 |
|
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Общие указания
По курсу “Элетротехнологические установки и системы” предусмотрено выполнение курсового проекта, цель которого – закрепление теоретического материала путем самостоятельной работы по проектированию конкретной технологической установки. Курсовой проект состоит из трех частей:
1. электрический расчет индуктора с разработкой конструкции нагревателя,
2. разработка принципиальной схемы нагревательной установки с последующим выбором элементов электрооборудования и устройств контроля и регулирования.
3. динамический расчет системы автоматического регулирования
Расчетная часть проекта оформляется в виде расчетно-пояснительной записки, в которой обосновываются все принятые решения и приводятся необходимые расчеты.
Графичская часть оформляется в виде схем и чертежей в соответствии с требованиями ЕСКД.
Законченый проект после просмотра руководителем подписывается и представляется к защите. Студентам рекомендуется заранее подготовить краткий доклад (5-7 мин.), в котором должно быть четко отражено основное содержание проекта и изложены основные принятые решения.
1. Задание
1.1.Выполнить электрический расчет индуктора для сквозного нагрева цилиндрической заготовки, разработать конструкцию и рассчитать основные геометрические параметры индуктора. Рассчитать и выбрать компенсирующее устройство.
1.2.Разработать принципиальную электрическую схему электрооборудования. Выбрать силовые шкафы, аппаратуру управления, контроля и защиты. Составить спецификацию. Дать описание принципиальной схемы.
1.3.Выполнить динамический расчет системы автоматического регулирования температуры.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Индукционный нагрев металла осуществляется путем преобразования электрической энергии в тепловую в специальных устройствах - индукторах, в основе принципа работы которых лежит закон электромагнитной индукции. Форма индуктора зависит от формы нагреваемого изделия и, как правило, повторяет форму нагреваемой поверхности тела. Простейшим видом индуктора является кольцевой виток, выполненный из медной шинки или трубки, внутрь которого помещается нагреваемое металлическое тело. При пропускании переменного тока через индуктор в пространстве, окружающем индуктирующий провод, создается переменное магнитное поле. Переменный магнитный поток возбуждает в металлическом теле переменную э.д.с., под действием которой в нем возникают вихревые токи той же частоты, что и в индуктирующем проводе. Толщина слоя металла, по которому протекает индуктированный ток, зависит от частоты и электрофизических свойств металла. Чем выше частота, тем в более тонком слое протекает вихревой ток, т.е. тем сильнее проявляется поверхностный эффект. Вихревой ток, наведенный в поверхностных слоях изделия, вызывает его нагрев согласно закону Джоуля– Ленца, причем, температура металла, глубина и интенсивность нагрева зависят от подводимой к индуктору мощности, частоты, времени нагрева, электрофизических и теплофизических характеристик металла.
При синусоидальном характере изменения магнитного потока действующее значение э.д.с., наведенной в металле, согласно закона электромагнитной индукции, равно
,
где 
– амплитуда магнитного потока, сцепляющегося с контуром, образованным нагреваемым металлом и индуктором, 
– частота тока, Гц.
Под действием наведенной э.д.с. в контуре возникает ток
,
где 
– полное сопротивление контура нагреваемого металла.
Необходимая энергия для нагрева изделия до заданной температуры определяется из соотношения
,
где 
– масса нагреваемого изделия, 
– удельная теплоемкость материала изделия, 
конечная температура изделия, 
– начальная температура изделия.
Время 
нагрева рассчитывается в зависимости от заданного перепада температур по сечению изделия:
при заданном перепаде температур 
, c.
где расчетный диаметр 
, 
– глубина проникновения тока в деталь;
при заданном перепаде температур 
, с.
Зная время нагрева, можно определить среднюю полезную мощность через теплосодержание заготовки:
,Вт
.В реальной нагревательной установке имеют место тепловые и электрические потери энергии за счет излучения тепла в окружающее пространство, конвекции, нагрева соединительных проводов и индуктирующего провода индуктора и др. Полный коэффициент 
полезного действия системы «индуктор – металл» выражается соотношением
,
где 
– электрический коэффициент полезного действия индуктора, 
– тепловой коэффициент полезного действия индуктора.
Электрический к.п.д. индуктора
,
где 
мощность, выделяемая в изделии в виде тепла, 
– тепловые потери в окружающую среду.
Характерной особенностью индукционных установок является низкий коэффициент мощности индуктора. Это приводит к появлению в сети реактивных токов, которые загружают источник питания, снижая его коэффициент использования и увеличивая потери напряжения и мощности в линии электропередачи.
Для компенсации реактивной мощности установки применяют конденсаторы, которые подключаются параллельно индуктору и образуют вместе с ним параллельный колебательный контур. При этом часть конденсаторов постоянно подключена к индуктору, а другая часть подключается по мере необходимости для настройки колебательного контура в резонанс при изменении параметров загрузки во время нагрева.
Реактивная мощность 
конденсаторной батареи, необходимая для повышения низкого коэффициента мощности индуктора до требуемого, находится по формуле 
,
а общая емкость конденсаторной батареи
.
Здесь Pи – активная мощность индуктора, UИ– напряжение на индукторе, UК.Б.– номинальное напряжение конденсатора.