автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование устройств генерирования тепловой энергии на основе электромеханического преобразователя с разделенными нагревательными элементами

На правах рукописи

укипи!

Еськова Анна Владнмнро&на

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С РАЗДЕЛЕННЫМИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Специальность 05.13.18 — Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре — 2006

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ГОУВПО «КнАГТУ») на кафедре «Информационные системы».

Научный руководитель: доктор технических наук

Амосов Олег Семенович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Соловьев Вячеслав Алексеевич

кандидат физико-математических наук, доцент■

Погорелова Александра Владимировна

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет «ЛЭТИ»

Защита диссертации состоится 17 ноября 2006 в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.03 в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013,

г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, д. 27.

С диссертацией »ложно ознакомиться в библиотеке Комсомол ьского-на-Амуре государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина,

д. 27, ГОУВПО «КнАГТУ».

Автореферат разослан «/£ »октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.092.03

Зарубин М.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из важных задач общества является производство тепловой энергии, как средства создания необходимых комфортных условий для жизнедеятельности человека. Актуальность проблемы повышения эффективности производства данного вида энергии и экономичного теплоснабжения удаленных и/или обособленных от традиционных источников теплоснабжения жилых и производственных объектов подтверждается выбором , направления «Энергосбережение и энергосберегающие технологии» одним из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники на современном этапе развития экономики.

В настоящее время горячее водоснабжение и обогрев жилых и промышленных помещений в крупных городах и промышленных центрах осуществляется с помощью таких источников тепловой энергии, как ТЭЦ, в небольших городах и поселках - с помощью котельных н печного отопления. Остро стоит проблема получения тепла в небольших населенных пунктах, фермерских хозяйствах, удаленных от тепломагистрали жилых зданиях и производственных помещениях. Строительство маломощных котельных, обеспечение их привозным топливом и обслуживающим персоналом ресурсоемко, неэкономично, ухудшает экологическую обстановку, тепловые трассы имеют потери во внешнюю среду и нарушают архитектурный дизайн.

Решить задачу теплоснабжения различных объектов можно с помощью использования устройств электронагрева, которые характеризуются меньшими затратами на обслуживание, низкой пожароопасносгью, высокой готовностью к работе, возможностью экономичного и точного регулирования.

К наиболее известным видам электронагревательных устройств относятся установки, выполненные на основе трубчатых' нагревательных элементов (ТЭН), электродные электроводонагреватели и электронагреватели с открытыми тепловыделяющими элементами. Основными недостатками этих типов электроприборов являются их низкая надежность и недостаточный уровень безопасности в эксплуатации. Установки индукционного нагрева, широко применяющиеся в промышленности, обладают высокой степенью безопасности в эксплуатации, но имеют низкие энергетические показатели.

В качестве нагревательных устройств используются электронагревательные устройства , трансформаторного типа. Они представляют собой понижающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сети, а вторичная обмотка замкнута накоротко и является тепловыделяющим элементом. Но и эти установки, не смотря на достоинства, обладают рядом недостатков, основным из которых является относительно низкий коэффициент теплоотдачи.

Увеличить коэффициент теплоотдачи позволяет использование в конструкции вращающегося теплогенерирующего элемента или введение в

конструкцию дополнительных источников тепла. Эти технические решения реализованы в новом классе устройств генерирования тепловой энергии на основе электромеханического преобразователя с разделенными нагревательными элементами (ЭМПРЭ).

Отсутствие математических моделей, позволяющих без создания полномасштабных образцов обеспечить эксплуатационные характеристики данных устройств, обуславливает необходимость их получения и определяет актуальность темы исследования.

Математическое моделирование этого класса преобразователей позволяет провести электромагнитный, тепловой, механический, аэродинамический расчеты при их проектировании с заданными параметрами производительности, и на этой основе выполнить экспериментальные исследования с соответствующими рекомендациями для комплексной структурной и параметрической оптимизации.

Целью работы' являются разработка, исследование и обоснование математических и численных моделей для нового класса

электронагревательных устройств, и на их основе разработка рекомендаций по совершенствованию данного класса устройств.

Задачи работы. В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:

- создание математической модели электромагнитных процессов ЭМПРЭ;

- создание математической модели тепловых процессов ЭМПРЭ;

- создание математической модели для расчета механических напряжений наиболее нагруженных элементов ЭМПРЭ;

- разработка методики численного моделирования электромагнитных, тепловых и электромеханических процессов;

- создание комплекса алгоритмов и программ для расчета и проектирования ЭМПРЭ;

- разработка методики и структурной ' схемы стенда автоматизированных испытаний ЭМПРЭ с использованием информационно-измерительного комплекса;

- разработка рекомендаций для комплексного совершенствования данного класса устройств.

Методы исследований. Исследования проводились с использованием теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии, теплофизики, методов исследования оболочек, физического моделирования, современных методов экспериментальных исследований. Основными математическими средствами служат теория дифференциальных уравнений с частными производными и интегральных уравнений, приближенные методы и вычислительная математика. Для алгоритмической обработки использовались MS Visual Basic 6.0, MSC Nastran for Windows' 4.0, современные математические пакеты.

Научную' новизну работы составляют:

- математические модели электромагнитных,. тепловых и механических процессов ЭМПРЭ и его элементов;

- методика численного моделирования ЭМПРЭ для определения параметров, размерных соотношений, электромагнитных, тепловых и механических нагрузок;

- алгоритмы и программы для расчета характеристик электромагнитных, тепловых и механических процессов в ЭМПРЭ и в его элементах, подтвержденные свидетельством о регистрации программы;

- методика и структурная схема стенда автоматизированных испытаний с использованием информационно-измерительного комплекса;

- рекомендации по проектированию данного класса устройств ЭМПРЭ на основе предложенной математической модели;

- новые технические решения, разработанные на основе проведенных исследований и подтвержденные 2 патентами РФ.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Математические модели для расчета электромагнитных, тепловых и механических параметров ЭМПРЭ.

2. Методика численного моделирования ЭМПРЭ для определения рабочих параметров, размерных соотношений, электромагнитных, тепловых и механических нагрузок.

3. Алгоритмы и программы для расчета электромагнитных, тепловых и механических параметров ЭМПРЭ и его элементов.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования разработанных математических и численных моделей при решении задачи по разработке и исследованию конструкций нового класса теплогенерирующих устройств на основе электромеханического преобразователя энергии с разделенными нагревательными ■ элементами, отвечающих современным требованиям безопасности, эффективности, эргономичности, производительности. Созданные методики и алгоритмы электромагнитных, тепловых и механических расчётов и реализация их в виде пакетов прикладных программ позволяют прогнозировать эксплуатационные характеристики и проектировать устройства класса ЭМПРЭ с заданными параметрами. Разработанные технические решения, защищенные двумя патентами, могут быть использованы при создании новых технических систем рассматриваемого направления.

Реализация результатов работы.

Практическая полезность подтверждается актами внедрения и использования в проектно-конструкторской деятельности Научно-технологического парка «Технопарк КАС» и в учебном процессе ГОУ ВПО «КнАГТУ».,,

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и обсуждались на международных конференциях: XI научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2005 г.),Х1 научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (г, Томск, 2005 г.), III

научно-практической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии» (г. Улан-Удэ, 2005 г.); на XXXI Дальневосточной математической школе-семинаре им. ' академика Е.В.Золотова (г.Владивосток, 2006 г.), на ежегодных научно-технических конференциях ГОУВПО «КнАГТУ» и на научных семинарах кафедр «Электромеханика» и «Информационные системы» (2003-2006 г.). '

Личный вклад автора. Во всех работах, выполненных в соавторстве, личный вклад автора состоял в математической постановке задач, разработке математических моделей, в создании алгоритмов и программ, в проведении расчетов и анализе полученных результатов.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 работах, в том числе 5 * статьях, 2 патентах РФ, 1 свидетельстве об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, библиографического списка из 118 наименований и 5 приложений. Она содержит 151 страницу машинописного текста, 9 таблиц и 38 рисунков. " •

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, показана научная новизна, практическая ценность, апробация и реализация проведенных исследований. Приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор и анализ современного состояния проблемы, связанной с построением математических моделей электромеханических преобразователей энергии, на основе которых могут быть разработаны эффективные устройства генерирования тепла.

