مقاله کوره های القایی در فرکانس شبکه

دانلود مقاله کوره های القایی در فرکانس شبکه

مقدمه
حرارت وگرما همواره ناشی از تلفات می باشد و دراین نوع ازگرمایش نیز ازتلفات هیسترزیس وفوکو استفاده می کنیم ، تلفاتی که دراکثر تجهیزات الکتریکی مانند ترانسفورماتور وماشین های الکتریکی مضراست وسعی براین است که مقدار این تلفات به حداقل ممکن برسد .

به طورکلی یک سیستم گرمایش القائی شامل یک منبع تغذیه با جریان ، متناوب ، یک سیم پیچ ویک قطعه که باید تحت حرارت قراربگیرد می باشد . اتفاق اصلی واساسی مابین قطعه کار وسیم پیچ رخ می دهد. دراین مورد نقش منبع تغذیه درمورد فرکانس ومیزان جریان سیم پیچ اهمیت دارد . این دوفاکتور مهم واساسی است که تاثیرات الکتریکی و حرارتی برقطع کارمی گذارند.

اساس گرمایش القائی ( ۶٫۵)
همانطوریکه گفته شد گرمایش القائی برپایه دومکانیسم اتلاف انرژی استواراست. این دومکانیسم یکی ، تلفات جریان فوکو ( ) یا تلفات فوکو ودیگری تلفات هیستر زیس می باشد. درمواد غیرمغناطیسی مانند آلومینیوم ، مس و چدن ( دردمای بالاتر ازنقطه کوری ) تنها مکانیسم اول ، یعنی تلفات انرژی به علت قانون ژول تاثیرگذار است ولی

درمواد فرومغناطیسی مانند فولاد وچدن ( دردمای پائین تر از نقطه کوری ) ، تلفات هیستر زیس نیز نقش دارد. یک توضیح ساده ولی مفید برای تلفات هیسترزیس این است که این تلفات دراثر اصطکاک بین مولکول ها ، یا به عبارت دیگر بین دوقطبی های مغناطیسی۱ بوجود می آید .

هنگامی که یک ماده فرومغناطیسی ابتدا دریک جهت وسپس درجهت دیگرمغناطیسی می شود ، این دوقطبی را می توان همانند یک آهن ربا فرض کرد که با هربار تغییر جهت میدان مغناطیسی که درنتیجه تغییرجهت جریان متناوب ایجاد می شود ، می چرخند . مقدار افزایش این تلفات با نرخ افزایش تغییر جهت میدان ویا درواقع همان فرکانس جریان الکتریکی متناسب است .

تلفات جریان گردابی۲ وتولید تلفات ژول که بدان مربوط می باشد توسط همان روابط معمول مدارهای جریان متناوب ویا مدارهای جریان مستقیم توصیف می شود. همانند دیگر جریان الکتریکی، جریان گردابی نیز به یک مسیر کاملا بسته نیاز دارد. هنگامی که این جریان جاری می شود یک افت ولتاژ که توسط قانون اهم (V=RI) تعیین می گردد، ایجاد می شود که R مقاومت مسیر جریان است. هنگامی که یک افت ولتاژ اتفاق می افتد انرژی الکتریکی به انرژی حرارتی یا گرما تبدیل می شود. این تبدیل را می توان با تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی درسیستم های مکانیکی ، هنگامی که مثلا یک جسم ازارتفاع معین به علت نیروی جنبه به زمین سقوط می کند مقایسه کرد. درسیستم های الکتریکی ، حرارتی که توسط افت ولتاژ بوجود می آید . توسط رابطه VI=RI2تعیین می شود .دقت کنید که رابطه بیان کننده میزان توان تلف شده است و واحد آن انرژی برواحد زمان است .

سوالی که دراین لحظه به ذهن می رسد این است که جریان گردابی به چه صورتی درقطعه کارالقاء می شود فهم این موضوع برای طراحی سیم پیچ ها ی القاء کننده وکنترل مقدار حرارت والگوهای حرارتی۱ ضروری است .

اصل پدیده این مربوط به این است که هرمیدان مغناطیسی توسط یک جریان الکتریکی ایجاد می شود این جریان ac باشد ویا dc .

