Presentación Horno de Inducción 2011

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Presentación de tesis de grado para optar por el titulo de ingeniero electrónico en la universidad nacional experimental antonio josé de sucre vice-rectorado Puerto Ordaz.

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  1. 1. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ Departamento de Ingeniería Electrónica PRÁCTICA PROFESIONAL DE GRADO TUTOR ACADEMICO: AUTOR:ING. Di Cesare Máximo BR. Bompart Romy TUTOR INDUSTRIAL: ING. Rodríguez Fidias Puerto Ordaz, Noviembre del 2011
  2. 2. • Introducción• El problema• Objetivos• La empresa – Descripción del área de la pasantía• El prototipo – Diseño – Construcción – Resultados• Conclusiones• Recomendaciones
  3. 3. • Una de las metas existentes en el camino al desarrollo tecnológico es la adquisición del ¿saber cómo?. En este sentido se inicia el proyecto de investigación sobre el diseño y construcción de un prototipo de horno de inducción, para sentar las bases sobre el diseño de calentadores de inducción, que permita la adquisición de experiencia sobre esta tecnología para futuras aplicaciones practicas.• Este proyecto se alinea con los objetivos del proyecto Simón Bolívar, ya que éste se orienta hacia la adquisición y empoderamiento de la tecnología, llevándonos hacia el camino de la independencia tecnológica.
  4. 4. El proceso de transformación de alúmina a aluminio líquido se lleva a cabo en CVG VENALUM. Para su producción, se fija una corriente eléctrica• quedeterioro de losun proceso de reducción El a través de sifones, causado por el electrolítica, disocia limpieza del aluminio método actual de las partículas de alúmina (Al2O3), produciendo aluminio líquido (Al2). solidificado en su interior. Se extrae una cantidad establecida de aluminio de cada celda, usando un crisol con succión negativa. Para llegar hasta el lametal líquido,unse el cual Es necesario realizar la implementación de de inducción para calentador limpieza de los sifones, emplea un sifón elpermitirá fundir el metal sólido dentro del cual se obstruye. mismo, conservando la integridad de la herramienta de succión.
  5. 5. • Construir un prototipo de horno de inducción para la fusión de piezas de aluminio.
  6. 6. • La industria Venezolana del Aluminio C.A. (C.V.G. VENALUM), se constituyó el 29 de Agosto de 1.973, con el objeto de producir aluminio primario.• Fue inaugurada, oficialmente, el 10 de Junio de 1.978. Actualmente es una empresa con 80% de capital venezolano.• C.V.G. VENALUM está ubicada en la zona Industrial Matanzas en Ciudad Guayana, urbe creada por decreto presidencial el 2 de Julio de 1961 mediante fusión de Puerto Ordaz y San Félix.• C.V.G VENALUM tiene como misión producir y comercializar productos de aluminio con participación protagónica de sus trabajadores, accionistas, clientes, proveedores y comunidad organizada, bajo un sistema de gestión que garantice productividad, calidad integral, seguridad, salud y conservación del ambiente a fin de impulsar el Desarrollo Endógeno Industrializante del país.• C.V.G. VENALUM tiene la visión de avanzar en el posicionamiento competitivo como país productor de Aluminio consolidándonos a nivel nacional en Guayana y después del petróleo, como el sector industrial con mayor contribución al crecimiento económico del país a través de la producción y comercialización de un producto con un alto valor agregado.• Incrementar la rentabilidad de la empresa produciendo aluminio primario, en términos de calidad, oportunidad y costos según los requerimientos de consumo o comercialización nacional e internacional.
