Исследование и разработка трехфазного индуктора для нагрева цилиндрических заготовок в поперечном магнитном поле



Скачать 252.43 Kb.
НазваниеИсследование и разработка трехфазного индуктора для нагрева цилиндрических заготовок в поперечном магнитном поле
Никитина Екатерина Александровна
Дата05.03.2013
Размер252.43 Kb.
ТипИсследование
источник



На правах рукописи


Никитина Екатерина Александровна


ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТРЕХФАЗНОГО ИНДУКТОРА

ДЛЯ НАГРЕВА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК

В ПОПЕРЕЧНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ


Специальность 05.09.10 – Электротехнология


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Самара – 2011

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет».


Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

^ Данилушкин Александр Иванови

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор

Рапопорт Эдгар Яковлевич


кандидат технических наук

^ Сорокин Алексей Григорьевич

Ведущая организация: Саратовский государственный

технический университет (г. Саратов)


Защита состоится 21 декабря 2011 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4А.


Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, Главный корпус на имя ученого секретаря диссертационного совета
Д 212.217.04; тел.: (846) 242-36-90, факс (846) 278-44-00; e-mail:
aleksbazarov@yandex.ru.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18).


Автореферат разослан ноября 2011 г.



Ученый секретарь диссертационного
совета Д 212.217.04
доктор технических наук, доцент

А.А. Базаров



^ Общая характеристика работы

Диссертация посвящена разработке и исследованию энергоэффективной индукционной установки для нагрева цилиндрических заготовок в линиях горячей обработки металла на деформирующем оборудовании.

Актуальность проблемы

Практически во всех отраслях промышленности находят широкое применение индукционные системы для преобразования электромагнитной энергии в тепловую. Опыт применения индукционных установок для технологического нагрева заготовок в линиях горячей обработки металла показывает, что они являются перспективными по ряду важнейших признаков. Они надежны и безопасны и позволяют легко осуществить автоматическое управление процессом нагрева. Компактность индукционных нагревателей позволяет размещать их непосредственно там, где требуется нагрев, тем самым исключая потери тепла при транспортировке нагреваемого изделия к деформирующему оборудованию.

В то же время разнообразие форм индукционных нагревателей, которые могут быть использованы для технической реализации одной и той же задачи, приводит к необходимости решения ряда специфических проблем. Выбор конструктивного исполнения диктуется требованиями, предъявляемыми к нагревателю конкретным технологическим процессом, условиями работы, уровнем рабочих температур, производительностью, энергоэффективностью и т.д.

Известные конструктивные решения для мощных индукционных нагревательных установок, работающих на промышленной частоте, представляют собой многосекционную трехфазную систему индукторов и не обеспечивают симметричную нагрузку фаз даже при полном равенстве собственных сопротивлений отдельных секций трехфазного нагревателя.

Это приводит к ухудшению качества электроэнергии в системе электроснабжения даже при симметричной питающей трехфазной системе. Устранить или уменьшить несимметрию токов можно при помощи специальных симметрирующих устройств. Однако, по технико-экономическим параметрам применение их может оказаться нецелесообразным, так как мощность индукционных нагревателей в процессе нагрева может существенно изменяться вследствие изменения внутреннего сопротивления колебательного контура системы «индуктор – металл».

Предлагаемая в работе конструкция индукционного нагревателя, особенностью которой является выполнение индуктора с замкнутым цилиндрическим магнитопроводом в форме статора трехфазного асинхронного двигателя, обеспечивает симметричную нагрузку фаз питающей сети.

Однако, реализация предлагаемой конструкции нагревателя требует решения ряда новых задач, связанных с исследованием электромагнитных и тепловых полей сложной системы, включающей замкнутый магнитопровод, катушки индуктора, футеровку и нагреваемый металл. Для решения поставленных задач требуется привлечение теоретических знаний в области электромагнетизма, теории теплопроводности, вычислительной математики, а так же выполнение большого объема численных экспериментов. Кроме того, при проектировании новой конструкции индукционного нагревателя необходимо учитывать большое количество факторов, от которых зависят его эксплуатационные качества. Применение известных инженерных методик расчета индукционных нагревателей цилиндрических заготовок в продольном магнитном поле для решения поставленной задачи не представляется возможным.

