za indukcijsko grijanje dijele se na peći za taljenje metala i instalacije za grijanje za toplinsku obradu (kaljenje, kaljenje), za zagrijavanje obratka prije plastične deformacije (kovanje, štancanje), za zavarivanje, lemljenje i navarivanje, za kemijsku i toplinsku obradu.proizvodi itd. Prema učestalosti promjene struje koja napaja instalaciju indukcijskog grijanja razlikuju se: Slični dokumenti
Ultračisti, beskontaktni taljenje metala, lemljenje i zavarivanje.
Dobivanje prototipova legura.
Savijanje i toplinska obrada dijelova strojeva.
Izrada nakita.
Obrada malih dijelova koji se mogu oštetiti zagrijavanjem plamena ili luka.
Površinsko otvrdnjavanje.
Kaljenje i toplinska obrada složenih dijelova.
Dezinfekcija medicinskih instrumenata.
- povećanje radne frekvencije, što dovodi do komplikacija i poskupljenja instalacije;
- korištenje feromagnetskih umetaka u induktoru; lijepljenje induktora pločama od feromagnetnog materijala.
b) konstantna snaga oslobođena u izratku
c) najveću moguću učinkovitost.
Paralelni oscilatorni krug - strujna rezonancija.
U tom slučaju napon na zavojnici i na kondenzatoru je isti kao i na generatoru. Pri rezonanciji, otpor petlje između točaka grananja postaje maksimalan, a struja (ukupno I) kroz otpor opterećenja Rn bit će minimalna (struja unutar petlje I-1L i I-2c veća je od struje generatora).
Zaključak:
U paralelnom krugu na rezonanciji, struja kroz stezaljke kruga je 0, a napon je maksimalan.
U serijskom krugu, naprotiv, napon teži nuli, a struja je najveća..
(3.7)
.
(3.14)
,
(3.26)
Hz.
cm 2.
cm
cm
kw
kW.
Vortex indukcijski grijači
Metalni indukcijski grijači
Električni indukcijski grijač
Indukcijski grijači srednje frekvencije
Visokofrekventni indukcijski grijači
Indukcijski grijači ultra visoke frekvencije
Kovanje indukcijskih grijača
Indukcijski grijači vratila
Grijači s indukcijskim cijevima
Pirometar za grijanje
Princip rada indukcijskih grijača
Prednosti indukcijskih grijača
Videozapis rada indukcijskih grijača srednje frekvencije
1) prenesite električnu energiju induktora na zagrijani objekt bez pribjegavanja kontaktima (za razliku od otpornih peći)
2) za oslobađanje topline izravno u grijanom objektu (tzv. "Peć s unutarnjim izvorom grijanja" u terminologiji peći Prof. NV s vanjskim izvorom grijanja ").
1) instalacije industrijske frekvencije (50 Hz), napajane iz mreže izravno ili putem padajućih transformatora;
2) instalacije povećane frekvencije (500-10000 Hz), koje pokreću električni strojevi ili poluvodički pretvarači frekvencije;
3) visokofrekventne instalacije (66.000-440.000 Hz i više) koje pokreću elektronički cijevni generatori.
