автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Устройство индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов

На правах рукописи

КАЛИНИН Роман Геннадьевич

УСТРОЙСТВО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ДЛЯ СНЯТИЯ ИЗОЛЯЦИИ С ПРОВОДОВ

Специальность 05.09.12 — Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 НОЯ 2014

Томск 2014

005554421

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Семенов Валерий Дмитриевич

Официальные оппоненты: Харитонов Сергей Александрович

доктор технических наук, профессор (Новосибирский государственный технический университет, заведующий кафедрой электроники и электротехники)

Ярославцев Евгений Витальевич кандидат технических наук, доцент (Национальный исследовательский Томский политехнический университет, доцент кафедры промышленной и медицинской электроники)

Ведущая организация: Научно-производственный центр

«Полюс» (г. Томск)

Защита состоится «25» декабря 2014 года в 15 часов 15 минут на заседашш диссертационного совета Д 212.268.03 в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники по адресу: г. Томск, ул. Красноармейская, 146.

Автореферат разослан «30>> октября 2014 года.

Ученый секретарь ^ /

Диссертационного совета Зыков Дмитрии Дмитриевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Ежегодно в мировой промышленности выпускаются сотни тысяч моточных изделий: трансформаторов, дросселей, реле, электродвигателей, магнитных усилителей, индукторов, умножителей частоты, измерительных датчиков и т.д. С появлением импульсных источников питания потребность в производстве моточных изделий возросла многократно. Практически во всех топологиях импульсных источников питания содержится моточный элемент, будь то дроссель или трансформатор. Только в России насчитываются сотни компаний по разработке и производству источников питания и моточных изделий к ним.

При производстве моточных изделий применяются специализированные обмоточные провода с лаковой или эмалевой изоляцией на основе винифлекса, метальвнна, полиэфиров и д.р. Для соединения моточного изделия с другими электрическими элементами, требуется качественно удалить изоляционный слой с выводов моточного изделия. Не качественное удаление изоляционного слоя, в зависимости от типа соединения, приводит либо к отсутствию электрического контакта, либо к увеличению сопротивления контакта, дальнейшему его перегреву и выходу из строя оборудования.

Выделяются три основных метода для удаления пленочной изоляции с обмоточного провода. Механический метод, в котором для снятия изоляции используются абразивные материалы или специализированные ножи. Термический метод, в основе которого лежит принцип разрушения изоляционного слоя под действием тепла. Химический метод, при котором для снятия изоляции используются химические реагенты. Последний метод не получил широкого распространения, поскольку не является экологически чистым, требует специализированных помещений и оказывает вредное воздействие на оператора.

Существует ряд компаний, специализированно занимающихся производством оборудования для зачистки обмоточного провода. Американская компания Eraser выпускает различные марки оборудования для механической обработки эмалированного кабеля, такие как DSP, L2, PL, R1, С100, RT,PD, DCF и т.д. Немецкой компанией Ritz GmbH выпускаются устройства для зачистки проводов и шин Abisofix и Abisobrush. Немецкая компания Knipex выпускает специализированные пинцеты для удаления изолирующего лака. Компания Askania занимается поставкой станков для нарезки и зачистки лакированных проводов серий ZDBX, DCS, DWS, SWT. Применение механического метода для зачистки проводов приводит к повреждению токопроводящей жилы и ограничивает его использование на проводах больших диаметров

Британская компания Spectrum Technologies разрабатывает и производит лазерные установки SIENNA для обработки любых видов

изоляции. Мощности СОг лазера достаточно, чтобы сжигать изоляционный слон с зачищаемых участков. Такие установки способны эффективно обрабатывать большое количество проводов за раз и, в основном, предназначены для крупносерийных производств.

Другое устройство, в основе которого лежит термический метод удаления изоляции, описано в патенте РФ № 19228. Здесь, для нагрева провода, используется высокотемпературная камера, т.е. тепло к проводу подводится снаружи. В результате такой обработки продукты сгорания пленочной изоляции пригорают к поверхности зачищаемого провода. Кроме того, в описываемом устройстве процесс зачистки не автоматизирован, и качество снятия изоляции напрямую зависит от действий оператора. Тем не менее, при термической обработке токопроводящая жила не подвержена механическим повреждениям.

В отличие от описанных установок, в основе которых лежит метод термической обработки провода, а тепло к обрабатываемому участку прикладывается снаружи, при индукционном нагреве тепловое воздействие на изоляшпо происходит изнутри. В результате нарушаются адгезионные связи между поверхностью провода и пленочной изоляцией. Обработанный участок провода физически не повреждается, а изоляция удаляется без пригорания. Поэтому исследование и разработка устройства индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов актуальна.

