автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование и разработка трехфазного индуктора для нагрева цилиндрических заготовок в поперечном магнитном поле

005004297

На правах рукописи

Никитина Екатерина Александровна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТРЕХФАЗНОГО ИНДУКТОРА ДЛЯ НАГРЕВА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК В ПОПЕРЕЧНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Специальность 05.09.10 - Элекгротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

Самара-2011

005004297

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Данилушкин Александр Иванович

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Рапопорт Эдгар Яковлевич

Ведущая организация:

кандидат технических наук Сорокин Алексей Григорьевич

Саратовский государственный технический университет (г. Саратов)

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

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

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

Автореферат разослан •// ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04

доктор технических наук, доцент

А.А. Базаров

Общая характеристика работы

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

Актуальность проблемы

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

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

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

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

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

Однако, реализация предлагаемой конструкции нагревателя требует решения ряда новых задач, связанных с исследованием электромагнитных и тепловых полей сложной системы, включающей замкнутый магнитопровод, катушки индуктора, футеровку и нагреваемый металл. Для решения поставленных задач требуется привлечение теоретических знаний в области элек-

тромагнетизма, теории теплопроводности, вычислительной математики, а так же выполнение большого объема численных экспериментов. Кроме того, при проектировании новой конструкции индукционного нагревателя необходимо учитывать большое количество факторов, от которых зависят его эксплуатационные качества. Применение известных инженерных методик расчета индукционных нагревателей цилиндрических заготовок в продольном магнитном поле для решения поставленной задачи не представляется возможным.

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

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

Полученные в работе теоретические закономерности и практические результаты использованы:

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

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

Цель работы

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

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

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

- Разработка математических моделей взаимосвязанных электромагнитных и тепловых полей для анализа процессов теплообмена в сложной со-

ставной структуре тел, включающих трехфазную систему катушек, замкнутый магнитопровод, футеровку, металл;

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

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

Методы исследования

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

Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

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

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

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

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

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

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

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

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

Результаты исследований внедрены:

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

Апробация работы

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

Публикации

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

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

На защиту выносятся следующие положения:

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

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

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований электромагнитных и тепловых полей.

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

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

Краткое содержание работы

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

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

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

Предлагаемая в работе новая конструкция индукционного нагревателя обеспечивает полную симметрию нагрузки, однако, требует разработки новой методики проектирования, основанной на численных методах, что обусловлено наличием сложной конфигурации элементов индукционной системы

и нелинейными зависимостями электрофизических и теплофизических свойств металла от температуры.

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

Геометрическая модель исследуемой индукционной системы представлена на рис. 1

Рис. 1. Геометрическая модель исследуемой установки 1 - магнитопровод индуктора; 2 - воздушный зазор; 3 - футеровка; 4 - изоляция; 5 - нагреваемое изделие; 6 - обмотка индуктора

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

В общем случае процесс нагрева рассматриваемого класса объектов описывается нелинейной взаимосвязанной системой уравнений Максвелла и

Фурье соответственно для электромагнитного и теплового полей с соответствующими краевыми условиями:

го1{яЬУэлЁ; «*£)=-{§};

СКу{Я}=0; ШУ{Ё}=0;

' с(гЛх,Т)р(гАХ,т)^ = 11-^,9,0)

дх г дг V дг)

Здесь {#}, {Е}, {Я} - векторы напряженности магнитного и электрического полей и магнитной индукции; у.):] - удельная электропроводимость; Т - температура; т - время; Х(г,0,х,т)-компоненты тензора теплопроводности (теплопроводность как функция температуры представляется кубическим сплайном); ду - удельная мощность тепловыделения (в линейной постановке - константа, в нелинейной постановке - задаваемая кубическим сплайном в функции температуры); с(г,д,х,т) - удельная теплоемкость (в нелинейном случае это функция температуры, аппроксимированная кубическими сплайнами); р(г, 6, х, Т) - плотность, 6 - угловая координата.

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

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

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

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

(2) (3)

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

АIМ+АI ¿0+^ I+

йхцск ду ц ду дг ц дг _ + (/мой]2 <кс1уск + рЩск ф сЬ. (4)

V V

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

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

1 , (- Л

1 ' ~ " ¿V, (5)

2 Vе V ) # _

где о - удельная электропроводность, Е - величина, сопряженная к Е .