Рассмотрены существующие и • перспективные ■ типы электронагревательных устройств, сделан обзор конструкций нагревательных, элементов и приведена - их классификация, дана оценка степени разработанности их математических моделей.

Как показано в работах Казанского В.М., Кузьмина В.М., Елшина А.И., Еремина В.Г1. и других, одним из путей повышения надёжности и безопасности систем децентрализованного горячего водоснабжения и отопления небольших промышленных и сельскохозяйственных предприятий и бытового сектора является применение в качестве нагревательных элементов однофазных и трёхфазных трансформаторов с короткозамкнутой вторичной обмоткой, являющейся тепловыделяющим элементом. Недостатком данных устройств является то, что передача тепловой мощности нагреваемой средой осуществляется в основном за счет естественного теплообмена или требует внешнего источника механической энергии, например насоса или компрессора. Устраняет указанный недостаток реализация • тепловыделяющего элемента в виде вращающейся короткозамкнутой вторичной обмотки. Тем не менее, даже при наличии

вращающегося тепловыделяющего элемента, все вышеописанные устройства имеют общий недостаток, связанный с тем, что, являясь по существу короткозамкнутой обмоткой асинхронного двигателя, в режимах близких к синхронным, количество тепловых потерь, выделяющихся в теплогенерирующем элементе, в значительной степени уменьшается вследствие сближения скоростей вращения магнитного поля и подвижного элемента. Поэтому для повышения теп л опро из водите л ьно сги с целью исключения влияния на параметры ЭМПРЭ скорости вращения тепловыделяющего элемента в конструкцию устройства вводятся такие источники тепла, показатели которых не связаны непосредственно со скоростью вращения теплогенерирующего элемента, например, как в статических электронагревателях трансформаторного типа рассмотренных выше.

Произведен анализ моделей электромагнитных процессов преобразователей на основе исследований проведенных Копыловым И.П., Ивановым-Смоленским A.B. и другими. Показано, что в данное время отсутствуют математические модели ЭМПРЭ, что не позволяет провести расчеты и оптимизацию их характеристик с ' целью проектирования и обеспечения заданных параметров производительности.

На основе проведенного анализа достоинств и недостатков существующих устройств генерирования тепловой энергии определен перспективный класс ЭМПРЭ, требующий разработки соответствующих математических моделей, позволяющих обеспечивать эксплуатационные характеристики этого класса устройств, что и является основной целью диссертационной работы.

Поставлены задачи исследования, решение которых рассматривается в последующих главах.

Во второй главе разработаны математические модели для расчета электромагнитных, тепловых и механических параметров ЭМПРЭ.

Электронагреватель с вращающейся короткозамкнутой вторичной обмоткой, одновременно являющейся теплогенерирующим элементом (41 Э), и дополнительным теплогенерирующим элементом в виде тонкой цилиндрической оболочки в воздушном зазоре между первичной и вторичной обмоткой, представляется конструкцией, состоящей из двух пар обмоток на статоре и пары обмоток на роторе (рис. 1). Обмотки ротора обозначены и>|аг, wipr, обмотки статора - WiJ, w^/, обмотки неподвижного теплогенерирующего элемента (НТГЭ) - w,J , wtßy при этом угловая частота й)р*0, u1a=uj/=Of так как ротор выполнен в виде вращающейся короткозамкнутой обмотки и «ias="ißS=0, Для НИЗ, выполненного в виде короткозамкнутой обмотки.

Для построения модели была использована математическая теория обобщенного электромеханического преобразователя. Математическая модель, описывающая электромагнитные процессы в элeicrpoнатревательном устройстве с двумя обмотками на статоре и обмоткой на роторе,

представляет собой систему дифференциальных уравнений из шести уравнений напряжений - четырех уравнений для статора и двух для ротора, и уравнения электромагнитного момента.

а С /С С № , 3^«' \ »Щ* >

и; ц?

Рис. I — Модель электронагревателя с вращающейся короткозамкнутой вторичной обмоткой и дополнительным теплогенерирующим элементом

Уравнения напряжений, описывающие процессы в устройстве, в общем виде записываются так: 1"]=[2]*М> гДе ["] _ столбец напряжений по осям а, Д [/] - столбец токов по осям а, Д [г] - матрица сопротивлений, состоящая из субматриц полных сопротивлений, субматриц взаимных индуктивностей статорных и роторных обмоток, субматриц, связанных с ЭДС вращения.

Дифференциальные уравнения напряжении для всех трех обмоток, выраженные через токи, в развернутой форме имеют вид (1):

"1а

л л ■ 0 0 0

лм>« * 0 0 0

и г « гг К»'*, Ми? •<»,

*

0 0 0 £м>

0 < 0 0

Ча

С &

(1)

Уравнение электромагнитного момента (2):

Уравнения напряжений, выраженные через потокосцепления, имеют вид (3):

о-,* , ■

la 'Г1В +—Г~,

dt

"га 'la 2a . »

dt

n-í" y? , ¿Vi* .

Л

o-y

(3)

¿VlV

л

- 'íjj * ггр +

dt

Полные потокосцепления обмоток определяются соотношениями (4):

Уы = С • ца + • + С • Мш; Уз* = ¿¡а ' ¿2a + 4 * Щы + & ' Щ\а >

=4 -А« +Ü +'2« -^ÍL; vi/? = 'iV * +'[д * л/п/, + гз/? * л/12у?; VÍfi = 'T/f ' * + Уг/? = • + 'Т/г'мг\р + 'Тд'•

(4)

В этих уравнениях / - токи, г - активные сопротивления, М - взаимная индуктивность, Ь - полная индуктивность, Ь~М+1, I — индуктивности рассеяния обмоток. Взаимная индуктивность М непостоянна и зависит от степени насыщения сердечника. Она определяется по кривой намагничивания материала по формуле М=1¥2*Ф/Р, где IV —-количество витков первичной обмотки, Ф — магнитный поток, Р — намагничивающая сила; зависимость М=/(Ф) можно аппроксимировать, например, линейными или кубическими сплайнами.

Так как свойства материала НТГЭ не зависят от напряженности магнитного поля, но существенно зависят от температуры, то это приводит к необходимости учитывать в устройствах рассматриваемого типа взаимное влияние электромагнитных и тепловых процессов в НТГЭ. Предложено учет температуры, как основного эксплуатационного параметра нагревателя, определяющего его выходные характеристики, сделать за счет добавления дополнительной нелинейной зависимости сопротивления материала ЭМПРЭ от температуры .9, которая в свою очередь является функцией от тока Д

проходящего в ЭМПРЭ: К =/1 (9) =/1(/2([)). В этом случае дифференциальные уравнения напряжений для всех трех обмоток будут иметь вид:

(< К,

"Гд '<0

-АЙ

11а

*и -К*

А ""

О О

12а

О О

о о

о о

л

о о

л/,

11/»

—А^

О О

а

л

1а

V

Окончательно, уравнения напряжений преобразуются к следующему

виду:

т

и1 ,г> + -^Ч.-

"га *1о га т ^ I

*

(5)

0 = +

¿К

2£-

Л

^ «г/» - ^ + Л •

В результате предложена математическая модель ЭМПРЭ, которая представляется системой уравнений (2) и (5), в которых независимые переменные (напряжения) и зависимые переменные (токи и частота вращения) связаны нелинейной зависимостью, обусловленной характеристикой ферромагнитных материалов и температурой. Полученная модель является универсальной, так как позволяет определить параметры ЭМПРЭ во всех режимах его работы, в том числе и переходных. Для ее практической реализации необходимо знать первичные напряжения и параметры ЭМПРЭ (сопротивления, температуру, индуктивности обмоток и

др.)..

Основная трудность, ч связанная с непосредственным использованием (2), (5) заключается в том, что коэффициенты перед зависимыми переменными (активные сопротивления, индуктивности, взаимные индуктивности), являются функциями параметров ЭМПРЭ.

Поэтому система уравнений (5) использована для решения одного из частных случаев - статической условно двумерной задачи с целью получения математической модели для расчета тепловых параметров ЭМПРЭ.

