3. Определение основных параметров установки

Масса одной цилиндрической заготовки для нагрева:

где – диаметр заготовки, м;

– длина заготовки, м;

 - плотность материала заготовки, кг/м³;

Выбор частоты является одним из наиболее ответственных моментов при проектировании кузнечно-индукционного нагревателя (КИН). Он определяется требованием высокого электрического КПД как индуктора, так и установки в целом, необходимостью получения заданного распределения температуры по сечению детали, наличием и техническими данными оборудования (преобразователей требуемой мощности, конденсаторов и т.д.). Окончательно частота выбирается по результатам технико-экономического анализа.

При нагреве сплошной цилиндрической заготовки частота выбирается из диапазона:

где D₂ –диаметр заготовки, м; ρ₂- удельное сопротивление нагреваемого материала, Ом·м; μ₂ –относительная магнитная проницаемость.

Применительно к нагреву стальных цилиндрических заготовок до температуры выше 750⁰С, при которой ρ₂=10^-6 Ом·м и μ₂=1, то получим:

833,3<f<1666,6 Гц

Из номинального ряда частот выбираем f=1000 Гц.

Перепад температур между поверхностью и серединой заготовки T=100⁰ C. Темп выдачи заготовок t₀=20 сек.

Полезная мощность рассчитывается по формуле

,

где G – масса заготовки, кг; с – средняя теплоемкость в интервале температур начала и конца нагрева, Дж / кг град с = 668 Дж / кг град; Tср – средняя по сечению температура заготовки, °С Tср = 1250°С;

=108550, Вт

Получаем мощность равную 108,6 кВт и на основании этого выбираем источник питания – полупроводниковый преобразователь частоты ППЧ-320-1,0 с частотой 1000 Гц. Номинальное напряжение выбираем равным 500 В.

Рис. 2 Источник питания – полупроводниковый преобразователь частоты ППЧ-320-1,0 с частотой 1000 Гц. Номинальное напряжение выбираем равным 500 В.

4. Тепловой и электрический расчёт

4.1 Тепловой расчет

Для расчета заданы диаметр заготовки D₂=0.06 м, её длина а₂=0.097 м частота f=1000 Гц, масса заготовки G=2,6 кг, темп выдачи t₀=12,3 с, напряжение на индукторе 500 В.

Внутренний диаметр индуктора D₁=0.12 м;

Определим горячую глубину проникновения тока:

1. Расчетный диаметр заготовки:

2. Время нагрева:

3.Число заготовок в индукторе:

Длина индуктора:

Отсюда получаем и ;

4. Средняя полезная мощность

кВт

5. Тепловые потери через изоляцию:

кВт

м

6. Средняя мощность в заготовке и средняя удельная мощность:

кВт

4.2 Электрический расчет

Целью электрического расчета является определение таких параметров, как ток в индукторе, электрический КПД и коэффициент мощности, расчет коэффициента мощности индуктора и расчет числа витков. Основным методом является расчет индукционной установки на основе электрической схемы замещения.

1. Столб заготовок длиной а₂ разделим на три зоны:

а) Зона ферромагнитных заготовок со средней температурой 650⁰С имеющих удельное сопротивление 6*10^-7 Ом*м и μ>1.

б) Зона частично ферромагнитных заготовок ρ₂=10^-6 Ом*м.

в) Зона немагнитных заготовок.

Магнитную проницаемость определяем по таблице 3-1[1]. Задаваясь значениями μ находим значение напряженности магнитного поля, при которой удельная мощность будет максимально близка к рассчитанной выше удельной мощности. Получаем значения: μ_е=9,5, Н_е=1,95*10⁵ А/м.

Удельная мощность рассчитывается по формуле:

Задаемся магнитной проницаемостью μ_е=21. Из табл.3-1 находим напряженность магнитного поля:

Н_е=7,97*10⁴ А/м;

где:

; ; ;

Удельные мощности равны:

Задаваясь значениями магнитной проницаемости μ_е=11,1 и μ_е=14 соответственно, получаем: Н_е=15,94*10⁴ А/м; Н_е=12*10⁴ А/м; и

Строим зависимость , получаем окончательно: μ_е=15; Н_е=1,1*10⁵ А/м

Рис. 4.1

Находим

, что близко к значению, найденному из теплового расчета.

2. Распределение реактивной удельной мощности по участкам:

3. Активное сопротивление загрузки, приведенное к току длинного индуктора

Ом

4. Внутреннее реактивное сопротивление загрузки, приведенное к току длинного индуктора

Ом

5 Реактивное сопротивление

Ом

определяем по рис 5-6

Ом

6. Реактивность рассеяния индуктора:

Ом

7. Коэффициент приведения активного сопротивления цилиндра:

8 Приведённое активное сопротивление загрузки:

9 Приведённое реактивное сопротивление загрузки:

10 Расчёт толщины индуктирующего провода:

d₁=1.6Δ₁

м

d₁=3,54 мм берём d₁=3 мм.

10 Сопротивления индуктирующего провода

g = 0,85

Ом

По рис. 5-9 определим

k_r=1,3

k_x=1,1

Ом

Ом

11 Эквивалентное активное, реактивное и полное сопротивления индуктора:

Ом;

Ом;

Ом;

12 КПД индуктора

13 Коэффициент мощности индуктора:

14 Ток в индукторе:

кА

15 Плотность тока в индукторе:

А/мм²

16 Напряжение на индукторе

17 Полный КПД индуктора:

18 Мощность подведённая к индуктору

Р_и= кВт

19 Число витков индуктора при напряжении на индукторе

U₁=500 В

Высота витка м

20 Ток в индукторе

21 Активное, реактивное и полное сопротивления индуктора: