Calentamiento por inducción de alta frecuencia. Calentadores de inducción de vórtice
La invención se refiere a la ingeniería eléctrica y tiene como objetivo aumentar la vida útil de las antorchas de plasma RFID y aumentar su eficiencia térmica. El problema se resuelve por el hecho de que la antorcha de plasma HFI contiene una cámara de descarga cilíndrica realizada en forma de perfiles metálicos longitudinales refrigerados por agua colocados en una carcasa dieléctrica protectora, un inductor que encierra la carcasa, instalado en el interior de la cámara de descarga en su extremo parte, los nodos de entrada de los gases protectores principales y térmicos. La unidad de entrada de gas de protección térmica se realiza en forma de una o más filas anulares coaxiales de tubos metálicos longitudinales con el número en cada fila igual al número de secciones metálicas perfiladas longitudinales. Los tubos del lado del inductor tienen un hueco perfilado para la salida de los gases, así como un hueco longitudinal con respecto a los tubos adyacentes en fila hasta una distancia de al menos un diámetro interior de la cámara de descarga, contando desde la bobina más cercana de el inductor Los tubos están conectados a lo largo de la superficie lateral mediante soldadura blanda o soldada con tubos metálicos longitudinales ubicados radialmente de la fila anular coaxial adyacente, y los tubos metálicos longitudinales de la fila más cercana a las secciones metálicas perfiladas longitudinales están conectados a lo largo de la superficie lateral con la sección adyacente. mediante soldadura blanda o soldada. La unidad principal de entrada de gas del lado del inductor está equipada con un diafragma ubicado a una distancia de al menos un diámetro interior de la cámara de descarga de la bobina más cercana del inductor y que tiene al menos un orificio para el paso del gas. Los extremos de los tubos metálicos longitudinales para salida de gas en cada fila están situados fuera de la zona del inductor y equidistantes de su vuelta más cercana, y la distancia de los extremos de los tubos metálicos longitudinales para salida de gas de la bobina más cercana del inductor aumenta con la distancia de la fila anular coaxial de las secciones metálicas perfiladas longitudinales. Los tubos metálicos longitudinales están ubicados en la superficie de los tubos metálicos longitudinales adyacentes ubicados radialmente, y los tubos metálicos longitudinales de la fila anular coaxial más cercana a las secciones metálicas perfiladas longitudinales están ubicados en la superficie de las secciones adyacentes. El diafragma en el lado del inductor forma un espacio anular para el paso de gas con tubos metálicos longitudinales de la fila anular coaxial más cercana, y la altura del espacio anular para el paso de gas es menor que la altura del espacio perfilado para la salida de gas de los tubos metálicos longitudinales de la fila anular coaxial más próxima. El uso del diseño propuesto del soplete de plasma RFI como generador de plasma de baja temperatura en procesos de chorro de plasma para procesar materiales dispersos hizo posible crear dispositivos de reactores de plasma efectivos para abrir materias primas de minerales finamente molidos, esferoidizar materiales dispersos y obtener polvos de óxido altamente dispersos mediante la generación de chorros de plasma no retorcidos con una eficiencia térmica de los plasmatrones RFI de más del 80 %. 15 zp f-ly, 5 enfermos.
El calentamiento por inducción es un método de calentamiento sin contacto por corrientes de alta frecuencia (ing. RFH - calentamiento por radiofrecuencia, calentamiento por ondas de radiofrecuencia) de materiales eléctricamente conductores.
Descripción del método.
El calentamiento por inducción es el calentamiento de materiales. Corrientes eléctricas, que son inducidos por un campo magnético alterno. Por lo tanto, este es el calentamiento de productos hechos de materiales conductores (conductores) por el campo magnético de los inductores (fuentes de un campo magnético alterno). El calentamiento por inducción se lleva a cabo como sigue. Se coloca una pieza de trabajo eléctricamente conductora (metal, grafito) en el llamado inductor, que es una o más vueltas de cable (la mayoría de las veces de cobre). Se inducen potentes corrientes de varias frecuencias (desde decenas de Hz hasta varios MHz) en el inductor utilizando un generador especial, como resultado de lo cual surge un campo electromagnético alrededor del inductor. El campo electromagnético induce corrientes de Foucault en la pieza de trabajo. Las corrientes de Foucault calientan la pieza de trabajo bajo la acción del calor de Joule (consulte la ley de Joule-Lenz).
El sistema de inductor en blanco es un transformador sin núcleo en el que el inductor es el devanado primario. La pieza de trabajo es un devanado secundario cortocircuitado. El flujo magnético entre los devanados se cierra en el aire.
A alta frecuencia, las corrientes de Foucault son desplazadas por el campo magnético formado por ellas en capas superficiales delgadas de la pieza de trabajo Δ (efecto de superficie), como resultado de lo cual su densidad aumenta bruscamente y la pieza de trabajo se calienta. Las capas subyacentes del metal se calientan debido a la conductividad térmica. No es la corriente lo importante, sino la alta densidad de corriente. En la capa de piel Δ, la densidad de corriente disminuye en un factor de e en relación con la densidad de corriente en la superficie de la pieza de trabajo, mientras que el 86,4 % del calor se libera en la capa de piel (del calor total liberado). La profundidad de la capa de piel depende en la frecuencia de radiación: cuanto mayor sea la frecuencia, la capa de piel más delgada También depende de la permeabilidad magnética relativa μ del material de la pieza de trabajo.
Para hierro, cobalto, níquel y aleaciones magnéticas a temperaturas por debajo del punto de Curie, μ tiene un valor de varios cientos a decenas de miles. Para otros materiales (fundiciones, metales no ferrosos, eutécticos líquidos de bajo punto de fusión, grafito, electrolitos, cerámica eléctricamente conductora, etc.), μ es aproximadamente igual a uno.
Por ejemplo, a una frecuencia de 2 MHz, la profundidad de la piel del cobre es de aproximadamente 0,25 mm, para el hierro ≈ 0,001 mm.
El inductor se calienta mucho durante el funcionamiento, ya que absorbe su propia radiación. Además, absorbe la radiación de calor de una pieza de trabajo caliente. Hacer inductores de tubos de cobre enfriado por agua. El agua se suministra por succión, lo que garantiza la seguridad en caso de quemadura u otra despresurización del inductor.
Solicitud:
Fusión, soldadura blanda y soldadura ultralimpia sin contacto de metal.
Obtención de prototipos de aleaciones.
Curvado y tratamiento térmico de piezas de máquinas.
negocio de la joyería.
Mecanizado de piezas pequeñas que pueden dañarse por llama o calentamiento por arco.
Endurecimiento superficial.
Endurecimiento y tratamiento térmico de piezas de forma compleja.
Desinfección de instrumental médico.
Ventajas.
Calentamiento o fusión a alta velocidad de cualquier material conductor de electricidad.
El calentamiento es posible en una atmósfera de gas protector, en un medio oxidante (o reductor), en un líquido no conductor, en vacío.
Calentamiento a través de las paredes de una cámara protectora de vidrio, cemento, plástico, madera: estos materiales absorben muy débilmente la radiación electromagnética y permanecen fríos durante el funcionamiento de la instalación. Solo se calienta el material conductor de la electricidad: metal (incluido el fundido), carbono, cerámica conductora, electrolitos, metales líquidos, etc.
Debido a las fuerzas MHD emergentes, el metal líquido se mezcla intensamente, hasta mantenerlo suspendido en aire o gas protector - así se obtienen aleaciones ultrapuras en pequeñas cantidades(fusión por levitación, fusión en un crisol electromagnético).
Dado que el calentamiento se realiza por medio de radiación electromagnética, no hay contaminación de la pieza de trabajo por los productos de combustión de la antorcha en el caso de calentamiento por llama de gas, o por el material del electrodo en el caso de calentamiento por arco. La colocación de las muestras en una atmósfera de gas inerte y una alta velocidad de calentamiento eliminará la formación de incrustaciones.
Facilidad de uso debido al pequeño tamaño del inductor.
El inductor se puede hacer en una forma especial; esto permitirá calentar partes de configuración compleja de manera uniforme en toda la superficie, sin que se deformen o no se calienten localmente.
Es fácil realizar calentamiento local y selectivo.
Dado que el calentamiento más intenso ocurre en las capas superiores delgadas de la pieza de trabajo y las capas subyacentes se calientan más suavemente debido a la conductividad térmica, el método es ideal para el endurecimiento de la superficie de las piezas (el núcleo permanece viscoso).
Fácil automatización de equipos: ciclos de calentamiento y enfriamiento, control de temperatura y mantenimiento, alimentación y extracción de piezas de trabajo.
Unidades de calentamiento por inducción:
En instalaciones con una frecuencia de operación de hasta 300 kHz, se utilizan inversores en conjuntos IGBT o transistores MOSFET. Tales instalaciones están diseñadas para calentar piezas grandes. Para calentar piezas pequeñas, se utilizan altas frecuencias (hasta 5 MHz, el rango de ondas medias y cortas), las instalaciones de alta frecuencia se construyen sobre tubos electrónicos.
Además, para calentar piezas pequeñas, las instalaciones de alta frecuencia se basan en transistores MOSFET para frecuencias operativas de hasta 1,7 MHz. El control y la protección de transistores a frecuencias más altas presenta ciertas dificultades, por lo que la configuración de frecuencias más altas sigue siendo bastante costosa.
El inductor para calentar piezas pequeñas tiene talla pequeña y una pequeña inductancia, lo que conduce a una disminución en el factor de calidad del circuito oscilatorio de trabajo a bajas frecuencias y una disminución en la eficiencia, y también representa un peligro para el oscilador maestro (el factor de calidad del circuito oscilatorio es proporcional a L / C, un circuito oscilatorio con un factor de calidad bajo se “bombea” demasiado con energía, forma un cortocircuito a través del inductor y desactiva el oscilador maestro). Para aumentar el factor de calidad del circuito oscilatorio, se utilizan dos formas:
- aumentar la frecuencia de funcionamiento, lo que conduce a la complejidad y coste de la instalación;
- el uso de insertos ferromagnéticos en el inductor; pegando el inductor con paneles de material ferromagnético.