درمورد یک هادی حامل جریان dc، جهت میدان مغناطیسی ( یا به عبارت بهتر میدان القای مغناطیسی ) عمود برجهت جریان است وشدت آن هرچه که ازهادی دورتر می شویم کمتر می شود. همچنین شدت میدان مغناطیسی متناسب با جریان است . جهت میدان یا مسیر خطوط القای مغناطیسی توسط قانون « دست راست » تعیین می شود . شکل (۲-۱) این موضوع را نشان می دهد. بدین صورت که انگشت شست جهت جریان را نشان می دهد وجهت بسته شدن انگشتان ، جهت مغناطیسی را نشان می دهد.

شدت میدان مغناطیسی دربین حلقه های کنارهم خیلی کم است . وعلت آن این است که القای مغناطیسی درحلقه های کنارهم ، دارای علامت مختلف است بنابراین همدیگر را خنثی می کنند. حال تصور کنید که هنگامی که یک میله توپررا وارد یک سیم پیچ که حامل جریان dc است وارد کنیم چه اتفاقی برای میدان مغناطیسی می افتد ؟
شکل (۲-۳).

اگرمیله ، فرومغناطیسی نباشد میدان هیچ تغییری نمی کند. ازطرف دیگر اگریک میله آهنی را درون سیم پیچ قراردهیم تعداد خطوط القای مغناطیسی به طورچشمگیری افزایش می یابد . به همین علت گفته می شود گذر دهی آهن بزرگتر ازگذردهی مواد غیر مغناطیسی است . درعمل برای محاسبات الکتریکی لازم است که گذردهی نسبی برای ما مشخص باشد. گذردهی مواد غیرمغناطیسی مساوی با گذردهی هوا می باشد. وگذردهی نسبی آنها برابر یک می باشد . درمقابل ، مواد مغناطیسی دارای گذر دهی بزرگتر ازیک می باشند.

هنگامی که یک میله توپرهادی را درون یک سیم پیچ ، که حامل جریان dc است قرارمی دهیم هیچ جریان گردابی درآن القاء نمی شود. اگربه جای جریان dc ازجریان ac استفاده کنیم هم جریان گردابی القاء می شود وهم گرما ایجاد می شود.

برای کمک به فهم بهتر این موضوع فرض کنید که یک سیم پیچ به دور یک استوانه توخالی با ضخامت کم۱ ( ازجنس همان ماده هادی که درقسمت قبل بحث شد ) پیچیده شده است .

هنگامی که سیم پیچ به جریان متناوب متصل است یک میدان مغناطیسی دورتا دور سیم پیچ را احاطه می کند ولی جهت ومقدار این میدان با هربار تغییر جهت ومقدار جریان متناوب تغییرمی کند. این باعث می شود که تعداد خطوط میدان یال به عبارت دیگرشارمغناطیسی که این استوانه راقطع می کند تغییر کند که فارادی دراواسط سال ۱۸۰۰ م درآزمایشات خود فهمید که این تغییر شارباعث القای یک ولتاژ می شود. دراین مورد اخیر، ولتاژ یا نیروی الکترومغناطیسی که دراستوانه القاء می شود توسط رابطه زیربدست می آید:

رابطه (۲-۱)
دراین رابطه N تعداد دور سیم پیچ و میزان تغییر شاربرحسب Wb/s است . رابطه فوق به قانون فارادی معروف است .

این مشخص است که شدت میدان مغناطیسی که با تغییرات جریان الکتریکی مشخص می شود بستگی به مقدار جریان دارد . بنابراین دریک سیم هادی یا یک سیم پیچ ، حداقل وحداکثر شدت میدان مغناطیسی درهمان لحظه ای که جریان حداقل وحداکثر است اتفاق می افتد مقدار   برابر با صفراست . با توجه به شکل ( ۲-۴) مشخص است که هنگامی بیشترین مقدارخود را دارد که منحنی جریان ازصفربگذرد بدین دلیل که وقتی جریان ازصفرمی گذرد ولتاژ القاء شده دراستوانه ، بیشترین مقدارخود را دارد . به علت وجود علامت منفی درقانون فارادی ، علامت جریان القائی مخالف جریان سیم پیچی است و جهت آن توسط قانون ” دست راست ” تعیین می شود . درمورد استوانه نازک ، تعیین جریان گردابی ومیزان حرارت نسبتا آسان است . شاژ مغناطیسی توسط رابطه زیرمحاسبه می شود۱ .

