Электротехника и промышленная электроника. Ч.2: Методические указания к курсовому проектированию

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра “ Электроэнергетика”

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания к курсовому проектированию. Пример расчета индуктора и выбора источника питания для закалочной установки.

ЧАСТЬ 2

Нижний Новгород

1999

Составители: К.С. Степанов, Ю.Н. Широнин, И.В. Белянин. УДК 621,311

Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине "Электротехника и промышленная электроника" для специальности 1208000 дневной формы обучения/ НГТУ; сост.: К.С. Степанов, Ю.Н. Широнин.

Рассматриваются вопросы проектирования источников питания для технологических процессов тепловой обработки материалов и выбора электрооборудования.

Работа предназначена для студентов неэлектротехнических специальностей.

Научный редактор Б.В.Папков

Подп. к печ. __. __ . 99. Формат 60×84/16. Бумага газетная. Печать офсетная. Печ.л. ____. Уч.- изд.л. ___. Тираж 60 экз. Заказ __. _____________________________________________ Нижегородский государственный технический университет. Типография НГТУ. 603600, Н.Новгород, ул. Минина, 24.

© 2

Нижегородский государственный технический университет, 1999

Приложение 3. ПРИМЕР РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ. Условные обозначения и размерности величин: P -мощность нагревателя, кВт; U -напряжение на нагревателе, В; ρ -удельное сопротивление материала нагревателя в горячем состоянии, Ом мм2/м; l -длина нагревателя, м; d -диаметр проволочного нагревателя, мм; Fизд -расчетная поверхность изделия, м2; Fст -поверхность стен, занятая нагревателями, м2; ω -удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/м2 ωид -удельная поверхностная мощность идеального нагревателя, Вт/м2 γ -плотность материала нагревателя, кг/м3; ε -коэффициент теплового излучения поверхности; Cпр -приведенный коэффициент излучения, Вт/(м2×К4). Пусть заданы следующие исходные данные: Форма детали - плоская; размеры детали (в мм.): длина (L)=1000, ширина (H)=100, толщина (d)=10; температура нагрева детали (Т)=900оС; материал сталь 45. Выбрать тип печи, определить мощность, рассчитать нагревательные элементы и выбрать электрооборудование для неё. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ В начале необходимо выбрать материал нагревателя и определить его геометрические размеры при известных размерах геометрического пространства, при известной рабочей температуре и известной мощности печи. Как правило, металлические нагреватели в низкотемпературных печах располагают на боковых стенках и поду; в крупных средне - и высокотемпературных (до 120С) печах, если требуется большая равномерность температуры внутри рабочего пространства, нагреватели устанавливаются дополнительно на своде и дверцах. Для комплексной термической и химико-термической обработки и пайки применяются механизированные камерные агрегаты, которые могут входить в состав установок, объединённых общими механизмами обслуживания. 3

Для данной печи подходит проволочный нихромовый нагреватель (проволочный зигзаг) рис.3.1.

Рис. 3.1. Основные размеры зигзагообразного нагревателя. Срок службы нагревателя, зависящий от условий окисления его поверхности, определяет удельная поверхностная мощность, выделяющаяся с единицы поверхности нагревателя. Для её нахождения вводится понятие идеального нагревателя. Под идеальным нагревателем понимают тот, который образует с изделием две сплошные параллельные бесконечные плоскости, при условии, что тепловые потери равны нулю, т.е. футеровка в теплообмене не участвует. На рис. 3.2 (см. рис.5.27 Л1 стр.99) представлена зависимость допустимой удельной поверхностной мощности идеального нагревателя ωид от температур тепловоспринимающей поверхности и нагревателя для случая εн = εизд = 0,8, т.е. Спр = 4,56 Вт/(м2·К4) где ε −степень черноты поверхности; Спр- приведённый коэффициент теплоотдачи. А также там приведены ориентировочные максимальные мощности, которые можно разместить на 1м футеровки при свободно излучающих нагревателях. При непрерывном регулировании максимальная температура нагревателя зависит от мощности, потребляемой в момент достижения изделием заданной температуры. При позиционном регулировании максимальная температура нагревателя – это пиковая температура, которая создаётся на включенном нагревателе при номинальной установленной мощности и достижении изделием заданной температуры. 4

Рис. 3.2. Значения удельной мощности идеального нагревателя ωид и мощности, размещаемой на 1м футеровки, Pmax/Fфут в зависимости от температур тепловоспринимающей поверхности и нагревателя (цифры на кривых). Из рис. 3.2 определим значения удельной поверхностной мощности идеального нагревателя ωид = 7 Вт/см и мощность, размещаемой на 1м футеровки, Pmax/Fфут = 40 кВт/м ± 15% в зависимости от температур тепловоспринимающей поверхности (900°С) и нагревателя (1100°С). Связь между реально допустимой и идеальной удельной поверхностной мощностью выражается зависимостью ω = ωид·αэф·αг·αс·αр, где αэф,αг,αс,αр –поправочные коэффициенты, αг = αс= αр=1; 5

αэф – коэффициент эффективности излучения данной системы нагревателей при минимально допустимых по конструктивным соображениям относительных витковых расстояниях ( при максимально плотном размещении нагревателя). Таблица 3-1 Значения коэффициента эффективности излучения αэф. Система нагревателя Проволочный зигзаг Ленточный аигзаг Ленточный зигзаг в балках нечей типа САП или Проволочная спираль на- полочке То же на керамические трубках Проволочная спираль в балках печей типа САН

αэф 0,68 0,40 0,34 0,32 0,32* 0,22*

Минимальн. относит. витковые расстояния 2,75 0,90 0,90 2,00 2,00 2,00

Значения αэф определим из таблицы 3-1 (см. табл. 5-5, Л1 стр. 99). αэф=0,68, когда изделие находится внутри спирального нагревателя; αг – коэффициент шага, зависящий от относительных витковых расстояний; из рис. 3.3 б (см. рис. 5-28 Л1 стр.99) видно, что он равен 1 при минимальных ( из конструктивных соображений) относительных витковых расстояниях. Относительными витковыми расстояниями называют отношение расстояния между осями ветвей к диаметру проволоки (е/d) для проволочного зигзага.

Рис. 3.3. Зависимость αг от относительного межвиткового расстояния. а – проволочный спиральный нагреватель; б – проволочный зигзагообразный нагреватель; в – ленточный зигзагообразный нагреватель.

6

Оптимальными с точки зрения эксплуатационного расхода материала являются отношения е/d=2,5…4.5. В данном случае принимаем е/d=2,8, αс – коэффициент, учитывающий величину приведенного коэффициента излучения нагреваемого изделия Спр, на рис. 3-3 (см. Л1 стр.100); αр – коэффициент, учитывающий влияние размеров садки и зависящий от отношения Fизд/Fст рис. 3-4 (см. Л1 стр.100);

Рис. 3.4. Зависимость коэффициента αс от приведенного коэффициента излучения Спр.

Рис. 3.5. Зависимость коэффициента размера изделия αр от соотношения Fизд/Fст.

Принимаем Fизд/ Fcт.> 0,8, значит поправки на размер вводить не надо т.е. αр = 1 . Установленные мощности всех зон нагрева Рyi=glyiLi ; (3.1) где Li- длина зоны. Длина камеры выдержки определяется по формуле (3.2) LB=Eτв/ml . Полезный удельный тепловой поток для пластины: (3.3) qn=2λ3Δt/S3 ; где λ-теплопроводность железа, Δt - допустимый перепад температуры по сечению загрузки для пластины расчетной толщины S3. Выбираем три зоны нагрева. В печь укладываем четыре детали по 1 метру длиной, тогда перепады температур для каждой зоны: 7

Δt1=3000С ; Δt2=2500C ; Δt3=1500C.

