Эксплуатация индукционных нагревателей

...

1.JPG

В этой статье мы будем говорить о реальных проблемах в эксплуатации современных индукционных нагревателей. Проблемы эти не выдуманы, они реально возникали у наших покупателей. И нам приходилось их решать совместными усилиями. Вам будет проще, ведь недаром говорят, предупрежден, значит вооружен!

1. Оптимизация рабочей частоты индукционных нагревателей

Главным преимуществом современных индукционных нагревателей является автоматическая подстройка резонансной частоты генерации под параметры колебательного контура, состоящего из выходного конденсатора, высокочастотного трансформатора и индукционной катушки. Чем больше рабочий диапазон частот генератора, тем более разнообразные по диаметру и количеству витков индукционные катушки к нему можно подключать. И соответственно решать большее количество задач индукционного нагрева.

Однако, указанный производителями рабочий диапазон частот индукционных нагревателей не всегда нравится самим нагревателям. На самом деле, оптимальный диапазон несколько уже. По нашему опыту мы рекомендуем следующие диапазоны частот для различных типов индукционных нагревателей:

Серия СЧН (Среднечастотные низковольтные) указан диапазон - 1-20 кГц.

Реально диапазон частот разбит на два поддиапазона:

I – (1-10 кГц) Оптимальный диапазон - 5-9 кГц.

II- (10-20 кГц) Оптимальный диапазон - 12-17 кГц. 2.jpg

Серия СЧВ (Среднечастотные высоковольтные) указан диапазон - 1-20 кГц.

Оптимальный диапазон - 5-10 кГц

Серия ВЧС (Высокочастотные сверхзвуковые) указан диапазон 20-50 кГц.

Оптимальный диапазон - 23-32 кГц

Серия ВЧ (Высокочастотные) в зависимости от мощности:

ВЧ-05 указан диапазон – 100-250 кГц. Оптимальный диапазон - 180-220 кГц

ВЧ-15 указан диапазон – 30-100 кГц. Оптимальный диапазон - 30-60 кГц

ВЧ-25 – ВЧ-70 указан диапазон – 30-80 кГц. Оптимальный диапазон - 30-60 кГц

СВЧ-05 указан диапазон – 0,6-1,4 МГц. Оптимальный диапазон 0,6 - 0,8 МГц

Самое время задать вопрос, а что будет, если рабочая частота выйдет за пределы оптимального диапазона? Как правило, если частота слишком низкая, снизится мощность и сработает защита. А вот слишком высокая частота иногда не вызывает срабатывания защиты и приводит к выходу из строя JGBT модулей и драйверов управления ими.

Вывод следующий. При эксплуатации индукционных нагревателей на JGBT модулях необходимо контролировать частоту генерации индукционного нагревателя при подключении каждого нового индуктора. Для этих целей следует использовать подходящий осциллограф, частотомер, мультиметр или токовые клещи с функцией измерения частоты и соответствующим диапазоном частот.

Для измерения рабочей частоты индукционных нагревателей, рекомендуем использовать следующие цифровые измерительные приборы:

3.jpg

Не следует подключать клеммы измерителя непосредственно к клеммам индуктора, так можно сжечь измерительный прибор. Нужно намотать тонким проводом небольшую катушку и при измерении частоты поднести ее непосредственно к индуктору. Количество витков следует выбирать, соизмеряясь с чувствительностью измерительного прибора. Например, для устойчивой работы осциллографа хватает и полвитка измерительной катушки. А для измерения частоты с помощью мультиметра необходимы 3-5 витков.

В комплект поставки индукционных нагревателей серии СЧН, ВЧ и ВЧС входит универсальный выходной трансформатор, с его помощью можно решать ограниченный круг задач индукционного нагрева. К нему можно подключать определенное количество витков индукционной катушки. Если нужно подключить большее количество, витки индукционной катушки можно добавлять параллельно 2-мя, 3-мя и даже 4-мя секциями. См. фото. Это делается для удержания резонансной частоты выше нижнего предела.

Иногда в целях закалки необходимо значительно уменьшить количество витков индукционной катушки, например, требуется катушка всего в полвитка. При столь малой индуктивности катушки, частота генерации поднимется выше верхнего допустимого предела. Загорится индикатор «слишком высокая частота». Может произойти срабатывание защиты прибора. В любом случае перед выводом индукционного генератора на полную мощность, следует измерить рабочую частоту генерации на минимальной мощности с помощью рекомендованных выше цифровых измерительных приборов.

Оптимальные зазоры между индуктором и катушкой

Обычное расстояние от заготовки до поверхности индуктора 3-5 мм. Серия нагревателей ВЧ работает и при увеличении этого зазора до 10-20 мм и более, однако при этом существенно падает коэффициент заполнения индуктора и КПД передачи индукционного поля в нагреваемую деталь. Серия СЧН не переносит увеличения зазора более 5 мм. А вот для СВЧ нагревателей зазор между деталью и индуктором должен быть минимальным 2-3 мм. Однако не забывайте, что деталь при закалке ведет (она изгибается). Иногда приходится ставить направляющие, что бы не задевать индуктором вращающуюся при сканирующей закалке деталь.

2. Современные закалочные трансформаторы для индукционных нагревателей

Для эффективного использования ТВЧ установки для закалки разнообразных по геометрии деталей вам потребуется заменить универсальный выходной трансформатор с фиксированным коэффициентом трансформации на закалочный трансформатор (ТЗ) с переключаемым коэффициентом трансформации.

Современные закалочные трансформаторы бывают трех видов для различных диапазонов частот:

5.jpg

В зависимости от рабочего диапазона частот сердечник закалочного трансформатора изготавливается из различных материалов. Для диапазона 1-8 кГц используется сердечник из трансформаторной стали. На частотах 3-50 кГц, применяется ферриты. На частотах 50 Гц – 15 кГц могут использоваться сердечники из аморфного железа. На частотах 20-350 кГц, так же применяются ферриты. 6.jpg

Сердечник закалочного трансформатора, как правило, охлаждается водой. Медные трубки водяного охлаждения располагают как по периметру сердечника, так и внутри него. Самые современные, запатентованные ТЗ имеют, плавающий в воде сердечник из трансформаторной стали. См. фото.

Обязательно охлаждаются водой и сами обмотки ТЗ, выполненные из медных трубок различного диаметра. Соответственно чем выше мощность, тем больше размер трансформатора и внутренний диаметр медных трубок обмоток.

При любом подключении первичных обмоток, а подключают их только последовательно, их рабочее напряжение равно 550-800 Вольт, что соответствует выходному напряжению транзисторного индукционного генератора. ТЗ, как правило, содержит две выходные обмотки, обычно это две одновитковые обмотки. В зависимости от задач индукционного нагрева, их можно включать по отдельности, параллельно и последовательно.

В зависимости от выбранного коэффициента трансформации, выходное напряжение холостого хода колеблется в диапазоне от двух десятков до полутора сотен Вольт. Выходной ток может достигать десятков тысяч Ампер. Естественно, что при подключенном индукторе, выходное напряжение под нагрузкой, сильно падает.

Коэффициент трансформации в зависимости от конструкции и мощности ТЗ бывает различным и колеблется в диапазоне от 1,5 /1 до 24/1. Т.е. ТЗ в состоянии понизить напряжение в 24 раза и при этом во столько же раз увеличить выходной ток. Что позволяет сконцентрировать индукционную энергию на малой площади нагрева. При этом не следует забывать, что увеличивать бесконечно ток, протекающий по рабочей поверхности индукционной катушки, мы не можем. Она может расплавиться при отдаваемой мощности более 1,5 кВт/см.кв. Иногда для увеличения поверхностной мощности индукционные катушки делают из серебра.

