автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электронагревательные элементы и устройства трансформаторного типа для систем энергообеспечения

На правах рукописи

СЕРИКОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

/ 1

ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА ДЛЯ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

1 о ЯНВ 2013 005047896

Комсомольск-на-Амуре - 2012

005047896

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомоль-ский-на-Амуре государственный технический университет» на кафедре «Электромеханика».

Научный консультант: КУЗЬМИН Вячеслав Матвеевич

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: БЕСПАЛОВ Виктор Яковлевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (г. Москва), профессор кафедры «Электромеханика»

ЕЛШИН Анатолий Иванович

доктор технических наук, профессор, ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» (г. Новосибирск), профессор кафедры «Электроэнергетические системы и электротехника»

САВИНА Наталья Викторовна

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Амурский государственный университет» (г. Благовещенск), декан Энергетического факультета

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (г. Томск)

Защита диссертации состоится « 27 » декабря 2012 г. в 10°° часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.092.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «КнАГТУ») по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27, ауд. 201-3. E-mail: kem@knastu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » ноября 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

Суздорф В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современное производство и быт требуют широкого использования электрической и тепловой энергии. Системы энергообеспечения позволяют создать необходимые условия производства и комфорт на различных предприятиях и для бытовых потребителей. Важнейшими функциями этих систем являются эффективное генерирование, доставка и распределение тепловой энергии для отопления, горячего водоснабжения и удовлетворения технологических нужд.

Замена электронагревом традиционных видов нагрева повышает надёжность оборудования, облегчает контроль и регулирование температуры и в целом обеспечивает режимы энергосбережения. Развитие электронагревательных приборов, расширение их выпуска и использования является важным мероприятием, направленным на повышение производительности труда и жизненного уровня, экономию времени, улучшения санитарно-гигиенических условий жилищ и создание необходимого комфорта. Особое значение применение электронагревательных устройств приобретает для объектов, не имеющих централизованного теплоснабжения. В качестве нагревательных элементов в таких приборах широко применяются трубчатые нагревательные элементы (ТЭН), которые наряду с неоспоримыми достоинствами (простота конструкции, дешевизна) имеют ряд существенных недостатков (низкий класс электробезопасности, небольшой срок службы и невысокая надёжность).

Качественно улучшить условия подготовки горячей воды позволяют электронагревательные элементы трансформаторного типа (НЭТ), в которых индуктор, как в силовых трансформаторах, состоит из магнитопровода и первичной обмотки. Особенностью конструкции таких нагревательных элементов является вторичная обмотка, выполненная в виде короткозамкнутого (КЗ) витка, в которой выделяется основная доля тепла. Вторичная обмотка непосредственно, без промежуточного теплообменника или слоя изоляции, контактирует с нагреваемой средой. Такое техническое решение позволяет получить более безопасный в эксплуатации электронагревательный элемент с большим сроком службы.

Актуальность рассматриваемых в работе вопросов вызвана потребностью повышения безопасности и эффективности использования электрической энергии в процессе преобразования её в тепловую, необходимостью разработки и исследования новых видов электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа с высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями, которые могут использоваться в бытовых и промышленных установках систем энергообеспечения.

В связи с вышеизложенным возникает необходимость разработки нагревательных элементов, которые обеспечивают повышенный класс электробезопасности, высокую надёжность и долговечность при минимальных массо-стоимостных показателях.

Объект исследования: электротехническое оборудование систем энергообеспечения бытовых, промышленных и сельскохозяйственных потребителей тепловой энергии.

Предмет исследования: электромагнитные и тепловые процессы в НЭТ и их влияние на массогабаритные и экономические показатели теплогенери-рующего оборудования систем энергообеспечения.

Цель работы: решение крупной научно-технической проблемы по повышению безопасности и улучшению эксплуатационных показателей систем энергообеспечения, в первую очередь горячего водоснабжения и отопления, в том числе для объектов, не имеющих централизованного теплоснабжения, за счёт создания теплогенерирующего оборудования на основе новых видов электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа.

В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие задачи:

— анализ существующих и перспективных электротехнических устройств для систем энергообеспечения, экономично и безопасно обеспечивающих заданные температурные условия посредством преобразования электрической энергии в тепловую;

— разработка улучшенных конструкций электронагревательных элементов и устройств на основе трансформаторов с КЗ вторичной обмоткой;

— анализ электромагнитных и тепловых процессов, разработка методик проектирования, определения параметров элементов конструкции, электромагнитных и тепловых нагрузок, энергетических показателей БЭТ, получение рекомендаций для проектирования таких устройств;

— создание комплекса программ для расчёта и проектирования НЭТ, предназначенных для работы в системах отопления и горячего водоснабжения;

— выявление особенностей работы НЭТ в системах теплоснабжения, разработка методов управления этими устройствами, работающими в энергетических системах;

— выполнение комплекса работ по созданию, экспериментальному исследованию и освоению производства новых видов электронагревательных устройств трансформаторного типа.

Методы исследований включают аналитические и численные методы расчёта электромагнитных и тепловых полей, теорию электрических цепей, теплофизику, теорию подобия, теорию планирования эксперимента, физическое, математическое и численное моделирование, современные методы, способы и средства экспериментальных исследований. В качестве основных математических средств использованы методы математического анализа, вычислительная математика, математический аппарат теории планирования эксперимента, дискретной математики, методы математического программирования. Использовались пакеты ELCUT, ANS YS, MatLab, MathCAD, а также системы программирования Delphi, Visual Basic и др.

Достоверность результатов подтверждается как использованием апробированных теоретических положений и математического аппарата, так и согласованными результатами вычислительных и физических экспериментов, испытаниями опытных образцов в реальных условиях, а также результатами их внедрения и опытной эксплуатации.

Научная новизна работы заключается в решении сложной научно-технической проблемы, которая требует проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований, обеспечивающих повышение безопасности и улучшение эксплуатационных показателей систем энергообеспечения, в частности:

- сформулированы требования, предъявляемые к системам энергообеспечения на основе НЭТ, и разработаны принципы формирования таких систем;

- получены новые математические модели электромагнитных и тепловых процессов, позволяющие проектировать и исследовать однофазные и трёхфазные НЭТ с учётом особенностей их конструкции и режимов работы;

-разработаны методики проектирования, определения параметров, размерных соотношений, электромагнитных и тепловых нагрузок НЭТ;

- создана методика выбора варианта конструкции при проектировании НЭТ с минимальной стоимостью материалов;

- разработаны и предложены новые конструкции НЭТ, обеспечивающие повышенный класс электробезопасности и высокие эксплуатационные показатели систем энергообеспечения;

- предложен метод управления НЭТ с учётом особенностей их работы, в том числе в энергетических системах ограниченной мощности;

- разработаны рекомендации по проектированию и использованию НЭТ в системах энергообеспечения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Новые конструкции электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа, обеспечивающие высокие показатели безопасности и надёжности в эксплуатации.

2. Методика и алгоритмы электромагнитного расчёта однофазных и трёхфазных электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа, учитывающие особенности конструкций и режимов работы таких устройств в системах отопления и горячего водоснабжения.

3. Математические модели электромагнитных процессов, позволяющие определять параметры вторичного короткозамкнутого контура сложной формы для адекватного расчёта НЭТ заданной мощности.

4. Математические модели тепловых процессов, позволяющие определять области с наибольшей температурой и значения этой температуры с целью улучшения конструкции и оценки правильности выбора электромагнитных нагрузок и размерных соотношений на этапе проектирования НЭТ.

5. Методика определения исходных данных (электромагнитных нагрузок, обмоточных данных и размерных соотношений) для проектирования НЭТ с использованием метода планирования эксперимента, на основе которого производится построение и анализ функциональных зависимостей для поиска варианта с минимальной стоимостью материалов НЭТ.

6. Комплекс программ для расчёта, проектирования и исследования электромагнитных и тепловых процессов в НЭТ, в том числе, программа моделирования трёхмерного температурного поля в НЭТ с пространственной планарной магнитной системой.

7. Математическая и компьютерная модели для анализа динамических режимов работы трёхфазного НЭТ в электрических сетях ограниченной мощности, учитывающая особенности конструкции и режимы работы НЭТ.

8. Рекомендации по проектированию, использованию и эксплуатации электронагревательных устройств трансформаторного типа для систем энергообеспечения, полученные на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы заключается в решении крупной научно-технической проблемы по повышению безопасности и улучшению эксплуатационных показателей систем энергообеспечения, за счёт создания теплогене-рирующего оборудования на основе новых конструкций электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа; создании методик и алгоритмов электромагнитных и тепловых расчётов и их реализации с использованием пакетов современных прикладных программ и авторского программного обеспечения при проектировании и исследовании предложенных устройств; разработке теоретических положений и практических рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок, обмоточных данных и размерных соотношений при проектировании, конструировании и эксплуатации электротехнических устройств генерации тепловой энергии в системах энергообеспечения потребителей, удалённых от централизованных источников тепловой энергии; создании макетных и опытно-промышленных образцов электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа для систем энергообеспечения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-техническом семинаре электротехнического факультета КнАГТУ, 2012 г.; двух дальневосточных научно-практических конференциях «Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий», г.Комсомольск-на-Амуре, 1992г., 1995 г.; региональной научно-технической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», г. Иркутск, 1994 г.; двух Международных научно-технических симпозиумах «Научное и научно-техническое обеспечение экономического и социального развития Дальневосточного региона», г. Комсомольск-на-Амуре, 1994 г., 1995 г.; конференции по итогам выполнения МРНТТ1 «Дальний Восток России» за 1993-1996 гг. «Машиностроительный и приборостроительный комплексы Дальнего Востока проблемы конверсии», г.Комсомольск-на-Амуре, 1996г.; научно-техническом семинаре электротехнического факультета КнАГТУ, 1997 г.; 3-й Международной конференции «Новые энергетические системы и преобразование энергии» (МЕ85С'97), г. Казань 1997 г.; научно-техническом семинаре кафедры электрических машин и аппаратов Томского политехнического университета, 1997 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы механики сплошной среды», г. Комсомольск-на-Амуре, 1998 г.; двух Международных научно-технических конференциях «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2001 г., 2007 г.; Международной научно-технической конференции «Пути и

650 Вт; тороидальный НЭТ для нагрева воды со сварной алюминиевой вторичной обмоткой мощностью 1,25 кВт; тороидальный НЭТ для нагрева воды с алюминиевой вторичной обмоткой, изготовленной методом глубокой вытяжки и холодной сварки мощностью 1,25 кВт; проточный ЭВН с тороидальным НЭТ мощностью 5 кВт; трёхфазный НЭТ с плоской магнитной системой и цилиндрической КЗ обмоткой мощностью 1,25 кВт; трёхфазный НЭТ с плоской магнитной системой и алюминиевой трубчатой вторичной обмоткой мощностью 1,25 кВт; трёхфазный НЭТ с пространственной магнитной системой призматической формы и цилиндрической КЗ обмоткой мощностью 1 кВт.

В результате испытаний макетных образцов установлено следующее.

1. Проведённый эксперимент показал работоспособность физических моделей и эффективность использования НЭТ в системах теплоснабжения.

2. Результаты испытаний подтвердили теоретические выводы о высоких энергетических показателях таких устройств, в частности коэффициент мощности ЭРТ и однофазных НЭТ для нагрева воды составил не менее 0,98, а трёхфазных НЭТ - 0,96.. .0,97.

3. Значения температур, полученные в ходе эксперимента, полностью подтвердили правильность теоретических исследований. Расхождение между расчётными и экспериментальными значениями составило менее 7 %.

4. Измеренный потенциал вторичной обмотки относительно бака и заземлённых частей составил величину менее 2 В, что подтвердило соответствие устройств второму классу электробезопасности.

Результаты диссертационной работы в виде технических решений, методик электромагнитных и тепловых расчётов использованы при проектировании и подготовке серийного производства электроводонагревателей и электрорадиаторов трансформаторного типа. На основе разработанных водонагревателей с НЭТ ЭВАН-100/1, ЭВП-6/220, ЭВП-6/380, ЭНТ-16/380 и радиатора трансформаторного типа ЭРГНТ-0,75/220 созданы системы децентрализованного отопления и горячего водоснабжения 00x0,75/1, СЖ-12x0,75/3, СЖ-1х6/1, ОК-2у6/3, СЖ-1х16/3 иСЖ-2х16/3, предназначенные для оборудования индивидуальных домов с отапливаемой площадью 60...300 м2. Системы отличаются мощностью, комплектацией и типом используемых ЭНУ, имеют ёмкость бака 0,1...0,3 м2.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ II ВЫВОДЫ

1. В работе решена важная научно-техническая проблема повышения безопасности и улучшения эксплуатационных показателей систем энергообеспечения путём создания и использования электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа с вторичной обмоткой, выполненной в виде КЗ витка.

2. Разработаны и предложены новые конструкции однофазных и трёхфазных НЭТ для использования в качестве преобразователя электрической энергии в тепловую в системах энергообеспечения жилых и промышленных объектов.

3. Созданы и программно реализованы методики электромагнитного расчёта однофазных и трёхфазных НЭТ, учитывающие особенности конструкции и

режимы работы систем энергообеспечения. Эти методики позволяют автоматизировать процесс проектирования элементов энергосистем с требуемыми эксплуатационными показателями.