В связи с этим разработка математических моделей, максимально учитывающих особенности предлагаемой конструкции индукционного нагревателя, учет нелинейностей при моделировании взаимосвязанных электромагнитных и тепловых процессов и выработка рекомендаций по улучшению технико-экономических и эксплуатационных показателей нагревательных комплексов в целом имеет большое значение и является актуальной.

Автор является исполнителем фундаментальной госбюджетной НИР «Исследование закономерностей энергоэффективных процессов теплообмена с внутренними источниками энергии», гос. регистрация № 01201152842, в рамках которой проводились исследования по теме диссертации.

Полученные в работе теоретические закономерности и практические результаты использованы:

  • при выполнении фундаментальных НИР «Создание математических моделей взаимодействия электромагнитных и тепловых полей в пространственно распределенных объектах» (№ г.р. 01200951711); «Разработка теоретических основ системного анализа и методов нетрадиционной реализации взаимосвязанных процессов энергообмена в электромагнитных и температурных полях» (№ г.р. №01200602849), «Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева» (№ г.р. №01200208264) и гранта РФФИ «Разработка методологии оптимального проектирования физически неоднородных объектов электротермических производств по системным критериям качества» (№ г.р. 01200602849).

Объект исследования – трехфазный индукционный нагреватель для сквозного нагрева цилиндрических заготовок в поперечном магнитном поле.

Цель работы

Основная цель диссертационной работы состоит в решении научно–технической задачи по разработке и исследованию новой конструкции индукционной системы для сквозного нагрева цилиндрических заготовок на основе выявленных закономерностей электромагнитных и тепловых процессов и разработке инженерной методики расчета интегральных параметров индуктора.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

– Анализ существующих методов моделирования электромагнитных и тепловых процессов в системе «индуктор–металл»;

– Разработка математических моделей взаимосвязанных электромагнитных и тепловых полей для анализа процессов теплообмена в сложной составной структуре тел, включающих трехфазную систему катушек, замкнутый магнитопровод, футеровку, металл;

– Разработка на основе предложенных математических моделей вычислительных алгоритмов, специального математического и программного обеспечения для реализации метода расчета электромагнитных и тепловых полей в системе;

– Разработка методики расчета и рекомендаций по выбору конструктивных и режимных параметров, обеспечивающих при заданных характеристиках нагрева повышение энергоэффективности нагревательной установки в целом.

Методы исследования

Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, теории электромагнитного поля, численные методы решения полевых задач, методы компьютерного моделирования.

Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

  • численная математическая модель взаимосвязанных электромагнитных и тепловых процессов при нагреве цилиндрической заготовки в поперечном магнитном поле трехфазного цилиндрического индуктора, проблемно ориентированная на решение задачи проектирования энергоэффективной конструкции индукционного нагревателя нового типа;

  • методика последовательного расчета электромагнитных и тепловых полей в сложной цилиндрической индукционной системе с замкнутым магнитопроводом, использующая обмен информацией между тепловой и электромагнитной задачами в виде аппроксимирующих выражений для распределений температуры и магнитной проницаемости, отличающаяся учетом магнитных масс индуктора и температурной зависимости магнитных свойств загрузки;

  • методика оптимального проектирования конструктивных и режимных параметров новой конструкции индукционной системы, отличающаяся тем, что для повышения точности расчета и снижения объема вычислений она частично содержит элементы методики расчета электрических машин.

Полученные в работе результаты позволяют решать инженерные задачи расчета конструктивных параметров индукционных нагревательных установок в технологических комплексах горячей обработки металла на деформирующем оборудовании.

