Расчет индуктора и выбор индукционной установки для термообработки заготовок цилиндрической формы

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Учреждение образования

" БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕНСИТЕТ"

АГРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра электротехнологии Курсовой проект по дисциплине «Электротехнология»

на тему: «Расчет индуктора и выбор индукционной установки для термообработки заготовок цилиндрической формы»

Студент 4-го курса 20ЭПТ группы Сазановец А.В.

Руководитель проекта Кардашов П.В.

Минск 2010

Задание на выполнение курсового проекта по дисциплине «Электротехнология»

Студент Казаков В. В., группа 20 эпт, шифр 74 276

Тема проекта: Расчёт индуктора и выбор индукционной установки для термообработки заготовок цилиндрической формы

Реферат

В данном курсовом проекте осуществлен выбор закалочной индукционной установки.

Работа состоит из расчетно-пояснительной записки на 21 странице машинописного текста, содержащей 1 таблицу и 1 рисунок. Графическая часть выполнена на двух листах формата A3 и включает в себя принципиальную электрическую схему индукционной установки и нагревательного индуктора.

В работе выполнены расчеты по выбору частоты нагревательной индукционной установки, определению мощности и размеров индуктора, электрический расчет индуктора. Производилось проектирование и выбор индукционной установки.

Ключевые слова: индукционная установка, нагревательный индуктор, частота тока, индуктирующий провод, машинный генератор.

Курсовой проект оформлен в соответствие со стандартом предприятия СТБ БГАТУ 01.12. — 06 2007 г.

В проекте использовано семь источников информации

• Введение
• 1. Выбор частоты
• 2. Определение мощности и размеров индуктора
• 3. Электрический расчет индуктора
• 4. Проектирование индукционной установки
• 5. Выбор индукционной установки
• Литература

Индукционный нагрев основан на поглощении электромагнитной энергии металлическими телами, помещенными в быстроперемеиное магнитное поле. По закону электромагнитной индукции в теле (заготовке, изделии) наводится ЭДС под действием которой в теле протекают так называемые вихревые токи, нагревающие тело.

Основные элементы установок индукционного нагрева — это источник питания и рабочий орган (индуктор). В установках средней частоты в качестве источников питания используют машинные и статические (тиристорные) преобразователи.

Установки индукционного нагрева распространены на ремонтных предприятиях Белагропрома. В ремонтном производстве токи средней и высокой частоты применяются для сквозного и поверхностного нагрева деталей из чугуна и стали под закалку, перед горячей деформацией (ковкой, штамповкой), при восстановлении деталей методами наплавки и высокочастотной металлизации, при пайке твердыми припоями и др. Особое место занимает поверхностная закалка деталей. Возможность концентрации мощности в заданном месте детали позволяет получать сочетание наружного закаленного слоя с пластичностью глубинных слоев, что значительно повышает износостойкость и устойчивость к знакопеременным и ударным нагрузкам. Низкочастотный (50 Гц) индукционный нагрев находит применение в электрических водонагревателях.

1. Выбор частоты

Диапазон частот при закалке углеродистых сталей:

(1.1)

По расчетной величине выбираем ближайшую большую, на которую выпускают высокочастотные преобразователи (табл.12.3,12.9, 12.10 [1]).

Принимаем частоту 8000Гц.

Условием правильного выбора частоты при нагреве различных материалов является:

(1.2)

где — диаметр заготовки, м;

— глубина проникновения тока в металл, м.

(1.3)

где — относительная магнитная проницаемость металла. Для стали в расчетах принять = 1;

— удельное сопротивление стальной заготовки (при=1025 составляет (табл.2.3).

.

— условие выполняется.

2. Определение мощности и размеров индуктора

Средняя полезная мощность (Вт) за время нагрева заготовки определяется по формуле:

(2.1)

где — масса заготовки, кг;

С=668 Дж/ (кг°С) — средняя удельная теплоемкость углеродистых сталей; - начальная и конечная температура нагрева, °С; - время нагрева до конечной температуры при нормируемом теплоперепаде, с; = 7860 кг/ - средняя (за время нагрева) плотность стали; -объем заготовки,

кг.

Время нагрева при теплоперепаде t между поверхностью и центром заготовки:

t = 100 °C,, (2.2)

где расчетный диаметр заготовки, м.