Dado que el inductor funciona de manera más eficiente a altas frecuencias, Aplicación industrial calentamiento por inducción recibido después del desarrollo y el inicio de la producción de potentes lámparas generadoras. Antes de la Primera Guerra Mundial, el calentamiento por inducción tenía un uso limitado. En ese momento, se utilizaban como generadores generadores de máquinas de alta frecuencia (obras de V.P. Vologdin) o instalaciones de descarga de chispas.
El circuito generador puede ser, en principio, cualquiera (multivibrador, generador RC, generador excitado independientemente, varios generadores de relajación) que funcione con una carga en forma de bobina inductora y tenga suficiente potencia. También es necesario que la frecuencia de oscilación sea suficientemente alta.
Por ejemplo, para "cortar" un alambre de acero con un diámetro de 4 mm en unos pocos segundos, se requiere una potencia oscilatoria de al menos 2 kW a una frecuencia de al menos 300 kHz.
El esquema se selecciona de acuerdo con los siguientes criterios: confiabilidad; estabilidad de fluctuación; estabilidad de la potencia liberada en la pieza de trabajo; facilidad de fabricación; facilidad de configuración; número mínimo de piezas para reducir costos; el uso de piezas que en conjunto dan una reducción de peso y dimensiones, etc.
Durante muchas décadas, un generador inductivo de tres puntos (generador Hartley, generador de autotransformador) se ha utilizado como generador de oscilaciones de alta frecuencia. comentario, circuito en un divisor de voltaje de bucle inductivo). Este es un circuito de fuente de alimentación paralelo autoexcitado para el ánodo y un circuito selectivo de frecuencia hecho en un circuito oscilatorio. Se ha utilizado con éxito y se sigue utilizando en laboratorios, talleres de joyería, empresas industriales, así como en la práctica amateur. Por ejemplo, durante la Segunda Guerra Mundial, en tales instalaciones se llevó a cabo el endurecimiento de la superficie de los rodillos del tanque T-34.
Desventajas de los tres puntos:
Baja eficiencia (menos del 40% cuando se usa una lámpara).
Una fuerte desviación de frecuencia en el momento de calentar piezas de trabajo hechas de materiales magnéticos por encima del punto de Curie (≈700С) (cambios de μ), que cambia la profundidad de la capa de la piel y cambia impredeciblemente el modo de tratamiento térmico. Cuando se tratan piezas críticas con calor, esto puede ser inaceptable. Además, las instalaciones de RF potentes deben operar en un rango estrecho de frecuencias permitidas por Rossvyazokhrankultura, ya que con un blindaje deficiente, en realidad son transmisores de radio y pueden interferir con la transmisión de televisión y radio, los servicios costeros y de rescate.
Cuando se cambian las piezas de trabajo (por ejemplo, de una más pequeña a una más grande), cambia la inductancia del sistema inductor-pieza de trabajo, lo que también conduce a un cambio en la frecuencia y la profundidad de la capa superficial.
Al cambiar los inductores de una sola vuelta a los de varias vueltas, a los más grandes o más pequeños, la frecuencia también cambia.
Bajo el liderazgo de Babat, Lozinsky y otros científicos, se desarrollaron circuitos generadores de dos y tres circuitos, con más alta eficiencia(hasta un 70%), así como un mejor mantenimiento de la frecuencia de funcionamiento. El principio de su acción es el siguiente. Debido al uso de circuitos acoplados y al debilitamiento de la conexión entre ellos, un cambio en la inductancia del circuito de trabajo no implica un cambio fuerte en la frecuencia del circuito de ajuste de frecuencia. Los transmisores de radio se construyen de acuerdo con el mismo principio.
Los generadores de alta frecuencia modernos son inversores basados en ensamblajes IGBT o transistores MOSFET potentes, generalmente fabricados de acuerdo con el esquema de puente o medio puente. Opera a frecuencias de hasta 500 kHz. Las puertas de los transistores se abren mediante un sistema de control de microcontrolador. El sistema de control, dependiendo de la tarea, le permite mantener automáticamente
A) frecuencia constante
b) potencia constante liberada en la pieza de trabajo
c) máxima eficiencia.
Por ejemplo, cuando un material magnético se calienta por encima del punto de Curie, el grosor de la capa superficial aumenta bruscamente, la densidad de corriente cae y la pieza de trabajo comienza a calentarse peor. Las propiedades magnéticas del material también desaparecen y el proceso de inversión de la magnetización se detiene: la pieza de trabajo comienza a calentarse peor, la resistencia de la carga disminuye abruptamente, lo que puede provocar el "espaciamiento" del generador y su falla. El sistema de control monitorea la transición a través del punto de Curie y aumenta automáticamente la frecuencia con una disminución abrupta de la carga (o reduce la potencia).
Comentarios.
El inductor debe colocarse lo más cerca posible de la pieza de trabajo si es posible. Esto no solo aumenta la densidad del campo electromagnético cerca de la pieza de trabajo (en proporción al cuadrado de la distancia), sino que también aumenta el factor de potencia Cos(φ).
El aumento de la frecuencia reduce drásticamente el factor de potencia (en proporción al cubo de la frecuencia).
Cuando los materiales magnéticos se calientan, también se libera calor adicional debido a la inversión de la magnetización; su calentamiento hasta el punto de Curie es mucho más eficiente.
Al calcular el inductor, es necesario tener en cuenta la inductancia de los neumáticos que conducen al inductor, que puede ser mucho mayor que la inductancia del propio inductor (si el inductor está hecho en forma de una sola vuelta de un pequeño diámetro o incluso parte de una vuelta - un arco).
Hay dos casos de resonancia en circuitos oscilatorios: resonancia de tensión y resonancia de corriente.
Circuito oscilatorio paralelo - resonancia de corrientes.
En este caso, el voltaje en la bobina y en el capacitor es el mismo que el del generador. En resonancia, la resistencia del circuito entre los puntos de ramificación se vuelve máxima y la corriente (I total) a través de la resistencia de carga Rn será mínima (la corriente dentro del circuito I-1l e I-2s es mayor que la corriente del generador) .
Idealmente, la impedancia del bucle es infinita: el circuito no extrae corriente de la fuente. Cuando la frecuencia del generador cambia en cualquier dirección de la frecuencia resonante, la impedancia del circuito disminuye y la corriente lineal (Itot) aumenta.
Circuito oscilatorio en serie - resonancia de tensión.
La característica principal de un circuito resonante en serie es que su impedancia es mínima en resonancia. (ZL + ZC - mínimo). Cuando la frecuencia se sintoniza a un valor por encima o por debajo de la frecuencia resonante, la impedancia aumenta.
Conclusión:
En un circuito paralelo en resonancia, la corriente a través de los conductores del circuito es 0 y el voltaje es máximo.
En un circuito en serie, ocurre lo contrario: el voltaje tiende a cero y la corriente es máxima.
El artículo fue tomado del sitio http://dic.academic.ru/ y transformado en un texto más comprensible para el lector por la compañía LLC Prominduktor.
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HF - descarga por inducción: condiciones de combustión, diseño y alcance
Introducción
Uno de los temas más importantes en la organización del plasma procesos tecnológicos es el desarrollo de fuentes de plasma con propiedades óptimas para esta tecnología, por ejemplo: alta uniformidad, especificada por la densidad del plasma, la energía de las partículas cargadas, la concentración de radicales químicamente activos. El análisis muestra que las fuentes de plasma de alta frecuencia (HF) son las más prometedoras para su uso en tecnologías industriales, ya que, en primer lugar, pueden usarse para procesar materiales tanto conductores como dieléctricos, y En segundo lugar, no solo se pueden usar gases inertes, sino también reactivos como gases de trabajo. Hoy en día se conocen fuentes de plasma basadas en descargas de RF capacitivas e inductivas. Una característica de una descarga de RF capacitiva, que se usa con mayor frecuencia en tecnologías de plasma, es la existencia de capas de carga espacial en los electrodos, en las que se forma una caída de potencial promediada en el tiempo que acelera los iones en la dirección del electrodo. Esto permite procesar muestras de materiales ubicados en los electrodos de una descarga capacitiva de RF utilizando iones acelerados. Una desventaja de las fuentes de descarga de RF capacitivas es la concentración de electrones relativamente baja en el volumen de plasma principal. Una concentración de electrones significativamente mayor a las mismas potencias de RF es característica de las descargas de RF inductivas.
La descarga de RF inductiva se conoce desde hace más de cien años. Esta es una descarga excitada por una corriente que fluye a través de un inductor ubicado en la superficie lateral o final, por regla general, de una fuente de plasma cilíndrica. En 1891, J. Thomson sugirió que una descarga inductiva es causada y mantenida por un campo eléctrico de vórtice, que es creado por un campo magnético que, a su vez, es inducido por la corriente que fluye a través de la antena. En 1928-1929, discutiendo con J. Thomson, D. Townsend y R. Donaldson expresaron la idea de que una descarga de RF inductiva no está respaldada por campos eléctricos de vórtice, sino por campos de potencial que aparecen debido a la presencia de una diferencia de potencial entre el vueltas del inductor. En 1929, K. McKinton mostró experimentalmente la posibilidad de la existencia de dos modos de combustión por descarga. A pequeñas amplitudes del voltaje de RF, la descarga realmente apareció bajo la acción de un campo eléctrico entre las vueltas de la bobina y tuvo el carácter de un débil resplandor longitudinal a lo largo de todo el tubo de descarga de gas. Con un aumento en la amplitud del voltaje de RF, el brillo se volvió más brillante y finalmente apareció una descarga anular brillante. El brillo causado por el campo eléctrico longitudinal desapareció en este caso. Posteriormente, estas dos formas de descarga se denominaron descarga E-H, respectivamente.