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

«=о,1,2,...,/V, (б)

п\г,х,ч,т.) <, / ч у (сЛ.ТГ (Л ЧУПсНиО. 4-й. I пО-1

™6[(«е2 +еД«е21

2 7Г

где /V = ———, 0,, 02 -соответственно угловые размеры участков заготов-

е,+е2

ки, находящихся под индуктирующим проводом и под зубцовой зоной магни-топровода, р(г), б(б), С(х)~ функции распределения мощности внутреннего тепловыделения по радиусу, по окружности и по длине заготовки соответ-

ственно, ¿У(т) - мощность внутренних источников тепловыделения в заготовке.

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

Зт ч"'1 дг2 г дг дх2

— "«УМ 71 + ~ £-+-~-

_1

сШт,)

ге(0,/гД*

дТ2(г,х, т)

+ а ^'АМл!)^

дО \>>>>

дх

- = а2(Г2

ге(0,Я,),хе(0,1) (7)

,ге[Д2,Д3], (8)

а2Г2(г,х,т) | 1 дТг(г,х,т) | д2Т2(г,х,х) дг2 г дг дх2

а(в,т), гб[л3,4 (9)

*~2\ТГ<1

дх

1 Э273(г,*Дт) г2 502

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

^(лхДт)

+ е,

Эг

1

= а1(гХг1(Л1,х,в,т)-Г2(Я2,:с,9,т)]+

100

на торцевых поверхностях заготовки \ дТу (г, х, 0, т)

Эх

\4 Г Т2(я2,х, 0,т)Л

У 1 100 )

, дГ,(г,х,в,х)

(10)

х=0

= а1[7'1(гДв,т)-Гс]+Е1

Т,(г ,0,0, т)'

100

=£ 4 /

Г

* с 100

(11)

Здесь Г^г.хДт), Т2(г,х,0,т), Г3(г,х,0,т) - температурные распределили соответственно в цилиндрической заготовке, футеровке и магнитопро-воде индуктора, Тс - температура воздуха, г,х,в- радиальная, аксиальная и угловая координаты системы, т- время процесса, а,(г) , а2{т),а3(т) Х^Т),

12 (т), Хг - коэффициенты температуропроводности и теплопроводности материалов заготовки, футеровки и магнитопровода соответственно, е,, е2 -степень черноты материала загрузки, Я,, R2, Я4 - соответствующие радиусы поверхности заготовки, внутренней поверхности футеровки, поверхности сопряжения футеровки и индуктора и внешней поверхности магнитопровода индуктора, ^(r,9,x,T) = F(r)-g(e)-G(x)-C/(-r) - источники внутреннего тепловыделения в нагреваемой заготовке.

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

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

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

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

Анализ проведен по интегральным и локальным величинам.

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

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

60

С 50

5 5

< 40

е зол I

| 20 ? \

с 10 0 \

20 40 60 Радиус, мм

| —•— область под пазом--область под з^цом |

Рис.2. График распределения плотности полного тока

160

140 -

2 :

(Й <к 120 -

X

С 100 •

сГ

5 80

с

и 60 -

Л 'А

о о г 3 40 - \

2 20 • \

0 V

20 40 60

Радиус, мм

(—•—область под газом--область под аубиом |

Рис. 3. График распределения мощности тепловыделения

Рис. 4. График распределения тепловыделения по контуру окружности на поверхности заготовки

40 50

Радиус заготовки, мм

•Для ферромагнитной заготовки, нагретой выше точки магнитных превращений ■Для ферромагнитной заготовки

Рис. 5. График распределения плотности полного тока по радиусу заготовки на «холодной» и «горячей» стадии нагрева

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

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

Нхсг)^, (12)

Эх V дх) ду{ ду) ог

где Т - температура; I - время; д - удельная мощность тепловыделения, задаваемая кубическим сплайном функция температуры; с(т) - здельная теплоемкость, задаваемая кубическим сплайном как функция температуры.

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

350

300 -

5

Ш

£ 250

о 200

о с

>3

о

150 -

; 1

У

с 100

оэ

50

0

0

20

40

Радиус, мм

60

Рис. 6. Изотермы теплового поля заготовки

Рис. 7. Распределение теплового потока по радиусу заготовки под пазом

-область под трубкой — - область под зубцом

NN

ч

- ' ч "

О 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 расстояние по радиусу футерозки от поверхности заготовки, мм

Рис. 8. Температурное поле футеровки на участках под пазом и под зубцом

Рис. 9. Распределение температуры по контуру поверхности заготовки

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

Постановка задачи проектирования — задача на максимум общего

КПД.

Для объекта, описываемого уравнениями вида

с{^а(н(г,х.х),Т}н(г,х,4 1д( 1 дН{г,х,х)

а о(т) дг

£ дх

1 дн(г,х, т)"

& .

;

дН(0,х,т)

дг

= 0;

Н{п,Ь,х)=и{г)/{Н,г);

т)атШ=1Ц Х(т)дЛЩ

дл г дг\ дг

/

йзс V дх у

= о ; Х(т)д-Щ±й = (т,Г(*,*,т));

дг ог

Х{т)ЁШ = - йя (х, г(г,0, х)); (13)

ах дх

т(г,х,0)=Г0{г,х); /-е[0,й]; *е[оД требуется обеспечить максимальное значение общего коэффициента полезного действия

(14)

где - электрический КПД:

Рх{п,хх,х2,

= ',+ яР1Р1 ^(р^ц^Я,,),/^ , ^(РгШУ

[ Й1Д,(Р1,/) ГгЬОгЬгЪ А «А^,/)

ГТ ,.4 Яо!7!^) 1 1 ,

Я""10 / ЛгЧ , |7-7- 77^' л1Р2(ТЬе/ >/Мв

- тепловой КПД:

^ = Иа(7")),

Р|, р2 (г) - соответственно удельные сопротивления материала катушки индуктора и металла заготовки; х] - ширина паза, х2 - ширина зубца, -высота паза,

при условии достижения за заданное время требуемого конечного температурного состояния Т(г,х,хзад)=Тзад(г,х)

при наличии энергетических и технологических ограничений вида:

- удельная поверхностная мощность р0 2 400 кВт/м2 ;

- максимальный перепад температур по сечению заготовки в период нагрева в области упругих деформаций (на первой стадии нагрева) -(7^-гД < 600°С;

- максимальная температура наиболее нагретой точки по сечению заготовки ТпА^хоМ^С-,

- перепад температур между наиболее нагретой точкой и центром заготовки на выходе - [Тпт - Тц)=150°С;

- максимальная индукция в магнитопроводе Втт = 0,8 Тл ;

- температура магнитопровода Т„тмаг„ <60 "С, Т =200°С;

- ширина паза должна быть больше величины зазора между магнитопрово-дом и заготовкой х{ > б, 8 = 8М, + Яфут ■

Варьируемые параметры

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

2. Соотношение ширины ху паза и х2 зубца (максимальное значение магнитной индукции, максимальное сечение провода индуктора);

3. Плотность тока в индукторе (/');

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

Результаты расчета оптимальной конструкции индуктора: диаметр заготовки - 175 мм напряжение питающей сети - 380/220 В

длина заготовки 750 мм КПД 79%

масса заготовки 141,6 кг cos ф = 0,56

материал заготовки - 19ХГНМА магнитная индукция в магнитопроводе воздушный зазор 5 мм 0,8 Тл

толщина футеровки 20 мм Тпттах = 1262°С ; Тц = 1177°С

внутр. диаметр индуктора 225 мм мощ^сть (полезная) 160 924 Вт проводник: медь, 4 шинки 6x15 мм мощность (пшшая) 23, 020 Вт

трубкадая охлаждения 10x26 мм мощность 1тду1СГОра 359 630 ВА частота 50 Гц

Заключение

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

В работе получены следующие основные результаты:

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

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

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

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

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

Основное содержание диссертации опубликовано в работах в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ:

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

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

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

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

в прочих изданиях:

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

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

7. Никитина Е.А. Математическая модель процесса индукционного нагрева ферромагнитной заготовки в бегущем магнитном поле [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина // Математическое моделирование

и краевые задачи. Тр. шестой Всерос. науч. конф. с междунар. участием. Ч. 2. - Самара: РИО СамГТУ, 2009. - С. 42 - 45.

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

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

10. Никитина Е.А. Система модального управления процессом индукционного нагрева цилиндрической заготовки [Текст] / А.И. Данилушкин, Е.А. Никитина, С.В. Князев, A.B. Кожемякин // Вестник Тульского гос. универ. Автоматизация: Проблемы, идеи, решения. Матер. Междунар. науч.-техн. конф. «АПИР-15». 4.2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 173-178.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.04 ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет (протокол №14 от 15.11.2011 г.)

Заказ № 1098. Тираж 50 экз.

Отпечатано на ризографе. ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244

Введение.

1. Проблема создания энергоэффективных конструкций трехфазных индукционных нагревателей.

1.1 Обзор методов идентификации процессов индукционного нагрева.

1.2. Задача совершенствования конструкции индукционных нагревателей промышленной частоты.

2. Математическое моделирование процесса индукционного нагрева цилиндрических заготовок в поперечном магнитном поле.

2.1. Постановка задачи моделирования.

2.2. Математическая модель электромагнитных процессов.

2.3. Математическая модель тепловых процессов.

3. Разработка алгоритма и методики расчета параметров трехфазного индуктора с замкнутым магнитопроводом.

3.1. Алгоритм расчета электромагнитных и тепловых полей.

3.2. Экспериментальные исследования электромагнитных и тепловых полей.

3.2.1. Исследование электромагнитных полей в системе «индуктор - заготовка».

3.2.2. Исследование температурных полей в системе «индуктор - заготовка».

4. Параметрический анализ и оптимальное проектирование индукционной системы по критерию максимального полного КПД.

4.1. Обзор методов оптимального проектирования установок индукционного нагрева.

4.2 Анализ зависимости электрических характеристик объекта от конструктивных параметров индуктора.

4.3. Оптимальное проектирование индукционной системы по критерию максимального полного КПД.

4.4. Экспериментальные исследования установившихся режимов нагрева заготовок в индукционном нагревателе.

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

Актуальность проблемы

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

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

Известные конструктивные решения для мощных индукционных нагревательных установок, работающих на промышленной частоте, представляют собой многосекционную систему индукторов и не обеспечивают симметричную нагрузку фаз даже при полном равенстве собственных сопротивлений отдельных секций трехфазного нагревателя. Так, например, часто индукторы располагают друг за другом с минимальным осевым зазором для снижения провала удельной мощности в зоне стыков, а также сгущают витки обмотки в этой области. Это приводит к увеличению взаимной индуктивности обмоток, а значит и к неравномерной загрузке фаз питающей сети (эффект переноса мощности из одной фазы в другую), особенно заметной для крупных установок большой мощности. Это приводит к ухудшению качества электроэнергии в системе электроснабжения даже при симметричной питающей трехфазной системе. Устранить или уменьшить не симметрию токов можно при помощи специальных симметрирующих устройств. Однако, по технико-экономическим параметрам применение их может оказаться нецелесообразным, так как мощность индукционных нагревателей в процессе нагрева может существенно изменяться вследствие изменения внутреннего сопротивления колебательного контура системы «индуктор - металл». В этом случае необходимо применять регулируемые симметрирующие устройства, что значительно удорожает стоимость нагревательной установки. Поэтому в настоящее время возникает необходимость поиска возможных путей совершенствования имеющихся конструкций и принципов работы установок индукционного нагрева с целью снижения энергозатрат и стоимости установленного оборудования. Одним из вариантов такого подхода может быть предлагаемая в работе конструкция индукционного нагревателя, особенностью которой является выполнение индуктора с замкнутым цилиндрическим магнитопроводом в форме статора трехфазного асинхронного двигателя. В трехфазной обмотке индуктора сопротивления фаз в цепи статора симметричны, так как все фазы имеют одинаковое число витков. Сопротивления нагрузки, т.е. заготовки, также можно считать симметричными, источник питания, в качестве которого может рассматриваться трехфазный трансформатор, предполагается симметричным, с соответствующим сдвигом по фазам. Поэтому можно утверждать, что в нормальном режиме несимметрия отсутствует полностью, что исключает необходимость установки симметрирующего устройства. Однако, реализация предлагаемой конструкции нагревателя требует решения ряда новых задач, связанных с исследованием электромагнитных и тепловых полей сложной системы, включающей замкнутый магнитопровод, катушки индуктора, футеровку и нагреваемый металл. Для решения поставленных задач требуется привлечение теоретических знаний в области электромагнетизма, теории теплопроводности, вычислительной математики, а так же выполнение большого объема численных экспериментов. Кроме того, при проектировании новой конструкции индукционного нагревателя необходимо учитывать большое количество факторов, от которых зависят его эксплуатационные качества. Применение известных инженерных методик расчета индукционных нагревателей цилиндрических заготовок в продольном магнитном поле для решения поставленной задачи не представляется возможным.

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

Автор является исполнителем фундаментальной госбюджетной НИР «Исследование закономерностей энергоэффективных процессов теплообмена с внутренними источниками энергии», гос. регистрация №01201152842 (2011г.), в рамках которой проводились исследования по теме диссертации.

Полученные в работе теоретические закономерности и практические результаты использованы: при выполнении фундаментальных НИР «Разработка теории векторной оптимизации процессов, описываемых уравнениями Максвелла и Фурье для определенного класса задач математической физики» (№ г.р. 01200802926), «Создание математических моделей взаимодействия электромагнитных и тепловых полей в пространственно распределенных объектах» (№ г.р. 01200951711); «Разработка теоретических основ системного анализа и методов нетрадиционной реализации взаимосвязанных процессов энергообмена в электромагнитных и температурных полях» (№ г.р. №01200602849), «Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева» (№ г.р. №01200208264) и гранта РФФИ «Разработка методологии оптимального проектирования физически неоднородных объектов электротермических производств по системным критериям качества» (№ г.р. 01200602849).

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

Цель работы

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

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

- анализ существующих методов моделирования электромагнитных и тепловых процессов в системе «индуктор-металл»;

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

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

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

Методы исследования

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

Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

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

- методика последовательного расчета задач теплопроводности и электромагнетизма с обменом информацией в виде аппроксимирующих выражений для температурного распределения и магнитной проницаемости;

- методика расчета интегральных параметров новой конструкции индукционной системы;

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

Практическая полезность работы

Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

- построен и реализован на ЭВМ комплекс программ расчета взаимосвязанных электромагнитных и тепловых полей при сквозном нагреве цилиндрических заготовок;

- разработана инженерная методика расчета конструктивных параметров трехфазной индукционной установки для нагрева заготовок цилиндрической формы в поперечном магнитном поле;

- разработаны рекомендации по проектированию индукционной системы для установок технологического нагрева в поперечном магнитном поле;

Результаты исследований внедрены:

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

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011); на Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2007, 2009); на XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, г. Алушта, 2008); на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XV Бенардосовские чтения) (г. Иваново, 2009); на Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2009, 2010); на Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2009, 2010, 2011); на Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009); на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы управления и автоматизации технологических процессов и производств» (г. Уфа, 2010); на Межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (г. Самара, 2010, 2011); на Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП)» (г. Бийск, 2010, 2011); на Международной научно-технической конференции «Автоматизация. Проблемы, идеи, решения (АПИР)» (г. Тула, 2010); на Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (г. Ставрополь, 2010); на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (г. Одесса, 2010, 2011); на Всероссийской молодежной конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (г. Юрга, 2011); на Всероссийской научно-практической конференции (с участием стран СНГ) «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (г. Новокузнецк, 2011); на Уфимской международной конференции «Комплексный анализ и дифференциальные уравнения» (г. Уфа, 2011); на Международной молодежной конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (РЭЭиЭ)» (г. Томск, 2011); на Международной заочной научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (г. Чита, 2011); на Международной молодежной научно-технической конференции «Энергосистема и активные адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование» (г. Самара, 2011); на Межотраслевой конференции по проблемам новых технологий в рамках III Всероссийского конкурса молодых ученых (г. Миасс, 2011).

Публикации

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

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 143 страницах машинописного текста; содержит 63 рисунка и 7 таблиц,

Выводы

1. Эффективность индукционного нагрева определяется при прочих равных условиях плотностью тока в катушке индуктора. В установках высокотемпературного индукционного нагрева максимальная плотность тока при принудительном охлаждении обмотки индуктора водой определяется интенсивностью охлаждения и составляет 15^-25А/мм . В предлагаемой конструкции индуктора охлаждение осуществляется с помощью специальной трубки, уложенной в пазу магнитопровода вместе с индуктирующим проводом, и изолированной от него. Так как при таком способе охлаждения теплоотвод от индуктирующего провода ухудшается, максимальное значение плотности тока необходимо поддерживать на нижнем уровне.

2. При нагреве цилиндрической заготовки в поперечном магнитном поле трехфазного индуктора кроме неравномерности температурного распределения по радиусу заготовки появляется дополнительная неравномерность температурного распределения по окружности заготовки, величина которой определяется числом пазов и зубцов магнитопровода, т.е. угловыми размерами паза и зубца. Для минимизации этой неравномерности необходимо увеличивать их число. Однако, увеличение числа пазов может привести к существенному уменьшению сечения зубца магнитопровода, а, следовательно, к его насыщению. В связи с этим выбор количества пазов и зубцов должен производится с учетом дополнительного требования к размерам сечения зубца магнитопровода.

3. Для обеспечения заданной мощности индуктора при выполнении требования минимума плотности тока целесообразно иметь максимальную ширину паза. Однако, как и в предыдущем пункте, увеличение ширины паза приводит к уменьшению сечения зубца магнитопровода, которое определяет предельное значение магнитной индукции. Как следует из анализа результатов полученных исследований, наилучшим соотношением, удовлетворяющим предъявляемые выше требования, является равенство сечений паза и зубца.

4. Для снижения массогабаритных показателей индуктора при условии обеспечения максимальной мощности индукция в магнитопроводе должна иметь максимальное значение. Естественным ограничением для увеличения индукции является свойство электротехнических сталей насыщаться, после чего индукция почти не меняется. Однако, так как предлагаемый индуктор используется в установках высокотемпературного нагрева, на допустимую величину индукции должно быть наложено дополнительное ограничение, обусловленное более высокими температурными режимами магнитопровода по сравнению с другими электротехническими устройствами, используемыми в электромеханических устройствах и системах электроснабжения.

Заключение

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

В работе получены следующие основные результаты:

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

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

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

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

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

1. Андреев, Ю.Н. Оптимальное проектирование тепловых агрегатов Текст. / Ю.Н. Андреев. — М.: Машиностроение, 1983. 229 с.

2. Анищенко, JI.M. Математические основы проектирования высокотемпературных технологических процессов Текст. / JIM. Анищенко, С.Ю. Лавренюк. — М.: Наука, 1986. 78 с.

3. Бабат, Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение Текст. / Г.И. Бабат. —М. Л.: Энергия, 1965. - 552 с.

4. Бальян, Р.Х. Аналитический метод геометрической оптимизации ферромагнитных устройств / Р.Х. Бальян, В.П. Обрусник // Электричество. — М., 1979. — №9. — С. 40-46.

5. Бате, К. Численные методы анализа и метод конечных элементов Текст. / К. Бате, Е. Вилсон. М.: Стройиздат, 1982. - 448 с.

6. Батищев, Д.И. Поисковые методы оптимального проектирования Текст. / Д.И. Батищев. — М.: Сов. радио, 1975. 216 с.

7. Безручко, И.И. Индукционный нагрев для объемной штамповки Текст. / И.И. Безручко. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. -127 с.

8. Беляев Н.М. Методы нестационарной теплопроводности Текст. / Н.М. Беляев, A.A. Рядно. — М.: Высшая школа, 1978. 328 с.

9. Богданов, В.Н. Применение сквозного индукционного нагрева в промышленности Текст. / В.Н. Богданов, С.Е. Рыскин. — М.-Л.: Машиностроение, 1965. 96 с.

10. Большакова Н.В. Материалы для электротермических установок: справочное пособие Текст. / Н.В. Большакова, К.С. Борисанова, В.И. Бурцев; под ред. М.Б. Гутмана. — М.: Энергоатомиздат, 1987. 296 с.

11. Брахман, Т.Р. Многокритериальность и выбор альтернативы в технике Текст. / Т.Р. Брахман. М.: Радио и связь, 1984. - 288 с.

12. Брынский, Е.А. Электромагнитные поля в электрических машинах Текст. / Е.А. Брынский, Я.Б. Данилевич, В.И. Яковлев. — Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1979. 176 с.

13. Бузу ев А.Н. Разработка и исследование системы индукционного нагрева для пайки многослойных изделий. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Самара, 2006.-19 с.

14. Бутковский, А.Г. Оптимальное управление нагревом металла Текст. / А.Г. Бутковский, С.А. Малый, Ю.Н. Андреев. — М.: Металлургия, 1972.-439 с.

15. Вайнберг, A.M. Индукционные плавильные печи Текст. / A.M. Вайнберг. — М.: Энергия, 1967. 416 с.

16. Виштак, П. А. Джоулево тепловыделение в процессе индукционного нагрева плоских ферромагнитных тел в бегущем магнитном поле Текст. / П.А. Виштак, И.П. Кондратенко, А.П. Ращепкин, В.А. Крутилин // Техническая электродинамика. 1986. № 2. - С. 21-28.

17. Вологдин, В.П. Поверхностная индукционная закалка Текст. / В.П. Вологдин. —М.: Оборонгиз, 1947.-291 с.

18. Вольдек, А.И. Электрические машины Текст. / А.И. Вольдек, В.В. Попов. — СПб.: Питер, 2007. 349 с.

19. Геминтерн, В.И. Методы оптимального проектирования Текст. / В.И. Геминтерн, Б.М. Каган. — М.: Энергия, 1980. 160 с.

20. Головин, Г.Ф. Технология термической обработки металлов с применением индукционного нагрева Текст. / Г.Ф. Головин, Н.В. Зимин; Под ред. А.Н. Шамова. Л.: Машиностроение. Ленингр.отд-ние, 1990. - 87 с.

21. Гольдберг, О.Д. Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования Текст. / О.Д. Гольдберг. — М: Высшая школа, 2001. 512 с.

22. Данилушкин А.И. Структурное моделирование и автоматическое управление объектами индукционного нагрева с распределенными параметрами в специализированных технологических процессах. Автореф. дисс. доктора техн. наук. Самара, 1999. - 45с.

23. Демидович, Б.П. Численные методы анализа Текст. / Б.П. Демидович, И.А. Марон, Э.З. Шувалова; под ред. Б.П. Демидовича. М.: Наука, 1967.-368 с.

24. Демирчян, К.С. Моделирование магнитных полей Текст. / К.С. Демирчян М. Д.: Энергия, 1974. - 288 с.

25. Донской, A.B. О магнитной проницаемости при индукционном нагреве Текст. / А.И. Егоров // Электричество. — 1951. №5. - С. 27—30.

26. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике Текст. / О.Зенкевич. — М.: Мир, 1975.-541 с.

27. Зенкевич, О. Конечные элементы и аппроксимация Текст. / О. Зенкевич, К. Морган. — Д.: Мир, 1986. 318 с.

28. Зимин Л.С. Оптимальное проектирование систем индукционного нагрева в технологических комплексах обработки металла давлением. Автореф. дисс. . доктора техн. наук. Ленинград, 1987. - 30 с.

29. Исламов, М.Ш. Проектирование и эксплуатация промышленных печей Текст. / М.Ш. Исламов. — Л.: Химия, 1986. 280 с.

30. Карслоу, Г. Теплопроводность теплых тел Текст. / Г. Карслоу, Д. Егер. —М., 1964.-488 с.

31. Карташов, Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел Текст. / Э.М. Карташов. — М.: Высшая школа, 2001.-550 с.

32. Кацевич, Л.С. Теория теплопередачи и тепловые расчеты электрических печей Текст. / Л.С. Кацевич. — М.: Энергия, 1977 г. 304 с.

33. Коздоба, JI.А. Решение нелинейных задач теплопроводности Текст. / JI.A. Коздоба. Киев: Наукова думка, 1976. - 136 с.

34. Копылов, И.П. Проектирование электрических машин Текст. / И.П. Копылова. — М.: Высшая школа, 2002. 760 с.

35. Лившиц М. Ю. Теория и алгоритмы оптимального управления термодиффузионными процессами технологической теплофизики по системным критериям качества: Автореф. дис. докт. техн. наук. Самара, 2001.-46 с.

36. Кошляков, Н.С. Уравнения в частных производных математической физики Текст. / Н.С. Кошляков, Э.Б. Глинер, М.М. Смирнов. — М., 1970. 713 с.

37. Крейт, Ф. Основы теплопередачи Текст. / Ф. Крейт, У. Блэк. — М.: Мир, 1983.-512 с.

38. Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев магнитной стали на промышленной частоте Текст. / А.Б. Кувалдин. М.: ВИНИТИ, 1976. - 83 с.

39. Кувалдин, А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитных сталей Текст. / А.Б. Кувалдин. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 200 с.

40. Кувалдин, А.Б Математические модели для исследования электромагнитного поля в ферромагнитных средах Текст. /А.Б. Кувалдин // Электричество. 2005 - №11. - с. 56 - 61.

41. Лозинский, М.Г. Поверхностная закалка и индукционный нагрев стали Текст. / М.Г. Лозинский. — М.: Машгиз, 1949. 184 с.

42. Лыков, A.B. Теория теплопроводности Текст. / A.B. Лыков. — М.: Высшая школа, 1967. 599 с.

43. Нейман, Л.Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах Текст. / Л.Р. Нейман. —Л.: Госэнергоиздат, 1949. 190 с.

44. Немков, B.C. Влияние конструкции и режимов работы индукционных нагревателей на их энергетические показатели Текст. / B.C. Немков, В.Б. Демидович, В.И. Руднев // Электротехника. М., 1986. - №3. -С. 23-27.

45. Немков, B.C. Теория и расчет устройств индукционного нагрева Текст. / B.C. Немков, В.Б. Демидович Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1988.-280 с.

46. Никитина Е.А. Исследование процессов индукционного нагрева ферромагнитной цилиндрической заготовки в трехфазном магнитном поле Текст. / Е.А. Никитина // Научно-технический вестник Поволжья. Казань, 2011. №5. - С. 222-229. ISSN 2079-5920.

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

48. Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 2010. С. 41-44. ISBN 978-5-9257-0189-8.

49. Ордынцев, В.М. Математическое описание объектов автоматизации Текст. / В.М. Ордынцев. — М: Машиностроение, 1965. 360 с.

50. Ортега, Дж. Итерационные методы решения нелинейных систем уравнений со многими неизвестными Текст. / Дж. Ортега, В. Рейнболдт. — М.: Мир, 1975.-553 с.

51. Осипов О.О. Комплексная оптимизация конструктивных и режимных параметров установок непрерывного индукционного нагрева заготовок подшипниковых колец. Автореф. дис. . канд. техн. наук. Самара, 2002.-21 с.

52. Павлов, H.A. Инженерные тепловые расчеты индукционных нагревателей Текст. / H.A. Павлов. M.-JL: Энергия, 1978. 120 с.

53. Половинкин, А.И. Алгоритмы оптимизации проектных решений Текст. / А.И. Половинкин. —М.: Энергия, 1976. 264 с.

54. Поляк, Б.Т. Введение в оптимизацию Текст. / Б.Т. Поляк. — М.: Наука, 1983.-384 с.

55. Простяков, A.A. Индукционные нагревательные установки Текст. / A.A. Простяков. М.: Энергия, 1970. - 120 с.

56. Рапопорт, Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла Текст. / Э.Я. Рапопорт. -М.: Металлургия, 1993. 279 с.

57. Рапопорт Э.Я. Теория и алгоритмы оптимального управления индукционным нагревом металла перед обработкой давлением Текст. / Автореф. дис. доктора техн. наук. -М., 1983.^12 с.

58. Реклейтис Г. Оптимизация в технике Текст. / Г. Реклейтис, А. Рейвиндран, К. Рэгсдел. — М.: Мир, 1986. 669 с.

59. Родигин, Н.М. Индукционный нагрев стальных изделий Текст. / Н.М. Родигин. —М.:Металлургиздат, 1950. -246 с.

60. Сидоренко, В.Д. Применение индукционного нагрева в машиностроении Текст. / В.Д. Сидоренко. Л.: Машиностроение, 1980. -231 с.

61. Слухоцкий, А.Е. Индукторы для индукционного нагрева Текст. / А.Е. Слухоцкий, С.Е. Рыскин. — Л.: Энергия, 1974. 264 с.

62. Слухоцкий, А.Е. Установки индукционного нагрева Текст. /А.Е. Слухоцкий, B.C. Немков, H.A. Павлов. — Л.: Энергоиздат, 1981. 328 с.

63. Тайц, Н.Ю. Технология нагрева стали Текст. / Н.Ю. Тайц. М.: Металлургиздат, 1962. 566 с.

64. Тозони, O.B. Математические модели для расчета электрических и магнитных полей Текст. / О.В. Тозони. — Киев: Наукова думка, 1964. -304 с.

65. Уайлд, Д. Оптимальное проектирование Текст. / Д. Уайлд. — М.: Мир, 1981.-272 с.

66. Уонг, X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров Текст. / X. Уонг. — М.: Атомиздат, 1979. 216 с.

67. Яйцков, С.А. Ускоренный изотермический индукционный нагрев кузнечных заготовок Текст. / С.А. Яйцков. — М.: Машгиз, 1962. 95 с.

68. A.c. 1266013 СССР, МКИ3 H 05 В 6/02. Трехфазная нагревательная установка Текст. / Е.Г. Порсев, В.В. Устюменко (СССР). — №3917521/24-07; заявл. 27.06.85; опубл.23.10.86, Бюл. №39. 3 е.: ил.

69. ELCUT: Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 5.8: Руководство пользователя. С-Пб.: Производственный кооператив ТОР, 2010. URL: http://ELCUT.ru/free doc r.htm (дата обращения: 18.09.2011).

70. Rapoport Е., Pleshivtseva Yu. Optimal control of induction heating processes. CRC Press, Taylor&Francis Group, Roca Ration, London, New York, 2007.

71. Rudnev V. Handbook of Induction Heating. Marcel Dekker Inc., New York, 2003.