λз=0,452 кДж/кгк ; Sз=0,1 х 1[м2] ;

Удельная мощность потерь на нагрев газа qlг=Vг(Iвых.-Iвх.)/L’ ; (3.4) где Vг - скорость газового потока, L’- приблизительная длина участка электропечи на котором происходит нагрев газа. Определение потребляемой мощности нагревателей в зонах:

или

Qп,pi=Q’п,pi+Q»п,pi Q’п,pi=Qi(K3+K4) Q»п,pi=Qui(1-K4) Qуст.i=K2Qп,pi ;

K4-0,2…0,3-коэффициент запаса на возможное понижение температуры. K2=1,2…1,4

qуст.=10f1ω[квт/м] ,где f1-площадь поверхности нагревателей на 1 погонный метр длины печи(м2/м). f1=1х10[м2/м] qуст.=10х10х7вт/cм2=7кВт Зная допустимую удельную поверхностную мощность, перейдем к определению электрических параметров нагревателя. Диаметр сечения проволоки:

d =

3

4Ρ 2 ρ π 2ω U 2

d=2,93(мм) P-мощность нагревателя, кВт U-напряжение на нагревателе, В ω-удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/см2 Длина нагревателя:

l=3

ΡU 2 4πρω 2

ρ = 1,09±0,8Ом мм2/м -удельное сопротивление нагревателя . l =16(м) Масса нагревателя: g = γ 3 ⋅ 3

0,63 ⋅ 4 ρΡ 5 U 2ω 4

γ=8,4г/см2 - плотность материала нагревателя g=1,9(кг)

8

Таблица 3-2. Геометрические характеристики и масса 1 м проволоки и ленты из сплавов высокого сопротивления Диаметр Площадь ПоверхМасса 1 м, г проволоки поперечно- ность 1 м, Х15Н60; Х15Н60; Х23Ю5; (размер го сечения, см2 Х15Н60Ю3; Х15Н60ЮЗ: Х27Ю5Т 2 ленты), мм мм Х20Н80; Х20Н80; Х23Ю51 Х20Н80-Н Х20Н80-Н 2,0 2.2 2,5 2,8 3,2 3,6 4,0 4.5 5,0 5,6 6,3 7,0 8,0 9.0 10,0 11,0 12,0 13,0 14.0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0

3,1 3.8 4,9 6,2 8,0 10,2 12,6 15,9 19,6 24,6 31,2 38.4 50,2 63,3 78,5 95,0 113.0 132,7 153,9 176,7 204,1 227,0 254,5 283,5 314,2

2,0Х10 1,5Х15 2,0Х15 2,2Х20 2,5Х20 3,0Х20 2.2Х25 2.5Х25 3,0Х25 2,2Х30 2,5Х30 3,0Х30 2,2Х36 2.5Х36 3,0Х36 2,2Х40 2,5Х40 3.0Х40

20 22 30 44 50 60 55 62 75 66 75 90 79 90 108 88 100 120

Проволока 62 26 69 31 78 41 87 51 100 67 113 85 125 105 141 133 157 164 175 206 197 261 219 322 251 422 282 532 314 659 345 797 376 949 408 1114 439 1292 471 1487 502 1686 534 1906 565 2136 596 2379 628 2636 Лента 240 168 330 189 340 252 444 370 450 420 460 504 544 462 550 525 560 630 644 554 650 630 660 756 764 664 770 756 780 907 844 740 850 840 860 1020

24 29 38 48 63 80 99 125 145 181 246 303 396 500 620 750 893 1048 1215 1395 1587 1791 2008 2238 2479

22 27 35 45 59 73 91 115 141 177 225 278 364 459 509 698 819 961 1063 1220 1388 1567 1757 1957 2169

158 178 237 347 395 474 434 494 593 521 593 711 624 711 853 695 790 947

145 163 217 319 363 435 399 453 545 478 543 653 573 653 783 638 725 870

9

Из таблицы 3-2 (см. табл. 5-6 Л1 стр.101) найдем геометрические характеристики проволоки: для d=2,93(мм), выбираем ближайший диаметр больше расчетного d=3,2 мм. Площадь поперечного сечения- 8,0 мм2. Поверхность 1м100 см2. Масса 1м проволоки типа Х20Н80 67 г. Для проверки расчета нагревателей воспользуемся графиками рис.3.6 и рис. 3.7 (см.рис.5-33 и рис. 5-34. Л1 стр.101), откуда получим: d ≈ (мм) l ≈ (м)