Las áreas de existencia de una descarga inductiva se pueden dividir en dos grandes áreas: esta altas presiones(acerca de presión atmosférica), en el que el plasma generado está cerca del equilibrio, y bajas presiones, en el que el plasma generado no está en equilibrio.
Descargas periódicas. Descargas de plasma de RF y microondas. Tipos de descargas de alta frecuencia
Para excitación y mantenimiento de una descarga luminiscente corriente continua es necesario que dos electrodos conductores (metálicos) estén en contacto directo con la zona de plasma. Desde un punto de vista tecnológico, tal diseño de un reactor químico de plasma no siempre es conveniente. Primero, durante los procesos de deposición por plasma de recubrimientos dieléctricos, también se puede formar una película no conductora sobre los electrodos. Esto conducirá a un aumento de la inestabilidad de la descarga y, en última instancia, a su atenuación. En segundo lugar, en los reactores con electrodos internos, siempre existe el problema de la contaminación del proceso objetivo con materiales extraídos de la superficie del electrodo durante la pulverización física o reacciones químicas con partículas de plasma. Para evitar estos problemas, incluso por completo, abandonar el uso de electrodos internos permite el uso de descargas periódicas, excitadas no por un campo eléctrico constante, sino por uno alterno.
Los principales efectos que ocurren en las descargas periódicas están determinados por las relaciones entre las frecuencias características de los procesos de plasma y la frecuencia del campo aplicado. Es útil considerar tres casos típicos:
bajas frecuencias A frecuencias del campo externo hasta 10 2 - 10 3 Hz, la situación es cercana a la que se da en una constante campo eléctrico. Sin embargo, si la frecuencia característica de pérdida de carga vd es menor que la frecuencia de campo w(vd ?w), las cargas tienen tiempo de desaparecer después de que cambia el signo del campo antes de que el campo alcance un valor suficiente para sostener la descarga. Luego, la descarga se apagará y se encenderá dos veces durante el período del cambio de campo. El voltaje de reinicio de la descarga debe depender de la frecuencia. Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la fracción de electrones que tendrán tiempo de desaparecer durante la existencia del campo, que es insuficiente para mantener la descarga, menor será el potencial de reencendido. A bajas frecuencias después de la ruptura, la relación entre la corriente de combustión y el voltaje corresponde a la característica estática de corriente-voltaje de la descarga (Fig. 1, curva 1). Los parámetros de descarga "rastrean" los cambios de voltaje.
Frecuencias intermedias. A medida que aumenta la frecuencia, cuando las frecuencias características de los procesos de plasma son proporcionales y algo menores que la frecuencia de campo (vd ?w), el estado de descarga no tiene tiempo de "seguir" el cambio en el voltaje de suministro. La histéresis aparece en el CVC dinámico de la descarga (Fig. 1, curva 2).
Altas frecuencias. cuando la condición< v d < Arroz. 1. Características de voltios-amperios de descargas periódicas: 1-CVC estático, 2 - CVC en la región de frecuencia de transición, 3 - CVC dinámico constante Existen muchos tipos de descargas eléctricas en un gas, dependiendo de la naturaleza del campo aplicado (campo eléctrico constante, alterno, pulsado, (HF), super alta frecuencia (SHF)), la presión del gas, la forma y ubicación de los electrodos, etc. Para las descargas de HF, existen los siguientes métodos de excitación: 1) capacitiva en frecuencias inferiores a 10 kHz, 2) inducción en frecuencias en el rango de 100 kHz - 100 MHz. Estos métodos de excitación implican el uso de generadores de datos de rango. Con el método capacitivo de excitación, los electrodos se pueden instalar dentro de la cámara de trabajo o afuera si la cámara está hecha de un dieléctrico (Fig. 2 a, b). Para el método de inducción, se utilizan bobinas especiales, cuyo número de vueltas depende de la frecuencia utilizada (Fig. 2 c). Descarga de inducción de RF La descarga por inducción de alta frecuencia (sin electrodos) en gases se conoce desde finales del siglo pasado. Sin embargo, no fue inmediatamente posible entenderlo completamente. Es fácil observar una descarga por inducción si se coloca un recipiente al vacío dentro de un solenoide a través del cual fluye una corriente de alta frecuencia suficientemente fuerte. Bajo la acción de un campo eléctrico de vórtice, que es inducido por un flujo magnético alterno, se produce una ruptura en el gas residual y se enciende una descarga. Para mantener la descarga (ionización), se gasta el calor Joule de las corrientes de inducción del anillo que fluyen en el gas ionizado a lo largo de las líneas de fuerza del campo eléctrico del vórtice (las líneas de fuerza magnéticas dentro de un solenoide largo son paralelas al eje; Fig. 3). Fig.3 Esquema de campos en el solenoide Entre los trabajos antiguos sobre la descarga sin electrodos, la investigación más detallada pertenece a J. Thomson, 2 quien, en particular, demostró experimentalmente la naturaleza inductiva de la descarga y derivó las condiciones teóricas de ignición: la dependencia del umbral del campo magnético para la ruptura en la presión del gas (y la frecuencia). Al igual que las curvas de Paschen para la ruptura del espacio de descarga en un campo eléctrico constante, las curvas de ignición tienen un mínimo. Para un rango de frecuencia práctico (de décimas a decenas de megahercios), los mínimos se encuentran en la región de bajas presiones; por lo tanto, la descarga generalmente se observó solo en gases altamente enrarecidos. Condiciones para quemar RF - descarga por inducción Una descarga de RF inductiva es una descarga excitada por una corriente que fluye a través de un inductor ubicado en la superficie lateral o final, por regla general, de una fuente de plasma cilíndrica (Fig. 4a, b). El problema central de la física de descargas inductivas de baja presión es la cuestión de los mecanismos y la eficiencia de la absorción de potencia de RF por el plasma. Se sabe que con una excitación puramente inductiva de una descarga de RF, su circuito equivalente se puede representar como se muestra en la Fig. 1g El generador de RF se carga en un transformador, cuyo devanado primario consiste en una antena, a través de la cual fluye la corriente generada por el generador, y el devanado secundario es la corriente inducida en el plasma. Los devanados primario y secundario del transformador están conectados por el coeficiente de inducción mutua M. El circuito del transformador se puede reducir fácilmente a un circuito que es una resistencia activa e inductancia de la antena conectadas en serie, resistencias equivalentes e inductancia del plasma (Fig. .4e), de modo que la potencia del generador de RF P gen resulta estar relacionada con la potencia P an t liberada en la antena, y la potencia P p1 liberada en el plasma, por las expresiones donde I es la corriente que fluye a través de la antena, Pant es la resistencia activa de la antena, R p 1 es la resistencia de plasma equivalente. De las fórmulas (1) y (2) se puede ver que cuando la carga se empareja con el generador, la potencia de RF activa Pgen, entregada por el generador al circuito externo, se distribuye entre dos canales, a saber: una parte del la energía va a calentar la antena, y la otra parte es plasma absorbido. Anteriormente, en la gran mayoría de los trabajos se suponía a priori que en condiciones experimentales Rpl > Rantvv (3) y las propiedades del plasma están determinadas por la potencia del generador de RF, que es completamente absorbida por el plasma. A mediados de la década de 1990, V. Godyak y colaboradores demostraron de manera convincente que la relación (3) puede violarse en descargas de baja presión. Evidentemente, siempre que Rpi? despotricar (4) El comportamiento de una descarga de RF inductiva cambia drásticamente. Arroz. 4. Circuitos (a, b) de fuentes de plasma inductivo y (c) fuente de plasma inductivo con componente capacitivo, (d, e) circuitos equivalentes de una descarga puramente inductiva. Ahora, los parámetros del plasma dependen no solo de la potencia del generador de RF, sino también de la resistencia del plasma equivalente, que, a su vez, depende de los parámetros del plasma y las condiciones para su mantenimiento. Esto conduce a la aparición de nuevos efectos asociados con la redistribución autoconsistente de energía en el circuito de descarga externo. Este último puede afectar significativamente la eficiencia de las fuentes de plasma. Es evidente que la clave para comprender el comportamiento de la descarga en los regímenes correspondientes a la desigualdad (4), así como para optimizar el funcionamiento de los dispositivos de plasma, radica en las regularidades del cambio de la resistencia equivalente del plasma con un cambio en los parámetros del plasma y las condiciones para mantener la descarga. Diseño RF - descarga inductiva Los trabajos de G. I. Babat, que se llevaron a cabo justo antes de la guerra en la planta de lámparas eléctricas de Leningrado, Svetlana, sentaron las bases para la investigación y las aplicaciones modernas de las descargas sin electrodos. Estos trabajos fueron publicados en 1942 3 y se hicieron ampliamente conocidos en el extranjero después de su publicación en Inglaterra en 1947. 4 Babat creó generadores de tubo de alta frecuencia con una potencia de alrededor de cien kilovatios, lo que le permitió obtener poderosas descargas sin electrodos en el aire a presiones de hasta a la presión atmosférica. . Babat trabajó en el rango de frecuencia de 3-62 MHz, los inductores consistían en varias vueltas con un diámetro de aproximadamente 10 cm.. Se introdujo una gran potencia para ese momento, hasta varias decenas de kilovatios, en la descarga de alta presión (sin embargo , tales valores son altos para instalaciones modernas). ?¿Puñetazo? El aire u otro gas a presión atmosférica, por supuesto, no era posible incluso con las corrientes más altas en el inductor, por lo que se tuvieron que tomar medidas especiales para encender la descarga. La forma más sencilla era iniciar la descarga a baja presión, cuando los campos de ruptura son pequeños, y luego aumentar gradualmente la presión, llevándola a la presión atmosférica. Babat señaló que cuando el gas fluye a través de la descarga, esta última puede extinguirse si el soplo es demasiado intenso. A altas presiones se descubrió el efecto de contracción, es decir, el desprendimiento de la descarga de las paredes de la cámara de descarga. En la década de 1950 aparecieron varios artículos sobre la descarga sin electrodos 5~7. Kabann 5 investigó descargas en gases inertes a bajas presiones de 0,05 a 100 mm Hg. Arte. y pequeñas potencias de hasta 1 kW a frecuencias de 1--3 MHz, determinó las curvas de encendido, midió la potencia introducida en la descarga por el método calorimétrico y midió las concentraciones de electrones mediante sondas. En la Ref. 7 también se obtuvieron curvas de ignición para muchos gases. En la Ref. 6 se intentó usar la descarga para la espectroscopia ultravioleta. Una antorcha de plasma sin electrodos, a la que están muy próximas las instalaciones actuales, fue diseñada por Reed en 1960. 