  7. 7. • La Gerencia de Investigación y Desarrollo es una entidad que brinda apoyo a toda la empresa en desarrollo, ingeniería, diseño e investigación aplicada, adscrita a la Presidencia de Venalum. Presidencia• La celda V-350, desarrollada por el grupo de Investigación y Desarrollo de CVG-Venalum, es una celda de reducción electrolítica de alto amperaje, diseñada para operar en un rango de amperaje entre 300 kA y 350 kA. Gerencia de• Este sistema de control fue desarrollado completamente en el Centro de Investigación y Investigación y Desarrollo de Desarrollo. CVG Venalum. El sistema de control usa tecnología de última generación, microprocesadores y dispositivos de E/S, que permiten ampliaciones de capacidad y/o reemplazo sin mayores Departamento efectos sobre el software. Centro de• Cabe destacar, la facilidad de cambios y/o incorporación de nuevos Información. algoritmos de control sin la necesidad de interrumpir la ejecución del control de celdas. División División División• Los resultados operativos Tecnología Colada la celda V-350 muestran su Tecnología logrados por Tecnología destacadoReducción rendimiento que compite con cualquiera de las tecnologías de Reducción Carbón aluminio de referencia mundial.
  8. 8. Control D. Cruce PLL por cero DRIVER Control de IGBT Corriente Circuito C1 Ctanque Tanque FUENTE INVERSOR PIEZA CA DC/AC220Vac Bobina de R1 Inducción Transformador
  9. 9. • Potencia del prototipo, de acuerdo a la energía necesaria para fundir la pieza.• Frecuencia de trabajo, optimizando el proceso de calentamiento.• Diseño del circuito tanque.• Transformador de núcleo de ferrita.• Circuito de control y monitoreo.
  10. 10. C. Tanque Transformador F. Potencia C. conmutación Inversor IGBT C.C CorrienteF. Circuitos C. PLL C. Monitoreo
  11. 11. Prueba 1 Prueba 2 Medida Ciclo Util. Medida de Temperatura. (Promedio) Prueba (Promedio) Error abs. Error abs. Micro FLUKE Micro Termo. 1 98,8% 78,2% 20,6% 26,8°C 27,5°C 0,7°C 2 97,8% 79,4% 18,4% 26,8°C 27,5°C 0,7°C
  12. 12. 2,5cm 10cmVoltaje de Entrada Voltaje del Corriente en el Temperatura de la en la fuente. Transformador transformador pieza 24VDC 12Vp 500mA. 27,5°C * 50VAC~73VDC 36Vp 2A. 27,5°C *
  13. 13. Prueba 4 a 110Vac y 220Vac
  14. 14. Prueba 4, a 110VAC 2,5cm 5cmTransformador Circuito Pieza de salida Tanque 46:1 1:9
  15. 15. Prueba 4, a 220VACSegún los cálculos, la corriente suministrada por el inversor debe ser de 5 A.Pero según la proyección, que da el experimento anterior, la corrientealcanzará 4,62 A. Finalmente el resultado experimental fue de 4A Prueba Voltaje de Entrada Voltaje del Corriente en el Temperatura de en la fuente. Transformador transformador la pieza 3 135VAC~190VDC 100Vp 0,8A. 120°C 135VAC~190VDC 100Vp 2,72A. 235°C 4 220VAC~330VDC 170Vp 4A. 450°C Medida frecuencia. Medida de Temperatura. (Promedio) (Promedio) Prueba Error abs. Error abs. Micro Osciloscop Micro Termo. io 3 30Khz 27,78Khz 2,72% 120,9°C 120,5°C 0,4°C 31Khz 27,78khz 3,22% 235,8°C 235,2°C 0,6°C 4 31Khz 27,78khz 3,22% 450,1°C 449,8°C 0,3°C
  16. 16. Prueba 5 Ii Io + + Vi R Vo - - n:1 Se propone utilizar 11 vueltas menos en el transformador, dando como resultado un transformador de 35 vueltas, incrementando la potencia en 1,72 veces y la corriente de entra 1,31 veces.
  17. 17. Prueba 5 La corriente en el inversor es de 6 A pico. Disipando en la pieza 1Kw aproximadamente. La fusión de la pieza se dio a los 6 minutos de haber encendido el sistema, por lo tanto, la energía que se transfirió a la pieza fue de 367,2KJ. Demostrando, que las pérdidas por radiación deben ser tomadas en cuenta, ya que la energía es casi 6 veces mayor que la calculada para la fusión de la pieza.
