автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Повышение энергоэффективности нестационарных режимов индукционных нагревателей методического действия

На правах рукописи

Мостовой Алексей Павлович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ИНДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ МЕТОДИЧЕСКОГО

ДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 МАЙ 2015

Самара-2015

005568468

005568468

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

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Данилушкин Александр Иванович

Официальные оппоненты: Кувалдин Александр Борисович,

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский университет «МЭИ», профессор, г. Москва.

Сорокин Алексей Григорьевич,

кандидат технических наук ФГБОУ ВПО «Самарский государственный экономический университет», Сызранский филиал, доцент.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный

технический университет», г. Саратов.

Защита состоится 16 июня 2015 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, г. Самара, ул. Первомайская, 18 и на сайте samgtu.ru.

Отзывы о данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Молодогвардейская ул. 244, СамГТУ, главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04, факс: (846)2784400, e-mail: a-ezhova@yandex.ru.

Автореферат разослан «¿¿?» апреля 2015 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.217.04

кандидат технических наук

<1 Е.В. Стрижакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В металлургической и машиностроительной промышленности для нагрева заготовок из сплавов черных и цветных металлов перед обработкой на деформирующем оборудовании широко применяются высокопроизводительные индукционные нагревательные установки периодического и методического действия. Установки для нагрева под пластическую обработку имеют ряд особенностей. Во-первых, они являются частью технологического комплекса, поэтому режим их работы должен быть строго согласован с режимом работы последующего по технологической цепи деформирующего оборудования. Во-вторых, в отличие от нагрева под термообработку, здесь большое значение имеет конечное распределение температуры по объему заготовки, так как это сказывается на качестве готового изделия.

В процессе эксплуатащш технологической линии «методический нагреватель - деформирующее оборудование» возникает необходимость первоначального запуска нагревателя в работу или вывода нагревателя на установившийся режим нагрева из режима термостатирования или после кратковременных остановок. Опыт работы машиностроительных производств показывает, что в течение рабочей смены происходит от трех до пяти плановых остановок оборудования различной длительности. Простои деформирующего оборудования приводят к снижению экономических показателей работы. В связи с этим важной задачей управления индукционными нагревателями в нестационарных режимах является стшение энергозатрат, вызванных наличием некондиционных заготовок в процессе выхода индукционного нагревателя на установившийся режим.

При методическом нагреве ферромагнитных заготовок под пластическую деформацию задача моделирования процесса нагрева в пусковых режимах усложняется существенно нелинейной зависимостью распределения электромагнитных источников тепла по аксиальной координате от теплового режима нагревателя. В индукционных установках дискретно-непрерывного действия при выходе на установившийся режим работы распределение температуры столба заготовок по длине загрузки не остается постояшшм, а непрерывно изменяется. Поэтому электрические характеристики индукционного нагревателя изменяются в соответствие с изменением положения координаты магшггных превращений. Это усложняет процедуру поиска закона изменения подводимой к индуктору мощности в процессе выхода на установившийся режим работы. Ещё одной важной задачей при поиске алгоритмов управления нестационарными режимами в индукционных нагревателях методического действия является согласование параметров индукционной системы с источниками питания. В переходных режимах возникает необходимость учета предельных возможностей автономных источников питания, так как изменение электрических параметров системы «индуктор-металл» в переходных режимах неизбежно приводит к перегрузке ограниченного по мощности источника питания.

Задача управления нестационарными режимами ещё более усложняется для многосекционных нагревателей методического действия с автономными источниками питания каждой секции. Для таких нагревателей возникает ряд специфи-

ческих проблем, обусловленных наличием нескольких заготовок в каждой секции нагревателя, находящихся под воздействием изменяющихся во времени и по пространственной координате источников тепла. Пуск нагревателя при постоянном напряжении на индукторе с одновременным включением механизма подачи приводит к недогреву первой партии заготовок, а пуск из режима термостатиро-вания может привести к недогреву одних и перегреву других заготовок. В этих условиях принципиально невозможно обеспечить выход нагревателя на установившийся режим без потерь, обусловленных характером работы методического нагревателя. Речь может идги лишь о минимизации электрических потерь в нестационарных режимах и сокращении времени выхода на установившийся режим. Потери энергии и продолжительность выхода нагревателя на установившийся режим существенно зависят от алгоритма управления. В этой связи актуальными задачами исследования являются: разработка алгоритмов управления нестационарными режимами двухсекционного индукционного нагревателя методического действия, обеспечивающих быстрый выход на установившийся режим при минимальных потерях энергии на нагрев некондиционных заготовок; уточнение математических моделей процесса методического индукционного нагрева ферромагнитных заготовок в нестационарных режимах; исследование и анализ нестационарных режимов с учетом предельных возможностей автономных источников питания, разработка рекомендаций по выбору энергоэффективных алгоритмов управления нестационарными режимами.

Результаты работы использованы:

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

Целью работы является повышение энергоэффективности многосекционных индукционных нагревательных установок методического действия путем разработки алгоритмов управления индукционных нагревателей методического действия в переходных режимах работы.

Решаются ниже следующие задачи: - уточните численной математической модели процесса методического индукционного нагрева цилиндрических изделий под пластическую деформацию, предназначенные для исследования нестационарных режимов двухсекционного индукционного нагревателя методического действия;

- расчет параметров электротепловых полей в нестационарных режимах с учетом взаимосвязи электрических параметров системы от распределения температуры при выходе на установившийся режим нагрева;

- исследование зависимости энергетических характеристик системы «двухсекционный нагреватель-загрузка» от теплового состояния заготовок по аксиальной координате в процессе выхода на установившийся режим;

- разработка и исследование алгоритмов управления пусковыми режимами в условиях широкой вариации электротепловых параметров нагревателя и обусловленной этим необходимостью учета предельных возможностей источника питания;

- разработка рекомендаций по выбору алгоритмов управления нестационарными режимами, обеспечивающими минимальные энергозатраты на нагрев некондиционных заготовок;

- разработка и практическая реализация системы автоматического управления процессом выхода на установившийся режим работы двухсекционного индукционного нагревателя.

Исследование приведенного перечня задач представляет собой основное содержание настоящей работы. Диссертация выполнена автором в Самарском государственном техническом университете (СамГТУ).

Методы исследования

Решение перечисленных в работе задач базируется на использовании методов математического моделирования, теории теплопроводности и электромагнетизма, теория объектов и систем с распределенными параметрами, метода численного решения задач технической теплофизики, компьютерной технологии

Научная новизна

1. Предложена уточненная математическая модель дискретно-непрерывного индукционного нагрева нелинейной загрузки, ориентированная на решение задачи исследования нестационарных режимов двухсекционного индукционного нагревателя методического действия с ферромагнитной загрузкой;

2. Исследованы зависимости интегральных электрических параметров системы «двухсекционный нагреватель-загрузка» от температурного распределения по длине загрузки в нестационарных режимах;

3. Разработана методика расчета алгоритмов управления нестационарными режимами работы двухсекционного индукционного нагревателя методического действия

4. Исследованы зависимости параметров алгоритмов управления в нестационарных режимах от электрических параметров комплекса «источник питания - индуктор» в условиях существенного изменения физических свойств загрузки в процессе выхода на установившийся режим;

5. Разработаны рекомендации по выбору алгоритмов управления нестационарными режимами, обеспечивающих минимальные энергозатраты на нагрев некондиционных заготовок;

6. На базе предложенной в работе линеаризованной математической модели получена передаточная функция процесса методического индукционного нагрева

как объекта управления с распределенными параметрами и синтезирована система автоматического управления.

Практическая полезность работы

Практическая польза выполненных автором исследований определяется представленными в работе результатами:

1. Предложен алгоритм расчета нестационарных режимов нагрева загрузки в методическом индукционном нагревателе;

2. Предложены энергоэффективные алгоритмы управления процессом выхода двухсекционного индукционного методического нагревателя на установившийся режим нагрева при различных начальных условиях;

3. Предложена структура автоматической системы, реализующей энергоэффективные алгоритмы управления электрическим и тепловым режимами двухсекционного индукционного нагревателя.

Результаты работы использованы в научно-исследовательской работе при исследовании электромагнитных и тепловых процессов индукционного нагрева и в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке магистров и бакалавров по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».

Апробация работы

Материалы диссертационного исследования обсуждались и докладывались на: Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы», (г. Оренбург, 2010) ;УШ Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (г. Таганрог, 2010); Отборочном туре Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов вузов «ЭВРИКА» (г. Новочеркасск, 2012); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», (г. Томск, 2011); Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» ( г. Москва, 2011, 2012) ; II Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2012); Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Самара, 2011); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2009); Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009, 2012); Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения (г. Казань, 2011); Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения», (г. Казань, 2011, 2013); Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (г. Иваново, 2013).

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 20 печатных работ, 4 из которых в изданиях из списка ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 147 страницах машинописного текста; содержит 51 рисунок и 30 таблиц, список использованных источников, включающий 112 наименований, два приложения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Методика расчета алгоритмов управления нестационарными режимами двухсекционного индукционного нагревателя методического действия с ферромагнитной загрузкой на основе уточненной математической модели исследуемого процесса;

2. Установленные на основе численной модели нестационарного процесса методического индукционного нагрева зависимости энергетических характеристик системы «двухсекционный методический нагреватель-загрузка» от температурного распределения по длине загрузки;

3. Алгоритмы эффективного управления процессом выхода двухсекционного индукционного нагревателя методического действия на установившийся режим в условиях существенно нелинейной зависимости электрических и энергетических параметров нагревателя от распределения температуры по длине с учетом энергетических характеристик комплекса «источник питания - индуктор»;

4. Рекомендации по выбору алгоритма управления нестационарными режимами, обеспечивающего минимальные энергозатраты на нагрев некондиционных заготовок и сокращение времени простоя деформирующего оборудования;

5. Структурная схема процесса индукционного нагрепа как объекта управления с распределенными параметрами, отличающаяся учетом взаимного влияния теплового состояния смежных заготовок в многосекционных индукционных нагревателях методического действия.

Краткое содержание работы

Во введении раскрывается актуальность темы, формулируется цели и задачи исследования, характеризуются научная новизна и практическая ценность результатов, приводятся основные положения, которые выносятся защиту.

В первом разделе выполнен обзор современного состояния и проблемы моделирования процесса индукционного нагрева и управления индукционным нагревом заготовок перед пластической деформацией.

Приводится обзор научных работ в области технологии индукционного нагрева, разработки математических моделей электротепловых процессов, предназначенных для проектирования и управления индукционными нагревательными установками. В области технологии индукционного нагрева отмечена роль таких ведущих ученых, как В.П. Вологдин, A.M. Вайнберг, JT.P. Нейман, Г.И. Бабат, H.H. Родигин, О.В. Тозони, А.Е. Слухоцкий, A.B. Донской, А.Б. Кувал-дин, H.A. Павлов, B.C. Немков, В.Б. Демидович и др. Опираясь на результаты их

исследований, построены математические модели для решения задач проектирования и управления индукционными нагревателями.

В большинстве работ, посвященных вопросам управления индукционными нагревательными системами, в качестве модели используются приближенные выражения, полученные на основе аналитических решений.

Первые исследования в области управления процессами индукционного нагрева, основанные на управлении интенсивностью внутренних источников тепла, выполнены С.А. Яицковым и H.A. Павловым. Предложенный авторами метод ускоренного изотермического нагрева обеспечивает значительное повышение производительности индукционных нагревательных установок по сравнению с традиционной технологией при равномерном распределении удельной мощности источников тепла во времени для случая периодического нагрева или по координате для установок непрерывного или методического действия.

В строгой постановке проблемы оптимального управления процессами индукционного нагрева металла перед пластической деформацией рассмотрены в монографиях Э.Я. Рапопорта. На основании разработанного альтернансного метода предложены методики расчета и анализа алгоритмов энергоэффективного управления индукционными установками в линиях «нагреватель -деформирующее оборудование»

В большинстве рассматриваемых работ решались частные задачи поиска оптимального управления стационарными и переходными режимами работы нагревателей, не охватывающие всего круга проблем. К таким неисследованным проблемам относятся вопросы управления нестационарными режимами многосекционных индукционных нагревателей для нагрева магнитных заготовок перед деформацией.

В результате выполненного автором анализа сформулированы основные задачи исследования.

Второй раздел посвящен вопросам математического моделирования электротепловых процессов в осесимметричной системе «индуктор - ферромагнитная загрузка», приведен алгоритм расчета электротепловых полей в двухсекционном нагревателе с магнитной загрузкой.

Исследуемый объект состоит из двух последовательно расположенных секций с автономными источниками питания (рис. 1). Заготовки перемещаются дискретно. Температурное распределение в заготовке по аксиальной координате, кроме изменяющихся в процессе нагрева электромагнитных источников тепла от температурного состояния смежных заготовок. Для оценки температурного распределения по длине заготовки используется тепловая задача в двумерной постановке.

Для создания методики расчета нестационарных режимов двухсекционного индукционного нагревателя методического действия, поиска алгоритмов управления нестационарными режимами в работе предлагается уточненная электротепловая модель, учитывающая зависимость распределения мощности электромагнитных источников тепла от температурного распределения в загрузке по

аксиальной координате, а также влияние теплового контакта между смежными заготовками.

Рис. 1 Двухсекционная индукционная установка 1 - первая секция; 2 - вторая секция; 3 - футеровка; 4 - заготовки.

Процесс индукционного нагрева представляется в виде нелинейной взаимосвязанной системы уравнений электромагнитного и теплового полей соответственно:

<#У{в}=0; Лгу{Ё}= 0 (1)

Здесь, {я}- вектор напряженности магнитного поля; \е\- вектор напряженности электрического поля; - вектор магнитной индукции; а - электропроводимость; т - температура; Л(г)- удельная теплопроводность; i - время; с(г) -теплоемкость; у{т) - плотность металла загрузки.

Объемная мощность внутреннего тепловыделения в металле определяется вектором Пойнтинга

П = -сИУ[ен] (3)

Для решения краевых задач используется метод конечных элементов, позволяющий с высокой точностью учесть основные нелинейности процесса.

В данной работе для численного расчета методом конечных элементов выбран треугольный тип элементов. Сетка моделируемой системы «индуктор — металл» для расчета электротепловых полей учитывает поверхностный эффект величина которого определяется температурой (рис.2). Характерной особенностью процесса индукционного нагрева ферромагнитных заготовок является переход нагреваемого металла через точку Кюри, причем, этот переход наблюдается как в первой секции нагревателя, так и во второй.

Рис. 2 Сетка конечных элементов для расчета взаимосвязанных электротепловых полей

Численное решение электромагнитной задачи методом конечных элементов базируется на сведение к минимуму энергетического функционала:

где а - магнитный векторный потенциал.

По результатам электромагнитного расчета проводится тепловой расчет.

На основании предложенной модели разработана расчета нестационарных режимов двухсекционного индукционного нагревателя ферромагнитных заготовок.

В третьем разделе рассматривается задача расчета и анализа алгоритмов управления нестационарными режимами двухсекционных индукционных нагревательных установок, обеспечивающих требуемые качественные показатели в нестационарных режимах работы нагревательной установки с учетом энергетических и технологических ограничений. Отмечено, что в нестационарных режимах методических нагревательных установок принципиально невозможно обеспечить высокие требования по точности и качеству нагрева заготовок без потери некоторой части заготовок, не достигших за время нахождения в нагревателе требуемого для деформации температурного распределения. Следствием этого являются потери электроэнергии на нагрев некондиционных заготовок и простой деформирующего оборудования. В связи с этим основной задачей управления нестационарными режимами в условиях действующих ограничений является минимизация потерь электроэнергии, сокращение времени простоя деформирующего оборудования и минимизация некондиционных заготовок, идущих на повторный нагрев.

В нестационарных режимах работы методических индукционных нагревателей для нагрева ферромагнитной стали до температур, превышающих точку

(4)

V

V

Кюри, происходит непрерывное изменение коэффициента мощности. Это обстоятельство приводит к необходимости согласования параметров нагревателя с источниками питания с помощью специальных согласующих устройств. Однако, для преобладающего большинства нагревателей время работы в нестационарных режимах занимает незначительную часть всего времени работы нагревательной установки. В этом случае возникает задача экономического обосновашм целесообразности применения дорогостоящих согласующих устройств.

Автором предложена методика расчета нестационарных режимов, рассмотренная на примере двухсекционного методического индукционного нагревателя для нагрева ферромагнитной стали под обработку на деформирующем оборудовании.

Задача управления нестационарными режимами двухсекционного индукционного нагревателя сформулирована как задача поиска таких параметров управления объектом, которые в условиях технологических и энергетических ограничений могут обеспечить эффективный в определенном смысле выход на установившийся режим нагрева с требуемым конечным температурным распределением заготовки на выходе из нагревателя. Критерий качества принимает вид: N

/ = Р,^¡гДг.^т^-Г^^ + Рг->тт , (5)

г^ 1

где, Т,. - время окончания процесса нагрева; Тг - температурное поле заготовки в нестационарном режиме; Зн - энергетические затраты на нагрев г-ой

заготовки; , Р2 - стоимостные коэффициенты; Л' - общее число заготовок.

В качестве исходной модели процесса индукционного нагрева ферромагнитной загрузки используется система уравнений вида (1), (2). В качестве начальных условий рассматриваются три возможных варианта: пуск нагревателя с «холодной» загрузкой; пуск из режима термостатирования; пуск после кратковременных остановок Поставленная задача выбора эффективных алгоритмов управления решается путем анализа альтернативных вариантов. Такая формулировка задачи управления приводит к необходимости многократного решения поисковых задач расчета управляющих воздействий, обеспечивающих требуемые показатели эффективности процесса управления в нестационарных режимах.

Из физических соображений и используя многочисленные результаты ряда авторов по оптимизации нестационарных режимов односекционных индукционных нагревателей, рассматриваются следующие алгоритмы управления выходом нагревателя на установившийся режим нагрева.

Для первой секции:

¿'1(0= ^(О^еСп.'и)

ии, V/ е {ЦгАко«)

(б)

Здесь |,- напряжение, подводимое к индуктору первой секции на первом

При «холодном» пуске второй секции нагревателя (индуктор повышенной частоты) в начальный момент пуска все заготовки ферромагнитные, что при постоянстве напряжения на индукторе приводит к увеличению подводимой мощности до величины, определяемой сопротивлением загрузки в «холодном» состоянии. Эта величина оказываегся значительно больше, чем мощность, подводимая к индуктору в установившемся режиме и, как правило, превышает перегрузочную способность источника питания. Следовательно, алгоритм управления должен быть рассчитан с учетом ограничения, накладываемого на мощность источника питания.

На рис.3 приведены алгоритмы изменения напряжения, подводимого к секциям индуктора в процессе выхода на установившийся режим при пуске с «холодной» загрузкой с учетом ограничения на мощность источника питания, а на рис.4 -алгоритмы изменения мощности и энергетические характеристики второй секции нагревателя.

На первом участке управления на вторую секцию нагревателя подается напряжение, величина которого ограничивается предельно допустимым током источника питания. Длительность этого участка определяется временем достижения температурным распределением заготовок второй секции заданной величины. На втором участке управления после выравнивания температуры по сечению включается механизм подачи заготовок на обработку и одновременно подается напряжение на первую секцию нагревателя. Происходит выдача нагретых до заданной температуры заготовок под обработку (так называемый «особый» режим управления).

Расчеты показывают, что увеличение мощности индуктора первой секции в пусковом режиме по сравнению с установившимся режимом составляет не более 8%, т.е. находится в пределах допустимой перегрузочной способности источника питания. Следовательно, для первой секции нагревателя нет необходимости использовать специальный алгоритм управления в режиме пуска, достаточно со-

интервале управления (0," напряжение, подводимое к индуктору на втором интервале управления (/,, Г2); £-43 ~ напряжение, подводимое к индуктору на третьем интервале (ь, 1кпн ) •

Для второй секции:

гласовать момент подачи напряжения на неё с началом второго интервала управления второй секцией индуктора (с моментом включения подачи), и,в

900

600

300

540 940 1080 1220 1360 1500 1640 1780 1920 2060 2200 t,c Рис.3 Алгоритм изменения напряжения нагревателя 1-2-ая секция, 2-1-ая секция

100-• ззо • 0,3

40-

РдВг

220-

ПО'

cos®

ОД

0,1

—.

—'■ ч

—

410 1020 1160 1300 1440 1580 1720 1860

t,c

Рис.4 Энергетические характеристики второй секции в процессе пуска I- активная мощность, кВт., 2- электрический КПД, 3- cos ф

График средней температуры заготовки на выходе из нагревателя в процессе пуска приведен на рис.5 Полученный алгоритм управления обеспечивает выход на установившийся режим с потерей трех некондиционных заготовок. Затраты энергии на нагрев некондиционных заготовок составляют 25,7 кВт*час за один пуск. Время выхода на режим - 2200 сек.

Т>ых,°С 1350 1200 1050 900 750 600 450

140

Тдсш.тах Тдоп.шш

280 420 560 700 840 980 1120 t,c

Рис. 5 График температуры загрузки на выходе из нагревателя Режим пуска, близкий к параметрам установившегося режима, можно получить, используя немагнитные «балластные» заготовки.

На рис.6 приведены алгоритм изменения мощности и энергетические характеристики первой секции нагревателя, а на рис.7 - алгоритм изменения мощности и энергетические характеристики второй секции нагревателя в процессе выхода на установившийся режим.

113.!,%

90

60

30

Р,кВт

ЗООг 0,9

200-

coscp

0,6

100-- 0,3

О

140 280 420 560 t,c

Рис.6 Энергетические характеристики первой секции нагревателя 1- электрический КПД, кВт., 2- активная мощность, 3- cos ср

1рл,%

40

Р,кВг COS ф

■ 330- ' 0,3

■ 220- ■ 0,2

■ по- ■ 0,1

0 0

140

280

420

5 60

700

840 980 1120 t,c Рис.7 Энергетические характеристики второй секции нагревателя 1- активная мощность, кВт., 2- электрический КПД, 3- cos ср Как следует из сравнительного анализа рассмотренных вариантов, в зависимости от конкретных условий технологического процесса, требований к качественным показателям процесса можно рекомендовать следующие варианты пусковых режимов: при частых пусках из «холодного» состояния, например при мелкосерийном производстве, частой смене номенклатуры обрабатываемых изделий, смене производительности электрические параметры системы «индуктор-металл» (электрическое сопротивление, коэффициент мощности) изменяются в широких пределах, что приводит к перегрузке источников питания в процессе выхода на установившийся режим, дополнительным потерям электроэнергии и увеличению времени выхода на установившийся режим. В большей степени этот эффект сказывается на характеристиках второй секции нагревателя. Для уменьшения этого негативного эффекта необходимо обеспечить в процессе пуска постоянное значение коэффициента мощности нагрузки за счет введения в силовую цепь нагревателя дополнительного оборудования в виде регулируемой части компенсирующей ёмкости с коммутирующей аппаратурой. В других ситуациях более эффективным представляется вариант с использованием «балластных» заготовок, с помощью которых можно исключить необходимость настройки колебательного контура нагрузки в резонанс путем введения регулируемой части компенсирующей ёмкости.

В четвертом разделе рассмотрены вопросы идентификации процесса индукционного нагрева как объекта управления и синтеза системы автоматического управления нестационарными и установившимися режимами работы двухсекционной нагревательной установки.

Линеаризованная математическая модель процесса индукционного нагрева каждой п -ой заготовки представлена в виде:

dT„(r,x,t) dt

д2Т„(г,х,0 | 1 дг2 +г

dTn(r,x,t) | д Tn(r,x,t)

дг

дх<

+ — F(r) ■ Н(х\ U(О, W су

где, F(r) - функция распределения электромагнитных источников тепла, Н{х) — функция распределения внутренних источников тепла по длине заготовки, U(t)- зависимость мощности внутреннего тепловыделения от времени.

Решение задачи ищется в виде суммы двух одномерных полей - 01п(г,/)~ для бесконечно длинного цилиндра и в2п(х,/) -для неограниченной пластины.

Используя конечные интегральное преобразование Ханкеля по радиусу и cos- преобразование Фурье по аксиальной координате, получены выражения для функций Грина:

cjR2 cyR2 £['

G2„ (*,£,/-т) = |

So ФпЮ

n=1 L L

(9)

(10)

Передаточная функция объекта может быть представлена на основании полученных функций Грина в виде параллельного соединения распределенных блоков с общим сосредоточенным входом и{р):

= ^ + 1 , (11) суЯ2р суЯ2^ J0 (ц„ Д) (р + ац2п)

1 /Лих. 1

-+22,со5(—)cos(—

л=1

р + -

2 2 anп

(12)

На основании полученных передаточных функций разработана структурная схема распределенного объекта, представленная на рис.8. -;—п 0>(Г.Р)

"'sip.'-')

Qiis>.p)

Ws(r,R,p)

V(p)

p)

Q-k.p)

Qiip.p)

ir,(r,P.f>)

еЛх.р)

T{r,x,p)

еЛч.р)

г(р)

вЛх.р)

QA%.p)

fiofe.*")

Qwii.pj

QinU.p)

Рис. 8 Структурная модель процесса нагрева ограниченного цилиндра.

16

Здесь, ^з(г,р) = -Ц(г-р), цгА(х,е)=—б{х-£\ Щ(р,Я) = -б(р-7?), су су су

= — Щ0о) = —-передаточные функции переход-

су су

ных блоков, преобразующих сосредоточенный сигнал в распределенный; И/1(г,р,р),И/2(х,Е„ р) -передаточные функции распределенных блоков цилиндра и пластины соответственно» ;Ж5(г,Я,р), Шь{х,Хп_х,р), Щ(х,Х„,р)~ передаточные функции блоков по каналам «тепловой поток- температура цилиндра и пластины соответственно».

В реальной системе в качестве регулируемого параметра рассматривается температура в определенной точке, доступной для контроля. В рассматриваемой ситуации в качестве контролируемой координаты процесса рассматривается координата на выходе нагревателя. Для методического индукционного нагревателя в качестве точки контроля рассматривается точка с координатами г* = Я, х* = X к. Структурная схема замкнутой системы автоматического регулирования с сосредоточенным входом и распределенным выходом представлена на рис.9.

а.

-8(р - г

су

-Щ-х

.тир)

Рис. 9 Структурная схема САУ с сосредоточенным входом и распределенным выходом

В установившемся режиме нагрева время нахождения заготовок на каждой позиции оказывается достаточным для того, чтобы в течение этого времени отработать возмущения случайного характера. Так как загрузка в этом случае неподвижна относительно индуктора и датчика температуры, передаточная функция, связывающая температуру поверхности заготовки с управляющим воздействием, может быть представлена в виде:

щя,р) =

1

- н—

су К р суЛ (р+ сщ*) I

Р

2 2 ап п

Р +

(13)

Исследование динамических свойств физически реализуемой замкнутой системы регулирования можно выполнить известными методами теории автоматического регулирования, ограничившись конечным числом членов рядя в выражении для передаточной функции объекта.

Функциональная схема системы автоматического управления нестационарными и установившимися режимами работы двухсекционной нагревательной установки представлена на рис. 10.

«* / - - - - - - -

Рис.10 Функциональная схема системы управления

Система обеспечивает два режима управления нагревателем:

1. Стабилизация температуры заготовки на выходе из нагревателя и темпа выдачи в установившемся режиме нагрева;

2. Управление в нестационарных режимах нагрева по заданному алгоритму с автоматическим переходом на установившийся режим.

Система имеет два источника питания с локальными регуляторами, управляющими независимо друг от друга секциями нагревателя. Сигнал для формирования обратной связи поступает от двух датчиков температуры, измеряющих температуру поверхности и центра заготовки на выходе из нагревателя. Сигнал по температуре поверхности заготовки, находящейся на выходе из нагревателя, поступает на вход блока нелинейности по температуре поверхности и на один из входов блока вычисления средней температуры. На второй вход блока вычисления средней температуры поступает сигнал от второго датчика, измеряющего температуру центра. Блок нелинейности по температуре служит для ограничения температуры поверхности заготовки. Вычислительный блок формирует сигнал, пропорциональный средней температуре заготовки. При управлении переходным процессом блок управления формирует задающее воздействие на регуляторы Р-1 и Р-2 и команду на привод перемещения загрузки в соответствии с алгоритмом управления. Рассмотренная система управления нестационарными и установившимися режимами может быть реализована на микропроцессорной элементной базе.

Заключение

1. Предложены методика и алгоритм численного расчета электротепловых параметров двухсекционного индукционного нагревателя методического действия с ферромагнитной загрузкой в нестационарных режимах на основе уточненной математической модели исследуемого процесса;

2. Установлены на основе численной модели нестационарного процесса методического индукционного нагрева ферромагнитных заготовок зависимости интегральных электрических характеристик системы «двухсекционный методический нагреватель-загрузка» от температурного распределения по длине загрузки в нестационарных режимах работы;

3. Разработаны методика расчета алгоритмов управления нестационарными режимами двухсекционного индукционного нагревателя методического действия с ферромагнитной загрузкой. Получены зависимости напряжения, мощности, коэффициента мощности, коэффициента полезного действия от температуры загрузки по длине нагревателя в переходном режиме работы;

4. Установлены зависимости параметров алгоритма управления двухсекционным индукционным нагревателем в нестационарных режимах от изменяющихся в процессе выхода на установившийся режим нагрева электрических параметров комплекса «источник питания - индуктор»;

5. Выполнен анализ энергетических характеристик в нестационарных режимах двухсекционного индукционного нагревателя методического действия. Показано, что в процессе пуска из «холодного» состояния коэффициент мощности индуктора изменяется в широких пределах, что ухудшает энергетические характеристики нагревателя;

6. Показано, что при пуске нагревателя с предварительным переводом секций из «холодного» состояния в режим термостатирования с целью исключения перегрузки источника питания по току необходимо вводить регулируемую часть компенсирующей емкости, что приводит к увеличению капитальных затрат;

7. Выполнен анализ эффективности алгоритмов управления при выходе нагревателя на установившийся режим нагрева. Показано, что наименьший диапазон изменения напряжения, мощности, и коэффициента мощности в процессе выхода на установившийся режим имеет место при использовании «балластных» немагнитных заготовок;

8. При частых пусках из «холодного» состояния, например при мелкосерийном производстве, частой смене номенклатуры обрабатываемых изделий, смене производительности более эффективным является вариант с использованием «балластных» заготовок, с помощью которых можно исключить необходимость настройки колебательного контура нагрузки.

9. При обработке крупных партий заготовок одной номенклатуры более частыми являются кратковременные остановки оборудования без отключения нагревателя. В этом случае экономически целесообразным является пуск нагревателя из режима термостатирования второй секции.

10. Предложена линеаризованная математическая модель процесса индукционного нагрева заготовок в нагревателе методического действия, учитывающая взаимное влияние температурных полей смежных заготовок.

11. Получена передаточная функция процесса индукционного нагрева как объекта с распределенными параметрами, на основании которой составлена структурная схема объекта.

12. Разработана функциональная схема замкнутой системы автоматического управления, реализующая энергоэффективные алгоритмы управления с нестационарных и установившихся режимах нагрева

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В рекомендованных ВАК научных журналах и изданиях.

1. Мостовой А.П. Структурное моделирование процесса методического индукционного нагрева [Текст] / Данилушкин А.И., Кожемякин А.В, Мостовой А.П. // Вестник СамГТУ. Сер. Технические науки. Самара, 2011. - №1 (29).-С. 158-165.

2. Мостовой А.П. Исследование режима нагрева ферромагнитных заготовок в двухчастотном индукционном нагревателе дискретно-непрерывного действия [Текст] / Данилушкин А.И., Кожемякин A.B., Мостовой А.П. // Вестник СГТУ Сер. Энергетика и электротехника. Саратов, 2013. — № 3 (72). С. 111-116.

3. Мостовой А.П. Оптимальное пространственное управление распределением мощности по длине двухчастотного индукционного нагревателя [Текст]. Данилушкин А.И., Мостовой А.П. // Известия Высших Учебных заведений. Электромеханика. Москва, 2014. -№ 5. С. 76-78.

4. Мостовой А.П. Анализ эффективности пусковых режимов двухсекционного индукционного нагревателя методического действия [Текст] / Данилушкин А.И., Мостовой А.П. // Вестник СамГТУ. Сер. Технические науки. Самара, 2014. -№4 (44). С. 113-120.

В прочих изданиях:

5. Мостовой А.П. Автоматический регулятор температуры жидкости в проточном индукционном нагревателе [Текст] / Рубан П.И., Намнясов Д.В., Данилушкин В.А., Мостовой А.П// Информационные технологии, системный анализ , и управление. Материалы VIII Всероссийской научной конференции молодых I ученых, аспирантов и студентов. - Таганрог: ЮФУ, 2010. - С. 208-211.

6. Мостовой А.П. Синтез регулятора температуры непрерывно движущегося объекта в многосекционном нагревателе с распределенными источниками энергии [Текст] / Данилушкин В.А., Рубан П.И., Мостовой А.П. // Энергетика: состояние, проблемы, перспективы. Труды Всероссийской научно-технической конференции. - Оренбург: ОГУ, 2010. С.216-220.

7. Мостовой А.П. Исследование нестационарных режимов индукционного нагрева ферромагнитных заготовок [Текст] / Князев C.B., Данилушкин А.И., Кузовков Л.В., Мостовой А.П. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. ! Семнадцатая Междунар. научн. техн. конф. студентов и аспирантов. Тез. Докл. В

3 т. Т. 2. - М.: МЭИ, 2011.-С. 197-198.

8. Мостовой А.П. Двухчастотный индукционный нагреватель как объект оптимизации [Текст] / Данилушкин А.И., Кожемякин A.B., Мостовой А.П. // Электроэнергетика глазами молодежи. Научные труды международной научно-технической конференции: сборник статей. В 3 т. Т.1. - Самара: СамГТУ, 2011. — С. 353-357.

9. Мостовой А.П. Особенности проектирования двухчастотного индукционного нагревателя методического деГилыи [Текст] / Кожемякин A.B., Мостовой А.П., Семенов С.И // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. междунар. научн. техн. конф. студентов и аспирантов и молодых ученых. В 2 т, Т. 2. - Томск: Томский политехнический университет, 2011. - С. 171-174.

10. Мостовой А.П. Индукционный подогрев колец в процессе раскатки [Тексг] / Князев C.B., Мостовой А.П. //' Наука, технологии, инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых учёных. Часть 3. - Новосибирск: НГТУ, 2009. - С. 215-217.

11. Мостовой А.П. Синтез системы автоматической стабилизации температуры реактора с индукционным нагревом [Текст] / А.И.Данилушкин, А.Ю.Алымов, Мостовой А.П. // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии. Сборник трудов международной научно-технической конференции. Часть 3. -Тольятти: ТГУ, 2009. С.65-67.

12. Мостовой А.П. Исследование процесса индукционного нагрева как объекта управления [Текст] / Бажуткин A.C., Кошеленко A.A., Мостовой А.П. Семенов С.И. // Материалы докладов VI Международной молодежной научной кон-ферентши «Тинчуринские чтения». - Казань, 2011, том 2. С. 4-5

13. Мостовой А.П. Идентификация процесса нагрева колец в линии раскатки [Текст] / Князев C.B., Мостовой А.П. // Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов. Труды Междунар. научно-техн. конф. студ., магистр, и асп. - Тольятти: ТГУ, 2009. - С. 75-77.

14. Мостовой А.П. Исследование краевых эффектов при нагреве массивных заготовок в методическом индукционном нагревателе [Текст] / Кожемякин A.B. Данилушкин А.И., Мостовой A.IT. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. 17 Междунар. научн. техи. конф. студентов и аспирантов. Т. 2. -М.: МЭИ, 2011.-С. 353.

15. Мостовой А.П. Исследование процесса индукционного нагрева цилиндрических заготовок в двухчастотном индукционном нагревателе методического действия [Текст] / Данилушкин А.И., Кожемякин A.B., Мостовой А.П. // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии. Сборник трудов международной научно-технической конференции. Часть 1. -Тольяьтти: ТГУ, 2012. С.32-36.

16. Мостовой А.П. Исследование электромагнитных и тепловых полей двухчастотного индукционного нагревателя [Текст] / Мостовой А.П. //Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов. Труды Международной научно-технической конференции студентиов, магистрантов, аспирантов. - Тольятти: ТГУ, 2012. - С. 105-108.

17. Мостовой А.П. Двухчастотный индукционный нагреватель методического действия [Текст] / Мостовой А.П. // СБОРНИК работ победителей отборочного тура Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов вузов «ЭВРИКА». -Новочеркасск: ЮРГТУ, 2012. С. 173-175.

18. Мостовой А.П. Оптимизация стационарного распределения мощности индукционного нагревателя [Текст] / Пименов Д.Н., Мостовой А.П. // Материалы докладов УШ-й Международной молодежной научной конференции «Тинчурин-ские чтения». - Казань, 2013, том 2. С. 18.

19. Мостовой А.П. Моделирование электротепловых процессов двухчастот-ного индукционного нагревателя [Текст] / Данилушкин А.И., Ошкин Я.М., Мостовой А.П. // Материалы Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XVII Бенардосовские чтения) - Иваново: ИГЭУ, 2013, том 1. С. 9-11.

20. Мостовой А.П. Автоматизированная система термоупрочнения с использованием индукционного нагрева [Текст] / Семенов С.И, Мостовой А.П. // Материалы Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения». -Казань, 2011. С. 9-11.

Личный вклад автора. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: в работах [4, 7, 16, 19]- электромагнитная и тепловая модели, в работах [4] — алгоритмы управления нестационарными режимами индукционного нагрева, в работах [4, 8, 11, 12] - анализ динамики объекта и синтез системы управления, в работах [2, 4, 19] - автору принадлежат результаты численного моделирования электромагнитных и тепловых процессов, работы [16, 17] написаны единолично.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.04 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (протокол № 7 от 14.04.2015 г.) Заказ № 229 Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе. ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244