رابطه (۲-۲)
دراین رابطه جریان سیم پیچ است و ثابت گذردهی خلاء است (    ) و n تعداد دورسیم پیچ درواحد طول است و ro شعاع متوسط دورهای سیم پیچ است . همچنین مقاومت استوانه ازرابطه بدست می آید که p مقاومت ویژه فلزاستوانه است و I نیز طول مسیر عبورجریان گردابی است ( که برابر است با که ازقطر استوانه است ) و A نیز مساحت سطح مقطع استوانه است ( که برابر است با حاصلضرب ضخامت استوانه درطول استوانه ).

توانی که توسط جریان گردابی تلف می شود برابر است با

۲-۳ – اساس کارکوه القائی (۱)

بطورکلی اساس کارکوره های القائی را می توان با عملکرد یک ترانسفورماتور مشابه دانست بدین ترتیب که سیم پیچ اولیه همان سیم پیچ اصلی کوره می باشد که معمولا در کوره های ذوب بصورت لوله های مسی توخالی ساخته می شود تا با عبور آب از داخل آنها عمل خنک سازی به خوبی صورت پذیرد. این سیم پیچ را تا حد ممکن سعی می کنند به سطح کار حفت کنند تا فاصله هوائی کاهش یابد. سیم پیچ ثانویه این ترانسفورماتور فرضی ، بار کوره می باشد که همان ماده ذوب شدنی است وبه صورت اتصال کوتاه درنظرگرفته می شود که به یک امپدانس کوچک متصل شده است .

 درشکل ( ۲-۵-الف ) یک ترانسفورماتور به شکل ساده نشان داده شده است که در آن شار پراکندگی صفر درنظرگرفته شده است . همان طوریکه می دانیم جریان ثانویه با مقدارجریان اولیه وتعداد دوراولیه نسبت مستقیم دارد وبا تعداد دورثانویه نسبت معکوس دارد حال در شکل ( ۲-۵) که معادل ساده یک کوره القائی را نشان می دهد ثانویه اتصال کوتاه یا به یک امپدانس خیلی کم متصل شده است. اگرمقاومت ماده ذوب شدنی داخل کوره را R درنظربگیریم تلفات برابر با می شود که در آن نیز برابر است با :

رابطه ( ۲-۳)

این تلفات موجب ذوب ماده مورد نظر می شود.

۲-۴- توزیع جریان گردابی دریک میله توپر۱( ۵)

درمورد استوانه توخالی فرض براین است که مقدار جریان گردابی یکنواخت است وفقط بستگی به جریان سیم پیچی وشکل هندسی استوانه دارد. درواقع هنگامی که میله توپر درون یک سیم پیچ قرارمی گیرد اوضاع کمی پیچیده ترمی شود .

فرض کنید میله توپر ازتعدادی استوانه متحدالمرکز تشکیل شده است ( شکل ۲-۷) میدان مغناطیسی القائی درسطوح بالائی میله قویتراست . مقدار زیادتری شارازاستوانه های بالاتر می گذرد واین شاراست که جریان گردابی را تولید می کند. یک سوال که اینک به ذهن می رسد این است که آیا شدت میدان مغناطیسی دراستوانه های درونی نسبت به شدت میدان دراستوانه های خارجی بزرگتراست یا کوچکتر. این بستگی دارد به این که آیا جریان القائی دراستوانه بیرونی مخالف میدان است یا نه . اگراین جریان میدان را تقویت کند یک ولتاژ بزرگتر دراستوانه القاء می شود که باعث یک جریان بزرگتر می شود که باز این جریان یک میدان بزرگتررا باعث می شود واین میدان باز یک ولتاژ بزرگتر وهمین طور ادامه پیدا می کند که چنین وضعیتی قطعا اتفاق نخواهد افتاد. به همین علت جریانی که دردومین استوانه از سطح میله القا ء می شود کوچکتر ازجریان القاء شده دراستوانه بیرونی است وبه همین ترتیب جریان القاء شده دراستوانه سوم کوچکتر ازجریان القاء شده دراستوانه دوم است و به همین ترتیب ادامه پیدا می کند. درواقع جریان القائی ازسطح میله تا عمق میله شروع به کم شدن می کند واین صرف نظر ازجنس میله است که خواه مغناطیسی باشد خواه غیرمغناطیسی . این پدیده موسوم به اثر پوستی می باشد.

