《中频炉在线监测系统设计开题报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中频炉在线监测系统设计开题报告（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、毕业设计开题报告设计题目 中频炉在线监测系统设计学生姓名 孙晗 学号 12110401164 专业 电气工程及其自动化一、课题的目的意义： 中频熔炼电炉是指利用电力电子开关器件将电网的三相交流电（工频 50Hz) 变为单相中频交流电（200-l000Hz）的频率变换，通过感应加热方式实现钢铁等金属熔炼任务的一套电气装置。其中中频电源是熔炼电炉的最核心部分，同时适用于精密铸造、透热、锻造、淬火、钎焊等热处理加工领域 ，它是一种污染小、低能耗、 高效率并且安全系数较高的加热手段。该课题的意义：一是中频感应加热,因其热效高,加热均匀,材料烧损率低,并能精确控制加热温度等优点,已被广泛应用于各类金属材
2、料的加工领域。二是我国现如今是一个制造工业强国，铸造行业又是整个工业的重要基础之一，而且直接关系着国计民生。保护人类赖以生存的地球资源、环境，是中国面临的重大问题，也是人类长期与自然和谐共处必然承担的责任。在中国随着人类环境保护意识的普及以及对良好生态环境的追求，颁布节能减排相关政策法规以限制制造业的污染状况成为发展趋势，节能转型已成必然。中频炉加热装置具有体积小，重量轻、效率高、热加工质量优及有利环境等优点会迅速淘汰燃煤炉、燃气炉、燃油炉及普通电阻炉。三目前针对中频炉在线监测设备比较少，多采用指针式仪表，且不具备自动报警及保护功能，给设备运行带来安全隐患。本设计主要针对上述问题提出采用PLC
3、、工控机、组态王在线监测中频炉运行状况。四是熔炼作为铸铁件生产的首要环节，控制铁液的熔炼质量和熔炼成本对最终铸铁件的质量和生产成本有着非常重要的意义。作为主要的冶炼设备、感应炉可以有效地控制化学成分波动幅度，其成分可以精确到指定的需求，到达防止硫共晶产生的目的。同时在中频炉熔炼过程会产生电磁搅拌，使铁液温度更加均匀，铁水氧化易控制，元素烧损少。1.Zhou J, Wang Y. Channel Break of Induction Furnace in Horizontal Continuous Casting J. Nonferrous Metals Processing, 2010, 1:
4、 2-6. 2. Lun Z, Jianrui L, Weidong H. Preparation of AZ91D Magnesium Alloy with High Quality by Melting-casting Crude Magnesium J. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2009(4): 15-17.二、近年来国内研究现状在铸造生产中，随现代工业的飞速发展，中频炉得到了广泛应用。在上世纪70年代，工频感应电炉就开始得到广泛的应用，最大功率的感应电炉曾有过规格的工频感应电炉也曾投入运行，虽然有很多的缺陷，而且最终没有被更加多的推广，
5、但是有了以电磁感应原理进行铸铁等熔化的先列，为改进以后的熔化方式提供了一定的基础。90 年代以后，在其它国家一些公司的推动下，中频感应电炉在我国的应用越来越多，极大的推动了我国铸造行业的发展。这些熔炼的主要设备都来自国外，有采用并联谐振技术的，也有一些开发了更新技术采用串联谐振技术的一拖二变频中频感应电炉，例如西安机电研究所在中频感应电炉技术中进行了开发和研宄，并在21世纪初开发出了基于IGBT器件的中频感应电炉，在国内算是国产高功率中频感应电炉的应用先例。目前，我国的中频感应电炉行业发展速度非常快，在技术水平上国产设备的水平基本上接近国际最高水平。（周继跃.中频感应熔炼炉J. 电炉 ，199
6、7(4): 19-22.）中频感应加热电源在中频范围内，国外装置的最大容量已达到数十兆瓦。在高频（100kHz以上）频段内，目前国外正处于从传统的电子管电源向晶体管化全固态电源的阶段，以模块化，大容量化MOSFET、IGBT功率器件为主。在中频范围内，国内已形成200Hz-10000Hz，功率为100kW-3000kW系列产品，可以配备5t以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热，表面淬火等热处理工艺，尤其在废旧钢铁融化及铸造上己经得到了普遍的应用。（张立，赵永健编著.现代电力电子技术.北京：科学出版社，1992）随着电力半导体器件的开发和电力电子技术的不断发展，感应加热装置的面貌