А вот увеличивать толщину рабочей поверхности индуктора не следует, т.к. ток идет по ее внешней поверхности. Это не касается циклических индукторов, стенки которых имеют большую толщину для обеспечения теплоотвода при цикле нагреве без охлаждения, охлаждение происходит в цикле подачи воды в индуктор. Если циклический индуктор сделать тонким, он просто расплавится…

Первичная обмотка ТЗ имеет до 10-ти секций включаемых последовательно. Чем большее количество секций подключено, тем выше коэффициент трансформации и тем ниже выходное напряжение. Ранее, при подключении ТЗ к тиристорным и ламповым генераторам с фиксированной рабочей частотой обязательно контролировали cosφ и добивались согласования подбором емкости конденсаторной батареи.

То же самое приходится делать на современных транзисторных генераторах с последовательным (резонансом) колебательным контуром. Но это неудобство с лихвой окупается высокой экономичностью нагрева на данных генераторах.

Когда речь идет о современных транзисторных генераторах с параллельным резонансным контуром, cosφ контролировать и подстраивать не надо. При работе этих генераторов на закалочный трансформатор необходимо попасть в диапазон частот генератора, смотри рекомендации выше.

ТЗ имеет свой диапазон рабочих частот, в него тоже нужно попасть. Водоохлаждаемая конденсаторная батарея так же имеет рабочую частоту, и желательно не удаляться от нее более чем на 20-30%. Если мы выходим из диапазона рекомендованных частот, так же как на старых генераторах, следует подобрать емкость выходного конденсатора.

Для нормальной работы, мощность ТЗ, измеряемая в кВА, должна быть в 4-5 раз больше мощности индукционного генератора измеряемой в кВт.

Подключение закалочного трансформатора

Подключение первичной обмотки высокочастотного закалочного трансформатора (ВЧТЗ) к генератору мощностью до 40 кВт осуществляется одним медным кабелем сечением не менее 80 кв.мм., 100 кВт – двумя кабелями, 160 кВт тремя кабелями того же сечения. Более мощные генераторы подключаются к ВЧТЗ только с помощью водоохлаждаемых тоководов.

С подключением среднечастотного закалочного трансформатора (СЧТЗ) ситуация совсем другая. Дело в том, что резонансные токи между параллельно включенной конденсаторной батареей и СЧТЗ примерно в 4 раза выше токов от генератора к конденсаторной батарее. Поэтому генератор средней мощности к конденсаторной батарее можно подключать кабелем, а вот соединение от конденсатора к индукционной катушке лучше выполнить с помощью водоохлаждаемого тоководов.

Внимание!!! Исключите касание водоохлаждаемых тоководов металлических конструкций и пола. В противном случае металл рядом с тоководом нагреется, а токовод может расплавиться и выйти из строя.

Водяное охлаждение закалочного трансформатора

Необходимо обеспечить водяное охлаждение ТЗ согласно руководства пользователя. Мощные ТЗ потребляют для охлаждения много воды. Соответственно нужен более производительный и мощный насос. На большинстве закалочных трансформаторов ставят отдельный манометр для измерения давления, следите за его показаниями, не допускайте падения давления. В противном случае, вы расплавите обмотки ТЗ. Ведь на ТЗ, как правило, нет сильфонного датчика защиты от недостатка давления!

3. Требования к системе водяного охлаждения индукционных нагревателей

Работа современной силовой инверторной электроники немыслима без эффективного водяного охлаждения. И, к сожалению, большинство поломок индукционных нагревателей связаны с неправильной эксплуатацией системы водяного охлаждения:

Давление воды

Давление в системе охлаждения большинства индукционных нагревателей должно быть около 2 атм. (2 кг/см.кв.)

Нельзя измерять давление на выходе воды из насоса, тем более, если к насосу подключено несколько потребителей воды. Давление следует измерять с помощью манометра на входе прибора, при полностью открытых входных кранах, при открытом свободном сливе на выходе прибора.