Тепловые потери, генерируемые ЭМПРЭ, используются на нагрев среды и определяют его тепловую мощность. Результирующая тепловая мощность ЭМПРЭ Рэлгпрэ будет складываться из суммы тепловых мощностей НТГЭ Р/гггэ, ТГЭ Ртгэ и тепловых потерь в статоре Рстлг, причем последние будут составлять не более нескольких процентов от общей тепловой мощности и могут быть рассчитаны по известным методам при проектировании:

рэмпрэ™рггэ+рнтгэ^рстат •

Следовательно, тепловые параметры ЭМПРЭ, как нагревательного устройства, определяются, в основном, параметрами вращающегося и неподвижного нагревательных элементов.

Для ЭМПРЭ в установившемся режиме, при скоростях близких к синхронным, количество тепла, выделяющегося с поверхности вращающегося нагревательного элемента ТГЭ, будет стремиться к нулю. Поэтому тепловые параметры ЭМПРЭ в установившемся режиме будут определяться, главным образом, тепловыми параметрами НТГЭ, исследованию которого уделено основное внимание в работе.

Так как конструктивной особенностью ЭМПРЭ является неподвижный теплогенерирующнй нагревательный элемент из немагнитного материала, определение температуры НТГЭ является основной исследовательской задачей, сводящейся к получению математической модели расчета тепловых параметров.

При выводе основных соотношений в неподвижном теп л огенерирую щем элементе с учетом отмеченных конструктивных особенностей приняты следующие допущения: магнитное поле, связанное с НТГЭ, ограничено расчетной длиной воздушного зазора, равномерно по длине зазора и имеет только нормальную составляющую, неизменную по всей толщине НТГЭ и изменяющуюся (гармонически) по окружности воздушного зазора; индукция магнитного поля в лобовых частях НТГЭ равна нулю; магнитная проницаемость НТГЭ равна магнитной проницаемости зазора; существует только основная гармоническая составляющая всех известных и определяемых величин; индуктивное сопротивление НТГЭ пренебрежительно мало; НТГЭ не образует во всей длине статора токоведущих контуров с массивными деталями и пакетом активной стали статора.

I,

На рис. 2 изображен развернутый цилиндрический НТГЭ, разрезанный по образующей. Там же выделены активная часть НТГЭ, равная длине активной части статора 1Ь и лобовые части НТГЭ длиной 1Ь. Так как НТГЭ симметричен относительно оси X, то тепловая мощность, выделяемая в верхней и нижней частях НТГЭ, будет одинаковой. Поэтому решение задачи приводится только для верхней половины НТГЭ.

Для распределения

напряженности электрического поля в

частях НТГЭ учтем, что для каждой части справедлива следующая система уравнений (вытекающая из общих уравнений Максвелла):

\rotE = т!д1, (6)

\divEy = О,

Рис. 2 - Развертка неподвижного теплогенерирующего нагревательного элемента

где £-напряженность электрического поля; В -магнитная индукция;у-удельная электрическая проводимость среды.

Решение (6), при принятых допущениях, позволяет получить выражение для тепловой мощности в НТГЭ

1-

1

4г 4т

т

О)

где Рипэ - тепловая мощность в ТГЭ, Вт; р - число пар полюсов; В$ — индукция в воздушном зазоре, 7л; г - полюсное деление, ж; / - частота сети, Гц\ /) - толщина НТГЭ, м.

При известных конструктивных параметрах ЭМПРЭ и его элементов (в том числе и свойствах материалов) Рнтгэ является функцией от частоты питающего напряжения/и индукции в воздушном зазоре

Для определения теплового потока рассмотрен характер распространения и передачи теплоты от НТГЭ к нагреваемой среде. Так как НТГЭ имеет относительно небольшую толщину, теплопередача теплопроводностью внутри элемента практически отсутствует (^гас! Э|~0), а коэффициент теплоотдачи излучением не учитывается при охлаждении в каналаэс 'или учитывается совместным коэффициентом теплоотдачи. Таким образом, в силу конструктивных особенностей ЭМПРЭ основным видом теплообмена НТГЭ и нагреваемой среды является конвективный теплообмен.

При известной Р/лтэ, согласно первого закона термодинамики, температура &Р нагрева жидкой или газообразной среды определяется приближенной формулой Ньютона-Римана (8):

о _ гнтгэ

(8)

где кю - эквивалентный коэффициент теплоотдачи, Впь;(К-м )\ Б ~ площадь теплоотдающей поверхности, л*2; температура нагреваемой среды, А'.

С использованием выражения (7) для Рнтгэ и формулы для площади поверхности НТГЭ .У получено выражение для температуры 9Р:

+21Ь)( \ 4т

2рВ}т*/*11ГН

1-

^ 4т

2/*) ,я1ь —^ + с1к—-

//

-,(9)

где Кнтгэ ~ внешний радиус НТГЭ, м.

Определение коэффициента теплоотдачи кто, который зависит от температуры, скорости среды, состояния поверхности тела, формы канала и целого ряда других параметров существенно затрудняет использование этой формулы. Проведенный анализ показал, что наиболее предпочтительным является выражение Рихтера для расчета коэффициента теплоотдачи в канале с нормальной турбулентностью {104<Ке< 106):

кто «0Д78А'

0,178

(5с)0>832 г°.088;-о.256у0.832

где X - коэффициент теплопроводности нагреваемой среды, Впг/(м К); 5 -удельный вес нагреваемой среды, кг/м3; с - удельная теплоемкость нагреваемой среды, Дж/(кг-К)\ 1 - длина канала, м\ г - гидравлический радиус сечения канала, м\ v- скорость нагреваемой среды, м/сек. В результате получена формула для температуры &р:

I 4г ^ 4т

.(Ю)

Из (10) видно, что температура является сложной функцией индукции в воздушном зазоре, параметров устройства и нагреваемой среды.

С целью проверки механической ' устойчивости НТГЭ разработана математическая модель для расчета механических нагрузок, обусловленных действием рабочих температур, модифицирующая известное в теории расчета полых оболочек уравнение радиального прогиба с учетом (10):

¿с4

ЕН

М)

'<+2/> л

нтгэ'

где сф) - радиальное перемещение точек срединной поверхности; (Ннтш~к/2) - радиус срединной поверхности, м; А - толщина оболочки, л; Е - модуль Юнга, Н/м2\ ¡л — коэффициент Пуассона; а - коэффициент линейного

расширения, 1/К\ $0 - температура окружающей среды, К\ )) -

цилиндрическая жесткость, Им.

В третьей главе предложена методика численного моделирования электромагнитных и тепловых процессов ЭМПРЭ.

Алгоритм расчета электромагнитных процессов в ЭМПРЭ и температуры в НТГЭ реализован и защищен свидетельством о регистрации программы. Программа расчета . с использованием средств автоматизированного проектирования обеспечивает выполнение следующих функций:

• - расчет главных размеров ЭМПРЭ;

- расчет основных характеристик статора и воздушного зазора с учетом НТГЭ;

- расчет основных характеристик вращающегося нагревательного элемента;,

- расчет электромагнитных нагрузок ЭМПРЭ; . - расчет тепловой мощности ЭМПРЭ;

. - расчет температуры НТГЭ.

После проведения проектного расчета и выбора основных геометрических параметров конструкции необходимо проверить, что под воздействием температурных нагрузок не будет его механического разрушения, например, в виде деформации или потери продольной или осевой устойчивости. -

Статический анализ напряженно деформированного состояния НТГЭ проводился в МБС/ ЫАЗТЯАН Были использованы следующие параметры: количество узлов - 672, количество элементов - 640, конечные элементы имеют квадратную форму, размер=0.005 м. Торцы НТГЭ жестко закреплены. Эксперименты проводились для температурных нагрузок в диапазоне от О °С до 100 °С с шагом 20 °С. Максимальные температурные напряжения возникают только вблизи торцов НТГЭ. Результаты анализа представлены в табл. 1 и на рис. 3.

Таблица I - Максимальные главные напряжения, материал - медь

Температура, °С Максимальные значение главных напряжений, Н/м2 ., .

40 18 172 492

60 27 258 736

80 36 344 984

100 41 282 480

Предел прочности для меди составляет 170-250 МПа, полученные расчетные данные позволяют сделать вывод, что НТГЭ выдерживает такие температурные нагрузки. , -

¡г* «■№> В-М 1*«г V »м Ьш* 04 <У »1 *1»! *1 т&аШ № Ем* ни 1 Ш Ю* п

£ * ■У 1 л ¿й Б4 ^ ^ ^ .¿сии А 4 т СУММ ^'««апПп^Пи .И 41 т ^ Ж и

«7 [чо^И» » С** <0*1 ¡Он л

а - деформации (медь 80 аС) . б - главные напряжения (медь 80 °С)

Рис. 3 - Статический анализ напряженно деформированного состояния В четвертой главе решена задача физического моделирования, разработана методика и структурная схема стенда автоматизированных испытаний ЭМПРЭ с использованием информационно-измерительного комплекса.

Экспериментальные исследования основных

эксплуатационных параметров, а именно -' тепловых потерь в неподвижном ТГЭ проводились на электромеханических преобразователях с разделенными нагревательными элементами,

изготовленных на базе двигателя ! КД-120-4/56Р, Г=50 Гц, Р2ном=120 Вт, ! п=1350 об/мин (рис. 4),

На рис. 5 приведено

распределение среднего значения

магнитной индукции вдоль оси сердечника и лобовой части обмотки статора с неподвижным ТГЭ и без него на частоте 50 Гц. ве 0

Рис.4 -Опытный ЭМПРЭ

0.24 тл 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0 02 - о

к*-

: .....

1 1 ^Ч''»--...

О 10 20 30 40 50 60 70 80 мм 100

I

1 - с НТГЭ, 2 - без НТГЭ Рис. 5 — Изменение магнитной индукции по длине преобразователя

1 т расчет, 2 - эксперимент Рис. 6 — Сравнение расчетных и экспериментальных данных

Измерение температуры неподвижного ТГЭ проводилось при изменении питающего напряжения в двух вариантах: при отсутствии вращающегося нагревательного элемента и при наличии вращающегося нагревательного элемента/ Сравнение расчетных и экспериментальных данных для первого варианта приведено на рис. 6. Совпадение расчетных и экспериментальных значений (погрешность находится в диапазоне от 4 до 20 %) подтверждает адекватность предлагаемых моделей.

Анализ модели (10) показывает, что температура НТГЭ является функцией ряда величин: ,

- конс!руктивных параметров (числа пар полюсов, полюсного деления); '

- электромагнитных параметров (магнитной индукции, частоты питающего напряжения, удельной электрической проводимости материала НТГЭ);

■. - геометрических размеров (длин активной и лобовой частей статора, толщины НТГЭ, внешнего'радиуса НТГЭ);

г- параметров нагреваемой среды (коэффициента теплопроводности, удельного веса, удельной теплоемкости);

гидравлического и гидродинамического параметров ЭМПРЭ (гидравлического радиуса сечения, скорости нагреваемой среды). При известных конструктивных параметрах и геометрических размерах существенное влияние на температуру оказывают значения частоты внешней сети, магнитной индукции и коэффициента теплоотдачи.

Для комплексного исследования проектируемых ЭМПРЭ разработана структурная схема автоматизированной системы измерения параметров, представленная на рис.7. Она включает измерительные преобразователи электрических величин, универсальные цифровые измерительные приборы и средства регистрации, позволяющие измерить электрические, тепловые, механические параметры. Измеренные величины регистрируются в виде, удобном для ввода в ЭВМ. Используемые в системе цифровые приборы и коммутаторы имеют на выходе унифицированные сигналы, обеспечивающие дистанционно-программное управление режимом работы, что позволяет непосредственно присоединить их к управляющей ЭВМ и автоматизировать процесс испытаний.

Структурная схема автоматического цифрового стенда для испытаний ЭМПРЭ, включающая управляющий вычислительный комплекс на базе ЭВМ и измерительную стойку, набранную из агрегатных средств электроизмерительной техники, построена по магистральной структуре с использованием интерфейса «общая шина» и агрегатному принципу на уровне приборов. Стенд обеспечивает автоматическое измерение входных и выходных параметров ЭМПРЭ при питании от трехфазной сети и различных режимах работы; преобразование полученных аналоговых сигналов в цифровые, нормированные с учетом параметров АЦП. Частота вращения ТГЭ испытуемого ЭМПРЭ определяется с помощью частотомера, выход которого связан с двумя портами ввода параллельного программируемого

интерфейса, расположенного на плате расширения памяти. Данные этих портов считываются в оперативную память ЭВМ. Управление исполнительными элементами испытательного стенда производится с помощью АЦП и ЦАЛ.

Испытуемый ЭМПРЭ

Частот» ер айкни*, скольжение Переменный пас. переменное напряжение, активнм мощность, частота Темпер«тура Активное сопротивление

.......+---- * * ' »1

Прсобра эомтель Измерительные трансформаторы тока н напряжения Термо-преовраэом телн Блок питания н коммутации

Устройств игчеренн« производительности

Поспи ни»е 'напряжен не Врашаищшй момент

Тс изометрический преоЙр»к»«пль

Измерительные преобрмсяачеяи

Коммутатор

Частотомер

Тайм<р

Вольтметр

Дискриминатор

Блок сопряжений

Л.

ЭВМ

Рис. 7 - Структурная схема автоматизированной системы измерения параметров

ЭМПРЭ

Программное обеспечение системы состоит из универсального проблемно-ориентированного ядра, обеспечивающего работу в режиме реального времени и осуществляющего сбор, контроль и отображение информации, а также специализированного функционального программного обеспечения, выполняющего операции подготовки измерений, управления ЭМПРЭ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложена математическая модель устройства генерирования тепловой энергии на основе электромеханического преобразователя с разделенными нагревательными элементами.

2. Разработана математическая модель электромагнитных процессов.

3. Получена математическая модель тепловых процессов ЭМПРЭ.

4. Создана математическая модель для расчета механической устойчивости наиболее нагруженных элементов ЭМПРЭ. .

5. Разработана методика численного моделирования электромагнитных, тепловых и электромеханических процессов ЭМПРЭ.

6. Создан, комплекс. алгоритмов , и программ для расчета и проектирования ЭМПРЭ, подтвержденных свидетельством о регистрации программы.

, 7. Подтверждена адекватность предложенных математических моделей ЭМПРЕ путем экспериментальной проверки.

8. Разработана методика и структурная схема стенда автоматизированных испытаний с использованием информационно-измерительного комплекса. *

9. Предложены рекомендации для дальнейшего совершенствования данного класса устройств и на основе анализа математических моделей разработаны новые технические решения, защищенные 2 патентами РФ.

Таким образом, в диссертации решена комплексная задача математического, и на его основе численного й физического, моделирования электромагнитных, тепловых, механических процессов нового класса устройств на основе ЭМПРЭ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пат. 46139 Российская Федерация, МПК7 Н 05 В 6/10, F 25 В 29/00. Теплогенерирующий электромеханический преобразователь / В.М. Кузьмин, О.С. Амосов, A.B. Еськова, С.Н. Иванов (Россия). -№2004137050/22; заявл. 17.12.2004; опубл. 10.06.2005, Бюл. №16 (V ч.). - 1 с.

2. Пат. 54283 Российская Федерация МПК Н 05 В 6/10, F 25 В 29/00. Компенсированный теплогенерирующий электромеханический преобразователь / В.М. Кузьмин, О.С. Амосрв, С.Н. Иванов, A.B. Еськова (Россия). - №2005108525/22; заявл. 25.03.2005; опубл. Ю.06.2006, Бюл. №16 (Уч.). — 1 с. 1

3. Еськова, A.B. Разработка теплогенерирующих электромеханических преобразователей / A.B. Еськова, О.С. Амосов, С.Н. Иванов // Радиоэлектроника, электротехника и ' энергетика: тез.- докл. XI междунар. науч.-техн. конф. студ. и аспирантов, Москва, 1-2 марта 2005 г. - М.: МЭИ, 2005. - Т. 2. - С. 338-339.

4. Кузьмин, В.М. Особенности разработки и * проектирования теплогенерирующих устройств на основе электромеханических преобразователей энергии / В.М. Кузьмин, С.Н. Иванов, A.B. Еськова //

* Современные техника и технологии: XI Международная науч.-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 29 марта-2 апреля 2005 г. - Томск: Изд-во Томского политехи, ун-та, 2005. - Т. 1С. 297-299.

5. Разработка конструкций энергосберегающих электротепловых генераторов ■ 7 * В.М. Кузьмин, О.С.Амосов, С.Н. Иванов,

A.B. Еськова//Энергосберегающие и природоохранные технологии: материалы III междунар. научно-практ. конф., Улан-Удэ, 2-7 июля 2005 г. - Улан-Удэ: Изд-во Восточно-Сибирского государственного унта, 2005.- С. 217-225.

6. Кузьмин, В.М. Математическое моделирование теплогенерирующего устройства с тепловыделяющим элементом / В.М. Кузьмин, A.B. Еськова // Вестник ГОУ ВПО «КнАГТУ», Вып. 5: сб. науч. тр. ГОУ ВПО «КнАГТУ», 2005. — Ч. 1.-С. 132-136.

7. Амосов, O.G. Экспериментальное исследование теплогенерирующих электромеханических устройств с использованием информационно-измерительных комплексов / О.С. Амосов, С.Н. Иванов, A.B. Еськова // Дальневосточный энергопотребитель. - 2006. - №1-2 - С. 32-34.

8. Разработка и исследование нового класса теплогенераторов на основе электромеханического преобразователя с разделенными нагревательными элементами / О.С. Амосов, С.Н. Иванов, C.B. Уханов, A.B. Еськова // XXXI Дальневосточная математическая школа-семинар им. академика Е.В.Золотова: тез. докл. — Владивосток: Дальнаука, 2006.-С. 107.

9. Амосов, О.С. Математическое моделирование устройств генерирования тепловой энергии на основе электромеханического преобразователя с разделенными нагревательными элементами / О.С. Амосов, С.Н. Иванов, A.B. Еськова // Известия ВУЗов. СевероКавказский регион. Технические науки. Спец. вып. Математическое моделирование и компьютерные технологии, — 2006. — С. 32-35,

Ï ©.Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ X® 2006612895. Расчет температуры в неподвижном нагревательном элементе ЭМПРЭ / С.Н- Иванов, A.B. Еськова, О.С. Амосов, C.B. Уханов. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 11.08.2006.-М., 2006.

Подписано в печать 12.10.2006 Формат 60x84/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,10. Тираж 100 экз. Заказ 20060.

Отпечатано в полиграфической лаборатории ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР И АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ

ПРОБЛЕМЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

УСТРОЙСТВ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ.

1.1 Классификация устройств генерирования тепловой энергии, методы расчета и состояние вопроса их математического моделирования.

1.2 Анализ современного состояния устройств трансформаторного типа и их математических моделей.

1.3 Описание нового класса устройств ЭМПРЭ.

1.4 Состояние проблемы моделирования теплогенерирующих устройств

1.5 Основы математической теории теплогенерирующих устройств.

1.6 Выводы. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, ТЕПЛОВЫХ, МЕХАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЭМПРЭ.

2.1 Математическая модель для расчета электромагнитных параметров ЭМПРЭ.

2.2 Математическая модель расчета тепловых параметров ЭМПРЭ.

2.2.1 Определение тепловой мощности ЭМПРЭ.

2.2.2 Определение температуры неподвижного теплогенерирующего элемента ЭМПРЭ.

2.3 Математическая модель для расчета механических нагрузок НТГЭ

2.4 Выводы.

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ, ТЕПЛОВЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ В ЭМПРЭ.

3.1 Численное моделирование электромагнитных и тепловых процессов ЭМПРЭ.

3.1.1 Методика численного моделирования магнитного поля в воздушном зазоре ЭМПРЭ.

3.1.2 Методика численного моделирования электромагнитных и тепловых процессов ЭМПРЭ.

3.2 Численное моделирование перемещений и напряжений в НТГЭ при температурных нагрузках.

3.3 Расчет температуры НТГЭ.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4. ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭМПРЭ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ НАТУРНОГО

ЭКСПЕРИМЕНТА

4.1 Разработка структурной схемы стенда автоматизированных испытаний ЭМПРЭ.

4.2 Разработка методов определения электромагнитных параметров.

4.3 Измерение температуры элементов ЭМПРЭ и нагреваемой среды.

4.4 Измерение механических параметров ЭМПРЭ.

4.5 Автоматизация испытаний ЭМПРЭ.

4.6 Экспериментальное исследование параметров ЭМПРЭ и сравнение их с расчетными.

4.7 Выводы.

Применение математического моделирования и численных методов помогает эффективно решать самые сложные научно-технические задачи без использования существенных материальных и временных ресурсов /34, 77, 110, 111, 112/.

К одной из таких проблем относится производство, передача и использование тепловой энергии, как средства создания необходимых комфортных условий для жизнедеятельности /54/. Актуальность проблемы повышения эффективности производства и преобразования данного вида энергии и экономичного теплоснабжения удаленных и/или обособленных от традиционных источников теплоснабжения жилых и производственных объектов подтверждается выбором направления «Энергосбережение и энергосберегающие технологии» в качестве одного из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники на современном этапе развития экономики /108/.

В настоящее время горячее водоснабжение и обогрев жилых и промышленных помещений в крупных городах и промышленных центрах осуществляется с помощью таких источников тепловой энергии, как ТЭЦ, в небольших городах и поселках - с помощью котельных и печного отопления/54/. Около 72 % всей тепловой энергии производится централизованными источниками (мощностью более 20 Гкал/ч), остальные 28 % - децентрализованными источниками, в том числе 18 Неавтономными и индивидуальными /74/.

Проблема получения тепла в небольших населенных пунктах, фермерских хозяйствах, удаленных от тепломагистрали жилых зданиях и производственных помещениях решается за счет строительства маломощных котельных, обеспечения их привозным топливом и обслуживающим персоналом, что характеризуется крайне низким уровнем рентабельности и ухудшением экологической обстановки /54, 101/.

Решить задачу теплоснабжения таких объектов можно с помощью устройств электронагрева, требующих меньших затрат на обслуживание, являющихся пожаробезопасными, отличающихся высокой готовностью к работе, а также возможностью экономичного и самого точного регулирования и, самое главное, позволяющими максимально приблизить тепловые мощности к местам потребления, тем самым минимизируя протяженность тепловых сетей и потери в них /20, 27-30, 39, 44, 54, 58, 99/.

Одним из основных видов электронагревательных устройств являются установки, выполненные на основе трубчатых нагревательных элементов (ТЭН)/15, 50, 59/, электродные электроводонагреватели /42/ и электронагреватели с открытыми тепловыделяющими элементами /15, 17, 25, 43, 50/. Основными недостатками этих типов электроприборов являются их низкая надежность и недостаточный уровень безопасности в эксплуатации /54, 101/. Установки индукционного нагрева /4, 26/, широко применяющиеся в промышленности, обладают высокой степенью безопасности в эксплуатации, но имеют низкие энергетические показатели /54,101/.

В качестве нагревательных устройств могут быть использованы электронагревательные устройства трансформаторного типа /28-30, 39, 40, 53-55/. Они представляют собой понижающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к сети, а вторичная обмотка замкнута накоротко и является тепловыделяющим элементом /54/. Но и эти установки, не смотря на достоинства (высокий уровень электробезопасности, большая перегрузочная способность и т.д.), обладают рядом недостатков, основным из которых является низкий коэффициент теплоотдачи /100/.

Повысить эффективность преобразователей трансформаторного типа можно как за счет изменения процесса теплообмена на рабочей поверхности, так и за счет дополнительных источников тепла /54,100/.

Практическая реализация этих условий нашла свое воплощение в новом классе электромеханических устройств генерирования тепловой энергии на основе преобразователя с разделенными нагревательными элементами (ЭМПРЭ), предложенных в работах /68, 69, 82-85, 97-98/.

Отсутствие математических моделей, позволяющих без создания полномасштабных образцов спрогнозировать эксплуатационные характеристики нового класса устройств, обуславливает необходимость их получения и определяет актуальность темы исследования.

Математическое моделирование этого класса преобразователей позволяет провести электромагнитный, тепловой, механический, аэродинамический расчеты при их проектировании с заданными параметрами производительности, и на этой основе выполнить экспериментальные исследования с соответствующими рекомендациями для комплексной структурной и параметрической оптимизации /102-106/.

Целью работы являются разработка, исследование и обоснование математических и численных моделей для нового класса электронагревательных устройств, и на их основе разработка рекомендаций по совершенствованию данного класса устройств.

Задачи исследования. В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи:

- создание математической модели электромагнитных процессов ЭМПРЭ;

- создание математической модели тепловых процессов ЭМПРЭ;

- создание математической модели для расчета механических нагрузок элементов ЭМПРЭ;

- разработка методики численного моделирования электромагнитных, тепловых и электромеханических процессов;

- создание комплекса алгоритмов и программ для расчета и проектирования ЭМПРЭ и его элементов;

- разработка структурной схемы и методики автоматизированных испытаний ЭМПРЭ с использованием информационно-измерительного комплекса;

- разработка рекомендаций для комплексного совершенствования ЭМПРЭ.

Методы исследований. Исследования проводились с использованием теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии /45, 88/, теплофизики /11, 36, 49, 86, 96/, методов исследования оболочек /10, 65/, физического моделирования /41, 47-48/, современных методов экспериментальных исследований /19, 32, 66, 95/. Основными математическими средствами служат теория дифференциальных уравнений с частными производными и интегральных уравнений /2, 13, 14, 46, 70/, приближенные методы и вычислительная математика /6, 8, 18, 33, 51, 60, 63/. Для алгоритмической обработки использовались MS Visual Basic 6.0 /107/, Nastran for Windows 4.0 /75, 94,95/, современные математические пакеты /52/.

Научную новизну работы составляют:

- математическая модель электромагнитных процессов ЭМПРЭ;

- математическая модель тепловых процессов ЭМПРЭ;

- математическая модель для расчета механических нагрузок элементов ЭМПРЭ;

- методика численного моделирования ЭМПРЭ для определения параметров, размерных соотношений, электромагнитных, тепловых и механических нагрузок;

- алгоритмы и программы для расчета электромагнитных, тепловых и механических процессов в ЭМПРЭ и в его элементах, подтвержденные свидетельством о регистрации программы;

- структурная схема и методика автоматизированных испытаний с использованием информационно-измерительного комплекса;

- рекомендации по проектированию данного класса устройств ЭМПРЭ на основе предложенной математической модели;

- новые технические решения, разработанные на основе проведенных исследований и подтвержденные патентами РФ.

Личный вклад автора. Личный вклад автора состоит в математической постановке задач, разработке математических моделей, в создании алгоритмов и программ, в проведении расчетов и анализе полученных результатов.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 10 работах, в том числе 5 статьях, одна из которых издана в специальном выпуске «Математическое моделирование и компьютерные технологии» журнала «Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Технические науки» рекомендованном ВАК для публикаций, 2 патентах РФ на полезную модель, 1 свидетельстве об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, библиографического списка из 118 наименований и 5 приложений. Она содержит 151 страницу машинописного текста, 9 таблиц и 38 рисунков.

Основные результаты работы.

В работе выполнен анализ современных конструкций электронагревательных устройств, математической теории построения их моделей, в результате выполненной работы получены следующие результаты:

1) Создана математическая модель электромагнитных процессов ЭМПРЭ на основе теории обобщенного электромеханического преобразователя.

2) Разработана математическая модель тепловых процессов ЭМПРЭ;

3) Получена математическая модель для расчета механических нагрузок ЭМПРЭ.

4) Разработана методика численного моделирования электромагнитных, тепловых и электромеханических процессов ЭМПРЭ.

5) Создан комплекс алгоритмов и программ для расчета и проектирования ЭМПРЭ.

6) Разработана методика и структурная схема стенда автоматизированных испытаний с использованием информационно-измерительного комплекса.

7) Разработаны рекомендации для дальнейшего совершенствования данного класса устройств ЭМПРЭ и на их основе предложены новые технические решения, защищенные 2 патентами на полезные модели. Таким образом, в диссертации решена комплексная задача математического, и на его основе численного и физического, моделирования электромагнитных, тепловых, механических процессов нового класса устройств на основе ЭМПРЭ.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования разработанных математических и численных моделей при решении задачи по разработке и исследованию конструкций нового класса теплогенерирующих устройств на основе электромеханического преобразователя энергии с разделенными нагревательными элементами, отвечающих современным требованиям безопасности, эффективности, эргономичности, производительности. Созданные методики и алгоритмы электромагнитных, тепловых и механических расчётов и реализация их в виде пакетов прикладных программ позволяют прогнозировать эксплуатационные характеристики и проектировать устройства класса ЭМПРЭ с заданными параметрами. Разработанные технические решения, защищенные двумя патентами, могут быть использованы при создании новых технических систем рассматриваемого направления.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и обсуждались на международных конференциях: XI научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2005 г.), XI научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2005 г.), III научно-практической конференции «Энергосберегающие и природоохранительные технологии» (г. Улан-Удэ, 2005 г.), на XXXI Дальневосточной математической школе-семинаре им. академика Е.В.Золотова (г. Владивосток, 2006 г.), на ежегодных научно-технических конференциях ГОУВПО «КнАГТУ» и на научных семинарах кафедр «Электромеханика» и «Информационные системы» (2003-2006 гг.).

Основные научные результаты, полученные в диссертации были опубликованы в работах /97-106/, в том числе двух патентах РФ на полезную модель /97, 98/ (приложение Е) и одном свидетельстве на регистрацию программы для ЭВМ/106/ (приложение Е).

Практическая полезность подтверждается актами внедрения и использования в проектно-конструкторской деятельности Научно-технологического парка «Технопарк КАС» (приложение D) и в учебном процессе ГОУ ВПО «КнАГТУ» (приложение D).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Агеев, В.Д. Исследование потерь мощности в экранах экранированных асинхронных двигателей // Электричество. 1974. - №12. -С. 63-65.

2. Агошков, В.И. Методы решения задач математической физики / В.И. Агошков, П.Б. Дубовский, В.П. Шутяев; под ред. Г.И. Марчука: учеб. пособие. М.: Физматлит, 2002. - 320 с.

3. Андриевский, Б.Р. Управление мехатронными вибрационными установками / Б.Р. Андриевский, И.И. Блехман, Ю.А. Борцов, В.А. Коноплев, Б.П. Лавров, В.М. Шестаков, О.П. Томчина, Н.Д. Поляхов, С.В. Гаврилов, А.Л. Фрадков. СПб.: Наука, 2001. - 278 с.

4. А.с. 1811038 СССР, МКИ Н 05 В 6/10. Индукционный нагреватель жидкой среды /А.В. Янченко, В.М. Кузьмин, А.В. Пяталов, Ю.М. Гуревич (СССР).-№ 4861336/07;заявл. 12.06.90; опубл. 23.04.93. Бюл. № 15. 4 с.

5. Афанасьев, А.А. Математическая модель ветроэлектромеханического нагревателя воды с постоянными магнитами / А.А. Афанасьев, А.Г. Бабак, А.В. Николаев // Электричество. 2006. - №3. - С. 30-34.

6. Бахвалов, Н.С. Численные методы / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. -М.: Наука, 1987. 600 с.

7. Бахтина, Н.А. Состояние производства и тенденция развития бытовых электроводонагревателей в высокоразвитых капиталистических странах // Электротехническая промышленность. Бытовая электротехника. 1975. -вып. 5 (30). - С. 2.

8. Березин, И.С. Методы вычислений / Березин, И.С., Жидков Н.П. М.: ГИФМЛ, 1960.-620 с.

9. Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники: Электромагнитное поле: учебник для студентов вузов. М.: Высш. шк., 1978. - 232 с.

10. Биргер, И.А. Расчет на прочность деталей машин: Справочник / И. А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. М.: Машиностроение, 1979. - 702 с.

11. Борисенко, А.И Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах

12. А.И. Борисенко, В.Г. Данько, А.И. Яковлев. М.: Энергия, 1974. - 560 с.

13. Борцов, Ю.А. Робастные регуляторы систем возбуждения мощных синхронных генераторов. / Ю.А. Борцов, А.А. Бурмистров, А.Г. Логинов, Н.Д. Поляхов, И. А. Приходько, В. А. Хлямков // Электричество, № 7, 2003.

14. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов./ И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986.-544 с.

15. Бугров, Я.С. Высшая математика. Дифференциальное и интегральное исчисление / Я.С. Бугров, С.М. Никольский. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы, 1980. - 432 с.

16. Варшавский, А.С. Бытовые нагревательные приборы (конструкция, расчёты, испытания) / А.С. Варшавский и др. М.: Энергоиздат, 1981. -328 с.

17. Веников, В.А. Теория подобия и моделирование применительно к задачам электроэнергетики. М.: Высш. шк., 1966. - 488 с.

18. Ганн, М.Б. Использование аккумулирующих электронагревателей для нагрева воды в быту / М.Б. Ган, В.М. Староверова // Научные труды АКХ им. К.Д.Памфилова. 1968 - № 47 -С. 14-17.

19. Годунов, С.К. Разностные схемы (введение в теорию): учеб. пособие / С.К. Годунов, B.C. Рябенький. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы, 1973.-400 с.

20. Гольдберг, О.Д. Автоматизация контроля параметров и диагностика асинхронных двигателей / О.Д. Гольдберг, И.М. Абдуллаев, А.Н. Абиев. -М.: Энергоатомиздат, 1991. 158 с.

21. Гольцман, Д.А., Бончковская Л.В. Применение электроэнергии для горячего водоснабжения и отопления жилых зданий //Водоснабжение и санитарная техника. 1976. - №1.- С.30-33.

22. ГОСТ 8.401-80 ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования. М.: Изд-во стандартов, 1980.

23. ГОСТ 17083-87. Электротепловентиляторы бытовые. Общие технические условия. Взамен ГОСТ 17083-81. - Введ. 25.12.87. - М.: Изд-во стандартов, 1988.

24. ГОСТ 14014-91. Приборы и преобразователи измерительные цифровые напряжения, тока, сопротивления. Общие технические требования и методы испытаний. М.: Изд-во стандартов, 1991.

25. Дьяконов, В. MathCad 2001: спец. справочник. СПб.: Питер, 2002. -832 с.

26. Жерве, Г.К. Промышленные испытания электрических машин. JL: Энергоатомиздат, 1984.-408 с.

27. Журбин, О.В. Анализ инженерных конструкций методом конечных элементов: учеб. пособие / О.В. Журбин, С.Д. Чижиумов. Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2004. - 157 С.

28. Иванов, В.В. Методы вычислений на ЭВМ. Справочное пособие. К.: Наук.думка, 1986. - 584 с.

29. Иванов-Смоленский, А.В. Электромагнитные силы и преобразование энергии в электрических машинах. М.: Высш. шк., 1989. - 312 с.

30. Иванов-Смоленский, А.В. Методика расчета магнитных полей: учеб. пособие / А.В. Иванов-Смоленский, В.А. Кузнецов. М.: МЭИ, 1979. -72 с.

31. Борцов, Ю.А. Исследование нечетких стабилизаторов возбуждения синхронного генератора / Ю.А. Борцов, А.А. Юрганов, Н.Д. Поляхов, И.А Приходько, П.В. Соколов//Электричество, 1999, № 8.-С. 50-55.

32. Казанский, В.М. Электронагрев в сфере жизнеобеспечения человека // Электронагреватели трансформаторного типа: Сб. научн. тр.-Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997-С. 9-18.

33. Клесов, В.И. Анализ электромагнитного поля в теплообменнике 3-фазного электроводонагревателя./ В.И. Клесов, А.И. Ёлшин // Электронагреватели трансформаторного типа. Сб. научн. тр. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. - С. 19-24.

34. Коварский, Е.М Испытание электрических машин / Е.М. Коварский, Ю.И. Янко. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 319 с.

35. Кознев, А.А. Опыт применения электродных водонагревателей в сельскохозяйсвенном производстве // Электротехническая промышленность.- 1983.- №11.- С. 16-17.

36. Коган, Ю.М. Условия и перспективы применения теплоаккумуляционных электроприборов./ Ю.М. Коган, Э.И. Эргард, В.Е. Шерстень М.; Информэлектро, 1976. 60 с.

37. Кожухов, В.В. Автоматизация работы системы электроотопления // Электронагреватели трансформаторного типа. Сб. научн. тр. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997 С. 25-28.

38. Копылов, И.П. Применение вычислительных машин в инженерно-экономических расчетах (Электрические машины). М.: Высш. школа, 1980.-256 е., ил.

39. Корн, Г. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). / Г. Корн, Т. Корн. М.: Наука, 1978. - 832 с.

40. Котеленец, Н.Ф. Испытания и надежность электрических машин / Н.Ф. Котеленец, H.JI. Кузнецов. М.: Высш. шк., 1988. - 232 с.

41. Котеленец, Н.Ф. Испытания, эксплуатация и ремонт электрических машин / Н.Ф. Котеленец, Н.А. Акимова, М.В. Антонов. М.: Академия, 2003.-384 с.

42. Карякин, Н.И. Краткий справочник по физике / Н.И. Карякин и др. М.: Высш. шк, 1969.-600 с.

43. Кривошеий, И.А. Бытовые электронагревательные приборы и установки. -М.: МКХРСФСР, 1963.-184 с.

44. Крылов, В.И. Вычислительные методы в 2 т. / В.И. Крылов, В.В. Бобков, П.И. Монастырный. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы, 1976.

45. Кудрявцев, Е.М. Mathcad 2000 Pro. М.: ДМК Пресс, 2001. - 576 с.

46. Кузьмин, В.М. Электронагревательные устройства трансформаторного типа. Владивосток: Дальнаука, 2001. - 142 с.

47. Кузьмин, В.М. Трансформаторы для устройств электронагрева: автореф. диссерт. на соиск. уч. ст. доктора техн. наук. Томск, 2002. - 34 с.

48. Кузьмин, В.М. Аккумуляционный электроводонагреватель «Орель» / В.М. Кузьмин, В.А. Размыслов, А.В. Пяталов Информационный листок. № 13488, ЦНТИ, г. Хабаровск, 1988г.

49. Курбатов, П.А. Численный расчет электромагнитных полей / П.А. Курбатов, С.А. Аринчин. -М.: Энергоатомиздат, 1984. 168 с.

50. Куцевалов, В.М. Вопросы теории и расчета асинхронных машин с массивными роторами. М.: Энергия, 1966.

51. Ленский, А.Р. Перспективы развития конструкций проточных электроводонагревателей //Электротехническая промышленность. Бытовая электротехника.- 1977.-Вып. 5 (42).- С. 5-7.

52. Луковенко, Б.А. Ассортимент перспективных бытовых электро-водонагревательных приборов для районов Сибири и Крайнего Севера. / Б.А. Луковенко, О.Я. Проворотова // Электротехническая промышленность. Бытовая электротехника. 1982,- № 1,- С. 4-5.

53. Ляшко, И.И. Методы вычислений (Численный анализ. Методы решения задач математической физики) / И.И. Ляшко, В. Л. Макаров, А.А. Скоробогатько. К.: Вища школа, 1977. - 408 с.

54. МИ 1967-89 ГСИ. Выбор методов и средств измерений при разработке методик выполнения измерений. Общие положения. М.: ВИНИТИ, 1989.

55. МИ 2301-94 ГСИ. Обеспечение эффективности измерений при управлении технологическими процессами. Методы и способы повышения точности измерений. М.: ВИНИТИ, 1994.

56. На, Ц. Вычислительные методы решения прикладных граничных задач: пер. с англ. М.: Мир, 1982. - 296 с.

57. Очков, В.Ф. MathCad 12 для студентов и инженеров. СПб.: БХВ-С.-Петербург, 2005. - 464 с.

58. Пат. 2109413 РФ, МКИ Н 05 В 6/10, F 24 Н 3/04. Электронагревательное устройство /В.М. Кузьмин, СП. Бобровский, А.В. Сериков, Ю.М. Гуревич,

59. А.В.Пяталов (Россия). № 96107425/09; Заявлено 16.04.96; Опубл. 20.04.98. Бюл. № 11-3 с.

60. Пат. 50741 Российская Федерация, МПК7 Н 05 В 6/10, F 25 В 29/00. Синтез системы управления электромеханическими преобразователями / Ф.Ф. Пащенко, О.С. Амосов, С.Н. Иванов (Россия). №2005123300; заявл. 21.07.2005; опубл. 20.01.2006.

61. Пащенко, Ф.Ф. Синтез систем управления электромеханическими преобразователями / Ф.Ф Пащенко, О.С. Амосов, С.Н. Иванов // Датчики и системы. 2006. - №8. - С. 18-22.

62. Пискунов, Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления для втузов: учеб. пособие для втузов в 2 т. М.: Наука, 1985.

63. Поклонов, С.В. Асинхронные двигатели герметичных электронасосов. -JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. 64 с.

64. Привалов, С.Ф. Электробытовые устройства и приборы; Справочник домашнего мастера. СПб.: Лениздат, 1994. - 511 с.

65. Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов / И.П. Копылов и др.; Под ред. И.П. Копылова. М.: Энергия, 1980. - 496 с.

66. Реутов, Б.Ф. Теплоснабжение Российской Федерации. Пути выхода из кризиса: Национальный доклад. / Б.Ф. Реутов, А.Л. Наумов, В.Г. Семенов и др. -М., 2001.

67. Рычков, С.П. MSC.visualNASTRAN for Windows. М.: НТ Пресс, 2004. -552 е., ил.

68. Самарский, А.А. Теория разностных схем: учеб. пособие. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы, 1977. - 656 с.

69. Самарский, А.А Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры / А.А. Самарский, А.П. Михайлов. М.: Наука. Физматлит, 1997.-320 с.

70. Свидетельство РФ № 3674 на полезную модель, МКИ Н 05 В 6/10, F 24 Н 3/04. Электронагреватель / С.Н. Иванов, В.М. Кузьмин, (Россия). № 95115749/20; заявл. 11.09.95; опубл. 16.02.97. Бюл. №2.-1 с.

71. Свидетельство РФ № 9114 на полезную модель, МКИ Н 05 В 6/10. Электронагреватель /С.Н. Иванов, В.М. Кузьмин, Н.Н. Мельникова (Россия). № 97121536/20; заявл. 23.12.97; опубл. 16.01.99. Бюл. №1. -2 с.

72. Свидетельство РФ №5482 на полезную модель, МКИ Н 05 В 3/00. Электронагреватель /С.Н. Иванов, В.М. Кузьмин (Россия). -№ 96115617/20; заявл. 26.07.96; опубл. 16.11.97. Бюл. 11

73. Свидетельство РФ №7266 на полезную модель, МКИ Н 05 В 3/06. Электронагреватель /С.Н. Иванов, А.А.Скрипилев (Россия). -№ 96115616/20; заявл. 26.07.96; опубл. 16.07.98. Бюл.7

74. Свидетельство РФ №12316 на полезную модель, МКИ Н 05 В 6/10. Регулируемый электронагреватель /С.Н. Иванов, Н.Н. Случанинов (Россия). -№ 99112771/20; заявл. 11.06.99; опубл. 16.12.99. Бюл.12

75. Свидетельство РФ №12638 на полезную модель, МКИ Н 05 В 6/10, F 24 Н 3/04 Электронагреватель /С.Н. Иванов, Н.Н. Случанинов, Н.А. Каныгина (Россия). -№ 99111971/20; заявл. 03.06.99; опубл. 20.01.2000. Бюл.2

76. Свидетельство РФ № 25669 на полезную модель, МКИ Н 05 В 6/10, F 25 В 29/00. Электронагреватель /В.В. Смирнов, С.А. Скоморовский, Н.Н. Случанинов, С.Н. Иванов (Россия). № 2002106022/20; Заявлено 14.03.2002; Опубл. 10.10.2002. Бюл. № 28. - 1 с.

77. Свидетельство РФ № 39033 на полезную модель, МКИ Н 05 В 6/10, F 24 Н 3/04. Центробежный электромеханический преобразователь /В.М. Кузьмин, Т.Г. Голубева, С.Н. Иванов (Россия). № 2003135911/20; Заявлено 11.12.2003; Опубл. 10.07.2004. Бюл. № 19. - 1 с.

78. Сипайлов, Г.А. Тепловые, гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах / Г.А. Сипайлов, Д.И. Санников, В.А. Жадан. -М.: Высш. шк., 1989.-239 с.

79. Соловьев, В.А. Управление тепловыми и энергетическими процессами на основе нечеткой логики. Владивосток.: Дальнаука, 2003. - 181 с.

80. Бертинов, А.И. Специальные электрические машины / А.И. Бертинов и др.; под ред. А.И. Бертинова. М., Энергоиздат, 1982. - 552 с.

81. Копылова, И.П. Справочник по электрическим машинам: в 2 т. / Под общ. Ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 456 с.

82. Турчак, Л.И. Основы численных методов. М.: Наука, 1987. - 320 с.

83. Федоров, В.Л. Тепловая модель асинхронного двигателя / В.Л. Федоров,

84. A.И. Лыченков, Ю.А. Бурьян; Омск. гос. техн. ун-т. Омск., 2004. - 59 с. - Деп. в ВИНИТИ 09.12.2004., №1968.

85. Хайкин, С.Э. Словарь радиолюбителя. Л.: Гос. энергетическое изд-во, 1960.-608 с.

86. Шуйский, В.П. Расчет электрических машин (перевод с немецкого). Л.: Энергия, 1968.-732 с.

87. Шимкович, Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. М.: ДМК Пресс, 2003. - 448 е., ил.

88. Шимкович, Д.Г. Расчет конструкций в MSC.visual Nastran for Windows. -M.: ДМК Пресс, 2004. 704 е., ил.

89. Яворский, Б.М. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. М.: Наука. Физматлит, 1979. - 942 с.

90. Пат. 46139 Российская Федерация, МПК7 Н 05 В 6/10, F 25 В 29/00. Теплогенерирующий электромеханический преобразователь /

91. B.М. Кузьмин, О.С. Амосов, А.В. Еськова, С.Н. Иванов (Россия). -№2004137050/22; заявл. 17.12.2004; опубл. 10.06.2005, Бюл. №16 (Уч.). -1 с.

92. Еськова, А.В. Разработка теплогенерирующих электромеханических преобразователей / А.В. Еськова, О.С. Амосов, С.Н. Иванов //

93. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. XI междунар. науч.-техн. конф. студ. и аспирантов, Москва, 1-2 марта 2005 г. М.: МЭИ, 2005. - Т. 2. - С. 338-339.

94. Кузьмин, В.М. Математическое моделирование теплогенерирующего устройства с тепловыделяющим элементом / В.М. Кузьмин, А.В. Еськова // Вестник ГОУ ВПО «КнАГТУ». Вып. 5: сб. науч. тр. ГОУ ВПО «КнАГТУ», 2005. -Ч. 1.-С. 132-136.

95. Амосов, О.С. Экспериментальное исследование теплогенерирующих электромеханических устройств с использованием информационно-измерительных комплексов / О.С. Амосов, С.Н. Иванов, А.В. Еськова // Дальневосточный энергопотребитель. 2006. - №1-2 - С. 32-34.

96. A new adaptive integration methodology for estimating flux in induction machine drives / Cirrincione Maurizio, Pucci Marcello, Cirrincione Giansalve, Capolino Gerard-Andre. IEEE Trans. Power Electron. 2004. 19, №1, - C. 2534.

97. Avula, X.J.R. Mathematical Modeling // Encyclopedia of Physical Science. 1987.-V.7.-P. 719-728.

98. Bender, E.A. An Introduction to Mathematical Modelling. N.Y.: Wiley, 1978.

99. Cross, M. Learning the Art of Mathematical Modeling. N.Y.: Wiley, 1985. -154 p.

100. Experimental characterization procedure for use with an advanced induction machine model / Sudhoff Scott D., Aliprantis Dionysios C., Kuhn Brian Т., Chapman Patrick L. IEEE Trans. Energy Convers. 2003. 18, - №1, - C. 4856.

101. Пат. 6744978 США, МПК7 H 05 В 3/78. Small diameter low watt density immersion heating element / Tweedy Clifford D., Von Arx Theodore. (США). -№09/908863; заявл. 19.07.2001; опубл. 01.06.2004.

102. Meyers, G.E. Analytical Methods in Conduction Heat Transfer. N. Y.:1. McGraw-Hill, 1971.

103. Nasar, S.A. Electric machines and power systems. N.Y.: Mc Graw-Hill, 1995.

104. Nasar, S.A. Electric power systems / S.A. Nasar, Frederic Trutt. CRC Press, Boca Raton, Fla, 1999.

105. TEFC induction motors thermal models: a parameter sensitivy analysis / Boglietti Aldo, Covagnino Andrea, Staton David A. IEEE Trans. Ind. Appl. 2005. 41,-№3,-C. 756-763.