4. На основе разработанных математических моделей распределения электрического поля во вторичной обмотке сложной формы обоснована методика определения активного электрического сопротивления при заданных относительных геометрических параметрах вторичного контура. Получены соотношения, позволяющие определить величину относительного значения активного сопротивления КЗ вторичной обмотки, обеспечивающие номинальную мощность НЭТ. Установлено, что для изготовления вторичной обмотки можно использовать алюминий и его сплавы, немагнитную сталь, а также конструкционную сталь толщиной не более 0,8... 1,0 мм. При использовании стали с большей толщиной значительно возрастает индуктивная составляющая сопротивления вторичной обмотки, что приводит к росту потребляемой реактивной мощности и снижению коэффициента мощности всей системы.

5. Получены и подтверждены экспериментально математические модели электромагнитных и тепловых процессов, позволяющие проектировать НЭТ для систем энергообеспечения с высокими показателями электробезопасности и заданными эксплуатационными характеристиками. Созданы программные комплексы для реализации этих расчётов на ЭВМ. Разработанные тепловые схемы замещения, математические модели двухмерных и трёхмерных температурных полей и выполненные на их основе исследования, позволяют анализировать тепловое состояние НЭТ. Выявлено, что исследование теплового состояния трёхфазного НЭТ с пространственной планарной магнитной системой и сложными путями для тепловых потоков необходимо проводить с помощью моделирования трёхмерного температурного поля для объёмного сектора, составляющего 1/6 часть всей конструкции.

6. Установлена связь стоимости и массы активных материалов, температуры изоляции, плотности теплового потока с поверхности вторичной обмотки НЭТ от обмоточных данных, геометрических соотношений и электромагнитных нагрузок с помощью метода планирования расчётного эксперимента. Разработаны рекомендации для проектирования НЭТ минимальной стоимости.

7. Выявлены особенности работы НЭТ в системах энергообеспечения. Разработаны математические и компьютерные модели исследования динамических режимов работы НЭТ. Получены рекомендации для использования НЭТ в электрических сетях ограниченной мощности с целью минимизации влияния на других потребителей и повышения срока эксплуатации НЭТ. Установлено, что управлять мощностью НЭТ целесообразно с помощью двухпозиционного регулирования. Для минимизации негативного влияния частых коммутаций при таком способе регулирования рекомендуется ограничивать мощность НЭТ величиной, составляющей 40 % от мощности электрической сети. Более мощные НЭТ необходимо комплектовать системами управления с возможностью «мягкого» включения.

ность подключения к централизованным системам энергообеспечения, является использование децентрализованной системы теплоснабжения (рис. 1), которая включает в себя: источник электрической энергии или источник питания (ИП); коммутатор; теплогенератор или электронагревательное устройство (ЭНУ); теплопровод (ИТ); теплообменный аппарат (ТА); систему управления нагревом и микроклиматом помещений (СУ); датчики, осуществляющие сбор необходимой информации для СУ; исполнительные устройства (ИУ), обеспечивающие циркуляцию и распределение теплоносителя. Одним го важных узлов, в большой степени определяющий безопасность, долговечность и надёжность всей системы, является ЭНУ, которое преобразует электрическую энергию в тепловую.

Рис.1. Система теплоснабжения

В качестве нагревательных элементов (НЭ) промышленных и бытовых ЭНУ широко используются резистивные, электродные и индукционные. Установлено, что НЭ первой и второй групп обладают рядом существенных недостатков, ограничивающих область их применения. Этими недостатками являются низкий класс электробезопасности, невысокая надёжность и долговечность, а НЭ индукционного типа имеют низкий коэффициент мощности.

Одним из наиболее эффективных путей повышения надёжности и безопасности систем энергообеспечения небольших промышленных и сельскохозяйственных предприятий, а также бытового сектора является применение ЭНУ с НЭТ, которые представляют собой однофазный или трёхфазный трансформатор с КЗ вторичной обмоткой. Нагрев в основном осуществляется за счет тепловыделений в КЗ витке при протекании по нему электрического тока, а также потерь в первичной обмотке и в магнитопроводе. Причём наиболее значительная часть мощности выделяется во вторичной обмотке, которая непосредственно контактирует с нагреваемой средой.

В области развития теории электромеханики, электрических машин и трансформаторов известны фундаментальные работы В.Я. Беспалова, А.И. Вольдека, И.П. Копылова, Г.А. Сипайлова, П.М. Тихомирова и других учёных. Исследования преобразователей с КЗ обмоткой проводятся в течение многих лет на кафедре «Электромеханика» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета под руководством В.М. Кузьмина совместно с ОАО «Электротехническая компания «Биробиджанский завод силовых трансформаторов». Большой вклад в разработку, исследование и освоение производства НЭТ сделали А.И. Елшин, С.Н. Иванов, В.А. Размыслов, Д.А. Киба, Т.В. Герасименко, В.И. Костюченко и др. Известны разработки в области нагре-

вательных устройств Н.В. Киншта, И.В. Кузовлёва, Л.С. Космовича, И.П. Горчакова, Ю.М. Дедусенко, Л.Л. Кочергина и др. В работе частично использовались результаты исследований аспиранта В.А. Карпенко.

Во второй главе предложены новые конструкции нагревательных элементов, в которых реализован основополагающий принцип построения НЭТ, заключающийся в использовании в качестве тепловыделяющего элемента вторичной обмотки трансформатора, которая конструктивно выполнена коротко-замкнутой и имеет параметры, обеспечивающие номинальный режим работы устройства. Основными факторами, определяющими такой принцип построения НЭТ, являются повышение безопасности и надёжности ЭНУ.

На основе этого принципа разработаны конструкции НЭТ и ЭНУ. Общая классификация по конструктивному исполнению индуктора, нагрузки (вторичной КЗ обмотки) и взаимному расположению индуктора и вторичного КЗ контура приведена на рис. 2.

Вторичная обмотка НЭТ должна отвечать специфическим требованиям.

1. Поверхность обмотки должна иметь достаточно большую площадь соприкосновения с нагреваемой средой для достижения требуемого значения удельной поверхностной мощности.

2. Мощность, выделяющаяся с поверхности обмотки, не контактирующей с нагреваемой средой, должна быть минимальной для обеспечения максимально возможной величины КПД.

3. Конструкция вторичной обмотки должна исключать возможность соприкосновения первичной обмотки и магнитопровода с нагреваемой средой (при нагреве жидкостей).

4. Отклонение величины удельного активного сопротивления материала вторичной обмотки от номинального значения должно быть минимально возможным.

5. Индуктивность рассеяния обмотки должна быть минимальной для достижения максимально возможной величины коэффициента мощности устройства.

6. Для обеспечения требуемой безопасности при эксплуатации электронагревателя ЭДС фазы обмотки не должна превышать величину 2.. .4 В.

7. Материал обмотки должен быть коррозионно-стойким и относиться к категории «пищевых» (особенно для бытовых электроводонагревателей).

8. Конструкция и материал вторичной обмотки должны обеспечивать возможность изготовления и герметичного соединения деталей обмотки при использовании простых и дешёвых методов (штамповка, сварка и т.п.).

9. Температура поверхности вторичной обмотки электрорадиаторов трансформаторного типа (ЭРТ) не должна превышать значения 80...85 °С.

Проведённый в работе анализ показал, что для систем отопления лучшими эксплуатационными показателями обладают ЭРТ на основе тороидального индуктора. Для повышения эффективности и безопасности работы, уменьшения габаритных размеров, ограничения магнитных потоков рассеяния и увеличения срока службы ЭНУ в качестве вторичной обмотки целесообразно использовать электропроводящую гофрированную ленту (рис. 3, а), лист (рис. 3, б) или обмотки коробчатого (ци-

липдрического) типа (рис. 3, в). Вторичный контур такого устройства состоит из двух частей: тепловыделяющего элемента 2 с большой поверхностью теплоотдачи, который одновременно является и корпусом ЭРТ, и стержня 3, проходящего через окно индуктора и замыкающего путь вторичного тока.

Нагревательные элементы трансформаторного типа

I

Трёхфазные

Тороидальный Стержневой

ленточный шихтованным

Вид индуктора

Плоский стержневой

Пространственный

Призматический

Планарный

Относительное расположение индуктора и нагрузки

я - X я

>,

ь> Р-

иа X

Ш

г—Г

к § р. I

Е >н

е-« з

2 о а

£ § й

I ?

ЕЕ

§

¡Г «5 И Ъ£

СП

& ь ^ В-.а «

л

О О.

а в

я

Я & £ О

& РЭ ¡г! ю О

з5

О о. о. Ы л со

К £ 03

я §

е- ё

5 с

о (3

11 Б £

о.

о н со

Вид нагрузки (вторичной обмотки) 1

к с

&Ё5

й С я я

л ^

1

2 и '.О

Ю и

О и

в ч о

О

ёв

2 с

& к

3 £ 2 ь

•в-я

и

г

о Я

и

Й" ю

и

Рис. 2. Классификация НЭТ

а)

б)

\

\

((С (

((( (

(((

((( (

(((

(

(((

у**

в)

'2 1

Рис. 3. Электрорадиаторы трансформаторного тала: 1 — индуктор; 2 — вторичный контур; 3 - короткозамыкаюший стержень

В результате сравнительного анализа конструкций однофазных НЭТ для устройств и систем нагрева воды выявлено, что наилучшими массогабаритны-ми, эксплуатационными и технологическими показателями, обладают НЭ, выполненные на основе однофазных НЭТ с тороидальным магнитопроводом. Как правило, вторичная обмотка НЭТ для нагрева жидкостей (рис. 4, а) является герметичным корпусом 3, внутри которого размещается индуктор (магнитопро-вод 1 и первичная обмотка 2). Поверхность теплоотдачи у таких устройств должна быть достаточно развитой, для замедления процессов образования накипи. Вторичная обмотка со всех сторон омывается нагреваемой водой. Такая конструкция может использоваться в проточных блоках и в электроводонагревателях (ЭВН) ёмкостного типа.

а)

б)

Рис. 4. Однофазный тороидальный НЭТ для систем нагрева воды

В ЭВН проточного типа, для повышения КПД, НЭТ размещается таким образом, чтобы вода омывала сначала наружную поверхность, а затем, подогретая поступала в центральную трубку, в которой доводится до необходимой для потребителя температуры. Этого добиваются путём установки НЭТ в герметичном баке 4 с направляющим кожухом 5 (рис. 4, б), с помощью которого формируется канал с нагреваемой водой. Образуется водяной контур, обеспечивающий теплоизоляцию НЭТ от окружающей среды.

Трёхфазные НЭТ целесообразно создавать на основе плоских стержневых шихтованных магнитных систем (рис. 5), широко используемых в силовых трансформаторах. В таких НЭТ конструкция магнитопровода 1 и первичной обмотки 2 аналогична конструкции, применяющейся в обычных трансформаторах, что позволяет выпускать НЭТ на предприятиях с использованием традиционных технологических процессов.

а)

б)

в)

Рис. 5. Варианты трёхфазных НЭТ с плоской магнитной системой

Главная конструктивная особенность трёхфазных НЭТ заключается в устройстве КЗ вторичной обмотки. Среди множества схем можно выделить несколько наиболее эффективных.

1. КЗ вторичная обмотка цилиндрического типа состоит из трёх цилиндров 1 (рис. 5, а), концентрически охватывающих первичные обмотки 2, боковины 3, охватывающей все три стержня 1 с обмотками и двух торцов (верхнего 5 и нижнего 6). Все части обмотки выполняются из металлических листов и соединяются между собой сваркой, образуя герметичную камеру, которая снабжается патрубками для входа и выхода жидкости. Через эту камеру пропускается нагреваемая вода. Увеличение КПД ЭВН возможно за счёт размещения цилиндрической вторичной обмотки 3 внутри кольцевого теплоизолированного резер-

вуара 4, выполненного из диэлектрического материала (рис. 5, б). Нагреваемая жидкость протекает внутри диэлектрического бака и непосредственно со всех сторон омывает вторичную обмотку.

2. Кольцевая КЗ обмотка выполняется в виде полых проводников 3 (рис. 5, в), по которым пропускается нагреваемая вода. Кольца концентрически охватывают стержень 1 с первичной обмоткой 2.

3. Вторичная обмотка в виде металлического бака с перемычками (рис. 5, г) состоит из боковины 3, дна 4 и крышки 5, которые герметично закрывают индуктор 2 от проникновения воды. Две перемычки 6, привариваемые изнутри к стенкам бака служат для замыкания фазных токов Еторичной обмотки. В собранных ЮТ перемычки проходят через окна магнитопровода 1 и водой не омываются, поэтому для уменьшения выделяющейся в них тепловой мощности и улучшения теплоотвода, их следует выполнять из более толстого листа, чем бак, а при возможности даже из материала с меньшим удельным электрическим сопротивлением. В некоторых случаях целесообразно перемычки выполнять с отверстием для протекания нагреваемой жидкости, что улучшит теплоотвод и снизит температуру перемычки. Такая конструкция НЭТ может применяться в ёмкостных и проточных нагревательных блоках.

Одним из наиболее эффективных способов повышения технико-экономических показателей ЭНУ является использование трёхфазных НЭТ с симметричной пространственной магнитной системой планарной (рис. 6, а) и призматической (рис. 6, б) форм.

