2 Конструкторская часть

2.1 Техническое проектирование системы управления

В данной части курсового проекта произведен выбор элементов оборудования, разработаны алгоритм работы системы и структурная схема, а также осуществлен тепловой и электрический расчет индуктора.

2.2 Физическая сущность индукционного нагрева

Метод индукционного нагрева основан на использовании следующих законов и явлений:

1. Закон электромагнитной индукции;

2. Поверхностный эффект;

3. Эффект близости;

4. Изменение свойств стали в процессе нагрева.

При использовании метода индукционного нагрева приходится также считаться с наличием и других явлений, вызывающих своеобразие распределения токов в индукторе и нагреваемой заготовке. Кратко охарактеризуем эти явления.

Для метода индукционного нагрева значение электромагнитной индукции состоит прежде всего в возможности передать электромагнитную энергию в нагреваемый объект, не прибегая контактам.

Поверхностный эффект является основой индукционного нагрева. Он выражается в неравномерном распределении тока по сечению проводника, при котором наибольшая плотность тока наблюдается у одной из поверхности проводника.

Плотность тока для различных точек сечения проводника будет неодинаковой. Чем выше частота тока, тем больше в центре проводника индуктивное сопротивление и меньше плотность тока.

Эффект близости представляет собой разновидность поверхности проводников в результате суммарного взаимодействия электромагнитных полей всех проводников с током, входящим в рассматриваемую систему. Картина магнитного поля и распределения тока при эффекте близости показана на рис. 2.1

Рисунок.2.1-Картина магнитного поля и распределения тока при эффекте

близости: а) одинаково направленные токи, б) встречно направленные токи.

Используя эффект близости, можно подобрать соответствующей формы индуктора концентрировать нагрев в определенных частях поверхности обрабатываемого тела.

Эффект близости проявляется тем сильнее, чем меньше расстояние между

проводниками и чем сильнее проявляется поверхностный эффект, то есть чем больше отношение толщины проводника к глубине проникновения тока.

На рис. 2.2 приведена картина магнитного поля индуктора, внутрь которого помещен металлический цилиндр. Ток в индукторе вследствие кольцевого эффекта и эффекта близости сосредоточен на его внутренней поверхности, в большей её части с почти равномерной плотностью, которая несколько увеличивается к углам привода. Это объясняется тем, что нити тока, лежащие на углах провода, охвачены меньшим магнитном потоком, чем находящиеся в средней части, и в нитях индуктируется меньшая противо э.д.с, чем в нитях, расположения в средней части провода.

Рисунок 2.2-Магнитное поле индуктора, внутрь которого помещена

нагреваемая деталь.

Наоборот в цилиндре ток протекает именно под воздействием э.д.с, наведенной в цилиндре. Эта э.д.с тем больше, чем больше магнитный поток, связанный с рассматриваемой кольцевой нитью тока. Из картины поля видно, что с наибольшим магнитным потоком связаны нити тока, расположенные в средней плоскости индуктора, где и наблюдается максимальный накал (поверхностная плотность) тока. За пределами индуктирующего провода индуктированный ток быстро спадает. Таким образом, ток, индуктированный в цилиндре, сосредоточен в полосе, ширина которой мало отличается от ширины индуктора. Будем считать, что ширина этой полосы, называемой активной, приблизительно равна ширине индуктора.

С ростом температуры нагрева стальных деталей удельное сопротивление ρ возрастает и выше 1000˚С достигает своего максимального значения.

Магнитная проницаемость в интервале 600-700˚С почти не зависит от температуры, но при дальнейшем её повышении резко падает и достигает минимального значения, равного магнитной проницаемости вакуума (μ=1).

Для практических расчетов глубину проникновения δ тока в металл вычисляют по упрощенным формулам: для стальных деталей при температуре 15˚С

(2.1)

и при температуре 760ºС

(2.2)

для меди при температуре 15ºС

(2.3)

где δ- глубина проникновения тока, мм; f- частота тока, Гц.

Из приведенных в табл.2.1 данных следует, что с повышением температуры нагрева металла глубина проникновения тока растет и достигает наибольшего значения при температуре потери магнитных свойств -точки Кюри.

Для большинства сталей магнитные превращения протекают в интервале критических температур 765-780˚С, при которых магнитная проницаемость резко падает и становится равной единицы. После потери сталью магнитных свойств с образованием аустенита глубина проникновения тока резко возрастает.

Таблица 2.1 Глубина проникновения тока в металл при различных частотах

Частота тока, Гц	Глубина проникновения тока, см
	Сталь 45		Электрическая медь
	При t=15ºС, P=2·10-5Ом·см, Μ=40Гс/Э	При t=800˚С, P=10-4Ом·см, Μ=1 Гс/Э	При t=15˚С, P=1,8·10-6Ом·см, Μ=1 Гс/Э
50 2500 10000 100000 1000000	0,5 0,067 0,034 0,011 0,0034	7,0 1,0 0,5 0,16 0,05	1,0 0,13 0,07 0,022 0,007

Наибольшее значение глубины проникновения тока называют горячей глубиной проникновения и обозначают δ_гор.

Приближенно она может быть определена по упрощенной формуле

(2.4)

Зная зависимость глубины проникновения тока от температуры, процесс индукционного нагрева стали можно представить по следующей схеме.

В первый момент начинается нагрев стали в тонком поверхностном слое, равном глубине проникновения тока в холодный металл. После потери этим слоем магнитных свойств глубина проникновения тока возрастает и нагревается слой, расположенный глубже, повышение температуры в первом нагретом слое замедляется.

После потери магнитных свойств вторым слоем начинается быстро нагреваться третий слой и т.д. Пределом роста глубины проникновения тока является горячая глубина проникновения.

Повышение температуры в слое горячей глубиной проникновения происходит за счет индуктированных токов, а в более глубоких слоях –в основном за счет теплопроводности.

Выбор и назначение элементов оборудования. Устройство для индукционного нагрева включает в себя комплекс соединенных в определенной последовательности функциональных элементов: источник электрической энергии; преобразователь электрической энергии одного род тока в другой; нагрузочный элемент (потребитель электрической энергии) блок преобразования электрической энергии в тепловую; технологическая приставка; блок управления и контроль электрическим режимом технологического процесса; блок управления и контроль достигает технологическим режимом управления процесса; сооружения и вспомогательное оборудование.

В качестве источника питания индукционных установок применяет тиристорные преобразователи тока промышленной частоты 50 Гц в переменный ток повышенной частоты 0,5-1 кгц. Преобразователь частоты осуществляется за счет коммутации постоянного тока управляемыми кремниевыми вентилями - тиристорами.

Преимущества полупроводников тиристорных преобразователей частоты: коэффициент полезного действия на 7-15% выше, чем машинных; мгновенная готовность к работе; возможность регулировать рабочую частоту, что позволяет создавать оптимальные режимы нагрева; малое время простоев, связанных с ремонтом; малые весовые нагрузки; меньшая потребность охлаждающей воды.

Блок управления и контроля энергического режима устройства для индукционного нагрева содержит систему датчика, исполнительных органов и контрольно-измерительных приборов. В качестве контрольно-измерительных приборов выбираем пирометры, которые измеряют текущую температуру нагреваемого тела и посылают информацию об этой температуре на управляющую машину. Пирометры устанавливаем внутри индуктора. Система датчиков, установленных на входе нагревательного элемента, производит контроль протекания процедур загрузки и выгрузки заготовок.