Степень разработанности

Устройство индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов впервые было предложено Артеевым М.С., Семеновым В.Д., Федотовым В.А. и д.р., о чем свидетельствует патент РФ № 97011.

Несмотря на то, что вопросу индукционного нагрева проволоки посвящено большое количество работ авторов Дзлиева C.B., Злобиной М.В., Зубова В.Я., Луконина А.А., Посмитюхи Д.А. и многих других, тем не менее, в каждой работе рассматривается применение индукционного нагрева проволоки с целью отпуска или отжига, предварительному нагреву перед нанесением изоляционного слоя, волочению и т.д. Вопрос об индукционном нагреве проволоки с целью снятия с нее изоляционного слоя поднимается впервые.

При реализации устройства по патенту РФ № 97011, были сформулированы и поставлены задачи, требующие дополнительных исследований, по результатам которых можно было бы спроектировать эффективное, стабильно работающее и промышленно повторимое устройство индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование устройства индукционного нагрева для снятия изолящш с проводов.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Предложить структуру установки, реализующую индукционный нагрев медного провода с целью зачистки его от пленочной изоляции.

2. Выбрать схему и алгоритм управления резонансным инвертором, обеспечивающие минимальное количество элементов в силовой цепи и режим минимальных коммутационных потерь в транзисторах инвертора, построить его компьютерную модель и получить необходимые характеристики.

3. Разработать эффективный индуктор для нагрева медного провода с целью снятия с него изоляции, обеспечивающий необходимую мощность нагрева проводов в заданном диапазоне диаметров.

4. Разработать экспериментальный образец устройства индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов, исследовать режимы коммутации силовых ключей резонансного инвертора и эффективность нагрева проводов разных диаметров с целью снятия с них изоляции.

5. Провести 'экспериментальные исследования качества зачистки обмоточных проводов методом индукционного нагрева и металлографические исследования влияния индукционного нагрева на структуру медного провода, при зачистке его от эмалевой изоляции.

Объектом исследования является устройство индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов.

Предметом исследования являются электромагнитные процессы, протекающие в высокочастотном транзисторном преобразователе и индукторе, на который нагружен этот преобразователь.

Научная новизна

1. Впервые экспериментально подтверждено, что индукционный нагрев провода приводит к отслаиванию от него лаковой изоляции, что обеспечивает качественное удаление изоляции без физического повреждения токопроводящей жилы.

2. Исследованы алгоритмы управления однотактным полумостовым резонансным инвертором. Установлено, что потери на силовых транзисторных ключах минимальны при частотно-импульсном регулировании ЧИР, а максимальны при широтно-импульсном регулировании ШИР (на 50% выше, чем при ЧИР). Потери при несимметричном регулировании на 30% ниже чем при ШИР и на 30% выше чем при ЧИР.

3. Установлено, что теоретическая эффективность нагрева провода в продольном магнитном поле в 1,5 раза выше, чем в поперечном магнитном поле. Но при зачистке малых диаметров проводов эта эффективность нереализуема.

4. Установлено, что эффективность нагрева медного провода уменьшатся на 30%-70% при учете кондуктивного отвода тепла.

Практическая значимость диссертационной работы

1. Разработано устройство индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов диаметром 0,15-1,12 мм.

2. Предложена компьютерная модель в среде LTspice резонансного инвертора позволяющая исследовать коммутационные процессы и рассчитать статические и динамические потери в силовых ключах инвертора с реальными математическими моделями транзисторов, предоставляемыми компаниями производителями.

3. В компьютерной среде Ansys Maxwell получены зависимости мощности передаваемой в провод от частоты и индукции магнитного поля, а также индуктивности обмотки индуктора с учетом реальных физических свойств материалов и размеров зазора магнитопровода при нагреве проводов различных диаметров в диапазоне от 0,15 мм до 1,12 мм.

4. Разработаны практические рекомендации к технологии зачистки провода методом индукционного нагрева.

Методы исследовании

Для решения поставленных задач были использованы элементы теории электрических и магнитных цепей, методы расчета теплопроводности твердых тел, методы схемотехнического моделирования с применением программного пакета инженерного проектирования LTSpice, программы инженерных и научных расчетов MathCad, пакета моделирования электромагнитных процессов методом конечно-элементного анализа Ansys Maxwell, а также физическое макетирование.

Положения, выносимые на защиту

1. Применение индукционного нагрева с целью снятия эмалевой изоляции, позволяет эффективно зачищать провода, не повреждая токопроводящую жилу.

2. Частотно-импульсное управление однотактным полумостовым преобразователем для индукционного нагрева обеспечивает минимальные потери в силовых транзисторных ключах.

3. Предложенный расчет эффективности нагрева медного провода в зазоре индуктора, позволяет определить оптимальную частоту работы индуктора, при которой индуктор обладает наибольшим КПД.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректной постановкой задач, адекватностью разработанных моделей, а также результатами, полученными в ходе экспериментальных исследований на компьютерной и физической моделях.

Внедрение результатов работы

Диссертационная работа выполнялась при содействии программы стратегического развития Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, проект №2.3.1.3 «Разработка и создание интеллектуальных микропроцессорных систем управления импульсными преобразователями электрической энергии для перспективных технологических процессов». Результаты диссертационной работы внедрены в компании ООО «ВИПЭЛ», при проведении НИОКР «Разработка устройства для снятия изоляции с лакированных проводов малых диаметров». Также результаты работы внедрены в Томском государственном

университете систем управления и радиоэлектроники в учебный процесс и используются в индивидуальных заданиях по дисциплинам «Основы преобразовательной техники», «Энергетическая электроника», «Полупроводниковые ключи в силовых схемах» и «Импульсные модуляционные системы». Кроме того, результаты диссертационной работы используются при реализации проектов группового проектного обучения, а также при подготовке выпускных квалификационных работ.

Личный вклад автора

Материалы диссертации являются обобщением работ автора, выполненных в период с 2011 по 2014 года, и отражают его личный вклад в решаемую задачу. Основные научные результаты получены автором самостоятельно. Опубликованные работы написаны в соавторстве с руководителем и другими авторами. Совместно с научным руководителем выполнена постановка задач диссертационного исследования, анализ и обсуждение результатов теоретических и практических исследований. Автором совместно с Федотовым В.А. разработан и изготовлен экспериментальный стенд для испытаний устройства индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов, практические исследования на котором проведены автором самостоятельно.

Апробация результатов

Основные положения диссертационной работы докладывались н обсуждались на Научно-технической конференции молодых специалистов «Электронные и электромеханические системы и устройства» ОАО «НПЦ Полюс» (г. Томск, 2013 г.), на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» НГТУ (г. Новосибирск, 2013 г.), а также на Всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР» (Томск): «Научная сессия ТУСУР-2013», «Научная сессия ТУСУР-2014».

Публикации

По основным научным результатам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе, три статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных высшей аттестационной комиссией РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка 114 использованных источников и 3 приложений. Работа изложена на 172 страницах машинописного текста, иллюстрируется 103 рисунками и 14 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, сформулированы цель работы и решаемые задачи. Изложены основные научные результаты, методы исследований, сведения о практическом использовании результатов работы и её апробации.

В первой главе проведен обзор научно-технических решений для реализации устройств зачистки проводов с эмалевой или лаковой изоляцией. В результате обзора разработаны сопоставимые структурные схемы устройств механической и термической зачистки проводов.

К главному недостатку механических установок относится то, что при снятии изоляции удаляется и часть наружного слоя провода, что приводит к уменьшению площади сечения обработанного участка. Кроме того, использование вращающихся и острых элементов, приводит к обрыву или повреждению зачищаемого провода.

Термический метод зачистки разделяется на два типа, по способу подвода тепла к изоляционному слою.

В патенте РФ №19228 предложено устройство для снятия изоляции с проводов методом обжига в высокотемпературной камере, где тепло к изоляционному слою подводится снаружи. К недостатку предложенного устройства следует отнести то, что при наружной термической обработке провода с целью его зачистки, обгорает поверхность эмалевой изоляции. При этом усиливаются адгезионные связи между поверхностью медной жилы и внутренней поверхностью изоляции. Т.е. продукты сгорания лаковой изоляции пригорают к поверхности токопроводяшей жилы, в результате чего требуется дополнительная обработка провода.

На рисунке 1 представлена структурная схема устройства индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов (нагрев изоляции изнутри).