8. Su esquema y fotografía se muestran en la fig. 2. Un tubo de cuarzo con un diámetro de 2,6 cm estaba cubierto por un inductor de cinco vueltas hecho de un tubo de cobre con una distancia entre vueltas de 0,78 cm. Un generador industrial de alta frecuencia con una potencia de salida máxima de 10 kW sirvió como un fuente de alimentación; frecuencia de funcionamiento 4 MHz. Se utilizó una barra de grafito móvil para encender la descarga. La varilla insertada en el inductor se calienta en un campo de alta frecuencia y emite electrones. El gas circundante se calienta y se expande, y en él se produce una descomposición. Después de la ignición, se retira la varilla y la descarga continúa ardiendo. El punto más significativo de esta instalación fue la utilización del suministro tangencial de gas. Reid señaló que el plasma resultante debería propagarse con bastante rapidez contra el flujo de gas que tiende a llevárselo. De lo contrario, la descarga se apagará, como sucede con las llamas no estabilizadas. A caudales bajos, el mantenimiento del plasma puede ser proporcionado por conducción térmica convencional. (El papel de la conducción de calor en las descargas de alta presión también fue señalado por Cabanne.5) Sin embargo, a altas tasas de flujo de gas es necesario tomar medidas para recircular parte del plasma. Una solución satisfactoria a este problema fue la estabilización de vórtice utilizada por Reed, en la que el gas se introduce tangencialmente en el tubo y fluye a través de él, realizando un movimiento helicoidal. Debido a la expansión centrífuga del gas, se forma una columna de presión reducida en la parte axial del tubo. Aquí casi no hay flujo axial, y parte del plasma es succionado aguas arriba. Cuanto mayor sea la velocidad de alimentación, mayor será la penetración del plasma luminoso contra el flujo. Además, con este modo de suministro, el gas fluye a lo largo del tubo, principalmente cerca de sus paredes, comprime la descarga de las paredes y aísla a esta última de los efectos dañinos de las altas temperaturas, lo que permite trabajar a potencias aumentadas. Estas consideraciones cualitativas, expresadas brevemente por Reed, son muy importantes para comprender los fenómenos, aunque no reflejen con precisión la esencia del asunto. Volveremos sobre la cuestión del mantenimiento del plasma, que parece ser la más grave al considerar una descarga estacionaria estabilizada en un flujo de gas, más adelante, en el Cap. IV. Reed trabajó con argón y mezclas de argón con helio, hidrógeno, oxígeno y aire. Señaló que es más fácil mantener una descarga en argón puro. Los caudales de argón eran de 10 a 20 l/min (las velocidades medias del gas sobre la sección transversal del tubo eran de 30 a 40 cm/s) con la introducción de potencias de 1,5 a 3 kw en la descarga, lo que representaba aproximadamente la mitad de la potencia consumida por el generador. Reed determinó el balance de energía en la antorcha de plasma y midió la distribución espacial de la temperatura en el plasma utilizando el método óptico. Publicó varios artículos más: sobre poderosas descargas inductivas a bajas presiones,9 sobre mediciones de transferencia de calor a sondas insertadas en varios puntos en una pluma de plasma,10 sobre el crecimiento de cristales de materiales refractarios utilizando un quemador de inducción, etc. Rebu describió algo más tarde una antorcha de plasma de inducción, similar en diseño a la de Reed. Desde aproximadamente 1963 han aparecido en prensa nuestra y extranjera numerosos trabajos dedicados al estudio experimental de las descargas inductivas a alta presión tanto en recipientes cerrados como en un flujo de gas. Se miden las distribuciones espaciales de temperatura en la región de descarga y en el chorro de plasma, y las distribuciones de concentraciones de electrones. Aquí, por regla general, se utilizan métodos ópticos, espectrales y de sonda bien conocidos, que generalmente se usan en el estudio de descargas de plasma de arco. Las potencias depositadas en la descarga se miden a diferentes voltajes en el inductor, diferentes caudales de gas, varias dependencias de los parámetros para diferentes gases, frecuencias, etc. Es difícil establecer dependencias uniformes, digamos, de la temperatura del plasma en el potencia depositada en la descarga, ya que como todo depende de condiciones específicas: el diámetro del tubo, la geometría del inductor, la tasa de suministro de gas, etc. El resultado general de muchos trabajos es la conclusión de que a una potencia del orden de varios o decenas de kilovatios, la temperatura del plasma de argón alcanza aproximadamente 9000-10,000 ° K. La distribución de temperatura tiene básicamente el carácter ?meseta? en el medio del tubo y cae bruscamente cerca de las paredes, sin embargo ?meseta? no del todo uniforme, en la parte central se obtiene un pequeño hundimiento, normalmente de unos cientos de grados. En otros gases, las temperaturas también son del orden de los 10.000°, según el tipo de gas y otras condiciones. Las temperaturas en el aire son más bajas que en el argón a la misma potencia, y viceversa, para alcanzar las mismas temperaturas se requiere varias veces más potencia.31 La temperatura aumenta ligeramente al aumentar la potencia y depende débilmente del caudal de gas. En la fig. 3 y 4 se muestran para ilustrar la distribución de temperatura a lo largo del radio, el campo de temperatura (isotermas) y la distribución de concentraciones de electrones. Los experimentos 27 han demostrado que a medida que aumentan la tasa de suministro de gas y la tasa de flujo (en el caso de suministro tangencial), la descarga se presiona cada vez más lejos de las paredes y el radio de descarga cambia aproximadamente de 0,8 a 0,4 del radio del tubo. Con un aumento en el caudal de gas, la potencia depositada en la descarga disminuye algo, lo que está asociado con una disminución en el radio de descarga, es decir, el flujo de plasma o caudal. Durante las descargas en recipientes cerrados, sin flujo de gas, la región luminosa de la descarga suele acercarse mucho a las paredes laterales del recipiente. Las mediciones de las concentraciones de electrones han demostrado que el estado del plasma a presión atmosférica está cerca del equilibrio termodinámico. Las concentraciones y temperaturas medidas se ajustan a la ecuación de Saha con una precisión satisfactoria. Inducción RF - descarga En la actualidad se conocen fuentes de plasma de baja presión cuyo principio de funcionamiento se basa en una descarga de RF inductiva en ausencia de campo magnético, así como en una descarga de RF inductiva colocada en un campo magnético externo con una inducción correspondientes a las condiciones de resonancia de ciclotrón de electrones (ECR) y condiciones de excitación de helicones y ondas Trivelpiece-Gold (TG) (en lo sucesivo denominadas fuentes de helicones). Se sabe que los campos eléctricos de RF se despellejan en el plasma de una descarga inductiva; los electrones se calientan en una capa estrecha cerca de la pared. Cuando se aplica un campo magnético externo al plasma de una descarga de RF inductiva, aparecen regiones transparentes en las que los campos de RF penetran profundamente en el plasma y los electrones se calientan en todo su volumen. Este efecto se utiliza en fuentes de plasma, cuyo principio de funcionamiento se basa en ECR. Estas fuentes operan principalmente en la banda de microondas (2,45 GHz). La radiación de microondas se introduce, por regla general, a través de una ventana de cuarzo en una cámara de descarga de gas cilíndrica, en la que se forma un campo magnético no homogéneo con la ayuda de imanes. El campo magnético se caracteriza por la presencia de una o varias zonas resonantes en las que se cumplen las condiciones de ECR y se inyecta la potencia de RF en el plasma. En el rango de RF, ECR se utiliza en las denominadas fuentes de plasma de circuito neutro. El contorno neutral, que es una secuencia continua de puntos con un campo magnético cero, juega un papel importante en la generación de plasma y la formación de la estructura de descarga. Un circuito magnético cerrado se forma utilizando tres electroimanes. Las corrientes en los devanados de las bobinas superior e inferior tienen la misma dirección. La corriente en la bobina central fluye en dirección opuesta. Una descarga de inducción de RF con un circuito neutro se caracteriza por una alta densidad de plasma (10 11 - 10 12 cm~3) y una baja temperatura de los electrones (1 -4 eV). Descarga inductiva sin campo magnético externo La potencia P pi absorbida por el plasma se grafica a lo largo de la abscisa como variable independiente. Es natural suponer que la densidad del plasma pe es proporcional a P pi, sin embargo, se debe tener en cuenta que para diferentes fuentes de plasma, los coeficientes de proporcionalidad entre P pi y pe diferirán. Como se puede observar, la tendencia general en el comportamiento de la resistencia equivalente R pi es su aumento en la región de valores relativamente pequeños de la potencia de entrada, y luego su saturación. Por el contrario, en la región de altas concentraciones de electrones, donde predomina la absorción sin colisión, es decir, en la región del efecto piel anómalo, la dependencia R pl (n e) es cercana a la obtenida para medios con fuerte dispersión espacial. En general, la no monotonicidad de la dependencia de la resistencia equivalente de la densidad del plasma se explica por la competencia entre dos factores: por un lado, la absorción de potencia de RF aumenta con un aumento en la densidad de electrones, por otro lado, la piel la profundidad, que determina el ancho de la región de absorción de potencia de RF, disminuye al aumentar n e. El modelo teórico de una fuente de plasma excitada por una antena helicoidal ubicada en la superficie de su extremo superior predice que la resistencia equivalente del plasma no depende de la longitud de la fuente de plasma, siempre que la profundidad de la capa superficial sea menor que la longitud de la fuente de plasma Físicamente, este resultado es obvio, ya que la potencia de RF se absorbe dentro de la capa de la piel. Bajo condiciones experimentales, la profundidad de la piel es obviamente menor que la longitud de las fuentes de plasma; por lo tanto, no sorprende que la resistencia de plasma equivalente de las fuentes equipadas con una antena en el extremo superior no dependa de su longitud. Por el contrario, si la antena está ubicada en la superficie lateral de las fuentes, un aumento en la longitud de la fuente, acompañado de un aumento simultáneo en la longitud de la antena, conduce a un aumento en la región en la que la potencia de RF se absorbe, es decir al alargamiento de la capa superficial, por lo tanto, en el caso de una antena lateral, la resistencia equivalente aumenta al aumentar la longitud de la fuente. Experimentos y cálculos han demostrado que a bajas presiones los valores absolutos de la resistencia de plasma equivalente son pequeños. El aumento de la presión del gas de trabajo conduce a un aumento significativo de la resistencia equivalente. Este efecto se ha señalado repetidamente tanto en trabajos teóricos como experimentales. La razón física del aumento de la capacidad del plasma para absorber potencia de RF con el aumento de la presión radica en el mecanismo de absorción de la potencia de RF. Como puede verse en la fig. 5, al mínimo de las presiones consideradas, p = 0,1 mTorr, predomina el mecanismo de disipación de Cherenkov. Las colisiones electrón-átomo prácticamente no tienen efecto sobre el valor de la resistencia equivalente, y las colisiones electrón-ion conducen sólo a un aumento insignificante de la resistencia equivalente en n e > 3 x 10 11 cm-3. Aumento de la presión, es decir, la frecuencia de las colisiones electrón-átomo conduce a un aumento en la resistencia equivalente debido a un aumento en el papel del mecanismo de colisión de absorción de potencia de RF. Esto se puede ver en la fig. 5, que muestra la relación de la resistencia equivalente calculada con mecanismos de absorción con colisión y sin colisión a la resistencia equivalente calculada solo con colisión. Arroz.5
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Dependencia de la relación de la resistencia equivalente Rpi, calculada teniendo en cuenta los mecanismos de absorción con colisión y sin colisión, a la resistencia equivalente Rpi, calculada solo teniendo en cuenta las colisiones, sobre la densidad del plasma. El cálculo se realizó para fuentes planas en forma de disco con un radio de 10 cm a una presión de gas neutral de 0,3 mTorr (1), 1 mTorr (2), 10 mTorr (3), 100 mTorr (7), 300 mTorr (5 ). Descarga inductiva con campo magnético externo Los experimentos utilizaron fuentes de plasma equipadas con antenas helicoidales ubicadas en las superficies lateral y final de las fuentes, así como antenas Nagoya III. Para una frecuencia de operación de 13,56 MHz, la región de campos magnéticos B « 0,4--1 mT corresponde a las condiciones ECR, y la región B > 1 mT corresponde a las condiciones de excitación de helicones y ondas Trivelpeace-Gold. A bajas presiones del gas de trabajo (p ~ 5 mTorr), la resistencia de plasma equivalente sin campo magnético es mucho menor que en la región del "helicón". Los valores de Rpl obtenidos para la región ECR ocupan una posición intermedia, y aquí la resistencia equivalente aumenta monótonamente al aumentar el campo magnético. La región del "helicón" se caracteriza por una dependencia no monotónica de la resistencia equivalente del campo magnético, y la no monotonicidad de Rpl(B) en el caso de la antena helicoidal final y la antena Nagoya III es mucho más pronunciada que en el caso de la antena helicoidal lateral. La posición y el número de máximos locales de la curva ^pi(B) dependen de la potencia RF de entrada, la longitud y el radio de la fuente de plasma, el tipo de gas y su presión. Aumentar la potencia de entrada, es decir, concentración de electrones ne, conduce a un aumento en la resistencia equivalente y un cambio en el máximo principal de la función pi (B) a la región de campos magnéticos altos, y en algunos casos a la aparición de máximos locales adicionales. También se observa un efecto similar con un aumento en la longitud de la fuente de plasma. El aumento de presión en el rango de 2-5 mTorr, como se puede ver en la Fig. 4b no conduce a cambios significativos en la naturaleza de la dependencia ^ pl (B), sin embargo, a presiones superiores a 10 mTorr, desaparece la no monotonicidad de la dependencia de la resistencia equivalente en el campo magnético, los valores absolutos del equivalente la resistencia disminuye y se vuelve inferior a los valores obtenidos sin campo magnético. El análisis de los mecanismos físicos de absorción de potencia de RF por el plasma de una descarga inductiva en condiciones ECR y las condiciones de excitación de helicones y ondas TG se llevó a cabo en muchos trabajos teóricos. La consideración analítica del problema de la excitación de helicones y ondas TG en el caso general está asociada con importantes dificultades, ya que es necesario describir dos ondas interconectadas. Recuerde que un helicón es una onda transversal rápida y una onda TG es una onda longitudinal lenta. Los helicones y las ondas TG resultan ser independientes solo en el caso de un plasma espacialmente ilimitado, en el que representan modos propios de oscilaciones de plasma magnetizado. En el caso de una fuente de plasma cilíndrica limitada, el problema solo puede resolverse numéricamente. Sin embargo, las características principales del mecanismo físico de absorción de potencia de RF en B > 1 mT pueden ilustrarse utilizando la aproximación de helicón desarrollada en el helicón, que describe el proceso de excitación de onda en el plasma bajo la condición de que las desigualdades Área de aplicación plasma magnético de combustión de alta frecuencia Los reactores de plasma y las fuentes de iones, cuyo principio se basa en una descarga de RF inductiva de baja presión, han sido un componente importante de las tecnologías terrestres y espaciales modernas durante varias décadas. La amplia difusión de las aplicaciones técnicas de la descarga inductiva de RF se ve facilitada por sus principales ventajas: la posibilidad de obtener una alta densidad de electrones a un nivel relativamente bajo de potencia de RF, la ausencia de contacto del plasma con electrodos metálicos, una baja temperatura de los electrones y , en consecuencia, un potencial de plasma bajo en relación con las paredes que limitan la descarga. Esto último, además de minimizar las pérdidas de potencia en las paredes de la fuente de plasma, permite evitar daños en la superficie de las muestras durante su tratamiento en una descarga con iones de alta energía. Los ejemplos típicos de fuentes de plasma que funcionan con una descarga de RF inductiva sin un campo magnético son los reactores de plasma diseñados para el grabado de sustratos, las fuentes de iones diseñadas para implementar tecnologías de haz de iones terrestres y trabajar en el espacio como motores de corrección de órbita de naves espaciales, fuentes de luz. Una característica de diseño común de estos dispositivos es la presencia de una cámara de descarga de gas (GDC), en cuya superficie exterior o en su interior se encuentra un inductor o antena. Con la ayuda de una antena conectada a un generador de alta frecuencia, se introduce potencia de RF en el volumen del GDC y se enciende una descarga sin electrodos. Las corrientes que fluyen a través de la antena inducen un campo eléctrico de vórtice en el plasma, que calienta los electrones a las energías necesarias para la ionización efectiva del gas de trabajo. Las densidades de plasma típicas en reactores de plasma son 10 11 - 3 x 10 12 cm - 3 , y en fuentes de iones - 3 x 10 10 - 3 x 10 11 cm - 3 . La presión característica de un gas neutro en reactores de plasma varía de 1 a 30 mTorr, en fuentes de iones es de 0,1 mTorr, en fuentes de luz es de 0,1-10 Torr. Los reactores de plasma y las fuentes de iones, cuyo principio se basa en una descarga de RF inductiva de baja presión, han sido un componente importante de las tecnologías terrestres y espaciales modernas durante varias décadas. La amplia distribución de las aplicaciones técnicas de la descarga inductiva de RF se ve facilitada por sus principales ventajas: la posibilidad de obtener una alta densidad de electrones a un nivel relativamente bajo de potencia de RF, la ausencia de contacto del plasma con electrodos metálicos, una baja temperatura de los electrones y , en consecuencia, un potencial de plasma bajo en relación con las paredes que limitan la descarga. Esto último, además de minimizar las pérdidas de potencia en las paredes de la fuente de plasma, permite evitar daños en la superficie de las muestras durante su tratamiento en una descarga con iones de alta energía. Los resultados obtenidos en los últimos años, tanto experimentales como teóricos, muestran que los parámetros del plasma de una descarga de RF inductiva dependen de las pérdidas de potencia en el circuito externo y de la potencia que entra en la descarga por los canales inductivo y capacitivo. Los parámetros del plasma, por un lado, están determinados por los valores de la potencia absorbida, y, por otro lado, ellos mismos determinan tanto la relación de las potencias que entran en los diferentes canales como, en última instancia, la potencia absorbida por el plasma. Esto determina la naturaleza autoconsistente de la descarga. La autoconsistencia se manifiesta más claramente en la fuerte no monotonicidad de la dependencia de los parámetros del plasma del campo magnético y las interrupciones de descarga. Las pérdidas de potencia significativas en el circuito externo y la dependencia no monotónica de la capacidad del plasma para absorber potencia de RF en la densidad del plasma conducen a la saturación de la densidad del plasma con un aumento en la potencia del generador de RF y la aparición de una histéresis en el dependencia de los parámetros del plasma de la potencia del generador de RF y del campo magnético externo. La presencia de la componente capacitiva de la descarga provoca un cambio en la fracción de potencia introducida en el plasma a través del canal inductivo. Esto provoca un cambio en la posición de la transición de descarga de un modo bajo a uno alto a la región de potencias más bajas del generador de RF. En la transición de un modo de descarga baja a alta, la presencia de un componente capacitivo se manifiesta en un cambio más suave en la densidad del plasma con el aumento de la potencia del generador y en la desaparición de la histéresis. Un aumento en la concentración de electrones debido a la contribución de potencia a través del canal capacitivo