78672

Система індукційного нагріву для нагрівання металів до температури оптимальної для пластичної деформації

Дипломная

Производство и промышленные технологии

В даному дипломному проекті розроблена система індукційного нагріву, яка призначений для нагрівання металів до температури оптимальної для пластичної деформації. Було визначено питому потужність системи для необхідного розміру деталі та оптимального часу нагрівання. Розглянуто аналоги та їх основні параметри. Розроблена структурна та принципова схеми системи.

Украинкский

2017-10-11

1.51 MB

1 чел.

Анотація

В даному дипломному проекті розроблена система індукційного нагріву, яка призначений для нагрівання металів до температури оптимальної для пластичної деформації. Було визначено питому потужність системи для необхідного розміру деталі та оптимального часу нагрівання. Розглянуто аналоги та їх основні параметри.Розроблена структурна та принципова схеми системи.

Abstract

In this diploma project induction heating system is designed which intended for heating metal to optimal plastic deformation temperature. Defined power density of system for required size of detail and optimal time of heating.Analogues and their main parameters are considered. Block and schematic diagrams of given system are designed.

ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ

1. НАЙМЕНУВАННЯ ТА ОБЛАСТЬ ЗАСТОСУВАННЯ

Система індукційного нагріву. Застосовується для безконтактного нагріву струмопровідних матеріалів.

2. ПРИВІД ДЛЯ РОЗРОБКИ

Приводом для розробки є завдання на дипломне проектування видане кафедрою РТПС НТУУ “КПІ”.

3. МЕТА ТА ПРИЗНАЧЕННЯ РОЗРОБКИ

Метою розробки є створення електричної схеми, конструкції та системи індукційного нагріву. Призначення розробки  є нагрів металів для подальшої пластичної деформації.

4. ДЖЕРЕЛА РОЗРОБКИ

Джерелами розробки є матеріали науково – технічної та патентної інформації, нормативно – технічна документація, статті, публікації по темі.

5. ТЕХНІЧНІ ВИМОГИ

5.1. Вимоги за призначенням

5.1.1. Загальні вимоги до пристрою

-  Пристрій розрахований на живлення від джерела змінного струму з напругою 220 В.

- Пристрій повинен мати гальванічну розв’язку, для уникнення ураження електричним струмом.

5.1.2. Основні електричні параметри та характеристики пристрою

-

-

-

5.2. Вимоги по ергономіці й технічній естетиці

За даними вимогами пристрій повинен відповідати наступним нормативним документам: ДСТУ 2429-94 та ДСТУ 4055-2001.

5.3. Вимоги безпеки та вимоги по охороні праці

Пристрій повинний задовольняти вимогам безпеки згідноГОСТ 12.1.002-84. Необхідно по можливості забезпечити відсутність або зниження числа шкідливих технологічних процесів.

5.4. Конструктивні вимоги

Конструкція повинна допускати можливість демонтажу окремих функціональних вузлів і складових частин для ремонту й виключати неправильне під’єднання складових частин до джерел живлення.

Габаритні розміри пристрою, не більше, мм: 400х250x350 і можуть уточнюватися в процесі проектування.

Орієнтовна загальна вага пристрою не більше10 кг і може уточнюватися в процесі розробки.

6. ВИМОГИ ДО СИРОВИНИ ТА МАТЕРІАЛІВ

Складові частини і матеріали повинні забезпечувати мінімальну вартість, надійність і довговічність виробу, сировина й матеріали повинні забезпечувати оброблюваність, відсутність шкідливих технологічних процесів при обробці, а також можливість утилізації відходів і виробів, які відпрацювали свій термін експлуатації.При розробці й виготовленні апаратури повинні застосовуватися комплектувальні вироби, ЕРЕ й матеріали за діючими стандартами. Допускається застосування комплектувальних імпортного виробництва.

