Что такое индуктор в генераторе

Генератор тока. Устройство и прицип действия генератора.

Генератор тока преобразует механическую (кинетическую) энергию в электроэнергию. В энергетике пользуются только вращающимися электромашинными генераторами, основанными на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, на который каким-либо образом действует изменяющееся магнитное поле. Ту часть генератора, которая предназначена для создания магнитного поля, называют индуктором, а часть, в которой индуцируется ЭДС – якорем.

Вращающуюся часть машины называют ротором, а неподвижную часть – статором. В синхронных машинах переменного тока индуктором обычно является ротор, а в машинах постоянного тока – статор. В обоих случаях индуктор представляет собой обычно двух- или многополюсную электромагнитную систему, снабженную обмоткой возбуждения, питаемой постоянным током (током возбуждения), но встречаются и индукторы, состоящие из системы постоянных магнитов. В индукционных (асинхронных) генераторах переменного тока индуктор и якорь не могут четко (конструктивно) различаться друг от друга (можно сказать, что статор и ротор одновременно являются и индуктором и якорем).

Более 95 % электроэнергии на электростанциях мира производится при помощи синхронных генераторов переменного тока. При помощи вращающегося индуктора в этих генераторах создается вращающееся магнитное поле, наводящее в статорной (обычно трехфазной) обмотке переменную ЭДС, частота которой точно соответствует частоте вращения ротора (находится в синхронизме с частотой вращения индуктора). Если индуктор, например, имеет два полюса и вращается с частотой 3000 r/min (50 r/s), то в каждой фазе статорной обмотки индуцируется переменная ЭДС частотой 50 Hz. Конструктивное исполнение такого генератора упрощенно изображено на рис. 1.

Рис. 1. Принцип устройства двухполюсного синхронного генератора. 1 статор (якорь), 2 ротор (индуктор), 3 вал, 4 корпус. U-X, V-Y, W-Z – размещенные в пазах статора части обмоток трех фаз

Магнитная система статора представляет собой спрессованный пакет тонких стальных листов, в пазах которого располагается статорная обмотка. Обмотка состоит из трех фаз, сдвинутых в случае двухполюсной машины друг относительно друга на 1/3 периметра статора; в фазных обмотках индуцируются, следовательно, ЭДС, сдвинутые друг относительно друга на 120o. Обмотка каждой фазы, в свою очередь, состоит из многовитковых катушек, соединенных между собой последовательно или параллельно. Один из наиболее простых вариантов конструктивного исполнения такой трехфазной обмотки двухполюсного генератора упрощенно представлен на рис. 2 (обычно число катушек в каждой фазе больше, чем показано на этом рисунке). Те части катушек, которые находятся вне пазов, на лобовой поверхности статора, называются лобовыми соединениями.

Рис. 2. Простейший принцип устройства статорной обмотки трехфазного двухполюсного синхронного генератора в случае двух катушек в каждой фазе. 1 развертка поверхности магнитной системы статора, 2 катушки обмотки, U, V, W начала фазных обмоток, X, Y, Z концы фазных обмоток

Полюсов индуктора и, в соответствии с этим, полюсных делений статора, может быть и больше двух. Чем медленнее вращается ротор, тем больше должно быть при заданной частоте тока число полюсов. Если, например, ротор вращается с частотой 300 r/min, то число полюсов генератора, для получения частоты переменного тока 50 Hz, должно быть 20. Например, на одной из крупнейших гидроэлектростанций мира, ГЭС Итайпу (Itaipu, см. рис. 4) генераторы, работающие на частоте 50 Hz, исполнены 66-полюсными, а генераторы, работающие на частоте 60 Hz – 78-полюсными.

Обмотка возбуждения двух- или четырехполюсного генератора размещается, как показано на рис. 1, в пазах массивного стального сердечника ротора. Такая конструкция ротора необходима в случае быстроходных генераторов, работающих при частоте вращения в 3000 или 1500 r/min (особенно для турбогенераторов, предназначенных для соединения с паровыми турбинами), так как при такой скорости на обмотку ротора действуют большие центробежные силы. При большем числе полюсов каждый полюс имеет отдельную обмотку возбуждения (рис. 3.12.3). Такой явнополюсный принцип устройства применяется, в частности, в случае тихоходных генераторов, предназначенных для соединения с гидротурбинами (гидрогенераторов), работающих обычно при частоте вращения от 60 r/min до 600 r/min.

Очень часто такие генераторы, в соответствии с конструктивным исполнением мощных гидротурбин, выполняются с вертикальным валом.