a valores que superan el valor en el que la resistencia equivalente alcanza un máximo conduce a una disminución en la contribución de la potencia de RF a través del canal inductivo. No se justifica físicamente comparar los modos de una descarga de RF inductiva con densidades de electrones bajas y altas con modos capacitivos e inductivos, ya que la presencia de un canal para introducir energía en el plasma conduce a un cambio en la fracción de energía suministrada al plasma a través de otro canal. El refinamiento del patrón de procesos físicos en una descarga de RF inductiva de baja presión permite optimizar los parámetros de los dispositivos de plasma que funcionan sobre esta base. Alojado en Allbest.ru Dispositivo de electrovacío de descarga de gas iónico diseñado para la estabilización de tensión. El principio de funcionamiento del diodo zener de descarga luminiscente. Leyes físicas básicas. Zona de estabilización de tensión. Funcionamiento del estabilizador paramétrico. prueba, agregada el 28/10/2011 Parámetros de descargas parciales y sus dependencias. Fundamentos de desarrollo de descargas parciales, diagnóstico de líneas de cable. Desarrollo de un esquema analítico para la evaluación del estado de líneas de cable basado en la medida de las características de descargas parciales. tesis, agregada el 05/07/2017 Historia del desarrollo de los sistemas de láser pulsado. Mecanismo de inversión. Un rasgo característico de una descarga autosostenida brillante con un cátodo frío. Sistemas de preionización por descarga de gas. Elementos básicos de un láser pulsado y áreas de su aplicación. trabajo final, agregado el 20/03/2016 Un aumento en el número total de dígitos con un aumento en la multiplicidad del error corregido. Cambio en el número promedio de bits distorsionados con un cambio lineal en la desviación cuadrada. Determinación de la frecuencia de pérdida de mensajes. Trazar un gráfico de función. trabajo de laboratorio, añadido el 01/12/2014 Tipos de condensadores de alta frecuencia. capacidad específica. El uso de condensadores de gran capacidad nominal. Condensadores de aire de capacidad variable. condensadores semivariables. Condensadores para propósitos especiales. Condensadores de circuitos integrados. resumen, añadido el 09/01/2009 Características de los instrumentos electromecánicos para la medida de tensión y corriente continua, alterna. Su diseño, principio de funcionamiento, alcance, ventajas y desventajas. 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El inductor es, por así decirlo, el devanado primario de un transformador de aire, cuyo devanado secundario es el cuerpo calentado. Dependiendo de las frecuencias utilizadas, las instalaciones de calentamiento por inducción se dividen de la siguiente manera: a) baja frecuencia (industrial) (50 Hz); b) frecuencia media (alta) (hasta 10 kHz); c) alta frecuencia (más de 10 kHz). La división del calentamiento por inducción en rangos de frecuencia está dictada por consideraciones técnicas y tecnológicas. La esencia física y los patrones cuantitativos generales para todas las frecuencias son los mismos y se basan en el concepto de absorción de la energía del campo electromagnético por un medio conductor. La frecuencia tiene un efecto significativo sobre la intensidad y la naturaleza del calentamiento. A una frecuencia de 50 Hz y una intensidad de campo magnético de 3000-5000 A/m, la potencia de calentamiento específica no supera los 10 W/cm 2 , y con calefacción de alta frecuencia (HF), la potencia alcanza cientos y miles de W /cm 2 . Al mismo tiempo, se desarrollan temperaturas que son suficientes para fundir la mayoría de los metales refractarios. Al mismo tiempo, cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la profundidad de penetración de las corrientes en el metal y, en consecuencia, más delgada será la capa calentada y viceversa. El calentamiento de la superficie se realiza a altas frecuencias. Al reducir la frecuencia y, por lo tanto, aumentar la profundidad de penetración de la corriente, es posible realizar un calentamiento profundo o incluso continuo, que es el mismo en toda la sección transversal del cuerpo. Así, eligiendo la frecuencia, es posible obtener el carácter de calentamiento y su intensidad requerida por las condiciones tecnológicas. La capacidad de calentar productos a casi cualquier espesor es una de las principales ventajas del calentamiento por inducción, que se usa ampliamente para endurecer superficies de piezas y herramientas. El endurecimiento de la superficie después del calentamiento por inducción aumenta significativamente la resistencia al desgaste de los productos en comparación con el tratamiento térmico en hornos. El calentamiento por inducción también se utiliza con éxito para la fusión, el tratamiento térmico, la deformación de metales y otros procesos. El inductor es el cuerpo de trabajo de la instalación de calentamiento por inducción. La eficiencia de calentamiento es mayor cuanto más se acerca el tipo de onda electromagnética emitida por el inductor a la forma de la superficie calentada. El tipo de onda (plana, cilíndrica, etc.) está determinado por la forma del inductor. El diseño de los inductores depende de la forma de los cuerpos calentados, los objetivos y las condiciones de calentamiento. El inductor más simple es un conductor aislado colocado dentro de un tubo de metal, estirado o enrollado. Cuando una corriente de frecuencia industrial pasa a través del conductor, se inducen corrientes de Foucault que lo calientan en la tubería. En agricultura, se ha intentado utilizar este principio para calentar el suelo en terrenos cerrados, perchas para aves, etc. En los calentadores de agua por inducción y los pasteurizadores de leche (el trabajo en ellos aún no ha ido más allá del alcance de las muestras experimentales), los inductores se fabrican como estatores de motores eléctricos trifásicos. Un recipiente de metal cilíndrico se coloca dentro del inductor. El campo magnético giratorio (o pulsante en el caso de una versión monofásica) creado por el inductor induce corrientes de Foucault en las paredes del recipiente y las calienta. El calor se transfiere de las paredes al líquido en el recipiente. Durante el secado por inducción de la madera, una pila de tablas se desplaza con mallas metálicas y se coloca (enrollada en un carro especial) dentro de un inductor cilíndrico hecho de conductores de gran sección enrollados en un marco de material aislante. Los tableros se calientan mediante rejillas metálicas en las que se inducen corrientes de Foucault. Los ejemplos dados explican el principio de las instalaciones de calentamiento por inducción indirecta. Las desventajas de tales instalaciones incluyen un bajo rendimiento energético y una baja intensidad de calefacción. El calentamiento por inducción de baja frecuencia es bastante efectivo para el calentamiento directo de piezas de trabajo de metal masivo y una cierta relación entre su tamaño y la profundidad de penetración actual (ver más abajo). Los inductores de las instalaciones de alta frecuencia no están aislados, constan de dos partes principales: un cable inductivo, con el que se crea un campo magnético alterno, y cables de corriente para conectar el cable inductivo a una fuente de energía eléctrica. El diseño del inductor puede ser muy diverso. Para calentar superficies planas, se utilizan inductores planos, espacios en blanco cilíndricos: inductores cilíndricos (solenoide), etc. (Fig. 3.1). Los inductores pueden tener una forma compleja (Fig. 3.2), debido a la necesidad de concentrar la energía electromagnética en la dirección correcta, suministrar agua de refrigeración y extinción, etc. Para crear campos de alta tensión, se hacen pasar grandes corrientes, de cientos y miles de amperios, a través de los inductores. Para reducir las pérdidas, los inductores se fabrican con la menor resistencia activa posible. A pesar de esto, todavía se calientan intensamente tanto por su propia corriente como por la transferencia de calor de las piezas de trabajo, por lo que están equipados con enfriamiento forzado. Los inductores generalmente están hechos de tubos de cobre de sección transversal redonda o rectangular, dentro de los cuales pasa agua que fluye para enfriar. Potencia superficial específica. La onda electromagnética emitida por el inductor incide sobre un cuerpo metálico y, al ser absorbida por él, provoca su calentamiento. La potencia del flujo de energía que fluye a través de una unidad de superficie del cuerpo está determinada por la fórmula (11) dada la expresión En los cálculos prácticos, se utiliza la dimensión D R en W / cm 2, entonces Sustituyendo el valor resultante H 0
en la fórmula (207), obtenemos Por lo tanto, la potencia disipada en el producto es proporcional al cuadrado de los amperio-vueltas del inductor y el coeficiente de absorción de potencia. A una intensidad de campo magnético constante, cuanto mayor sea la intensidad de calentamiento, mayor será la resistividad r, la permeabilidad magnética del material m y la frecuencia actual F. La fórmula (208) es válida para una onda electromagnética plana (ver Sección 2 del Capítulo I). Cuando los cuerpos cilíndricos se calientan en inductores de solenoide, el patrón de propagación de la onda se vuelve más complicado. Las desviaciones de las proporciones de una onda plana son mayores cuanto menores sean las proporciones r/za, donde r es el radio del cilindro, za- profundidad de penetración de las corrientes. Sin embargo, en los cálculos prácticos, todavía usan una dependencia simple (208), introduciendo factores de corrección: funciones de Birch, según la relación r/za(Figura 43). Entonces La fórmula (212) es válida para un inductor sólido sin espacios entre espiras. En presencia de espacios, las pérdidas en el inductor aumentan. A medida que aumenta la frecuencia de la función fa (ra, za) y F y (r y, za) tienden a la unidad (Fig. 43), y la relación de potencias al límite De la expresión (3.13) se deduce que la eficiencia disminuye con el aumento del entrehierro y la resistividad del material del inductor. Por lo tanto, los inductores están hechos de neumáticos o tubos de cobre macizo. Como se desprende de la expresión (214) y la Figura 43, el valor de la eficiencia se acerca a su límite ya en r/za>5÷10. Esto hace posible encontrar una frecuencia que proporcione una eficiencia suficientemente alta Usando la desigualdad anterior y la fórmula (15) para la profundidad de penetración za, obtenemos Cabe señalar que las dependencias simples e ilustrativas (3.13) y (3.14) son válidas solo para un número limitado de casos relativamente simples de calentamiento por inducción. Factor de potencia del inductor. El