автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование электротехнического комплекса для симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы

На правах рукописи

Титоп Сергей Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ СИММЕТРИЧНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ ШАРООБРАЗНОЙ ФОРМЫ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООо®

г Г< I I ... I г.^ I Г

Липецк - 2014

005549069

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Мещеряков Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

Фёдоров Олег Васильевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева», профессор кафедры управления инновационной деятельностью

Соболев Александр Иванович, кандидат технических наук, ОАО «Чер-метавтоматика», генеральный директор

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет»

Защита состоится 20 июня 2014 года в 15:30 на заседании диссертационного совета Д 212.108.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет» по адресу: 398600, г. Липецк, Московская, 30, административный корпус, ауд. 601

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.stu.lipetsk.ru при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

Автореферат разослан « » апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В. И. Бойчевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования определяется необходимостью повышения качества термообработки металлоизделий шарообразной формы, к которым в первую очередь относятся мелющие шары, а также тела качения шариковых подшипников. В связи с этим необходимо разработать электротехнический комплекс с улучшенными функциональными возможностями для термообработки металлоизделий шарообразной формы с симметричным поверхностным индукционным нагревом на заданную глубину и температуру. Развитие силовой электроники и микропроцессорной техники даёт новые возможности для построения сложных алгоритмов, направленных на решение поставленных задач. Современные схемные решения, позволяющие формировать токи высокой частоты, как правило, строятся на базе полностью управляемых IGBT транзисторов с высокой коммутационной способностью, что обеспечивает возможность беспрепятственного получения частот тока в диапазоне нескольких килогерц. На этой элементной базе возможно создание электротехнического комплекса для индукционного нагрева, обеспечивающего достижение оптимального сочетания высокой поверхностной твёрдости шара в совокупности с вязко-пластичной сердцевиной, предопределяющей противоударную стойкость.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20102013 гг.; при финансовой поддержке Фонда содействия оазвитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Степень разработанности темы исследования. Многие исследователи неоднократно обращались и продолжают обращаться к проблеме симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы и, как следствие, вопросу разработки системы управления для такого нагрева. Огромный вклад в области построения систем управления для индукционного нагрева изделий различной формы внесли отечественные и зарубежные ученые - В.П. Вологдин, Г.И. Бабат, А.Е. Слухоцкий, B.C. Немков, В.Б. Демидович, С.Е. Рыскин, А.Б. Кувалдин, А.Н. Шамов, JI.C. Зимин, В.А. Бу-канин, Е. J. Davies, R. Poiroux, S. Lupi, R. M. Baker, E. Kolbe, M. J. Sablic, и др. Известен ряд работ, посвященных вопросу индукционного нагрева металлоизделий различной формы, в том числе шарообразной. Сохраняет актуальность проблема разработки электротехнического комплекса для сим-

метричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы.

Цель работы - разработка и исследование электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар», позволяющего осуществлять симметричный индукционный нагрев металлоизделий шарообразной формы с заданными технологическими параметрами.

Идея работы состоит в создании системы регулирования автономным резонансным инвертором, позволяющей поддерживать заданные технологические параметры при движении шара через индуктор при его симметричном нагреве под термообработку.

Научная новизна:

- разработана система управления автономным резонансным инвертором, отличающаяся от известных возможностью регулирования мощности и активной глубины нагрева при движении тттяря чс^сз инд^'кто*"**

- определены параметры электрической схемы замещения системы «индуктор-шар», отличающиеся от известных учетом фактора изменения индуктивности контура вследствие движения металлического шара через индуктор;

- разработана новая спиральная конфигурация транспортирующего профиля индуктора, отличающаяся от известных обеспечением возможности вращения металлических шаров в высокочастотном электромагнитном поле с целью их равномерного по объёму либо поверхности нагрева.

Теоретическая и практическая значимость:

- разработанная спиральная конфигурация транспортирующего профиля индуктора позволяет обеспечить возможность вращения металлоизделий шарообразной формы в электромагнитном поле;

- разработанная система управления автономным резонансным инвертором позволяет осуществлять симметричный индукционный нагрев металлических шаров от 20"С до закалочных 800°С с заданными технологическими параметрами.

Методология и методы исследования. Объектом исследования являлся электротехнический комплекс «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар». При решении поставленных в диссертационной работе задач использовалась теория автоматического управления, теория индукционного нагрева, теория теплопроводности, а также методы математического моделирования. Численное решение уравнений математиче-

ских моделей выполнялось на ЭВМ с помощью пакетов математических программ Simulink и Wolfram Mathematica.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов теоретических исследований, математического моделирования и экспериментальных данных с положениями теории индукционного нагрева и автоматического управления.

Реализация работы. Полученные в ходе исследований результаты внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (Электропривод) Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ).

На защиту выносится:

- построенная математическая модель электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар»;

- разработанная система управления автономным резонансным инвертором, позволяющая регулировать технологические параметры установки: мощность и активную глубину нагрева шара;

- результаты исследования динамических характеристик электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор -движущийся шар», проявляющихся при прохождении шара через индуктор;

- результаты исследования энергетических характеристик электротехнического комплекса оборудования «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 54-й научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в современном информационном обществе» (г. Долгопрудный 2011); на XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи НТТМ-2011 (г. Москва 2011); на III Международной Научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному на знаниях» (г. Москва 2011); на Всероссийском Конкурсе научных и инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых по основным направлениям инновационного развития крупнейших отечественных компаний в области машиностроения, телекоммуникаций и связи (г. Долгопрудный 2012); на финальном мероприятии по отбору работ по про-

грамме У.М.Н.И.К. фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Липецк 2012); на Полуфинале Всероссийского конкурса инноваций им. В. Зворыкина (г. Солнечногорск 2010); на смене «Инновации и техническое творчество» Всероссийского форума Селигер-2010 (оз. Селигер 2010); в ОАО «НЛМК» (г. Липецк 2011); на I Международной межотраслевой научно - практической конференции молодых ученых и специалистов (г. Харьков 2012); на Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям (г. Новочеркасск 2011); на Международной научно-технической конференции «Состояния и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения к 130-летию изобретения электродуговой сварки H.H. Бенардосом) (г. Иваново

2011); на ТХ Международной научно-практической интернет-конференции «Энерго- и ресурсосбережение - XXI ВЕК» (г. Орел 2011); па III Международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза

2012); на IV международной научно-практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (г. Липецк 2010); на IX Всероссийской школе-конференции молодых учёных «Управление большими системами» (г. Липецк 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получено 4 патента РФ на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 118 наименований, и 6 приложений. Общий объем работы - 160 страниц. Основная часть изложена на 149 страницах текста, содержит 55 рисунков, 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены решаемые в диссертационной работе научно -технические проблемы и цели, обоснована актуальность, показаны новизна и практическая значимость работы, выделены основные защищаемые положения.

В первой главе рассмотрены типовые системы регулирования выходных параметров установок индукционного нагрева металлических шаров. Предпоч-

тигельной для индукционного нагрева шаров признана система, представленная на рисунке 1. Произведён обзор современных систем индукционного нагрева металлических шаров под термообработку, которые обладают целым рядом недостатков.

Обоснована целесообразность постановки вопроса о разработке электротехнического комплекса для симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы, позволяю-

Рисунок 1 - Схема регулирования напряжения и щего обеспечить частоты: В -выпрямитель; И- инвертор; ДН- датчик симметрию нагрева напряжения; ДТ - датчик тока; г„ - индуктор на заданную глубину

и температуру практически без окисления и обезуглероживания поверхности нагреваемого изделия (ввиду скоротечности и так называемой «застойной» атмосферы внутри индуктора). При этом после закалки было бы возможно достижение искомого сочетания высокой поверхностной твёрдости изделий с их вязко-пластичной сердцевиной. Проведённый анализ современных схемных решений, направленных на формирование токов высокой частоты, позволил считать приоритетными автономные резонансные инвертеры (АИР) на основе ЮВТ-транзисторов с обратными диодами для создания на их базе системы управления электротехническим комплексом для симметричного индукционного нагрева ТВЧ под термообработку металлических шаров. Схема АИР на основе ЮВТ-транзисторов с обратными диодами представлена на рисунке 2.