Рис. 3. Принцип устройства ротора тихоходного синхронного генератора. 1 полюс, 2 обмотка возбуждения, 3 колесо крепления, 4 вал

Обмотку возбуждения синхронного генератора обычно питают постоянным током от внешнего источника через контактные кольца на валу ротора. Раньше для этого предусматривался специальный генератор постоянного тока (возбудитель), жестко связанный с валом генератора, а в настоящее время используются более простые и дешевые полупроводниковые выпрямители. Встречаются и системы возбуждения, встроенные в ротор, в которых ЭДС индуцируется статорной обмоткой. Если для создания магнитного поля вместо электромагнитной системы использовать постоянные магниты, то источник тока возбуждения отпадает и генератор становится значительно проще и надежнее, но в то же время и дороже. Поэтому постоянные магниты применяются обычно в относительно маломощных генераторах (мощностью до нескольких сотен киловатт).

Конструкция турбогенераторов, благодаря цилиндрическому ротору относительно малого диаметра, очень компактна. Их удельная масса составляет обычно 0,5…1 kg/kW, и их номинальная мощность можеь достигать 1600 MW. Устройство гидрогенераторов несколько сложнее, диаметр ротора велик и удельная масса их поэтому обычно 3,5…6 kg/kW. До настоящего времени они изготовлялись номинальной мощностью до 800 MW.

При работе генератора в нем возникают потери энергии, вызванные активным сопротивлением обмоток (потери в меди), вихревыми токами и гистерезисом в активных частях магнитной системы (потери в стали) и трением в подшипниках вращающихся частей (потери на трение). Несмотря на то, что суммарные потери обычно не превышают 1…2 % мощности генератора, отвод тепла, освобождающегося в результате потерь, может оказаться затруднительным. Если упрощенно считать, что масса генератора пропорциональна его мощности, то его линейные размеры пропорциональны кубическому корню мощности, а поверхностные размеры – мощности в степени 2/3. С увеличением мощности, следовательно, поверхность теплоотвода растет медленнее, чем номинальная мощность генератора. Если при мощностях порядка нескольких сотен киловатт достаточно применять естественное охлаждение, то при бoльших мощностях необходимо перейти на принудительную вентиляцию и, начиная приблизительно со 100 MW, использовать вместо воздуха водород. При еще больших мощностях (например, более 500 MW) необходимо дополнить водородное охлаждение водным. У крупных генераторах надо специально охлаждать и подшипники, обычно используя для этого циркуляцию масла.

Тепловыделение генератора можно значительно уменьшить путем применения сверхпроводящих обмоток возбуждения. Первый такой генератор (мощностью 4 MVA), предназначенный для применения на судах, изготовила в 2005 году немецкая электротехническая фирма Сименс (Siemens AG) [3.24]. Номинальное напряжение синхронных генераторов, в зависимости от мощности, находится обычно в пределах от 400 V до 24 kV. Использовались и более высокие номинальные напряжения (до 150 kV), но чрезвычайно редко. Кроме синхронных генераторов сетевой частоты (50 Hz или 60 Hz) выпускаются и высокочастотные генераторы (до 30 kHz) и генераторы пониженной частоты (16,67 Hz или 25 Hz), используемые на электрифицированных железных дорогах некоторых европейских стран. К синхронным генераторам относится, в принципе, и синхронный компенсатор, представляющий собой синхронный двигатель, работающий на холостом ходу и отдающий в высоковольтную распределительную сеть реактивную мощность. При помощи такой машины можно покрыть потребление реактивной мощности местных промышленных электропотребителей и освободить основную сеть энергосистемы от передачи реактивной мощности.

Кроме синхронных генераторов относительно редко и при относительно малых мощностях (до нескольких мегаватт) могут использоваться и асинхронные генераторы. В обмотке ротора такого генератора ток индуцируется магнитным полем статора, если ротор вращается быстрее, чем статорное вращающееся магнитное поле сетевой частоты. Необходимость в таких генераторах возникает обычно тогда, когда невозможно обеспечить неизменную скорость вращения первичного двигателя (например, ветряной турбины, некоторых малых гидротурбин и т. п.).

У генератора постоянного тока магнитные полюсы вместе с обмоткой возбуждения располагаются обычно в статоре, а обмотка якоря – в роторе. Так как в обмотке ротора при его вращении индуцируется переменная ЭДС, то якорь необходимо снабжать коллектором (коммутатором), при помощи которого на выходе генератора (на щетках коллектора) получают постоянную ЭДС. В настоящее время генераторы постоянного тока применяются редко, так как постоянный ток проще получать при помощи полупроводниковых выпрямителей.

К электромашинным генераторам относятся и электростатические генераторы, на вращающейся части которых путем трения (трибоэлектрически) создается электрический заряд высокого напряжения. Первый такой генератор (вращаемый вручную серный шар, который электризовался при трении об руку человека) изготовил в 1663 году мэр города Магдебурга (Magdeburg, Германия) Отто фон Гюрике (Otto von Guericke, 1602–1686). В ходе своего развития такие генераторы позволяли открывать многие электрические явления и закономерности. Они и сейчас не потеряли своего значения как средств проведения экспериментальных исследований по физике.

Первый магнитоэлектрический генератор изготовил 4 ноября 1831 года профессор Лондонского Королевского института (Royal Institution) Майкл Фарадей (Michael Faraday, 1791–1867). Генератор состоял из подковообразного постоянного магнита и медного диска, вращающегося между магнитными полюсами (рис. 3.12.4). При вращении диска между его осью и краем индуцировалась постоянная ЭДС. По такому же принципу устроены более совершенные униполярные генераторы, находящие применение (хотя относительно редко) и в настоящее время.

Рис. 4. Принцип устройства униполярного генератора Майкла Фарадея. 1 магнит, 2 вращающийся медный диск, 3 щетки. Рукоятка диска не показана

Майкл Фарадей родился в бедной семье и после начальной школы, в возрасте 13 лет, поступил учеником переплетчика книг. По книгам он самостоятельно продолжал свое образование, а по Британской энциклопедии ознакомился с электричеством, изготовил электростатический генератор и лейденскую банку. Для расширения своих знаний он начал посещать публичные лекции по химии директора Королевского института Гемфри Дэви (Humphrey Davy, 1778–1829), а в 1813 году получил должность его ассистента. В 1821 году он стал главным инспектором этого института, в 1824 году – членом Королевского общества (Royal Society) и в 1827 году – профессором химии Королевского института. В 1821 году он начал свои знаменитые опыты по электричеству, в ходе которых предложил принцип действия электродвигателя, открыл явление электромагнитной индукции, принцип устройства магнитоэлектрического генератора, закономерности электролиза и много других основополагающих физических явлений. Спустя год после вышеописанного опыта Фарадея, 3 сентября 1832 года, парижский механик Ипполит Пикси (Hippolyte Pixii, 1808–1835) изготовил по заказу и под руководством основоположника электродинамики Андре Мари Ампера (Andre Marie Ampere, 1775–1836) генератор с вращаемым вручную, как у Фарадея, магнитом (рис. 5). В якорной обмотке генератора Пикси индуцируется переменная ЭДС. Для выпрямления получаемого тока к генератору вначале пристроили открытый ртутный коммутатор, переключающий полярность ЭДС при каждом полуобороте ротора, но вскоре он был заменен более простым и безопасным цилиндрическим щеточным коллектором, изображенным на рис. 5.

Рис. 5. Принцип устройства магнитоэлектрического генератора Ипполита Пикси (a), график индуцируемой ЭДС (b) и график получаемой при помощи коллектора пульсирующей постоянной ЭДС (c). Рукоятка и конусная зубчатая передача не показаны

Генератор, построенный по принципу Пикси, впервые применил в 1842 году на своем заводе в Бирмингеме (Birmingham) для электропитания гальванических ванн английский промышленник Джон Стивен Вульрич (John Stephen Woolrich, 1790–1843), использовав в качестве приводного двигателя паровую машину мощностью 1 л. с. Напряжение его генератора составляло 3 V, номинальный ток – 25 A и кпд – около 10 %. Такие же, но более мощные генераторы быстро начали внедряться и на других гальванических предприятиях Европы. В 1851 году немецкий военный врач Вильгельм Йозеф Зинштеден (Wilhelm Josef Sinsteden, 1803–1891) предложил использовать в индукторе вместо постоянных магнитов электромагниты и питать их током от меньшего вспомогательного генератора; он же обнаружил, что кпд генератора увеличится, если стальной сердечник электромагнита изготовить не массивным, а из параллельных проволок. Однако идеи Зинштедена стал реально использовать только в 1863 году английский электротехник-самоучка Генри Уайльд (Henry Wilde, 1833–1919), который предложил, среди прочих нововведении, насадить машину-возбудитель (англ. exitatrice) на вал генератора. В 1865 году он изготовил генератор невиданной доселе мощности в 1 kW, при помощи которого он мог демонстрировать даже плавку и сварку металлов.

Важнейшим усовершенствованием генераторов постоянного тока стало их самовозбуждение, принцип которого запатентовал в 1854 году главный инженер государственных железных дорог Дании Сёрен Хьёрт (Soren Hjorth, 1801–1870), но не нашедшее в то время практического применения. В 1866 году этот принцип снова открыли независимо друг от друга несколько электротехников, в том числе уже упомянутый Г. Уайльд, но широко известным он стал в декабре 1866 года, когда немецкий промышленник Эрнст Вернер фон Сименс (Ernst Werner von Siemens, 1816–1892) применил его в своем компактном и высокоэффективном генераторе. 17 января 1867 года в Берлинской академии наук был прочитан его знаменитый доклад о динамоэлектрическом принципе (о самовозбуждении). Самовозбуждение позволило отказатьса от вспомогательных генераторов возбуждения (от возбудителей), что обусловило возможность выработки намного более дешевой электроэнергии в больших количествах. По этой причине год 1866 часто считают годом зарождения электротехники сильного тока. В первых самовозбуждающихся генераторах обмотку возбуждения включали, как у Сименса, последовательно (сериесно) с якорной обмоткой, но в феврале 1867 года английский электротехник Чарлз Уитстон (Charles Wheatstone, 1802–1875) предложил параллельное возбуждение, позволяющее лучше регулировать ЭДС генератора, к которому он пришел еще до сообщений о последовательном возбуждении, открытом Сименсом (рис. 6).

Рис. 6. Развитие систем возбуждения генераторов постоянного тока. a возбуждение при помощи постоянных магнитов (1831), b внешнее возбуждение (1851), c последовательное самовозбуждение (1866), d параллельное самовозбуждение (1867). 1 якорь, 2 обмотка возбуждения. Регулировочные реостаты тока возбуждения не показаны

Необходимость в генераторах переменного тока возникла в 1876 году, когда работающий в Париже русский электротехник Павел Яблочков (1847–1894) стал освещать городские улицы при помощи изготовляемых им дуговых ламп переменного тока (свечей Яблочкова). Первые необходимые для этого генераторы создал парижский изобретатель и промышленник Зеноб Теофиль Грамм (Zenobe Theophile Gramme, 1826–1901). С началом массового производства ламп накаливания в 1879 году переменный ток на некоторое время потерял свое значение, но снова обрел актуальность в связи с ростом дальности передачи электроэнергии в середине 1880-х годов. В 1888–1890 годах владелец собственной научно-исследовательской лаборатории Тесла-Электрик (Tesla-Electric Co., Нью-Йорк, США) эмигрировавший в США сербский электротехник Никола Тесла (Nikola Tesla, 1856–1943) и главный инженер фирмы АЭГ (AEG, Allgemeine Elektricitats-Gesellschaft) эмигрировавший в Германию русский электротехник Михаил Доливо-Добровольский (1862–1919) разработали трехфазную систему переменного тока. В результате началось производство все более мощных синхронных генераторов для сооружаемых тепло- и гидроэлектростанций.

Важным этапом в развитии турбогенераторов может считаться разработка в 1898 году цилиндрического ротора совладельцем швейцарского электротехнического завода Браун, Бовери и компания (Brown, Boveri & Cie., BBC) Чарлзом Эженом Ланселотом Брауном (Charles Eugen Lancelot Brown, 1863–1924). Первый генератор с водородным охлаждением (мощностью 25 MW) выпустила в 1937 году американская фирма Дженерал Электрик (General Electric), а с внутрипроводным водяным охлаждением – в 1956 году английская фирма Метрополитен Виккерс (Metropolitan Vickers).

Устройство автономной электростанции

Основная задача любого электрогенератора – преобразовывать механическую энергию в электрическую. Чтобы правильно выбрать модель и купить автономный генератор для резервного или альтернативного источника питания, стоит разобраться в принципах работы и разновидностях оборудования данного типа.

Устройство генератора

В основе генераторов постоянного и переменного тока находится такой элемент, как неподвижный статор, вокруг которого вращается якорь или ротор. Поскольку установки постоянного тока в быту практически не используются, более детально остановимся на устройстве генератора переменного тока. Для понимания принципа работы устройства не обязательно знать, из каких частей состоит генератор. Для нас достаточно основ – неподвижный статор и вращающийся ротор.

Роль индуктора в синхронных генераторах переменного тока чаще всего играет ротор (для систем постоянного тока наоборот – статор). Индуктор является многополюсной электромагнитной системой с обмоткой возбуждения, которая запитывается от постоянного тока. Также встречаются индукторы, представленные системой постоянных магнитов. Для асинхронных индукционных генераторов ротор и статор могут одновременно являться индуктором и якорем.

Принцип работы

В основе принципа работы генератора лежит закон электромагнитной индукции, согласно которому электродвижущая сила индуцируется в прямоугольном контуре, помещенном в однородное вращающееся магнитное поле. Или в контуре, вращающемся в неподвижном поле.

Рассмотрим ситуацию, когда во вращающемся вокруг оси с постоянной скоростью однородном магнитном поле (созданном постоянным магнитом) будет находиться проволочная рамка. Вертикальные противоположные стороны рамки станут активными, поскольку через них проходят вертикальные магнитные линии вращающегося магнитного поля. Горизонтальные линии рамки активными не будут, поскольку их магнитные линии не пересекают, а скользят вдоль. Таким образом, злектродвижущая сила (ЭДС) будет образовываться в горизонтальных сторонах рамки.

Практически всю электроэнергию на Земле производят синхронные генераторы переменного тока. Вращающийся индуктор создает вращающееся магнитное поле, которое наводит в статорной обмотке переменную ЭДС. Частота ЭДС зависит от частоты вращения ротора. Для получения 50 Hz ротор должен вращаться с частотой в 3 тысячи r/min.

Виды генераторов

Генераторы подразделяются на виды по типу двигателя и количеству фаз. Также различают синхронные, асинхронные и инверторные установки.

В зависимости от типа двигателя генератор может быть:

• Дизельным;
• Бензиновым;
• Газовым.

Бензиновые станции

Установки этого типа отличаются компактными размерами и простотой в эксплуатации. Но их можно использовать исключительно в качестве аварийного резерва. Установки не рассчитаны на длительную безостановочную работу.

Дизельные станции

Генераторы, в основе которых лежит дизельный двигатель, могут работать продолжительное время без остановки и часто применяются в качестве альтернативного источника электроэнергии в удаленной местности. Основные преимущества таких станций – высокая мощность, надежность и неприхотливость, большой запас межсервисного моторесурса.

Газовые станции

Газовые генерирующие установки являются отличным решением при организации бесперебойного постоянного снабжения электроэнергией любого объекта. Основное преимущество станции – в качестве топлива используется дешевый природный газ. Преимущества – экологичность и простота в обслуживании.

• низкая цена
• тихая работа
• простота
• небольшой вес и размеры

• невысокий запас моторесурса
• дорогое электричество

• мощность
• надежность
• большой запас моторесурса
• длительная работа без остановки

• более высокая цена установки
• большой вес и габариты

• дешевая энергия
• простота обслуживания
• не нужно заботиться о запасах топлива (при подключении к магистрали)

Однофазные и трехфазные генераторы предназначены для различных целей. Поскольку стоимость трехфазных установок выше однофазных, а необходимости в трех фазах в быту нет, чаще всего в загородных домах и коттеджах используются именно однофазные станции.

Синхронный, асинхронный или инверторный генератор:

Синхронный	Обеспечивает стабильное качественное напряжение, менее восприимчив к пиковым нагрузкам.
Асинхронный	Более доступен по цене, отличается простой конструкцией. Не рекомендуется эксплуатировать при пиковых нагрузках.
Инверторный	Экономичная система, вырабатывающая качественную энергию.

Какой генератор выбрать

Выбирать генератор нужно, в зависимости от целей и задач. В качестве аварийного резерва при нечастых включениях можно приобрести бензиновую станцию. Если планируется использовать установку часто и продолжительное время, ваш выбор – дизельный генератор.

Как устроен многополюсный индуктор генератора тока?

.

Остальные ответы

Как устроен генератор переменного тока. Устройство генератора крайне простое. Он состоит из двух основных частей: подвижной (ротор или индуктор) и неподвижной (статор или якорь). В гпт ротором выступает электрический магнит, создающий магнитное поле, которое и принимает статор.

транзистор и несколько конденсаторов и резисторов — для смены частоты (герцев) генератора, любой первоклассник это собрать может с закрытыми глазами !

Похожие вопросы

Рабочая частота генератора индукционной литейной установки.

Индукционный нагрев металлов и его применение в литейных установках.

Индукционный нагрев по сути является наглядной демонстрацией явления электромагнитной индукции, когда в электропроводящих телах, находящихся в переменном электромагнитном поле, возникают электрические токи. Плотность этих токов, называемых индукционными, в каждом элементарном объёме нагреваемого материала может меняться по самым разнообразным законам в зависимости от геометрических размеров нагреваемого материала, его удельного сопротивления, магнитной проницаемости и частоты. Такой же процесс происходит в индукционных литейных установках: при пропускании переменного тока через индуктор вокруг него возникает переменное магнитное поле. Переменный магнитный поток, пронизывающий находящиеся внутри индуктора заготовки металла, вызывает появление в них индукционного тока и вторичных (вихревых) токов. Вихревые токи разогревают заготовку (закон Джоуля — Ленца), при этом энергия, выделяющаяся в заготовке, пропорциональна частоте переменного электромагнитного поля.
На высокой частоте вихревые токи вытесняются в тонкие поверхностные слои заготовок (скин-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает а по мере приближения к центру заготовки — экспоненциально уменьшается. Таким образом, именно в приповерхностном слое (определяемом как «глубина проникновения тока») выделяется более 80% тепла.
Основными электрофизическими свойствами материалов для расчёта установок индукционного нагрева являются удельное электрическое сопротивление и магнитная проницаемость. Они определяют глубину проникновения тока и мощность, выделяемую в нагреваемом образце. При нагреве ферромагнитных металлов их удельное электрическое сопротивление и магнитная проницаемость изменяются.
Так, электрическое сопротивление металлов и сплавов, в зависимости от их химического состава может увеличиться в 10 раз.
Магнитная проницаемость ферромагнитных тел при достижении телом температуры точки Кюри (точка магнитных превращений) резко уменьшается и становится равной единице.
С увеличением значения удельного электрического сопротивления нагреваемого тела и уменьшением его магнитной проницаемости глубина проникновения тока увеличивается.
Максимальное значение глубины проникновения тока называется горячей глубиной проникновения.
В общих чертах процесс индукционного нагрева ферромагнитной заготовки можно представить по следующей схеме.
В первый момент начинается нагрев образца в тонком поверхностном слое, равном глубине проникновения тока в холодный металл. После потери этим слоем магнитных свойств, глубина проникновения тока возрастает и нагревается слой, расположенный глубже, повышение температуры в первом нагретом слое замедляется. После потери магнитных свойств вторым слоем начинается быстро нагреваться третий слой и так далее.
Пределом роста глубины проникновения тока является горячая глубина проникновения.
Повышение температуры в слое равной горячей глубине проникновения происходит за счет индукционных токов, а в более глубоких слоях — в основном, за счет теплопроводности.
Высокие значения КПД обеспечиваются, прежде всего, расчетом параметров индукционного нагрева под определенные размеры нагреваемого тела. Соотношение размеров индуктора и нагреваемого тела, частота тока и магнитная проницаемость, удельное сопротивление металла — все это определяет эффективность нагрева, т. е. электрический КПД.
Важнейшим параметром, определяющим КПД индукционной установки, а значит и эффективность нагрева, является глубина горячего проникновения тока.
Эффективный индукционный нагрев возможен только при определённых значениях отношения диаметра нагреваемой заготовки к глубине горячего проникновения.

Рисунок 1: Зависимость электрического КПД индукционной установки от отношения диаметра цилиндрического тела к горячей глубине проникновения тока.

График на рисунке 1 показывает, что уже при значении этого отношения менее 4 нагрев нежелателен, а при соотношении менее единицы вообще неприемлем.
Из этого графика следует, что для повышения эффективности индукционной установки, следует при заданном диаметре нагреваемой заготовки уменьшать значение горячей глубины проникновения тока. Это может быть достигнуто только повышением частоты.

ВНИМАНИЕ!
Для установок индукционного нагрева в Российской Федерации выделен ряд разрешённых для использования частот. Для индукционных литейных установок, используемых в зуботехнических лабораториях для плавки стоматологических сплавов, определены частоты 66кГц, 440кГц и 1,76МГц.
Обращаем Ваше внимание, что не все импортные литейные установки соответствуют этому требованию.
Принимая решение по оснащению вашей лаборатории литейной установкой, убедитесь в том, что частота её генератора соответствует приведённым выше значениям. В противном случае, в будущем вы рискуете столкнуться с «непониманием» органов государственного надзора.