factor de potencia del inductor de calentamiento está determinado por la relación de las resistencias activa e inductiva del sistema inductor-producto. A alta frecuencia, las resistencias activa e inductiva interna del producto son iguales, ya que el ángulo de fase entre los vectores y es de 45° y |D R| = |D q|. Por lo tanto, el valor máximo del factor de potencia donde un - espacio de aire entre el inductor y el producto, m Por lo tanto, el factor de potencia depende de las propiedades eléctricas del material del producto, el entrehierro y la frecuencia. A medida que aumenta el entrehierro, aumenta la inductancia de fuga y disminuye el factor de potencia. El factor de potencia es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia, por lo que un aumento irrazonable de la frecuencia reduce el rendimiento energético de las instalaciones. Siempre debe esforzarse por reducir el espacio de aire, pero hay un límite debido a la fuerza del aire de ruptura. Durante el proceso de calentamiento, el factor de potencia no permanece constante, ya que r y m (para ferromagnetos) cambian con la temperatura. En condiciones reales, el factor de potencia de las instalaciones de calentamiento por inducción rara vez supera el 0,3, cayendo a 0,1-0,01. Para descargar las redes y el generador de las corrientes reactivas y aumentar el cosf, se suelen incluir condensadores de compensación en paralelo con el inductor. Los parámetros principales que caracterizan los modos de calentamiento por inducción son la frecuencia actual y la eficiencia.Dependiendo de las frecuencias utilizadas, se distinguen condicionalmente dos modos de calentamiento por inducción: calentamiento profundo y calentamiento superficial. El calentamiento profundo ("frecuencias bajas") se lleva a cabo a tal frecuencia F cuando la profundidad de penetración za aproximadamente igual al espesor de la capa calentada (endurecida) x k(Fig. 3.4, a). El calentamiento se produce inmediatamente en toda la profundidad de la capa. x k la tasa de calentamiento se elige de manera que la transferencia de calor por conductividad térmica al cuerpo sea despreciable. Dado que en este modo la profundidad de penetración de las corrientes za comparativamente grande ( za »
x k),
entonces de acuerdo con la fórmula: El calentamiento superficial ("grandes frecuencias") se lleva a cabo a frecuencias relativamente altas. En este caso, la profundidad de penetración de las corrientes za significativamente menor que el espesor de la capa calentada x k(Fig. 3.4,6). Calentamiento de espesor total x k se produce debido a la conductividad térmica del metal. Cuando se calienta en este modo, se requiere menos energía del generador (en la Figura 3.4, la energía útil es proporcional a las áreas sombreadas que tienen doble sombreado), pero el tiempo de calentamiento y el consumo específico de energía aumentan. Este último está asociado con el calentamiento debido a la conductividad térmica de las capas profundas del metal. eficiencia calentamiento, proporcional a la relación de áreas con doble sombreado a toda el área delimitada por la curva t y ejes de coordenadas, en el segundo caso a continuación. Al mismo tiempo, debe tenerse en cuenta que el calentamiento a una cierta temperatura de una capa de metal con un espesor de b, que se encuentra detrás de la capa de endurecimiento y se denomina capa de transición, es absolutamente necesario para una unión confiable de la capa endurecida con el metal base. Con el calentamiento superficial, esta capa es más gruesa y la unión es más confiable. Con una disminución significativa de la frecuencia, el calentamiento se vuelve generalmente inviable, ya que la profundidad de penetración será muy grande y la absorción de energía en el producto será insignificante. El método de inducción se puede utilizar tanto para calentamiento profundo como superficial. Con fuentes de calor externas (calefacción de plasma, hornos de resistencia eléctrica), no es posible un calentamiento profundo. Según el principio de funcionamiento, se distinguen dos tipos de calentamiento por inducción: simultáneo y continuo-secuencial. Con calentamiento simultáneo, el área del cable inductivo frente a la superficie calentada del producto es aproximadamente igual al área de esta superficie, lo que le permite calentar simultáneamente todas sus secciones. Con el calentamiento secuencial continuo, el producto se mueve en relación con el cable inductivo y el calentamiento de sus secciones individuales se produce a medida que pasa por la zona de trabajo del inductor. Selección de frecuencia. Solo se puede obtener una eficiencia suficientemente alta con una cierta relación entre las dimensiones del cuerpo y la frecuencia de la corriente. La elección de la frecuencia de corriente óptima se mencionó anteriormente. En la práctica del calentamiento por inducción, la frecuencia se elige según dependencias empíricas. Al calentar piezas para el endurecimiento superficial a una profundidad x k(mm) la frecuencia óptima (Hz) se encuentra a partir de las siguientes dependencias: para piezas de forma simple (superficies planas, cuerpos de revolución) Durante el calentamiento de palanquillas cilíndricas de acero con un diámetro d(mm) la frecuencia requerida está determinada por la fórmula En el proceso de calentamiento, aumenta la resistencia específica de los metales r. En los ferroimanes (hierro, níquel, cobalto, etc.), al aumentar la temperatura, el valor de la permeabilidad magnética m disminuye. Cuando se alcanza el punto de Curie, la permeabilidad magnética de los ferroimanes cae a 1, es decir, pierden sus propiedades magnéticas. La temperatura de calentamiento habitual para el endurecimiento es de 800-1000 °C, para el tratamiento a presión 1000 - 1200 °C, es decir, por encima del punto de Curie. Un cambio en las propiedades físicas de los metales con un cambio de temperatura conduce a un cambio en el coeficiente de absorción de energía y la energía superficial específica (3.8) que ingresa al producto durante el proceso de calentamiento (Fig. 3.5). Inicialmente, debido a un aumento en r, la potencia específica D R aumenta y alcanza el valor máximo D P máx.= (1.2÷1.5) D p inicio, y luego, debido a la pérdida de propiedades magnéticas del acero, cae al mínimo D min. Para mantener la calefacción en el modo óptimo (con una eficiencia suficientemente alta), las instalaciones están equipadas con dispositivos para adaptar los parámetros del generador y la carga, es decir, la capacidad de controlar el modo de calefacción. Si comparamos el calentamiento continuo de piezas de trabajo para la deformación plástica por inducción y métodos de electrocontacto (ambos son calentamiento directo), entonces podemos decir que en términos de consumo de energía, el calentamiento por electrocontacto es apropiado para piezas de trabajo largas de una sección transversal relativamente pequeña, y la inducción el calentamiento es adecuado para piezas de trabajo cortas de diámetros relativamente grandes. Un cálculo riguroso de los inductores es bastante engorroso y está asociado con la participación de datos semiempíricos adicionales. Consideraremos un cálculo simplificado de inductores cilíndricos para endurecimiento superficial, basado en las dependencias obtenidas anteriormente. Cálculo térmico. De la consideración de los modos de calentamiento por inducción se deduce que el mismo espesor de la capa endurecida x k se puede obtener a diferentes valores de la densidad de potencia D R y duración del calentamiento t. El modo óptimo está determinado no solo por el grosor de la capa. x k, sino también por el valor de la zona de transición b, conectando la capa endurecida con las capas profundas del metal. En ausencia de dispositivos de control de potencia del generador, la naturaleza del cambio en la potencia específica consumida por el producto de acero se muestra en el gráfico que se muestra en la Figura 3.5. En el proceso de calentamiento, el valor de pc cambia y al final del calentamiento, después de pasar por el punto de Curie, disminuye bruscamente. Hay una especie de apagado automático del producto de acero, lo que garantiza un endurecimiento de alta calidad sin sobrequemar. En presencia de dispositivos de control, potencia D R puede ser igual o incluso menor que D min(Fig. 3.5), que permite, debido a la prolongación del proceso de calentamiento, reducir la potencia específica requerida para un espesor dado de la capa endurecida xk Los gráficos de los regímenes de calentamiento para el endurecimiento superficial de aceros al carbono y de baja aleación con un espesor de zona de transición de 0,3-0,5 de la capa endurecida se muestran en las Figuras 3.6 y 3.7. Eligiendo el valor D R, no es difícil encontrar la potencia suministrada al inductor, donde H tr- eficiencia de un transformador de alta frecuencia (endurecimiento). La potencia consumida de la red. determinado por el consumo de energía específico un(kWh/t) y productividad GRAMO(t/h): para suelo radiante donde D i- aumento en el contenido de calor de la pieza de trabajo como resultado del calentamiento, kJ/kg; D-densidad del material de la pieza, kg/m 3 ; M 3 - peso de la pieza, kg; S3- superficie de la capa endurecida, m 2; b- residuos metálicos (con calentamiento por inducción 0,5-1,5%); h m- eficiencia de transferencia de calor debido a la conductividad térmica dentro de la pieza de trabajo (con endurecimiento superficial h tp = 0,50). El resto de las designaciones se explican anteriormente. Valores aproximados del consumo de energía específico durante el calentamiento por inducción: revenido - 120, endurecimiento - 250, cementación - 300, calentamiento por mecanizado - 400 kWh / t. Cálculo eléctrico. El cálculo eléctrico se basa en la dependencia (3.7). Considere el caso cuando la profundidad de penetración za significativamente menor que las dimensiones del inductor y la pieza, y la distancia un entre el inductor y el producto es pequeño en comparación con el ancho del conductor inductivo b(Figura 3.1). Para este caso, la inductancia L con inductor del sistema: el producto se puede expresar mediante la fórmula Sustituyendo el valor de la corriente en la fórmula (3.7) y teniendo en cuenta que La fórmula (3.30) da la relación entre la potencia específica, los parámetros eléctricos y las dimensiones geométricas del inductor, las características físicas del metal calentado. Tomando las dimensiones del inductor como una función, obtenemos para el estado calentado Factor de potencia del inductor donde P es la potencia activa del inductor, W; tu y- voltaje en el inductor, V; F- frecuencia Hz. Al conectar capacitores al circuito primario de un transformador de alta frecuencia, la capacitancia de los capacitores debe incrementarse para compensar la reactancia del transformador y los conductores de conexión. Ejemplo. Calcule el inductor y elija una instalación de alta frecuencia para el endurecimiento superficial de palanquillas cilíndricas de acero al carbono con un diámetro de d un= 30 mm y altura ha= 90 mm. Profundidad de la capa endurecida x k = 1 mm, voltaje del inductor tu y = 100 V. Hallamos la frecuencia recomendada según la fórmula (218): Nos detenemos en la frecuencia utilizable más cercana. F=67kHz. Del gráfico (Fig. 3.7) tomamos D R\u003d 400 W / cm 2. Por la fórmula (3.33) encontramos Alabama para estado frio: Aceptar un= 0,5 cm, entonces el diámetro del inductor Longitud del conductor inductivo Número de vueltas del inductor. Altura del inductor La potencia suministrada al inductor, de acuerdo con donde 0.66 es la eficiencia del inductor (Fig. 3.8). Potencia del generador oscilatorio Elegimos la instalación de alta frecuencia LPZ-2-67M, que tiene una potencia oscilatoria de 63 kW y una frecuencia de funcionamiento de 67 kHz. La técnica de calentamiento por inducción utiliza corrientes de baja frecuencia (industrial) 50 Hz, media frecuencia 150-10000 Hz y alta frecuencia de 60 kHz a 100 MHz. Las corrientes de media frecuencia se obtienen utilizando generadores de máquinas o convertidores de frecuencia estáticos. En el rango de 150-500 Hz, se utilizan generadores del tipo síncrono habitual y, más alto (hasta 10 kHz), generadores de máquina del tipo inductor. Recientemente, los generadores de máquinas han sido reemplazados por convertidores de frecuencia estáticos más confiables basados en transformadores y tiristores. Las corrientes de alta frecuencia a partir de 60 kHz se obtienen exclusivamente con la ayuda de generadores de lámparas. Las máquinas con generadores de lámparas se utilizan para realizar diversas operaciones de tratamiento térmico, endurecimiento de superficies, fundición de metales, etc. Sin tocar la teoría del tema presentado en otros cursos, consideraremos solo algunas de las características de los generadores para calefacción. Los generadores de calefacción se realizan, por regla general, con autoexcitación (generadores autoexcitados). En comparación con los generadores de excitación independiente, son de diseño más simple y tienen un mejor rendimiento energético y económico. Los esquemas de los generadores de lámparas para calefacción no difieren fundamentalmente de los de ingeniería de radio, pero tienen algunas características. Estos circuitos no requieren una estricta estabilidad de frecuencia, lo que los simplifica enormemente. En la figura 3.10 se muestra un diagrama esquemático del generador más simple para calentamiento por inducción. El elemento principal del circuito es una lámpara generadora. En los generadores de calefacción, las lámparas de tres electrodos se usan con mayor frecuencia, que son más simples que los tetrodos y los pentodos y brindan suficiente confiabilidad y estabilidad de generación. La carga de la lámpara del generador es un circuito oscilatorio de ánodo, cuyos parámetros son la inductancia L y capacidad Con se seleccionan de la condición del circuito en resonancia a la frecuencia de operación: donde R- reducción de la resistencia de pérdida de bucle. Parámetros de contorno R, L, C se determinan teniendo en cuenta los cambios introducidos por las propiedades electrofísicas de los cuerpos calentados. Los circuitos de ánodo de las lámparas generadoras se alimentan con corriente continua de rectificadores ensamblados en tiratrones o gastrons (Fig. 3.10). Por razones económicas, la alimentación de CA se usa solo para baja potencia (hasta 5 kW). El voltaje secundario del transformador de potencia (ánodo) que alimenta al rectificador es de 8 a 10 kV, el voltaje rectificado es de 10 a 13 kV. Las oscilaciones continuas en el oscilador ocurren cuando hay suficiente retroalimentación positiva de la red al circuito y se cumplen ciertas condiciones que relacionan los parámetros de la lámpara y el circuito. Coeficiente de retroalimentación de red donde tu c , tu a , tu- voltajes respectivamente en la red, el circuito oscilatorio y el ánodo de la lámpara del generador; D- permeabilidad de la lámpara; Dakota del Sur- inclinación dinámica de las características ánodo-rejilla de la lámpara. La realimentación de red en generadores para calentamiento por inducción se lleva a cabo con mayor frecuencia de acuerdo con un esquema de tres puntos, cuando el voltaje de red se toma de parte de la inductancia del ánodo o circuito de calefacción. En la Figura 3.10, el voltaje en la red se suministra desde parte de las espiras de la bobina de acoplamiento L2, que es el elemento de inductancia del circuito de calefacción. Los generadores de calefacción, a diferencia de los de ingeniería de radio, suelen ser de doble circuito (Fig. 3.10) o incluso de un solo circuito. Los generadores de doble circuito son más fáciles de sintonizar en resonancia y tienen un funcionamiento más estable. Las oscilaciones del segundo tipo se excitan en generadores. La corriente del ánodo fluye a través de la lámpara en pulsos, solo durante parte (1/2-1/3) del período. Esto reduce el componente constante de la corriente del ánodo, reduce el calentamiento del ánodo y aumenta la eficiencia del generador. La corriente de la red también tiene forma de pulso. El corte de la corriente del ánodo (dentro del ángulo de corte q = 70-90°) se lleva a cabo aplicando una polarización negativa constante a la red, que se crea por una caída de voltaje en la resistencia de la red. R g durante el flujo de la componente constante de la corriente de red. Los generadores para calefacción tienen una carga que cambia durante el proceso de calentamiento, provocada por un cambio en las propiedades eléctricas de los materiales calentados. Para garantizar el funcionamiento del generador en el modo óptimo, caracterizado por los valores más altos de potencia de salida y eficiencia, las instalaciones están equipadas con dispositivos de adaptación de carga. El modo óptimo se logra seleccionando el valor apropiado del coeficiente de retroalimentación de la red k s y cumplimiento de la condición donde E un- tensión de alimentación; mi- desplazamiento constante en la cuadrícula; yo a1- el primer armónico de la corriente del ánodo. Para igualar la carga en los circuitos, es posible ajustar la resistencia resonante del circuito Ra y cambiar el voltaje en la red A nosotros. El cambio de estos valores se logra introduciendo capacitancias o inductancias adicionales en el circuito y cambiando las abrazaderas de ánodo, cátodo y rejilla (sondas) que conectan el circuito a la lámpara. Las instalaciones de calentamiento por inducción son muy comunes en las plantas de reparación y en las empresas Selkhoztekhnika. En la industria de la reparación, las corrientes de media y alta frecuencia se utilizan para el calentamiento total y superficial de piezas de hierro fundido y acero para el endurecimiento, antes de la deformación en caliente (forja, estampación), en la restauración de piezas mediante revestimiento y metalización de alta frecuencia, en la soldadura fuerte. , etc. Un lugar especial está ocupado por el endurecimiento de la superficie de las piezas. La capacidad de concentrar la fuerza en un lugar determinado de la pieza permite obtener una combinación de la capa exterior endurecida con la plasticidad de las capas profundas, lo que aumenta significativamente la resistencia al desgaste y la resistencia a las cargas alternas y de choque. Las ventajas del endurecimiento superficial mediante calentamiento por inducción son las siguientes: 1) la capacidad de endurecer piezas y herramientas a cualquier espesor requerido, si es necesario, procesando solo superficies de trabajo; 2) aceleración significativa del proceso de endurecimiento, lo que asegura una alta productividad de las plantas y reduce el costo del tratamiento térmico; 3) el consumo específico de energía suele ser menor en comparación con otros métodos de calentamiento debido a la selectividad del calentamiento (solo hasta una determinada profundidad) y la rapidez del proceso; 4) una alta cualidad del endurecimiento y la reducción del matrimonio; 5) la posibilidad de organizar el flujo de producción y automatización de procesos; 6) alta cultura productiva, mejora de las condiciones sanitarias e higiénicas de trabajo. Las instalaciones de calentamiento por inducción se seleccionan de acuerdo con los siguientes parámetros principales: propósito, potencia vibratoria nominal, frecuencia de funcionamiento. Las plantas fabricadas por la industria tienen una escala de potencia estándar con los siguientes escalones: 0,16; 0,25; 0,40; 0,63; 1,0 kW y más al multiplicar estos números por 10, 100 y 1000. Las instalaciones para el calentamiento por inducción tienen capacidades de 1,0 a 1000 kW, incluidas aquellas con generadores de lámparas de hasta 250 kW y superiores, con generadores de máquinas. La frecuencia de operación determinada por el cálculo se especifica en la escala de frecuencias permitidas para uso en electrotermia. Las instalaciones de alta frecuencia para calentamiento por inducción tienen una indexación única: HFI (inducción de alta frecuencia). Después de las letras a través del guión, la potencia oscilatoria (kW) se indica en el numerador y la frecuencia (MHz) en el denominador. Después de los números, se escriben letras que indican el propósito tecnológico. Por ejemplo: VCHI-40 / 0.44-ZP: instalación de calentamiento por inducción de alta frecuencia, potencia oscilatoria de 40 kW, frecuencia de 440 kHz; letras ZP - para superficies de endurecimiento (HC - para calentamiento continuo, ST - soldadura de tuberías, etc.). 1. Explique el principio del calentamiento por inducción. El ámbito de su aplicación. 2. Enumere los elementos principales de la instalación de calentamiento por inducción e indique su propósito. 3. ¿Cómo se hace el devanado del calentador? 4. ¿Cuáles son los beneficios de un calentador? 5. ¿Qué es el fenómeno del efecto de superficie? 6. ¿Dónde se puede aplicar el calentador de aire por inducción? 7. ¿Qué determina la profundidad de penetración de la corriente en el material calentado? 8. ¿Qué determina la eficiencia de un inductor de anillo? 9. ¿Por qué es necesario utilizar tuberías ferromagnéticas para fabricar calentadores de inducción a frecuencia industrial? 10. ¿Qué afecta más significativamente el coseno de un inductor? 11. ¿Cómo cambia la velocidad de calentamiento al aumentar la temperatura del material calentado? 12. ¿Qué parámetros de acero se ven afectados por la medición de temperatura?Documentos similares
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