Практическая полезность работы. Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

– построен и реализован на ЭВМ комплекс программ расчета взаимосвязанных электромагнитных и тепловых полей при сквозном нагреве цилиндрических заготовок в поперечном магнитном поле;

– разработана инженерная методика расчета конструктивных параметров трехфазной индукционной установки для нагрева заготовок цилиндрической формы;

– разработаны рекомендации по проектированию новой индукционной системы для установок технологического нагрева.

Результаты исследований внедрены:

–в научно–исследовательской работе в виде алгоритмического и программного обеспечения при исследовании электромагнитных и тепловых полей и в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности «Электротехнологические установки и системы».

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011); на XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, г. Алушта, 2008); на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XV Бенардосовские чтения) (г. Иваново, 2009); на Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2009, 2010); на Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2009, 2010, 2011); на Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009; на Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП)» (г. Бийск, 2010, 2011); на Международной научно-технической конференции «Автоматизация. Проблемы, идеи, решения (АПИР)» (г. Тула, 2010); на Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (г. Ставрополь, 2010); на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (г. Одесса, 2010, 2011); на Всероссийской научно-практической конференции (с участием стран СНГ) «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (г. Новокузнецк, 2011); на Уфимской международной конференции «Комплексный анализ и дифференциальные уравнения» (г. Уфа, 2011); на Международной молодежной конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (РЭЭиЭ)» (г. Томск, 2011); на Международной заочной научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (г. Чита, 2011).

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 30 печатных работ, 4 из которых в изданиях из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 143 страницах машинописного текста; содержит 63 рисунка и 7 таблиц, список использованных источников, включающий 101 наименование и 1 приложение.

На защиту выносятся следующие положения:

– Математические модели взаимосвязанных электромагнитных и тепловых процессов при нагреве ферромагнитной цилиндрической заготовки в поперечном магнитном поле трехфазного индуктора.

– Алгоритм и вычислительная технология реализации метода последовательного расчета электромагнитных и тепловых полей в сложной цилиндрической индукционной системе с замкнутым магнитопроводом, использующая обмен информацией между тепловой и электромагнитной задачами в виде аппроксимирующих выражений для распределений температуры и магнитной проницаемости, отличающаяся учетом магнитных масс индуктора и температурной зависимости магнитных свойств загрузки.

– Результаты теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных и тепловых полей.

  • Методика оптимального проектирования конструктивных и режимных параметров новой конструкции индукционной системы, отличающаяся тем, что она частично содержит элементы методики расчета электрических машин, позволяющие повысить точность расчета и снизить объем вычислений.

– Рекомендации по проектированию новой конструкции трехфазного индуктора для нагрева ферромагнитной цилиндрической заготовки в поперечном магнитном поле.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель и основные задачи работы, характеризуется новизна и практическая значимость полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

^ В первом разделе приводится обзор научных работ в области разработки математических моделей процессов индукционного нагрева изделий, ориентированных на задачи проектирования конструктивных и режимных параметров индукционных установок в линиях горячей обработки металла.

Выполнен анализ существующих конструкций индукционных установок для сквозного нагрева металла. Показано, что все известные конструктивные решения трехфазных индукционных установок для сквозного нагрева на промышленной частоте имеют один общий недостаток – наличие несимметричной составляющей напряжения вследствие переноса мощности из одной фазы в другую.

Предлагаемая в работе новая конструкция индукционного нагревателя обеспечивает полную симметрию нагрузки, однако, требует разработки новой методики проектирования, основанной на численных методах, что обусловлено наличием сложной конфигурации элементов индукционной системы и нелинейными зависимостями электрофизических и теплофизических свойств металла от температуры.

Во втором разделе рассматриваются электротепловые модели, ориентированные на исследование электромагнитных и тепловых процессов в системе «индуктор – металл» и проектирование на этой основе конструкции индукционного нагревателя нового типа, содержащего, в отличие от существующих аналогов, замкнутый цилиндрический магнитопровод и трехфазную обмотку, расположенную в пазах магнитопровода.

Геометрическая модель исследуемой индукционной системы представлена на рис.1




Рис. 1. Геометрическая модель исследуемой установки

1 - магнитопровод индуктора; 2 - воздушный зазор; 3 - футеровка;

4 – изоляция; 5 - нагреваемое изделие; 6 – обмотка индуктора


Так как индуктор нагревательной установки выполнен в виде статора асинхронной машины, её с некоторым допущением можно рассматривать как асинхронный двигатель с массивным ротором, работающий в режиме короткого замыкания. Известно, что любая электрическая машина является системой взаимно перемещающихся контуров тока с распределенными параметрами. Наиболее распространенный способ математического моделирования процессов в такой системе – это представление её в виде электрической цепи с сосредоточенными параметрами – схемы замещения. Однако, в исследуемом объекте при таком аналитическом расчете некоторые параметры магнитной цепи и схемы замещения не могут претендовать на точность уже по причине большого воздушного зазора между заготовкой и индуктором, так как это не характерно для асинхронных машин. Кроме того, схемы замещения удобно использовать при расчете интегральных параметров, например, момента, но не для определения распределенных источников тепла. Это в очередной раз подчеркивает неприемлемость аналитического расчета для электромагнитной задачи.

В общем случае процесс нагрева рассматриваемого класса объектов описывается нелинейной взаимосвязанной системой уравнений Максвелла и Фурье соответственно для электромагнитного и теплового полей с соответствующими краевыми условиями:

(1)

Здесь , , - векторы напряженности магнитного и электрического полей и магнитной индукции; - удельная электропроводимость; T - температура; - время; - компоненты тензора теплопроводности (теплопроводность как функция температуры представляется кубическим сплайном); - удельная мощность тепловыделения (в линейной постановке - константа, в нелинейной постановке - задаваемая кубическим сплайном в функции температуры); - удельная теплоемкость (в нелинейном случае это функция температуры, аппроксимированная кубическими сплайнами); - плотность, - угловая координата.

Система уравнений (1) дополняется граничными условиями для электромагнитной задачи: используются условия равенства функции нулю на бесконечно удаленной границе и условие симметрии на осевой линии , которое заключается в равенстве нулю производной от функции.

Для тепловой задачи используется более широкий спектр граничных условий – от граничных условий второго рода до теплообмена между соприкасающимися телами (граничное условие четвертого рода).

При решении нелинейных уравнений электромагнитного поля основную кривую намагничивания B(H) аппроксимируют аналитическими выражениями, которые, с одной стороны, должны достаточно точно описывать эту кривую, а с другой - допускать интегрирование системы уравнений поля в удобном для расчетов виде. Наибольшее распространение получила параболическая зависимость B(H). Однако, сложная структура исследуемой системы «индуктор – нагреваемое изделие», содержащая ряд конструктивных элементов сложной геометрической формы с различными физическими свойствами, не позволяет с достаточной для практики точностью использовать аналитические методы решения.

Решение задачи электромагнитного поля более удобно при использовании векторного магнитного потенциала {^ A} и скалярного электрического потенциала V, которые выражаются следующим образом:


(2)

(3)

В трехмерной постановке решение краевой задачи расчета магнитного поля в изотропной среде в терминах векторного магнитного потенциала эквивалентно минимизации энергетического функционала:



(4)

Решение задачи осуществляется методом конечных элементов с использованием итерационных процедур. Краевые условия вида Дирихле учитываются путем принудительного исключения столбцов и строк глобальных матриц, относящихся к узлам дискретной системы, лежащих на удаленных границах.

Мощность внутренних источников тепла, характеризующих нагрев проводящих тел индукционной системы, вычисляется для каждого элемента по закону Джоуля-Ленца:

, (5)

где - удельная электропроводность, - величина, сопряженная к .

Для учета нелинейной зависимости в ферромагнитных областях используется итерационный алгоритм решения результирующей системы уравнений. Определение магнитной проницаемости производится в разных программных средствах с помощью введения в программу расчета полинома, аппроксимирующего кривую намагничивания, или путем введения кривой намагничивания с последующей аппроксимацией средствами самой программы. По результатам решения электромагнитной задачи получены функции распределения внутренних источников тепла в нагреваемом цилиндре вида

, (6)

где , , –соответственно угловые размеры участков заготовки, находящихся под индуктирующим проводом и под зубцовой зоной магнитопровода, , , – функции распределения мощности внутреннего тепловыделения по радиусу, по окружности и по длине заготовки соответственно, – мощность внутренних источников тепловыделения в заготовке.

Исходная математическая модель нестационарной теплопроводности составного объекта представлена системой дифференциальных уравнений в частных производных вида:





(7)


, , (8)



, . (9)


соответственно для цилиндрической заготовки (7), футеровки (8) и магнитной системы индуктора (9). Граничные условия на боковой поверхности цилиндрической заготовки имеют вид:



, (10)

на торцевых поверхностях заготовки



. (11)

Здесь , , – температурные распределения соответственно в цилиндрической заготовке, футеровке и магнитопроводе индуктора, – температура воздуха, - радиальная, аксиальная и угловая координаты системы, – время процесса, , , , , – коэффициенты температуропроводности и теплопроводности материалов заготовки, футеровки и магнитопровода соответственно, , – степень черноты материала загрузки, , , , – соответствующие радиусы поверхности заготовки, внутренней поверхности футеровки, поверхности сопряжения футеровки и индуктора и внешней поверхности магнитопровода индуктора, – источники внутреннего тепловыделения в нагреваемой заготовке.

Решение тепловой задачи выполнено методом конечных элементов (МКЭ), который дает возможность достаточно точно учитывать все нелинейности путем изменения всех нелинейных величин с каждым шагом по времени, а также задать сложную геометрию нагреваемого изделия.

Геометрическая модель заготовки выбрана плоской и соответствует геометрии электромагнитной задачи. Разбиение на блоки производилось таким образом, чтобы максимально реально возможно было перенести данные из электромагнитной задачи (толщина колец выбиралась соответствующей глубине проникновения тока, радиальное деление осуществлялось из условия разной величины тепловыделения под пазами индуктора и под зубцами). В качестве источников тепла задавалась объемная плотность тепловыделения для каждого блока, что соответствует объемным источникам тепла внутри каждого блока.

^ В третьем разделе приведены результаты исследования электромагнитных и тепловых полей в элементах индукционной системы. На основе предложенной в главе 2 математической модели разработан алгоритм расчета электромагнитных и тепловых полей с использование программного комплекса ELCUT 5.6 Professional.

Экспериментальные исследования температурных и электромагнитных полей проведены для стальной цилиндрической заготовки с параметрами: материал Ст45; диаметр заготовки 140 мм; длина 300 мм; частота 50 Гц.

Анализ проведен по интегральным и локальным величинам.

Анализ магнитного поля переменных токов состоит в расчете электрического и магнитного поля, возбужденного приложенным переменным синусоидально изменяющимся во времени током.

Основными результатами расчета электромагнитной задачи для системы индукционного нагрева являются распределение магнитной индукции в элементах системы, напряженности поля, картины плотности тока, плотности мощности. На рис. 2–4 приведены результаты расчета электромагнитной задачи – графики распределения плотности полного тока и тепловыделения по радиусу заготовки под пазом и под зубцом магнитопровода, по контуру окружности на поверхности заготовки. На горячей стадии нагрева распределение плотности тока по радиусу заготовки существенно изменяется, что наглядно демонстрирует график, приведенный на рис.5.







Рис.2. График распределения

плотности полного тока

Рис. 3. График распределения

мощности тепловыделения



Рис. 4. График распределения тепловыделения по контуру окружности

на поверхности заготовки




Рис. 5. График распределения плотности полного тока

по радиусу заготовки на «холодной» и «горячей» стадии нагрева

Полученные результаты распределения объемной мощности тепловыделения используются далее для расчета температурных распределений в элементах индукционной системы.

Тепловая задача формулируется как задача расчета температурного поля (нестационарная теплопередача). При решении тепловой задачи использовалось уравнение теплопроводности вида:

, (12)

где T – температура; t – время; q - удельная мощность тепловыделения, задаваемая кубическим сплайном функция температуры; - удельная теплоемкость, задаваемая кубическим сплайном как функция температуры.

Геометрическая модель заготовки соответствует геометрии электромагнитной задачи. Разбиение на блоки производилось таким образом, чтобы была обеспечена полная аналогия моделей обеих задач для передачи данных из электромагнитной задачи в тепловую. Для сетки конечных элементов задавался автоматический шаг дискретизации. Результаты расчета температурного поля при нагреве ферромагнитной цилиндрической заготовки до температур пластической деформации в трехфазном индукторе приведены на рис. 6—9. Характер кривой распределения температуры по контуру поверхности заготовки (рис.9) соответствует характеру распределения источников внутреннего тепловыделения, приведенному на рис. 4, и объясняется различной мощностью нагрева под индуктирующим проводом и под зубцом магнитопровода. Неравномерность температурного распределения по окружности заготовки (рис.6) наблюдается только на расстоянии от поверхности, соответствующем глубине проникновения тока в металл. С приближением к центру изотермы принимают вид концентрических окружностей с центром, совпадающим с осью симметрии заготовки.





Рис. 6. Изотермы теплового поля заготовки

Рис. 7. Распределение теплового потока

по радиусу заготовки под пазом



Рис. 8. Температурное поле футеровки

на участках под пазом и под зубцом




Рис. 9. Распределение температуры по контуру поверхности заготовки


^ В четвертом разделе разрабатывается методика расчета параметров индуктора на основании заданных технологических и энергетических требований, и рекомендации по оптимальному проектированию конструктивных параметров индукционной системы, обеспечивающей максимальный КПД системы при достижении требуемого по технологии температурного распределения по объему изделия за заданное время.

^ Постановка задачи проектирования — задача на максимум общего КПД.

Для объекта, описываемого уравнениями вида

;

; ;

;

; ;

; (13)

; ; ,

требуется обеспечить максимальное значение общего коэффициента полезного действия

, (14)

где - электрический КПД:



,

, ,

- тепловой КПД:

,

, - соответственно удельные сопротивления материала катушки индуктора и металла заготовки; – ширина паза, – ширина зубца, – высота паза,

при условии достижения за заданное время требуемого конечного температурного состояния

при наличии энергетических и технологических ограничений вида:

– удельная поверхностная мощность ;

– максимальный перепад температур по сечению заготовки в период нагрева в области упругих деформаций (на первой стадии нагрева) –;

– максимальная температура наиболее нагретой точки по сечению заготовки ;

– перепад температур между наиболее нагретой точкой и центром заготовки на выходе – ;

– максимальная индукция в магнитопроводе ;

– температура магнитопровода , ;

– ширина паза должна быть больше величины зазора между магнитопроводом и заготовкой , .

Варьируемые параметры

  1. Количество пазов (определяет степень неравномерности температур под пазом и зубцом и величину потока рассеяния в пазу);

  2. Соотношение ширины паза и зубца (максимальное значение магнитной индукции, максимальное сечение провода индуктора);

  3. Плотность тока в индукторе (j);

  4. Параметры футеровки: толщина (s), коэффициент теплопроводности материала футеровки .

Результаты расчета оптимальной конструкции индуктора:

диаметр заготовки – 175 мм

длина заготовки 750 мм

масса заготовки 141,6 кг

материал заготовки – 19ХГНМА

воздушный зазор 5 мм

толщина футеровки 20 мм

внутр. диаметр индуктора 225 мм

проводник: медь, 4 шинки 615 мм

трубка для охлаждения 1026 мм

частота 50 Гц

напряжение питающей сети – 380/220 В

КПД 79%

cos φ = 0,56

магнитная индукция в магнитопроводе 0,8 Тл

;

мощность (полезная) 160 924 Вт

мощность (полная) 231 020 Вт

мощность индуктора 359 630 ВА

Заключение

В диссертации разработаны модели, индукционного нагрева стальных изделий перед раскаткой в условиях вариации начального температурного распределения и условий теплообмена на различных стадиях технологического процесса.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана конечно–элементная модель взаимосвязанных процессов индукционного нагрева стальных ферромагнитных изделий в поперечном магнитном поле трехфазного индуктора. Предложенная модель используется для проектирования оптимальной конструкции индуктора, обеспечивающего симметричную нагрузку фаз сети и снижение энергозатрат при условии достижения требуемого температурного распределения по объему заготовки.

