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 074276

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

 

№ варианта	Вид термообработки	Форма и характеристика заготовки	Длина	Радиус , м	Теплоперепад	Конечная темпе-ратура	Глубина зака-лённого слоя
6	нагрев		50	10	100	1025

 

 

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

 

Содержание

 

 

Введение

 

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°С, , (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 50мм. 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) Ом м.

 

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 ρ2 - удельное сопротивление заготовки в горячем режиме (табл.2.3), ρ2=1,22 10-6 Ом м, при относительной магнитной проницаемости равной относительной магнитной проницаемости на поверхности заготовки .

 

(3.3)

 

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

 

(3.4)

 

В таблице находим Не=4 104 А/м, =35,2, Zae=0,04 10-2м.

Так как 2>0,18 Ом м, то полученное значение Zae увеличиваем в раз.

 

 

По формулам таблицы 2.5 рассчитываем г2, х2м для холодного, промежуточного и горячего режимов нагрева, а также xs и х0. Температуру промежуточного режима принимаем 750-800 °С. Холодный

 

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

 

 

промежуточный

 

 

где φ=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 ψ=1,06

 

Индуктивное сопротивление в зазоре между индуктором и заготовкой

 

 

Индуктивное сопротивление обратного замыкания

 

 

где kx1=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 ρ1=0,018*10-6 Ом*м - удельное сопротивление меди,W1=1, kr1=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 dн=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.