Рисунок 1 - Устройство индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов

Устройство индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов состоит из блока питания и управления БПиУ, питающегося от сети переменного напряжения 220 В 50 Гц. БПиУ должен обеспечивать настройку

блока зачистки БЗ, а именно время зачистки и выбор диаметра зачищаемого провода. Блок зачистки представляет собой резонансный инвертор напряжения. Резонансный инвертор состоит из высокочастотного транзисторного преобразователя ВП, нагруженного на резонансный ЯЬС-контур, который в свою очередь является эквивалентной схемой замещения индуктора /. с компенсационной емкостью С и эквивалентным активным сопротивлением контура Я. Управление ключами ВП производится посредством системы управления СУ. Для настройки контура заводится обратная связь с использованием датчиков обратной связи: датчика напряжения ДН и датчика тока ДТ. В качестве индуктора предлагается использовать обмотку с концентратором М магнитного потока из стали с высокой магнитной проницаемостью.

Процесс снятия эмалевой изоляции с провода осуществляется следующим образом. В зазоре магнитопровода М индуктора размещают участок обрабатываемого провода с эмалевой изоляцией выбранного диаметра. Это может быть или конец провода, который необходимо зачистить для последующей подготовки его к пайке, или любой другой участок изолированного провода. На участке провода, размещенном в зазоре индуктора, под воздействием высокочастотного переменного магнитного поля, наводятся вихревые токи (токи Фуко), приводящие к разогреву поверхности токопроводящей жилы изнутри. Это приводит к тому, что при нагреве изоляционный слой размягчается, под изоляционным слоем выделяется газ, который приводит к разрушению адгезионных связей между изоляцией и жилой провода. Таким образом, изоляция отслаивается и, в дальнейшем легко снимается, обеспечивая высокое качество зачистки. Поскольку нагрев провода происходит под изоляционным слоем, то без доступа к кислороду металл не окисляется, что способствует более качественному лужению обработанного участка.

С точки зрения зачистки провода очень важно, что тепло подводится к лаковой изоляции изнутри и изоляция легко отслаивается от медного провода под действием его расширения и не пригорает к проводу, как это происходит, когда провод нагревают с внешней стороны. Кроме того, оборудование для индукционного нагрева (ИН) требует минимального количества настроек, достаточно провести разовую настройку в начале работы. Нагрев до заданной температуры осуществляется за доли секунды, а сам процесс нагрева является бесконтактным.

В результате анализа предложенной структуры, были поставлены задачи, которые решены в последующих главах диссертационной работы.

Вторая глава посвящена решению задачи выбора схемы и алгоритма управления резонансным инвертором, с минимальным количеством элементов в силовой цепи, а также исследованию коммутационных процессов в силовых ключах инвертора. В ней были рассмотрены силовые схемы высокочастотных инверторных преобразователей и алгоритмов управления их транзисторными ключами. В результате была выбрана схема

однотактного полумостового резонансного инвертора, компьютерная модель которого представлена на рисунке 2.

■fœtale IRFMDM.spi

L1 аз Re

/yf\.--A/v----ДД_

{Re} {Rtîf

PULSEI15 -5 {Tdetay} O.Me.S O.Olti.S (Ton) {T})

Рисунок 2 - Компьютерная модель однотактного полумостового преобразователя в среде LTspice

В качестве силовых ключей были использованы spice модели реальных транзисторов IRF540N компании International Rectifier. Исследование проводилось при входном питании El =42 В. Параметры источников управления Е2 и ЕЗ рассчитаны исходя из алгоритмов управления силовыми транзисторами (рисунки 3-5).

^.Ь'ь

ft й

I 1 т, п Т3 i —;

т! h ■у. ь (А > \

Рисунок 3 — Частотное Рисунок 4 - Широтно-управление импульсное управление

Рисунок 5 -Несимметричное управление

Результаты моделирования представлены на рисунках 6-12.

/, кГц

Рисунок 6 - Потери в транзисторе УТ1 при ЧИР

-Робщ Рстат Рдин

/кГц

Рисунок 7 - Потери в транзисторе УТ2 при ЧИР

2 1,5 1 0,5 0

-Робщ

— — Рстат -Рдин

ОД 0,3 0,5 0,7 0,9

У

Рисунок 8 - Потери в транзисторе УТ1 при ШИР

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9

У

Рисунок 8 - Потери в транзисторе УТ2при ШИР

2 1,5 1 0,5 0

-Робщ

— — Рстат

ОД 0,3 0,5 0,7 0,9

У

Рисунок 10 - Потери в транзисторе УТ1 при НИР

- Робщ Рстат Рдин

ОД 0,3 0,5 0,7 0,9

Рисунок 11 - Потери в транзисторе УТ2 при НИР

По рисункам 6-11 видно, что общие потери в транзисторах при ЧИР составляют 1,6 Вт, потери при ШИР 3,2 Вт, что на 50% больше чем при ЧИР. Потери в транзисторах НИР равны 2,4 Вт, что на 30% больше чем при ЧИР, и

на 30% меньше чем при ШИР. С точки зрения коммутационных потерь частотное управление однотактным полумостовым преобразователем оказалось предпочтительнее других алгоритмов управления.

Третья глава посвящена решению задачи разработки эффективного индуктора для нагрева медного провода с целью снятия с него изоляции, обеспечивающего необходимую мощность нагрева проводов в заданном диапазоне диаметров. В главе представлены разработанные компьютерные модели индукционного нагрева медного провода в среде Ansys Maxwell и Comsol Multiphysics. Проведено сравнение результатов моделирования нагрева в продольном (рисунок 12) и поперечном (рисунок 13) магнитных полях.

-В=0ДТл -В=0,2 Тл В=0,ЗТл

N ГО 1Л U) M D

/ кГц

н «

-В = 0,1Тл -В = 0,2 Тл В = 0,3 Тл

f, кГц

Рисунок 12 - Результаты моделирования индукционного нагрева медного провода в продольном магнитном поле

Рисунок 13 - Результаты моделирования индукционного нагрева медного провода в поперечном магнитном поле

Как видно из рисунков, индукционный нагрев медного провода диаметром 0,3 мм в продольном магнитном поле в 1,5 раза эффективнее нагрева в поперечном поле. Но с точки зрения конструктивного исполнения индуктора для нагрева тонких проводов (менее 0,3 мм) предпочтительнее индуктор поперечного магнитного поля с концентратором магнитного потока.

Разработаны трехмерные модели индуктора с концентратором, с реальными физическими свойствами объектов и геометрическим параметрами, при нагреве медных проводов разных диаметров. На рисунке 14 представлена модель распределения магнитного потока при частоте 700 кГц, величине магнитного поля 100 мТл.

с-

V »>

ВИегТа]

■ 3.7679е-1 3.5324е-1 3.29696-1 3.06146-00 2.82596-00 . 2. 5904е-00 ге^та 2.3549е-00 0 2.1194е I 1.8839е И 1.6484е I 1.4130е-00 I 1.1775е-( I 9.41986-002 7.0649е-002 Я 4.71006-002 I 2.35516-002 1.47596-006

Рисунок 14 - Модель индуктора с концентратором при нагреве провода диаметром 0,3 мм и величиной зазора 0,8 мм

/, кГц

Рисунок 15 - Зависимость тепловых потерь от частоты и величины зазора

Проведено исследование влияния изменения угла кернов магнитопровода (рисунок 16) на нагрев медного провода.

Результаты моделирования при нагреве медного провода диаметром 0,3 мм и величине магнитного поля 100 мТл, при изменении частоты тока обмотки индуктора и величины зазора, представлены на рисунке 15.

— — Однородное поле И=0,4 мм (I = 36А)

-Ь=0,5мм(1=44А)

-И =0,6 мм (I = 52А)

-И=0,7 мм (I = 60А)

-И=0,8 мм (I = 68А)

-И=0,9 мм (I = 76А)

-11=1,0 мм (I = 84А)

* а

\ \\ У -С (

т с

А- N

) а 1 ч к

( [ •С (

С 4

а) при д < с

б) при с! > с

Рисунок 16 - Параметры геометрии кернов магнитоировода и размещение нагреваемого провода

Моделирование проводилось для концентратора с зазором с = 0,2 мм. Для нагрева применялись медные провода с диаметром 0,15 мм, 0,3 мм, 0,5 мм, 0, 75 мм. При этом единственный провод, который проходил в зазор был 0,15 мм, остальные провода размещались таким образом, чтобы поверхность цилиндра провода соприкасалась с обеими гранями кернов. Результаты моделирования приведены на рисунке 17.

d--.-i.-i

ч ^

— • -0,15 мм

---0,3 мм

......0,5 мм

0,75 мм

40 50

а, °

60

Рисунок 17 - Нагрев медных проводов в зазоре с разным углом скоса кернов

Из графиков на рисунке 17 видно, что лучше всего в зазоре нагревается провод диаметром 0,15 мм, т.е. провод находящийся непосредственно в зазоре. Нагрев проводов не входящих в зазор, но расположенных вблизи его, осуществляется за счет потоков выпучивания и примерно в 2 раза хуже, чем при нагреве в зазоре. Далее, кривая удельной мощности нагрева для медного провода с диаметром 0,75 начинает спадать при угле 30°-35°, кривая для провода 0,5 мм спадает на угле 40°, а кривая провода диаметром 0,3 мм при угле 70°. Это явление можно объяснить, тем, что при увеличении угла кернов и диаметра провода увеличивается и расстояние между центром окружностей этих проводов и центром зазора, В результате чего уменьшается влияние потоков выпучивания. Для определения «граничного угла», превышая который удельная мощность нагрева начинает падать, было выведено выражение 1.

