автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электротехнические комплексы тока повышенной частоты для технологий и транспорта (развитие теории, синтез параметров, разработка)

МИНИСТЕГЧ Л ВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ЙУДАРСТВЕН1ТЛЯ ГОРНАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ТОКА ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЙ И ТРАНСПОРТА (РАЗВИТИЕТЕОРИИ, СИНТЕЗ ПАРАМЕТРОВ, РАЗРАБОТКА)

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

На правах рукописи

ВЫП АНЛСЕНКО Станислав Иванович

УДК 621.311:621.34

Автореферат

диссертации на соиа шие ученой степени доктс ра технических наук

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

На правах рукописи

ВЫПАНЛСЕНКО Станислав Иванович

УДК 621.311:621.34

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ГОКА ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЙ И ТРАНСПОРТА

С}

(РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ, СИНТЕЗ ПАРАМЕТРОВ, РАЗРАБОТКА)

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая 'их управление и регулирование

Авторе ферат

диссертации на соио ;ние ученой степени доктора технических наук

Диссертация представлена в форме рукописи.

Работа выполнена в Государственной горной акалемии Украины.

Научный консультант: чл.-корр. АН Украины, д-р техн.наук, проф. Пивняк Геннадий Григорьевич

Официальна.; оппоненты: д-р технлшук, проф.

Долбня Виктор Тимофеевич,

д-р техн.наук, проф.

Костин Николай Александрович,

д-р техн.наук

Исаков Владимир Николаевич

Ведущая организация: Донецкий научно-исследовательский угольный институт (ДонУГИ )

Защита состоится " ?*"23995 г. в час.

¡а заседании специализированного совета Д 068.08.02 но защите [иссертацмй при Государственной горной академии Украины 320027, Днепропетровсх-27, проспект К.Маркса, 19, тел.47-24-11).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государ-твеннон гор» .ой академии Украины

Автореферат разослан "_"_ 1995 г.

Ученый екретарь

специализированного совета, (_— /

канд.техн.наук, доцент /1 В.'Г.Заика

ОБЩА Я ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

с

!" Актуальность проблемы. Электротехнические комплексы тока повышенной частоты, обеспечивающие передачу эисрпш технологическим объектам и транспортным- средствам посредством создаваемых магнитных пояен п использующие в качестве истопников питания двухзвепные тнрпсторные преобразователи частоты, получили широкое применение в металлургии, машиностроении, горной промышленности благодаря высокой эффективности, обуслоплен-ной особенностями ток j повышенной частоты. Хорошая тпанс-фо^мпрусмость тока позволяет реализовать системы, исключающие гальваническую связь потребители с источником питания," обеспечивающие передачу энергии подвижным объектам, использующие сие-г циничные эффекты, связанные с протеканием тста повышенной частоты (поверхпостный эффект, эффект близости). Известны кысоко-эффектппные технологии индукционного нагрева материалов (правка, ковка, штамповка, закалка, отпуск), плазмотроны, систему ультразвуковой обработан г/атер'иалов, электродинамической сепарации, бесконтактного электрического транспорта н др. Указанные преимущества со: дают предпосылки дли разработки новых систем, расширяющих область прим'"яения толов повышенной частоты, отвечающих современным требованиям энергосберегающих технологий.

Энергетические, мшхогабаритные показатели этих систем, возможности в управлении технологическими процессами о значительной мере завися! от режимов работы элсктротехнологическнх комплексов. Правильный выбор режимов „функционирования способствует не только улучшению эксплуатационных характеристик, но и, в случае реализации дополнительных функций, расшнр,№ возможности самой технологии. Отсутствие единых подходов к формированию режимов зачастую является причиной pea .изацин недостаточно обоснованных технических решен; й, не учитывающих взаимной обусловленности параметре! режима отдельных звеньев системы, особенностей конкретной технологии. Актуально создание научно обоснованных подходов к формированию режимов работы комплексов, разпитис теория этих систем, позволяющие подойти, к решению задач синтеза с единых позиций и реализовать на этой осно;"-. высокопроизводительные энергосберегающие элеетротехнологии.

Исследования з области анализа и синтеза злектро!.х1 алогических комплексов тока повышенной частоты в основном развива- ' лнсь ч двух напр. пленинх: изучение ценей электротсхнологической нагрузки и источника питания. Прослеживалась тенденция к обособ-

ленному анализу этих составляющих единой системы, которая проявлялась в недостаточном учете особенностей электротехнологии при проектировании преобразовательных устрейсть и недооценке возможностей преобразователен в части эффективного управления технологическим процессом. Устранение т.лх н ел остатков возможно на основе комплексного исследования систем с ре-шизацией новых идей и решении по формированию режимов их функционирования.

В основу диссертационной работы положены исследования, выполняемы^ Дн прёпетровским ;орным институтом (с 1993 г. -Государственная горная академия Украины) по тематике научно-исследовательских работ в соответствии с целевой комплексной научно-технической программой 0.Ц.023 "Создание. И широкое использование в н^родь >м хозяйстве силовой полупроводниковой техники", п.04.01 (постановленгс ГКНТ, Госплана СССР и АН СССР от 12.12.1980 г.); республиканским планом важнейших НИР в сбласти естественных и общественных на; к (постановление Президиума АН УССР № 537 от 5.12,1984 г.); программе т Минвуза СССР "Экономия электроэнергии" (приказ № '01 от 09.02.1987 г.); планами Минвуза УССР (приказ № 68 от 31.03.1992 г., письмо № 600-18/1522 от ДО. 12.1987 г.); Государственной научно-технической программой Украины "Электротехника" на 1993-1994 гг., разд. 8, п.8.5.Л: Программой Государственного комитета Украины по вопроса?« \г»дуки и технологии "Фундаментальные исследования и внедрение а производство энергосберегающих технологий электромагнитной обработки металлов" на 1997-199' гг„ задание 5.42.04/015; координационным планом НИР АН Украины по комплексной проблеме "Научные основы электроэнергетики" (1991- 1995 г г.).

Цель задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка общих подходоь и принципов формирования, теоретических аспектов реализации режимов функционирования ,электротехнологич ;кнх комплексов тока повышенной частоты, синтез параметров и соз, 1ние на Э1)й основе систем с высокими техни-о ко экономическими показателями.

В диссертационной работе поставлены и решены следующие научные задачи:

- создание общих подходов и принципов формирования режимов работы электротехнологичсских комплексов тока повышенной частоты, читывакмпих взаимную обусловленность параметров режима отдельных он иьев системы, определяющих приоритет некоторых режим о к, и сходя иРпозиций комплексного исслсдочания систем;

- развитие теорип этих комплексов как особого класса резонансных высокодобротных электрических цепей, заключающееся в анализ.: специфичных режимов работы цепей, обусловленных приме Нсиием новых структурных построений и изменением их параметров использованием новых способов управления и регулирования, получении неизвестных ранее заиигимостей, характеризующих эти режимы, осуществляемое математическим моделированием процессии в цепях э^ктротехнологнческих нагрузок и источников питания, создающее основу для решения оптимизационных задач с учетом принятых показателей эффективности;

* • синтез параметров режима, характерных для определенных разновидностей электротехнических комплексов, обладающих общими свойствами (элек < ротехнологии обработки материалов в ма:> нитном поле, электро технологии, показатели эффективности которых имеют «выраженные частотные свойства, системы с широкими пределами изменения параметров нагрузки, системы с поспедо-

вательным включением потребителей), осуществляемый на основе

о

разработанных принципов и подходов, анализа процессов в электри ческих цепЛ, постановки и решения задач параметрической оптимизации. позволяющий реализовать принципиально новые электротехнологии, создать системы с высокими технико-экономическими показателями;

- выполнение экспериментальных исследований, позволяющих обосновать исходные предпосылки и принятые в анализе процессов допущения, подтверждающих эффективность разработанных технических и технологи- еских решении. Разработка, промышленные испьпания электротехнических комплексов, использующих предложенные технические решения/ внедрение результатов исследований.

Методы исследования. При исследовашгг стационарных и переходных процессов в глектротехни 'еских комплексах, решении задач параметрической опт ими » чши использованы кусочно-прнпасотк ;-ный, операторный методы, методы основной гармоник],- зкшша-лентнь . генераторов, гармонического анализа, эллиптического гистерезиса, исседования операции, численного интегрирования систем дифференциальных уравнении.

Основные научные положении и результаты, выносимые на защиту, их новизна.

1. Способ обработки материалов в переменном магнитном ноле с сслыо |<ачугпочнения, заключающийся п том, что обработку осуществляют в диапаюне повышенных часто, с напряженностью

поля б области выраженных действий магнитосгрнкционпого эффекта, пондеромоторпых сил. В отличие от известного способа обработки, предполагающего термическое воздействие, использование указанных параметров режима позгэляет качественно изменить процесс, введя в действие иные »к.санизмы разупрочнения материалов, и достичь существенного снижения его энергоемкости. Спосиб является основой для создания энергосберегающих техно-погий промышленной дезинтеграции руд полезньн ископаемых.

2. Методолог-четкие принцип ,i оптимизации системы "солс-ноид-обрабатываемый материал", заключающиеся в формировании обобщенного критерля, учитывающего показатели эффективности технологического процесса и комплекса в целом, :з выделении области оптимальных kojk руктивных параметров, и пределах которой значение целевой функции близко к экстремальному, что расширяет возможности для согласования параметров источника и нагрузки, позволяет улучшить энергетические и массогабаритные показатели системы.

3. Принципиально новый подход к управлению процессами в электротехнологиях, показатели эффективности которых обладают выраженными частотными зависимостями, заключающийся в использовании тока несинусридальйой формы с регулированием отношения мощностей отдельных гармоник либо их аг.олютных значений. Разработанный подход позволяет реализовать режимы ; -боты комплексов, близкие к трудиоосуществимому непрерывному ре-•гулнро'ошию в широких пределах чг-тот' > синусоидального тока, раскрывает возможности для качественно нового управления технологическими процессами на осно, е воздействий, осуществляемых гармоничес ими составляющими тока.

4. Способ независимого регулирования мощностей отдельных потребителей в системе с их последовательным включением, заключающийся в том, ч;о рег}ишррвание осуществляют как изменением сопротивлений потрс"тгслей, т. ;< и тока в последовательной цени, с Пр" этом значение тока зависит от мощности наиболее наг руженного потребителя. В системе бесконтактного транспорта регулирование позволяет уменьшить потери энергии в тяговой сети.

5. Повышение устойчивости инвертирования путем увеличения углов запирания тиристоров при пуске v" кфотсхнологичсских комгыексо- индукционного нагрев«"г материалов, использующих параллельный и гю'ледовательно-параллельиый автономные нппер: торы тока, достигacrOi уменьшением длительности межкоммутационных интервалов в одном или нескольких циклах коммупщн"

.«фисторов по отнесению к их длительности в квазиустановип-¿••«мся режиме. 0

Достоверность ¡шумных положений, выводов, рекомендации •подтверждена результатами экспернметХльных исследований в лабораторных и п, чышлениых условиях, опытом разработки и эксплуатации электротехноло: ических комплексов тока повышенной частоты, •

Гсоретичес.-ач ценность исследования. В днссертгчионнои работе дано научное обоснование технически- и технологических решений, заключающееся п создании обшнх подходов к формированию параметров режима электротехнологических комплексов тока повышенной частоты, развитии теории этих комплексов ко к особого класса высокодобротных резонансных электрических цепей в области анализа режимов, приводящих к качественному изменению характера технологических процессов, расширению функциональных воз: южиостсй комплексов, а также получении ранее неизвестных функциональных зависимостей, характеризующих эти режимы, синтезе на этой основе параметров нежима комплексов, обладают*** общими свойствами п характере протекающих процессов, их струк-турпом построении, пределах изменения параметров нагрузки, поз-воляю'пее реализовать прпниипиально новые электротехнологии, " создать системы с высокими технико-экономическими показателями. Пра:ггкчсс5ссе значение работы ссстиит в использовании разработанных принципом и подходов к формированию режимов работы электротехнологнческих комплексов, в разработке новых технических решении, позволяющих реализовать эффективные режимы работы систем:

-даны исходные предпосылка к выбору эксплуатации чшых режимов работы электро технологических комплексе.) на основе разработанных подходов и принципов;

-синтезированы режимы par эты электротехнологических комплексов, обеспечивающие высокие технико-экономические показатели систем, эффективное протекши": технологических про цессов;

-;-ано обоснование структурного построения цепей электротехнологических нагрузок и источников питания систем .„разработаны способы управлении и регулирования, обеспечивающие заданные режимы функционирования электротехнологических комплексов. В частности, разработана конструкция системы "соленой; - обрабатываемый материал", ^предложены варианты индивидуального и и-чгралшопатого питания этой системы током повышенной частоты, определены рациональные структуры п.ристорного преобра-

зователя частоты, цепи нагрузки комплекса беек» гактного электрического транспорта, разработаны способы роу.т рования угла наг-рузкн, тока в тяговой сети;

-разработаны методики расчета электрооборудования комплексов, парамсгров режима их работы: методч.:а расчета системы "соленоид - обрабатываемый материал", обобщенная методика расчета инверторов с умножением частоты, методика расчета активной мощности и ее гармонических составляющих ч цеп:1х электротехнологической нагрузки н^сннусоидалы:эй формой тока.

-разработан способ обработки материалов в магнитном поле, позволяющий реализовать энергосберегающие технологии их разупрочнения. На его основе созвана технология разупрочнения желез-нон руды перед нз.лель1. нием в шаровой мельнице. Практическая ценность разработки подтверждена результатами промышленого эксперимента.

Реализация результатов работы. Получен чью научные результаты явились основой для разработки, создания и внед; :ния ряда устройств и электротехнологическнх комплексоп В частности: ' -тиристорного преобразователя частоты ТПЧ-100-10-УХЛ4, выпускаемого НПО"Электротехника" г.Таллннн. Этот преобразователь используется в -качеств0.: источника питания электротехнологических комплексов тока повышенной частоты различного целевого назначения, в частности, систем индукционного нагрева;

-комплекса бесконтактного электрического транспорта и его источника питания - тягового тиристорног о преобразователя частоты ТОВ1-160-1.2-4000 УХЛ4. Комплексы эксплуатируются на шахтах "Известия" ПО" ,^онбь ;сантрацнт" ; "Лутугинская" ПО "Луганскуголь";

-экспериментального образца уст..новки для обработки железной руды в магнитном поле.

, Схемотехничес-ие решения и техническая документация на разработанные иреобраз штелн ча готы для индукционного нагрева и0 бес контактного электрического транспорта переданы Запорожскому электроаппаратиому заводу для освоения серийного выпус: а этих преобразователей в Украинг

Подтвержденный годовой экономический эффект от внедрения результатов работы составил 300 тыс.руб. веснах 1990г. и 12 млн. крб. в цеп'х 1993г.

Апробация ]г,1г'>1ы. Материалы диссертации докладывались па Всесоюзных научно-гсОнических конференциях "Применение в технолог ичсских процессах машиностроительного пронпюдегпа иолу-

Ьряшщшхотх яреоГф.поллтелен частоты" (Уфа,1980г), "Проб-, .i'cмы нреобразояатег:! ной техники" (Киев, 1933, 1987, ^ 1991г), ^Автоматизация нопе.'гиш.ч технологических процессов в машиностроении на основа применения полупроводниковых преобразователем частоты с целью экономии материалов, трудовых, энергетических ресурсов" (Уфа, '98.¡г), "Разработка методов и средств экономил электроэнергии ь электрических системах и системах электроснабжения ..промышленности и транспорта" (Днепропе.ровск, ;1990г), международной научно-технической ]:оиференции "Силовая электроника в решении проблем ресурсо и энергосбережения" ■{Алушта, 1993г); па семинарах Научного Сове-:а АН Украины по ¡комплексно!'! проблеме "Научные основы электроэнергетики" .(Днепропетровск, 1983-199-1г). . ... : ..

Публикации. Результаты работы отражены в 61 печатной работе, п том,числе: I монографии, 1 препринте, 19 авторских'"свидетельствах и патенте, статьях и докладах.

Стрзчггурэ и объем диссертации. Диссертация состоит ьз введения, б глав, заключения, cn'iVeK-a- Лмературы (27-4 шаим^нотшия) .(том 1) н прнложегич (том 2). Oi>iiV;fJftep3oro тот страниц основного текста, 49"етрин-т^.рисунксл^!4.табгагц); объем ■второго тома 60 страниц. ЧЛГ! »ww rfToosq .г» ■

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В nepr,oii- главе разработаны общие подходы и принципы формирования режимом функционирования электротехнологических комплексов тока повышенной частоты. .

Сформулированные принципы и подходы учитывают опыт предшествующих разработок, перспективные направления совершенствования комплексов, возможности новых, предложенных автором, технических решении. Разработанные Подходы реализуют комплексный характ ер исследования систем, раскрывают механизм синтеза, наиболее характерные особенности в п'роцед} ре формирования режимов. 'Основные позиции предлагаемых подходов сс.тоят в следующем: 1

- основой для формирования режимов рабэты-акомплекса являются параметры технологического, процегг^:фо, ми-руют с учетом показателей качества технолсгйчсг&К*» процесса и .комплекса в целом; • ' •• «<

- комплекс условно расчленяют на .' оставляющее (пре 'бразо-. ватеиь частоты, электр »технологическая нагрузка) с формированием

соответствующих этому расчленению параметров режима и выделением в качестве промежуточны) ^ выходных параметров преобразователя частоты.

Разработанные принципы отражают приоритетный характер, некоторых режимов. Улучшение показателей эффективности элечтоотехнологий и комплексов достигается качественным изменением технологических процессов, расширением функциональных возможностей комплексов, исключением режимов, характеризующихся низки, и энергетическими показателями.

Особенность разработанных подходо к формированию режимов заключается в их универсальности. Сформулированные принципы распространяются на определенный класс спаем, для которых применение принципов ьозможпо и целесообразно. В работе выделено несколько разновидностей .акнх систем, обладающих общими свойствами: с шг рокими пределами изменения параметров нагрузки, с последовательным включением потребителей, электротехнологии обработки материалов в магнитном поле, электрот^хнологии,. 4 показатели эффективности которых имеют вы, аженные частотные свойства. Примене1 1е разрабс гаНных принципов и подходов к

исследованию п печисленных систем позволило выявить рацион.шь-

с

ные режимы их работы, Характерные для каждой разновидности, и создать на этой основе электротехнологические комплексы с высокими технико-экономическими показателями. Сделан акцент на исследование режимов работы типичных представителен названных ' системЯкомплексов индукционного н..греьл материалов, обработки железной руды в магнитном поле, бесконтактного электрического транспорта. Удельный вес этих комплексов в общей совокупности систем, использующих токи повышенной частоты, юстаточно велик, что повышает практическую значимость полученных результатов. Табл.1 иллюстрирует предлагаемые режимы работы комплексов.

Теоретической основой синтеза предложенных режимов является анализ электромагнитных процессов в электрических и магнит « ныл цепях, по»ск функциональных связей между параметрами цепей и показателями эффективности работы комплекса, постановка н решение задач структурной »< параметрической оптимизации, разработка эффективных способов управления и регулирования, методик инженерного расчета электрооборудования.

Во вирой главесуыполнен анализ электромагнитных процессов в цепях нагрузю? олектротехнологических комплексов обработки материалов в магнитном поле.

Таблица !

Применение разработанных принципов формирования режимов

Разновидности электротех-иочогин и систем Применяемый принцип формирования режима Предложенный' режим работы Положительной эффект от использования режима

Электротехнологии обработки материалов в магнитном поле » • Использование режимов, приводящих к качественному изменению процессов в электротехнологии Обработка в диапазоне повышенных частот с напряженностью поля в области магпито-стрикционного эффекта 1 азупрочнечие материала с низкой энергоемкостью процесса, повышение качества „ продуктов измельчения

Элсктротехно-логии с выра-женнмми частотными свойствами Использование . режимов, приводящих к рас- . шпрению функциональных возможностей комплекса 1 Регулирование мощностей гармонических составляющих тока | " Эффективное уп-у о . равлеуис технологическим процессом

Системы с широкими пределами изменения параметров нагрузки Системы с последовательным включением потребителей Исключение режимов работы комплекса, приводящих К ухудшению его показателей эффективное™, { если действие не сопровождается существенным ухудшением гока-зателен качества технологического процесса Стабилизация 5ла нагрузки, ограничение потребляемой мощности ' Полное или частичвюо исключение режима стабилизации тока Улучшение энергетических и массогабарит-ных показателей комплекса* Улучшение энергетических показателей • комплекса"

Электрические методы обработки материале» ч магнитном поле с целью разупрочнения перёд их измельчением отвечают новым принципам дезинтеграции промышленного сырья. Отсутствие непосредственного контакта между источи: ком и потребителем

энергии, возможность целенагфавлешюГ» перед;.чи энергии и зону разрушений, равномерность ьоздсйстаня по «сему объему матсриа-ла позволяет рассматривать такую обработку в числе наиболее перспективных методов селективного разру.пения.

В работе предложен" новый способ обработки материалов а переменном магнитном поле. Обрабатываемый материал (руда) содержит сростки рудной и нерудной фаз. Одна аз фаз обладает Шраженйымн мапйГгострикЦпонпыми, феррома1 нп гнымй свойстваМи. В другоГ фазе э>ш свойства выражены в меньшей степени либо полностью отсутствую?. .Материал нмегт низкую электрическую проводимость. Это" обеспечивается в том случае, если обе фазы горной породы обладают высоким удельным сопротивлением либо вКраиЛешм фазы проводящего материала не обра!уют цепи для протекания тока. Суть способа состч нт ь Том, что обрабатываемый материал яодйергг тгея воздействию переменного магнитного поля в д шпазойе повышенных частот, а затеи}, без задержки во времени, осуществляют механическое нагружешт, Селективное- ь^зденствие ^поля на одну ,из фаз обрабатываемого мат-риала приводит к возникновению внутренних пульсирующих напряжений. Много-кратчые-пульсан.чп способствуют образованию микротрещип п. как

о ^

следствие, снижают прочность материала. В отличие от известного способа обработки материалов в поле сверхвысокой частоты, предусматривающего тепловое воздействие, обработка в предлагаемом диапазоне частот позволяет увеличить напряженность магнитного Поля, Качественно изменить процесс, введя в действие другие механизмы разупрочнении: магнитострикцшо, пондеро-моторные силы. При этом разупрочнение материала обеспечивается при более . нзкой энергоемкости процесса обрабо ки. Перспективно применение си хоба для обработки горных пород перед их измельчением в технологической цеп.1 обогащения полезных ископаемых. ,>На основе способа разработана технология обработки железной руды в магнитном п^ле перед измельчением в шаровой мельнице.«! Обработка руды позволяет снизить ■ энергоемкость процесса измельчения, повысить качество концентрата. В работе решен ряд научных и технических задач, связалных с созданием электротехнологических комплексов обработки материалов в магнитном иоле.

Показано, что в качестве устройства, создающего магнитное поле, МО/, ет быть использован солслоид. Обладая простои конструкцией, соленое 1 позволяет концентрировать магнитное иоле во внутренней полости и° обеспечивает достаточно высокие значения „напряженности поля при сравнительно низких потерях энергии п

р-р-ггУ d ~[

Рис.

его обмотке. Синтез режимов работы цепи электротехнологической пагрулки возможен па основе анализа электромагнитных процессов а системе "соленоид • обрабатываемый матери.ш". Показатели разупрочнения материала, энергоемкость процесса обработки зависят :'от таких параметров, ¡сак напряженность магнитного поля, ее про-'нзводиая, количество циклоп иагружения. Отличие моделируемой сис1емы с г известил устройств, использующих для создания магнитного поля соленоид заклю-~ чается в особом расположении

обмотки соленоида и обрабатываемого материала, л значениях электрических и магнитных параметров минерала. Загружаемый в соленоид матершит приобретает форму цилиндра, причем часть материала расположена за торт.ми соленоида (рис.1). Принято, что магнитная восприимчивость материала невелика и сосктвляет десятые доли единицы, Это условие соблюдается при обработке руд с низкой концентрацией ферромагнитного материала а также руд, магнитная фракция которых не обладает высокой магнитной проницаемостью.

Ввод обрабатываемого материала вызывает уменьшение магнитного сопротивления внутренне.; полости соленоида. При неизменном токе в обмотке это приводит к росту магнитной индукции как в ;,.атериале, так и вне его. Магнитную индукцию на оси загруженного соленоида получим из выражения

= _ibhv_(C0Sp _coSp.).

с 21 R(d) 1 1

Здесь р, и Р2 - углы, характеризующие положение рассматриваемой точки на '">"н соленоида.

Параметр R зависит от степени загрузки соленоида обрабатываемым материалом;

, R(c{) = kc(d)[i-lJ+l.

Здесь j

Полученные зависимости отражают связь между параметрами загруженного и незагруженного солсь идои. Это позволяет контролировать параметры поля внутри загружаемого матергтла по известным значениям -чих параметров в незагруженном соленоиде.

Установлено, «по для рассматриваемой системы допущение ф •-чхугствни падения магнитною 'напряжения на участке цепи, загруженном материалов не приемлемо. Магнитное сопротивление загруженного участка соленоида соизмеримо с сопротивлением воздушного участка цен».

При протекании го обмотке соленоида переменного синусоидального тока для анализа процессов целесообразно использовать твсс нос представление пеальной петли : нстерезиса ферромагнитного мак, нала в виде эллипса. Эт. позволяет с помощью простых аналитических зависимостей рассчитать параметры, характеризующие запаздывание магнитно!! индукции по отношению к напряженности магнитного поля, значения коэрцитивной силы, остаточной магии гнои индукции обрабатываемог о материала, потери энергии на' истерезис.

Эффект разупрочнения минерального сырья связан с интенсивностью магнитного поля. В разных точках неоднородного магнитного поля соленоида эта интенсивность различна. Мзмечение магнитного поля вдоль оси соленоида может быть учтено усреднением его значения по длине загр>зочной камеры. Вледено понятие среднего значлшя магнитной индукции, при которой осуществляется обраб( ка материала в магнитном поле:

в =АМ. мср 4я2аМ Г ка

При обработке материалов важным показателем являются потери энергии на гистерезис. Уроьснь потерь зависит >т напряженности магнитного ноля и, следовательно, уменьшается в направлении о г центра к торцам соленоида. Наряду со средним значением магнитной индукции введено понятие среднего значения удельной мо»Л,юсти (мощности, приход!, дейся на единицу объема материала) потерь на гистерезис. Относительное среднее з/'>чение удельной мощности потерь

РоФ_ 1

-}1Н2(х)(к

Р„* О

ш _ ____ х-^/2 _ В2 „ш ыпб,

}де.гь г~ г-——--Г Г---г> г„.в-"

д/(х + ^/2)2 +а2 у1(%-ф)2 + й7' "б 2ц ц0 Элект рическую цепь системы "соленоид ■ обрабатываемый материал" можно представить параллельной и и последовательной схемой замещения В последователь) ой схеме замещения индуктивное сопротивление загруженного соленоида удобно выразить в виде

суммы сопротивлении .загруженного соленоида и вносимого материалом X н _ !

Г 1 ,

R(d)

Привлечение понятия эллиптического гистерезиса к анализу процессов позволяет рассматривать параметры магнитного поля загруженного соленоида' как синусоидальные величины. При этом возможно построение вектор пых диаграмм, характеризующих рз ?-личные режимы работы системы. Показано, что в загруженном соленоиде ток в обмотке опережает магнитный поток на угол меньший угла сдвига между напряженностью магнитного поля в материале и магнитным потоком.

Третья глава посвящена оптимизации параметров цепей нагрузки электротехнических комплексов тока повышенной частым. с

Задачу оптимизации параметров системы "соленоид - обрабатываемый материал" и ре/ггажено сформулировать в следующей постановке: определить электрические, технологические, конструктивные параметры, которые обеспечивают максимальный коэффициент разупрочнения материала ks при минимальной энергоемкости прогесса обработки. Показано, что так;;? постановка залами учитывает показатели.эффективности как технологического пронесен, так и комплекса в целом, направлена, на реализацию энергосберегающих технологий с высокими показателями эффективности.

Активную мощность потерь leprim при обработке материал;: Р„ можно представить в виде суммы потерь и обмотке солсиоила 1п.„б и обрабатываемом материале Рпм . Для отношения k.lnN

F.

Здесь ka, кс - коэффициенты, характеризующие свонгта обрабатываемого материала и материала обмотки соленоида; N - количество циклов нагружения: <>„ - функция, зависящая от конструктивных параметров системы (V - объем загрузочной камеры).

Функция 8„, отражающая связь критериев оптимизации с конструктивными параметрами "соленоида, принята в качеемн целевой функции 5„(п.., d., V) -> max .

Ограничения представлены » виде а. >0, d. >0,5, V> 0. При заданном объеме закупочной камеры V целевая функция имее т два оптимизируемые параметра (¡1» м d,). Гонение задачи нелинейного

I а |П14' ' s ( 4 \;v

справедливо Ks/ v' р ~ л /ГГ" "и V3, > >v / •

«и

6

5 4 3 2 1

программирования позволило получить следующие результаты. Установлена совокупность параметров а. и при которых целевая функция имеет значения, близкие к максимальному. Эти параметры предложено считать оптимальными."

Установлено, что между оптимальными параметрами £Ц,11Т и ^•оггг существует зависимость, близкая к линейной Это позволяет исключить из числа оптимизируемых парам тров длину соленоида 1, рассмотреть вариант безтрансформаторного согласования источгч-ка питания с нагрузкой. Безтрансформаторное согласование позволяет существенно упростить конструкцию системы, исключив мстал-

... лоемкиеэлементы, улучшить ее

У=0,05м °-05

'/0,23 энергетические характеристи-

ки, снизить энергоемкость процесса обработки. Зависимость ^*опт(а,оп ) приведена на р'1с.2. Установлено, что с ростом влияния градиента напряженности магнитного поля на процесс разупрочнения, отно-

* " .-шение оптимальных парамст-

0 > 2 3 4 5 6 а.0,„ ,

ров а.0ПТ/а.Ы1Г возрастает.

■* Рис. 2 Отношение в . малой степени

зависит от объема загрузочной камеры, не зависит от частоты тока, магннткых и электрических параме ров обрабатываемого материала, материала обмотки соленоида.

В условиях действующих технологических линий оптимальные параметры "истемы "соленоид - обрабатываем! ч материал" не всегда реализу.мы. Если параметр <1 существенно превышает а. то соленоид целесообразно рас1, .еннть на несколько равных участков с оптимальным,; параметра"-I (секционировать соленоид). Установлено, что при обр;. Зотке материалов, показатели разупрочнения коз эрых зависят от градиента напряженности магнитного поля, секционирование соленоида позволяет снизить энергоемкость процесса обработки.

Выбор электрических (сила тока в обмотке и его частота) и технологических (время обработки) параметров системы предложено осущ ествлять с0учетом конкреч ¡н.гх особенностей элсктротсх-нологии и устанем..-иных функциональных связей с рассматриваемыми показателями эффективности.

Результаты оптимизации параметров системы "соленоид - обра- • батываемый материал" позволили разработать методику инженерно. о расчета системы. Методика реализует вариант безтрансфор маторного согласования источника питания с нагрузкой и учитываем возможности секционирования соленоида.

В главе исследованы режимы работы цепи нагрузки комплекса бесконтактного электрического транспорта. Транспорт является системой с широкими пределами изменения параметров нагрузки и последовательным включением потребителей. В системах с широкими пределами изменения параметров нагрузки целесообразно исполь-зотиль режимы, при которых угол нагрузки ф„ стабилен или изменяется в небольших пределах. Стабилизация угла позволяет исключить режимы с низкой устойчивостью инвертирования и малым значением коэффициента мощности цепи нагрузги. В системе бесконтактного электрического транспорта такие режимы позволяют использовать в преобразователе частоты автономный инвертор тэка и существенно улучшить массогабарнтны'* показатели источника питания. При фгабилыюн частоте тжа нагрузки реализация кривой близкой к идеальной (ф„ = сопв^ может быть осуществлена формированием определенной структуры и выбором параметров цепи нагрузки. В режиме:максимальной нагрузки целесообразно иметь характеристики пар^лельногг инвертора тока, в режиме, близком к холостому ход.,/, - последовательного. Предложено формировать нагрузку в виде параллелыю-последоватсльиой цепи (р: с. 3). Параллельно первичной обмотке согласующего транс« форматора Т включено компенсирующее устройство К, сопротивление которого X. а имхч.т емкостной характер. Остаточное реактивное сопротивление последовательного контура 11н Т н Сн тяговой сети также имеет емкостной характер. На рис. л показаны зависимости Фи(11н), полученные для рассматриваемой структуры цепи нагрузки. Установлено, чю приемлемы следующие значения параметров;

Хш = -Б...-6 Ом, Хл = «4...-3 Ом. Недостаток гассмттривасмых режимов заключается в увеличении углг ф„ при малых и больших значениях К.,,. Недостаток можно устранить регулированием Рис. 3 выходных параметров преобразователя

частоты.

Дл—4 Ом

ЬЯ^-бО.м

2- -7Ом

3- -80м

10 R„,Om

1ШС

Четвертая глава посвящена исследованию режимов работы тирнсторных преобразователей частоты в электротехнологн-ческих комплексах.

Расширение частот него диапазона и функциональных возможностей, улучше-знергетических и массо. лбаритных показа тетей, повышение надежности работы тири- торных преобразователей частоты возможно на основе единого .подхода, заключающегося в использовании специфичных, малоизученных режимов их работы. Эти режимы могут быть созданы изменением параметров элементов силовых цепей, упрощением их структуры, использованием новы?; способов пуска, управления и регулирования.

Для улучшения массогабашггных показателей тиристорных преобразователен частоты, повышения надежности их работы целесообразно использовать простые схемотехнические решения. Важно, чтобы эти решения обеспечивали требуемые показатели качества технологических процессов. Упростить структуру силовой цепи позволяют агаономные инверторы с совмещенными функциями силовых элементов. Эти инверторы работают " специфичных режимах. Коммутирующий конденсатор помимо своей основной функции выполняет роль разделительной конденсатора. Напряжение на конденсаторе содержит к\ .< переменную, так и постоянную составляющие. Индуктор электротермической усынО! к и помимо функции, заключающейся в создании магнитного.поля, может выполнять роль коммутирующего реактора. В^индукторе протекает несинусондальный гок. Характер процессов в электрических цепях отличен от хоре шо .

изученных режимов, предполагающих наличие разденительно-^ го . конденсатора ^большой емкости, Ч^Н индуктора с синусоидальной формой ■ тока.

Анализу под-

Рис. 5

вергнуты режимы работы одноключевого и мостового инверторов с совмещенными функциями силовых элементов (рис. 5} Обоснованы и разработаны математические модели для исследования стационарных и пусковых процессов. Показано, что при описании спцияидр* пых процессов в электрических цспя? автономных инверторов целесообразно выразить напряжения на элементах схемы, токи в ветвях инвертора в относительных единицах (как отношение к току _ 1,1, потребляемому инвертором от источника питания). Применение относительных единиц позволило получить простые аналитические зависимости. Установлено, что в рассматриваемых инверторах специфичность формы напряжения на обкладках конденсатора является причиной изменения характера напряжения, прикладываемого к тиристорам. В схеме мостового инвертора возможны скачкообразные изменения угла запирания тиристоров О, Полученные функциональные зависимости позволяют рассчпшть параметры инверторов, исключающие чрезмерное повышение уровня "раскачки" напряжения, снижение устойчивости инвертирования.

Повысить устойчивость инзертировання, расширить диапазон выходных частот позволяют инверторы, работающие н режиме умножения частоты. В таких инверторах выходная частота превышает чистоту коммутации вентилей, что позволяет сущесгт>с!г.¡о увеличить время, предоставляемое тиристорам для восстэио-.ченпя запирающих езойстг. Режим умножения обеспечивается ф-рм: рояа-нием коротких импульсов тока, воздействующих на цел;! колебательного контура нагрузки, настроенного в резонанс с одной из высших гармонических составляющих этого тока. Инверторы используют п устройствах, допускающих несинусоидалъность выходных параметров преобразователя (тока, напряжения). Разработана обобщенная методика расчета инверторов с умножением частоты. Основу разработанной методики составляют два подхода к выбору .длительности импульсов тока, воздействующих на колеоатстышй контур нагрузки. Первый тодход предполагает учет нагрузочной способности полупроводниковых вентилей, второй - степени нссину-соидальности выходного напряжения. Важно, чтобы обеспечивалнс высокие показатели наГрузоуной способности вентилей и уровни используемых гармонических составляющих тока. Для расчета коэффициента гармоник определяют спектральный состав ток.°, воздействующего на цени нагрузки, а также зависимость сопротивления контура нагрузки от частоты.

Д"« форм:,: тока а виде разнополярных синусоидальных импуль; гоа коэффициенты разложение кривой в ряд Фурье получим из сыра

Гц Г 005(0, - п) л/п, со$(п., ь п) тс/п., _ _!___

*п 2[ п,-п ц + п !Ч~п п,+ п

Ь.

2

з!п{п1 - п) л/п, _ па + п) л/пэ п3 - п п3 ■*■ л

Отношение действующего значения тока п -й гармоники 1п к топу (1г,. - будет:

2

Отличие рехснмов умножения часто.ы от режимов, предполагающих использование основной гармоники тока нагрузки, является причиной изменения энергетических показателей преобразователей. Усгзноьлсио, что уровень потерь энергии в силовой цепи инвертора при пр::тскангы тока в виде синусоидальных или прямоугольных импульсов пропорционален отношению триода следования импульсов к их,длительности. При проектировании преобразователей с умножением частоты особое внимание следует уделить снижению ак-Т1'зных сопротивлений реакторов и шннопроводо" с импульсной формой 1'ока. Это позволит уменьшить урс вень потер-, энергии, п'сн :,1сить к.п.д. инвертора.

Рассмотрены варианты реализации источника питания в системе бесконтактного электрического транспорта на основе автономного инвертора тока, полумистового резонансного инвертора.

Характерные особенности комплекса обработк» железной руты в магнитном поле (стабильность параметров нагрузки, отсутствие жестких треб( заний к обеспечению качества выходного напряжения, низкая чувствительность к изменению частоты тока, исключение функции регулирования выходных параметров преобразователя) позволяют отказаться от использования в системе сложных источников пигапя с широкими функциональными возможностями.

Пятая глава посвящена решению задач управлен.'-я и регулирования в элек гротехнических комплексах ток-' повышенной частоты.

В гласе рассмотрены режимы работы комплексов, связанные с управлением и регулированием и относящиеся к определенному классу систем, обладающих общими свойствами.

Разработаны математические модели и исследованы алгоритмы пуска илсктротехчолоГлческнх комплексов, имеющих различную стр ктуру цепи нагрузки (параллельный, последоватслыю-парал-лельный, параллелыю-псследовательный контуры) и использующих в качестве источников питания автономные инверторы тока. Параметры рассматриваемых цепей соответствуют таковым в злектротех-нологнях индукционного нагрева, системе бесконтактного элекгрн-ческого транспорта.

При пуске инвертора тока возможно снижение времени, предоставляемого тиристорам г для восстановления их запирающих свойств, и, как следствие, опрокидывание инвертора либо чрезмерное повышение уровня выходного напряжения в первых циклах коммутации. Установлено, что для параллельного инвертора тока зависимость угла запирания тиристоров в первом цикле коммутации

от угла £2,, соот ветст вутощего

Рис. 6

П , .ряд

первому межкоммут .ионному интервалу, имеет выраженный экстремум (рис. б ). Максимальным,значениям гоотп тствуют оптимальные углы £1,0|[Г= 1,0 - 1,3 рад. Параметры контуров нагрузки и коммутации оказывают существенное влияние на величину

угла запирания 5, и мало влияют на оптимальные значения При пуске не . 'статочно увеличить угол запирания в одном или нескольких циклах коммутант.. Устойчивость инвертирован!.я

определяется минимальным зна /ением угла на псем интервале пуска вплоть до установившегося режима. Предпожсн алгоритм управления, при котором (>„,,„=^1. Коммутацию тиристоров пилон* до выхода на установившийся режим осуществляют в момент достижения максимума напряжения на колебательном контуре пагр\ ,кн.

Качественно иной характер "пускового процесса наблюдается в последовательно-параллельном инверторе тока. При определенных

параметрах компенсирующего конденсатора Ск угол запирания тиристоров в первых циклах коммутации превосходит его значение в установившемся режиме. Уменьшение емкости Ск сопровождается ростом угла запирания и увеличением на фяже жя на тиристорах. Предложен алгоритм пуска, при ко: vom = 7t/2 » далее ^:i + ^k(n-i) = 71 (N=2,3,4,...). Показано, что разработанный способ управления при определенных параметра ; компенсирующего конденсатора Ск обеспечивает минимальное значение угла запирания тиристоров, равное его значению в установившемся режиме.

Показано, что недостатки, присущие режиму работы системы бесконтактного электрического транспорта со стабильной выходной частотой преобразователя, могут быть устранены регулированием угла нагрузки ф„, осуществляемым изменением частоты тока тяговой сети. Высокая чувствительность системы транспорта к измерению частоты определяет дополнительное условие регулирования: пределы изменения частоты должны быть минимальным*!. Это позволит обеспечить стабильные тяювые характеристики бесконтакт' ных электровозов. Сформулирована и решена задача оптимизации параметров цепи нагрузки системы транспорта. В качестве целевой функции принят обобщенный показатель Р(1, учитывающий отклонения частоты Af от номинального значения во псех режимах работы Транспорта,Рц(АГ) —> min. При этом учтены пределы изменения сопротивления нагрузки R(b режимы работы электровозов. В результате получены оптимальные параметры цепи нагрузки, обеспечивающие минимальные значения отклонений частоты тока.

Недостаток режиг ч стабилизации фн заключается в том, что отклонение параметров нагрузки от их лпт"мальных значений приводит к увеличению отклонений частоты, что усложняет процесс настройки тяговой сети.

Недост. тки, присущие режимам работы тягового прсобра *ова-тся со стабильной выходной частотой, со стабилизацией фи, осуществляемой изменением частоты, могут быть устранены лрп ,. пользовании системы регулирование ф„ с зоной нечувствительности. В определенном диапазоне изменения выходную частоту преобразователя поддерживают стабильной. За пределами диапазона частоту регул»; уют, обеспечивая ограничение ф„ на заданном уровне. °

В ситгемах с пос.. ■.глошг мьным включением потребителе!! стабилизация тока в ли;ми обеспечивает независимое регулирование мощностей отдельных потребителей, осуществляемое изменением цл сопротивлений. Стабильность тока во всех режимах работы система является причиной повышения потерь энергии в линии, уменьшения к.п.А. системы. Особенно ощутимы потери при большой длине линии. Решение проблем:.г состоит в том, чтобы отказаться ог режима полной стабилизации тока, сохранив при этом независимость процессов регулирования мощностей отдельных потребителей. Здесь возможны два подхода: сужение области существования параметров нагрузки, а пределах которой обеспечивается режим стабилизации тока на номинальном уровне; исключение режима стабилизации тока на этом уровне во всем диапазоне изменения параметре?» нагрузки. Разработаны технические решешгт, позволяющие реализовать оба' подхода. Предложено регулировать мощность потребителей изменением как их сопротивлений, так и тока в ."пшш (рис. 7). Пусть ток в линии меньше его предельного „уровня,

обеспечивающего макет мальное значение мощ-

< !>

и

-• - — _ь 1=уаг

'Чй-сй—А

7 / /

' у——* \__j~>

ностей отдельных потребителей. Ьсли в процессе регулирования мощности сопротивление одного из потребителей Рис. 7 достигло максимального

значения, а его мощность не достигла заданного уровня, то дальнейшее регулирование осуществляют изменением тока 'а последовательной ц пи. Ток в линии увеличивают изменением напряжения на выходе источника питания до тех .пор, пока мощность этого потреб! теля не достигнет заданного уровня. Дл.. сохранения неизменными мощностей других потребит ел и при повышении тока в линии их сопротивления должны уменьшаться. Этс реализуется замкнутыми системам!! автоматического регулирования установленными на каждом потребителе. Информацию о достижении сопротивлением 11-го потребителя его предельного значения передают по каналу свя?м в источник питания. При отсутствии такою сигнала ток в линии автоматически снижается с заданной скорог-ыо.

Эффективность сп'етем регулирования тока предложено оцени-иа.ь относительным снижением мощности потерь в линии

Р -¿±1

Здесь = ■ дискретные уровни

тока • суммарное время протекания ток в

1 !

«XI >1 ^соответственно.

Эффективность системы высока при малых значениях пара-лгсгрп Установлено, что снижение тока тяговой сети г» системе бесконтакт ног электрического транспорта в режиме холостого хода приводит к уменьшению полной, мощности, потребляемой преобразователем частоты. Существенно снижается активная мощность, р меньшей степени - реактивная.

В эпектротехнолоших, показатели эффективности которых имеют ¡'-.(раженную частотную зависимость, например в системах индукционного нагрева, при изменении параметров технологического процесса может возникнуть необходимость изменения частоты тока в широких пределах с целью улучшения этих показателен. Ь системах с синусоидальной формой тока таксе регулирование трудно реализуемо, так как возникает необходимость изменения частотных характеристик контура нагрузки преобразователя частоты. Г этих условиях представляется целесообразным использование несинусоид, лыюй формы тока с регулированием отношения мощностей отдельных гармоник либо их абсолютных значений. При использовании импульсной формы тока регулирование об- лтечивается изменением длительности импульсов и реализуется системой управления преобразователя. Предложенный подход к регулированию раскрывает возможность для качественно нового управления технологическими процессами. Применительно к системам индукционного нагрева такое регулирование позволит реализовать режимы, близкие к изменению частоты тока синусои-дальнс й формы, обеспечив при этом высокие энер. этические показатели процесса, позволит сформировать заданную картину распределения температуры в поперечном сечении заготовки.

Для успешного решения задач регулиро ания при использовании разработанного подхода важно иметь простой алгоритм расчета мощности и ее гармонических составляющих в цепи нагрузки, позволяющий на основе единых принципов выполнять расчет /тих параметров для наиболее распространенных схем инверторов

нагрузок. Разработана методика расчета параметров, базирующаяся на з; мене реальной формы импульсов тока нагрузки бол :е простой: в резонансных инверторах - синусоидальной в инвер-

тора:; тока - прямоугольной. 3 отличие от ин.псппных допущений при изучении проиессоз » автономных инвертор;1-; п, .¡ияпч допущения использую гея для расчега параметров релпма рпботы цепей электротепнологпчесхси нагрузки. Полусны аналитические г.ыоа-•ччяшя для расчета отношении активной ..¡ощнсстн к мощности Я гярмопукн (Р/РД мощностей ]- и и Н- и гармоник теки (Г' / Рп). 7;:::

для отношения: справедливо :

■

Здесь -,»> - относительные действующие значения тохов ]-

г г-у

-й п 12- и гармони:: па выходе преобразователя; .. - полные сопротивления нагрузки на частотах] - й нП - :": гарл&нин, 'Ч.»«^™ - полные сопротивления летни, содержаще!! на -¡асгоглх ¡1 и II--1! гармоник.

Рис. 3 иллюстрирует зависимость от угла проподт.мости пептиден А. для различных форм тока.

Рис. 3 -!.,;.<:•.!.'

Шестая глава посвящена экспериментальным ЛсслййАлНпя'м и промышленному внедрению результатов работы.

Важным показателем эффективности разработанного способа обработки материалов в магнитном поле является энергоемкость пронесся обработки. Предложена методика :жсп'сримс11тального определения мощности потерь энергии в обрабатываемом матф'и'алс. Основу методики составляет условие балан$аакги8¥/йх к'юЩ'Ч'тсн на входе и выходе источника питания. МсШюНс^юдлОДШй^Для оценки уровня потерь терши в железной р^ле'прн'сс ои^абогке. В

г: Т. г" 'V/; ; ■>;:-¡ГЛЧЯ I:-

результате экспериментальных исследовании получена аналитическая зависимость, позволяющая рассчитать удельную мощность nS-1 ерь при заданных параметрах магнитного поля и обрабатываемого материал»; Р0.к к а f В^, ,

где к • коэффициент пропорциональности, зависящий ' от свойств обрабатываемой руды; а - процентное содержание железа в РУД«; Вм - амплитудное значение магнитной индукции.

"азделение потере на гистерезис и вихрс-ые токи, выполненное на основе эксериментальных исследовании процессу обработки железной руды, свидетельствует о существенном преобладании потерь на гистерезис. «

Теоретические и экспериментальные исследования нового способа обработки материалов в магнитном поле послужили основой создам1;* экспериментального образца промышленной установки, обеспечивающей разупрочнение железной руды перед измельчением в шаровой мельнице. Создание образна и исследование его харак теристик в лабораторных и производственных условиях позволили уточнить приемлемые электрические и технолапнеские параметры процесса обработки, оцетп ^ эффективность способа и его практическую и*, (нос—, применительно к данной технологии.

И •ледовання способов регулирования тока в системах с последовательным включением потребителей яв>»лись основой для разработки и внедрения системы регулирования тока в теговой сети шахтного бесконтактного электрического транспорта. . t Исгчед вания, направленные на расширение частотного диапазона тиристорных преобразователей, повышение устойчивости пуска, энергетических показателей, снижение установленных мощностей отдельных элементов,использованы при создании и освоении производства тиристориыхапреобразователей ТПЧ-100-1в|-УХЛ4, TOB 1160-1,2-4000 УХЛ4 для электротехнодогий индукционного нагрева, бесконтактного электрического транспорта.'

' ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе осуществлено! Научное обоснование технических и технологических решений, реализация которых обеспечивает эффективные режимы работы але»:тротехнологических комплексов тока повышенной частоты, что ядояетс/; существенным укладом в научно-технический прогресс. Основные'выводы, научные И практические результаты заключаются в следующем:

1. Разработаны; it сформулированы общие подходы и принципы формирования режнмой работы электротехнологичеа х комплексов тока повышенной частоты, реализующие комплексный характер исследования систем. Сформулированные принципы отражают приоритетный характер некоторых режимов, связанных с расширением функциональных возможностей комплексов, качественным Изменением характера технологических процессов. Разработанные подходы раскрывают механизм синтеза, наиболее характерные особенности в гроцедуре формирования режимов. Режимы работы комплекса формируют с учетом показателей качества технологического процесса и комплекса в целом. Комплекс услоь.ю расчленяют на составляющие (преобразователь частоты и электротехнологИческая нагрузка) и выделяют в качестве промежуточных .выходные параметры преобразователя частоты. Применение указанных принципов и подходов позволило синтезировать параметры режима работы нескольких разновидностей комплексов, обладающих общими свойствами (систем с широкими пределами изм^ нения параметров нагрузки, с юследовательным вклю ;енйем потребителей, комплексов обработки материалов в магнитом поле, электротехнологий с выраженными частотными свойствами), улучшить г.: этой основе их эксплуатационные ларактеристикн.

2. Показано, что обработку материалов в переменном магнитном поле с целью разупрочнения целесообразно осуществлять в диапазоне повышенных частот с напряженностью поля в области выраженных действии магннтострикцнонного эффекта, пондеро-моторных сил. В отличие от известного способа обработки, предполагающего термическое воздействие, использование указанных параметров режима позволяет качсс.: венно изменить nj:. цесс, введя в действие иные механизмы разупрочнения материалов. Способ является основой для создания энергосберегающих технологий промышленной дезинтеграции руд полезных hckoi icMbix. В частности, разработана нсая технология обработки железной руды перед измельчением в шаровой мельнице. Ее применение позволяет снизить энергоемкость процесса, повысить качество измельченного

♦продукта. Дгию обоснование структурного построения системы "солеионд-обрабатывасмый материал". Система отличается от известных устройств, использующих для создания магнитного по..я соленоид, конструктивным исполнением, параметрами обрабатываемого материала. Рассмотрены особенности рс имев раооты источника питания в элемро технологическом комплексе обработки желсшой руды в магнитном поле, предложены варианты

2о

ere пеатшцпь на основе систем индивидуального м централизованного питана:..

3. Получила развитие теорн:.- электротех'нояогичеекпх комплексов тока повышенной частоты как особого класса резонансных высойодобротнь». нелинейных электгжческнх цепей, заключиюидж* б ссследоьашш спслчфнчш.п рсасимоя работ».!' чти?: кошшсксои, обусловленных расширением и:; функциональны?. возможностей, качествен»!!.»; изменением характер;; технологических процеосоь, применение'-. ■ позы;, сфутурпт построений и изменением параметров элементе» енлоиого электрооборудования, иснользо-ианиег-. иоьых снособоо управления и регулирования, получении неизвестных pa.iee фуккииои&льных зацмсимостеь, описывающих исследуемые процессы, осушестьляемос на осногл- разработанных математических моделей для анализа стационарных процессов ь цепях злектротехнологнческон нагрузки (системы обработки материалов i. магнитном поле) и источника питания (автономные инверторы с совмещенными функциями силовых элементов, с умножением частоты), а также моделей для исследования пусковых проц^.сов ь электротехнологическнх комплексах (системы индукционного нагрева). Математические модели п результаты моделирования явились оснорой для решения задач параметрической оптимизации, разработки методик шженериого расчета электротехнрлогнческого оборудования.

4. Разработаны методологические принципы оптимизации системы "сс »еноид-обрабатьшпемый материал", заключающиеся ь.

' формировании обобщенного критерия, учитывающего показатели эффективности как технологического процесса, так п комплекса в целом,' 'выделении области оптимальных параметров, в пределах

■iHVi: VA. ... _

крторои наченне нулевой функции близко к экстремальному, что

расширяет' возможности в выборе этих параметров, создает

предпосылки ' к упрощению конструкции сис. емы, улучшению

энергетическихи массогабарнтных показателей. Сформулирована и

решена" многокритериальная задача оптимизации конструктивных,

технологических^'J электрических п^оаметров системы.

р- со - • „с

Установлено, что длина соленоида мало влияет на значение целевой

ОП о »'«НТО?! с,;»'

функции, что позволяет реализовать вариант безтрансформаторного согла'шДанйя'парам'ёггрбс источника питания и нагрузки. Показано, что снижение'' мтерпкмкост»! процесса обрабо ки достигается . увеличением напряжелтойи магнит»!огс поля при одновременном уменьшении количества'' цйклш' нагружения. Установлено, что обработку материалов, показатели разупрочнения которых

существенно зависят от градиента напряженности магнитного поля, целесообразно выполнять п секцнонированно" соленоиде. Гезультаты оптимизации позволяют реализовать режимы обработки, обеспечивающие максимальный коэффициент разупрочнения материала при минимальной энергоемкости процесса.

5. "Разработаны методики расчета параметров электротехнологического оборудования исследуемых коми !сксов:

- Методик:, расчета электрических систем "соленоид • обрабатываемый материал". Методика ориентирована на бсзтранс-форматорное согласование нагрузки с преобразователем частоты и позволяет реализовать" режимы работы, отвечающие принятым кр! Iтерпя л» эффекти в»»осп»;

- Обобщенная методика расчета инверторов ч: умножением частоты. В основу методики положены два подхода к в»Аюру длительности импульсов тока, воздействующих на цепи нагрузки: по условию обеспечения заданной нагрузочной способности пол; -проводниковых вентилей, а также заданного коэффг'шснта гармоник выходного напряжения;

Методика расчета мощности и ее гармонических составляющих в цепях электротсхно логической нагрузки с несннусондальнон формой тока. Методика базируется на замене реальной формы импульсов тока нагрузки более простой: и резонансных инверторах. - синусоидальной, в инверторах тока -прямоугольной. Методика полю:: гст выполнять расчет параметров для наиболее распространенных схем пнверюров »г структурных построений цепей нагрузки.

6. Установлено, что при п;;ске электротехнолслческнх комплексов индукционного на1рева материалов, использующих параллельный или последовательно-параллельный автономные инверторы

■ тока, изменение лти.ельностсй .межкоммутационных штервалов в процессе управления тиристорами позволяет увеличить углы их запирания. Предложены алгоритмы пуска, реализующие указанны/» принцип повышения устойчивости инвертирования. Показано, что формирование задан».ой области существование параме1ров нагрузки тяювого преобразователя частоты в системе бесконтактного электри",гск010 »ранснорта может быть обеспечено рсм-лироваинсм утла ф„, ос\тостпляемым изменением выходной частоты преобразователя. Это позволяет исключить режимы ) боты снисмы с »пикой устойчивое»ыо ишчршроппния и малым коэффициентом МОШПОС1И пени шнрузни.

I Показано, что в системах с последовательным включением потребителей и независимым регулированием их мощностей наряду с частичным возможно полное исключение режима стабилизации гока в линии. Разработан способ независимого регулирования мощностей, заключающийся в том, что регулирование осуществляют как изменением сопротивлении потребителей, так и тока в линии. При этом значение тока зависит от мощности наиболее нагруженного потребителя. Регулирование позволило умен' ;нить потери энергии в тяговой сети Неконтактного транспорт..,

8. В электротехнологиях, показатели эффективности которых имеют выраженную частотную зависимость, в определенных условиях, связанных t изменением параметров технологического процесса, представляется целесообразным использование несинусоидально'"' формы тока с регулированием отношения мощностей отдельных гармоник, их абсолютных-значений. Это позволит реализовать режимы работы систем, близкие к 1 "удноосущсстиимому плавному изменению в широких предел,,-* чистоты синусоидальною тока. Предложенный подход к регулированию раскрывает возможности для качественно новс.'о управления технологическими процессами, !Спог,ьзующего действия гармонических составляющих тока. Р системах индукционного нагрева такое рег улирование позволит повысить эн1<)гешческие показатели процесса, сформировать заданную картину распределения температуры в поперечном сечении заготовки. Разработаны способы р^. улировання мощностей,

1 предполяга) щие изменение длитепмюсти импульсов тока,' воздействующих на цепи нагрузки.

9. Выполнены экспериментальные исследования, подтверждающие обоснованность принятых в работе исходных положений и допущений достовер>Ь'Сть полученных результатов, эффективность разработанных технических и »схнологнческих решений. Исследования процесса обработки железной руды в магии.ном поле свидетельствуют о том, что эффект разупро .нения обеспечивается как действием магнитострикции, так и пондеромоторных сил; г диапазоне повышенных частот потери на вихревы токи практически

t отсутствуют. Подтверждена экспериментально эффективность разработанной технологии обработки железной руды в магнитном поле перед измельчением в шаровой мельнице. Результаты промышленного эксперимента, проведенного на технолог.', icckoi'î линии первой стадии измельчения Южного горио-обогатительного | комбината, сви,"-гельствуют об >.¡сличении удельном производительности мельницы (1,5 %), о снижении ниркулирующе1"| нагрузки

(5 %), приросте содержания железа в магнитно)! фракции (0,1-0,4 %). Внедрение на тахте "Лутугинская" ПО "Луганскуг ль" системы peí улирования тока позволило уменьшить потерн энергии в тяговой сети на 46 %.

10. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований позволили создать элсктротсхнологические комплексы "и системы, использующие разработанные автором технические решения, и внедрить их . производство. НПО "Электротехника" (г.Таллинн) освоило серийный выпуск преобразователей частоты ТПЧ-100-10-УХЛ4, предназначенных для питания систем тока повышенной частоты, в частности, комплексов индукционного нагрева" материалов (плавка, ковка, штамповка, закалка и др.). Внедрены и эксплуатируются на шахтах "Известия" ПО "Донбассантрацит", "Лутугинская" ПО "Луганскуголь" комплексы бесконтактного ; электрического транспорта® с источниками питания тОВ1 -160-1.2-4000 УХЛ4, выпускаемыми НПО "Электротехника". Опыт эксплуатации комплексов на шахтах Донбасса, мсталлу-pi ических н маши, остроительных предпрп пиях свидетельствует об их работоспособности, эффективности, правильности полученных в диссертации выводов и результатов. Выполняются работы по освоению серийного выпуска этого электрооборудования предприятиями Украины.

Основные публикации по теме диссертации

1.Транспорт с нпдуктипнон срсдачсн энергии для угольных шахт/ Г.Г.Пивняк. И.П.Ремизов, С.А.Саратнкянп, С.И.выпанасенко н др. .Под ред. Г.Г.Пивняка. - М.: Недра, 1990..- 245 с.

2. Выпанасенко С.И. Автономные инверторы с с< лмещеннммн функциям!'; силовых элементов // Техн.элемродйнамика.- I993.-N4. С. 24-27.

' 3. Выпанасенко l.H. Автономные инверторы с ум ож<*ннем частоты //Техн.электродинамика,- 1992.-N 6. - С. 23-31.

4. Выпанасенко С.И. Задающий генератор системы управления инвертора для шахтного бесконтактного электрического транспорта •'/Горная электромеханика и автоматика :Рссп.межвед чауч.сб.,1^85." выи. 47,-С. 11-16.

* 5. Выпанасенко С.И. Инвертор тока в преобразователе частоть шахтно.о бесконтактного электротранспорта II Горная электромеханика и автоматика ¡Респ.межпед.науч.сб.. 1989,-вьт. - 8-1 '.

6. Вышшасенко С.И. Переходные процессы при пуске инвертора системы бесконтактного рудничного транспорта II Методы и средства повышения эффективности устройств преобразовательной техники. - Киев, 1981. - С. 119-124.

7. Выпанасенко С.И. Расчет активной мощности в инвертор; с импульсной формой тока II Силовая электроника в решении проблем ресурсо- и энергосбережения I Тез.докл. на Междунар. науч. конф., г.Алушта, окт. 1993г. - Харьков, 1993. - С. 44-46.

8. Выпанасенко С.И. 4ункционалы'ые возможности инверторов с импульснон формой тока II Проблемы преобразовательной техники /Тез.докл. на Всесоюзн.науч.конф.,г.Чернигов, сент.1991г. -Киев, 1991, ч.1.-Г. 86-88.

9. Выпанасенко С.И. Энергетические показатели шахтного тягового преобразователя частоты на базе автономного инвертора тока II Горная электромеханика и автоматика : Респ.межвед. иауч.сб.,1989," вып. 55. • С. 5-7.

10. Пивняк Г.Г., Выпанасенко С.И., 'Мирошниченко В.А. Управление инверторами тока в пусковых режимах h ^ехн. элекродннамика.- 1989.-N 3. - С. 49-52.

11. Пнвняк Г.Г., Выпанасенко С.И. Оптимизация параметров тягового преобразователя частоты II Техн.электродинамика.-1985.~ N I,-С. 29-33.

12. Пивняк Г.Г., Выпанасенко С.И. Повышение устойчивости пуска параллельного инвертора тока II Техн.электрод инимика.-IV85.-N 2. -Г. 40-44.

13. Пивняк Г.Г., Выпанасенко îJ.H. Повышение эне; гетнческнх in ..азателей тягового преобразователя частоты // Электротехника. -1485.-N 5.°- С. 34-35.

14. Пивняк Г.Г., Выпанасенко С.И. Преобразователь частоты с последовательно включенным : потребителями // Применение в технологических процессах машиносгроительно'э производства полупроводниковых преобразователей частоты / Тез.докл. на Всесоюзн.нау/.конф., г.Уфа, май 1980г. - Уфа, 1980. - С. 13-14.

15. . 1ивняк Г.Г., Выпанасенко С.И. Пути совершенствования тиристориых преобразовать лей частоты для индукционного нагрева 0 материалов//Техн.электродинамика.- 1992.-N 2. - С. 32-36.

16. j lui ляк Г.Г., Выпанасенко С.И., Швец П.И. Алгоритм пуска параллельного инвертора тока // Проблемы преобразовательной техники / Гез.докл. на Всесоюэн.науч.к< ф., гЛ.иев, сент. 198/г.Киев, 1987. ч.З. - с:. 212.

17. Пнвняк f.r.j Выпанасенко С.И., Чсрвииский Е.В. Согласование парачпельчбго инвертора тока с тч1 вой сетью бесконтактного транспорта // Горная электромеханика к автоматика: . Респ;межвед. науч.сб., 1983,-вып. 43. - С. 25-29.

18. A.c. 1267563 СССР. Преобразоьттель постоянного тока в переменный/ Г.Г.Пивняк, С.И.Выпанасенко, И.И.Пресманн. - Опубл. вБ.И., 1986, N 40.

19. A.c. 1283916 СССР. Способ пуска параллельного инвертора тока / Г.Г.Пивняк. С.И.Выпанасенко, ПЛ.Швец. - Опубл. вБ.И., 1987, N2.

20. A.c. 1769325 СССР. Способ регулирования мощности двухзвенного преобразователя частоты / С.И.Выпанасенко, Г.Г.Пивняк. -Опубл. п Б.И:, 1992, N 38.

21. A.c. 1654952 СССР. Способ регулирования тока нагоузки инвертора/С.И.Выпанасенко, Г.Г.Пивняк. - Опубл. в Б.И., 1991,N Ü.

22. A.c. 1614084 СССР. Способ управления инвертором /Г.Г.Пивняк, С.И.Выпанасенко, В.А.Мирошниченко, А.Р.Ковалев, А.Л.Аникин. - Опубл. в Б.И., 1990, N 46.

23. A.c. 1175012 СССР. Способ управления инвертором /Г.Г.Пивняк, С.И.Выпанасенко, Е.В.Червинский, Е.И.Бсркович, И.И.Пресманн. - Опубл. в Б.И., 1985, N 31. -

24. A.c. 1474791 СССР. Способ управления инвертором тока /Г.Г.Пивняк, С.И.Выпанасенко,1 В.А.Мирошниченко. - Оп\ vi. в Б.И., 1989. N 5. "

25. A.c. 1467714 СССР. Criocoo управления тирмсторным последовательно-параллельным резонансным инвертором / Г.Г.Пивняк, С.И.Выпанасенко, И.И.Пресманн.'-Опубл. в Б.И., 1989, N П.

26. A.c. 1815770 СССР. Устройство '»ая руравл^лия преобразователем частоты / Г.Г.Пивняк, С.И.Выманасснко, А.Р.Ковалеь, Е.М.Эрлих. - 0?убл. в Б.И., 1993, N 18.

27. Патент 1811421 СССР. Способ обработки материалов /Г.Г.Пивняк, Е.Г.Бараног. С.И.Выпанасенко, А.Е.Войтенко, И.Н.Докучасва.-Опубл. вБ.И., 1993, N 15.

Личный вклад автора заключается в развитии теории электротехнологических комплексов тока повышенной частоты, сг чтезе параметров режим,? на основе разработанных принципов и 'тодхо-дов, участии в экспериментальных исследованиях и опытно-конструкторских работах по созданию комплексов. В работах, нап..саи-ных'-в соавторстве, личный вклад автора i ч гоит:

{10.11,12,13,16,17,] - в разработке подходов к оптимизации пара^ метров комплексов в пусковых и стационарных режимах, выводе основных соотношений, характеризующих их режимы функционирования, решения оптимизационных задач и-анализе полученных результатов;

[14,15] - в создан;::i новых подходов к формированию режимов работы комплексов.

В работах [18*27] вклады соавторов равнозначны.

АННОТАЦИЯ

/

Выпанасенко Г'.И. Электротехнические комплексы тока повышенной частоты для технологии и транспорта (развитие теории, синтез параметров, разработка).

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование, Государственная горная академия Украины, Днепропетровск, 1995. о

Защищается 42 научных работы, ¡9 авторских свидетельств ¡г патентов, которые содержат результаты теоретических и экспериментальных исследований режимов функционирования электротехнических комплексов тока повышенной 4i. лоты. Синтезированы параметры режима работы комплексов, обладающих общими свойствами. Созданы устройства, обеспечивающие их реализацию.

о

Vtpan'asenko S.I. Electric technical complexes higher freguency currents for technologies and transport (theory, parameter synthesis, developments).

Doctor o^ Science Degree thesis work on speciality 05,09.03 - Electric Engineering Complexes Including Their Control and Regulation, State Mining University of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1995.

42 published scientific works and 19 p: rents containing results of theoretical and experimental reseatch of functioning regimes of electric technical complexes using higher freguency currents are supported. Regime parameters for сотр.exes with mutual prcpctries have been ° syntherized. Devices realizing these parameters have been developed.

Ключов! ур.равлшня.

слова: епеетротехнолопя, елсктр юбладнання,

Выпанасенко Станислав Иванович

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ТОКА ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЙ

- И ТРАНСПОРТА (РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ, СИНТЕЗ ПАРАМЕТРОВ. РАЗРАБОТКА)

/Автореферат/

Подписано в пс 1ать 14.02.95 г. Формат 60x84/16. Бум.тип. № 3. Офс.печ. Усл. печ. л. 2.0. Уч.-нзд.л.2.0 Тираж 100 эк]. Заказ 30 ■ Бесплатно.

Ротапринт ГГА Украины, 320027, Днепропетровск, пр. К.Маркса, 19