Розрахунок індуктора і вибір індукційної установки для термообробки заготовок циліндричної форми

МІНІСТЕРСТВО СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

І ПРОДОВОЛЬСТВА УКРАЇНИ

Установа освіти

"Білоруський державний АГРАРНИЙ

ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕНСІТЕТ "

АГРОЕНЕРГЕТІЧЕСКІЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра електротехнології

Курсовий проект

з дисципліни "Електротехнологія"

на тему: "Розрахунок індуктора і вибір індукційної установки для термообробки заготовок циліндричної форми"

Студент 4-го курсу 20ЕПТ групи

Сазановец А.В.

Керівник проекту

Кардашов П.В.

Мінськ 2010

Завдання на виконання курсового проекту з дисципліни "Електротехнологія"

Студент Казаков В.В., група 20 ЕПТ, шифр 074276

Тема проекту: Розрахунок індуктора і вибір індукційної установки для термообробки заготовок циліндричної форми

Реферат

У даному курсовому проекті здійснено вибір гартівних індукційної установки.

Робота складається з розрахунково-пояснювальної записки на 21 сторінці машинописного тексту, містить 1 таблицю та 1 рисунок. Графічна частина виконана на двох аркушах формату A3 і включає в себе принципову електричну схему індукційної установки й нагрівального індуктора.

У роботі виконано розрахунки за вибором частоти нагрівальної індукційної установки, визначення потужності і розмірів індуктора, електричний розрахунок індуктора. Проводилося проектування та вибір індукційної установки.

Ключові слова: індукційна установка, нагрівальний індуктор, частота струму, індукується провід, машинний генератор.

Курсовий проект оформлений у відповідність зі стандартом підприємства СТБ бгати 01.12. - Червень 2007

У проекті використано сім джерел інформації

Зміст

Введення

1. Вибір частоти

2. Визначення потужності і розмірів індуктора

3. Електричний розрахунок індуктора

4. Проектування індукційної установки

5. Вибір індукційної установки

Література

Введення

Індукційний нагрів заснований на поглинанні електромагнітної енергії металевими тілами, поміщеними в бистроперемеіное магнітне поле. За законом електромагнітної індукції в тілі (заготівлі, виробі) наводиться ЕРС під дією якої в тілі протікають так звані вихрові струми, що нагрівають тіло.

Основні елементи установок індукційного нагріву - це джерело харчування та робочий орган (індуктор). В установках середньої частоти в якості джерел живлення використовують машинні і статичні (тиристорні) перетворювачі.

Установки індукційного нагріву поширені на ремонтних підприємствах Белагропрома. У ремонтному виробництві струми середньої і високої частоти застосовуються для наскрізного і поверхневого нагрівання деталей з чавуну і сталі під загартування, перед гарячої деформацією (куванням, штампуванням), при відновленні деталей методами наплавлення і високочастотної металізації, при пайку твердими припоями та ін Особливе місце займає поверхневе загартування деталей. Можливість концентрації потужності в заданому місці деталі дозволяє отримувати поєднання зовнішнього загартованого шару з пластичністю глибинних шарів, що значно підвищує зносостійкість і стійкість до знакопеременним і ударних навантажень. Низькочастотний (50 Гц) індукційний нагрів знаходить застосування в електричних водонагрівачах.

1. Вибір частоти

Діапазон частот при загартуванню вуглецевих сталей:

(1.1)

За розрахункової величини вибираємо найближчу велику, на яку випускають високочастотні перетворювачі (табл.12.3, 12.9, 12.10 [1]).

Приймаються частоту 8000Гц.

Умовою правильного вибору частоти при нагріванні різних матеріалів є:

(1.2)

де - Діаметр заготовки, м;

- Глибина проникнення струму в метал, м.

(1.3)

де - Відносна магнітна проникність металу. Для сталі в розрахунках прийняти = 1;

- Питомий опір сталевої заготовки (при = 1025 складає (Табл.2.3).

.

- Умова виконується.

2. Визначення потужності і розмірів індуктора

Середня корисна потужність (Вт) за час нагрівання заготовки визначається за формулою:

, (2.1)

де - Маса заготовки, кг;

С = 668 Дж / (кг ° С) - середня питома теплоємність вуглецевих сталей; - Початкова і кінцева температура нагріву, ° С; - Час нагрівання до кінцевої температури при нормованому теплоперепада, с; = 7860 кг / - Середня (за час нагріву) щільність сталі; -Обсяг заготівлі,

кг.