Индукционные литейные установки, работающие на частоте 1,76МГц, выполнены на основе ламповых генераторов. В настоящее время такие установки потеряли свою актуальность, вследствие низкого КПД и морального устаревания.
Исходя из изложенных выше ограничений по частоте генератора литейной установки, в дальнейшем мы будем рассматривать только установки с рабочими частотами генератора равными 66кГц и 440кГц.

Часто в рекламных буклетах при описании индукционных литейных установок можно встретить различное их наименование. Где-то их называют «низкочастотными», где-то «среднечастотными» или «высокочастотными». На самом деле, все индукционные установки с рабочей частотой генератора более 50 кГц классифицируются как высокочастотные. Низкочастотными считаются установки индукционного нагрева с рабочими частотами менее 1 кГц. Среднечастотными — с рабочими частотами от 1кГц до 50 кГц.
Установок для плавки и литья стоматологических сплавов с рабочими частотами менее 50 кГц просто не существует, потому что они были бы крайне не эффективны. Конечно, необходимо признать, что для производителя литейных установок выгоднее использовать генераторы с как можно более низкими рабочими частотами ввиду их сравнительно невысокой стоимости, но при этом проигрывает потребитель, ниже мы поясним, почему.

Индукционные литейные установки, работающие на частоте 66кГц и 440кГц, имеют сходные характеристики. Их отличает высокий КПД (0,85…0,9), они надёжны, долговечны. Качество литья, получаемое на этих установках, соответствует самым высоким требованиям.
Величина рабочей частоты генератора индукционной литейной установки в значительной степени влияет на её электрические характеристики и эксплуатационные параметры.
Выбор рабочей частоты генератора определяется следующими требованиями:

• электрический КПД установки должен быть максимальным;
• время плавки должно быть минимальным;
• установка должна обеспечивать эффективную работу при плавке стоматологических сплавов, имеющих различные величины диаметра и высоты отдельных заготовок сплава;
• величина электродинамических сил, воздействующих на расплав, должна быть оптимальной, с одной стороны, для обеспечения качественного перемешивания расплава, а с другой стороны — минимального мениска расплава на завершающем этапе плавки.

Величина рабочей частоты генератора и эффективность плавки заготовок различного диаметра.

Сравнивая эффективность и качественные показатели литейных индукционных установок, необходимо представлять какая из них лучшим образом подходит для литья стоматологических сплавов, обладающих определёнными физико-химическими свойствами и линейными размерами.
Ввиду большого разнообразия используемых стоматологических сплавов, качественный анализ можно сделать, приняв за основу некий «усреднённый сплав». Для такого сплава, нагретого выше точки магнитных превращений (точки Кюри) горячая глубина проникновения тока при частоте 66кГц равна, примерно, 2мм.
Тогда, как следует из графика на рис.1, производить нагрев заготовки сплава с высокой эффективностью при частоте генератора индукционной установки равной 66кГц возможно, начиная с диаметра заготовки D = 10мм. При диаметре заготовки менее 8мм эффективность нагрева будет уменьшаться, достигая минимального значения при диаметрах заготовки сплава равных 5…6мм.
Для частоты 440кГц горячая глубина проникновения тока, при прочих равных условиях, будет составлять величину порядка 0.8мм. Т.е. производить нагрев заготовки сплава с высокой эффективностью при частоте генератора индукционной установки равной 440кГц возможно, начиная с диаметра заготовки D = 4мм.
В теории индукционного нагрева существует понятие «минимально допустимой рабочей частоты генератора» для заданного диаметра цилиндрической заготовки, подлежащей нагреву.
График зависимости минимальной частоты генератора индукционной установки от диаметра нагреваемой установки (Рис.2) строится из условия, что отношение диаметра нагреваемого образца цилиндрической формы к величине горячей глубины проникновения тока» (или «скин-слоя») равно 3.

Рисунок 2: Зависимость величины минимального диаметра нагреваемой заготовки стоматологического сплава от рабочей частоты генератора

• минимально допустимый диаметр нагреваемых заготовок сплава при работе на индукционной установке с частотой 440кГц равен 2,5мм.
• минимально допустимый диаметр нагреваемых заготовок сплава при работе на индукционной установке с частотой 66кГц равен 6мм.

Т.е. при работе на литейной установке с частотой 66кГц ограничивается возможность использования в качестве «вторичного металла» элементов литниковой системы, имеющих меньшие размеры.
В случае же их использования они будут нагреваться не под действием индукционных токов, а вследствие передачи им тепловой энергии от более горячих частей загрузки тигля, имеющих больший диаметр. Это будет способствовать увеличению времени плавки, т. е. ухудшению одного из основных параметров.
График на рисунке 2 хорошо объясняет суть проблемы. Из него видно, что для нагрева заготовок сплава, имеющих диаметр порядка 5мм, необходима частота генератора не менее 120кГц. Если же используются заготовки с диаметром 4мм, то минимально допустимая частота генератора возрастает до 180кГц.
Таким образом, выбор рабочей частоты генератора для индукционной литейной установки является важнейшим фактором, определяющим её качественные показатели. Индукционная литейная установка для зуботехнических лабораторий должна обеспечивать эффективный нагрев и плавку за короткий промежуток времени всего спектра стоматологических сплавов, отличающихся как химическим составом, так и линейными размерами заготовок.
Особое внимание необходимо обращать на способность установки обеспечивать высокий электрический КПД при работе с заготовками, имеющими диаметры в диапазоне от 3 до 15мм.

Рисунок 3: Оптимальные размеры заготовок при частотах 66 и 440 кГц

Из рисунка 3 видно, что использование в индукционных литейных установках УЛВК-10М и ЦентроЛит-70М генератора с рабочей частотой 440кГц снимает все ограничения, связанные с минимальными линейными размерами загружаемых в тигель частей металла. Это делает её более универсальной. Кроме того обеспечивается максимально быстрый нагрев металла, что приводит к сокращению длительности процесса плавки и повышению экономической эффективности работы.

Величина рабочей частоты генератора и циркуляция металла.

Обращая внимание на частоту генератора при выборе индукционной литейной установки необходимо учитывать не только энергетические характеристики генератора, но и вопросы магнитогидродинамики, т. е. влияние электромагнитного поля индуктора на расплав в тигле.
Под действием электродинамических сил расплавленный металл в средней части тигля перетекает от периферии к оси, затем по оси тигля выжимается вверх к зеркалу ванны расплава и вниз ко дну тигля. Вверху и внизу он перетекает к стенкам и вдоль стенок возвращается к средней части тигля, совершая так называемую двухконтурную циркуляцию.
Факт электродинамической циркуляции металла является достоинством любой индукционной литейной установки. Циркуляция ускоряет расплавление, выравнивает температуру и химический состав расплава.
Однако циркуляция металла имеет и серьезный недостаток, заключающийся в образовании на поверхности расплава выпуклого мениска. Особенно сильно отрицательное влияние мениска на процесс плавки проявляется при использовании в литейных установках генераторов с относительно низкой рабочей частотой. Это связано с тем, что при неизменной мощности, передаваемой в расплав, силовое воздействие на него усиливается тем больше, чем меньше частота генератора.
Например, при частоте генератора равной 66кГц высота мениска почти в 3 раза больше, чем при частоте 440кГц.

Рисунок 4:Завсисимость величины мениска от рабочей частоты генератора.

Рассмотрим подробнее влияние мениска на процесс плавки.
Расплавленный сплав покрывается тонкой оксидной плёнкой, которая благодаря поверхностному натяжению расплава удерживается на его поверхности, предохраняя расплав от окисления. В период расплавления взламывание плёнки происходит, главным образом, вследствие циркуляции металла.

Если электродинамическая циркуляция способствует образованию мениска большой высоты, разрушение оксидной плёнки может произойти слишком рано. Зеркало расплава откроется до момента выравнивания температуры по всему объёму тигля. Расплав будет открыт для его окисления остаточными газами, присутствующими в плавильной камере.
Для уменьшения вредного влияния мениска на процесс плавки рекомендуется уменьшать мощность на завершающем этапе плавки. Это необходимо для того, чтобы температура расплава выровнялась по всему объёму тигля. При этом важно, чтобы, для предупреждения окисления расплава остаточными газами, оксидная плёнка не была преждевременно разорвана.
Возникает дилемма: для расплавления высокотемпературных компонентов сплава в течение минимального времени необходима максимальная мощность. Но при этом значительные электродинамические силы, воздействующие на расплав приведут к разрыву оксидной плёнки слишком рано. Расплав подвергнется дополнительному окислению. Идеальным вариантом проведения плавки на завершающем этапе является вариант, при котором плавка ведётся при мощности близкой к максимальной при минимальной высоте мениска.
Именно такой вариант работы реализован в литейных установках УЛВК-10М и ЦентроЛит-70М. Вероятность преждевременного разрыва оксидной плёнки на них значительно ниже, вследствие того, что частота генератора выбрана равной 440кГц и мениск расплава имеет минимальную высоту.