а)

б)

.......Ц>.....| 1

!

\Мш$7 1

Рис. 6. Трёхфазные НЭТ с пространственной магнитной системой

Магнитопровод НЭТ с планарной пространственной магнитной системой (см. рис. 6, а) состоит из трёх навитых элементов 1. Первичная обмотка 2 размещается на стержнях магнитопровода, которые формируются соответствующими участками соседних элементов и расположены в одной плоскости под углом 120 градусов. Теплоотдающей поверхностью НЭТ является поверхность вторичной обмотки, выполненной в виде трёх полых проводников 3 (труб), расположенных в окне элементов магнитопровода. По трубам протекает нагревае-

мая жидкость. Полые проводники электрически соединены между собой в трёхфазную цепь с помощью дисков 5. Диски, трубки и корпусная оболочка 4 образуют герметичную камеру.

Магнитопровод трёхфазного НЭТ с навитой пространственной магнитной системой призматической формы состоит из трёх элементов 1, наматываемых из лент электротехнической стали (см. рис. 6, б). Поперечное сечение стержня формируется сечениями двух прилегающих элементов. Первичная обмотка 2 расположена на стержнях магнитопровода. Теплоотдающей поверхностью НЭТ является поверхность трёхфазной вторичной обмотки, которая может выполняться аналогично конструкциям вторичных обмоток НЭТ с плоской магнитной системой (см. рис. 2 и 5). Одна из конструкций вторичной обмотки в виде бака показана на рис. 6, б. Для создания контура с током стенки бака 3 электрически соединены между собой в трёхфазную цепь с помощью электропроводящих перемычек 4. Сверху и снизу бак герметично закрывается крышками.

В настоящее время недостаточно сведений об особенностях электромагнитных и тепловых процессов в НЭТ, особенно для пространственных магнитных систем со сложными путями распространения тепловых потоков и для конструкций со сложной геометрией объёмных вторичных контуров. Отсутствуют рекомендации по выбору материалов, обмоточных данных, геометрических соотношений и электромагнитных нагрузок для целого ряда конструкций НЭТ, а также недостаточно методик расчёта таких устройств.

В третьей главе выявлены особенности электромагнитных процессов, разработаны методики расчёта НЭТ разного назначения и конструкций, а также рассмотрены вопросы определения параметров вторичного КЗ контура.

Особенностями исследуемых НЭТ являются:

1. Наличие одновитковой обмотки, которая конструктивно выполнена ко-роткозамкнутой.

2. В этой обмотке имеется большая плотность тока, причём в некоторых конструкциях она неравномерно распределяется по длине витка.

3. В КЗ обмотке сосредоточена большая часть тепловыделений НЭТ.

4. Обмотка имеет воздушное или водяное охлаждение с естественной или искусственной конвекцией.

5. При охлаждении индуктора могут использоваться традиционные системы охлаждения (масляное, воздушное), но для повышения КПД конструкция НЭТ может иметь водяное охлаждение индуктора (например, герметичные устройства погружного типа). В этом случае все тепловые потери идут на нагрев воды, то есть по прямому назначению.

6. Для замедления процессов образования накипи теплоотдаюшая поверхность НЭТ для систем горячего водоснабжения должна быть развитой, а плотность теплового потока не должна превышать 10 Вт/см2.

7. Так как потери мощности в первичной обмотке и сердечнике НЭТ могут быть использованы по прямому назначению, то есть на производство тепловой энергии, поэтому возмоясно их увеличение. Следовательно, электромагнит-

ный КПД может быть меньше, чем у классических трансформаторов и допустимо завышение электромагнитных нагрузок.

Расчёт ЭРТ состоит из следующих основных этапов: выбора исходных данных; электромагнитного и теплового расчётов индуктора; расчёта размеров вторичного КЗ контура, который является корпусом ЭНУ; расчёта температуры поверхности корпуса; определения массо-стоимостных и энергетических показателей устройства.

При разработке методики электромагнитного расчёта однофазного тороидального НЭТ для систем нагрева воды выявлено, что размеры, масса и стоимость всего ЭНУ в значительной степени определяются размерами внутреннего осевого канала для прохождения воды (центральной трубки). Геометрия таких НЭТ характеризуется безразмерными коэффициентами:

Х=Д1;

а а а

где X, У, X — относительные значения внутреннего диаметра магнитопровода, высоты магнитопровода и внутреннего диаметра центральной трубки, соответственно; Аь На а - внутренний диаметр, высота и ширина магнитопровода; Д, — внутренний диаметр центральной трубки.

Установлено, что активное электрическое сопротивление вторичной обмотки не зависит от абсолютных геометрических размеров, а определяется лишь относительными параметрами, что позволяет вычислить его на предварительном этапе по следующим выражениям:

Р ¥(х+2)+х(х-г). Р г(х+2)+х(х-г).

^ яАн (х+2у+х(х-г)' ^ 71Ат(кт+1) г(Х+2)

р {х+2)г+х{х-г) ^ кЛн г(х+2)

где Явл, Лг, йтор - сопротивления внешнего цилиндра, трубки и торцевой поверхности вторичной обмотки; Дн - толщина внешнего цилиндра и торцевой поверхности; Ат - толщина трубки.

Электромагнитный расчёт тороидального НЭТ представляется в виде двух этапов: предварительного и поверочного. На первом этапе производится выбор коэффициентов геометрии и по приближённым соотношениям рассчитывается сопротивление вторичной обмотки, число витков первичной обмотки, ширина магнитопровода, число внутренних слоев и внутренний диаметр первичной обмотки, который проверяется на соответствие технологическим ограничениям. Далее оценивается отличие рассчитанного относительного диаметра канала 2 от предварительного значения. В том случае, если оба этих ограничения не удовлетворяются, повторяется предварительный этап с другими коэффициентами геометрии.

Поверочный расчёт включает, прежде всего, определение размеров магнитопровода в соответствии с выбранными на предыдущем этапе коэффициентами геометрии. Кроме того, уточняется число внутренних и рассчитывается число наружных слоёв первичной обмотки, что позволяет определить геометрические размеры КЗ контура и уточнить его сопротивление. Завершается элек-

тромагнитный расчёт определением потерь и тока, потребляемого индуктором без вторичной обмотки, массогабаритных и энергетических показателей НЭТ.

Важным фактором при разработке методики расчёта трёхфазных НЭТ является возможность организации их производства на существующих предприятиях, поэтому за основу принята методика расчёта трёхфазного силового двух-обмоточного трансформатора. Кроме традиционных исходных данных к расчёту необходимо задавать некоторые параметры системы нагрева: вид системы (аккумуляционная или проточная); вид теплоносителя (вода, антифриз, минеральное масло и др.); режим циркуляции теплоносителя (естественная или принудительная); температурные параметры теплоносителя (температура на входе и выходе НЭТ); расход теплоносителя (для открытых систем горячего водоснабжения).

Основой конструкции НЭТ является конструкция индуктора, которая определяет главные размеры активной части и всего НЭ. К этим размерам относятся диаметр стержня й, осевой размер (высота) первичной обмотки 1Х. Вторичная обмотка может иметь высоту, отличную от /, . Третьим основным размером НЭТ является средний диаметр витка двух обмоток с/12, связывающий диаметр стержня с радиальными размерами обмоток а\ и а2 и осевого канала между ними аи. Два основных размера можно связать с помощью коэффициента р, который определяется по формуле:

к

Величина р определяет соотношение между диаметром и высотой обмотки и может варьироваться в широких пределах от 0,5 до 3. Причём значения р несколько меньше, чем для силовых трансформаторов существующих серий, что объясняется особенностью конструкции вторичной обмотки НЭТ. Выбор р существенно влияет не только на соотношение размеров НЭТ, но и на соотношение масс активных и других материалов, а, следовательно, и на стоимость ЭНУ. Вместе с этим р определяет механическую прочность индуктора и вторичной обмотки, температуру первичной обмотки, габаритные размеры и пр.

К исходным данным электромагнитного расчёта НЭТ следует отнести число витков в первичной обмотке Эта величина определяет ЭДС витка и, соответственно, электробезопасность НЭТ, а также диаметр стержня магнитной системы, геометрические размеры первичной и вторичной обмоток, массы активных частей устройства и его стоимость.

Выбор электромагнитных нагрузок (плотность тока в первичной обмотке и индукция в стержне магнитопровода) зависит от особенности системы охлаждения первичной обмотки, конструкции КЗ обмотки и режима её охлаждения, конструкции магнитной системы, наличия теплоизоляции.

Основной особенностью проектирования НЭТ является расчёт вторичного КЗ контура, который обеспечивает необходимые тепловыделения Р2. Радиальные и осевые геометрические размеры должны быть привязаны к соответствующим размерам индуктора. У всех конструкций вторичного контура имеются индивидуальные особенности расчёта. У большинства конструкций подбор не-

обходимого сопротивления целесообразно осуществлять за счёт изменения толщины используемого материала с учётом технологических ограничений.

В обмотках цилиндрического типа (см. рис. 5, а) толщина цилиндра 8, подбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимое активное сопротивление и заданную мощность тепловыделений Р2\

где ш - число фаз; Ев - ЭДС витка; Я2ц> — активные сопротивления цилиндра и торцевой части вторичной обмотки.

В конструкциях с диэлектрическим баком активное сопротивление торцевой части вторичного контура й2т не учитывается.

В кольцевых вторичных обмотках (см. рис. 5, в) при расчёте мощности тепловыделений Р2 необходимо учитывать четыре элементарных контура: два цилиндра разного диаметра (внутренний и наружный) и два одинаковых торцевых элемента (верхний и нижний):

где Я2в, 1{2„, ~ активные сопротивления внутренней и наружной стенок кольца; Д2т — активное сопротивление торцевой части кольцевой камеры.

В НЭТ с планарной магнитной системой (см. рис. 6, а) подбор необходимого активного сопротивления выполняется путём изменения геометрии элементов вторичной обмотки (трубки или сектора). Так как эти элементы находятся в окне магнитопровода, то их размеры сильно влияют на массо-стоимостные показатели индуктора и всего устройства в целом.

После расчёта вторичной обмотки уточняется геометрический коэффициент Р, который не должен отличаться от ранее заданного значения более чем на 5 %. При большем отличии производится корректировка высоты обмоток.

При расчёте сопротивлений вторичных обмоток, имеющих сложную объёмную конструкцию, например в виде бака (см. рис. 5, г), необходимо использовать результаты дополнительных исследований. Анализ электромагнитных процессов в таких НЭТ показывает, что по вторичной обмотке замыкается сложная система токов, вызывающая неравномерное распределение потерь и, следовательно, неравномерный нагрев.

При рассмотрении разборной конструкции токи через дно и крышку бака протекать не будут. В расчёте можно учитывать только токи, замыкающиеся по стенке. Так как перемычки имеют высоту меньше, чем высота боковины, то эти токи будут стремиться растекаться по всей высоте бака (рис. 7, а). Если рассматривать вариант с неразборной конструкцией, то дополнительно к рассмотренным токам добавляются контура, токи в которых замыкаются по дну и крышке через перемычки (рис. 7, б).

При относительно малой толщине листа бака и невысокой частоте (50 Гц) эффект вытеснения тока по толщине листа не сказывается, индуктивное сопротивление вторичного контура значительно меньше активного сопротивления. Это позволяет сделать вывод о том, что растекание переменного тока по баку

будет такое же, как и постоянного, то есть вместо переменного поля можно рассчитывать постоянное электрическое поле.

Рис. 7. Распределение токов в баке: 1 - перемычка; 2 - стенка бака; 3 - крышка бака; 4 — дно бака

Принятые допущения позволяют электрическое поле в баке для крайней фазы рассматривать как двухмерное, не изменяющееся по толщине листа. Ввиду симметрии конструкции и электрического поля относительно вертикальной и горизонтальной осей симметрии НЭТ расчёт можно вести для одной четверти бака. С целью упрощения область моделирования поля для крайней фазы целесообразно представить в виде развёртки (рис. 8, а). Линейный размер Ь соответствует ширине бака, а размер с1 рассчитывается по формуле

Для минимизации искажения поля при моделировании размер /с (см. рис. 8, а) выбирается таким образом, чтобы длина линии между сторонами перемычки по стенке бака вдоль горизонтальной оси Ох в реальной конструкции соответствовала сумме длин линий DF, F 'G ' и G H в модели. Этот размер определялся по формуле

жЬ ,

с +--Ъ

I —-2-= £ + 0,2856.

2 2

Электрическое поле относительно электрического потенциала U в ортогональной системе координат х, у описывается уравнением

где у - удельная электрическая проводимость материала листа.

Граничные условия на внешних границах области исследования:

f/ = i/„ = const (на линии ABCD); и = 0 (на линии HLMN); — = 0 (на линиях

Вх

OERP и F'G У, — = 0 (на линиях ОА, DF, GH и NP).

ду

Линии SF и SF', а также TG и TG ' совпадают и не являются внешними границами. Так как границы области исследования расположены параллельно координатным осям, то расчёт поля выполнен методом конечных разностей. Величина активного электрического сопротивления определяется конфигурацией области моделирования и не зависит от U0, поэтому при задании граничных условий принималось U0 = 1.