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

ЗМІСТ

1.ВСТУП...............................................................................................................3

2. РОЗРОБКА ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ...…………….…….....4

2.1 Принципи роботи індукційного нагрівача……..………………….. 4

2.2 Завдання розробки та огляд аналогів ….…………….……….……..5

2.3 Визначення температури нагріву……………...…………………....8

2.4 Визначення питомої потужності системи……………...…………..8

2.5 Визначення основних електричних параметрів та характеристик пристрою…...…………………………………………………………...10

3.ОПИС ТА РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ……..……….….………11

3.1 Індуктор……………………….…………………………..………...11

3.2 Інвертор………………………………………………...…………...12

3.2.1Push-Pull……………………………………………...……….…...13

3.2.2 Мостові……………………………………………...………….....14

3.2.3 Напівсоставі……………………………………...……………....15

3.2.4 Зворотньоходові…………………………………...………..…...16

3.2.5 Прямоходові……………………………………...………….…...17

3.2.6 DC-DC……………………………………………...……………...18

3.3 Джерело живлення  ………..………………………...…………......19

3.4 Формування структурної схеми  ………..…………..…………......20

4 РОЗРАХУНОК ПРИНЦИПОВОЇ СХЕМИ…………………………..........21

4.1 …………………………...………

4.2 …………………………………………………………

4.3 …………………………………...………

4.4 ………………………………………….

4.5 ……………………………………….

5 КОНСТРУКТОРСЬКИЙ РОЗДІЛ………………………………………….

5.1 …………………………………..

5.2 …………….........

6 ОХОРОНА ПРАЦІ………………………………………………………….

6.1. Аналіз та оцінка шкідливих i небезпечних факторів на робочих місцях монтажників РЕА………………………………………………

6.2. Вiдповiднiсть параметрів робочого приміщення санітарним нормам……………………………………………………………..........

6.3. Вiдповiднiсть параметрів мiкроклiмату санітарним нормам…...

6.4. Вимоги до робочого місця з використанням ЕОМ……………...

6.5. Електробезпека…………………………………………………….

6.5.1. Розрахунок автомата електромережі на вимикаючу здатність.

6.6. Пожежна безпека…………………………………………………..

ВИСНОВОК…………………………………………………………………...

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ…………………………………….

ДОДАТОК

1. ВСТУП

Нагрівання металів та сплавів перед обробкою тиском необхідне для підвищення їх пластичності та зменшення опору деформування. Існує температурний діапазон, в якому забезпечуються оптимальні умови обробки тиском. Існує декілька методів нагрівання металів, але основним недоліком найчастіше являється час нагріву та ефективність. Індукційний метод нагріву є найбільш оптимальним швидким та енергоефективним безконтактним методом передачі енергії в тіло, що нагрівається, з безпосереднім перетворенням її в теплову.

Індукційний нагрів - нагрів струмопровідних тіл за рахунок збудження в них електричних струмів змінним електромагнітним полем. Потужність, що виділяється в провіднику при індукційному нагріві, залежить від розмірів і фізичних властивостей провідника (питомого електричного опору, відносної магнітної проникності), а також від частоти і напруженості електромагнітного поля. Джерелами електромагнітного поля служать індуктори .

Індукційний нагрів характеризується нерівномірним виділенням потужності в об'єкті, що нагрівається. У поверхневому шарі, що називають глибиною проникнення, виділяється 86% всієї потужності. Глибина проникнення залежить від самого металу чи сплаву об’єкта нагрівання, а також від частоти електромагнітного поля. Для підвищенні техніко-економічних показників індукційних установок є вибір оптимального режиму роботи нагрівача, який виробляють в результаті аналізу можливих температурно-часових характеристик процесу нагріву, одержуваних з теплового розрахунку.

2.  РОЗРОБКА ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ

2.1 Принципи роботи індукційного нагрівача

Всі установки індукційного нагріву можна розділити на дві групи:

  • установки індукційного нагріву провідних матеріалів
  • установки високочастотного нагріву діалектриків

Перша група призначена для нагрівання провідників. В цих установках нагрів здійснюється за рахунок магнітної складової змінного електромагнітного поля, що індукується в об’єкт, що нагрівається.