Современные индукционные нагреватели имеют сильфонные или электронные датчики давления воды. При недостаточном давлении датчики срабатывают и выключают прибор. Если давления не хватает, не пытайтесь перекрывать слив воды, это конечно позволит обмануть датчики давления, однако через несколько минут выведет прибор из строя из-за перегрева. Помните, что для нормальной работы системы охлаждения важно не только давление, но и расход воды, и если он недостаточный прибор начинает перегреваться.

Для исключения засорения трубными отложениями, поставьте на входе системы водяного охлаждения прибора сетчатый фильтр.

Берегитесь перегибания шлангов на выходе водяных магистралей приборов. По этой причине уже сгорали медные трубки обмоток высокочастотного трансформатора. Используйте достаточно прочные и толстые пластиковые или резиновые шланги на сливе воды. По мере износа заменяйте водяные шланги на новые.

Запрещается объединять сливы воды в один шланг. Объединение сливов приводит к взаимному влиянию давлением и нарушением равномерности охлаждения отдельных узлов оборудования. Следует разорвать сливы и направить струи воды в прямоугольную воронку для дальнейшей подачи в бак.

Не допускайте попадания воды внутрь прибора. Помните, что выпрямленное напряжение внутри прибора достигает 550В, при достаточно большой силе тока, и является смертельным для человека.

При проливе воды внутрь прибора, тщательно продуйте все узлы и просушите прибор как минимум в течение суток.

Качество воды

Ведущие мировые производители индукционных нагревателей рекомендуют использовать для охлаждения приборов дистиллированную или обессоленную воду. Например, воду, подготовленную по технологии обратного осмоса. Помните, что использование плохой, воды с солями приводит к нарушению правильной работы прибора. Обслуживающий персонал может получить поражение электрическим током через воду, т.к. вода с солями обладает значительной электропроводностью. Использование плохой воды приводит к отложению осадков и образованию накипи. Думаю, даже излишне объяснять к каким плачевным последствиям это может привести.

Максимальная температура воды

Во избежание перегрева оборудования не допускайте повышения температуры охлаждающей воды выше 40ºС. При необходимости, установите в магистраль подачи воды медный радиатор с вентилятором или пластинчатый теплообменник для охлаждения проточной технической водой.

Воздействие отрицательных температур

Берегите прибор от разморозки. Для хранения или транспортировки прибора при температуре ниже нуля градусов, следует тщательно продуть все водяные магистрали во избежание разрыва медных трубок и радиаторов JGBT модулей от распирания льдом.

4. Особенности энергоснабжения индукционных нагревателей

К работе с индукционными нагревателями допускаются специалисты, прошедшие подготовку к работе на оборудовании данного типа. Подключение/отключение к промышленной сети 380В производится только электриками с соответствующей категорией допуска.

Во избежание поражения электрическим током, запрещается снимать кожух прибора находящегося под напряжением и включать прибор со снятым кожухом.

Ремонтом индукционного оборудования должны заниматься специализированные организации, имеющие права на гарантийное и послегарантийное обслуживание.

Современные индукционные нагреватели работоспособны при напряжении в сети в диапазоне 340-420 В. В сельской местности и не только возможно чрезмерное повышение напряжения в вечернее время, что приводит к срабатыванию защиты прибора. При включении прибора, напряжение в сети уменьшается и гаснет индикатор превышения напряжения в сети.

При несимметричном распределении нагрузки в сети 380 В, возможно уменьшение напряжения одной из фаз. Прибор может диагностировать это понижение, как исчезновение одной фазы и отключиться.

Обязательно заземлите корпус прибора с помощью провода необходимого сечения, указанного в Руководстве пользователя.

5. Общие меры безопасности при работе на индукционных нагревателях

7.jpgВнимание!!! К работе на индукционных нагревателях не допускаются люди с имплантированными кардиостимуляторами, из-за возможного нарушения их нормальной работы в результате воздействия мощными электромагнитными полями.