2. Предложен алгоритм расчета электромагнитных и температурных полей методом конечных элементов. Проведено исследование электромагнитных и тепловых полей при индукционном нагреве ферромагнитной цилиндрической заготовки до температур пластической деформации в поперечном магнитном поле трехфазного индуктора.

  1. Исследовано влияние основных параметров индукционной системы на конечное температурное распределение заготовки.

  2. Предложен алгоритм параметрической оптимизации конструктивных и режимных параметров индукционного нагревателя по критерию максимального общего кпд индукционной установки.

  3. Предложена конструкция трехфазного индуктора для нагрева ферромагнитных цилиндрических заготовок в поперечном магнитном поле.


^ Основное содержание диссертации опубликовано в работах

в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ:

  1. Никитина Е.А. Моделирование и расчет внутренних источников тепла в трехфазном индукторе с вращающимся магнитным полем [Текст] / А.А. Базаров, А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. Самара, 2009. - №2(24). – С. 120-127.

  2. Никитина Е.А. Стационарная модель температурного поля трехфазного индукционного нагревателя с вращающимся магнитным полем [Текст] / А.И. Данилушкин, В.А. Данилушкин, Е.А. Никитина // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. Самара, 2010. - №2 (26). – С. 140-146.

  3. Никитина Е.А. Повышение качества электроэнергии в системах электроснабжения кузнечных индукционных нагревателей промышленной частоты [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина, Е.М. Бойков // Электромеханика. Известия ВУЗов. Специальный выпуск «Электроснабжение» - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2009. – С. 35-36.

  4. Никитина Е.А. Исследование процессов индукционного нагрева ферромагнитной цилиндрической заготовки в трехфазном магнитном поле [Текст] / Е.А. Никитина // Научно-технический вестник Поволжья. Казань, 2011. - №5. – С. 222-229.

в прочих изданиях:

  1. Никитина Е.А. Решение задачи индукционного нагрева цилиндрического изделия в бегущем магнитном поле с помощью программного комплекса ELCUT [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина // Труды XII Междунар. конф. Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты. - Крым, Алушта, 2008. - С. 337.

  2. Никитина Е.А. Электромагнитная задача процесса индукционного нагрева ферромагнитной заготовки в бегущем магнитном поле [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина // Состояние и перспективы развития электротехнологии. Тез. докл. Междунар. науч.-технич. конф. (XV Бенардосовские чтения). Т. 1. - Иваново: ИГЭУ, 2009. - С. 7.

  3. Никитина Е.А. Математическая модель процесса индукционного нагрева ферромагнитной заготовки в бегущем магнитном поле [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина // Математическое моделирование и краевые задачи. Тр. шестой Всерос. науч. конф. с междунар. участием. Ч. 2. – Самара: РИО СамГТУ, 2009. – С. 42 – 45.

  4. Никитина Е.А. Индукционная система технологического нагрева крупногабаритных заготовок [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина // Проблемы управления и автоматизации технологических процессов и производств. Тр. Всерос. науч.-техн. конф., посвящен. 50-летию каф. «Автоматизация технологических процессов и производств». – Уфа: УГНТУ, 2010. – С. 132-133.

  5. Никитина Е.А. Моделирование процесса индукционного нагрева цилиндрического изделия во вращающемся магнитном поле [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП-2010). Матер. 7-й Всерос. науч.-техн. конф. – Бийск: Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 2010. - С. 41 – 44.

