- •Введение
- •1 Анализ объекта автоматизации
- •1.1 Существующая технология нагрева металла в печах сопротивления
- •1.2 Описание существующего оборудования
- •1.3 Технологический процесс нагрева металла в печах (термическая обработка)
- •1.4 Основные недостатки техпроцесса нагрева металла в печах
- •1.5 Основные направления повышения эффективности техпроцесса нагрева металла
- •2 Конструкторская часть
- •2.1 Техническое проектирование системы управления
- •2.2 Физическая сущность индукционного нагрева
- •2.3 Разработка структурной схемы
- •2.4 Разработка ртк
- •2.4.1 Выбор промышленного робота типа «Универсал-5»
- •2.5 Выбор способа индукционной закалки
- •2.6 Выбор схемы нагревателя
- •2.7 Автоматическое управление электрическим режимом индукционной установки
- •2.8 Расчет параметров индуктора
- •2.9 Выбор способа и среды охлаждения
- •2.9.1 Скорость охлаждения стали в зависимости от закалочных сред
- •2.10 Аппаратные и программные компоненты комплекса
- •Эффективный монтаж, независимая наладка
- •Современное по верхнего уровня
- •Производительность
- •Отличные коммуникационные возможности
- •Удобное сопровождение
- •Состав комплекса
- •Модули ввода-вывода
- •Защита от помех и принципы обработки сигналов
- •Модуль ain16-i20: универсальные каналы ввода-вывода
- •Интеллектуальные датчики
- •Сетевой протокол
- •Коммуникационные возможности
- •Сменные интерфейсы
- •Основные характеристики
- •Архитектура контроллера
- •Супервизор питания
- •М пульт и минипульТинипульт
- •Стационарный пульт
- •Топология систем автоматизации
- •Подключение стационарного пульта оператора
- •Комплексирование контроллеров
- •Синхронизация времени
- •3 Математическая постановка задачи оптимального управления закалки
- •3.1 Экспериментальная модель закалки изделия
- •1. Участок предварительной закалки изделия
- •2. Участок закалки изделия
- •1. Участок предварительного нагрева изделия
- •2. Участок отпуска изделия
- •5 Безопасность и экологичность проекта
- •Общий анализ производственных факторов.
- •5.1 Защита от электромагнитных полей
- •5.2 Источники электромагнитных полей промышленной частоты в электроустановках сверхвысокого напряжения (свн)
- •5.3 Воздействие электромагнитных полей на организм человека
- •5.4 Нормирование электромагнитных полей
- •5.5 Измерение интенсивности электромагнитных полей
- •5.6 Методы защиты от электромагнитных полей
- •5.7 Меры защиты от электрического тока
- •4 Организационная экономическая часть
- •4.1 Анализ улучшения экономических показателей от внедрения новой технологии
- •4.2 Расчет текущих затрат при использовании базовой и новой технологий
- •4.3Определение годового экономического эффекта
- •Содержание
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:
Закон электромагнитной индукции;
Поверхностный эффект;
Эффект близости;
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 δгор.
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.