58.高、中频电源装置的功率怎样选定？

高、中频电源装置的功率取决于零件表面以kW/cm²计的功率密度值（P₀）和以cm²计的一次加热表面积S（cm²）。

图2-9 根据淬硬层深度选择功率密度和加热时间

选择功率密度要根据零件尺寸及其淬火技术条件而定。电流频率越低、零件直径越小及所要求的淬硬层深度越小，则所选择的功率密度值应越大。

当使用高频电源时，P₀=0.2～0.5kW/cm²。

当使用中频电源时，P₀=0.5～2.0kW/cm²。

不同频率、不同直径（厚度）、不同淬硬层深度要求时，功率密度与加热时间的选取可参考表2-12～表2-15中的数值。表中数值为有效功率密度值。

有效功率密度P₀与中频发电机功率P_发、加热表面积A、淬火变压器效率η_变、感应器效率η_感等的关系可以用下式表示：

式中 P_发——发电机功率（kW）；

A——零件加热表面积（cm²）；

P₀——有效功率密度（kW/cm²）；

η_变——淬火变压器效率，常取0.8；

η_感——感应器效率，常取0.8。

对于圆柱形工件，加热表面积的计算如下：

A=πDH

式中 A——加热表面积（cm²）；

D——零件直径（cm）；

H——零件加热宽度（cm），等于感应器有效圈宽度。

表2-12 f=2.5kHz时根据淬硬层深度选取加热时间与功率密度（圆柱外表加热）

表2-13 f=4kHz时根据淬硬层深度选取加热时间与功率密度（圆柱外表加热）

表2-14 f=8kHz、10kHz时，根据淬硬层深度选取加热时间与功率密度（圆柱外表加热）

表2-15 f=250kHz时，根据淬硬层深度选取加热时间与功率密度（圆柱外表加热）

当零件加热面积太大，计算出所需发电机功率过大时，可采用连续淬火法。

采用连续淬火法时，由于感应器有效圈宽度大大减小（H常用值为14mm、20mm、30mm、40mm、50mm），加热面积亦大大减小，因此可选用较小功率的发电机。如果已有现成发电机，可根据式（2-18）来计算该发电机加热的表面积A（cm²）。

然后根据所得表面积A，计算感应器的宽度H（cm）。

如果从表2-12中已查到P₀与t值，则可以在已确定H值的基础上，计算零件或感应器的移动速度。

式中 v——零件或感应器的移动速度（mm/s）；

H——感应器有效圈宽度（mm）^[1]；

t——加热时间。

近年来，欧美国家对功率密度、加热时间、发电机功率有一些估算图。通过已知淬硬层深度、所需最高表面温度，可从曲线求得加热时间与功率密度。通过已知零件直径与淬硬区宽度，可从曲线求得淬硬区面积与所需发电机功率。图2-10为在10kHz电流频率下，用回线型感应器进行一次完成淬火（Single Shot hardening）的功率估算图。图2-11为在10kHz电流频率下，用半环型感应器进行大曲轴轴颈加热时的功率估算图。

图2-12所示为在10kHz电流频率下，用回线型感应器进行轴旋转一次加热时，根据淬硬层深度及表面温度要求，估算功率密度与加热时间的图。

必须指出的是，图2-10～图2-12所用的功率密度均为设备功率密度。即

P_发=P_0设A （2-22）

式中 P_发——发电机功率（kW）；

P_0设——设备功率密度（kW/cm²）；

A——加热表面积（cm²）。

应当指出，当采用回线型感应器加热时，加热面积不是指回线覆盖的面积，而是指回线包容的轴旋转加热的总面积。

图2-10使用方法：①选择表面淬硬层的深度；②表面温度范围为1550～1650°F^[2]（通常），最高1750°F；③确定功率密度和加热时间；④根据直径与宽度

图2-10 用回线型感应器一次完成淬火的功率估算图

注：f=10kHz。

图2-11 大曲轴用半环型感应器淬火功率估算图

注：f=10kHz。

确定淬硬面积；⑤从功率密度和加热面积线的交叉点，求出所需功率。

图2-12 用回线型感应器对轴进行一次加热淬火时的功率密度与加热时间估算图（f=10kHz）

注：1in²=6.4516×10^-4m²，下同。

查曲线举例：①淬硬层深度=0.21in^[3]；②最高表面温度1650℉，加热时间t_加=50s；③功率密度P₀=2.3kW/in²；④轴颈D=7.5in，淬硬区宽B=6in，面积A=135in²；⑤自③、④得N_发电机=300kW。

图2-11使用方法：①选择淬硬层深度；②表面温度范围850～900℃，最高温950℃；③求功率密度与加热时间；④找出淬硬表面的直径与宽度；⑤功率密度与加热表面积的交点表示所需功率。

查曲线举例：①淬硬层深度=5mm；②最高表面温度900℃，加热时间τ_k=50s；③功率密度P₀=0.34kW/cm²；④轴颈D=18.5cm，淬硬区宽B=15.2cm，表面积A=880cm²；⑤根据③、④，N_发电机=310kW。

对于高频发生器，当发生器有效功率不能直接从仪表读出时，则可按下式计算：

P_输人=nE_AI_A （2-23）

式中 P_输人——振荡部分输人功率（kW）；

n——振荡管数量；

E_A——阳极负载电压（kV）；

I_A——阳极电流（A）。

高频发生器的输出功率也称振荡功率。

P_发=P_输人-P_阳 （2-24）

式中 P_发——振荡功率；

P_阳——振荡管阳极上损失的功率。

P_发（W）可按如下公式计算：

或

式中 I_1m——一次谐波电流的振幅；

R_K——回路等效电阻；

U_K——振荡回路上的电压振幅。

鉴于P_发计算繁杂，实际应用中常用

P_发=P_输人η_A （2-27）

式中 η_A——振荡管效率或称阳极效率。

振荡管的效率η取决于负载，在良好情况下，η为60%～70%。当E_A不变时，可表示为，即η与振荡管阳流、栅流之比有关，亦即与振荡器的工作状态有关。高频发生器的有效功率P_发求得后，其他计算与中频发电机相同，可以应用式（2-18）、η_变、η_感亦可取0.8～0.85。

为弄清高频发生器输人、输出、整机效率等有关概念，将国产GP-60CR13高频设备出厂试验有关数据示出如下：

P_输人=阳极输人功率87kW

P_阳=阳极损耗功率20.6kW（两管）

P_发=振荡功率66.4kW

即，即η变η感各为0.88。

总的耗电功率为93.6kW。

整机效率