За принципом дії та за основними конструктивними ознаками, установки індукційного нагріву провідників класифікують:

  • плазмові (для технологічних цілей)
  • плавильні печі
  • під пластичну деформацію
  • для термообробки, напайки та технологічного нагріву
  • для зварки

Індукційний нагрівач включає в себе три основні складові:

  • блок живлення
  • генератор
  • індукційна котушка – індуктор

Блок живлення виконує перетворення змінної напруги мережі в постійну. Призначений для забезпечення живлення певних вузлів системи, а також служить джерелом енергії, що трансформується, для нагрівання заготовки.

Генератор призначений перетворення постійної напруги з джерела живлення в імпульси із заданою частотою та амплітудою.

Індукційна котушка служить для створення електромагнітного поля. Змінний струм, що протікає по цій петлі, створює вихрові струми на оброблюваній деталі.

2.2 Завдання розробки та огляд аналогів

В даній дипломній роботі було поставлено завдання розробки реальної установки індукційного нагріву металевих заготовок малих розмірів. Установка індукційного нагріву повинна працювати від мережі 220 В, а також бути малопотужною для можливості використання в непромислових цілях.

Огляд аналогів показав, що на ринку присутні лише промислові установки індукційного нагріву з мінімальною потужністю від 7,5 кВт. Більшість установок потребують живлення  380 В. Даний факт унеможливлює чи робить проблематичним використання аналогів в побутових цілях.

Таблиця 1. Аналоги розробки

Виробник

Частота

[кГц]

Потужність

[кВт]

Напруга живлення

[В]

«INDYCTORY»

  • ВЧ-15А

30-100

8

220

«Проминдуктор»

  • ВЧ-15А
  • СЧ-15АВ

50-120

4-20

7,5

15

380

380

«АМБИТ»

  • IHM 50-8-15

8 – 50

15

220

«Blacksmith»

  • HD-15DG

30-100

15

380

Розглянемо основні характеристики аналогів, які можуть працювати від напруги мережі 220 В.

«INDYCTORY»ВЧ-15А

Параметр

Значення

Модель

ВЧ-15A

Потужність

8 кВт

Напруга живлення

380 В (220В)

Вхідний струм

13 A (36 А)

Діапазон частот

30-100 кГц

Час (Нагріву Витримка Охолодження)

1-99 секунд

Вода для охолодження

0.15 МПа 8 Л/хв t<40ºС

Робочий цикл

100%

Вага

27 кг

Розміри

560х230х480 мм

Рис 1.INDYCTORY ВЧ-15А

Рис 2.«АМБИТ»IHM 50-8-15

«АМБИТ»IHM 50-8-15

Модель

IHM 15-8-50

Максимальна вихідна потужність

15 кВт

Максимальна потужність споживання

16 кВт

Напруга живлення

380/220В +10/-15%,  50 ± 1 Гц

Споживання по фазі

не більше 25А

Частота струму

от 8 до 50 кГц

Максимальний струм перетворювача частоти

30 А

Максимальний струм індуктора

при коеф. трансформатора 12

при коеф. трансформатора 16

при коеф. трансформатора 20

600 А

Охолодження перетворювача

водяне

Охолодження індуктора

водяне

Рідина для охолодження

не більше 1,5 м3, не менше 0,15 м3залежить від використовуваного індуктора

Максимальна температура рідини для охолодження на виході

 

40°С

Температура перегріву рідини для охолодження

 

70°С

Тиск води

от 0,3 до 0,6 МПа

Наявність захистів

9 типів

ККД перетворювача частоти

до 95%

Габарити  без індуктора, ДхШхВ

600х315х400мм

Температурний режим зберігання

-50°С … +50°С

 

Маса

не більше 30 кг

2.3 Визначення температури нагріву

Ступінь нагрівання сталі для кування залежить від кількості в ній вуглецю. Чим менше вуглецю в сталі , тим вище допускається температура нагріву . Наприклад , для сталі з вмістом вуглецю до 0,1% температура нагріву 1200 ° С , до 0,2 % - 1150 ° С , до 0,3 % - 1100 ° С , до 0,6 % - 1000 ° С. Середня температура нагріву для кування 700-1050 ° С ( помаранчевий колір гартування ) . Чим вище температура нагріву стали , тим вона більш пластична і тим менше вимагає - зусиль , для кування. Щоб забезпечити високі механічні властивості поковки , процес кування бажано закінчуватися при температурі близько 800 ° С.