Выполненный в рамках первой главы анализ позволил сформировать следующие задачи исследования:

- разработка математической модели электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар»;

- разработка системы управления автономным резонансным инвертором, позволяющей регулировать технологические параметры установки;

- исследование динамических характеристик электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар», проявляющихся при прохождении шара через индуктор;

Л-]_

Рисунок 2 - Схема АИР на основе ЮВТ-транзисторов с обратными диодами

- исследование энергетических характеристик электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар».

Во второй главе разработана математическая модель комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-шар». Для построения системы оегУНИВОкаНИ? итшрлтпппм

поддерживающей заданные технологаческие параметоы нагрева шаров, необходимо знать характер электромагнитных переходных процессов, протекающих при прохождении шара через индуктор. Одним из главных параметров, определяющих характер электромагнитных переходных процессов, является положение шара в индукторе в каждый момент времени. В свою очередь, на положение шара в индукторе влияют различные внешние силы как электромагнитной, так и механической природы. Следовательно, необходима разработка комплексной модели, которая могла бы учитывать все возможные факторы, влияющие на движение шара. Задачей математической модели является определение параметров схемы замещения индуктора, согласно рисунку 3, в зависимости от положения шара в нём. Для упрощения расчетов тела различной сложной формы, в том числе шарообразной, можно представлять в индукторе в эквивалентной цилиндрической форме.

Рассматриваемый объект - шар, представлен в виде эквивалентного цилиндра. Для этого он разбит на п элементарных цилиндров с разными диаметрами и одинаковой высотой а согласно представленному рисунку 46. Следовательно, при заходе шара в индуктор число

V,

Рисунок 3 - Схема замещения индуктора

элементарных цилиндров, находящихся в индукторе, будет возрастать до определенного значения, соответствующего полному заходу шара. При выходе шара из индуктора картина будет обратной - число элементарных цилиндров, находящихся в индукторе, будет снижаться до нуля.

Предлагаемая установка индукционного нагрева (УИН) с вертикальной осью симметрии для побуждения к вращению шара в свободном скатывании состоит из нескольких индукторов — секций. Секционирование выполнено с целью увеличения КПД установки и наличия возможности оперирования параметрами нагрева каждой секции, причем характер переходных процессов при проходе шара через каждый индуктор будет различным. Здесь и далее рассматривается характерный к-ый индуктор, особенности работы которого, можно распространить и на оставшиеся индукторы (секции), образующие УИН для симметричного нагрева металлических шаров. Изменения характера переходных процессов связано с тем, что скорость центра массы шара в ходе движения по транспортирующему профилю будет меняться. Также будет изменяться температура шара (постепенный нагрев) и, следовательно, его магнитная проницаемость ¡л и удельное сопротивление р. Для расчета скорости прохождения шара через каждый индуктор были рассмотрены силы, действующие на шар во время его скатывания по спиральному транспортирующему желобу. Транспортирующий профиль состоит из двух ступеней: верхняя ступень - пространственно-спиральная с вертикальной осью симметрии, нижняя - плоскоспиральная.

а)

б)

в)

Рисунок 4 - Представление шара в виде эквивалентного цилиндра: а) изображение шара и секции индуктора; б) разбиение шара на элементарные цилиндры; в) представление шара в виде эквивалентного цилиндра

Параметры схемы замещения для эквивалентного цилиндра в индукторе определяются следующим образом:

. УУ2тгрс1ч

Днпа (

Г =с1 ' =

2

2п5

(Х52+г;)2+(г:) х„

2 Л

(1)

где значения гш,Ь2, не приведенные к току индуктора конечной длины;

- число витков индуктора; р- удельное сопротивление материала шара; Д„ — активная глубина нагрева; с - коэффициент приведения; Хз2 - реактивное сопротивление рассеяния, рассчитанное для картины равномерного поля; Х0 — реактивное сопротивление, которое определяет составляющую намагничивающей силы, необходимую для преодоления магнитным потоком пространства вне индуктора.

Сопротивление рассеяния Х52 равно:

2па

(2)

где ц0=4л;-10"7Гн/м - магнитная проницаемость вакуума; диаметр индуктора.

Сопротивление Х0 равно:

2К ьи-к1Па

(3)

где К, « 0.75— поправочный коэффициент. Коэффициент приведения равен:

с = -

1

+ 1 1 + Х*2+Гщ

Х„

(4)

Также на схеме замещения приведены элементы: г, - активное сопротивление проводников индуктора и Ь15 - индуктивность проводников индуктора.

Начальная скорость движения шара Унач (на входе в верхнюю ступень), Ушч задаётся произвольно за счет наличия перед верхней ступенью задающего

желоба (механический разгон шара в свободном скатывании). Скорость шара в к-ом индукторе, принадлежащего верхней ступени определяется как (5):

V Р к Б

(5)

т ш т т

где Рп - сила втягивания шара в индуктор, стремящаяся уменьшить воздушный зазор; Бв - сила, тормозящая шар, обусловленная взаимодействием тока индуктора и вихревых токов в шаре; Рф — сила трения качения шара о транспортирующий профиль; Рт- составляющая силы тяжести, обусловленная наклоном верхней ступени профиля к линии горизонта; Ук- скорость шара в момент его появления на входе к-го индуктора верхней ступепи; 1„,1Т, 1а,1ф- время действия сил Рп, Рт, Рв, Б соответственно на периоде от момента входа в А-ый индуктор до момента входа в (£+1)-ый индуктор. Скорость шара в нижней ступени профиля определяется аналогично (5), за исключением отсутствия силы Рт ввиду плоскоспиралыгости ступени. На рисунке 5 изображена структурная схема математической модели установки для симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы (верхняя пространственно-спиральная ступень с вертикальной осью симметрии).

Рисунок 5 - Структурная схема математической модели комплекса

На рисунках 6 и 7 представлены зависимости гт=ОД и Ь2=^) при прохождении одного шара через индуктор, полученные в результате моделирования в программной среде МАТЪАВ.

х 10"'

г.», Ом

# д р 1 ;

\ \ п

1: 1" \1

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 U 1.2 1.3. 1.4 tc 0 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 13 1.4 t,с Рисунок 6 - Зависимость rm=f(t) Рисунок 7 - Зависимость L2=f(t)

Так же в главе разработан математический аппарат для описания процесса нагрева металлоизделия шарообразной формы энергией высокочастотного электромагнитного поля. Анализ выведенных зависимостей производился с использованием программного продукта Wolfram Mathematica 8.

В третьей главе разработана и исследована с помощью пакета математических программ Simulink система управления автономным резонансным инвертором, общая схема которой представлена на рисунке 8. Она позволяет регулировать технологические параметры установки индукционного нагрева (УИН) ТВЧ для симметричного нагрева металлических шаров: мощность и активную глубину нагрева шара.

z — — рМ м

11 Г !1

ц U

Индуктор

Рисунок 8 - Система управления автономным резонансным инвертором электротехнического комплекса для симметричного индукционного нагрева

Главной задачей системы управления АИР является поддержание заданных технологических параметров индукционного нагрева шаров. На рисунке 9 и 10 изображены графики мгновенного напряжения и тока на индукторе.

и в 400

200

о --200 -400

Шг 0.2824 02828 ' 0.2832 {с Рисунок 9 — Выходное напряжение Рисунок 10 — Напряжение и ток

инвертора индуктора

А на рисунке 11 изображены графики переходных процессов в системе, при проходе одного шара через индуктор. Диапазон активной глубины нагрева задан в интервале от 0.36 до 0.38 мм, поэтому диапазон ограничения частоты здесь достаточно небольшой.

Проведено обоснование оптимального варианта конфигурации спирального транспортирующего профиля с вертикальной осью симметрии в индукторе ТВЧ и геометрических очертаний поперечного сечения транспортирующего профиля. Указанный вариант представляет собой комбиспиральную конфигурацию (верхняя ступень - пространственно-спиральная с вертикальной осью симметрии, нижняя - плоскоспиральная).

В четвертой главе были описаны проведённые эксперименты, которые позволили получить картины тепловых полей и динамические характеристики процесса нагрева энергией высокочастотного электромагнитного поля металлических шаров в зависимости от разных параметров согласно рисунку 12 (использовался промышленный тепловизор БЫК Р 620). Нагрев металлических шаров энергией высокочастотного электромагнитного поля при проведении экспериментов производился на двух индукторах. Первый представлял собой промышленный индуктор на базе генератора ВЧГЗ-160/0.066 (ремонтный цех прокатного оборудования ОАО «НЛМК» г. Липецк), достигались токи в интервале 1И= 10-12 кА. Второй индуктор был собран специально для постановки экспериментов на кафедре Электропривода Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ), достигались токи 1И= 0.7-1.5 кА.

Были проведены исследования энергетических характеристик электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар». На рисунках 13 и 14 изображены графики изменения по-

требляемой мощности Р и КПД -л при проходе шаров через индуктор с температурой шаров 300 °С (индуктор № 12) и с температурой шаров 600 °С (индуктор № 25). Максимальное значение мощности Р приблизительно постоянно в обоих случаях, т.к. заданная в системе управления мощность нагрева шаров одинаковая на всех индукторах по длине профиля.

л Гн х10

I ! 1

1

У

/

/

у

/

V

... , ! 1

I 1 1 1 \

10 9

Г)

е. 7

5

1.1 1

0.9

1.2 0.8 0.4

кГц

1 ч/гиш' 1 ....... .1______________ - ------—......-...... ч ...../

<рез' ' Х-- 1 / ... ..

г ....... г...... ( \ /—:— V ...... 1 ■ Г V

| ........................■....................^..... ' \

кА

1 1 1

I . - "Т........... 1

• V.....Г 1 _

г 1

^ 1

......Г" ..... ,1 ............... ! !

( 1 " " 1 1

Рисунок 11 - Графики переходных процессов при проходе шара через индуктор

ГИютерж

«чачи—

Рисунок 13 - Графики полезной мощ- Рисунок 14 - Графики полезной ности и КПД при проходе шаров с мощности и КПД при проходе шаров Т « 300° С через индуктор сТ» 600 °С через индуктор

КПД каждого последующего индуктора по длине транспортирующего профиля несколько уменьшается, что связано с увеличением температуры нагреваемого шара. В момент времени, когда шар не находится в индукторе вся потребляемая мощность Р расходуется на потери в элементах схемы и КПД равен нулю.

Рисунок 12 - Картины тепловых полей мелющего шара С' бО мм (слева) и шарика подшипника качения В=27 мм (справа)

Р. [Вт]

Расчет по формулам и с использованием математической модели комплекса для 538 нагреваемых шаров и массе одного шара 1,86 кг (мелющий шар

кВт • ч

В=80 мм) показал следующие результаты г|1п =0,524 и <3УД =215 —— (г|1п -

т

КПД комплекса, С>уд - удельный расход электроэнергии на единицу массы при нагреве шаров от 20 °С до закалочных 800 °С). В конечном итоге можно утверждать, что с повышением качества нагрева металлоизделий шарообразной формы под термообработку был снижен незначительно КПД комплекса, но в то же время был снижен удельный расход электроэнергии на нагрев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в диссертационной работе исследований была решена актуальная задача, заключающаяся в разработке и исследовании электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар».

Основные результаты, полученные в диссертации, позволяют сформулировать следующие выводы:

1. Разработана математическая модель электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар», которая стала основой для проведения исследований в направлении осуществления симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы в диапазоне температур от 20° С до 800° С с заданными технологическими параметрами.

2. Разработана система управления автономным резонансным инвертором, позволяющая регулировать технологические параметры электротехнического комплекса для симметричного индукционного нагрева: мощность и активную глубину нагрева металлоизделий шарообразной формы.

3. Проведены исследования динамических характеристик электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар», проявляющихся при прохождении шара через индуктор. Диапазон активной глубины нагрева составлял от 0.36 до 0.38 мм.

4. Проведены исследования энергетических характеристик электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар», позволившие сравнить энергетические затраты предлагаемого электро-

кВт • ч

технического комплекса, которые составили ти = 0,524 и <3 =215—-

т

при нагреве до 800 °С, с УИН ТВЧ для сквозного нагрева стали в диапазоне средних частот.

Работы, опубликованные по теме диссертации:

1. Мещеряков, В. Н. Разработка и исследование комплекса оборудования для осесимметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы / В. Н. Мещеряков, В.И. Кузьменко, С.С. Титов // Электротехнические комплексы и системы управления. — Воронеж, ВГТУ. — 2011.-№4.-С. 18-26.

2. Мещеряков, В. Н. Разработка метода и устройства для транспортирования и равномерного осесимметричного индукционного нагрева шаров / В. Н. Мещеряков, В.И. Кузьменко, С.С. Титов // Индукционный нагрев. — СПб., изд-во ООО «Комлнз-Полиграфия». - 2011. - №3. - С. 40-43.

3. Мещеряков, В. Н. Исследование и разработка электротермического оборудования непрерывного действия для симметричного индукционного

Ногпапп п01 чА 1АО Г11/ПГ |«атттт(IV шпплп / О и ашрппелп К 1<1 ««011

С.С. Титов // Сталь. — М., изд-во ООО «Интермет Инжиниринг». — 2012. — №4. — С. 44-49.

4. Мещеряков, В. Н. Электротехнический комплекс для осесимметричного индукционного нагрева металлических шаров / В. Н. Мещеряков, С. С. Титов // Управление большими системами: материалы IX Всероссийской школы-конференции молодых ученых. Том 2/ Липецкий государственный технический университет. - Тамбов-Липецк: Изд-во Першина Р.В. - 2012. - С. 170-172.

5. Титов, С. С. Инновационные установки ТВЧ, энергоэффективность термообработки металлоизделий шарообразной формы / С. С. Титов // Сборник докладов III Международной научно-практической конференции: НТТМ - путь к обществу, основанному на знаниях. -М.: МГСУ. - 2011.-С. 512-515.

6. Титов, С.С. Создание установок ТВЧ для осесимметричного нагрева металлических шаров / С.С. Титов // Труды 54-й научной конференции МФТИ. М.: МФТИ.-2011.-С. 75.

7. Титов, С.С. Индукционный осесимметричный нагрев шаров под закалку / С.С. Титов // Сборник трудов I Межотраслевой научно-практической конференции молодых учёных и специалистов. Харьков: УкрГНТЦ «Энергосталь». -2012.-С. 115-121.

8. Мещеряков, В. Н. Комплекс оборудования для симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы / В. Н. Мещеряков, С.С. Титов // Сборник научных трудов международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» XVI Бе-нар досовские чтения. Том 1. - Иваново. — 2011. - С. 8—11.

9. Мещеряков, В. Н. Метод и устройство для транспортирования и равномерного осесимметричного индукционного нагрева шаров / В.Н. Мещеряков, С.С. Титов // Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям. - Новочеркасск: Лик.-2011.-С. 273-275.

10. Пат. 2316603 Российская Федерация, МПК С2Ш9/36, Н05В6/36. Установка непрерывного действия для индукционного нагрева изделий шарооб-

разной формы / Башилов Н.М., Титов С.С. (Россия); заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ГОУ ВПО ЛГТУ) (RU) - №2006116162/02; заявл. 10.05.2006; опубл. 10.02.2008, Бюл. №4. - 5 с.

11. Пат. 2370550 Российская Федерация, МПК C21D9/36, C21D1/42. Индуктор непрерывного действия для изделий шарообразной формы «ГИПЕРБОЛОИД-ЛИПЕЦК» / Башилов Н.М., Титов С.С. (Россия); заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ГОУ ВПО ЛГТУ) (RU) - №2008113575/02; заявл. 07.04.2008; опубл. 20.10.2009, Бюл. №29. - 4 с.

12. Пат. 2433193 Российская Федерация, МПК C21D9/36, Н05В6/36. Установка непрерывного действия для симметричного индукционного нагрева изделий шарообразной формы / Кузьменко В.И., Титов С.С. (Россия); заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ГОУ ВПО J11 ТУ) (RU) - №2010121970/02; заявл. 28.05.2010; опубл. 10.11.2011,Бюл. №31.-8с.

13. Пат. 2453612 Российская Федерация, МПК C21D1/42, Н05В6/36. Индуктор непрерывного действия для симметричного нагрева изделий шарообразной формы / Мещеряков В.Н., Кузьменко В.И., Титов С.С. (Россия); заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ГОУ ВПО ЛГТУ) (RU) - №2011106233/02; заявл. 17.02.2011; опубл. 20.06.2012, Бюл. №17. - 4 с.

Личный вклад автора в работах, написанных в соавторстве, заключается в следующем: в [1] проведен сравнительный анализ существующих методов транспортирования нагреваемых заготовок при нагреве ТВЧ; в [2] предложена спиральная конфигурация транспортирующего профиля для симметричного нагрева металлических шаров; в [3] предложен электротехнический комплекс, обеспечивающий симметричный нагрев металлических шаров; в [4] рассмотрены современные схемные решения для разрабатываемого электротехнического комплекса; в [5] произведено сравнение вариантов геометрических конфигураций спиральных индукторов; в [6] представлен расчёт времени нахождения металлического шара в его движении по спиральному индуктору; в [7] рассмотрено распределение тепловых полей в объёме нагреваемого шара; в [8] представлена математическая модель комплекса по нагреву металлических шаров; в [9] разработана система управления автономным резонансным инвертором; в [10] предложена цилиндрическая конфигурация спирального транспортирующего профиля индуктора; в [11] предложена гиперболическая конфигурация спирального транспортирующего профиля индуктора; в [12] предложен направляющий профиль кольцевого сечения; в [13] предложен вариант прямоугольного сечения двухколейного транспортирующего профиля в индукторе.

Подписано в печать 10.04.2014. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная.

Ризография. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 250. Издательство Липецкого государственного технического университета. Полиграфическое подразделение Издательства ЛГТУ. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201 459271

Титов Сергей Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ СИММЕТРИЧНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ

ШАРООБРАЗНОЙ ФОРМЫ

Специальность: 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор В. Н. Мещеряков

Липецк-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 5

1 ОБЗОР СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ ШАРООБРАЗНОЙ ФОРМЫ........ 10

1.1 Типовые системы регулирования выходных параметров индукционных установок, обзор современной отечественной практики применения индукционного нагрева металлических шаров под термообработку ..................................................................................................... 10

1.2 Анализ современных схемных решений, направленных на формирование токов высокой частоты................................................... 21

Выводы..................................................................................... 28

2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕСА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО СИММЕТРИЧНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ШАРОВ.................................................. 29

2.1 Математическое описаиие передачи энергии переменного электромагнитного поля металлоизделию шарообразной формы...... 29

2.2 Математическое описание распределения энергии электромагнитного поля в объёме металлического шара....................................... 36

2.3 Обоснование необходимости вращения металлического шара в электромагнитном поле для обеспечения симметрии его нагрева...... 40

2.4 Определение времени скатывания шара по спиральному транспортирующему профилю корытообразного сечения в индукторе.......... 44

2.5 Разработка математической модели комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-шар»............................................. 51

Выводы..................................................................................... 60

3 ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АИР В УИН ТВЧ ДЛЯ СИММЕТРИЧНОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ШАРОВ,

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ ПРОФИЛЕЙ.......................................................................................... 61

3.1 Сравнительный аиализ вариантов геометрических конфигураций спиральных транспортирующих профилей в УИН ТВЧ для симметричного нагрева металлических шаров.......................................... 61

3.2 Механико-математическое исследование движения шара в свободном скатывании по комбиспиральиому транспортирующему профилю в индукторе......................................................................... 74

3.3 Исследование характерных участков плоской развёртки комбиспи-рального транспортирующего профиля.................................... 78

3.4 Построение системы управления АИР для электротехнического комплекса индукционного нагрева металлических шаров............... 86

Выводы..................................................................................... 100

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ

