Universitate Dunrea de Jos, GalaiFacultatea de Acionri, Calculatoare, Inginerie Electric i Electronic Specializarea: ElecromecanicSCET de inducie cu creuzetCoordonator didactic: Student:Dobrot Ion Cotorobai Andrian2012Cuprins:1. Generaliti...........................................................................................................................31.1.Generaliti privind conversiaprin inducie.................................................................31.2.Proprietile materialului de topit..................................................................................42. Construcia i funcionarea SCET cu creuzet pentru topire..................................................5a. Creuzet............................................................................................................................6b. Inductor...........................................................................................................................7c. ecran magnetic................................................................................................................9d. mecanism de rsturnare...................................................................................................9e. n reea scurt..................................................................................................................113. Schema principal cu dimensiunile necesare........................................................................113.1. Dimensionarea creuzetului.............................................................................................113.2. Randamentul termic al cuptorului..................................................................................123.3. Alegerea frecvenei de lucru..........................................................................................143.4. Calculul inductorului i al sistemului de inducie arj.................................................153.5. Randamentul electric al cuptorului................................................................................183.6. Factorul de putere al cuptorului.....................................................................................193.7. Puterea absorbit de inductor.........................................................................................193.8. Puterea aparent a cuptorului.........................................................................................203.9. Dimensionarea solenaiei inductorului...........................................................................213.9.1. Numrul de spire.................................................................................................213.9.2. Curentul absorbit de cuptor.................................................................................213.10. Dimensionare spir axial.........................................................................................213.11. Dimensionarea i alegerea izolaiei dintre spire........................................................213.12. Calculul densitii de curent necesar.........................................................................213.13. Calculul intensitii cmpului electric dintre spire....................................................213.14. Fluxul magnetic produs de inductor..........................................................................213.15. Dimensionarea ecranului feromagnetic.....................................................................223.16. Calculul parametrilor sistemului inductor arj........................................................224. Dimensionarea reelei scurte.................................................................................................225. Alegerea bateriei de condensator pentru mbuntirea cos...............................................236. Determinarea randamentului total.........................................................................................257. Rcirea SCET........................................................................................................................267.1.Calcularea puterii evacuate cu agentul de rcire............................................................267.2.Calcularea debitului necesar de agent de rcire.............................................................268. Calcularea consumului specific de energie electric a cuptorului........................................279. Simetrizarea reelei scurte a SCET.......................................................................................2810. Verificarea puterii cerute pentru energia electric................................................................3011. Schema instalaiei de alimentare cu energie electric...........................................................30Bibliografie.................................................................................................................................322S se proiecteze un SCET de inducie cu creuzet pentru topirea alamei. Date de calcul:- capacitatea cuptorului: m = 2500 kg- rezistivitatea la temperatura de topire: 34,4 10-8 m- rezistivitatea la 20 C: 6,2 10-8 m- temperatura de topire: t = 419,2 C- temperatura de golire: g = 500 C- timpul de topire: tt = 1,1 ore- densitatea la temperatura de topire: t = 6860kg/m31. Generaliti1.1Generaliti privind nclzirea prin inducieLa nclzireaprin inducie, o bobin - inductorul de nclzire,fiind parcurs de curent electric alternativ, produce un cmp magnetic variabil n timp. Introducnd n inductor un corp conductor din punct de vedere electric (pies, arj topit ),nacestasevorinducecureniturbionari, care prin efect Joule, vor determina nclzirea direct sau topirea corpului respectiv. In sistemul inductor - pies (arj), cureniiturbionarisunt refulaispre exteriorulconductoarelor - efect pelicular isuportinfluenacurenilor dinconductoarele nvecinate - efectde proximitate.Unavantajalnclziriiprininducie, ncomparaiecualtemetodedenclzire, esteacelaca cldurase dezvolt n metalul ce urmeaza fi nclzit,cu odensitate maredeputere(>1000 kW/m2), rezultndovitezde nclziremairidicat(>1000K/s)faadeceaobinutn cuptoarele cunclzire indirect;Unaltavantaj poate ficonsideratconstrucia instalaiilor de nclzire mai simpl, permind utilizarea vidului sau a atmosferelor de protecie i automatizarea funcionrii n condiiileproduciei n flux;Un avantaj major sunt condiiile de lucru mult mbuntite, i poluarea mediuluiambiant redus.Ca dezavantaj se menioneaz faptul c multe dintre aplicaiile nclzirii prin inducie necesit surse de alimentare la o frecven diferit de 50 Hz,convertoarele icondensatoarele necesareridicnd apreciabil costulinstalaiei. nclzireaprin inducieeste utilizat pentru: topirea, meninerea n stare cald i supranclzirea metalelor (oel, font, cupru, aluminiu, zinc,magneziui aliajele lor) n cuptoarede creuzetsau canal; nclzirea n profunzime a semifabricatelor din oel,cupru, aluminiu .a., sub form de blocuri,boluri,bare,table,srme.a., ce urmeaza fi prelucratela cald prin forjare,matriare, presare,laminare, etc ; tratamentul termicsuperficialal pieselordinoelsaufont,utilizate n construcia de maini; aplicaii speciale - lipirea,sudarea, detensionarea sudurilor, agitarea metalelor topite, transportulidozarea metalelor topite,topirea tar creuzet.Cuptoareleiinstalaiiledenclzireprininducie potfialimentatelafrecven industrial(50 Hz),medie(10010000Hz)sau nalt(10 kHz 10MHz).Frecvenele joase (sub 50 Hz)suntutilizatepentrualimentareaagitatoarelor i atransportoarelor inductiveiarcuptoarelecu creuzet i canal sunt alimentatecufrecvenindustrial, cai uneleinstalaii denclziren profunzime. Frecvenele medii au ntrebuinare la alimentarea cuptoarelor cu creuzet n special (100-32000) Hz,pentrunclziren profunzime, tratament termicsuperficiali sudare,iar cele nalte - pentru tratament termicsuperficiali lipire.Cuptoareledetopiresauinstalaiiledenclzirenprofunzimesunt alimentatecufrecvene sczute, deoarece necesit o valoare ridicat pentru adncimea de ptrundere. Spre deosebire de acestea, instalaiile destinate tratamentelor termice superficiale sunt alimentate la frecvene mai ridicate.nclzirea electricreprezint unadincelemaivechiimaiimportante utilizri a energiei electromagnetice. Cretereaproduciei deenergieelectricacontribuit ladezvoltareaimpetuoasa procedeelor de nclzire electric, aceasta lund locul altor procedee de nclzire n numeroase ramurialeindustriei. S-a ajuns ca energia electric produss fie utilizat n procedeeelectrotermice.nindustriamodern, proceseleelectrotermice suntutilizatentr-omsur dincencemai mare. Astfel, cuptoarele electrice sunt folosite la elaborarea metalelor i aliajelor, n industria chimic, nindustriaalimentar, etc. Inindustriaconstruciilor demaini, nclzireametalelor n vederea tratamentelor termicesau a prelucrrii lacald, serealizeaz tot maifrecvent ninstalaiielectrotermice. Sudarea electric este preferataltor procedeen tot mai multe cazuri.n condiiile actuale,de scdere a energiei clasice, principala problem care se pune n proiectareainexploatarea instalaiilor electrotermiceesteceaa economiei de energie,a sporirii randamentului, n condiiile asigurrii unei caliti corespunztoare a produselor. Aceasta se poate realizanumaiprincunoaterea aprofundat a fenomenelor care au loc n instalaiileelectrotermice.1.2. Proprietile materialului de topitZincul este un metal cenuiu-albstrui. Luciul iniial intens dispare la aer, prin formarea unui strat de oxid care mpiedic naintarea oxidrii. Zincul este destul de casant la temperatura camerei, devine ns maleabil ntre 100-150C, aa c poate fi laminat n form de foi. Peste 200C este din nou att de casant nct poate fi pulverizat n mojar. Duritatea este mic (2,5). Reeaua cristalin a zincului este hexagonal. Rcit la temperaturi foarte joase (0,79K) devine supraconductor.nclzit laaer, zincul ardecuflacrverde-albstr, dndZnO. Latemperaturnalt, zincul descompune vaporii de ap i bioxidul de carbon, trecnd, de asemenea n ZnO. Cu halogenii, n prezena umezelii, zincul reacioneaz chiar la rece, de asemenea cu hidrogenul sulfurat, care formeaz ns numai un strat insolubil, protector de ZnS. UnamestecdepulberedeZncupulbere desulfreacioneazcudegajaremaredeclduri lumin, cnd este aprins, dnd ZnS. Cu apa Zn nu reacioneaz la rece, potenialul de oxidare fiind ns puternic pozitiv, acest metal se dizolv uor n acizi, dnd ioni Zn2+. De asemenea zincul se dizolv n hidroxizi alcalini, cu degajare de hidrogen, formnd hidroxizincai.Element: zincSimbol: ZnNumr atomic Z: 30nveli electronic (Ar)3d104s2Punct de topire (C): 420Punct de fierbere (C): 906Stri de oxidare + 42. CONSTRUCTIA SI FUNCTIONAREA CUPTOARELOR CU CREUZET Cuptoare de inductie cu creuzet sunt cuptoare de inductie fara miez de fier care functioneaza pe principiul absortiei energiei electromagnetice de catre un material conductor plasat in campul magnetic variabila unui conductor de tip solenoidalCuptorul de inductie se foloseste la topirea otelurilor,fontei si metalelor neferoase la cupru, aluminiu,zinc. Elementele constructive principale ale cuptoarelor cu creuzet sunt:- creuzetul- inductorul- ecranul magnetic- reeaua scurt compus din cabluri flexibile i barele sursei de alimentare- mecanismul de rsturnare52.1 CREUZETULCreuzetulare cptueal acid(cuarit 98 % SiO2),bazic(magnezit) sau neutr(amot, grafit sauoel refractar). Formacreuzetului estecilindric, nparteainferioar(1/3nlime) areoform tronconic, deoarece n aceast zon eroziunea provocat de agitaia bii este cea mai puternic. Baza creuzetului se sprijin pe un suport de crmizi refractare i termoizolante.6 ntre creuzet i inductor se prevede un cilindru din material termoizolant cu grosimea de 3 ... 20 cm. Creuzetul se confecioneaz prin stamparea (bttorirea) compoziiei refractare uscate (praf refractar amestecat cu acid boric) introduse ntre suport, cilindrul de material termoizolant i un ablon cilindric de oel (4 8 mm grosime) sinterizarea compoziiei refractare se realizeaz prin nclzirea lent cu gaz sau inducie.Starea cptuelii creuzetului trebuie controlat permanent (dup fiecare arj) n scopul prevenirii fisurrii acestuia, i ptrunderii metalului topit n inductor, ceea ce ar provoca o explozie. Uzura cptuelii estesesizabilprincretereafactorului deputereal cuptorului (cucirca1030%fadevaloarea corespunztoare fazei topite a arjei), ceea ce se observ printr-un numr sczut de trepte a bateriei de condensatoare necesare compensrii factorului de putere la cos = 0,92.Creuzetul este acoperit cu un capac n special la cuptoarele cu frecvena industrial, la care agitaia bii este mai intens, dar i n scopul reducerii pierderilor termice. Cuptoarele cu medie frecven nu au capac, simplificndu-se n acest mod construcia i exploatarea lor.

2.2 INDUCTORUL Inductorul are forma unei bobine cilindrice ntr-un singur strat, de preferin din evi de cupru, prin care circul ap de rcire sub presiune. Spirele inductorului pot fi neizolate (fixate cu distanoare) n aer sau turnate n azbociment, izolate cu micanit. innd cont de forele electrodinamice spirele inductorului sunt presate ntre dou plci frontale din material izolant, stnse cu tirani.7 Inductoarele sunt elemente de circuit caracterizate prin inductivitate. Valoarea inductivitatii nu este normalizata, sau standardizata. Pentru marirea inductivitatii inductorului, se utilizeaza miezuri freo- sau ferimagnetice. Din punct de vdere a posibilitatii de modificare a inductivitatatii, inductoarele cu miez magnetic, se clasifican: fixesi variabile. Modificareainductivitatii serealizeaza prindeplasarea miezului magnetic n raport cu spirele inductorului. Miezurile magnetice au forme variate: bara, tor, de tip E, oala, etc. Pentru micsorarea pierderilor prin curenti turbionari, miezurileferomagneticesuntrealizatedintoleizolatentre eleprinstraturi de oxizi. 23423p1522x Pentru evitarea saturarii miezurilor magnetice cu circuit magneticnchis, cumsuntmiezuriledetransformator, sauoaleledinferita, sepractica unntrefier, iar nfasurarea se plaseaza astfel nct cmpul magnetic de dispersie n ntrefier sa fie minim, solutia optima fiind determinata de forma constructiva a miezului.Bobinajelentr-unsingurstrat asiguracapacitateparazitasi fluxdedispersieredus. Bobinajele multistrat permit realizarea unor valori mari ale inductivitatii, dar capacitateaparazitaestemultcrescuta.Desi straturi le se izoleaza ntre ele prin folii dielectrice, exista pericolul strapungerilor la marginilenfasurarii, undetensiuneantredouaspire, este maxima. Pentrunlaturareaacestui dezavantaj, bobinareaseefectueaza: piramidal - numarul de spire pe un strat fiind mai mic dect cel al stratului pe care este nfasurat, sau sectionat - carcasa pe care se bobineaza avnd mai multe sectiumi, astfel nct tensiunea pe o sectiune sa reprezinte tensiunea aplicta inductorului mpartita la numaruldesectiuni.Pentruodensitatemaximaadmisadecurent , cmpul magneticmaxim, generat de uninductor cusaufaramiezmagnetic, depindeexclusivdesectiuneaS, anfasurarii. Conform legii circuitului magnetic:unde: lm,estelungimeamedianaacircuitului (miezului) magnetic, N, estenumarul de spirealnfasurariiparcursedecurentulima x,sectiuneaspirelor fiindSs p.Pentruunfactordeumplerealnfasurarii unitar, numaruldespireeste: N=S/SSP, iar relatia(8.1), obtineforma:8Pentruuntransformatorcumiezferomagnetic, numaruldespiresealegeastfelnct caderea de tensiune pe spira, sa fie cuprinsa ntre 0.5 0.7 V, pentru evitarea strapungerilor (la marginile nfasurarii) si suprasolicitarii miezului magnetic. Conductorul de bobinaj este din cupru emailat sau izolat cu fibre texti le. Pentru marirearezistentei deizolati e, lacuriledeemail - pebazaderasini poliuretanicesau epoxidice, se depun n mai multe straturi pe conductori din cupru. La freccevente ridicte sunt utilizate miezurile din ferita sinterizata, iar conductoarele pot fi litate pentrumicsorareaefectului pelicular. Lafrecceventeridicte, capacitateadetransfera puterii din nfasurarea primara n nfasurarea secundara a transformatorului - prin intermediul inductiei electromagnetice, estesuperioarapentrumiezuriledinferitafata decele feromagnetice. Miezuriledinferita auorezistivitate ridicta si pierderi prin curenti turbionariextremde reduse.Miezurile feromagnetice, desi sunt alcatuite din tole, nu pot fi utilizate la freccevente ridicate, pentru ca puterea disipata prin curenti turbionari, care creste pronuntat cu frecventa, determina ncalzirea excesiva a miezului. ntruct tensiunea electromotoare indusa n secundarul transformatorului, depinde - conform legii inductiei electromagnetice, dederivata nraport cutimpula inductieimagneticedin miez, pentru aceeasi valoare efectiva a tensiunii din secundar, numarul de spire al secundarului si primarului, este mai redus pentru un transformator cu miez ferimagnetic, datorita frecventei ridicte, desi permeabilitatea si inductia maxima au valori mai reduse. Energia se transfera dinprimar nsecundar nfiecare perioada a tensiuniialternativeaplicte primarului.Desi energia transferata prin intermediul miezului ferimagnetic, n timpul unei perioade, esterelativredusa, datoritavalorilor redusealepermeabilitatii si inductiei, numarul maredeperioadenunitateadetimppresupunevalori mari aleenergi ei totale transferate nunitatea detimp, sauvalori mari aleputerii transferate. Astfel puterea transferata peunitatea desuprafata a sectiunii miezului, este cuunordindemarime mai mare, pentru miezurile din ferita, comparativ cu cele feromagnetice. Ecranarea bobinelor si transformatoarelor se realizeaza cu folii magnetice cu permeabilitate ridicata, mulatepeinductor, prin care se nchidliniilecmpului magneticde dispersie. Pentrumicsorareacmpului magneticdedispersieal unuitransformatorcumiezdetip E, seutilizeazaospiranscurtcirciut subformaunei fsiidincuprumulatapecarcasa nfasurarilor si pe miezul magnetic. n acest caz cmpul magnetic de dispersie este micsorat prin autoinductie, tensiunea electromotoare indusa de cmpul de dispersie, genernd un cmp indus, care se opune variatiei cmpului inductor. Cmpul de dispersie al transformatoarelor realizate cumiezuri fero-sauferimagnetice toroidale, esteminim.2. 3 ECRANUL MAGNETICEcranul magnetic format din pachete de tole de transformator dispuse radial n jurul inductorului, este consolidat mpreun cu creuzetul i inductorul cu ajutorul unui cadru confecionat din OLC obinuit. Ecranul magnetic este necesar pentru a npiedica nclzirea elementelor constructive metalice ale cuptorului, aflate n cmpul magnetic al inductorului.92.4 MECANISMUL DE RASTURNAREMecanismul dersturnareacuptoruluinvedereagolirii esteori electromecanic, ori hidrauliccai sistemul de rotire al capacului creuzetului.nfunciedenecesitile tehnologice,cuptoarele cu creuzet pot fi utilizate n urmtoareleregimuri de funcionare:1. regim intermitent la care cuptorul se golete complet dup fiecare arj, iar pornirea se face la ncrctur solid2. regim continuu la care n permanen se afl n cuptor o cantitate de metal topit3. regimul duplex cu un alt cuptor electricObservaie la funcionarea continu a cuptorului, din cuptor se golete numai materialul necesar la turnarea imediat, n locul lui fiind introduse buci solide de metal. Deoarece funcionarea cu creuzetul parial umplut cu metal topit acuz o scdere a puterii active fa de valoarea ei nominal, se recomand ca golirea s nu depeasc 2/3 din capacitatea nominal.2.5 RETEAUA SCURTACablurile flexibile care formeaz reeaua scurt sunt rcite cu ap, cu diametrul exterior de 65, 83, 195 mm.Reeaua scurt a cuptoarelor de feroaliaje se compune din pachetul de bare ( cu seciune rotund sau dreptunghiular), sabotul fix, sabotul mobil, cablurile flexibile, periile de contact i electrozii.Reeaua propriu-zis de joas tensiune cuprinde:- conductorii rigizi de la barele secundarului pn la ieirea din casa transformatorului; ei sunt din eav de cupru rcit cu ap i permit densiti de curent de 3 4 A/mm2 sau din bare de cupru nercite care admit densiti de curent de 1,5 A/mm2.-conductoriiflexibiliformaidincablurimultifilaredecupru cu densitatea de currentdmisibilde1 A/mm2.- conductorii la electrozi formai din evi de cupru rcite cu ap cu densitatea de curent de 2 3 A/mm2.Toate aceste elemente pentru transportul energiei electrice ntre transformator i electrozi se sudeaz ntre ele, pentru micorarea pierderilor. Reeaua scurt realizeaz legtura ntre sursa de alimentare i cuptorul deinducie. Conductoareleelectricesedimensioneazastfel nct sesatisfacsimultanurmtoarele condiii: rezisten mecanic stabilitate termic101- inductor2- metal topit Cu3- creuzet refractar4- cilindru azbest5- ecrane feromagnetice pierdere de tensiune admisibil stabilitate termic i dinamic la scurtcircuitConductoarele trebuie s aib rezisten mecanic suficient astfel nct s nu se deterioreaz din cauza eforturilor la care sunt supuse n timpul montrii i exploatrii. Seciuniile minime necesare sunt date n normativul I7 n vigoare. Dimensionareaintalaiilorelectricedejoas tensiune sefacepe bazastabilitiitermicea nclzirii maxim admisibile produs de trecerea curentului electric, veriicndu-se apoi la pierderea de tensiune n reea, i stabilitatea termic i dinamic la scurtcircuit.Exemplu:Seciunea barei reelei de alimentare; Seciunea activ a barei este: ( ) 1 . 632 100 107 . 2 3'1 b Aamm2 Seciunea total a barei este:( ) 3000 100 10 3' ' b a A mm2 Bara cu care se face alimentarea are urmtoarii parametrii:a= 10 mm, b= 100 mmIadm_CC=8250 AVerificarea la nclzire:Seciunea este impus de condiia de a nu depii nclzirea n curent continuu:920 . 378630001 . 6328250 AAI IaCA3267,56 A < 3786.920 A deci se verific la nclzire3. Schema principal cu dimensiunile necesare3.1. Dimensionarea creuzetuluiDup alegerea materialului refractar al creuzetului se stabilesc dimensiunile d2 (diametrul mediu) i h2 (nlimea maxim a ncrcturii de siguran)Materialul refractar: GrafitVolumul util:222'4hd mv unde este densitatea la temperatura mediului ambiant 200C :14 , 7'_topit met kg/dm3Coeficientul de zveltee al bii:Acest coeficient ese impus pentru a obine un randament electric i termic ct mai mare, i se alege din intervalul: 222hdc0,5 ... 1 => c2=0,6Rezult, diametrul mediu al acestui cuptor cu creuzet este:m dmm cd 644 , 0 44 , 6 62 , 26714 , 72500 6 , 0 4 433 3'2 11Diametrul mediu al cuptorului este:d2= 0,644 mCu ajutorul coeficientului de zveltee ales ( c=0,6 ) vom determina nlimea creuzetului:m hcdh 07 , 16 , 0644 , 0222 nlimea ncrcturii este:h2=1,07 mnlimea creuzetului se adopt cu circa 20 30 % mai mare dect h2 pentru a ine cont de agitaia bii i de adugarea bucilor solide de metal.nlimea creuzetului este: 2 125 , 1 h h deci h1= 1,34mGrosimea peretelui creuzetului este ac i se adopt pe baza relaiei:0,20 0,25 ... 0,12 dacVom adopta ac=0,13m.Grosimea stratului izolator diatomit n general se ia valori de 1 10 cm. Voi alege grosimea de 0,01 m, deci: ai=0,01 m3.2 . Randamentul termic al cuptoruluim a a d di c914 , 0 01 , 0 13 , 0 2 644 , 0 2 22 1 + + + + - material refractar- diatomina densitate=700kg/m3 conduciv. termic =(0,16+0,3110-3) W/moC temperatura maxim de utilizaremax=900 oCPierderile laterale prin stratul de grafit i diatomit:Pierderile laterale se calculeaz pentru primul strat: lrrR2ln12- pentru c se calculeaz aproximnd cuptorul cu un cilindru, undel = h2 + ac/2=1,07+0,13/2=1,135 mWClrrRo000238607 , 0) 10 150 10 163 ( 135 , 1 2298 , 0398 , 0ln2ln312 Deci rezistena termic a grafitului este: R=2,3860710-4 oC/WPierderile laterale se calculeaz pentru al doilea strat: lrrR2ln12Temperatura la suprafaa interioar a stratului termoizolant se consider =150 oC. WCSaRoc0641025 , 0) 150 10 31 , 0 16 , 0 ( 233 . 405 , 032 + 12( ) 233 . 4 4 , 12 2 2 h S m2R=0,0527173 oC/WRezistena total este: 0643412 , 0 0641025 , 0 10 38607 , 242 1 + + R R Rtot oC/WPierderile laterale:1775 , 85480643412 , 0150 700 totambiant golirelateralRWPierderile laterale laterale= 8548,1775 WTransferul de cldur prin poriunea inferioar:WCSaRo838656 , 0) 20 10 31 , 0 16 , 0 ( 717439 , 01 , 03infinf + 717439 , 04956 , 042223 Sm244032 . 870838656 , 020 700infinf Rambiant golireWPierderile prin partea inferioar a cuptoruluiinf= 870.44032WTransferul de cldur prin capac:Vom considera capacul acestui cuptor din fibre ceramice careare urmtoarele proprieti fizice: densitate =50 kg/m3 conducivitate termic =(0,1+0,410-3) W/moC temperatura maxim de utilizare max=1300 oCcu grosimea de g=6 cm.Rezistena termic a capacului:1441910 , 0717439 , 0 ) 1200 10 4 , 0 1 , 0 (06 , 03 +capaccapacSgRoC/WFluxul termic prin capac este date de:02438 . 49241441910 , 040 700 capacambiant golirecapacRWPierderile prin capacul cuptorului capac= 4924.02438 WDeci pierderile totale rezulta nsumnd aceste trei pierderi, adic:capac erior lateral TOTAL + + inf Adic: 6422 , 14342 02438 . 4924 44032 . 870 8548,1775inf + + + + capac erior lateral TOTAL W36 , 8861 . 139 , 0 2500' ti Vti mPukW139412 . 17 36 , 88636 , 886++t uutp PP%Puterea transformat n cldur n arj la randament % 94 t94194 , 0 1 , 139 , 0 25002t topireti mPkW i = energia specifica a materialului3.3. Alegerea frecvenei de lucruLa a cuptoare este un moment de cheie alegerea frecvenei de lucru, alegerea se face innd cont simultan de: Randamentul electric al cuptorului Agitaia dorit a bii de metal topitDin practic se alege o valoare a frecvenei de lucru, mai mare dect:2226210 25dfr [ Hz ]unde:2 este rezistivitatea la 5000C 2=34,4 10-8 mr permeabilitatea magnetic,r = 1d2 diametrul creuzetuluiDeci frecvena de lucru va fi:82 , 20644 , 0 15410 , 34 10 25 10 2528 622262 dfr HzDar trebuie s mergem cu frecvena industrial de f =50 Hz, i pentru aceast frecven trebuie s urmrim urmtoarele verificri: Verificarea 1: - referitor la timpul de topireDependena timpului minim de topire de frecven pentru o ridicare admisibil se poate citi pe diagrama de mai jos, i este tt= 150 m pentru f =50 Hz care verific, pentru c la noi timpul de topire este de 1,1 ore14Verificarea 2: - referitor la dimensiunile minime a bucilor solide de metalDiametrulminim dmal bucilor solide la pornirea cuptoarelor cu creuzet n funciede frecventaf.Din aceast nomogram se vede clar, c dimensiunile minime ale bucilor solide de metal n funcie de frecvena de lucru este de 200 mm i aceast condiie este verificat3.4.Calculul inductorului i al sistemului de inducie arjDimensiunile inductorului sunt:d1 = diametrul inductoruluih1 = inaltimea inductorului d1=0,924 msih1=1,33 m15' + + ; + + m h h hm d dh ha a d di c33 , 1 07 , 1 25 , 1 25 , 1924 , 0 01 , 0 2 13 , 0 2 644 , 0) 3 , 1 ... 2 , 1 (2 21 2 11 12 12 1Adncimea de ptrundere: 2, unde adncimea de ptrunderepulsaiacurentului 159 , 314 50 2 2 frad/s fiind conductivitatea electric a metalului, adic 8810 344 , 010 9 , 21 1 S/m=0r=410-71=410-7 Vs/Am permeabilitatea mageticAvnd n vedere cele scrise mai sus, adncimea de ptrundere se poate scie sub forma prezentat mai jos:fr 503238110 71 , 1750 110 2 , 6503 m la 20oC38210 72 , 4150 110 4 , 34503 m la 419,2oCGrosimea peretelui spirei:a = (1,2 ... 2)1 dar indicat 157 , 1 a23 71 , 17 3 , 1 57 , 11 a mm, deci a=23 mmParametrii inductorului:Parametrii inductorului sepot determinanlocuindceleNspirealeinductorului, deocamdat necunoscute printr-o singur spir, ca i cum spirele inductorului ar fi legate n paralel, n loc de serie. Rezistena i reactana interioar a inductorului cu o singur spir se calculeaz cu relaia de mai jos, considernd factorul de umplere g = 0,8:( ) ( )g hdX R 1 111 1 1 1 1Deci:( ) ( )5381 111 1 1 1 110 44 , 08 , 0 10 71 , 17 33 , 1914 , 010 9 , 2 g hdX RRezistena i reactana arjei- raportate - se poate calcula cu relaiile de mai jos:1622 222222 '2 rKhdN R N R - este rezistena arjei raportat la inductorrxKKR N X N X22222 '2 - este reactana interioar a arjei raportat la inductorDar n acest caz avem: Kr2 = Kx2 = 1, numrul de spire N = 1, deci avem:5382 22222 210 13 , 0 110 72 , 41 07 , 1644 , 010 9 , 2 12 rKhdN X RFolosind factorii de corecie din tabelul de mai jos:obinem pentru raportul:1741 , 07885 , 0 601 , 007 , 1644 , 07609 , 0 687 , 033 , 1914 , 0112122221111

,_

hdhhhdhdM M = factor de corectie inductivitate mutualaReactana aerului se poate calcula cu relaia de mai jos:( )

,_

22221121021 14 4 hdhdX p XIIadic:( )

,_

22221121021 14 4 hdhdX p XII

,_

7885 , 007 , 1 4644 , 054 , 0 7609 , 033 , 1 4914 , 010 4 50 22 27 =(1M)2 = 0,54 = pdeci: (X1)1 - p2XII =143,55 10-6 Parametrii sistemului inductor:( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )II IX X X X XR R R + + + 2 1 1 1 12 1 1 1( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) 86 , 1410 51 , 0 10 13 , 0 54 , 0 10 44 , 02 1 1 1 15 5 52 1 1 1 + + + + II IX X X X XR R RParametrii sistemului inductor(R)1 =0,5110-5 i (X)1 = 14,8610-5 3.5.Randamentul electric al cuptoruluiRandamentul electric al cuptorului se poate calcula folosind parametrii inductorului, cu formula demai jos:( )12RRe nlocuind n relaia de mai sus, valorile parametrilor, obinem:( )8010 51 , 010 13 , 0 54 , 05512 RRe%Randamentul electric al cuptorului este: e=80 %183.6.Factorul de putere al cuptoruluiCa la orice instalaie electric, consumul este un parametru foarte important, nu numai din punctul devedereal cheltuielilor deexploatere, ci i dinpunctul devedereal calitii energiei electrice, a pierderilor de tensiune i de putere care apar la transportul energiei reactive n reea. Factorul de putere trebuie corectat la o valoare neutr, care este dat de normativele n vigoare. Compensarea sau mai precis corecia acestui indicator la valoarea neutr se face cu condensatoare electrice.Mai nti trebuie s calculm valoarea acestui factor, care se poate determina cu ajutorul formulei:( )06 , 010 86 , 14 51 , 010 51 , 0cos5 2 2521211 ++X RRFactorul de putere al cuptorului este: cos =0,06Se vede c factorul de putere natural are valoare mic, n practic se obin valori din intervalul (0,05 ... 0,4).Sau poate fi obtinut din urmatorul grafic:3.7.Puterea absorbit de inductorAlegerea sursei de alimentare:Puterea indusa in sarja:101594 , 0 1 , 142 , 0 25002t tti mPUnde i=0,42kwh/ora, consum specific de energie.Puterea activ absorbit de la reea fr compensare obinem din:126880 , 010152 eaPPkW19Puterea activ absorbit de la reea Pa = 1268 kW3.8.Puterea aparent a cuptoruluiSe poate calcula cu ajutorul factorului de putere, cum este prezentat mai jos:2113306 , 01268cos PSkVAPuterea aparent a cuptorului S = 21133kVA3.9.Dimensionarea solenaiei inductoruluiSolenaia necesar cuptorulu se poate determina, cu formula:( )45312110 87 , 4980 , 0 10 51 , 010 1015) ( eRPNIAspirSolenaia(NI1)=498774 Asp3.9.1. Numrul de spireNumrul de spire necesare pentru a avea solenaia dorit se calculeaz cu relaia:( )96 , 810 21133380 4987743lim 1SU NINaspireNumrul de spire necesare N = 9 spire3.9.2. Curentul absorbit de cuptorCurentul absorbit de cuptor este:5566696 , 8498774 ) (11 NNIIACurentul absorbit: I1= 55666 A3.10. Dimensionare spir axialFactorul de umplere, cu care s-au efectuat calculele, este g = 0,8, deci:12 , 096 , 834 , 1 8 , 011 Nh gbhN bgm20Dimensiunea axial a spirei este:b=12 cm3.11. Dimensionarea i alegerea izolaiei dintre spireSe poate calcula cu ajutorul:03 , 0 12 , 096 , 834 , 11 bNhmGrosimea izolaieidintre spire este: = 3 cm3.12. Calculul densitii de aer necesarTrebuie verificat inductorul i n cazul rcirii cu ap trebuie s satisfac urmtoarea condiie:211170mmAbIJ Deci dac calculm densitatea de curent, obinem:2 211170 99 , 6871 , 17 1255666mmAmmAbIJ - aceast condiie este satisfcut3.13. Calculul intensitii cmpului electric dintre spireVerificarea intensitii cmpului electric dintre spirele inductorului se poate calcula cu formula:23 , 143 96 , 8380 NUEV/mm care se ncadreaz m limitele admisibile, cum este prezentat mai jos:Eadm = 10 ... 40 V/mm pentru aerEadm = 100 ... 120 V/mm n cazul n care folosim izolaie ntre spire3.14. Fluxul magnetic produs de inductorFluxul magnetic total produs de inductor este:19 , 096 , 8 50 44 , 438044 , 4 N fUmagneticWbFluxul magnetic total produs de inductormagnetic = 0,19Wb3.15. Dimensionarea ecranului feromagnetic21Numrul i dimensiunile pachetelor de tole se determin pe baza relaiei de mai jos. Ca valoare orientativ se recomand un consum de 600 700 kg tabl silicioas pentru fiecare ton de metal din capacitatea cuptorului.Seciunea necesar a tuturor coloanelor din tole care formeaz ecranul feromagnetic este:( )N B fUAecran 44 , 49 , 0 ... 7 , 0unde: U tensiunea de alimentare (U = 380 V)f frecvena tensiunii de alimentare (f = 50 Hz)B inducia magnetic admisibil a tolelor (0,6 ... 0,9 T pentru 50 Hz)N numrul spirelor inductoruluiDeci:( ) 19 , 096 , 8 8 , 0 50 44 , 43808 , 044 , 49 , 0 ... 7 , 0 N B fUAecranm2Seciunea necesar a tuturor coloanelor din tole Aecran = 019 , 0m23.16. Calculul parametrilor sistemului inductor arjParametrii sistemului inductor arj se poate calcula cu relaiile de mai jos:3 5 21210 9 , 40 10 51 , 0 96 , 8 ) ( R N R 3 5 21210 1193 10 86 , 14 96 , 8 ) ( X N X 8 , 350 210 119323 fXL mHInductivitatea inductorului are valoarea deL=3,8 mH 4. Dimensionarea reelei scurteReeaua scurt realizeaz legtura ntresursadealimentarei cuptorul deinducie. Conductoarele electrice se dimensioneaz astfel nct se satisfac simultan urmtoarele condiii: rezisten mecanic stabilitate termic pierdere de tensiune admisibil stabilitate termic i dinamic la scurtcircuitConductoarele trebuie s aib rezisten mecanic suficient astfel nct s nu se deterioreaz din cauza eforturilor la care sunt supuse n timpul montrii i exploatrii. Seciuniile minime necesare sunt date n normativul I7 n vigoare. Dimensionareaintalaiilorelectricedejoas tensiune sefacepe bazastabilitiitermicea nclzirii maxim admisibile produs de trecerea curentului electric, veriicndu-se apoi la pierderea de tensiune n reea, i stabilitatea termic i dinamic la scurtcircuit.22Seciunea barei reelei de alimentare: Distantele ddintre bare se aleg in functie de tensiune din urmatorul tabel: d=25mmSeciunea barei reelei de alimentare: Seciunea activ a barei este: ( ) 1 . 632 100 107 . 2 3'1 b Aamm2 Seciunea total a barei este:( ) 3000 100 10 3' ' b a A mm2 Bara cu care se face alimentarea are urmtoarii parametrii:a= 10 mm, b= 100 mmIadm_CC=8250 AVerificarea la nclzire:Seciunea este impus de condiia de a nu depii nclzirea n curent continuu:920 . 378630001 . 6328250 AAI IaCA3267,56 A < 3786.920 A deci se verific la nclzire5. Alegerea bateriei de condensator pentru mbuntirea cosCondensatoarele derivaie au rolul de a compensa consumul de putere reactiv al cuptoarelor de inducie, n general la cos = 1.Factorul de putere al istemului inductor pies:2 2cosX RRZR+ Pe diagrama fazorial a compensrii cuptorului de induciecu conden-satoare derivaie se poate vedea.23La rezonan (figura de mai sus): sin1 I IC, adic:( ) ( )2 2 2 2L RLL RUC U + + , de unde capacitatea:71 , 221423 , 0 ) 10 9 , 40 (10 38 , 0) (2 2 332 2+ +L RLCmFPuterea condensatoarelor este de:2 22 U C f U C Q deci279 , 3 380 10 71 , 22 50 2 22 3 2 U C f Q MVArPuterea condensatoarelor este de: Q=3,279MVArDeci trebuiesfolosim25buci decondensatoarelegatenparalel detip188-21100- Apentrua compensa factorul de putere la cos = 1.Tabel de alegere a condensatorului:246. Determinarea randamentului totalUnul dintre indicatorii energetici cei mai importani este randamentul total al instalaiei, care este produsul randamentului termic i electric n cazul de fa:2575 , 0 8 , 0 94 , 0 e t %Randamentul total al cuptorului cu inducie cu creuzet proiectat este de= 0,75 %7. Rcirea SCET7.1. Calcularea puterii evacuate cu agentul de rcireApa care circul ninductor preia cldura dezvoltat nacesta i cldura transmis prinperetele creuzetului. Puterea Pe care trebuie evacuat de apa de rcire este:( ) ( ) 24 , 49 8 , 0 1 1268 1 + + lateral e ep P P kW=302,84 kWPierderile care trebuie evacuate de apa de rcire Pe = 302,84 kW7.2. Calcularea debitului necesar de agent de rcireDebitul necesar de ap:eeapaPQ 07 , 02 , 1 1]1

minlunde Pe se d n kW = iesire intrare este diferena de temperatur a apei de rcire la ieirea respectiv intrarea n sistemul de rcire (inuctor). = iesire intrare=60 25 = 35 oCDeci:32 , 14835 07 , 084 . 3022 , 107 , 02 , 1 eeapaPQ 1]1

minlViteza de curgere a apei se poate determina cu ajutorul formulei de mai jos:60103 AQvaa