Не слід допускати надмірного перегріву сталі. При перегрів сталі відбувається зміна її структури : злиття дрібних зерен і утворення більших. Грубозернистий метал має знижену міцність і при куванні в ньому з'являються тріщини.

Температуру нагріву можна визначити за кольором розжарення сталі з похибкою не більше ± 50 ° С , так як у міру підвищення температури колір сталі змінюється.

2.4 Визначення питомої потужності системи

З огляду на те, що завдання дипломного проекту полягає в розробці реальної системи індукційного нагріву, яка матиме подальше застосування, виникла необхідність теоретичні розрахунки перевірити дослідами.

Для створення лабораторного макету необхідно розрахувати питому потужність системи, виходячи з того, що максимальна потужність лабораторного автотрансформатора складає , коефіцієнт корисної дії системи в середньому складає.Отже максимальна потужність системи може складати

Виходячи з розміру стальної заготовки для нагрівання, що складає 20х20х100 мм, її маса буде становити:

– густина сталі

Оптимальна температура нагрівання сталі для пластичної деформації складає . Середня температура навколишнього середовища. Різниця температур складатиме:

Необхідна кількість теплоти, що потрібно надати заготовці складає:

Обираємо час нагріву заготовки, виходячи з максимальної потужності системи . Потужність визначаємо за формулою:

Таблиця 2.Визначення часу нагрівання заготовки

Час нагрівання[c]

Потужність P [кВт]

60

2,13

90

1,42

120

1,06

150

0,85

Отримуємо час нагріву заготовки 2 хв та необхідну потужність системи

P

2.4 Визначення основних електричних параметрів та характеристик пристрою

-Максимальна потужність на виході 1,2 кВт

- Максимальна потужність споживання 1,5 кВт

- Максимальна температура нагріву 1300

- Напруга живлення 220 В

- Захист від перевантаження

3. ОПИС ТА РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ

3.1 Індуктор

Індуктор являє собою один або кілька витків провідника, в якому за допомогою потужного генератора змінного струму створюються електричні коливання високої частоти. Всередину витків поміщають заготовку з електропровідного матеріалу.

При включенні генератора навколо індуктора виникає інтенсивне електромагнітне випромінювання , яке поглинається заготовкою та розігріває її .

Система індуктор - заготовка являє собою трансформатор без осердя , в якому індуктор є первинною обмоткою. Заготовка є вторинною обмоткою , що коротко замкнута. Магнітний потік між обмотками замикається по повітрю.

Індуктори діляться на два класи:

  • низькочастотні(велике число витків і великий діаметр ) - призначені для розігріву як правило великих заготовок або плавлення металу в індукційних печах. Мають велику індуктивність , на них не подають напругу з частотою вище декількох десятків кГц.
  • високочастотні (один виток невеликого діаметра) - в основному призначені для розігріву дрібних деталей. Мають невелику індуктивність , живляться напругою від кГц до 5 МГц.

Індуктор сильно нагрівається під час роботи , так як сам поглинає власне випромінювання . До того ж він поглинає теплове випромінювання від розпеченої заготовки. З цієї причини індуктори потужних установок виготовляються з мідних трубок , охолоджуваних проточною водою.

Індуктори малопотужних установок або установок , що працюють в короткочасному режимі ( секунди ) не встигають сильно нагріватися . Їх досить виготовити з досить масивного мідного дроту.