  18. 18. Equipo Consumo en Watts. Tiempo de uso en minutos/unidad Prototipo construido. 1000 6 Máquina de coser. 100 60 Bomba de agua ½ HP. 440 80 Tostadora. 500 5 Plancha 1000 10 Horno microondas 1200 3 Horno eléctrico. 2200 60 Lavarropas automático. 2250 30Modulo Precio (bsf) 15/11/2011Fuente de Potencia 211,76Inversor 53,922Circuito Tanque 1099,173Circuito de control 104,75Fuente de alimentación 271Circuito de conmutación 54,51Total 1795,115
  19. 19. • Las pérdidas por radiación son importantes y no puede ser despreciadas al diseñar el sistema.• El uso de material refractario en las paredes de la bobina inductora, acelera el tiempo de calentamiento, mejorando el rendimiento, por la reducción de las pérdidas por radiación y convección.• Se debe tener cuidado con la saturación de los núcleos para entregar la potencia necesaria.
  20. 20. • Es recomendable el uso de IGBT con mayor capacidad de manejo de corriente para lograr menor tiempo de fusión de la pieza.• En caso de usar una termocupla para la medición de la temperatura en la pieza, se recomienda que ésta esté recubierta de un material aislante y resistente al calor, para evitar daños en la misma.• Se debe apagar primero la fuente de potencia, para que la energía que conmute el inversor sea nula, con el fin de desactivar el sistema en modo seguro.
  21. 21. Ver video1, video2 yvideo3
  22. 22. • Energía para elevar la temperatura hasta 660°C• Energía para cambiar a estado líquido• Energía total y potencia estimada. Volver
  23. 23. El aumento de la frecuencia, aumenta el efecto decalentamiento (explicado por el efecto Joule).La frecuencia de corte, es la que aporta el punto de referencia en la elección de lafrecuencia, ya que esta indica, el rango de frecuencia que optimiza el calentamientopor inducción.Para frecuencias mayores a 486,22Hz, la corriente inducida estará haciendo que laprofundidad de penetración (δ), sea 4,5 veces menor que el diámetro (d) de la pieza.Por tanto, el concepto de profundidad de penetración es aplicable. Volver
  24. 24. Diseño de la bobina inductora Banco de Bobina de Condensadores InducciónFlujo de Agua. N vueltas. Inductancia Corriente Diámetro Altura Transformador 9,5 2,6944μH 229,38A 5,5cm 10cm Toroidal. *3,6534uH Diseño del banco de condensadores Volver I
  25. 25. La idea es generar una corriente de 229 A en el banco decondensadores, con una frecuencia mayor a la frecuencia de corte. Volver
  26. 26. PLL, corrige la frecuencia de conmutación del inversor, para mantener la fase de lacorriente y el voltaje, en el circuito tanque.
  27. 27. Control de ciclo Útil, brinda seguridad en el rango de corriente que suministrael inversor. 2.0V 0V -2.0V V(U3A:+,0) V(CircuitoInversor) V(U2A:OUT,0) V(Vref:+,0) 20V 10V 0V SEL>> -10V 200us 300us 400us 500us V(R16:1,0) Time
  28. 28. Monitoreo, informa al usuario sobre algunas variables como: Frecuencia delInversor, SG3524 y circuito tanque. Ciclo útil del inversor, temperatura de labobina, etc. Guardar en *Nota: La Incio Conversión A/D Interrupción 1seg. 1 posición frecuencia correspondiente. capturada Apagar fuente y IncrementarConfiguración de *Capturar LCD depende del activar relé para Deshabilitar de datos SI cantidad Botones canal que se interrupciones, GRAFICA Frecuencia. Guardar en la guardados en la periféricos y cortocircuitar cualquier eeprom seleccione del interrupción. eempron interna multiplexor. puertos. resistencias Señales Visualizar SI Guardar en Señales NOLeer de la eeprom Leer dato variable Frecuencias USB 2.0 de losinterna la cantidad convertido de Frecuencia de correspondiente Voltajes de datos canales A0 – A3. Salida PIC entrada Cambio de NO guardados en la Guardarlos en NO pantalla? 1EEPROM externa. variables. EEPROM RTR Visualizar SI Leer botones Cambiar pantalla Fin conversión A/D NO Conversión A/D Fin interrupción según el menu SI 1seg. seleccionado. Volver
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