Глубина проникновения тока в заготовку в конце нагрева (м) для углеродистых сталей:

(2.3)

м

= м.

с.

Вт.

Удельная полезная мощность на поверхности заготовки, Вт/:

(2.4)

где S — площадь поверхности заготовки без учета торцов, .

Вт

Воздушный зазор между индуктором и нагреваемой заготовкой h принимаем в пределах 2−5 мм при меньше 50 мм. Увеличение зазора снижает КПД и cos индуктора. Длину индуктора принимаем примерно равной длине заготовки:

(2.5)

Размеры индуктора: диаметр м. длина м. Толщина стенки трубки индуктирующего провода при частотах до Гц

(2.6)

м

где | - глубина проникновения тока в медь, м.

(2.7)

м.

Индуктор изготавливают из медной трубки круглого или прямоугольного сечения. Используют электротехническую медь марок МО или Ml, обладающих минимальным удельным сопротивлением. Удельное сопротивление меди можно считать (0,018−0,02) Омм.

3. Электрический расчет индуктора

Задача расчета — определить напряжение на индукторе, ток индуктора, число витков индуктора W, коэффициент мощности, коэффициент полезного действия, мощность, подводимую к индуктору .

Расчет выполняют на примере условного одновиткового индуктора. В конце расчета определяют количество витков W и пересчитывают параметры индуктора на это количество витков.

Глубина проникновения тока:

в медь индуктора, м:

(3.1)

м.

в заготовку в горячем режиме:

(3.2)

где с₂ — удельное сопротивление заготовки в горячем режиме (табл.2.3), с₂=1,2210^-6 Омм, при относительной магнитной проницаемости равной относительной магнитной проницаемости на поверхности заготовки .

(3.3)

Величину Z_ae находят из таблицы 2.4 Для этого необходимо определить величину:

(3.4)

В таблице находим Н_е=410⁴ А/м, =35,2, Z_ae=0,0410^-2м.

Так как ₂>0,18Омм, то полученное значение Z_ae увеличиваем в раз.

По формулам таблицы 2.5 рассчитываем г₂, х_2 м для холодного, промежуточного и горячего режимов нагрева, а также x_s и х₀. Температуру промежуточного режима принимаем 750−800 °С. Холодный

где =0,2Ом приняли по таблице 2.3 для холодного режима;

промежуточный

где ц=1,46 принято по табл.2.6

горячий

где Ф=0,4 принято по табл.2.7, при

Индуктивное сопротивление заготовки магнитному потоку для режимов нагрева (табл.2.5)

холодный

Промежуточный

Горячий

где ш=1,06

Индуктивное сопротивление в зазоре между индуктором и заготовкой

Индуктивное сопротивление обратного замыкания

где k_x1=0,8 — принято по рис. 2.6 для 2R₁/l₁ = 0,5.

Коэффициент приведения параметров, характеризующий соотношение размеров индуктора и заготовки:

Активное сопротивление пустого индуктора, Ом:

цилиндрического

Где с₁=0,018*10^-6 Ом*м — удельное сопротивление меди, W₁=1, k_r1=1,3.

Сопротивление нагруженного индуктора: активное

Индуктивное

полное

Ток в одновитковом индукторе

Напряжение на индуктирующем проводе одновиткового индуктора:

Число витков индуктора:

где Uи =30 — принято минимальное вторичное напряжение для понижающих трансформаторов индукционных установок.

витков;

Диаметр индуктирующего провода:

Принимаем медную трубку с наружным диаметров d_н=6мм.

Длина индуктора:

где 1,25 учитывает удлинение индуктора из-за зазора между витками.

Ток индуктора:

Пересчитываем сопротивление индуктора на реальное число витков:

Электрический КПД индуктора:

Коэффициент мощности в о. е:

Мощность, подводимая к индуктору:

Напряжение на индукторе:

где — полное сопротивление индуктора с числом витков W.

Реактивная мощность конденсаторных батарей:

4. Проектирование индукционной установки

Нагрев осуществляется в специальных индукционных нагревателях. Индуктор является основным элементом высокочастотной нагревательной установки, во многом определяющим качество закалки и экономичность процесса. Можно выделить следующие типы индукторов: для внешних цилиндрических поверхностей, для плоских поверхностей, для внутренних цилиндрических поверхностей, индукторы для тел сложной формы.