К индукционным катушкам мощных кузнечных нагревателей нельзя приближаться с металлическими предметами в карманах, они могут нагреться и вызвать ожоги.

Мощные электромагнитные поля, излучаемые индукторами, могут являться источником электрических наводок в соседних металлоконструкциях. Во избежание поражения электрическим током все рамы, транспортеры и подставки должны быть надежно заземлены.

Мощное электромагнитное поле способно сдвигать нагреваемые детали в автоматических индукционных кузнечных нагревателях, что может привести к заклиниванию деталей и повреждению футеровки индуктора.

Мощное электромагнитное поле является одним из факторов вызывающим предрасположенность к онкологическим заболеваниям человека. По возможности сократите время пребывания в непосредственной близости с источником электромагнитного поля. Таким источником в первую очередь являются индукционные катушки мощных плавильных печей и индукционных кузнечных нагревателей.

Считается, что воздействие электромагнитного поля связано с частотой излучения и его мощностью. Чем выше мощность и частота, тем опаснее излучение.

Полагаю, что термистам и плавильщикам, работающим на ТВЧ установках, иногда стоит менять свою профессию.

6. Своевременная очистка от пыли – защита от электрических пробоев

Современные индукционные нагреватели охлаждаются не только водой. Часть греющихся узлов охлаждается с помощь потока воздуха, создаваемым вентилятором – куллером. В воздухе цехов, как правило, находится много пыли. Именно она затягивается вентилятором внутрь корпуса прибора и оседает на стенках, на сильноточных и слаботочных электронных компонентах.

Техническая пыль электропроводна, особенно на высоких частотах генерации индукционных нагревателей. Если периодически примерно раз в 2-3 месяца не очищать индукционный нагреватель и высокочастотный трансформатор от пыли, можно гарантировать электрический пробой по пыли через 2-3 года его работы.

8.jpg

Электрический пробой начинается по пыли на высоковольтной части прибора, мгновенно происходит ионизация воздуха, он становится электропроводным. В приборе образуется шар высокотемпературной плазмы, сжигающий не только электронные компоненты, но и медные шины в палец толщиной. Прожигается корпус, взрываются конденсаторы. В результате подобного пробоя требуется ремонт по стоимости соизмеримый со стоимостью самого прибора.

Внимание!!! Периодическая очистка от пыли – единственный способ поддержания многолетней работоспособности индукционного оборудования.

Удаление пыли, совсем не сложная операция. Пыль следует удалять с помощью мягкой щетки пылесоса, а в труднодоступных местах, например с обмоток ВЧ трансформатора, с помощью продувки сухим сжатым воздухом. Есть очень хороший способ полностью избавиться от пыли, скапливающейся внутри индукционного нагревателя. Особенно он важен, когда используется индукционный нагреватель большой мощности и соответственно дорогой. Мощные элитные нагреватели имеют встроенные системы водяного охлаждения воздуха в шкафу. Они состоят из радиатора, по которому циркулирует вода из системы водяного охлаждения и вентилятора, который обеспечивает циркуляцию охлажденного воздуха через радиатор и пространство шкафа с электронными компонентами. Напротив сильно греющихся конденсаторов устанавливают дополнительные вентиляторы - кулеры. См. фото.

Конечно, выводы каждый сделает сам:

Кто-то предпочтет недорогое индукционное оборудование и будет за ним периодически ухаживать. А кто-то купит надежное и дорогое оборудование. Дополнительные затраты сторицей окупятся многолетней эксплуатацией без разорительных ремонтов и дополнительных затрат на обслуживание.

Обращайтесь в компанию «Мосиндуктор», у нас есть оборудование на любой вкус и кошелек.

Автор статьи директор компании «Мосиндуктор»

(С) 2011 Кучеров Вячеслав Васильевич

Авторские права защищены.

Гарантируется судебное преследование

за размещение статьи на любом сайте

кроме www.mosinductor.ru


...
...