Час нагріву при теплоперепада t між поверхнею і центром заготовки:

t = 100 ° С, , (2.2)

де розрахунковий діаметр заготовки, м.

Глибина проникнення струму в заготівлю в кінці нагрівання (м) для вуглецевих сталей:

(2.3)

м

= м.

с.

Вт

Питома корисна потужність на поверхні заготовки, Вт / :

(2.4)

де S - площа поверхні заготовки без урахування торців, .

Вт

Повітряний зазор між індуктором і нагрівається заготівлею h приймаємо в межах 2-5 мм при менше 50мм. Збільшення зазору знижує ККД і cos індуктора. Довжину індуктора приймаємо приблизно дорівнює довжині заготовки:

, (2.5)

Розміри індуктора: діаметр м. довжина м. Товщина стінки трубки индуктирует дроти при частотах до Гц

, (2.6)

м

де | - Глибина проникнення струму в мідь, м.

, (2.7)

м.

Індуктор виготовляють з мідної трубки круглого або прямокутного перерізу. Використовують електротехнічну мідь марок МО або Ml, що володіють мінімальним питомим опором. Питомий опір міді можна вважати (0,018-0,02) Ом м.

3. Електричний розрахунок індуктора

Завдання розрахунку - визначити напругу на індукторі , Струм індуктора , Число витків індуктора W, коефіцієнт потужності , Коефіцієнт корисної дії , Потужність, що підводиться до індуктора .

Розрахунок виконують на прикладі умовного одновитковим індуктора. У кінці розрахунку визначають кількість витків W і перераховують параметри індуктора на це кількість витків.

Глибина проникнення струму:

в мідь індуктора, м:

, (3.1)

м.

в заготівку у гарячому режимі:

_(3.2)

де ρ ₂ - питомий опір заготівлі в гарячому режимі (табл.2.3), ρ ₂ = 1,22 10 ^-6 Ом м, при відносній магнітної проникності рівної відносної магнітної проникності на поверхні заготовки .

_(3.3)

Величину Z _ae знаходять з таблиці 2.4 Для цього необхідно визначити величину:

_(3.4)

У таблиці знаходимо Н _е = 4 10 ⁴ А / м, = 35,2, Z _ae = 0,04 10 ^-2 м.

Так як > 0,18 Ом м, то отримане значення Z _ae збільшуємо в разів.

За формулами таблиці 2.5 розраховуємо г _{2, х} 2 м для холодного, проміжного і гарячого режимів нагріву, а також x _s і х _0. Температуру проміжного режиму приймаємо 750-800 ° С. Холодний

де = 0,2 Ом взяли за таблицею 2.3 для холодного режиму;

проміжний

де φ = 1, 46 прийнято за табл.2.6

гарячий

де Ф = 0,4 прийнято за табл.2.7, при

Індуктивний опір заготівлі магнітному потоку для режимів нагріву (табл.2.5)

холодний

Проміжний

_,

Гарячий

_, Де ψ = 1, 06

Індуктивний опір в зазорі між індуктором і заготівлею

Індуктивний опір зворотного замикання

де k _{x 1} = 0,8 - прийнято за рис.2.6 для 2 R ₁ / l ₁ = 0,5.

Коефіцієнт приведення параметрів, що характеризує співвідношення розмірів індуктора та заготовки:

Активний опір порожнього індуктора, Ом:

циліндричного

Де ρ ₁ = 0,018 * 10 ^-6 Ом * м - питомий опір міді, W ₁ = _1, k _{r 1} = 1,3.

Опір навантаженого індуктора: активне

Індуктивне

повне

Струм в одновитковим індукторі

Напруга на индуктирует дроті одновитковим індуктора:

Число витків індуктора:

де U і = 30 - прийнято мінімальне вторинна напруга для понижуючих трансформаторів індукційних установок.

витків;

Діаметр индуктирует дроти:

Приймаються мідну трубку із зовнішнім діаметрів d _н = 6мм.

Довжина індуктора:

де 1,25 враховує подовження індуктора через зазору між витками.

Струм індуктора:

Перераховуємо опір індуктора на реальне число витків:

Електричний ККД індуктора:

Коефіцієнт потужності в о. е:

Потужність, що підводиться до індуктора:

Напруга на індукторі:

де - Повний опір індуктора з числом витків W.