10

Рис. 3.8. Зависимость скорости окисления сплава νок от температуры для разных сплавов сопротивления в воздушной среде. РАСЧЕТ СЕЧЕНИЯ И ВЫБОР ТИПА ПРОВОДЯЩИХ ПРОВОДОВ К ЗАКАЛОЧНОЙ ПЕЧИ Силовые электрические цепи, соединяющие печи с другим электрооборудованием и выполняемые проводниками различных видов, называют токопроводами ЭТУ. Токопроводы между электропечью и электропечным трансформатором или преобразовательным агрегатом принято называть короткой сетью. При выборе сечений проводников токопроводов следует учитывать неравномерность распределения тока как по сечению проводника ( шины, кабеля, провода), так и между отдельными параллельными проводниками фазы ( пакета шин, пучка кабелей, проводов), обусловленную поверхность эффектом и эффектом близости. Температура шин токопроводов и их контактных соединений как за счет нагрева электроческим током, так и за счет внешних тепловых излучений, как правило не должна превышать 900С. В реконструируемых ЭТУ допускается температура при сварных соединениях 1480С для медных шин и 1200С для алюминевых. В необходимых случаях применяют принудительное воздушное или водяное охлаждение проводников. 11

Жёсткие токопроводы выполняются преимущественно из шин прямоугольного или трубчатого сечения. Согласно П.У.Э. для таких токопроводов со спокойной нагрузкой должны применяться шины из алюминия, а для ЭТУ с резкопеременной ударной нагрузкой – из алюминевых сплавов с повышенной механической и усталостной прочностью. В нашем случае применяем прямоугольную ленту из алюминия марки А6 ГОСТ 54.14-63 (обработка волочением) Удельное электрическое сопротивление при t=700С - 31.8мКОмм10-3. Временное сопротивление разрыву σв=112ктс/ мм Относительное удлиннен δ=5% (см.Л2 стр.14 таб.1.2) Примем размер шин 14х6 см с учетом нагрева до 700С соединений. Разводку проводов к электродвигателям и другим электроприборам, расположенным на каркасах электропечей, можно вести проводом с обычной изоляцией, а при температуре выше 400С—проводом с теплостойкой изоляцией. Шины крепят на пропитательных асбестоцементных клицах. Шаг между клицами должен лежать в промежутках от 600 до 1000мм. Все неизолированные токонесущие части закрывают защитными кожухами. Имеющими жалюзи или перфорацию. По таблице 2.1 (см.Л2 стр.32) выбираем понижающий трансформатор типа ТО-20АЗ со вторичным напряжением 37,3-120 В для обеспечения мощности зоны нагрева 18кВт и номинальной температуры 10000С число фаз равно одному. Электрические и механические свойства шин и лент для токопроводов ЭТУ Наимен.

Мар ка

ГОС Т

Форма

Обработка

эл.Сопр. Механичес.

Al Cu 1 Cu 2

,О

A3, А6

541463

шины

ЛММ

434-71

лента

Удельное

прокат

Термич.

Ста рение

----

----

отжиг

----

МкОм м 0С

29х 0.001

Механ. св-ва при раст. 20С σв

σ

М Па

0,2

112 (11,2) доп.1 15 17,2 доп.1 7,54

размер сеч.

δ %

---

все

5

260 (26)2

0,9 1,25

30

255 (25,5)2

3,53

34

Согласно ГОСТ 15176-70 допускается изготовление шин (прессованных из алюминия и алюминиевых сплавов) с размерами по ГОСТ 13616-68 14х6 мм. 12

Рис. 3.9 Оптимальные соотношения между высотой H и шириной B печной камеры и ширины изделия b для получения равномерного нагрева по ширине (для любых температур и степени черноты).

1. Электротермическое оборудование: Справочник/ Под общ. ред. А.П. Альтгаузена.- 2-е изд., - М.: Энергия, 1980. - 416 с. 2. Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник/ Под общ. ред. А.П. Альтгаузена.- М.: Энергия, 1978. - 304 с.

13