  6. Никитина Е.А. Система модального управления процессом индукционного нагрева цилиндрической заготовки [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина, С.В. Князев, А.В. Кожемякин // Вестник Тульского гос. универ. Автоматизация: Проблемы, идеи, решения. Матер. Междунар. науч.-техн. конф. «АПИР-15». Ч.2. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 173-178.

  7. Никитина Е.А. Энергоэффективная установка индукционного нагрева заготовок во вращающемся магнитном поле [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина // Современная наука: теория и практика. Матер. I Междунар. науч.-практ. конф. Т.1. Естественные и технические науки. – Ставрополь: СевКавГТУ, 2010. С. 191-194.

  8. Никитина Е.А. Моделирование процесса индукционного нагрева цилиндрического изделия в трехфазном магнитном поле [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина // Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте. Сбор. науч. трудов по матер. Международ. науч.-практ. конф. Том 3. Технические науки. – Одесса: Черноморье, 2011. – С. 4-6.

  9. Никитина Е.А. Исследование нового типа индукционной системы «трехфазный индукционный нагреватель – цилиндрическая ферромагнитная заготовка» [Текст] / Е.А. Никитина // Машиностроение - традиции и инновации: Сбор. тр. Всерос. молодежной конф. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - С. 413-417.

  10. Никитина Е.А. Математическое моделирование системы индукционного нагрева в трехфазном магнитном поле [Текст] / Е.А. Никитина // Комплексный анализ и дифференциальные уравнения. Тезисы VI Уфимской Междунар. конф. Уфа: Институт математики с ВЦ УНЦ РАН, 2011. С. 129-130.

  11. Никитина, Е.А. Система управления процессом энергоэффективного индукционного нагрева цилиндрической заготовки [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина // Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях. Межвузовский сборник – Бийск: Издательство Алтайского государственного технического университета, 2011. Вып. 1. - С. 27 – 30.

  12. Никитина Е.А. Система энергоэффективного технологического нагрева массивных цилиндрических изделий [Текст] / Е.А. Никитина // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: труды Междунар. конф. студ., асп. и мол. ученых в 2 т. Т.1– Томск: Томский политехнический университет. - С. 186-188.

  13. Никитина Е.А. Моделирование и исследование системы индукционного нагрева во вращающемся магнитном поле [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина // Наука. Технологии. Инновации. Материалы Всерос. науч. конф. Ч. 2. - Новосибирск: НГТУ, 2010. - С. 164 - 165.

  14. Никитина, Е.А. Разработка и исследование нового типа индукционной системы для технологического нагрева крупногабаритных заготовок перед прессованием / Е.А. Никитина // Итоги диссертационных исследований. Т. 3. —Материалы III Всероссийского конкурса молодых ученых. — М.: РАН, 2011. С. 67-74.

  15. Никитина Е.А. Оптимизация нестационарных режимов непрерывного индукционного нагрева ферромагнитных заготовок [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина, С.В. Князев // Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании. Сборник науч. трудов по матер. Междунар. науч.-практ. конф. Том 6. Технические науки. – Одесса: Черноморье, 2010. – С. 21-25.


Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: в работах [1, 2, 6, 7, 9, 14] – электромагнитная и тепловая модели, в работах [4, 5, 8, 11, 12, 17] – численные эксперименты по расчету электромагнитных полей в системе, в работах [3, 10, 15, 19] – анализ динамики объекта и синтез системы управления, работы [4, 13, 14, 16, 18] написаны единолично.


Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.04

ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет

(протокол №14 от 15.11.2011 г.)

Заказ №1098. Тираж 50 экз.

Отпечатано на ризографе.

ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет

Отдел типографии и оперативной печати

443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244



Добавить документ в свой блог или на сайт


Похожие:



Если Вам понравился наш сайт, Вы можеть разместить кнопку на своём сайте или блоге:
refdt.ru


©refdt.ru 2000-2013
условием копирования является указание активной ссылки
обратиться к администрации
refdt.ru