Сопротивление рассматриваемого контура зависит от отношения геометрических размеров с и /п, а также b и /„ (см. рис. 8, а). Полученное распределение электрического потенциала для случая с//п = 0,5 и Ы1п = 0,5 показано на рис. 8, б. По полученному распределению электрического потенциала определялись плотность тока и её составляющие по осям х и у:

S I* 2 о2 su , 5U

Сопротивление для крайней фазы НЭТ RK определялось через разность потенциалов на линиях ABCD и HLMN, равную U0, и ток I, проходящий через расчётную область по формулам:

/ = А J5nd/,

Z1 ншм

где Л - толщина листа бака; 5П - нормальная составляющая плотности тока к линиям интегрирования HL, LMu AIN.

Активное сопротивление крайних фаз вторичного контура вычислялось с помощью относительного значения

«к

где RKs — базовое сопротивление.

За базовое сопротивление принято сопротивление прямоугольной боковой части корпуса между сторонами перемычки без учёта выпучивания тока. Это сопротивление можно вычислить по формуле

к. = 21+ъ

уЛ'п

Зависимость относительного значения сопротивления части бака, соответствующего крайней фазе от геометрических соотношений, полученная по расчёту поля, приведена на рис. 9. Эту зависимость с достаточной степенью точности целесообразно аппроксимировать следующими выражениями

' (V (и Ем Г|'5

сЛ„-

Рис. 9. Зависимость сопротивления от геометрических соотношений

^ =0,7218 - 0,5155—+0,1394 —

0,68 89 - 0,4791 - + 0,133 6[ -

^п VII

к-

0,6654-0,4618— + 0,14131

,при — = 0,5;

, при — = 0,6;

, при — = 0,7.

Активное сопротивление крайних фаз вторичной обмотки в виде бака целесообразно определять по формуле

г,» 2/„ + 6

тА/„

где - активное сопротивление перемычки.

Разработанные методики электромагнитного расчёта с учётом особенностей конструкции, режимов работы реализованы на ЭВМ в виде пакета прикладных программ.

Четвёртая глава посвящена тепловым процессам, протекающим в НЭТ. Исследования позволили выявить особенности теплового состояния отдельных конструктивных узлов и всего устройства в целом, а также оценить правильность выбора электромагнитных нагрузок и режимов работы, получить рекомендации по совершенствованию конструкции, выбору материалов и т.д.

Использование метода тепловых схем замещения при оценке теплового состояния НЭТ позволяет получить результаты, удовлетворяющие практическим требованиям, не прибегая к усложнению математической модели процесса теплообмена. Анализ источников тепловыделений и путей распространения тепловых потоков позволил разработать тепловые схемы замещения для различных конструкций однофазных и трёхфазных НЭТ с разными условиями тепло-отвода в нагреваемую среду. Метод тепловых схем замещения даёт возможность получить среднемассовые температуры отдельных частей НЭТ и не позволяет показать полную картину распределения температуры по объёму уст-

ройства, следовательно, невозможно определить зоны перегрева и точку с максимальной температурой.

В работе исследованы температурные поля ряда конструкций НЭТ с помощью широко используемого метода конечных элементов (МКЭ). Очевидно, что максимальная температура будет наблюдаться при длительном режиме работы, когда температура всех частей НЭТ достигнет установившихся значений. Поэтому рассматривается установившийся режим работы, тепловое поле в котором является стационарным.

Сложные процессы теплообмена, протекающие в НЭТ с планарной пространственной магнитной системой (см. рис. 6, а), требуют исследования трёхмерных температурных полей. Учитывая симметричность НЭТ, расчёт производится для одного объёмного сектора, составляющего 1/6 часть всей конструкции, в прямоугольной системе координат х, у, г при следующих допущениях: тепловой поток на прилегающих сторонах сектора отсутствует; область исследования кусочно-однородна, а коэффициенты теплопроводности материалов и мощности источников тепла не зависят от температуры; главные оси анизотропии сред совпадают с осями координат х, у, г (для ярма магнитопровода - с осями локальной системы координат).

С учётом принятых допущений температурное поле описывается трёхмерным уравнением теплопроводности

д2т 8гт дгт

С1)

дх - ду дг

где \х, /„ - коэффициенты теплопроводности сред по осям х, у и г соответственно; <7у— удельная мощность источников тепла.

На поверхностях, контактирующих с нагреваемой средой справедливы граничные условия конвективной теплоотдачи в воду

Хх — /х + —/ + к, —I +а(Г-Г ) = 0, х дх х > дуу г дг г

где 4,1у, 12 - направляющие косинусы внешней нормали к граничной поверхности; а - коэффициент теплоотдачи; Г„ - температура воды в канале.

На прилегающих сторонах объёмного сектора справедливо условие теплоизоляции

дп

где п — внешняя нормаль к границе.

Решение уравнения (1) заменяется поиском функции, минимизирующей функционал

: 1

V г; У ^

V

Для определения коэффициента конвективной теплоотдачи используется выражение

а„ = №д—, I '

где № — безразмерное число Нуссельта; - коэффициент теплопроводности воды при среднемассовой температуре; / - определяющий размер.

Выбор формулы для вычисления критерия Нуссельта зависит от вида конвекции и определяется характером движения жидкости. При искусственной конвекции для ламинарного и турбулентного режимов течения соответственно используются следующие выражения:

где 11е, Рг - безразмерные числа Рейнольдса и Прандтля; £>л, Лк - гидравлический диаметр и длина канала; - коэффициенты динамической вязкости жидкости при среднемассовой температуре и температуре теплоотдающей поверхности.

Число Нуссельта при естественной конвекции определяется по формуле

Ки = 0,54(СгРг)°'25-^

где Рг, Ргв, Рг„ - безразмерные числа Прандтля при средней температуре пограничного слоя Гср, температуре воды Тв и температуре теплоотдающей поверхности Т„.

Критерий Грасгофа определяется по формуле где - коэффициент критерия Грасгофа при температуре Т,.„.

V2

Физические свойства воды, сильно зависящие от температуры, вычисляются по аппроксимирующим выражениям:

X, = 0,551 + 0,002547", - 0,0000123Г2; -у = (-3,57 + 0,8Гср + 0,00725ГС2 + 0,00077"с3р)-108;

-!-^т; д=-1-г-

0,071 + 0,003377 + 0,0000168Г2 570 + 19,1Г + 0,112Г2

В случае, когда температура теплоотдающей поверхности будет выше температуры насыщения воды, возникает кипение и для уточнения коэффициента теплоотдачи справедливы формулы:

Я АТ _ Ля-ЬуЩ-Т*)

100 + АГнас -Тв - V 44

где д — плотность теплового потока, полученная по данным предыдущего итерационного шага; Т'3 — температура теплоотдающей стенки, полученная на предыдущем шаге; 7'„ - среднемассовая температура воды; а, - уточнённое значение коэффициента теплоотдачи за счёт конвекции.

Порядок расчёта температурного поля имеет итерационный характер, причём на каждой итерации уточняются теплофизические свойства воды, соответствующие полученным температурам теплоотдающнх поверхностей и определяется новый коэффициент а для последующего (и+1)-го итерационного шага по формуле

í-

= а(и) + £/р(а1

»

где а(и), а(п + 1/а) - значения коэффициентов теплоотдачи на предыдущем шаге и уточнённое; t/p - коэффициент релаксации.

Итерационный процесс заканчивается при выполнении условия

где T¡-n\ Т,(п ~ " - значения температур, полученные на данном и предыдущем шагах; е - заданная точность расчёта температур.

Расчёт трёхмерного температурного поля НЭТ реализован с помощью программы для ЭВМ в среде программирования Delphi. Визуализация результатов расчёта выполнена с помощью пакета MatLab (рис. 10).

б1

pi ... ..... J

; Rte tA "ю Irert Tocfe pçsfcop -yniw -lib "* J

SsijÄ

iL

ШшМ

frî

Г 0.25 !

Ы7 I

1"0.15 I

Гол

■ .. il

Î ¡100 >

Рис. 10. Температурное поле НЭТ с планарной магнитной системой: а) вся область; б) в среднем сечении

Анализ результатов расчёта НЭТ мощностью 25 кВт показал, что максимальная температура наблюдается в центральной части и составляет 141 °С. Основная доля тепла идёт на нагрев воды, омывающей трубки. Средняя температура поверхности труб составляет 108,5 °С. Вода, омывающая эту поверхность, начинает кипеть, что нежелательно с точки зрения образования накипи и ухудшения теплового состояния НЭТ. Поэтому целесообразно принять меры для уменьшения температуры поверхностей, контактирующих с водой, с помощью увеличения площади теплоотдачи за счёт использования рёбер, формирования выступающей части труб или заменив их более сложной конструкцией, например, в виде секторов.

В пятой главе рассмотрены вопросы проектирования НЭТ различных конструкций и мощностей.

Установлено, что выбор исходных данных оказывает существенное влияние на массо-габаритные и стоимостные показатели НЭТ. Разработанная методика определения данных для проектирования НЭТ основывается на использовании метода планирования эксперимента. В качестве функции цели выступает стоимость активных материалов Сакт, а ограничительными функциями являются

максимальная температура изоляции /ш, плотность теплового потока с поверхности вторичной обмотки И л и толщина материала вторичной обмотки 5. Набор факторов, которые в наибольшей степени влияют на эти функции, определяется результатами анализа тепловых процессов и зависит от исследуемой конструкции. Ими могут быть электромагнитные нагрузки, геометрические коэффициенты и отношения, некоторые размеры и обмоточные данные. Целевые функции найдены в виде полиномов второго порядка

п п п

г = ьо + + ИЬ1]Х1Х] + ЕАл > (2)

;=1 ¡<] ¿=1

где п - количество принятых к рассмотрению факторов xi.

Коэффициенты Ь0, Ь„ Ьц, Ъл определялись с помощью численного эксперимента, для постановки которого применялось ортогональное центральное композиционное планирование второго порядка.

При исследовании трёхфазных НЭТ с плоской магнитной системой наибольший интерес вызывает оценка влияния геометрического коэффициента ¡3 и числа витков в первичной обмотке IV, на массо-стоимостные показатели. Поверхность отклика для трёхфазного НЭТ с цилиндрической вторичной обмоткой мощностью 10 кВт имеет точку минимума Стт\п (рис. 11). Этой точке соответствуют значения И^щщ = 327 витков и рт;п = 1,374.

Получить рекомендаций по выбору \\\ и (5 позволяют зависимости, построенные при Р = р,шп (рис. 12, а) и И7! = 1"Г1т|„ (рис. 12, б). Ограничивающими условиями являются з и 5, причём 5 по технологическим и механическим условиям не может быть менее 1 мм. Таким образом, для НЭТ мощностью 10 кВт число витков в первичной обмотке рекомендуется выбирать в пределах 325...375, и (3 - в пределах 1,35... 1,75. При этом стоимость активных материалов не превышает Сакт ть более чем на 5 %, а температура соответствует классу нагревостойкости Н.

На рис. 12, в представлены значения Щ и р, соответствующие Сакттщ для НЭТ ряда мощностей Р\ = 10...100 кВт, а на рис. 12, г показаны значения ограничивающих факторов. Анализ зависимостей показывает, что при мощностях более 40 кВт температура 1т и плотность теплового потока \¥„ могут превышать допустимые значения. Наиболее эффективным способом корректировки и IVи является уменьшение коэффициента Р (функция Рр на рис. 12, в). В этом случае стоимость увеличивается незначительно (менее 5 %). Уменьшение электромагнитных нагрузок приводит к более значительному повышению Стт и увеличе-

нию массогабаритных показателей НЭТ. Следует отметить, что при использовании в качестве материала КЗ обмотки нержавеющих немагнитных сталей, стоимость активных материалов повышается на 15...20 %, что экономически менее выгодно.

а)

165г

°С 160-

150-

из 145140 _

1,5 - 350

м витки

—

1,1 - 250

0,9 _ 200

щ

0,7 - 150

0,5 100

160-

Рис. 12. Результаты

160 -155 -/„,150 " 145-

исследовашш

Выполненные расчёты позволили получить рекомендации по проектированию НЭТ мощностью 10... 100 кВт. Например, для НЭТ с цилиндрической вторичной обмоткой из алюминиевого сплава АМГ5М исходные данные для проектирования целесообразно выбирать по рис. 13.

Р,-* Р\ —

Рис. 13. Рекомендации по выбору и р

Особый интерес представляет исследование трёхфазного НЭТ на основе планарной магнитной системы (см. рис. 6, а) с наиболее сложным распределением тепловых потоков. Выявлено, что на стоимость материалов Са1П и максимальную температуру изоляции ?„, в наибольшей степени оказывают влияние электромагнитные нагрузки (плотность тока в первичной обмотке ^ и индукция в стержне магнитопровода Вс), число витков в первичной обмотке и толщина

трубки вторичной обмотки 5Т. Математическая модель получена в виде (2). Анализ результатов исследований (рис. 14) показал, что при 5Т < 2 мм для обеспечения требуемого активного сопротивления трубки необходимо увеличивать её диаметр, что приводит к увеличению габаритов и стоимости индуктора. При 5Т > 3 мм диаметр трубки необходимо уменьшать, но для обеспечения требуемой поверхности охлаждения целесообразно увеличивать её длину. В этом случае резко повышается tm и приходится снижать Jh что является причиной возрастания Сает. Зависимость C3l„=J{W{) при постоянной J\ и Вс (рис. 14) имеет вид пологой кривой с точкой экстремума, в которой наблюдается минимум. Зависимость iII3 от W\ при тех же условиях так же имеет экстремум (максимум) в зоне больших значений W\, поэтому число витков при расчётах следует принимать в пределах 60...70. При больших значениях трудно обеспечить необходимую температуру tm и требуется значительное снижение плотности тока, что сказывается на стоимости. При меньших значениях И'] не обеспечивается необходимый по условиям безопасной эксплуатации НЭТ электрический потенциал на вторичной обмотке.

150

у. е.

МО

jlSO

С„

120

"" " "" ™ " 55 65 витки 85 °т-* ИЛ -»

Рис. 14. Результаты исследований НЭТ с пространственной магнитной системой

В работе получены рекомендации по проектированию НЭТ для других конструкций (см. рис. 4-6). Например, для однофазного тороидального НЭТ оценено влияние плотности тока в первичной обмотке, относительной высоты магнитопровода, изоляционного расстояния между первичной обмоткой и центральной трубкой 8Ь так как эта величина влияет на значение теплового потока от трубки к первичной обмотке. Четвёртым варьируемым фактором выбрано расстояние между первичной обмоткой и торцевой поверхностью, от которого зависит длина центральной трубки и, следовательно, плотность теплового потока с её поверхности. С учётом наложенных ограничений целесообразно выбирать значения плотности тока в области 3...3,5 А/мм2, относительную высоту магнитопровода в пределах 1... 1,5. Изоляционное расстояние 5] в диапазоне 3...4 мм и для уменьшения плотности теплового потока рекомендуется формировать выступающую часть центральной трубки.

В шестой главе рассмотрены особенности работы НЭТ в энергетических системах и особенности управления такими устройствами.

Источники теплоснабжения на основе НЭТ являются энергоёмкими нагрузками с нелинейными вольт-амперными характеристиками, которые потребляют из сети несинусоидальный ток, особенно в переходных режимах работы,

например при включении. Для выявления особенностей работы в энергетических системах и для оценки влияния на электрическую сеть и других потребителей разработана математическая и компьютерная модели ГОТ с плоской стержневой магнитной системой.

Исходя из схемы замещения НЭТ (рис. 15, а), уравнения напряжений принимают вид:

л Л 1Л

А

и,- л +Л'В,

иг =

аус а/

аг

+ ггЧ;

о =

аг 2с

(3)

где 1/А, ив, ис - фазные напряжения питающей сети; гъ гг - активные сопротивления первичной и вторичной обмоток; у в, Уо V«» Ус — потокосцеп-

фазные токи обмоток; / - время.

б)

Н1— V

А» к щ

К Т

ад

„ Л®

Рис. 15. Схемы замещения НЭТ с короткозамкнутой вторичной обмоткой

Потокосцепления можно выразить через соответствующие потоки \\1А = ФАМ\; = фв№1 > ус =ФС^ ;

где Ф,4, Фд, Фс - магнитные потоки соответствующих стержней магнитопрово-да; Ф|а, Ф2а, Ф3а - магнитные потоки рассеяния; Щ, ¡'У2 - число витков первичной и вторичной обмоток.

Магнитный поток нулевой последовательности в трёхфазном НЭТ с плоским стержневым магнитопроводом замыкается по воздуху, поэтому индуктивность для токов нулевой последовательности значительно меньше индуктивности для токов прямой последовательности. В этом случае, к уравнениям электрических цепей добавляются уравнения для магнитной цепи НЭТ, удовлетворяющие схеме замещения (см. рис. 15, б):

Рл = + Ъ (фл -'ф>™У> "К (Ф-1 - ф1».)+ -«оФо; рв = Яц2фв+Д, (Фв - Ф2») ; Ръ = -К (Фв - Ф2»)+я»Фо;

ф,„, ф2, ф„

где Га, Рц, /*с, 1'а, Рь, Рс ~ намагничивающие силы фаз обмоток; Ф0 - поток нулевой последовательности; Фш, Ф2т, Фзт - потоки взаимной магнитной связи;

К\>2, - магнитные сопротивления стержней; Яа, Я0 - магнитные сопротивления рассеяния и потоков нулевой последовательности.

Токи, протекающие по обмоткам, определялись через магнитодвижущие

w.,

г,

lr —

w,

_ 'ь

T '

w,

(4)

Магнитные сопротивления фаз Rfll, Rv2 и A'pj соответствуют сумме магнитных сопротивлений стержня, двух примыкающих воздушных зазоров и участков ярм. Для их определения рассчитано магнитное сопротивление Rц от потока стержня Фс и построена зависимость Rv =/(Ф<), которая при расчётах на ЭВМ представлена в виде аппроксимирующей функции.

Реализация математической модели осуществлена с помощью пакета моделирования динамических систем SimuJink системы MatLab на основе блока Differential Equation Editor (DEE) (рис. 16). В этот блок занесена система дифференциальных уравнений (3) в явной форме Коши. На входы подаются сигналы от источника напряжения, величины активных сопротивлений первичной и вторичной обмоток (блоки Г| и г2) и токи обмоток от блоков iA, iB, ic, ia, ib, ic, в которых производятся вычисления по формулам (4). На выходе блока DEE сформированы сигналы соответствующие потокам Фл, Фв, Фс, Ф,,„, ф3и. Нелинейность магнитных сопротивлений стержней учитывается с помощью блока R,„ =ДФС).

Рис. 16. Simulmk-модель НЭТ

Для связи с силовыми блоками из библиотеки SimPowerSystems на основе Simulink-модели создан электротехнический блок пользователя ТТНЕ (Transformer Type Heating Element). Для этого блока входными являются сигналы, пропорциональные фазным напряжениям, подаваемым на первичную обмотку НЭТ, а выходными - сигналы, пропорциональные фазным токам первичной обмотки. Для исследования влияния НЭТ на электрическую сеть общего назначения разработана компьютерная модель в среде MatLab. В качестве моделируемого устройства использовались блоки ТТНЕ с параметрами, соответствующими НЭТ мощностью от 10 до 100 кВт, которые подключались к источнику питания через блоки, имитирующие силовой трансформатор, линию электропередачи и др.

Было оценено влияние начальной фазы ф0 питающего напряжения, которая в реальных условиях работы является величиной случайной, на броски тока в первичной обмотке устройства и на искажение токов и напряжений в первый момент времени после включения. На рис. 17 показаны зависимости для тока и напряжения фазы А при самых неблагоприятных условиях включения <р0 = 0.

Рис. 17. Результаты моделирования для НЭТ мощностью 40 кВт

Исследования показали, что при любом значения ср0 коэффициенты искажения синусоидальности кривых фазных (кцА, кив и кис) и линейных (килв, кцвс и кисл) напряжений (рис. 18) входят в допустимый нормативным документом предел (предельно допустимое значение (ПДЗ) 12 %.).

Проведены исследования гармонического состава питающего напряжения при включении НЭТ к сети через силовые трансформаторы разной мощности (от 100 кВА до 400 кВА). Общий коэффициент искажения синусоидальности кривых напряжений для НЭТ различных мощностей Р не превышает ПДЗ. Следует отметить, что наблюдается некоторое превышение ПДЗ по ряду гармонических составляющих (ПДЗ для V = 2, V = 3, V = 4 и V = 8 на рис. 19 показаны пунктирными линиями). Эти превышения наблюдаются довольно короткое время после подключения НЭТ. При завершении переходного процесса рассматриваемые гармонические составляющие приходят в норму.

Для минимизации негативного влияния на питающую электрическую сеть и на других потребителей следует по возможности ограничивать мощность НЭТ в пределах 40 % от мощности сети. Для более мощных устройств целесообразны меры по снижению влияния нелинейной нагрузки, такие как изменение момента включения, что особенно актуально при использовании двухпозицион-ного регулирования мощности НЭТ.

Особенности НЭТ, используемых в системах энергообеспечения, во многом определяют специфику систем управления, на которую возлагаются определённые задачи: формирование управляющего сигнала заданной формы для

Рис. 18. Результаты исследования НЭТ мощностью 40 кВт

электронных ключей преобразователя напряжения; обеспечение плавного пуска; поддержание интенсивности нагрева или температуры нагреваемого объекта на уровне, заданном пользователем; защита потребителя от поражения электрическим током; отключение при ненормальных режимах работы; индикация заданного и достигнутого уровня температуры.

а)

б)

в)

ки,

1(^0 сВА 100 \ кВА

- ---

400 гВА

150 кВА

20 30 40 50 60

Р-

70 80 кВт 100

—Й—55—Й!—ТО-Р-

100 \ сВА

/ ---

^оо кВА

250 гВА

Рис. 19. Зависимости коэффициентов у-той гармонической составляющей напряжения кул от мощности РНЭТ: а) для V = 2; б) для V = 3; в) для V = 4; г) для V = 8

Необходимость обеспечения плавного пуска обусловлена характерным для НЭТ переходным процессом при подключении его к сети. Возникающие при этом ударные токи и перенапряжения отрицательно сказываются на состоянии изоляции, оказывают влияние на питающую сеть и должны быть, по возможности, снижены. Это может быть достигнуто включением НЭТ в строго определённый момент времени или осуществлением плавного пуска, т.е. величина напряжения во время включения плавно доводится до рабочего значения. Плавный пуск позволяет ограничить скорость нарастания температуры изоляции, электромагнитной силы в НЭТ и уменьшить искажение потребляемого тока и питающего напряжения, что обеспечивает увеличение срока службы изоляции и нагревателя в целом.

Схема управления НЭТ показана на рис. 20. Блок усилителей 1 предназначен для усиления сигналов управления вентилями преобразователя и коммутатора. Блок усилителей 2 — для усиления напряжений, снимаемых с датчиков тока, температуры и т.п. Интерфейс, включает в себя как органы управления электронагревателем, так и средства отображения информации. Формирователь управляющих импульсов - устройство, непрерывно вырабатывающее последовательность импульсов определённой формы, частоты и скважности. Он должен иметь количество каналов, равное числу ключей (или пар ключей) в схеме преобразователя. Логическое устройство обрабатывает сигналы, снимаемые с датчиков, и выдаёт соответствующие сигналы для управления коммутатором.

Устройство управления должно осуществлять отключение НЭТ и запрет на повторное включение в следующих случаях: при выходе из строя (замыкание

или пробой с последующим обрывом) любого из элементов преобразователя напряжения; при отсутствии объекта нагрева (для нагревателей жидких сред -«сухой ход»); при пробое межвитковой изоляции; при пробое изоляции между первичной и вторичной обмотками; при появлении токов утечки через вторичный контур.

Рис. 20. Схема управления НЭТ

Для управления мощностью НЭТ наиболее целесообразно использование двухпозиционного регулирования. Для реализации этого способа регулирования применяют коммутатор, включённый в цепь первичной обмотки. В качестве такого коммутатора может быть использован симметричный тиристор (сими-стор), пара тиристоров, включённых встречно-параллельно.

В седьмой главе приведены результаты практической реализации теоретических разработок и экспериментальных исследований НЭТ.

Анализ результатов проектирования показал, что у ЭРТ удельная масса сравнима с удельной массой маслонаполненных приборов, и незначительно больше сухих, а габариты меньше, чем габариты традиционных устройств.

При проектировании однофазных и трёхфазных НЭТ для нагрева воды целесообразно использовать полученные рекомендации. Анализ результатов проектирования различных конструкций НЭТ показал, что стоимость используемых материалов незначительно (менее 5 %) отличается от минимальных значений, полученных при исследованиях.

Для экспериментальных исследований НЭТ, определения температур его частей, энергетических и массогабаритных показателей были изготовлены физические модели различного назначения, конструктивного исполнения и мощности: ЭРТ с вертикально расположенным токопроводящим листом мощностью

технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона» (ЭЭЭ-2003), г. Комсомольск-на-Амуре, 2003 г.; двух Международных научно-практических конференциях в области экологии и безопасности жизнедеятельности «Дальневосточная весна», г. Комсомольск-на-Амуре, 2010 г., 2011г.; Международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы», г. Комсомольск-на-Амуре, 2010 г.; 2-й научно-практической конференции с международным участием «Инновационная энергетика 2010», г. Новосибирск, 2010 г.

Реализация работы осуществлена в рамках межвузовской региональной научно-технической программы «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития дальневосточного региона России («Дальний Восток России») по проекту «Совершенствование преобразователей энергии, бытового и промышленного электрооборудования, направленное на применение и освоение производства предприятиями Дальневосточного региона»; гранта Г-215/3 «Разработка конструкций и методики расчёта однофазных электроотопительных устройств трансформаторного типа»; ряда госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских тем, выполняемых на кафедре электромеханики КнАГТУ. На новые технические решения автором получено 10 патентов и свидетельств РФ.