2Яг - с' 2 Я2

где а — угол скоса кернов, И — радиус нагреваемого провода, с — величина зазора концентратора.

Согласно выражению 1 «граничным углом» для провода с диаметром 0,3 мм является угол 83°, для провода 0,5 мм угол равен 47°, а для 0,7 мм угол равен 31°.

На рисунках 18 и 19 представлены зависимости мощности нагрева медного провода в зазоре индуктора и индуктивности обмотки индуктора от изменения величины угла скоса кернов магнитопровода.

70 80

Рисунок 18 - Мощность нагрева медного провода диаметром 0,3 мм в зазоре концентратора с разным углом скоса кернов

Рисунок 19 - Индуктивность обмотки индуктора при нагреве медного провода диаметром 0,3 мм в зазоре концентратора с разным углом скоса кернов

Как следует из рисунка 18, наилучший нагрев медного провода происходит при угле равном 40°-45°.

На рисунке 19 видно, что уменьшение утла, скоса кернов магнитопровода приводит к уменьшению индуктивности обмотки индуктора, а значит и к уменьшению энергии концентрируемой в зазоре магнитопровода.

Учитывая выше сказанное можно сделать вывод, что изменение угла скоса кернов магнитопровода не приносит существенного результата с точки зрения нагрева провода в зазоре. Но применяя выражение 1, появляется возможность спроектировать универсальный индуктор, который будет позволять нагревать как провода входящие в зазор, так и провода, размещаемые в непосредственной близости от зазора.

Определено распределение тепла в нагреваемом участке, учитывающее кондуктивный отвод тепла от области нагрева (рисунок 20).

Рассчитана общая эффективность нагрева (зачистки) участка длиной Ь, которая определяется выражением 2:

n = Пн(Л)(Я.Я) X Пи (B,fí,

(2)

где т|н - КПД нагрева участка провода длиной L, Т|и - КПД индуктора. Полученные кривые представлены на рисунке 21.

т; К

8оо:—

600 400 200

о_

-0,04

éL.

СП?

1

-Ú7ÍC

0,2с

-1*.

J 100 мТл ^NC' i

Í / /ч 200 мТл \ ; \

/ /

(

0,02 0 0,02 0,04 м

г/ кГц

Рисунок 20 - Распределение температуры в медном проводнике диаметром 0,3 мм в течение 200 мс и 300 мс

Рисунок 21 - Зависимость эффективности нагрева участка провода от частоты для разных значений индукции

По графикам можно определить, что при индукции магнитного поля равной ОД Тл наибольший КПД проявляется на частоте 530 кГц. При такой частоте потери в магнитопроводе равны 5,13 Вт, потери в обмотке индуктора 0,026, потери в нагреваемом проводе 6,3 Вт, время нагрева равно 0,378 сек.

При индукции равно 0,2 Тл наибольший КПД проявляется на частоте 330 кГц. Потери в магнитопроводе 13,52 Вт, в обмотке 0,103 Вт, потери в проводе 13,3 Вт. Время нагрева равно 0,161 сек.

В четвертой главе решалась задача экспериментальных исследований коммутационных процессов на реальной модели устройства индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов, а также исследования эффективности зачистки и влияния индукционного нагрева на структуру обработанного участка медного обмоточного провода. По результатам моделирования, проведенного во второй и третей главах (алгоритм управления, коммутационные процессы, оптимальная частота работы индуктора, величина зазора, индуктивное! ь обмотки индуктора, мощность и время нагрева провода заданного диаметра и т.д.), был разработан экспериментальный макет устройства индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов (рисунок 22). На экспериментальном макете были получены осциллограммы коммутационных процессов (рисунок 23-24), протекающих в однотактном полумостовом преобразователе.

Рисунок 23 - Осциллограммы напряжений £/си и О'зи в момент включения верхнего транзисторного ключа

На рисунке 23 видно, что в момент времени ^ напряжение на транзисторе с уровнем 42 В начинает уменьшаться. В момент времени Х2 напряжение на транзисторе равно нулю, но управляющий сигнал на открывание также равен нулю. Это явление объясняется наличием обратного диода в структуре М()8РЕТ транзистора и протеканием через него обратного тока в момент, когда транзисторные ключи инвертора закрыты (мертвое

Рисунок 22 - Экспериментальный макет устройства индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов с вторичным источником питания

время). Начиная с момента г3 на затвор транзистора, относительно истока, подается импульс на открытие с уровнем напряжения 15 В. Таким образом, транзистор открывается в тот момент, когда напряжение на нем равно нулю.

Рисунок 24 - Осциллограммы напряжения беи и тока /си в момент включения верхнего транзисторного ключа

Рисунок 25 - Фотография зачищенных концов проводов диаметром 0,12 мм: 1 - внешним нагревом, 2 - индукционным нагревом, 3 — отслоившийся лак при индукционном нагреве

На рисунке 24 видно, что резонансный конденсатор преобразователя разряжается до нулевого значения, после чего начинает нарастать ток стока, и транзистор включается в мягком режиме.

На рисунках 25-27 представлены примеры зачищенных проводов методом индукционного нагрева.

На рисунке 25 видно, что при обработке внешним нагревом (позиция 1), на поверхности провода остается пригоревшая эмаль, которую необходимо дополнительно удалять механически. При индукционном нагреве (позиция 2), лак отслаивается от поверхности токопроводящей жилы в виде трубки (позиция 3), оставляя поверхность провода чистой.

Рисунок 26 - Медный провод марки ПЭТВ-2 диаметром 0,2 мм, зачищенный с применением индукционного нагрева

Рисунок 27 - Медный провод марки ПЭТВ-2 диаметром 0,75 мм, зачищенный с применением индукционного нагрева

Проведено исследования влияния индукционного нагрева, при зачистке медного провода от изоляции, на микроструктуру металла. В ходе эксперимента сравнивалась исходная (необработанная) структура медного обмоточного провода марки ПЭТВ-2 диаметром 1,12 мм.

2 мм

Рисунок 28 - Исходная ри 29 _ 0писание исследуемого

микроструктура медного провода ^ да

продольный срез, увеличение х 1000

обработанный участок провода

Как видно из рисунка 28, микроструктура имеет разнозернистое состояние. Наличие зерен разных размеров можно объяснить не полной рекристаллизацией в процессе отжига обмоточного провода при его производстве.

На рисунке 29 показаны исследуемые зоны участка провода, с которого была удалена изоляция с применением индукционного нагрева. Изоляция снималась с участка длиной 12 мм. Частота тока индуктора 300 кГц. Время зачистки 700 мс.

На рисунке 30 представлены микрофотографии обработанного участка провода в зоне А. На рисунке 31 представлена микрофотография участка Б.

Рисунок 30 - Микроструктура в зоне Рисунок 31 - Микроструктура в зоне А, продольный срез, Б, продольный срез,

увеличение х 1000 увеличение х1000

По фотографиям на рисунках 30 и 31 определено, что размер зерен микроструктуры обработанного металла больше, чем у исходной структуры, при этом наблюдается меньший разброс размеров зерен. Меньший разброс размера зерен, по сравнению с исходной микроструктурой, говорит о начале

собирательной рекристаллизации. То есть происходит укрупнение зерен меди, без образования новых. Повышение однородности структуры и уменьшение твердости обработанного участка ведет к повышению пластических свойств меди.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основе проведённых теоретических и экспериментальных исследований и обобщения итогов практических работ, направленных на решение задач, связанных с разработкой устройства индукционного нагрева для снятия изоляции с проводов, получены следующие результаты:

1. Предложена структура установки, позволяющая реализовать индукционный нагрев медного провода с целью зачистки его от изоляции с высоким качеством.

2. Реализована компьютерная модель резонансного преобразователя с разными алгоритмами работы транзисторов, позволившая провести исследования и выбрать частотно-импульсное управление транзисторами, которое обеспечивает снижение коммутационных потерь в 2 по сравнению с широтно-импульсным регулированием и в 1,5 раза по сравнению с несимметричным регулированием.

3. Разработаны компьютерные модели нагрева медного провода в продольном и поперечном магнитных полях, исследования на которых показали, что нагрев в продольном поле в 1,5 раз эффективнее нагрева в поперечном. Но при зачистке проводов малых диаметров эта эффективность нереализуема.

4. Разработана компьютерная модель индуктора с концентратором магнитного потока, на которой проведены исследования электромагнитных процессов, протекающих при индукционном нагреве медного провода, с учетом реальных физических свойств материалов и размеров зазора магнитопровода.

5. Рассчитана эффективность нагрева медного провода в зазоре индуктора с концентратором магнитного потока, при этом показано, что эффективность нагрева участка провода снижается на 30-70% из-за кондуктивного отвода тепла в провод.

6. На экспериментальном макете был реализован режим мягкого включения транзисторов в диапазоне изменения частоты от 1 МГц до 630 кГц, при резонансной частоте ¿С-контура 620 кГц.

7. Проведены метачлографические исследования микроструктуры обработанного участка провода, по результатам которых даны практические рекомендации по зачистке.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих работах:

Публикации в изданиях рекомендованных ВАК РФ:

1. Калинин Р.Г. Выбор корректирующего звена резонансного преобразователя на основе экспериментальной АЧХ по управляющему воздействию / Р.Г. Калинин, A.B. Кобзев, В.Д. Семенов, В.А. Федотов // Доклады ТУСУРа. - 2013. -№ 4(30). - С. 91-95.

2. Калинин Р.Г. Прибор для снятия изоляции с проводов / Р.Г. Калинин, В.Д. Семенов, В.А. Федотов // Приборы и техника эксперимента. - 2014. -№ 1. - 143 с.

3. Калинин Р.Г. Эффективность нагрева медного провода в зазоре индуктора поперечного магнитного поля для зачистки от лаковой изоляции / Р.Г. Калинин, В.Д. Семенов, В.А. Федотов // Доклады ТУСУРа. - 2014. -№ 1(31).-74-77 с.

Публикации в других изданиях:

4. Бородин Д.Б. Имитационное моделирование преобразователя для устройств индукционного нагрева с системой автоподстройки частоты в Matlab Simulink / Д.Б. Бородин, Р.Г. Калинин, В.А. Федотов // Научная сессия ТУСУР-2013: материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 14-14 мая 2014г. В 5 ч. -Томск: В-Спектр, 2014. -Ч. 2. -С. 166-169.

5. Бородин Д.Б. Системы автоподстройки частоты для устройств индукционного нагрева / Д.Б. Бородин, Р.Г. Калинин, В.А. Федотов // Наука. Технологии. Инновации: материалы всероссийской научной конференшш молодых ученых. В 10 ч. — Новосибирск: Изд-во НТГУ, 2013. - Ч. 2. - С. 157160.

6. Калинин Р.Г. Влияние геометрии зазора концентратора магнитного потока в индукторе на нагрев медных проводов разных диаметров / Р.Г. Калинин, В.А. Федотов // Научная сессия ТУСУР-2013: материалы Всероссийской научно-технической конференшш студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 14-14 мая 2014 г. В 5 ч. — Томск: В-Спектр, 2014. -Ч. 2.-С. 170-172.

7. Калинин Р.Г. Индуктор с поперечным магнитным полем для зачистки лакированных проводов методом индукционного нагрева / Р.Г. Калинин, В.Д. Семенов, В.А. Федотов // Наука. Технологии. Инновации: материалы всероссийской научной конференции молодых ученых. В 10 ч.Новосибирск: Изд-во НТГУ, 2013. -Ч. 6. - С. 14-18.

8. Калинин Р.Г. Индукционное устройство для зачистки лакированных проводов / Р.Г. Калинин, В.А. Федотов, В.Д. Семенов // Электронные и электромеханические системы и устройства: тезисы докладов научно-

технической конференции молодых специалистов, Томск, 14-15 февраля 2013 г. -Томск: ОАО НПЦ «Полюс», 2013. -С. 73-75.

9. Калинин Р.Г. Исследование влияния продольного и поперечного высокочастотных магнитных полей на медный проводник с использованием программного пакета COMSOL Multiphysics / Р.Г. Калинин, В.А. Федотов /7 Научная сессия ТУСУР-2013: материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 15-17 мая 2013 г. В 5 ч. - Томск: В-Спектр, 2013. -Ч. 2. - С. 185-188.

10. Ли Д.В. Особенности конструктивного исполнения устройства зачистки эмалытровода больших диаметров // Д.В. Ли, Р.Г. Калинин, В.А. Федотов // Научная сессия ТУСУР-2013: материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 14-14 мая 2014 г. В 5 ч. - Томск: В-Спектр, 2014. -Ч. 2. - С. 180-182.

11. Сидоров C.B. Выбор корректирующего звена источника питания на основе однотактного обратноходового преобразователя с применением Matlab Simulink / C.B. Сидоров, Р.Г. Калинин // Научная сессия ТУСУР-2013: Материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 15-17 мая 2013 г. В 5 ч. -Томск: В-Спектр, 2013. - Ч. 2. - С. 210-214.

Тираж 100. Заказ 840. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. 533018.