Реактивна потужність конденсаторних батарей:

4. Проектування індукційної установки

Нагрівання здійснюється в спеціальних індукційних нагрівачах. Індуктор є основним елементом високочастотної нагрівальної установки, багато в чому визначає якість гарту і економічність процесу. Можна виділити наступні типи індукторів: для зовнішніх циліндричних поверхонь, для плоских поверхонь, для внутрішніх циліндричних поверхонь, індуктори для тіл складної форми.

Будь-який індуктор містить індукують провід, що створює магнітне поле, струмопровідні шини, контактні колодки для приєднання до гартівному трансформатора, пристрій для подачі води, що охолоджує індуктор і нагріту поверхню.

Розрізняють два способи нагріву: одночасний і безперервно-послідовний. При одночасному способі всю ділянку поверхні, що підлягає загартуванню, нагрівається одним або декількома нерухомими індукторами, а потім охолоджується гартівних рідиною. При безперервно-послідовному способі нагрівається деталь переміщається щодо індуктора, нагріваючись за час знаходження в його магнітному полі до температури гарту, після чого охолоджується в спрейерного пристрої. Ширина индуктирует дроти при нагріванні всієї деталі чи окремого її елемента береться приблизно рівною ширині нагрівається зони. Якщо нагрівається ділянку деталі, то ширина дроти береться на 10-20% більше ширини ділянки, що дозволяє компенсувати тепловідвід в сусідні зони і ослаблення магнітного поля у країв індуктора.

Індукційний нагрів найбільш ефективно використовують в умовах поточно-масового виробництва. Сучасне потоково-масове виробництво, як правило, високоавтоматизоване. Ручні операції зведені до мінімуму. Тому при розробці конструкції індуктора необхідно аналізувати також можливі схеми автоматизації установки деталі в індуктор і передачі її на наступні операції.

При нагріванні ковальських заготовок використовуються два способи установки і закріплення нагріваються деталей:

важкі деталі масою більше 10 кг, а також деталі, які необхідно в процесі нагріву обертати, встановлюють на окремих від індуктора пристосуваннях;

легкі деталі базують безпосередньо на елементах, спеціально прибудованих до індуктора, так як в цьому випадку забезпечується, як

правило, велика точність взаємного розташування деталі і индуктирует дроти.

Для підвищення електричного к. п. д., а також cos ср зазор між індукують дротом і нагрівається поверхнею повинен бути мінімальним.

Всі струмоведучі елементи повинні виготовлятися з міді - матеріалу високої електропровідності.

Особлива увага повинна бути звернена на конструювання рознімних болтових з'єднань струмоведучих частин індуктора. Поверхні роз'єму повинні бути ретельно оброблені. Для забезпечення хорошого контакту під головку болта і гайки повинні бути покладені шайби збільшеної товщини і діаметра.

При прямому приєднання многовіткового індуктора до джерела струму кожен висновок індуктора слід приєднувати по можливості одним болтом діаметром 16-20 мм або за допомогою поворотної планки, притискуваної одним таким же болтом. Якщо знімати і ставити індуктор робочого зручно, спрощується зачистка контактних поверхонь між індуктором і понижуючим трансформатором. Для збереження сталості режиму роботи необхідно в плановому порядку проводити профілактичну зачистку контактів.

Охолодження індуктора здійснюється наступним способом: у індуктора гартівних рідина пропускається крізь трубки, припаяні до струмоведучих шин і приєднувальним колодок, і далі через отвори в индуктирует дроті надходить на закаливающую поверхню. Необхідно, щоб трубки і порожнини для подачі гартівних рідини перекривали всі деталі індуктора, в яких виділяється тепло, таким чином, щоб за час охолодження температура всіх елементоа знизилася до вихідної. Найбільшого поширення набули індуктори циліндричного, овального та щілинного типу. Циліндричні індуктори найбільш прості по конструкції, надійні, володіють високим повним ККД і забезпечують мінімальний окислення заготовок внаслідок слабкого доступу повітря в зону нагрівання. Цей тип індуктора найбільш поширений на практиці. Щілинні індуктори мають більш низькі енергетичні показники і застосовують у тих випадках, коли зручність транспортування заготовок має особливе значення. Керуючись усім вищевикладеним, вибираємо індуктор нагрівальний періодичної дії.

5. Вибір індукційної установки

Індукційні установки вибирають за технологічним призначенням (нагрівальні, гартівні, плавильні та ін), частоті і потужності генератора. Склад обладнання високочастотних установок з машинним генератором показаний на малюнку 1.