7、也随之日新月异，以装置的体积、质量、性能方面的变化尤为突出。例如频率，同容量的晶体管式变频装置与电子管式变频装置相比体积缩小2/3，重量减轻2/3，冷却水节约1/2，耗电量节约1/3，效率提高35%，使用寿命更长，更加安全可靠，容易实现自动控制，有利于提高加热效率及质量，维护工作量更小，能做到随用随开。德国、美国、英国、法国、日本、意大利、西班牙、比利时和俄罗斯等工业发达国家的感应加热装置的技术发展及应用位于世界前列。我国感应加热技术的应用开始于20世纪50年代，发展主要是改革开放以后，主要用于机床、汽车、拖拉机等制造业。感应加热集中在工件表面淬火，而熔炼和透热方面的应用较少。感应加热的技术几
8、乎全来自前苏联和捷克。80年代，浙大自主开发了第一台并联式晶闸管中频电源并向全国推广。国内浙江大学研制成20kW/300kHzMOSFET高频电源，已被成功应用于小型刀具的表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核试验中，96年天津高频设备厂和天津大学联合开发出75kW/200kHzSIT感应加热电源。20世纪90年代，国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂，如美国的应达感应加热公司和彼乐公司等，和国内的同行业厂家同台竞争。他们的产品技术含量高、电源功率大、品牌全、炉子吨位大、生产线规模大，占据了国内的很大一部分市场。只是他们的设备价格高（国内同性能产品大约是其价格的1/5左右），这才使国内厂家有了
9、一定的市场发展空间。国内感应加热方面从地域上还分“南派”和“北派”技术和产品方面的竞争。“南派”的代表有振吴、四达、兆力等公司；“北派”是以西安市感应加热的公司为代表，这些厂家中比较有影响的有西安博大电炉有限公司、西安电炉研究所有限公司、西安鹏远重型电炉厂、西安机电研究所、陕西海意、西安自动化和华立等。(徐先泽 肖雅静 时千峰.文.感应加热技术的应用及发展)感应加热电源的发展趋势(1)从电路的角度，感应加热电源的大容量化技术分两类：一是器件的串并联：二是多台电源的串并联。在器件的串并联方式中，必须处理好串联器件的均压问题和并联器件均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串并联数目
10、，且装置的可靠性和串并联数目成反比。多台电源的串并联技术是在器件串并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串并联运行方式得到大容量装置 ，每台单机只是装置的一个单元串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源。当两电压源并联时，相互间的幅值，相位和频率不同或波动时将导致很大的环流， 以致逆变器件的电流产生严重不均。因此，串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大，电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC 或 DC/DC 环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差 达到多机并联扩容。目前，感应加热电源
11、在中频段主要采用晶闸管，超音频段主要是IGBT,而高频段，随着MOSFET和IGBT性能不断改进，SIT将失去存在价值感应加热电源谐振逆变器可实现软开关，但由于通常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是高频电源.（章亦葵，姜土林.200kHz/75kW SIT 高频感应加热电源的研制.工业加热，1996)(3)感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁，冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接，表面热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和