Любой индуктор содержит индуктирующий провод, создающий магнитное поле, токопроводящие шины, контактные колодки для присоединения к закалочному трансформатору, устройство для подачи воды, охлаждающий индуктор и нагретую поверхность.

Различают два способа нагрева: одновременный и непрерывно-последовательный. При одновременном способе весь участок поверхности, подлежащий закалке, нагревается одним или несколькими неподвижными индукторами, а затем охлаждается закалочной жидкостью. При непрерывно-последовательном способе нагреваемая деталь перемещается относительно индуктора, нагреваясь за время нахождения в его магнитном поле до температуры закалки, после чего охлаждается в спрейерном устройстве. Ширина индуктирующего провода при нагреве всей детали или отдельного ее элемента берется примерно равной ширине нагреваемой зоны. Если нагревается участок детали, то ширина провода берется на 10−20% больше ширины участка, что позволяет компенсировать теплоотвод в соседние зоны и ослабление магнитного поля у краев индуктора.

Индукционный нагрев наиболее эффективно используют в условиях поточно-массового производства. Современное поточно-массовое производство, как правило, высокоавтоматизированное. Ручные операции сведены к минимуму. Поэтому при разработке конструкции индуктора необходимо анализировать также возможные схемы автоматизации установки детали в индуктор и передачи ее на следующие операции.

При нагреве кузнечных заготовок используются два способа установки и закрепления нагреваемых деталей:

тяжелые детали массой более 10 кг, а также детали, которые необходимо в процессе нагрева вращать, устанавливают на отдельных от индуктора приспособлениях;

легкие детали базируют непосредственно на элементах, специально пристраиваемых к индуктору, так как в этом случае обеспечивается, как

правило, большая точность взаимного расположения детали и индуктирующего провода.

Для повышения электрического к. п. д., а также cos ср зазор между индуктирующим проводом и нагреваемой поверхностью должен быть минимальным.

Все токоведущие элементы должны изготавливаться из меди — материала высокой электропроводности.

Особое внимание должно быть обращено на конструирование разъемных болтовых соединений токоведущих частей индуктора. Поверхности разъема должны быть тщательно обработаны. Для обеспечения хорошего контакта под головку болта и гайки должны быть положены шайбы увеличенной толщины и диаметра.

При прямом присоединении многовиткового индуктора к источнику тока каждый вывод индуктора следует присоединять по возможности одним болтом диаметром 16−20 мм или при помощи поворотной планки, прижимаемой одним таким же болтом. Если снимать и ставить индуктор рабочему удобно, упрощается зачистка контактных поверхностей между индуктором и понижающим трансформатором. Для сохранения постоянства режима работы необходимо в плановом порядке производить профилактическую зачистку контактов.

Охлаждение индуктора осуществляется следующим способом: в индукторах закалочная жидкость пропускается сквозь трубки, припаянные к токоведущим шинам и присоединительным колодкам, и далее через отверстия в индуктирующем проводе поступает на закаливаемую поверхность. Необходимо, чтобы трубки и полости для подачи закалочной жидкости перекрывали все детали индуктора, в которых выделяется тепло, таким образом, чтобы за время охлаждения температура всех элементоа понизилась до исходной. Наибольшее распространение получили индукторы цилиндрического, овального и щелевого типа. Цилиндрические индукторы наиболее просты по конструкции, надежны, обладают высоким полным КПД и обеспечивают минимальное окисление заготовок вследствие слабого доступа воздуха в зону нагрева. Этот тип индуктора наиболее распространен на практике. Щелевые индукторы имеют более низкие энергетические показатели и применяют в тех случаях, когда удобство транспортировки заготовок имеет особое значение. Руководствуясь всем вышеизложенным, выбираем индуктор нагревательный периодического действия.

5. Выбор индукционной установки

Индукционные установки выбирают по технологическому назначению (нагревательные, закалочные, плавильные и др.), частоте и мощности генератора. Состав оборудования высокочастотных установок с машинным генератором показан на рисунке 1.

