Индукционная тигельная печь
Владельцы патента RU 2433365:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к индукционным установкам, предназначенным для плавки и приготовления сплавов, требующих в процессе приготовления эффективного перемешивания расплавленного металла. Печь содержит тигель, индуктор с основной и дополнительными катушками, источник питания, два конденсатора, один из которых последовательно соединен с основной катушкой и источником питания, образуя основной контур, а другой - подключен к дополнительным катушкам, которые размещены вокруг основной катушки и соединены последовательно и встречно, образуя короткозамкнутый контур, при этом число витков дополнительных катушек и емкости конденсаторов выбраны таким образом, чтобы выполнялось условие резонанса между индуктивно связанными основным и короткозамкнутым контурами. Изобретение позволяет эффективно перемешивать расплав металла и повышает коэффициент мощности установки. 3 ил.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к индукционным тигельным печам.
Известна индукционная тигельная печь (А.С. №437900, МПК F27B 14/00, опубликовано 02.01.75), содержащая тигель и секционный индуктор с возрастанием ампер-витков к верхнему торцу, расположенному выше зоны расплава.
Известна индукционная тигельная печь (А.С.№954768, МПК F27D 11/06, опубликовано 30.08.82), содержащая тигель, индуктор, рабочая часть которого состоит из основной однофазной катушки и дополнительных катушек, питаемых током, фаза которого отстает на 15-90 электрических градусов от фазы тока в основной катушке.
К недостаткам известной печи можно отнести то, что при ее использовании предъявляются высокие требования к источнику питания, она имеет низкий коэффициент мощности Cosφ, и в целом установка имеет низкую интенсивность перемешивания.
В основу изобретения положена задача повышения интенсивности перемешивания металла в печи и коэффициента мощности.
Поставленная задача решается тем, что индукционная тигельная печь, содержащая тигель, индуктор с основной и дополнительными катушками и источник питания, согласно изобретению дополнительно содержит два конденсатора, один из которых последовательно соединен с основной катушкой и источником питания, образуя основной контур, а другой - подключен к дополнительным катушкам, которые размещены вокруг основной катушки и соединены последовательно и встречно, образуя короткозамкнутый контур, при этом число витков дополнительных катушек и емкости конденсаторов выбраны таким образом, чтобы выполнялось условие резонанса между индуктивно связанными основным и короткозамкнутым контурами.
На фиг.1 изображен эскиз индукционной тигельной печи; на фиг.2 представлена электрическая схема замещения индукционной тигельной печи; на фиг.3 - векторная диаграмма токов и напряжений.
Индукционная тигельная печь содержит тигель 1, основную катушку 2, вокруг которой расположены две дополнительные катушки 31, 32, соединенные последовательно и встречно. Количество витков дополнительных катушек неодинаково. Индукционная тигельная печь содержит два конденсатора 4 и 5. Один из конденсаторов 4 соединен с дополнительными катушками 31, 32 так, что образует короткозамкнутый контур. Основная катушка 2 с последовательно соединенным с ней конденсатором 5 подключена к источнику однофазного переменного напряжения (здесь и далее точкой обозначены комплексные величины), образуя основной контур.
Индукционная тигельная печь работает следующим образом.
При подключении основного контура с основной катушкой 2 и конденсатором 5 к источнику напряжения 
в основной катушке возникает переменный электрический ток 
который создает переменный магнитный поток 
пронизывающий витки дополнительных катушек 3. Так как количество витков дополнительных катушек неодинаково, в последней возникает электрический ток 
, создающий переменный магнитный поток 
.
Переменные магнитные потоки 
и 
имеют пространственный сдвиг, а в точках плоскости сечения между двумя дополнительными катушками l-l' (фиг.1) они перпендикулярны.
Сдвинутые в пространстве и во времени магнитные потоки и образуют вращающееся магнитное поле, которое приводит расплавленный металл во вращательное движение по всей окружности тигля 1, причем вращающий момент имеет максимальное значение при условии, что величина фазового сдвига между переменными магнитными потоками и составляет 90°.
Для определения соотношений между параметрами элементов электрической цепи заявляемой печи, позволяющих получить фазовый сдвиг 90°, запишем уравнения для двух индуктивно связанных основного и короткозамкнутого контуров по закону Кирхгофа в комплексной форме (фиг.2)
R1, L1, C1 - активное сопротивление, индуктивность и емкость основного контура;
R2, L2, С2 - активное сопротивление, индуктивность и емкость короткозамкнутого контура;
М12=М21 - взаимная индуктивность между основным и короткозамкнутым контурами;
ω - угловая частота питающего напряжения.
Зная величину индуктивностей L1 основной катушки 2 и L2 дополнительных катушек 3, емкости конденсаторов 4 и 5 выбираем таким образом, чтобы выполнялось условие
В этом случае из уравнений (1) и (2) имеем
При выполнении условия ωМ12=R2, выражения (4) и (5) преобразуются к виду
.
Уравнениям (1) и (2), при соблюдении описанных выше условий, соответствует векторная диаграмма токов и напряжений, представленная на фиг.3.
Ток 
совпадает по фазе с напряжением сети 
т.к. нагрузка (установка с индукционной тигельной печью) работает в режиме резонанса, т.е. потребляется из сети только активная мощность, и коэффициент мощности индукционной тигельной печи Cosφ=1.
Как следует из векторной диаграммы (фиг.3), ток 
отстает по фазе от тока 
на 90°, следовательно, такой же фазовый сдвиг относительно друг друга имеют переменные магнитные потоки 
и 
, что обеспечивает максимальный вращающий момент, а следовательно, и интенсивное перемешивание расплава металла.
Индукционная тигельная печь, содержащая тигель, индуктор с основной и дополнительными катушками и источник питания, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит два конденсатора, один из которых последовательно соединен с основной катушкой и источником питания, образуя основной контур, а другой подключен к дополнительным катушкам, которые размещены вокруг основной катушки и соединены последовательно и встречно, образуя короткозамкнутый контур, при этом число витков дополнительных катушек и емкости конденсаторов выбраны таким образом, чтобы выполнялось условие резонанса между индуктивно связанными основным и короткозамкнутым контурами.