Стосовно до разового та невеликому серійного виробництва ремонтних підприємств найбільший інтерес представляють універсальні індукційні забиті установки типу ІЗ з машинними перетворювачами та лампові високочастотні генератори типу ВЧИ, які можна використовувати для наскрізного нагрівання і загартування, замінюючи лише індуктори. У роботі не розглядаються інші типи (машинні і тиристорні перетворювачі), які мають надмірно великою потужністю, щоб їх широко використовувати на сільськогосподарських підприємствах.

Рисунок 1 - Блок-схема індукційної гартівних установки типу З (а) та високочастотного лампового генератора типу ВЧИ (б): 1 - шафа управління електродвигуном генератора частоти; 2, 3 - шафа контакторною; 4 - нагрівальний блок з індуктором; 5 - шафа управління нагрівання; 6 - шафа регулювання напруги на виході генератора; 7 - ламповий перетворювач частоти, 8 - індуктор.

Потужність генератора:

де - 0,85 ККД понижувального трансформатора, о. е.

- 0,95 ККД лінії з'єднує генератор з індуктором, о. е.

За потужністю і частоті вибираємо індукційну установку із1-30 / 8.

Таблиця 1 - Технічні характеристики гартівних установки І31 - 30 / 8

На листі 2 графічної частини наведена принципова електрична схема індукційної гартівних установки, що включає електромашинні перетворювач М - G, що знижує гартівних трансформатор TV 2, на вихід якого підключають індуктор ЄК, силовий контактор КМ, трансформатори напруги і струму TV і ТА, амперметр РА 1 для вимірювання струму в обмотці збудження, що компенсує конденсаторну батарею Ск, розрядник RK (захищає від аварійних перенапруг при обриві ланцюга індуктора), реле KV (для захисту від перенапруг з інших причин), реле КА1, КА2, КАЗ максимального струму (для захисту від коротких замикань і перевантажень). Напруга генератора регулюють реостатом R 2.

Досвід експлуатації гартівних установок показав їх високу надійність і безпеку при обслуговуванні. Монтаж гартівних пристроїв та ліній передачі повинен здійснюватися з урахуванням вимог ПУЕ. Конструкція верстата повинна виключати можливість випадкового дотику до елементів, що знаходяться під високою напругою. Вторинна обмотка трансформатора і всі металеві конструкції верстата повинні бути заземлені. Напруга на індукторі становить кілька десятків, а іноді й сотень вольт і може служити причиною поразки персоналу. Забороняється доторкатися до індуктора, що знаходиться під напругою, або міняти деталь без його відключення. Санітарно - гігієнічними нормами обмежуються напруженості магнітного та електричного полів у зоні розташування обслуговуючого персоналу (5 А / м та 20 В / м відповідно). Зазвичай ці норми дотримуються без застосування спеціальних заходів. В іншому випадку використовують екранування індуктора магнітопроводами або кожухами. На установках з ламповими генераторами додатково контролюється рівень створюваних ними радіоперешкод. Персонал, що обслуговує установки, повинен пройти навчання та інструктаж на робочому місці.

Література

1. Розрахунок і вибір електротехнологічного обладнання: методичні вказівки до курсового проекту для студентів спеціальності 1-74 5 червня "Енергетичне забезпечення сільськогосподарського виробництва" / бгати кафедра електротехнології; сост.: Є.М. Заєць, І.Б. Дубодєлов. - Мінськ, 2007-51с.

2. Електротермічне устаткування сельскохозяйственнго виробництва: навч. посібник для вузів / Л.С. Герасимович [и др.]; під заг. ред.Л. З Герасимовича - Мінськ: ураджай, 1995. - 416 с.

3. Установки індукційного нагріву: підручник / під ред.А.Е. Слухоцкого - Ленінград: Енергоіздат, 1981. - 328 с.

4. Слухоцкій, А.Є. Індуктори для індукційного нагріву: навч. посібник / А.Є. Слухоцкій, РЄ. Рискін. - Ленінград: Енергія, 1974. - 264 с.

5. Заєць О.М., Карасенко В.А., Дубодєлов І.Б. Розрахунки електротехнологічного обладнання. - Мн.: УП Технопрінт, 2001. - 238с.

6. Стандарт підприємства. Правила оформлення курсових і дипломних проектів. - Мн.: Ротапринт бгати, 2007.