Научные рекомендации и технические предложения автора использованы при разработке, проектировании и подготовке производства новых видов изделий на основе НЭТ на ОАО «Электротехническая компания «Биробиджанский завод силовых трансформаторов»; при разработке и создании электрорадиатора трансформаторного типа ЭРГПС-0,75/220(ст) по заданию ОАО «Амурская ЭРА, г. Комсомольск-на-Амуре. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также разработанная техническая документация переданы Ком-сомольскому-на-Амуре филиалу ООО «Научно-Технический Центр Информационные Технологии» для использования при проектировании и освоении производства новых типов нагревательных элементов для систем электронагрева; ООО «Амурская нерудная компания» и ООО «Дальневосточная нерудная компания» г. Амурск для использования при вводе в эксплуатацию новых источников теплоснабжения производственных помещений на основе электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа; Региональному учебно-научному инновационному центру энергосбережения (УНИЦЭ) при КнАГТУ для создания энергосберегающих систем теплоснабжения на основе электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа.

Основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе специальностей 140601 «Электромеханика» и 150408 «Бытовые машины и приборы» при изучении дисциплин «Бытовые машины и приборы», «Проектирование бытовых машин и приборов», «Бытовые электронагревательные устройства и приборы», «Математическое моделирование электрических машин», «Основы научных исследований», при проведении практических и лабораторных занятий по указанным курсам, а также при курсовом, дипломном

проектировании и при подготовке магистерских диссертаций по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

Созданные макетные образцы проточных и аккумуляционных электроводонагревателей, а также электрорадиаторов трансформаторного типа экспонировались на международных выставках в г. Шанхай, КНР (1996, 1997 гг.), на международной специализированной выставке «Российские наукоёмкие технологии и техника» в г. Харбине (КНР) (1996 г.), на региональных выставках в г.г. Хабаровске, Благовещенске, Комсомольске-на-Амуре (1996, 1997, 1998 гг.), на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций (изобретения, инвестиционно-привлекательные инновации, высокие технологии) (2008 г.) и на выставке в рамках международного симпозиума глав муниципальных образований с развитым машиностроением Азиатско-Тихоокеанского региона в г. Комсомольск-на-Амуре (2009 г.).

Личный вклад заключается в разработке новых конструкций, методик, алгоритмов и программ расчёта однофазных и трёхфазных электронагревательных элементов и устройств для систем энергообеспечения; создании и реализации математических моделей электромагнитных и тепловых процессов, протекающих в НЭТ, в том числе, программ для моделирования трёхмерного температурного поля в НЭТ с пространственной магнитной системой, программ для определения активного сопротивления вторичной обмотки сложной формы в трёхфазном НЭТ, компьютерной модели НЭТ для исследования динамических режимов работы в энергосистемах; создании методики определения исходных данных (электромагнитных нагрузок, обмоточных данных и размерных соотношений) для проектирования НЭТ с минимальной стоимостью материалов; получении рекомендаций для проектирования НЭТ разных конструкций и мощностей; проведении испытаний опытных образцов.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в монографии и 73 печатных работах, в том числе 13 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК. Новизна разработок подтверждается 10 патентами и свидетельствами Российской Федерации на изобретения и полезные модели. Зарегистрированы 4 программы для ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка из 210 наименований и 18 приложений. Содержит 375 страниц машинописного текста, 23 таблицы и 132 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дана общая характеристика научной проблемы, поставлены цель и задачи, показаны научная новизна и практическая ценность работы, перечислены методики проведения, апробация и реализация выполненных исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится анализ и классификация существующих систем теплоснабжения. Наиболее перспективно для потребителей, не имеющих возмож-

8. Показано, что наилучшими массогабаритными, эксплуатационными и технологическими показателями обладают НЭТ следующих типов:

— в качестве электроотопительных приборов - однофазные НЭТ мощностью 0,5...0,75 кВт с КЗ вторичной обмоткой, выполненной из токопроводящих листов и ленты;

— в качестве нагревательных элементов для бытовых установок электро-водонагрева аккумуляционного типа - однофазные тороидальные НЭТ мощностью 1,0... 1,25 кВт с КЗ вторичной обмоткой в виде объёмной полой камеры, внутри которой находится индуктор;

— в качестве нагревательных элементов для бытовых установок электро-водонагрева проточного типа - однофазные тороидальные НЭТ мощностью 2,0...7,0 кВт;

— в качестве нагревательных элементов проточного типа для систем горячего водоснабжения жилых домов - однофазные и трёхфазные НЭТ мощностью 2,0...40,0 кВт с вынесенной нагрузкой или с пространственной магнитной системой;

— в качестве ЭНУ для систем децентрализованного горячего водоснабжения и отопления (электрокотельные) — трёхфазные НЭТ мощностью 40,0...200,0 кВт с плоским стержневым магнитопроводом.

9. Научные разработки автора и технические решения, защищённые авторскими свидетельствами и патентами использованы при создании однофазных и трёхфазных ЭНУ трансформаторного типа, а также в учебном процессе, что подтверждается соответствующими документами. Анализ результатов освоения производства и опыт эксплуатации серийных образцов аккумуляционных и проточных ЭВН, ЭРТ, а также децентрализованных систем электроотопления и горячего водоснабжения на их основе, подтверждают эффективность использования НЭТ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Кузьмин, В. М. Разработка и исследование трансформаторов для установок электроводонагрева / В. М. Кузьмин, А. В. Сериков // Электротехника. — 2001,-№7.-С. 45-51.

2. Размыслов, В. А. Массогабаритные показатели электрорадиаторов трансформаторного типа / В. А. Размыслов, А. В. Сериков, Т. В. Герасименко // Электротехника. - 2005. - № 6. - С. 34-36.

3. Карпенко, В. А. Нагревательный элемент трансформаторного типа для системы теплоснабжения / В. А. Карпенко, А. В. Сериков, В. М. Кузьмин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2009. - № 2. -С. 344-346.

4. Сериков, А. В. Рекомендации к расчёту трёхфазных трансформаторов для установок нагрева воды / А. В. Сериков // Известия ВУЗов. Электромеханика. - 2011.-№ 2. - С. 8-12.

5. Сериков, А. В. Расчёт активного сопротивления вторичной обмотки в нагревательном элементе трансформаторного типа / А. В. Сериков,

B. М. Кузьмин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. -2011.-№ 1.-С. 306-310.

6. Сериков, А. В. Тепловой расчёт электрорадиатора трансформаторного типа / А.В.Сериков, Т.В.Герасименко // Электротехника. - 2011. - №7. -

C. 33-39.

7. Сериков, А. В. Рекомендации для расчёта трансформатора с коротко-замкнутой кольцевой вторичной обмоткой / А. В. Сериков, В. М. Кузьмин // Известия Томского политехнического университета. Энергетика. - 2011. - №4, Том 319.-С. 79-84.

8. Карпенко, В. А. Выбор варианта для расчёта трансформатора с корот-козамкнутой обмоткой в виде бака / В. А. Карпенко, А. В. Сериков // Вестник Тихоокеанского государственного университета. — 2011. - №4(23). — С. 105110.

9. Сериков, А. В. Исследование трансформаторов с пространственной магнитной системой для установок нагрева воды / А. В. Сериков, В. М. Кузьмин, В. И. Костюченко // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2011. - № 2. - С. 257-260.

10. Сериков, А. В. Расчёт трёхмерного температурного поля нагревательного элемента трансформаторного типа / А. В. Сериков, В. М. Кузьмин // Электротехника. — 2012. —№ 4. — С. 35-40.

11. Сериков, А. В. Электромагнитные процессы в нагревательном элементе трансформаторного типа для систем теплоснабжения / А. В. Сериков, В. М. Кузьмин // Известия Томского политехнического университета. Энергетика. - 2012. - № 4, Том 320. - С. 46-52.

12. Кузьмин, В. М. Особенности децентрализованных систем энергообеспечения на основе нагревательных элементов трансформаторного типа / В. М. Кузьмин, А. В. Сериков, И. П. Степанова // Учёные записки КнАГТУ. Науки о природе и технике. —2012. — № II — 1(10). — С. 18-22.

13. Сериков, А. В. Тепловые процессы в трёхфазном нагревательном элементе трансформаторного типа с пространственной магнитной системой / А. В. Сериков, И. С. Ковальчук // Известия ВУЗов. Электромеханика. — 2012. — №4.-С. 22-25.

Монография:

14. Сериков, А. В. Электронагревательные элементы и устройства трансформаторного типа для систем теплоснабжения / А. В. Сериков, В. М. Кузьмин. — Владивосток : Дальнаука, 2012. — 247 с.

Свидетельства, патенты на изобретения и полезные модели:

15. Свидетельство РФ № 2692 на полезную модель, МКИ Н05В 6/10. Трёхфазное электронагревательное устройство трансформаторного типа / Кузьмин В. М., Сериков А. В. (Россия). - № 95105690/20; Заявлено 13.04.95; Опубл. 16.08.96. Бюл.№ 8.-1 с.

16. Пат. 2101882 РФ на изобретение, МКИ Н05В 6/10, Р24Н 1/10.

Электроводонагревательное устройство трансформаторного типа /В.М.Кузьмин, А.В.Сериков, С.П.Бобровский (Россия). - №94044177/09; Заявлено 15.12.94; Опубл. 10.01.98. Бюл. №1 - 3 с.

17. Пат. 2109413 РФ на изобретение, МКИ Н05В 6/10, ¥24Н 3/04. Электронагревательное устройство / В. М. Кузьмин, С. П. Бобровский,

A. В. Сериков, Ю. М. Гуревич, А. В. Пяталов (Россия). - № 96107425/09; Заявлено 16.04.96; Опубл. 20.04.98. Бюл. № 11 - 3 с.

18. Свидетельство РФ № 13133 на полезную модель, МКИ Н05В 6/10. Электронагреватель трансформаторного типа / В. М. Кузьмин, А. В. Сериков, К. Е. Тюсов, Л. В. Меренкова (Россия). - № 99117308/20; Заявлено 06.08.99; Опубл. 20.03.2000. Бюл. №8.-1 с.

19. Пат. 2153779 РФ на изобретение, МКИ Н05В 6/10, Р24Н 1/10. Электроводонагреватель трансформаторного типа / А. В. Сериков,

B.М.Кузьмин, Р.Г.Игнатов (Россия). - № 98113611/09; Заявлено 15.07.98; Опубл. 27.07.2000. Бюл. № 21 - 1 с.

20. Свидетельство РФ № 21992 на полезную модель, МКИ Н05В 6/10. Электроводонагреватель трансформаторного типа / В. М. Кузьмин, А.В.Сериков, М. М. Борисенко (Россия). - №2001116347/20; Заявлено 13.06.2001; Опубл. 27.02.2002. Бюл. № 6. - 2 с.

21. Пат. 2218675 РФ на изобретение, МКИ Н05В 6/10. Электроводонагреватель трансформаторного типа / В. М. Кузьмин, А. В. Сериков, М. М. Борисенко (Россия). - №2001105221/09; Заявлено 23.02.2001; Опубл. 10.12.2003. Бюл. №34.-3 с.

22. Пат. 2235445 РФ на изобретение, МКИ Н05В 6/10. Электроводонагреватель трансформаторного типа / В. М. Кузьмин, В. А. Размыслов, А. А. Вакулюк, А.В.Сериков (Россия). - №2002106568/09; Заявлено 14.03.2002; Опубл. 27.08.2004. Бюл. № 24. - 2 с.

23. Пат. 44910 РФ на полезную модель, МПК Н05В 6/10. Устройство для преобразования энергии и нагрева воды / В. М. Кузьмин, А. В. Сериков,

A. А. Вакулюк, А.В.Ким (Россия). - №2004127728/22; Заявлено 16.09.2004; Опубл. 27.03.2005. Бюл. №9.-1 с.

24. Пат. 66875 РФ на полезную модель, МПК Н05В 6/10. Электроводонагреватель трансформаторного типа / В. М. Кузьмин, А. В. Сериков,

B. И. Костюченко (Россия). - №2007109829/22; Заявлено 16.03.2007; Опубл. 27.09.2007. Бюл. № 27. - 1 с.

Свидетельства о регистрации программ:

25. Свидетельство № 2001611535 об официальной регистрации программы для ЭВМ. Электромагнитный и тепловой расчёт нагревательного элемента трансформаторного типа (ЭлМагТеплоНЭТ) / А. В. Сериков (Россия). -№2001610954; Заявлено 20.07.2001; Зарегистр. 13.11.2001.

26. Свидетельство № 2007611879 об официальной регистрации программы для ЭВМ. Расчёт трёхмерного температурного поля в трансформаторе с пространственной магнитной системой и короткозамкнутой вторичной обмот-

кой методом конечных элементов / А.В.Сериков (Россия). - №2007610936; Заявлено 20.03.2007; Зарегистр. 08.09.2007.

27. Свидетельство № 2012613239 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Электромагнитный расчёт однофазного нагревательного элемента трансформаторного типа / В.А. Карпенко, А. В. Сериков (Россия). -№ 2012610859; Заявлено 13.02.2012; Зарегистр. 05.04.2012.

28. Свидетельство № 2012613240 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Расчёт температурного поля однофазного нагревательного элемента трансформаторного типа / В.А. Карпенко, А. В. Сериков (Россия). -№ 2012610860; Заявлено 13.02.2012; Зарегистр. 05.04.2012.

Учебные пособия:

29. Размыслов, В. А. Электрорадиаторы трансформаторного типа: учеб. пособие / В. А. Размыслов, А. В. Сериков - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2006. - 47 с.