Поширені типи індукторів для зовнішнього обігріву зображені на рис. 3.1:

а - одновитковий

б - багатовитковий кільцевий індуктор

в - багатовитковий прямокутний індуктор

г – багатовитковий круглий індуктор

д - багатовитковий конічний індуктор

Рис 3.1.Типи індукторів

Для заготовки заданого розміру був вибраний високочастотний багатовитковий індуктор без допоміжного охолодження. Індуктор виготовляється з латунної трубки, що забезпечує його повітряне охолодження, оскільки установка малопотужна, та повинна працювати в короткочасному режимі.

3.2 Інвертор

Для роботи індуктора необхідна змінний струм високої частоти. В якості генератора змінного струму виступає інвертор

Інвертор - пристрій для перетворення постійного на змінний струм зі зміною величини частоти та / або напруги. Зазвичай являє собою генератор періодичного напруги, за формою наближеного до синусоїди, або дискретного сигналу.

Інвертори класифікують:

  • Двотактні
    • Push-Pull
    • Мостові
    • Напівмостові
    • Однотактні
      • Зворотньоходові
      • Прямоходові
      • DC-DC
        • Знижувальні
        • Підвищувальні
        • Полярно-інвертуючі

3.2.1Push-Pull

Двотактна схема інвертора. Потужність від 500 кВт – кількох кВт. Схема приведена на приведена на рис 3.2

Рис 3.2 СхемаPush-Pull двотактний інвертор

3.2.2 Мостові

Двотактна схема. Потужність 500 – кількох кВт. Схема приведена на приведена на рис 3.3

Рис 3.3Схема мостового  двотактного інвертора

3.2.3 Напівмостові

Двотактна схема. Потужність 150-500 Вт. Схема приведена на приведена на рис 3.4

Рис 3.4Схема напівмостового  двотактного інвертора

3.2.4 Зворотньоходові

Однотактна схема. Потужність до 150 Вт. Схема приведена на приведена на рис 3.5

Рис 3.5Схема зворотньоходового  однотактного інвертора

3.2.5 Прямоходові

Однотактна схема. Потужність до 150 Вт. Схема приведена на приведена на рис 3.6

Рис 3.6Схема прямоходовго  однотактного інвертора

3.2.6DC-DC

  • Знижувальні (схема на рис.3.7)
  • Підвищувальні (схема на рис.3.8)
  • Полярно-інвертуючі (схема на рис.3.9)

Рис 3.7Схема знижувальногоDC-DCінвертора

Рис 3.8Схема підвищувальногоDC-DCінвертора

Рис 3.9Схема полярно-інвертуючогоDC-DCінвертора

3.3 Джерело живлення

Оскільки установка живиться від мережі 220 В 50Гц, а індуктор потребує високочастотне джерело струму, то для забезпечення живлення інвертора необхідно джерело постійної напруги. В якості джерела виступає лабораторний автотрансформатор (ЛАТР) та випрямляч, схема зображена на рис.3.10

Рис.3.10 Схема живлення з ЛАТРом та випрямлячем

Таке багаторазове перетворення необхідне для зменшення масо-габаритних показників установки.

Оскільки для регулювання напруги установки використовується лабораторний автотрансформатор (ЛАТР), то з міркувань безпеки введено додатковий трансформатор 220В-220В для гальванічної розв’язки, схема зображена на рис. 3.11

Рис.3.11 Схема живлення з використанням гальванічної розв’язки

3.4 Формування структурної схеми

Для спостереження за напругою та струмом на індукторі доцільно встановити амперметр та вольтметр. Також для можливості встановлення додаткових вимірювальний приладів необхідно виділити блок індикації.

Таким чином, структурна схема пристрою, що розробляється представлена на рис.3.12 .