1]1

smunde A suprafaa seciunii evii n m2, i pe figura explicativ de mai jos se poate calcula410 76 , 5 024 , 0 024 , 0 A m2Deci: 67 , 1601010 76 , 52 , 5776010343 AQvaa1]1

smPuterea ce poate fi preluat prin convecie de apa de rcire este dat de relaia:( ) A Pa i ia ca [kW]unde: ia este transmisivitatea ntre inductor i ap n kW/m2K care se poate citii pe diagrama de mai jos:26DIAGRAMAVITEZA apei de racire123 4 5m/sPentru diametrul de 5 mm10 152230 45Pentru diametrul de 10 mm 7 131822 30Pentru diametrul de 20 mm 6 1016 18 22Valorile de mai sus sunt penru transmisivitatea intre inductor si apa date in kW/(metru patrat*K)i este temperatura admisibil a inductoruluia este temperatura medie a apei de rcire,5 , 42225 60+ioCpe figura de mai sus se poate citii valoarea transmiivitii pentru viteza de curgere a apei. Vom obine valoarea de ia=10 kW/m2KA este suprafaa lateral a interioar a evii cum se poate observa pe figura de mai jos -care vine n contact cu materialul izolant. Vom obine valoarea de:( ) 16 , 3 12 , 0 ) 02 , 0 914 , 0 ( 9 21 + + b a d n Aspirem2.Deci: ( ) ( ) 25 , 761 35 , 4 5 , 42 60 10 A Pa i ia ca kWSe poate vedea c Pca >Pe adic se poate prelua toat cldura prin convecie, ceea ce trebuie evacuat. 8. Calcularea consumului specific de energie electric a cuptoruluiConsumul specific de energie electric Qs al instalaiei reprezint un indicator energetic de a crui valoare depindeeconomicitateainstalaiei electrotermice. Acest indicatoresteexpimatprinconsumultotal de energieelectricraportat launitateademsuraproduciei instalaiei (buci, kilogram, toneetc.), conform relaiei:tkWhimt PQS186075 , 08 , 1394 ObservaieConsumul specificdeenergieelectricesteinfluenat nmaremsurdepierderilede cldur, valori sczute obinndu-se prin realizarea unei izolaii termic corespunztoare.9. Simetrizarea reelei scurte a SCET27nfigurademai josestedatschemadealimentareaunui cuptorcucreuzet frecvenatensiunii de alimentare de 50 Hz. Pentru a transfoma sarcina monofazat reprezentat de cuptor n sarcin trifazat simetric se utilizeaz o instalaie de simetrizare compus dintr-o bobin Ls i un condensator Cs ambele reglabile.Unde: C baterie pentru compensarea puterii reactiveCs baterie pentru simetrizareLd drossel bobin cu miez feromagneticTensiunea Ul = 380 VPutereaP = 1268 WCurentulI = 55666ASe poate desena diagrama fazorial:

3RCLd CsII I 06 , 055666 38010 1268cos cos3 I UPI U Pll ' 921 , 0 sin06 , 0 cos32 50 72' ' 'oDe unde putem calcula curenii:283340 06 , 0 55666 cos I IRCA38 , 51268 921 , 0 55666 sin' I ICACurentul nominal al unui condensator la tensiunea de 380 V(tensiunea de linie):6315 , 52380201 1 VkVArUQI I U QNNCN N N NC AImpedana:6315 , 521 1 1 11 1 N CNlN CClNNCI IUUI IIUIUZADeterminarea numrului de condensatoar necesare:N1 - 9746315 , 5238 , 512681'1 CCIInbuc. de condensatoareCurentul: 19283334031 RCCIIANumrul de condensatoare ntre fazele R i S se poate determina folosiind relaia:N2 - 366315 , 521928112 CCIIncondensatoareCurentul drosselului la tensiunea de 380 V este:1928 CS LdI IACurentul nominal al drosselului este de: 19283803801928 lNLd NLdUUI IAPuterea nominal la 380 V a drosselului:64 , 732 1928 380 NLd N NLdI U QkVAr10.Verificarea puterii cerute pentru energia electric29Folosim o bobin de 139.819 kVAr-i i n acest fel vom avea puterea pe o faz:34233334033803 3CUPTOR RC lfaza faza fazaP I UI U P Dac nu folosim montajul Steinmetz dintr-o sarcin monofazat, conectat la un sistem trifazat ntre dou faze, aceast sarcin deformeaz puternic sistemul, cu acest montaj sunt absorbite puteri egale pe cele trei faze.11.Schema instalaiei de alimentare cu energie electric30Schema electric echivalent ainstalaieidenclzire prin inducie.31Bibliografie:1. Dan Coma, Lucia Pantelimon ELECTROTERMIE, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti 19792. Dan Coma UTILIZRI ALE ENERGIEI ELECTRICE, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti 19733. Dan Coma .a. PROIECTAREA INSTALAIILOR ELECTRICE INDUSTRIALE, Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti 19794. HUTTE Manualul inginerului2000.32