автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности преобразования электрической энергии в индукционных установках сквозного нагрева цветных металлов

На правах рукописи

Кузнецов Евгений Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ИНДУКЦИОННЫХ УСТАНОВКАХ СКВОЗНОГО НАГРЕВА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

05 09.01 - электромеханика и электрические аппараты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск 2007

0 7 ИЮН 2007

003063907

Работа выполнена в Политехническом институте ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат технических наук Головенко Евгений Анатольевич

доктор технических наук, профессор Бронов Сергей Александрович

кандидат технических наук, доцент Жуков Сергей Павлович

Санкт-Петербургский электротехнический университет "ЛЭТИ" имени В И Ульянова (Ленина)

Защита состоится 21 июня 2007 г в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212 099 07 при ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу 660074, г Красноярск, ул Киренского, 26, корпус «Д», ауд 501

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Политехнического института ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

Автореферат кандидатской диссертации размещен на официальном сайте Политехнического института ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» (http.//www krgtu ru/science/post-graduate/report4)

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба отправлять по адресу 660074, г Красноярск, ул Киренского, 26, ПИ СФУ, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212 099 07 факс (3912) 43-06-92 (для кафедры ТЭС) e-mail boiko@krgtu ru

Автореферат разослан «21» мая 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета к т н, доцент

Е А Бойко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В любом металлургическом производстве необходимой частью многих промышленных технологий при изготовлении и обработке различных металлов являются высокоэнергетические термические процессы При этом современный подход к использованию энергии требует ответственной эксплуатации энергетических ресурсов. Поэтому непрерывно возрастающие требования к энергосберегающим процессам нагрева должны быть реализованы в промышленности, прежде всего путем внедрения эффективных технологических процессов

В течение последних 60 лет быстрее других электротермических процессов развивался индукционный нагрев В развитие теории индукционного нагрева большой вклад внесли такие ученые, как В. П. Вологдин, Г И Бабат, М Г Лозинский, А. Е Слухоцкий, В С Немков и другие

Современные установки индукционного нагрева (УИН) - это сложные высокопроизводительные, энергоемкие агрегаты мощностью, достигающей десятков мегаватт. Поэтому разработка и создание эффективных УИН с высокими технико-экономическими показателями и высоким КПД является одной из самых актуальных задач в технике индукционного нагрева

Известно, что при индукционном нагреве КПД процесса определяется физическими свойствами нагреваемых материалов и конструктивными особенностями УИН Энергетическая эффективность индукционных нагревателей обусловлена в основном электрическими потерями в обмотках индукторов. При нагреве стали выше точки Кюри потери в обмотках составляют 15-20 % общей мощности, а при нагреве цветных сплавов - 50 - 60% подводимой мощности Таким образом, снижение электрических потерь в обмотках УИН остается приоритетной задачей, особенно для индукционного нагрева цветных металлов Снижения электрических потерь следует добиваться путем оптимизации конструкции УИН, а в частности конструкции обмоток нагревателей При этом методы оптимизации требуют применения численных математических моделей электромагнитных процессов в системе "индуктор-загрузка".

Целью работы является развитие методов анализа и синтеза индукционных установок сквозного нагрева цветных металлов, обеспечивающих увеличение энергетической эффективности преобразования электрической энергии в системе "индуктор-загрузка".

Задачи исследования-

1 Анализ современного состояния теории и практики техники индукционного нагрева, возможных способов повышения энергетической эффективности и опыта численной оптимизации УИН

2 Развитие численного метода диифетизации свойств сред в направлении анализа физических явлений в обмотках силовых индукционных установок, ориентированного на более точный учет электрических потерь в индукторе в зависимости от параметров и расположения витков по слоям

3. Математическое моделирование процесса преобразования электрической энергии в системе "индуктор-загрузка" индукционных установок сквозного нагрева цилиндрических загрузок из цветных металлов

4 Анализ и исследование физических явлений в многослойных соленои-дальных обмотках индукционных установок сквозного нагрева цилиндрических загрузок из цветных металлов

5. Разработка методики параметрической оптимизации конструкции многослойных соленоидальных обмоток на этапе проектирования индукционных установок сквозного нагрева.

6. Проведение параметрической оптимизации промышленных УИН для их последующей модернизации, направленной на увеличение энергетической эффективности и надежности в эксплуатации

Объект исследования индукционные установки сквозного нагрева в продольном магнитном поле цилиндрических загрузок

Предмет исследования электромагнитные процессы в обмотках УИН и способы увеличения энергетической эффективности процесса нагрева путем уменьшения электрических потерь в обмотках

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе использованы классические методы электротехники и теплотехники, теории поля, теории индукционного нагрева, численного моделирования, физического моделирования, усовершенствованный метод дискретизации свойств сред, статистические методы воспроизводимости натурных экспериментов. Для оптимального проектирования УИН использовался простой метод полного перебора, детерминистский (комплексный метод Бокса) и стохастический (генетический алгоритм) методы параметрической оптимизации

Научную новизну работы составляют следующие результаты

1 Развит численный метод дискретизации свойств сред для анализа электромагнитного поля в системе "индуктор-загрузка" в направлении повышения точности учета электрических потерь в индуктирующем проводе многослойных соленоидальных обмоток "коротких" индукционных нагревателей

2 Впервые установлены зависимости энергетической эффективности индукционных установок сквозного нагрева от конструктивных параметров обмотки индукционных нагревателей цветных металлов (число слоев, профиль индуктирующего провода по слоям и прочие), что позволяет теоретически доказать возможность существенного увеличения эффективности индукционного нагрева цветных металлов и определить пути модернизации индукционных нагревателей

3 Разработана методика параметрической оптимизации конструкции многослойных соленоидальных обмоток индукционных нагревателей, включающая выбор метода оптимизации и целевой функции в зависимости от технических требований к проектируемому индукционному нагревателю

Значение для теории заключается в адаптации численного метода дискретизации свойств сред для анализа потерь в многсолойных обмотках индукционных установок различного назначения, в том числе и установок индукционного нагрева

Практическая значимость работы состоит в том, что

1 Уставлено, что применение обмоток из плотно намотанных плоских проводников с переменным сечением по слоям обеспечивает значительное уменьшение электрических потерь в обмотках индукционных установок сквозного нагрева и соответственно увеличение энергетической эффективности процесса нагрева

2 Разработаны рекомендации и технические условия по замене водяного охлаждения токонесущих частей индукторов на воздушное при условии существенного уменьшения потерь в обмотке, что позволяет увеличить надежность индукционных нагревателей

Положения, выносимые на защиту:

1 Усовершенствованный метод дискретизации свойств сред, позволяющий учесть электрические потери в индуктирующем проводе УИН

2 Результаты математического моделирования электромагнитных процессов в системе "индуктор-загрузка" индукционных установок сквозного нагрева цилиндрических загрузок из цветных металлов

3 Методика оптимального проектирования установок индукционного нагрева, позволяющая минимизировать электрические потери в многослойных соленоидальных обмотках

4 Рекомендации по модернизации действующих и совершенствованию вновь создаваемых индукционных установок сквозного нагрева цветных металлов, существенно повышающие их энергетическую эффективность и эксплуатационную надежность

Достоверность научных результатов подтверждена удовлетворительным совпадением результатов численного моделирования, полученных с помощью

УИН, с результатами натурных экспериментов, проведенных на действующем промышленном оборудовании

Реализация результатов работы. Результаты работы применены при разработке и проектировании индукционного нагревателя непрерывного действия для литейно-прокатного производства ОАО "ИркАЗ" филиал "СУАЛ" (г Иркутск) в ходе выполнения НИОКР по заказу ООО "МГД-Мехатерм" (г Красноярск) Результаты работы использованы в учебном процессе студентов специальности 140605 «Электротехнологические комплексы и системы». Использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты докладывались автором и обсуждались на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Красноярск, 2005, 2007 гг.); Всероссийском научно-техническом семинаре «Энергетика экология, надежность, безопасность» (Томск, 2005 г); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева - 2005» (Санкт-Петербург, 2005 г), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-06» (Екатеринбург, 2006 г ), Международном симпозиуме по нагреву электромагнитными источниками «Heating by Electromagnetic Sources HES - 07» (Падуя, Италия, 2007 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 1 статья в издании по перечню ВАК, 3 патента РФ на полезные модели, 13 публикаций в межвузовских сборниках научных трудов, сборниках международных и всероссийских научно-практических конференций и семинаров Список трудов приведен в конце автореферата

Личный вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в разработке расчетных и математических моделей, алгоритмов и программ расчета и оптимизации индукционных нагревателей, проведении вычислительных и натурных экспериментов, оформлении работ, проведении проектно-конструкторских работ опытных образцов и действующих УИН, управлении проектами внедрения и модернизации УИН на ОАО "ИркАЗ" филиал "СУАЛ"

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения (7 страниц), трех разделов (41 страница, 32 страницы, 37 страниц соответственно), списка литературы (109 источников на 11 страницах) и 2 приложений (2 страницы) Общий объем -134 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, определены ее цель и задачи, отражены научные результаты, их научная новизна, теоретическая значимость и практическая ценность, а также приведено краткое содержание работы.

Первый раздел посвящен анализу современного состояния теории и практики техники индукционного нагрева, а также возможных способов повышения энергетической эффективности УИН. В разделе описаны физические основы преобразования электрической энергии в системе "индуктор-загрузка" посредством индукционного способа, методы расчета установок индукционного нагрева, методы численной параметрической оптимизации.

Обмотки индукционных нагревателей выполняются однослойными или многослойными нз медной водоохлаждаемой трубки или медной шинки, что связано с возможным уменьшением электрических потерь в индукторе и с условиями согласования параметров нагрузки с параметрами источника питания по напряжению и коэффициент}' мощности. Сквозной нагрев загрузок из цветных металлов диаметром более 100 мм обычно осуществляется на промышленной частоте. При этом применяются многослойные обмотки из прямоугольной трубки с каналом для водяного охлаждения. В электрических машинах широко используются обмогки из плотно намотанных сплошных проводников прямоугольно г о сечения, что было бы оптимальным вариантом и для УИН, но практическое применение для мощных индукционных нагревателей этого принципа не получило распространение из-за тяжелых термических и механических условий работы последних.

Попытка использования такого типа обмоток была предпринята в научно-исследовательском центре Британского совета по электричеству при исследовании индуктора для нагрева стальных слябов мощностью 2 МВА (рисунок 1). Данная технология позволила увеличить эффективность ншрева стали на 10 - 12 %, но не нашла применения, гак как небольшое увеличение эффективности не оправдало значительное усложнение конструкции обмотки.

<%2> ■'И-М

40 60 80 100 120 140

Рисунок 1 - Общий вид индуктора с обмоткой из плоской шины и семейство зависимостей электрического КПД от диаметра сляба при разном числе слоев

По мнению автора, значительно большего эффекта от применения данной технологии можно добиться при использовании подобного индуктора при нагреве материалов с существенно более низким удельным сопротивлением, чем у стали, например, при нагреве цветных металлов

Еще одним из возможных вариантов увеличения эффективности нагрева является использование неравномерного сечения плоской шины по слоям многослойного индуктора В работах В С Немкова говорится, что наиболее предпочтительным способом повышения энергетической эффективности индукционных установок сквозного нагрева является использование многослойных обмоток с переменной, уменьшающейся к внутренним слоям толщины индуктирующего провода (Установки индукционного нагрева Учебное пособие для вузов/А Е Слухоцкий, В С Немков и др, Под ред А Е Слухоцкого - Л Энергоиздат Ленингр Отд-ние, 1981 - 328 с, ил ) и увеличивающейся к внутренним слоям ширины проводников (А с 690659 СССР, МКИ2 Н05В5/18, С21В11/2 Многослойная цилиндрическая обмотка для индукционных нагревательных устройств / В А Буканин, В С Немков (СССР) - № 2429411/24-07, заявл 10 12 76, опубл 05 10 79, Бюл № 37 - 3 с ), как это показано на рисунке 2

а) б) в)

Рисунок 2 - Эскизы обмотки индуктора с переменными по слоям шириной витков (а), высотой витков (б), шириной и высотой витков (в)

Во втором разделе представлена математическая модель анализа ЭМП в системе "индуктор-загрузка", полученная на основе численного метода дискретизации свойств сред Расчетная модель анализа ЭМП в системе "индуктор-загрузка" трехфазного индукционного нагревателя с трехслойной обмоткой разработана на кафедре Электротехнологии и электротехника Красноярского государственного технического университета Е С Киневым для исследования процессов переноса мощности между обмотками разных фаз и размагничивания магнитного поля в зоне стыка соседних фаз (рисунок 3) Расчетная модель выполнена для анализа ЭМП в индукционных нагревателях цилиндрической загрузки в двухмерной осесимметричной постановке

Н = ерНр + е2Н2

Е = ё_Е.

Ф 9>

(1)

где Н и Е - напряженности магнитного и электрического полей в комплексной форме

Расчет параметров схемы замещения производится с помощью вектора Умова-Пойтинга по контурам К; (для определения гА и хА), К2 (гв и хв), Кз (гс и хс), К8 (хз), Ки (г2 и х2), К12 (х12), К23 (х23)

о

\Ё-0

Рисунок 3 - Расчетная модель анализа ЭМП системе "индуктор-загрузка" трехфазного индукционного нагревателя с трехслойной обмоткой

В силу того, что в задачи исследования не входил учет электрических потерь в многослойных обмотках, источники ЭМП в расчетной области учитывались заданием сторонних токов на месте реальной обмотки Физическими свойствами меди при этом обычно пренебрегается Для учета потерь в многослойной обмотке использовалась дополнительная математическая модель, предложенная В С Немковым, основным допущением которой было то, что сопротивление всех витков принято равным средним виткам "бесконечно длинного" индуктора

Подобное допущение не может быть обоснованным в нашем случае, когда ключевым параметром дня анализа эффективности преобразования энергии в системе "индуктор-загрузка" являются электрические потери в многослойной обмотке, а сечения проводников по слоям изменяются Поэтому доя адекватного анализа электромагнитных процессов в многослойных обмотках было принято решение усовершенствовать численный метод дискретизации свойств сред, таким образом, чтобы он позволял получать достоверную информацию независимо от длины индуктора и расположения витков

Метод дискретизации свойств сред, предложенный профессором В Н Тимофеевым, основан на условном представлении физической среды внутри расчетной области в виде поверхностей (рисунок 4), для которых используются граничные условия первого рода по закону полного тока и закону электромагнитной индукции в интегральной форме Представив в областях между поверхностями удельную электропроводность, относительные магнитную и диэлектрическую проницаемости равными нулю (у = 0, ц = 0, б = 0), мы получаем возможность аппроксимировать напряженности магнитного поля уравнением прямой, а напряженность электрического поля представить одинаковой по всей дискретной ячейке

где Ац, Вц, Сч, - постоянные интегрирования, которые определяются из граничных условий доя поверхностей

Н*=Ацр1 + Вч, Н;=А„г + С:

ч»

(2)

Рисунок 4 - Дискретизация расчетной области

Предложенное в методе представление сред в расчетной области упрощает использование отдельных составляющих магнитного поля и сводит задачу к решению системы алгебраических уравнений для постоянных интегрирования Ьу. Источники ЭМП при использовании метода дискретизации свойств сред задаются в виде краевых условий или сторонних токов. Автором предложен алгоритм для учета электромагнитных процессов в обмотках при использовании метода дискретизации свойств сред, который продемонстрирован в работе на примере анализа ЭМП одновиткового индуктора, охватывающего цилиндрическую загрузку (рисунок 5). Вся расчетная область делится на "внешнюю" и "внутреннюю" области, которые связываются на границе в смежных ячейках через напряженности электрического поля Егр и касательные составляющие напряженности магнитно-

го поля Н^р.

гранииа

Н-0

Е - О

(□Ь

Н~= ниР, г]

□

1

а) 6) в)

Рисунок 5 - Расчетные модели для анализа ЭМП в одновитковом индукторе; вел расчетная область (а)\ "внешняя" (б) и "внутренняя" (в) расчетные области

В соответствии с алгоритмом (рисунок 6) в качестве исходных данным для анализа ЭМП во "внешней" и "внутренней" расчетных областях используются касательные составляющие напряженности магнитного поля Н\р на границе разде-

ла, которые в свою очередь получаются из анализа ЭМП во всей расчетной области при использовании стороннего тока (блок 2 алгоритма).

Рисунок 6 - Алгоритм анализа ЭМП в системе "индуктор-загрузка"

Результатом решения ЭМП во "внешней" и "внутренней" расчетных областях (блоки 3 и 4 алгоритма соответственно) являются значения напряженности электрического поля в смежных ячейках на границе расчетных областей - Е'гр и

Е"гр Усредненная в смежных ячейках напряженность электрического поля используется для получения расчетного значения касательной составляющей напряженности магнитного поля на границе Н'гр

(блоки 5 и 6 алгоритма).

В соответствии с законом полного тока в интегральной форме определяется расчетное значение полного тока в витке с током Гв, которое сопоставляется с заданным током 1в (блок 8 алгоритма). Если погрешность расчетного тока выше допустимой, то необходимо уточнить касательные составляющие магнитного поля

на границе областей Н^р (блок 9 алгоритма) и повторить действия в соответствии с алгоритмом начиная с блока 3 Итерационный процесс (блоки с 3 по 9 алгоритма) продолжается до момента, когда погрешность определения тока в витке не станет меньше допустимой Для витка с током при гд0„ = 0,01 требуется не менее 8 итераций.

Достоверность результатов численного моделирования, полученных с помощью предложенной математической модели, подтверждена путем сравнения данных численного моделирования с данными натурных экспериментов на действующем индукторе ОКБ 894 А (рисунок 7) Данный индуктор считается "коротким", потому что его длина значительно меньше, чем шесть его диаметров

Электрические параметры нагревателя измерены для каждой из пятнадцати секции в отдельности по длине индуктора (рисунок 6, а, г). На картине плотности

тока в обмотке видно, что плотность тока на краях обмотки распределена резко неравномерно. Сопротивление витков значительно отличаются по длине, и уменьшается по каждому слою к крайним виткам.

Лй витка е слое -3—I—1-.1 I

№ аетрдц

Рисунок 7 - Сравнение расчетных данных и данных натурного эксперимента: общий вид индукционного нагревателя ОКЕ 894 А (а): распределение плотности тока в расчетной области (6); активное и реактивное сопротивление витков в индукторе по слоям и длине (в)\ сравнение рассчитанных и измеренных значений активного и реактивного сопротивлений секций обмотки по длине (г)

.V, мОм

3,6 3,2 2,8 2,4

г, х, мОм

Сравнение расчетных данных с данными эксперимента показало, что если погрешность расчета по активной мощности индуктора методом дискретизации свойств сред до модернизации составляет 18,7 % из-за завышенного сопротивления крайних витков, то после усовершенствования погрешность уменьшилась до 4,6 %. Последняя цифра обусловлена тем, что в осесимметричной математической модели не возможно учесть потери в выводах и перемычках между секциями.

В третьем разделе предложена методика параметрической оптимизации конструкции многослойных соленоидальных обмоток УИН, установлены зависимости энергетической эффективности УИН от конструктивных параметров обмотки индуктора, разработаны рекомендации по модернизации действующих и совершенствованию вновь создаваемых индукционных установок сквозного нагрева цветных металлов, существенно повышающие их энергетическую эффективность.

В качестве объекта исследования рассмотрена индукционная установка непрерывного действия для нагрева алюминиевой заготовки катанки из сплава ABE, разработанная фирмой ООО «НГПД Магнитной гидродинамики» (г. Красноярск) и внедренная в состав литейно-прокатного агрегата (рисунок 8, а, б) на ОАО «Ир-кАЗ» в 2004 году при непосредственном участии автора. Заготовка алюминиевой катанки 1 получается при литье жидкого алюминия в литейное колесо 2 и далее движется через правильную машину 3, ножницы 4 в клети прокатного стана 5, где происходит ее волочение. Необходимость расположения индукционного нагревателя непосредственно перед прокатным станом вызвана технологическими особенностями волочения твердого сплава ABE.

Индукционный нагреватель (рисунок 8, в), питается напряжением частотой 960 Гц от тиристорного преобразователя частоты (рисунок 8, г), что обеспечивает электрический КПД установки 0,441. Однако острая нехватка электроэнергии в литейно-прокатном цехе заставила руководство завода поставить вопрос о поиске путей увеличения энергетической эффективности установки. При этом необходимо было внести минимальные изменения в конструкцию нагревателя и схему его силового питания.

Рисунок 8 - Эскиз литейно-прокатного агрегата (а), общий вид действующей прокатной линии (б) и индукционного нагревателя (в) со схемой включения в сеть (г)

i Индукционный тшрввателъ

Для определения путей повышения энергетической эффективности использован метод полного перебора по нескольким параметрам оптимизации Перебор был осуществлен для числа слоев (Ыо,) от 2 до 12, высоты проводника (Ьи) одинаковой для всех слоев от 0,002 м до 0,01 м, частоты питающего напряжения ф от 50 Гц до 1000 Гц В расчетах было принято, что диаметр заготовки составляет 0,05 м, диаметр индуктора 0,09 м, длина индуктора 1 м На рисунке 9 изображены семейства линий уровней, включающих точки с максимальным полученным значением КПД для промышленной частоты (т] = 0,453 при 12 слоях с высотой витков 3 мм и напряжении 700 В, то есть при использовании индукционного регулятора с удвоением выходного напряжения) и частоты выше промышленной (г[ = 0,558 при 5 слоях с высотой витков 2 мм, частоте в диапазоне от 200 Гц до 350 Гц и напряжении 600 В)

Ьи, м 0,010

Ц) в} Ц Щ (Ц СО (Ц ^ Оф Щ ОЦ

. ----------з«

5§ и, в

% I ИШШШР

Й 0)

а) б)

Рисунок 9 - КПД и напряжение индуктора в функции от высоты провода Ьд и количества слоев обмотки Ни при частоте Г = 50 Гц (а) и в функции от высоты провода К и частоты при пята слоях обмотки (б)

Таким образом, сделан вывод, что при сохранении существующей схемы включения индуктора и использовании обмотки из плотно намотанных плоских проводников можно добиться повышения КПД с 0,441 до 0,558.

Еще один способ увеличения энергетической эффективности - использование неравномерного сечения плоской шины по слоям многослойного индуктора Однако существенное увеличение варьируемых параметров в этом случае исключает возможность использования метода полного перебора и наиболее целесообразным является применение методов численной оптимизации При этом одной из основных задач является выбор метода оптимизации

Анализ методов оптимизации применительно к УИН позволил выделить два наиболее эффективных алгоритма комплексный метод Бокса и генетический алгоритм Очевидно, что для определения оптимума гладкой унимодальной функции, как, например, функций, представленных на рисунке 9, необходимо использовать метод из детерминистской группы, то есть комплексный метод Бокса В случае если функция имеет несколько локальных экстремумов и один глобальный, то целесообразно использовать метод из стохастической группы - генетический алгоритм. Численные эксперименты показали, что если в состав варьируемых параметров входит ширина витка, то функция КПД от парамет-

ров оптимизации гладкая и должен быть использован комплексный метод Бокса. В противном случае использовался генетический алгоритм Преимуществом первого метода является высокая скорость нахождения оптимального решения, а второго - высокая надежность нахождения глобального оптимума при наличие локальных минимумов

Еще одной важной задачей является выбор критерия оптимальности Эффективность процесса нагрева алюминиевой заготовки в индукционном нагревателе можно оценить по коэффициенту полезного действия установки Задача оптимального проектирования состояла в нахождении минимума критерия оптимальности, поэтому в соответствии с выражением (3) минимизировался максимум относительного расстояния значения КПД от заданной цели Однако высокое значение КПД - это не единственное техническое требование, которое может предъявляться к проектируемому устройству Например, зачастую необходимо, чтобы выполнялось условие согласования параметров нагрузки и„ с параметрами источника питания по напряжению, или по техническим требованиям имеется ограничение плотности тока Ограничение допустимой плотности тока в индуктирующих проводниках обмотки нагревателя на уровне 8 А/мм2, позволяет обеспечить съем тепла с медной обмотки при интенсивном обдуве обмоток с помощью вентилятора специального назначения, что в свою очередь предоставляет возможность отказаться от водяного охлаждения и, как следствие, существенно повысить эксплуатационную надежность индукционного нагревателя

Для оптимизации конструкции индуктора по вышеупомянутым техническим условиям автором предложена многокомпонентная функция цели.

(Ц.-и.)

ии

+ к,

(8д-5)

8Д

• ПИП,

(3)

где кь к2, к3 - весовые коэффициенты; т|и - альтернативные значения КПД, получаемые при изменении оптимизируемых параметров; и„ - напряжение на индукторе, и„ - рассчитанное значение напряжения, 5 - плотность тока в индуктирующем проводе, полученная в результате численного расчета, 5Д - допустимая плотность тока по условиям охлаждения токонесущих частей обмотки

Выражение (3) можно использовать для максимизации только КПД, приняв равными нулю весовые коэффициенты кг и к3, или осуществлять поиск оптимума по двум слагаемым выражения (3), приравняв нулю соответствующий весовой коэффициент.

Разработанная методика параметрической оптимизации опробована на задаче оптимизации, решение которой получено выше при помощи метода полного перебора. Оптимизационный поиск конструкции индукционного нагревателя заготовки алюминиевой катанки проведен по трем параметрам (частота, высота индуктирующего проводника, равная для всех слоев и количество слоев обмотки) с помощью комплексного метода Бокса и генетического алгоритма с использованием целевой функции (3) при к3 = 0. При этом получены результаты аналогичные полученным ранее. На рисунке 10 представлены истории трехмерного оптимизационного поиска для обоих методов В рассмотренном случае поверхность отклика целевой функции гладкая унимодальная (см. рисунок 9), что обеспечивает преимущество комплексного метода в скорости при сохранении надежности нахождения глобального экстремума.

Рисунок 10 - История оптимизационного поиска с помощью генетического алгоритма (а) и комплексного метода Бокса (б)

Тем не менее, комплексный метод имеет некоторые существенные ограничения, свойственные для всех детерминистских методов. В случае муль-тимодальной целевой функции независимо от количества оптимизируемых параметров, он часто не в состоянии найти глобальный оптимум. Поэтому, чтобы увеличить вероятность нахождения решения — глобального оптимума, необходимо повторить процедуру оптимизации несколько раз из различных стартовых точек.

Для оптимизации конструкции обмоток УИН критичным параметром является ширина индуктирующего провода. Так, например, для двухслойного индукционного нагревателя была получена поверхность функции КПД в зависимости от длины проводника в каждом слое (рисунок 11). Как видно из рисунка 11, б функция имеет несколько локальных экстремумов и один глобальный.

1.1, ММ

Ф

Рисунок 11 - Поверхность функции КПД (а) и ее проекция (б)

Исследование функции КПД комплексным методом Бокса дало положительный результат только при проведении процедура оптимизации несколько раз из различных стартовых точек (кривые 1, 2 и 3 на рисунке 12, а) В свою очередь исследование той же функции с помощью генетического алгоритма гарантирует высокую точность нахождения глобального экстремума, хотя и требует значительно больше итераций (рисунок 12, б) Независимо от начальных условий оптимизационная процедура, выполняемая с помощью генетического алгоритма, всегда находит глобальный оптимум.

кпд,«.«

0,56 0,53 0,50 0,' 0,46 0,44 0,41

оде|

0J6 033 0J1 0,28 03S

ода

ООО

гН

ГШ vr р ni. ... t-

1 Щ 7 р Р1 4

г ígj ш «ti

1—

КПД, 0.1 0,57

»Г'Г ' I .. «МИШ

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 №» 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Ni

а) б)

Рисунок 12 - Оптимизация методом Бокса из трех стартовых точек (а) и с помощью генетического алгоритма (б)

После подтверждения работоспособности предложенной методики оптимизации конструкции УИН продолжены исследования путей дальнейшего повышения энергетической эффективности установки индукционного нагрева заготовки алюминиевой катанки перед волочением С помощью методики было исследовано влияние высоты и ширины прямоугольного индуктирующего провода на потери в обмотке, как по отдельности, так и совместно Диапазон изменения длины витка при расчетах находился в пределах от 10 до 70 мм, диапазон изменения высоты витка - в пределах от 2 до 10 мм, диапазон изменения частоты - в пределах от 50 (800) Гц до 1000 Гц

Результаты оптимизационного поиска представлены в таблице 1. На основании приведенных данных сделано заключение, что использование существующей схемы электропитания установки ограничивает увеличение КПД на уровне 0,523 (см вариант исполнения № 1), потому что тиристорный преобразователь частоты позволяет регулировать частоту питающего напряжения в пределах от 800 Гц до 1000 Гц Поэтому предусмотрен альтернативный вариант модернизации с использованием транзисторного преобразователя частоты на трехфазную нагрузку, что позволило добиться увеличения КПД при водяном охлаждении до 0,641 (вариант исполнения № 2) Затраты на осуществление проекта модернизации окупаются в течение 18 месяцев Вариант исполнения № 3 предполагает использование принудительного воздушного охлаждения обмотки индуктора Этот вариант имеет меньший, чем во втором варианте КПД 0,596, но при этом текущие расходы при его использовании ниже из-за отсутствия затрат на оборотную воду.

Кроме того вариант № 3 имеет значительно более высокую эксплуатационную надежность, чем вариант с водяным охлаждением обмоток.

Таблица 1 - Сравнение результатов параметрической оптимизации индукционного нагревателя с параметрами действующего индукционного нагревателя

Наименование параметра, ед. изм. Вариант исполнения

существующий № 1 №2 №3

Значение весовых коэффициентов - 0,4 0,6 0,0 0,3 0,7 0,0 0,3 0,4 0,3

Количество фаз 1 1 3 3

Частота питающего напряжения, Гц 960 941 149,5 152,1

Число слоев обмотки 1 3 8 7

Мощность, подводимая к индуктору, кВт 188 124,1 101,2 112,07

Электрический КПД, о е. 0,441 0,523 0,641 0,596

Напряжение на индукторе, В 760 750 380 380

Плотность тока в индуктирующем проводе, А/мм2 17,3 15,7 12,9 7,8

Предварительные затраты по проекту модернизации, тыс руб. - 276,5 296,4 374,7

Текущие годовые расходы в ценах 2006 года, тыс. руб 455,6 315,2 264,6 256,2

Срок окупаемости проекта модернизации, месяцев - 23 18 22

По всем трем полученным в ходе оптимизационного поиска вариантам выполнены технические проекты по модернизации установки индукционного нагрева заготовки алюминиевой катанки, которые преданы заказчику на Иркутский алюминиевый завод для выбора одного из них

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Определено, что в качестве основного способа увеличения энергетической эффективности индукционных установок сквозного нагрева цветных металлов целесообразно использовать многослойные обмотки из плотно намотанной плоской шины с переменной, уменьшающейся к внутренним слоям высотой индуктирующего провода и увеличивающейся шириной Для анализа электромагнитных процессов в сложных многослойных соленоидальных обмотках необходимо использовать численные методы математического моделирования

2 Для более точного учета электрических потерь в многослойных соленоидальных обмотках индукционных нагревателей усовершенствован численный метод дискретизации свойств сред. Усовершенствование заключается в применении в качестве источников электромагнитного поля вместо сторонних токов касательных составляющих магнитного поля, которые корректируются в процессе итерационного алгоритма с помощью закона полного тока в интегральной форме

3 Подтверждена достоверность численной математической модели анализа ЭМП в многослойных соленоидальных обмотках индукционных установок сквозного нагрева путем сравнения данных численного эксперимента с данными натурных исследований на действующем агрегате ОКБ 894 А Точность расчета электрических потерь в обмотке "короткого" индуктора после доработки метода дискретизации свойств сред для исследуемого индуктора повышена с 18,7 % до 4,6 %

4 Проведено исследование электромагнитных процессов в обмотках индукционного нагревателя заготовки алюминиевой катанки перед волочением, эксплуатируемого в литейно-прокатном отделении Иркутского алюминиевого завода. Получены зависимости энергетической эффективности установки от конструктивных параметров обмотки индуктора, что позволило определить пути увеличения энергетических показателей установки и повышения ее эксплуатационной надежности

5. На базе предложенной математической модели разработана методика параметрической оптимизации конструкции обмотки индукционного нагревателя, применение которой позволяет разрабатывать конструкции, обеспечивающие высокие технико-экономические параметры УИН, путем оптимального выбора частоты питающего напряжения, числа слоев в обмотке и сечения индуктирующего провода по соям. Разработаны рекомендации по разграничению области применения метода полного перебора, комплексного метода Бокса и генетического алгоритма, а также условий применения различных целевых функций в зависимости от технических требований к проектируемому индукционному нагревателю, например, по согласованию нагрузки с источником питания по напряжению или снижению плотности тока до уровня допустимого условиями принудительного воздушного охлаждения

6. На основании проведенных исследований разработаны практические рекомендации по модернизации индукционного нагревателя заготовки алюминиевой катанки перед волочением, которые позволяют повысить энергетический КПД с 44,1 % до 64,1 % и снизить текущие годовые затраты на электроэнергию на 191 тыс рублей в ценах 2006 года

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1 Кузнецов, Е. В. Управление распределением мощности и температуры в трехфазных индукционных нагревателях / Е. В. Кузнецов // Вестник КрасГАУ №3.- Красноярск издательство КрасГАУ, 2007 - С 58-67

2 Кузнецов, Е. В. Расчет нагрева алюминиевых цилиндрических слитков в индукционном нагревателе методического действия / Е. В. Кузнецов, Е А Головенко, Е. С. Кинев // А1пуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих электротехнологий материалы всеросс НТК - Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. - С 3035

3 Кузнецов, Е. В. Ослабление эффекта переноса мощности между фазами индукционной установки / Е. В. Кузнецов, Е. С Кинев, Е А. Головенко, В А Шаповалов // Оптимизация режимов работы электротехнических систем межвуз сб науч тр - Красноярск'ИПЦ КГТУ,2006 -С 14-19

4 Кузнецов, Е. В. К вопросу оптимизации несимметричных режимов индукционных установок в трехфазной сети / Е. В. Кузнецов, Е. А Головенко, Е С Кинев // Оптимизация режимов работы электротехнических систем, межвуз сб науч тр -Красноярск ИПЦ КГТУ, 2006 -С 4-14

5. Кузнецов, Е.В. Оптимизация режимов двухфазной индукционной установки сквозного нагрева / Е.В.Кузнецов, В H Тимофеев, Е А Головенко, Е С Кинев // Вопросы теории и проектирования электрических машин Математическое моделирование электромеханических процессов, сб. науч. тр. - Ульяновск УлГТУ, 2006 - С 16-25

6 Кузнецов, Е. В. Способ повышения эффективности трехфазной индукционной установки / Е. В. Кузнецов, Е А Головенко, Е С Кинев // Вопросы теории и проектирования электрических машин. Математическое моделирование электромеханических процессов сб науч тр - Ульяновск' УлГТУ, 2006 - С 2529

7. Кинев, Е. С. Математическое моделирование нагрева алюминиевых цилиндрических слитков в индукционном нагревателе методического действия/ Е С. Кинев, Е. А Головенко, Е. В. Кузнецов // Вопросы теории и проектирования электрических машин Математическое моделирование электромеханических процессов, сб. науч тр -Ульяновск УлГТУ, 2006 - С 29-38

8 Kuznetsov, Е. V. Analysis of power redistribution between windings of multiphase induction heaters / E. V. Kuznetsov, E A Golovenko, E. S. Kinev, M. V. Pervukhm, D V Khokhlov // International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES - 07 (Section P ) - Italy, Padua, 2007. - P 328 - 336

9 Пат. на полезную модель № 48863 Российская Федерация, МПК7 В 22 D 11/04 Устройство для непрерывного литья слитков в электромагнитном поле / M В Первухин, В H Тимофеев, P M Христинич, Е. В. Кузнецов, A M Велентеен-ко, заявитель и патентообладатель Краснояр гос тех универ -№2005116058/22, заявл 26 05 2005, опубл 10 11 2005, Бюл № 31 - 2 с

10 Пат. на полезную модель 45219 Российская Федерация, МПК7 H 05 В 6/36 Индукционная установка сквозного нагрева / E А Головенко, Е С Кинев, Е. В. Кузнецов, В В Ковальский, Д В Хохлов, заявитель и патентообладатель

Краснояр гос. тех универ. - № 2004135051/22, заявл 30 11 04, опубл 27.04.05, Бюл № 12.-3 с

11. Пат. на полезную модель 45220 Российская Федерация, МПК7 H 05 В 6/36 Индукционная установка сквозного нагрева / Е А Головенко, Е. В. Кузнецов, Б С Кинев, Д В Хохлов, В В Ковальский; заявитель и патентообладатель Краснояр. гос тех универ - №2004135052/22; заявл 30 11.04, опубл 27 04 05, Бюл № 12 -Зс

12 Головенко, Е А Исследование распределения мощности и температуры в трехфазных индукционных нагревателях / Е А. Головенко, Е. В. Кузнецов, Е. С. Кинев, Д. В. Хохлов, А В. Комаров, В В Ковальский//Вестник Воронежского государственного технического университета -2007 -Т2 -№7 -С 66-69

13 Кузнецов, Е. В. Математическое моделирование электромагнитных процессов в обмотках индукционных установок сквозного нагрева цилиндрической загрузки / Е. В. Кузнецов, Е. А. Головенко, Е С. Кинев, и др // Вестник КГТУ -Красноярск ИПЦ КГТУ, 2005. - Вып. 37 -С 58-67

14 Кузнецов, Е. В. Исследование электрических потерь в обмотках индукционных устройств сквозного нагрева цилиндрической загрузки / Е. В. Кузнецов, Е А Головенко, С А Галунин, Е С Кинев // Материалы международной конференции «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева -2005»- Санкт-Петербург. Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2005 - С 227-234

15 Кузнецов, Е. В. Индукционная установка сквозного нагрева заготовки алюминиевой катанки перед волочением / Е. В. Кузнецов, Д В. Хохлов, А Н. Плявина // Всероссийский научно-технический семинар «Энергетика, экология, надежность, безопасность» Тез док. Томск. ТГ11У - ТПУ. 2005 - С. 326332

16. Кузнецов, Е. В. Исследование электрических потерь в многослойных обмотках индукционных устройств сквозного нагрева / Е. В. Кузнецов, Д В Хохлов, Е А. Головенко, А H Плявина // Молодежь и наука - третье тысячелетие-Сб материалов Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / Сост Сувейзда В В , КРО НС «Интеграция», - Красноярск, 2005 С 437-442

17 Кузнецов, Е. В. Разработка индукционной установки сквозного нагрева заготовки алюминиевой катанки перед волочением / Е. В. Кузнецов, Е А Головенко, Е С Кинев // Оптимизации режимов работы электротехнических систем. Межвуз сборник научных трудов / Отв ред. С Р Залялеев Красноярск ИПЦ КГТУ, 2004. С. 227-232

Кузнецов Евгений Валерьевич Повышение энергетической эффективности преобразования электрической энергии в индукционных установках сквозного нагрева цветных металлов

Автореф дисс на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано в печать 18 05 2007 Заказ № 699

Формат 60x90/16 Уел Печ Л 1 Тираж 100 экз

Типография Политехнического института ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»

ВВЕДЕНИЕ.

1 ИНДУКЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ НАГРЕВА МЕТАЛЛОВ, МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

1.1 Физическая сущность метода индукционного нагрева.

1.2 Классификация индукционных нагревателей для сквозного нагрева по принципу действия.

1.3 Особенности индукционного метода нагрева черных и цветных металлов.

1.4 Способы повышения эффективности установок индукционного нагрева.

1.5 Методы расчета установок индукционного нагрева.

1.5.1 Методы электромагнитных расчетов индукционных систем.

1.5.2 Применение коммерческих пакетов программ.

1.6 Методы и средства оптимального проектирования.

1.6.1 Детерминистские методы оптимизации.

1.6.2 Стохастические методы оптимизации.

1.6.3 Выбор метода решения задачи оптимального проектирования УИН.

1.6.4 Опыт применения средств оптимального проектирования УИН.

1.7 Выводы по разделу.

2 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ В ИНДУКЦИОННЫХ УСТАНОВКАХ СКВОЗНОГО НАГРЕВА.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Анализ электромагнитного поля УИН.

2.3 Достоверность результатов математического моделирования.

2.4 Выводы по разделу.

3 ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ УИН

ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ.

3.1 Общая постановка задачи.

3.1.1 Технологические предпосылки для проектирования установки индукционного нагрева алюминиевой заготовки катанки.

3.1.2 Объект исследования.

3.2 Проектирование УИН с помощью инженерной методики.

3.3 Решение задачи методом полного перебора.

3.4 Решение задачи параметрической оптимизации.

3.4.1 Выбор критериев оптимальности.

3.4.2 Границы применения различных методов оптимального проектирования.

3.4.3 Результаты оптимизации УИН.

3.5 Выводы по разделу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В любом металлургическом производстве необходимой частью многих промышленных технологий при изготовлении и обработке металлов являются термические процессы. Современный подход к использованию энергии требует ответственной эксплуатации энергетических ресурсов. Поэтому непрерывно возрастающие требования к энергосберегающим процессам нагрева должны быть реализованы в промышленности, прежде всего путем внедрения эффективных технологических процессов.

В течение последних 60 лет быстрее других электротермических процессов развивался индукционный нагрев. В развитие теории индукционного нагрева большой вклад внесли такие ученые, как В. П. Вологдин, Г. И. Бабат, М. Г. Лозинский, А. Е. Слухоцкий и др.

Современные установки индукционного нагрева (УИН) - это сложные высокопроизводительные, энергоемкие агрегаты мощностью в десятки мегаватт. Высокая эффективность процесса нагрева равносильна энергосбережению и автоматически ведет к экономичности технологии. В свою очередь разработка и создание эффективных УИН с высокими технико-экономическими показателями и высоким КПД является одной из самых актуальных задач в технике индукционного нагрева.

Известно, что при индукционном нагреве КПД процесса определяется физическими свойствами нагреваемых материалов и конструктивными особенностями УИН. Зависимость КПД УИН от физических свойств нагреваемого материала и материала индуктора в основном обусловлена электрическими потерями в обмотках индукторов. При нагреве стали выше точки Кюри потери в обмотках составляют 15 - 20 % общей мощности, а при нагреве слитков из цветных сплавов достигают 50 - 60% подводимой мощности. Таким образом, снижение электрических потерь в обмотках УИН остается приоритетной задачей, особенно для индукционного нагрева цветных металлов. Снижения электрических потерь следует добиваться путем оптимизации конструкции УИН, а в частности конструкции обмоток нагревателей. При этом методы оптимизации требуют применения численных математических моделей электромагнитных процессов в системе «индуктор-загрузка». Таким образом, развитие техники индукционного нагрева загрузки из цветных металлов требует использования численного моделирования и адекватных методов оптимизации.

Объект исследования - индукционные установки для сквозного нагрева в продольном магнитном поле цилиндрической загрузки.

Предмет исследования - электромагнитные процессы в обмотках УИН и способы увеличения энергетической эффективности процесса нагрева путем уменьшения электрических потерь в обмотках.

Целью работы является развитие методов анализа и синтеза индукционных установок сквозного нагрева цветных металлов, обеспечивающих увеличение энергетической эффективности преобразования электрической энергии в системе "индуктор-загрузка".

Задачи исследования:

1. Анализ современного состояния теории и практики техники индукционного нагрева, возможных способов повышения энергетической эффективности и опыта численной оптимизации УИН.

2. Развитие численного метода дискретизации свойств сред в направлении анализа физических явлений в обмотках силовых индукционных установок, ориентированного на более точный учет электрических потерь в индукторе в зависимости от параметров и расположения витков по слоям.

3. Математическое моделирование процесса преобразования электрической энергии в системе "индуктор-загрузка" индукционных установок сквозного нагрева цилиндрических загрузок из цветных металлов.

4. Анализ и исследование физических явлений в многослойных соленоидальных обмотках индукционных установок сквозного нагрева цилиндрических загрузок из цветных металлов.

5. Разработка методики параметрической оптимизации конструкции многослойных соленоидальных обмоток на этапе проектирования индукционных установок сквозного нагрева.

6. Проведение параметрической оптимизации промышленных УИН для их последующей модернизации, направленной на увеличение энергетической эффективности и надежности в эксплуатации.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы классические методы электротехники и теплотехники, теории поля, теории индукционного нагрева, численного моделирования, физического моделирования, усовершенствованный метод дискретизации свойств сред, статистические методы воспроизводимости натурных экспериментов. Для оптимального проектирования УИН использовался простой метод полного перебора, детерминистский (комплексный метод Бокса) и стохастический (генетический алгоритм) методы параметрической оптимизации.

Научную новизну работы составляют следующие результаты:

1. Развит численный метод дискретизации свойств сред для анализа электромагнитного поля в системе "индуктор-загрузка" в направлении повышения точности учета электрических потерь в индуктирующем проводе многослойных соленоидальных обмоток "коротких" индукционных нагревателей.

2. Впервые установлены зависимости энергетической эффективности индукционных установок сквозного нагрева от конструктивных параметров обмотки индукционных нагревателей цветных металлов (число слоев, профиль индуктирующего провода по слоям и прочие), что позволяет теоретически доказать возможность существенного увеличения эффективности индукционного нагрева цветных металлов и определить пути модернизации индукционных нагревателей.

3. Разработана методика параметрической оптимизации конструкции многослойных соленоидальных обмоток индукционных нагревателей, включающая выбор метода оптимизации и целевой функции в зависимости от технических требований к проектируемому индукционному нагревателю.

Значение для теории заключается в адаптации численного метода дискретизации свойств сред для анализа потерь в многсолойных обмотках индукционных установок различного назначения, в том числе и установок индукционного нагрева.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Установлено, что применение обмоток из плотно намотанных плоских проводников с переменным сечением по слоям обеспечивает значительное уменьшение электрических потерь в обмотках индукционных установок сквозного нагрева и соответственно увеличение энергетической эффективности процесса нагрева.

2. Разработаны рекомендации и технические условия по замене водяного охлаждения токонесущих частей индукторов на воздушное при существенном уменьшении потерь в обмотке, что позволяет увеличить надежность индукционных нагревателей.

Положения, выносимые на защиту:

1. Усовершенствованный метод дискретизации свойств сред, позволяющий учесть электрические потери в индуктирующем проводе УИН.

2. Результаты математического моделирования электромагнитных процессов в системе "индукгор-загрузка" индукционных установок сквозного нагрева цилиндрических загрузок из цветных металлов.

3. Методика оптимального проектирования установок индукционного нагрева, позволяющая минимизировать электрические потери в многослойных соленоидальных обмотках.

4. Рекомендации по модернизации действующих и совершенствованию вновь создаваемых индукционных установок сквозного нагрева цветных металлов, существенно повышающие их энергетическую эффективность и эксплуатационную надежность.

Достоверность научных результатов подтверждена удовлетворительным совпадением результатов численного моделирования, полученных с помощью разработанной математической модели анализа ЭМП в индукционной системе УИН, с результатами натурных экспериментов, проведенных на действующем промышленном оборудовании.

Реализация результатов работы. Результаты работы применены при разработке и проектировании индукционного нагревателя непрерывного действия для литейно-прокатного производства ОАО "ИркАЗ" филиал "СУАЛ" (г. Иркутск) в ходе выполнения НИОКР по заказу ООО "МГД-Мехатерм" (г. Красноярск). Результаты работы использованы в учебном процессе студентов специальности 140605 «Электротехнологические комплексы и системы». Использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты докладывались автором и обсуждались на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Красноярск, 2005, 2007 гг.); Всероссийском научно-техническом семинаре «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2005 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева - 2005» (Санкт-Петербург, 2005 г.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-06» (Екатеринбург, 2006 г.), Международном симпозиуме по нагреву электромагнитными источниками «Heating by Electromagnetic Sources HES - 07» (Падуя, Италия, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 1 статья в издании по перечню ВАК, 3 патента РФ на полезные модели, 13 публикаций в межвузовских сборниках научных трудов, сборниках международных и всероссийских научно-практических конференций и семинаров.

Личный вклад автора в результаты работ, опубликованных в соавторстве, состоит в разработке расчетных и математических моделей, алгоритмов и программ расчета и оптимизации индукционных нагревателей, проведении вычислительных и натурных экспериментов, проведении проектно-конструкторских работ опытных образцов и действующих УИН, управлении проектами внедрения и модернизации УИН на ОАО "ИркАЗ" филиал "СУАЛ".

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения (7 страниц), трех разделов (41 страница, 32 страницы, 37 страниц соответственно), списка литературы (109 источников на 11 страницах) и 2 приложений (3 страницы). Общий объем - 135 страниц.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Определено, что в качестве основного способа увеличения энергетической эффективности индукционных установок сквозного нагрева цветных металлов целесообразно использовать многослойные обмотки из плотно намотанной плоской шины с переменной, уменьшающейся к внутренним слоям высотой индуктирующего провода и увеличивающейся шириной. Для анализа электромагнитных процессов в сложных многослойных соленоидальных обмотках необходимо использовать численные методы математического моделирования.

2. Для более точного учета электрических потерь в многослойных соленоидальных обмотках индукционных нагревателей усовершенствован численный метод дискретизации свойств сред и предложена соответствующая математическая модель. Усовершенствование заключается в применении в качестве источников электромагнитного поля вместо сторонних токов касательных составляющих магнитного поля, которые корректируются в процессе итерационного алгоритма с помощью закона полного тока в интегральной форме.

3. Подтверждена достоверность численной математической модели анализа ЭМП в многослойных соленоидальных обмотках индукционных установок сквозного нагрева путем сравнения данных численного эксперимента с данными натурных исследований на действующем агрегате ОКБ 894 А. Точность расчета электрических потерь в обмотке "короткого" индуктора после доработки метода дискретизации свойств сред для исследуемого индуктора повышена с 18,7 % до 4,6 %.

4. Проведено исследование электромагнитных процессов в обмотках индукционного нагревателя заготовки алюминиевой катанки перед волочением, эксплуатируемого в литейно-прокатном отделении Иркутского алюминиевого завода. Получены зависимости энергетической эффективности

121 установки от конструктивных параметров обмотки индуктора, что позволило определить пути увеличения энергетических показателей установки и повышения ее эксплуатационной надежности.

5. На базе предложенной математической модели разработана методика параметрической оптимизации конструкции обмотки индукционного нагревателя, применение которой позволяет разрабатывать конструкции, обеспечивающие высокие технико-экономические параметры УИН, путем оптимального выбора частоты питающего напряжения, числа слоев в обмотке и сечения индуктирующего провода по соям. Разработаны рекомендации по разграничению области применения метода полного перебора, комплексного метода Бокса и генетического алгоритма, а также условий применения различных целевых функций в зависимости от технических требований к проектируемому индукционному нагревателю, например, по согласованию нагрузки с источником питания по напряжению или снижению плотности тока до уровня допустимого условиями принудительного воздушного охлаждения.

6. На основании проведенных исследований разработаны практические рекомендации по модернизации индукционного нагревателя заготовки алюминиевой катанки перед волочением, которые позволяют повысить энергетический КПД с 44,1 % до 64,1 % и снизить текущие годовые затраты на электроэнергию на 191 тыс. рублей в ценах 2006 года.

1. Binns, К. J. The Analytical and Numerical Solution of Electric and Magnetic Fields / K. J. Binns, P. J. Lawrenson, C. W. Trowbridge. Wiley, New York, 1992. - p. 451.

2. Вологдин, В. П. Поверхностная индукционная закалка. М.: Оборонгиз, 1947. -291с.

3. Тамм И. Е. Основы теории электричества. М. Наука, 1976. - 616 с.

4. Matsubara, Y. Induction hardening of gears by dual frequency induction heating / Y, Matsubara, M. Kumagawa, Y. Watanabe. J. Jpn. Soc. Heat Treatment, 29(2): 9298 (1989).

5. Storm, J. M. Dual frequency induction gear hardening / J. M. Storm, M. R. Chaplin. -Gear Technol. 10(2): 22-25 (1993).

6. Слухоцкий, A. E. Применение токов высокой частоты в электротермии / А. Е. Слухоцкий. Л.: Машиностроение, 1973. - 280 с.

7. Фомин, Н. И. Электрические печи и установки индукционного нагрева / Н. И. Фомин, Л. М. Затуловский. М.: Металлургия, 1979. - 247 с.

8. Простяков, А. А. Индукционные печи и миксеры для плавки чугуна /

9. A. А. Простяков. М.: Энергия, 1977. - 218 с.

10. Слухоцкий, А. Е. Установки индукционного нагрева / А. Е. Слухоцкий,

11. B. С. Немков, Н. А. Павлов, А. В. Бамунер. Л.: Энергоиздат, 1981. - 328 с.

12. ГОСТ 16382 87. Электротермическое оборудование.

13. Альтгаузен, А. П. Электротермическое оборудование: Справочник / А. П. Альтгаузен. М.: Энергия, 1980. - 416 с.

14. Ross N. V. A system for induction heating of large slabs// IEEE Trans, on Industry and General Applications, Vol.6,1970. pp. 449-454.

15. Douglas J. New technologies for electric steelmaking // EPRI Journal, October/November 1993. pp. 7-15.

16. Hori K., Tabuchi M. Induction heating equipment for a continuous steelmaking process// UIE XI Congress on Electricity Application В 7.4, Malaga, Spain, 1988.

17. Sranberg F. Induction heating of slabs at SSAB Lulea// Steel Times, Vol.213, (3) 1985.-p. 119-120.

18. Кувалдин А.Б. Низкотемпературный индукционный нагрев стали. М.: Энергия, 1976.

19. Лякишев Н.П., Николаев А.В. Энергетические аспекты металлургии стали// Сталь. 2002. -№3. - С.66-73.

20. Блинов, Ю. И. Современные энергосберегающие электротехнологи: Учеб. пособие для вузов / Ю. И. Блинов, А. С. Васильев, А. Н. Никаноров. СПб: Издательство СПб ГТУ «ЛЭТИ», 2000. - 564 е.: ил.

21. Ross N.V. Megawatt induction heating for rolling, forging, and extrusion. World Electrotechnical Congress (WELC), Moscow, 1977, paper 65.

22. Ross N.V., Scherer R.W., Jancosek D.G. Induction heating of strip for galvanneal // Iron and Steel Engineer, January 1988. pp. 40-45

23. Ерманок, М.З. Волочение цветных металлов: Учебное пособие для ПТУ / М.З. Ерманок, JI.C. Ватрушин. М.: Металлургия, 1982. - 272с.

24. Немков, В. С. Теория и расчет устройств индукционного нагрева / В. С. Немков, В. Б. Демидович. JI.: Энергоиздат, 1988. - 280 с.

25. Шамов, А. Н. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок / А. Н. Шамов, В. А. Бодажков. Л.: Машиностроение, 1974. - 280 с.

26. Gibson, R. С. High efficiency induction heating as a production tool for heat treatment of continuous strip metal /R. C. Gibson, R. H. Johnson. Sheet metal Ind., December 1982, pp. 889-892.

27. Ireson, R. C. J. Induction heating with transverse flux in strip metal process lines. -IEE Power Eng. J. Vol. 3, March 1989. pp. 68-75.

28. Rudnev, V. I. Induction Heat Treatment / V. I. Rudnev, R. L. Cook, D. L. Loveless, M. R. Black. New York, Marcel Dekker, Inc.: Reprints of Chapters 11A - 1 IB of Steel Heat Treatmetn Hahdbook (1997). - p. 765 - 911.

29. Безручко, И. И. Индукционный нагрев для объёмной штамповки / И. И. Безручко. Л.: Машиностроение, 1987. - 126 с.

30. Слухоцкий, А. Е. Индукторы для индукционного нагрева / А. Е. Слухоцкий, С. Е. Рыскин. Л.: Энергия, 1974. - 264 с.

31. А. с. 690659 СССР, МКИ2 Н05В5/18, C21D11/2. Многослойная цилиндрическая обмотка для индукционных нагревательных устройств /

32. B. А. Буканин, В. С. Немков (СССР). № 2429411/24-07; заявл. 10.12.76; опубл. 05.10.79, Бюл.№ 37.-3 с.

33. Stenford, К. Transverse flux induction heating. Eng. Digest, September 1987, pp. 23-25.

34. Демирчян, К. С. Численные расчеты электромагнитных полей: Учеб. пособие для электротехн. и энерг. спец. вузов / К. С. Демирчян, В. Л. Чечурин. М.: Высшая школа, 1986. - 240 с.

35. Зарубин, В. С. Инженерные методы решения задач теплопроводности / В.

36. C. Зарубин. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 328 с.

37. Головенко, Е. А. Разработка индукционной установки сквозного нагрева заготовки алюминиевой катанки перед волочением / Е. А. Головенко,

38. Е. С. Кинев, В. А. Шаповалов // Оптимизация режимов работы электротехнических систем: межвуз. сб. науч. тр. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004.-С. 227-232.

39. Кинев, Е. С. Программно-методический комплекс компьютерного моделирования электротехнических систем / Е. С. Кинев, А. И. Касьянов // Перспективы и проблемы высшего образования: Сб. тезисов науч.-метод. конф. -Красноярск: КГТУ, 1996. С. 34 - 35.

40. Кинев, Е. С. Математическое моделирование физических процессов при индукционном нагреве / Е. С. Кинев, Е. А. Головенко // Оптимизация режимов работы электротехнических систем: межвуз. сб. науч. тр. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006.-С. 19-30.

41. Лупи, С. Аналитический расчет цилиндрических индукционных систем / С. Лупи, В. С. Немков // Электричество. 1978. - №6. - С. 43-47.

42. Ямамура, С. Теория линейных асинхронных двигателей. Л.: Энергроатомиздат. 1983. - 180 с.

43. Немков, В. С. Теория и расчет устройств индукционного нагрева /

44. B. С. Немков, В. Б. Демидович. Л.: Энергоиздат, 1988. - 280 с.

45. Махмудов, К. М. Методы электрического расчета индукторов / К. М. Махмудов, В. С. Немков, А. Е. Слухоцкий // Изв. ЛЭТИ. Вып. 114. Л., 1973.1. C. 3-27.

46. Бессонов, Л. А. Линейные электрические цепи / Л. А. Бессонов. М.: Высш. шк., 1983.-336 с.

47. Зевеке, Г. В. Основы теории цепей: Учеб. для вузов / Г. В. Зевеке, П. А. Ионкин, А. В. Нетушил, С. В. Страхов. 5-е изд. - М.: Энергоиздат, 1989. - 528 с.

48. Демирчян, К. С. Теоретические основы электротехники: В 3-х т. Учебник для вузов. Том 2. 4-е изд. / К. С. Демирчян, Л. Р. Нейман, Н. В. Коровкин, В. Л. Чечурин. - С-Пб.: Питер, 2004. - 576 с.

49. Головенко, Е. А. Математическое моделирование индукционных магнитогидродинамических устройств металлургического назначения методом дискретизации свойств сред: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.09.03 /

50. Е. А. Головенко; Краснояр. гос. тех. ун-т; рук. работы В. Н. Тимофеев. Красноярск, 2003.-24 с.

51. Бабат, Г. И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. M.-JL: Энергия, 1965. - 522 с.

52. Беляев, Н. М. Методы нестационарной теплопроводности / Н. М. Беляев,

53. A. А. Рядно. М.: Высш. шк, 1978. - 328 с.

54. Rudnev, V. I. Induction Heat Treatment / V. I. Rudnev, R. L. Cook, D. L. Loveless, M. R. Black. New York, Marcel Dekker, Inc.: Reprints of Chapters 11A -1 IB of Steel Heat Treatmetn Hahdbook (1997). - p. 765 - 911.

55. Smith, G. D. Numerical Solution of Partial Differential Equations: Finite Difference Methods, Oxford Univ. Press, Oxford, UK, 1985. pp. 235.

56. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. М.: Мир, 1975.-454 с.

57. Шайдуров, В. В. Многосеточные методы конечных элементов /

58. B. В. Шайдуров. М.: Наука, 1989. - 288 с.

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

60. Норри, Д. Введение в метод конечных элементов: Пер. с англ./ Д. Норри, Ж. Фриз.-М.: Мир, 1981.-304 с.

61. Беляев, Н. М. Методы теории теплопроводности: В 2 т / Н. М. Беляев, А. А. Рядно, Т 1. М.: Высш. шк, 1982. - 398 с.

62. Самарский, А. А. Теория разностных схем: Учеб. пособие / А. А. Самарский. -М.: Наука, 1977.-656 с.

63. Кинев, Е. С. Моделирование многофазной индукционной установкисквозного нагрева с учетом высших гармоник / Е. С. Кинев, Е. А. Головенко //127

64. Достижения науки и техники развитию сибирских регионов: сб. тез. докл. пятой Всероссийской науч.-практ. конф. с междунар. участием. -Красноярск: КГТУ, 2003.-С. 181-183.

65. ELCUT. Руководство пользователя. М.: ПК ТОР, 2000. - 161 с.

66. Universal 2D. Руководство пользователя. С-Пб, 2000. - 65 с.

67. Каплун, А. Б. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. М.: Едиюриал УРСС, 2003. - 272 с.

68. Первухин М. В. Электротехнологические установки и системы. Программа ELTA для расчета электротермических процессов в установках индукционного нагрева: Метод, указания / М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев, Т. А. Боякова. -Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004. 52 с.

69. Грюнер, А. И. Анализ магнитного поля ротора, представляемого магнитной цепью с распределенными параметрами / А. И. Грюнер, Е. С. Кинев,

70. B. А. Павлов // Электричество, 1991. № 5. - С. 68-75.

71. Кинев, Е. С. Вопросы количественной оценки состояния короткозамкнутой обмотки роторов асинхронных двигателей / Е. С. Кинев // Оптимизация режимов работы систем электроприводов: межвуз. сб. науч. тр. Красноярск: КрПИ, 1990. -С. 35-38.

72. Кинев, Е. С. Синтез моделей управляемых вентилей для ЦВМ // Е. С. Кинев,

73. A. И. Касьянов // Оптимизация режимов работы систем электроприводов: межвуз. сб. науч. тр. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 1997. - С. 3-13.

74. Кинев, Е. С. Синтез многополюсных макромоделей операционных усилителей / Кинев, Е. С., Касьянов А. И. // Вестник КГТУ: Вып. 8. Красноярск: Изд. КГТУ, 1997. - С. 223-234.

75. Кинев, Е. С. Упрощенные нелинейные модели биполярных транзисторов при моделировании на ЦВМ / Е. С. Кинев, А. И. Касьянов // Оптимизация режимов работы систем электроприводов: межвуз. сб. науч. тр.- Красноярск: Издательство КГТУ, 1997.-С. 159-167.

76. Грюнер, А. И. Анализ магнитного поля ротора, представляемого магнитной цепью с распределенными параметрами / А. И. Грюнер, Е. С. Кинев,

77. B. А. Павлов // Электричество, 1991. № 5. с. 68-75.

78. Курбатов, П. А. Численный расчет электромагнитных полей / П.А. Курбатов,

79. C.А. Аринчин. -М.: Энергоатомиздат, 1984. 168 с.

80. Измаилов А.Ф., Солодов М.В. Численные методы оптимизации: Учеб. пособие. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 304 с.

81. Fletcher, R. Practical methods of optimization. Vol. 1: Unconstrained optimization. British Library Cataloguing in Publication Data, 1980 - p. 126

82. Frederic Bonnans, J. Numerical optimization: Theoretical and practical aspects / J. Charles Gilbert, Claude Lemarechal, Claudia A. Sagastizabal Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2003.-p. 415

83. Харчистов Б.Ф. Методы оптимизации: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. —140с.

84. Банди Б. Методы оптимизации. Вводный курс.: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1988. - 128 с.

85. Батищев Д.И. Решение задач математического программирования с помощью эволюционных вычислений / Д.И. Батищев, СЛ. Исаев //Тезисы доклада на Всероссийской конференции «Математическое программирование и приложения». Екатеринбург, УрО РАН 1997г. стр.29.

86. Goldberg D.E. Genetic algorithms in search, optimization and machine learning. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data. 1989.

87. Раппопорт Э.Я. Оптимальное управление в двухмерных задачах теплопроводности // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. М.: 1984. №6. С.102 -112.

88. Рубан А.И. Методы оптимизации: Учебное пособие / А.И. Рубан. 3-е изд., испр. и доп. - Красноярск: Издательство КГТУ, 2004. - 528 с.

89. Бертсекас Д. Условная оптимизация и методы множителей Лагранжа / пер. с англ. М.: Радио и связь, 1987. - 400 с.

90. Вержбицкий В.М. Основы численных методов: Учебник для вузов / В.М. Вержбицкий. 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., 2005. - 840 с.

91. Мак-Кракен Д., Дорн У.-Численные методы и программирование на фортране / пер. с англ. М.: Мир, 1977 - 584 с.

92. Mark М. Meerschaert. Mathematical modeling / Academic press, 1999.

93. Шуп Т. Решение инженерных задач на ЭВМ: Практическое руководство / пер. с англ. М.: Мир, 1982 - 238 с.

94. Bird J.O. Engineering mathematics / Newnes 1999.

95. Steven С. Chapra, Raymond P. Canale. Numerical Methods for Engineers/ Me Grow Hill-1998.

96. Мэтьюз Джон. Численные методы. Использование MATLAB / Д. Мэтьюз, Г. Финк, Д. Куртис. 3-е изд., пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2001. - 720 с.

97. Ивоботенко Б.А. Планирование эксперимента в электромеханике / Б.А. Ивоботенко, Н.Ф. Ильинский, И.П. Копылов. М.: Энергия, 1975. - 184 с.

98. Ортега Дж., Пул У. Введение в численные методы решения дифференциальных уравнений / Пер. с англ.: под ред. Абрамова А.А. М.: Наука, 1986-288 с.

99. Мымрин Ю.Н. Выбор и оптимизация технико-экономических показателей машин при разработке технического задания / Ю.Н. Мымрин, И.Н. Малахов. -М.: Машиностроение, 1987. 152 с.

100. Марчук, Г. И. Методы вычислительной математики / Г. И. Марчук. М.: Наука, 1980.-535 с.

101. Бахвалов, Н. Численные методы / Н. Бахвалов, Н. Жидков, Г. Кобельков. -М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003 г. 632 с.

102. Бартенев, О. В. Современный Фортран / О. В. Бартенев. -М.: Диалог-МИФИ, 1998.-397 с.

103. Гитгарц, Д. А. Симметрирующие устройства для однофазных электротермических установок / Д. А. Гитгарц, Л. А. Мнухин. М.: Энергия, 1974. - 120 с.

104. Головенко, Е. А. Разработка индукционной установки сквозного нагрева заготовки алюминиевой катанки перед волочением / Е. А. Головенко,

105. Е. С. Кинев, В. А. Шаповалов // Оптимизация режимов работыэлектротехнических систем: межвуз. сб. науч. тр. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2004.-С. 227-232.

106. Кузнецов, Е. В. Индукционная установка сквозного нагрева заготовки алюминиевой катанки перед волочением / Е. В. Кузнецов, Д. В. Хохлов,

107. А. Н. Плявина // Всероссийский научно-технический семинар «Энергетика: экология, надежность, безопасность»: Тез. док. Томск: ТГПУ ТПУ. 2005. - С. 326-332.

108. Кузнецов, Е. В. Управление распределением мощности и температуры в трехфазных индукционных нагревателях / Е. В. Кузнецов //ВестникКрасГАУ №3. -Красноярск: издательство КрасГАУ, 2007. С. 58-67.