30. Сериков, А. В. Основы теории и расчёт бытовых электронагревательных устройств дополнительного отопления: учеб. пособие / А. В. Сериков -Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. - 130 с.

Статьи, тезисы докладов:

31. Сериков, А. В. Оптимизация конструкции и выбор основных электромагнитных нагрузок в нагревательном элементе трансформаторного типа /

A. В. Сериков, В. М. Кузьмин // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: тез. докл. регион, науч.-техн. конф. -Иркутск, 1994. -Ч. 1. - С. 40-41.

32. Сериков, А.В. Математическая модель для оптимального проектирования нагревательных элементов трансформаторного типа / А. В. Сериков,

B. М. Кузьмин, С. П. Бобровский // Машиностроительный и приборостроительный комплексы ДВ, проблемы конверсии по итогам выполнения МРНТП «Дальний Восток России» за 1993-1996 гг. - Комс.-н/А, 1996. - С.59-60.

33. Сериков, А.В. Особенности электромагнитного расчёта трёхфазного нагревательного элемента трансформаторного типа с пространственной магнитной системой / А.В. Сериков, В.М. Кузьмин // Вестник Комсомольского-на-Амуре гос. техн. ун-та. Электромеханика и автоматизация производственных систем: сб. науч. тр. — Комс.-н/А, 1996. - Вып.1. Сб. 5 - С. 57-66.

34. Ivanov, S. Design and Investigation of Transformer-type Electric Heaters / S. Ivanov, V. Kuzmin, V. Razmyslov, V. Romanyuk, A. Serikov, A. Yanchenko // Proceedings of the Third International Conference on New Energy Systems and Conversion (NESSC-97). - Kazan, 1997. - P. 209-214.

35. Сериков, А. В. Расчёт механической прочности вторичной обмотки нагревательного элемента трансформаторного типа / А. В. Сериков, В. М. Кузьмин // Проблемы механики сплошной среды: материалы междунар. науч.-техн. конф. - Комс.-н/А, 1998. - Ч. 1. - С. 73-77.

36. Сериков, А. В. Расчёт теплового поля трёхфазного электроводонагревателя трансформаторного типа / А.В.Сериков, В.М.Кузьмин //Электро-

энергетика и энергосберегающие технологии: межвуз. сб. науч. трудов. - Владивосток, Дальневост. гос. техн. ун-т, 1998. - С. 43-51.

37. Сериков, А. В. Выбор конструкции вторичной обмотки трёхфазных трансформаторов с пространственной магнитной системой для установок элек-троводонагрева / А. В. Сериков // Повышение эффективности и надёжности систем электроснабжения: межвуз. сб. науч. трудов. - Хабаровск: Дальневост. гос. ун-т путей сообщения, 1999. - С.156-162.

38. Сериков, A.B. Расчёт переходных процессов в нагревательном элементе трансформаторного типа / A.B. Сериков, М.М. Борисенко // Вестник Комсомольского-на-Амуре гос. техн. ун-та: Прогрессивные технологии в специальном машиностроении и строительстве: Сб. науч. тр. - Комс.-н/А, 2002. -Вып.З. Сб.1. - С. 116-120.

39. Сериков, А. В. Особенности проектирования трёхфазных трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой для установок электронагрева / А. В. Сериков, В. М. Кузьмин, М. М. Борисенко // Вестник УГТУ-УПИ. Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы. - Екатеринбург, 2003. -№ 5(25). - С. 223-226.

40. Сериков, А. В. Моделирование теплового поля в трёхфазном трансформаторе с короткозамкнутой вторичной обмоткой / А. В. Сериков, В. М. Кузьмин, М. М. Борисенко // Пути и технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона, материалы междунар. науч.-техн. конф. ЭЭЭ-2003. - Комс.-н/А, 2003. -Ч. 2. - С. 104-110.

41. Сериков, А. В. Моделирование тепловых процессов в нагревательном элементе трансформаторного типа / А. В. Сериков, В. М. Кузьмин, А. В. Пяталов // Электромеханические преобразователи энергии: материалы междунар. науч.-техн. конф. - Томск: Томский политехи, ун-т, 2007. - С. 27-29.

42. Сериков, А. В. Тепловые процессы в бытовом электрорадиагоре трансформаторного типа / А. В. Сериков, Т. В. Герасименко // Учёные записки КнАГТУ. Науки о природе и технике.-2010-№П- 1 (2).-С. 13-20.

43. Карпенко, В. А. Нетрадиционные источники энергообеспечения для жилых помещений / В. А. Карпенко, А. В. Сериков, В. М. Кузьмин // Инновационная энергетика 2010: материалы второй науч.-практ. конф. с междунар. участием. -Новосибирск, 2010 - С. 161-162.

44. Сериков, A.B. Моделирование тепловых процессов в трансформаторах с короткозамкнутой вторичной обмоткой / A.B. Сериков // Электротехнические комплексы и системы: материалы междунар. науч.-техн. конф — Комс.-н/А: ГОУВПО «КнАГТУ», 2010. - Т. 3. - С. 240-243.

45. Карпенко, В. А. Рекомендации по выбору безопасного нагревательного элемента трансформаторного типа для системы теплоснабжения / В. А. Карпенко, А. В. Сериков // Материалы 11-ой науч.-практ. конф. с междунар. участием «Дальневосточная весна - 2011» - Комс.-н/А, 2011. — С. 222-226.

Сериков Александр Владимирович

Электронагревательные элементы и устройства трансформаторного типа для систем энергообеспечения

Автореферат

Подписано в печать 14.11.2012. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Ризограф RIZO EZ 570Е Усл. печ. л. 2,32. Уч.-изд. л. 2,20. Тираж 100. Заказ 25187

Полиграфическая лаборатория федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОНАГРЕВА.

1.1. Классификация систем теплоснабжения.

1.2. Перспективы развития электрических систем теплоснабжения.

1.3. Основные принципы построения нагревательных элементов.

2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА ДЛЯ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ.

2.1. Принцип построения и классификация нагревательных элементов трансформаторного типа.

2.2. Нагревательные устройства трансформаторного типа для систем дополнительного отопления.

2.3. Конструктивные схемы однофазных нагревательных элементов трансформаторного типа для систем нагрева жидкостей.

2.4. Трёхфазные нагревательные элементы с плоским стержневым магнитопроводом.

2.5. Нагревательные элементы трансформаторного типа с пространственной магнитной системой.

2.6. Электронагревательные устройства с вращающимся магнитным полем.

ВЫВОДЫ.

3. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСЧЁТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА.

3.1. Особенности электромагнитных процессов в нагревательных элементах трансформаторного типа.

3.2. Электромагнитные расчёты однофазных нагревательных устройств трансформаторного типа для систем отопления.

3.3. Электромагнитные расчёты однофазных нагревательных элементов для систем горячего водоснабжения.

3.4. Методика расчёта трёхфазных нагревательных элементов трансформаторного типа.

3.5. Особенности электромагнитных расчётов трёхфазных нагревателей с пространственной магнитной системой.

3.6. Определение параметров вторичного контура сложной формы и учёт эффекта вытеснения тока.

ВЫВОДЫ.

4. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА.

4.1. Оценка теплового состояния нагревательных элементов с короткозамкнутой обмоткой методом схем замещения.

4.2. Тепловые поля в однофазных нагревательных элементах трансформаторного типа.

4.3. Трёхмерное температурное поле нагревательного элемента с пространственной магнитной системой.

ВЫВОДЫ.

5. ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С КОРОТКОЗАМКНУТОЙ ОБМОТКОЙ.

5.1. Особенности применения метода планирования эксперимента при проектировании нагревательных элементов.

5.2. Проектирование однофазных тороидальных нагревательных элементов трансформаторного типа.

5.3. Проектирование трёхфазных нагревательных элементов с плоской магнитной системой с использованием метода планирования эксперимента.

5.4. Особенности проектирования нагревательных элементов с пространственной магнитной системой.

ВЫВОДЫ.

6. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С КОРОТКОЗАМКНУТОЙ ВТОРИЧНОЙ ОБМОТКОЙ

В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

6.1. Принципы формирования децентрализованных систем энергообеспечения на основе нагревательных элементов трансформаторного типа.

6.2. Моделирование динамических режимов работы нагревателя с короткозамкнутой вторичной обмоткой.

6.3. Особенности управления системами теплоснабжения на основе нагревательных элементов трансформаторного типа.

ВЫВОДЫ.

7. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАЗРАБОТОК И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСФОРМАТОРНОГО ТИПА ДЛЯ СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ.

7.1. Результаты проектирования нагревательных элементов трансформаторного типа для систем энергообеспечения.

7.2. Экспериментальные исследования нагревательных элементов и устройств трансформаторного типа.

7.3. Результаты освоения серийного производства нагревательных устройств и систем с нагревательными элементами трансформаторного типа.

7.4. Способы повышения надёжности нагревательных элементов трансформаторного типа.

ВЫВОДЫ.

Современное производство и быт требуют широкого использования электрической и тепловой энергии. Системы энергообеспечения позволяют создать необходимые условия производства и комфорт на различных предприятиях и для бытовых потребителей. Важнейшими функциями этих систем являются эффективное генерирование, доставка и распределение тепловой энергии для отопления, горячего водоснабжения и удовлетворения технологических нужд.

Совершенствование электротехнических устройств и систем позволяет интенсифицировать ряд процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйствах, повышает качество, улучшает массо-габаритные и энергетические показатели многих промышленных и бытовых приборов и систем, повышает удобство их эксплуатации. Производство тепловой энергии, как средство создания необходимых комфортных условий возникло в древнейшие времена и с тех пор является спутником человека на пути цивилизованного развития. Замена традиционных видов нагрева на основе твёрдого, жидкого или газообразного топлива электронагревом повышает надёжность и безопасность оборудования, облегчает контроль и регулирование температуры. Развитие электронагревательных приборов является важным мероприятием, направленным на повышение производительности труда и жизненного уровня, экономию времени, улучшения санитарно-гигиенических условий жилищ и создание необходимого комфорта. Поэтому одной из наиболее важных и сложных проблем в развитии экономики является проблема повышения эффективности производства тепловой энергии.

В настоящее время горячее водоснабжение и обогрев общественных зданий, предприятий разных форм собственности, многоквартирных домов, жилых и промышленных помещений в крупных городах осуществляется присоединением их к теплоцентрали, а в небольших населённых пунктах с помощью котельных и печного отопления. При централизованном теплоснабжении помещения оборудуются системами центрального водяного отопления и горячего водоснабжения. Даже при условии увеличения объёма жилищного фонда и вводе в эксплуатацию новых объектов, охваченных централизованным отоплением и горячим водоснабжением, в настоящее время и на достаточно продолжительную перспективу сохранится множество жилых и производственных зданий, не имеющих централизованных систем энергообеспечения. Особенно остро стоит проблема получения тепла в небольших населенных пунктах и фермерских хозяйствах, а также в жилых зданиях, удаленных от тепломагистралей. В ряде случаев, строительство маломощных котельных, обеспечение их привозным топливом и обслуживающим персоналом встречает значительные затруднения. Поэтому там, где экономически невыгодно обустройство централизованных систем снабжения теплом и горячей водой (в небольших городах, сельской местности с преобладанием малоквартирных домов, на небольших промышленных и сельскохозяйственных предприятиях, в фермерских хозяйствах, в северных районах, где имеются большие трудности для прокладки и эксплуатации теплотрасс и т.д.) потребность в тепловой энергии и горячей воде может быть удовлетворена путём установок приборов децентрализованного нагрева, например, устройств с электрическим нагревом. Реализация систем децентрализованного электронагрева не требует значительных капиталовложений, строительных работ и постоянного обслуживающего персонала, а также отпадает необходимость организации доставки и хранения топлива.

Наиболее распространенными типами электронагревательных устройств являются установки, выполненные на основе трубчатых нагревательных элементов (ТЭН), электродные электроводонагреватели и электронагреватели с открытыми тепловыделяющими элементами. Основными недостатками этих видов электроприборов являются их низкая надёжность и недостаточный уровень безопасности в эксплуатации.

Установки индукционного нагрева, широко применяющиеся в промышленности, обладают высокой степенью безопасности в эксплуатации, но имеют низкие энергетические показатели.

Качественно улучшить условия нагрева могут нагревательные элементы трансформаторного типа (НЭТ), в которых индуктор, как в силовых трансформаторах, состоит из магнитопровода и первичной обмотки. Особенностью конструкции таких элементов является вторичная обмотка, выполненная в виде короткозамкнутого витка. НЭТ можно выполнять на основе однофазных и трёхфазных магнитных систем. Основная доля тепла выделяется во вторичной обмотке, которая непосредственно, без промежуточного теплообменника или слоя изоляции, омывается нагреваемой средой. Такое техническое решение позволяет получить более безопасный в эксплуатации нагревательный элемент с большим сроком службы.

В последнее время, несмотря на быстрое расширение производства электронагревателей, спрос на них значительно превышает предложение. Для покрытия потребностей промышленности и бытового сектора необходимо развивать производство установок энергообеспечения, создавать новые виды электронагревателей, разрабатывать методики их расчёта и проектирования, которые базируются на результатах теоретических и экспериментальных исследований.

В связи с вышеизложенным, возникает необходимость разработки новых типов нагревательных элементов, обеспечивающих повышенный класс электробезопасности, высокую надёжность и долговечность при минимальных массо-стоимостных показателях. Сведения о создании и использовании электронагревателей трансформаторного типа появились около 50 лет назад. Исследования трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой для установок электронагрева проводятся в течение многих лет на кафедре «Электромеханика» Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета под руководством В.М. Кузьмина. Результаты этих исследований опубликованы в работах С.Н. Иванова, В.А. Размыслова, A.B. Пяталова, A.B. Янченко, В.П. Романюка, Т.В. Герасименко, В.И. Костюченко, В.А. Карпенко и других. Большой вклад в разработку, исследование и освоение производства электронагревательных устройств трансформаторного типа сделали В.В. Казаков, В.Н. Федяй, Ю.М. Гуревич, С.П. Бобровский, А.И. Елшин, В.М. Казанский [107, 108] и другие учёные. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в этой области проводились в АО «Дальпромэлек-тро», ОАО «Электротехническая компания «Биробиджанский завод силовых трансформаторов» (г. Биробиджан), КнАГТУ (г. Комсомольск-на-Амуре), НИИ «Дальстандарт» (г. Хабаровск), ВИТ (г. Запорожье), АОЗТ «НЭЛМА», НГТУ (г. Новосибирск), ПГУПС (г. Санкт-Петербург) и др.

Отсутствие в отечественной и зарубежной технической литературе достаточного количества работ, обобщающих теоретические и практические сведения по электронагревательным устройствам трансформаторного типа, сдерживает их развитие и внедрение в производство.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Целью настоящей диссертационной работы является решение крупной научно-технической проблемы по повышению безопасности и улучшению эксплуатационных показателей систем энергообеспечения, в первую очередь горячего водоснабжения и отопления, в том числе для объектов, не имеющих централизованного теплоснабжения, за счёт создания теплогенерирующего оборудования на основе новых видов электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа.

В соответствии с указанной целью в работе ставятся следующие задачи:

-анализ существующих и перспективных электротехнических устройств для систем энергообеспечения, экономично и безопасно обеспечивающих заданные температурные условия посредством преобразования электрической энергии в тепловую;

-разработка улучшенных конструкций электронагревательных элементов и устройств на основе трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой;

- анализ электромагнитных и тепловых процессов, разработка методик проектирования, определения параметров элементов конструкций, электромагнитных и тепловых нагрузок, энергетических показателей НЭТ, получение рекомендаций для проектирования таких устройств;

- создание комплекса программ для расчёта и проектирования НЭТ, предназначенных для работы в системах энергообеспечения;

- выявление особенностей работы НЭТ в системах теплоснабжения, разработка методов управления этими устройствами, работающими в энергетических системах;

-выполнение комплекса работ по созданию, экспериментальному исследованию и освоению производства новых видов электронагревательных устройств трансформаторного типа.

АКТУАЛЬНОСТЬ рассматриваемых в работе вопросов вызвана потребностью повышения безопасности и эффективности использования электрической энергии в процессе преобразования её в тепловую, необходимостью разработки и исследования новых видов электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа с высокими техникоэкономическими и эксплуатационными показателями, которые могут использоваться в бытовых и промышленных установках систем энергообеспечения.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ включают аналитические и численные методы расчёта электромагнитных и тепловых полей, теорию электрических цепей, теплофизику, теорию подобия, теорию планирования эксперимента, физическое, математическое и численное моделирование, современные методы, способы и средства экспериментальных исследований. В качестве основных математических средств использованы методы математического анализа, вычислительная математика, математический аппарат теории планирования эксперимента, дискретной математики, методы математического программирования. Использовались пакеты ELCUT, ANSYS, MatLab, MathCAD, а также системы программирования Delphi, Visual Basic и др.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ подтверждается как использованием апробированных теоретических положений и математического аппарата, так и согласованными результатами вычислительных и физических экспериментов, испытаниями опытных образцов в реальных условиях, а также результатами их внедрения и опытной эксплуатации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в решении сложной научно-технической проблемы, которая требует проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований, обеспечивающих повышение безопасности и улучшение эксплуатационных показателей систем энергообеспечения, в частности:

- сформулированы требования, предъявляемые к системам энергообеспечения на основе НЭТ, и разработаны принципы формирования таких систем;

- получены новые математические модели электромагнитных и тепловых процессов, позволяющие проектировать и исследовать однофазные и трёхфазные НЭТ с учётом особенностей их конструкции и режимов работы;

-разработаны методики проектирования, определения параметров, размерных соотношений, электромагнитных и тепловых нагрузок НЭТ;

- создана методика выбора варианта конструкции при проектировании НЭТ с минимальной стоимостью материалов;

-разработаны и предложены новые конструкции нагревательных элементов, обеспечивающие повышенный класс электробезопасности и высокие эксплуатационные показатели систем энергообеспечения;

- предложен метод управления НЭТ с учётом особенностей их работы, в том числе в энергетических системах ограниченной мощности;

-разработаны рекомендации по проектированию и использованию НЭТ в системах энергообеспечения.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Новые конструкции электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа, обеспечивающих высокие показатели безопасности и надёжности в эксплуатации.

2. Методика и алгоритмы электромагнитного расчёта однофазных и трёхфазных электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа, учитывающие особенности конструкции и режимов работы таких устройств в системах отопления и горячего водоснабжения.

3. Математические модели электромагнитных процессов, позволяющие определять параметры вторичного короткозамкнутого контура сложной формы для адекватного расчёта нагревательного элемента заданной мощности.

4. Математические модели тепловых процессов, позволяющие определять области с наибольшей температурой и значения этой температуры с целью улучшения конструкции и оценки правильности выбора электромагнитных нагрузок и размерных соотношений на этапе проектирования НЭТ.

5. Методика определения исходных данных (электромагнитных нагрузок, обмоточных данных и размерных соотношений) для проектирования НЭТ с использованием метода планирования эксперимента, на основе которого производится построение и анализ функциональных зависимостей для поиска варианта с минимальной стоимостью материалов, используемых в нагревательном устройстве.

6. Комплекс программ для расчёта, проектирования и исследования электромагнитных и тепловых процессов в НЭТ, в том числе, программа моделирования трёхмерного температурного поля в конструкции с пространственной планарной магнитной системой.

7. Математическая и компьютерная модели для анализа динамических режимов работы трёхфазного НЭТ в электрических сетях ограниченной мощности, учитывающая особенности конструкции и режимы работы нагревательного элемента.

8. Рекомендации по проектированию, использованию и эксплуатации электронагревательных устройств трансформаторного типа для систем энергообеспечения, полученные на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в решении крупной научно-технической проблемы по повышению безопасности и улучшению эксплуатационных показателей систем энергообеспечения, за счёт создания теплогенерирующего оборудования на основе новых конструкций электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа; создании методик и алгоритмов электромагнитных и тепловых расчётов и ,, I г, 'г, ' их реализации с использованием пакетов современных прикладных программ и авторского программного обеспечения при проектировании и исследовании предложенных устройств; разработке теоретических положений и практических рекомендаций по выбору электромагнитных нагрузок, обмоточных данных и размерных соотношений при проектировании, конструировании и эксплуатации электротехнических устройств генерации тепловой энергии в системах энергообеспечения потребителей, удалённых от централизованных источников тепловой энергии; создании макетных и опытно-промышленных образцов электронагревательных элементов и устройств трансформаторного типа для систем энергообеспечения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-техническом семинаре электротехнического факультета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, 2012 г.; двух дальневосточных научно-практических конференциях «Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий», г. Комсомольск-на-Амуре, 1992 г., 1995 г.; региональной научно-технической конференции «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», г. Иркутск, 1994 г.; двух Международных научно-технических симпозиумах «Научное и научно-техническое обеспечение экономического и социального развития Дальневосточного региона», г. Комсомольск-на-Амуре, 1994 г., 1995 г.; конференции по итогам выполнения МРНТП «Дальний Восток России» за 19931996 гг. «Машиностроительный и приборостроительный комплексы Дальнего Востока проблемы конверсии», г. Комсомольск-на-Амуре, 1996 г.; научно-техническом семинаре электротехнического факультета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, 1997 г.; 3-й Международной конференции «Новые энергетические системы и преобразование энергии» (№}88С'97), г. Казань 1997 г.; научно-техническом семинаре кафедры электрических машин и аппаратов Томского политехнического университета, 1997 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы механики сплошной среды», г. Комсомольск-на-Амуре, 1998 г.; двух Международных научно-технических конференциях «Электромеханические преобразователи энергии», г. Томск, 2001 г., 2007 г.; Международной научно-технической конференции «Пути и технологии экономии и повышения эффективности использования энергетических ресурсов региона» (ЭЭЭ-2003), г. Комсомольск-на-Амуре, 2003 г.; двух Международных научно-практических конференциях в области экологии и безопасности жизнедеятельности «Дальневосточная весна», г.Комсомольск-на-Амуре, 2010 г., 2011г.; Международной научно-технической конференции «Электротехнические комплексы и системы», г.Комсомольск-на-Амуре, 2010г.; 2-й научно-практической конференции с международным участием «Инновационная энергетика 2010», г. Новосибирск, 2010 г.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ осуществлена в рамках межвузовской региональной научно-технической программы «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития дальневосточного региона России («Дальний Восток России») по проекту «Совершенствование преобразователей энергии, бытового и промышленного электрооборудования, направленное на применение и освоение производства предприятиями Дальневосточного региона», гранта Г-215/3 «Разработка конструкций и методики расчёта однофазных электроотопительных устройств трансформаторного типа», ряда госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских тем, выполняемых на кафедре электромеханики КнАГТУ. На новые технические решения автором получено 10 патентов и свидетельств РФ.

Научные рекомендации и технические предложения автора использованы при разработке, проектировании и подготовке производства новых видов изделий на основе нагревательных элементов трансформаторного типа на ОАО «Электротехническая компания «Биробиджанский завод силовых трансформаторов»; при разработке и создании электрорадиатора трансформаторного типа ЭРГПС-0,75/220(ст) по заданию ОАО «Амурская ЭРА, г. Комсомольск-на-Амуре. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, а также разработанная техническая документация переданы в Комсомольский-на-Амуре филиал ООО «Научно-Технический Центр Информационные Технологии» для использования при проектировании и освоении производства новых типов нагревательных элементов для систем электронагрева; ООО «Амурской нерудной компании» и ООО «Дальневосточной нерудной компании» г. Амурск для использования при вводе в эксплуатацию новых источников теплоснабжения производственных помещений на основе нагревательных элементов трансформаторного типа; Региональному учебно-научному инновационному центру энергосбережения (УНИЦЭ) при Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете для создания энергосберегающих систем теплоснабжения на основе нагревательных элементов трансформаторного типа.

Основные положения диссертационной работы используются в учебном процессе специальностей 140601 «Электромеханика» и 150408 «Бытовые машины и приборы» при изучении дисциплин «Бытовые машины и приборы», «Проектирование бытовых машин и приборов», «Бытовые электронагревательные устройства и приборы», «Математическое моделирование электрических машин», «Основы научных исследований», при проведении практических и лабораторных занятий по указанным курсам, а также при курсовом, дипломном проектировании и при подготовке магистерских диссертаций по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

Созданные макетные образцы проточных и аккумуляционных электроводонагревателей, а также электрорадиаторов трансформаторного типа экспонировались на международных выставках в г. Шанхай, КНР (1996, 1997 гг.), на международной специализированной выставке «Российские наукоёмкие технологии и техника» в г. Харбине (КНР) (1996 г.), на региональных выставках в г.г. Хабаровске, Благовещенске, Комсомольске-на-Амуре (1996, 1997, 1998 гг.), на УШ Московском международном салоне инноваций и инвестиций (изобретения, инвестиционно-привлекательные инновации, высокие технологии) (2008 г.) и на выставке в рамках международного симпозиума глав муниципальных образований «Союза городов с развитым машиностроением Северо-Восточной Азии (иМСА)» в г. Комсомольск-на-Амуре (2009 г.).

ЛИЧНЫМ ВКЛАД заключается в разработке новых конструкций, методик, алгоритмов и программ расчёта однофазных и трёхфазных электронагревательных элементов и устройств для систем энергообеспечения; создании и реализации математических моделей электромагнитных и тепловых процессов, протекающих в НЭТ, в том числе, программ для моделирования трёхмерного температурного поля в НЭТ с пространственной магнитной системой, программ для определения активного сопротивления вторичной обмотки сложной формы в трёхфазном НЭТ, компьютерной модели НЭТ для исследования динамических режимов работы в энергосистемах; создании методики определения исходных данных (электромагнитных нагрузок, обмоточных данных и размерных соотношений) для проектирования НЭТ с минимальной стоимостью материалов; получении рекомендаций для проектирования НЭТ разных конструкций и мощностей; проведении испытаний опытных образцов.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации опубликованы в 73 печатных работах, в том числе 13 в изданиях из списка, рекомендованного ВАК. Новизна разработок подтверждается 10 патентами и свидетельствами на изобретения и полезные модели. Зарегистрированы 4 программы для ЭВМ.

СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка из 210 наименований и 18 приложений. Содержит 375 страниц машинописного текста, 23 таблицы и 132 рисунка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