مقدارجریان بصورت نمائی۱ ازسطح میله تا عمق میله کمی می شود . می توان عمق پوستی را d که به فرکانس سیم پیچی وضریب گذردهی نسبی ومقاومت قطعه کار بستگی دارد بصورت زیرمحاسبه کرد :

رابطه ( ۲-۴)

 طه ( ۲-۵)

بطورکلی ۸۷ درصد انرژی القا شده درعمق پوستی توزیع می شود ومدتی طول می کشد تا حرارت به مرکز قطعه نیزبرسد. ( این قسمت را با گرمایش ازطریق سوخت های فسیلی مقایسه کنید که در آنجا تمام انرژی به سطح قطعه کارداده می شود وزمان زیادی طول می کشد تا حرارت به مرکز قطعه برسد).

 به منظور بدست آوردن یک راندمان الکتریکی خوب ، قطر قطعه کار می بایستی چهاربرابر عمق نفوذ باشد. همان گونه که ذکرشد عمق نفوذ متاثر ازفرکانس جریان تغذیه وجنس ماده موردنظراست . {۹}

آلیاژهای فولاد درحرارت زیرنقطه کوری ، مغناطیسی ودردماهای بالای نقطه کوری غیر مغناطیسی اند. دمای نقطه کوری به طورمعمول درنظرگرفته می شود.

جدول (۲-۱) عمق پوستی را بر حسب فرکانس منبع تغذیه برای چند ماده نشان می دهد: (۹).

فهرست مطالب
خلاصه
فصل اول
مقدمه
۱-۱- تاریخچه مختصری ازگرمایش القائی
۱-۲- طبقه بندی کوره های القائی ازنظرفرکانس
۱-۳- کاربرد گرمایش القائی درصنعت
فصل دوم
اصول گرمایش القائی ومزایای آن نسبت به سایرروشها
۲-۱- مقدمه
۲-۲- اساس گرمایش القائی
۲-۳- اساس کارکوه القائی
۲-۴- توزیع جریان گردابی دریک میله توپر
۲-۵- مزایای گرمایش القائی نسبت به سایرروش ها گرمادهی
فصل سوم
انواع کوره های القائی ذوب ( فرکانس شبکه )
۳-۱- مقدمه
۳-۲- کوره های القائی بدون هسته
۳-۳ – کوره القائی کانالی
۳-۳-۱- کوره القائی کانالی خودریز
فصل چهارم
تجهیزات جانبی ونقش آنها درعملکرد کوره های القائی
۴-۱- مقدمه
۴-۲- سیستم های حفاظتی
۴-۲-۱- وسیله ایمنی اتصال زمین
۴-۲-۲- رله فشاری
۴-۲-۳ – رله های ولتاژ زیاد وجریان زیاد
۴-۲-۴ – رله های حرارت زیاد
۴-۲-۵ – تخلیه بار خازن ها
۴-۳- سیستم خنک کنندگی
۴-۴- مواد دیرگذار
۴-۴-۱آسترکشی کوره
۴-۵ –سیستم تخلیه مذاب
۴-۶ – بانک خازن
۴-۶-۱ حفاظت خازن ها
۴-۷ – سیم پیچ کوره های القائی
۴-۷-۱ ضریب کیفیت سیم پیچ کوره
۴-۸ –ترانسفورماتور
۴-۹- سلف کوره های القائی
۴-۱۰ – طرح کلی یک کوره القائی
۴-۱۱- مسئله « پل » درکوره های القائی
۴-۱۲- خطرقراضه های مرطوب
فصل پنجم
اصول جبران سازی بارومتعادل کردن آن
۵-۱- مقدمه
۵-۲- تصحیح ضریب قدرت وجبران سازی
۵-۳-متعادل کردن بار
۵-۳-۱ مدارمتعادل کننده ایده آل
فصل ششم
انتخاب مشخصات اصلی کوره های القائی ذوب
۶-۱- مقدمه
۶-۲- انتخاب مشخصات ظاهری کوره
۶-۳- انتخاب فرکانس مناسب
۶-۴- انتخاب توان مورد نیاز
۶-۵- انتخاب ظرفیت کوره
فصل هفتم
نتیجه گیری وپیشنهاد
منابع ومراجع