Применительно к разовому и небольшому серийному производству ремонтных предприятий наибольший интерес представляют универсальные индукционные заколоченные установки типа ИЗ с машинными преобразователями и ламповые высокочастотные генераторы типа ВЧИ, которые можно использовать для сквозного нагрева и закалки, заменяя лишь индукторы. В работе не рассматриваются другие типы (машинные и тиристорные преобразователи), обладающие излишне большой мощностью, чтобы их широко использовать на сельскохозяйственных предприятиях.

Рисунок 1 — Блок-схема индукционной закалочной установки типа ИЗ (а) и высокочастотного лампового генератора типа ВЧИ (б): 1 — шкаф управления электродвигателем генератора частоты; 2, 3 — шкаф контакторный; 4 — нагревательный блок с индуктором; 5 — шкаф управления нагревательным блоком; 6 — шкаф регулирования напряжения на выходе генератора; 7 — ламповый преобразователь частоты; 8 — индуктор.

Мощность генератора:

где — 0,85 КПД понижающего трансформатора, о. е.

— 0,95 КПД линии соединяющей генератор с индуктором, о. е.

По мощности и частоте выбираем индукционную установку ИЗ1−30/8.

Таблица 1 — Технические характеристики закалочной установки И31 — 30/8

На листе 2 графической части приведена принципиальная электрическая схема индукционной закалочной установки, включающая электромашинный преобразователь М — G, понижающий закалочный трансформатор TV2, на выход которого подключают индуктор ЕК, силовой контактор КМ, трансформаторы напряжения и тока TV и ТА, амперметр РА 1 для измерения тока в обмотке возбуждения, компенсирующую конденсаторную батарею Ск, разрядник RK (защищающий от аварийных перенапряжений при обрыве цепи индуктора), реле KV (для защиты от перенапряжений по другим причинам), реле КА1, КА2, КАЗ максимального тока (для защиты от коротких замыканий и перегрузок). Напряжение генератора регулируют реостатом R2.

Опыт эксплуатации закалочных установок показал их высокую надежность и безопасность при обслуживании. Монтаж закалочных устройств и линий передачи должен производиться с учетом требований ПУЭ. Конструкция станка должна исключать возможность случайного прикосновения к элементам, находящимся под высоким напряжением. Вторичная обмотка трансформатора и все металлические конструкции станка должны быть заземлены. Напряжение на индукторе составляет несколько десятков, а иногда и сотен вольт и может служить причиной поражения персонала. Запрещается прикасаться к индуктору, находящемуся под напряжением, или менять деталь без его отключения. Санитарно — гигиеническими нормами ограничиваются напряженности магнитного и электрического полей в зоне расположения обслуживающего персонала (5 А/м и 20 В/м соответственно). Обычно эти нормы соблюдаются без применения специальных мер. В противном случае используют экранирование индуктора магнитопроводами или кожухами. На установках с ламповыми генераторами дополнительно контролируется уровень создаваемых ими радиопомех. Персонал, обслуживающий установки, должен пройти обучение и инструктаж на рабочем месте.

1. Расчет и выбор электротехнологического оборудования: методические указания к курсовому проекту для студентов специальности 1−74 06 05 «Энергетическое обеспечение сельскохозяйственного производства» / БГАТУ кафедра электротехнологии; сост.: Е. М. Заяц, И. Б. Дубодел. — Минск, 2007 -51с.

2. Электротермическое оборудование сельскохозяйственнго производства: учеб. пособие для вузов / Л. С. Герасимович [и др.]; под общ. ред.Л. С Герасимовича — Минск: Ураджай, 1995. — 416 с.

3. Установки индукционного нагрева: учебник / под ред.А. Е. Слухоцкого — Ленинград: Энергоиздат, 1981. — 328 с.

4. Слухоцкий, А. Е. Индукторы для индукционного нагрева: учеб. пособие / А. Е. Слухоцкий, СЕ. Рыскин. — Ленинград: Энергия, 1974. — 264 с.

5. Заяц Е. М., Карасенко В. А., Дубодел И. Б. Расчеты электротехнологического оборудования. — Мн.: УП Технопринт, 2001. — 238с.

6. Стандарт предприятия. Правила оформления курсовых и дипломных проектов. — Мн.: Ротапринт БГАТУ, 2007.