Умовні позначення:

  • ЛАТР – лабораторний автотрансформатор


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68225. МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ ЧАСОВИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВИХ ПОЖЕЖНИХ СПОВІЩУВАЧІВ ПРИ АВТОНОМНИХ ВИПРОБУВАННЯХ 415.5 KB
  Технічні характеристики теплових пожежних сповіщувачів а також методи й алгоритми їх визначення регламентуються євростандартом EN54. Цей стандарт передбачає нормування лише однієї часової характеристики пожежного сповіщувача часу його спрацювання хоча для цієї мети використовується...
68226. УПРАВЛІННЯ ПРОЕКТАМИ РОЗВИТКУ ТЕРМІНАЛЬНИХ СИСТЕМ ДОСТАВКИ ВАНТАЖІВ АВТОМОБІЛЬНИМ ТРАНСПОРТОМ 1.55 MB
  Умовами підвищення результативності роботи організацій різної галузевої приналежності передбачається широке застосування методів стратегічного управління. В процесах стратегічного управління, розглядуваних за такі, що складаються з послідовності стадій формування...
68227. ВИХОВАННЯ ШАНОБЛИВОГО СТАВЛЕННЯ ДО МАТЕРІ У СТАРШИХ ДОШКІЛЬНИКІВ 147 KB
  Незважаючи на численність наукових напрацювань із проблеми морального виховання дитини залишаються недостатньо вивченими особливості й основні напрями діяльності дошкільних навчальних закладів щодо виховання в дітей старшого дошкільного віку шанобливого ставлення до матері як важливого складника...
68228. Діагностична значимість показників окисного стресу та нітроксидергічного дисбалансу в легеневих експіратах у новонароджених з дихальною недостатністю 356 KB
  Дихальні розлади в новонароджених є досить поширеними в практиці відділень інтенсивної терапії будьякого профілю представляють серйозну проблему та часто є причиною смерті хворих Шунько Є. Актуальність діагностики причин респіраторних розладів у новонароджених...
68229. ФОРМУВАННЯ ОПТИМАЛЬНОГО ВОДНО-СОЛЬОВОГО РЕЖИМУ ТЕМНО-КАШТАНОВИХ ҐРУНТІВ НА ФОНІ ВЕРТИКАЛЬНОГО ДРЕНАЖУ В УМОВАХ КРАСНОЗНАМ’ЯНСЬКОЇ ЗРОШУВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ 10.63 MB
  Зрошення на фоні діючого дренажу на таких безстокових та слабодренованих територіях є обовязковою умовою для збереження родючості ґрунтів. Тому дослідження водносольового режиму темнокаштанових ґрунтів при вирощуванні пшениці озимої як основної культури сівозмін сухої Степової зони в різних...
68230. МЕХАНІЗМ ВАЛЮТНОГО РЕГУЛЮВАННЯ В УКРАЇНІ 2.95 MB
  В умовах посилення процесів глобалізації фінансових ринків відкритості економік та їх взаємозалежності що обумовлюють зростання нестабільності національних валют роль механізму валютного регулювання постійно зростає.
68231. ЕКОЛОГО-ЕКОНОМІЧНІ ЗАСАДИ УПРАВЛІННЯ ЗЕМЕЛЬНИМИ ВІДНОСИНАМИ 540 KB
  Управління земельними відносинами є одним з найважливіших завдань в економічному середовищі країни що обумовлене сучасною земельною реформою. Фактично в державі не розроблено методології управління земельними відносинами як базису просторового соціальноекономічного розвитку.
68232. Методи та засоби персоніфікації інформаційного наповнення у глобальній системі World Wide Web 1.67 MB
  Позиціонування ІН цей напрям охоплює дослідження повязані з визначенням формуванням та підвищенням ефективності позиції ІН вебсайтів окремих вебсторінок та дописів користувачів WWW І. Пояснюється це тим що вкрай необхідно поліпшити якість величезних обсягів користувацького інформаційного...
68233. ЗНАЧЕННЯ ЕРИТРОПОЕТИНУ В РОЗВИТКУ АНЕМІЧНОГО СИНДРОМУ ПРИ ГОСТРІЙ МІЄЛОЇДНІЙ ЛЕЙКЕМІЇ 224 KB
  У хворих на гостру мієлоїдну лейкемію (ГМЛ) анемія розвивається у патогенезі самого захворювання та прогресує в процесі цитостатичної терапії. Уже в дебюті захворювання анемічний синдром викликає численні патологічні ефекти, асоціюється з погіршенням якості життя, зниженням професійної...