12、负载感应器，对高频，超音频电源用的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的效率从磁性材料选择到绕组的设计已成为一重要课题。(吴兆麟.高频感应加热装置的负载匹配方法.电力电子技术，1999）另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二个无源元件，以代替匹配变压器实现高效，低成本隔离匹配。(4)随着感应热处理生产线自动化程度及对电源高可靠性要求提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。（Khan.1, Africon.Automatic frequency control of an induction furnace 1999 IEEE）中频炉的冷却方式中频炉的冷却方式多种多样，并且
13、随着中频炉的发展而发展。发展初期，中小功率的中频炉一般采用水池+水泵的开放式冷却系统。由于中频电源内的元器件和补偿电容器的冷却水管道比较细，为了防止结垢堵塞管道，出现了使用软化水或纯净水的闭路循环冷却方式，现在中频电源和补偿电容器多采用封闭冷却塔方式冷却。(潘天明. 现代感应加热装置. 北京：冶金工业出版社， 1996)中频炉炉体的感应线圈工作时会产生大量的热量，但因感应圈内径较粗不易发生堵塞，炉体冷却水温度可以略高，这样反而能够提高电炉的热效率，同时减小冷却装置的体积，可以采用带冷却塔敞开式循环冷却系统，也可以采用封闭式冷却塔。由于封闭式和敞开式双重冷却系统运行可靠、所需费用较低因此应用的也
14、较多。（李万青，严增男，张鹏程，何永亮，刘新峰.文.中频炉冷却水的温度、压力监测方法分析）炉衬厚度监测提高感应电炉炉衬的使用寿命，增强炉衬安全系数是电炉厂家和电炉用户都关心的课题。目前国内多采用目测及经验法确定炉衬是否修补或重筑，这样常常会造成不必要的浪费或系统带故障运行，存在安全隐患。在保护方面多采用接触式漏炉报警装置，对漏炉事故及时报警并进行相关动作。这种装置的缺点是由于需要在炉底及炉衬中埋设电极，给铸炉工作增加了许多困难；其次它容易受到感应电流干扰，产生误动作；再次它对炉衬发生大面积变薄事故不能够及时报警。而大面积炉衬变薄非常危险，如不能及时处理，发生大面积漏炉，造成感应圈或其他相关器件
15、爆炸等严重事故。配合接触式漏炉报警装置，现场也常采用非接触报警的一些方法，如通过电气参数监视、坩祸内壁尺寸监视等。这些方法方便实用，而其不用再另外添加设备，也不会增加铸炉工艺的困难。使用这些方法不仅需要操作人员具有丰富的现场经验，而且操作人员也不可能实时进行观察监视。如熔化过程中不能进行坩埚（炉衬）内壁的尺寸监视，工人也不可能实时观察。因此在现场它只作为辅助手段使用。三、设计方案的可行性分析和预期目标：可行性分析：（1）课题实施内容：“中频炉在线监测系统”主要完成中频炉在线检测，并把检测到的实时数据发送到监控中心。课题内容主要包括以下几部分： 检测模块：包括冷却系统的水温、水压和工作过程电压、
16、电流信号的变换； 主控制模块：PLC接收数据并完成指定操作； 人机界面模块：显示测量值和人为操控； 报警模块：具有炉衬、温度等报警功能； 通信模块：通过组态王软件实现。（2）课题的先进性及必要性：经中频电炉熔炼的铁水化学材质均匀、成份稳定。铸件材质的稳定性对铸件的使用性能和切削性能有很大的影响，而影响材质稳定性的因素主要有铁水的氧化夹杂物、化学成份、含气量、孕育处理。冲天炉熔炼时化学成份不稳定，氧化夹杂质多、孕育量很难掌握，含气量较高，不能够满足熔炼高品质铁水的要求。经中频电炉熔炼的铁水温度恒定，氧化程度较低，含气量也低。由于电炉加热系统可实现自动调节，根据工艺要求进行温度上的调整，可保证浇注、孕育过程中温度的稳定，铸件中的缺陷会减少。中频电炉熔炼的铁水材质好，可减少铸件打压渗漏率，材质物理、机械性能稳定。铁水经中频电炉熔炼后，可降低机体、缸盖铸件打压渗漏率，改善机械加工的性能，避免铸件产生硬度不均匀的现象。冲天炉熔炼己经不能大批量的生产高质量的机体、缸盖铸件。采用中频电炉熔炼迫在眉捷（3）课题的可行性：
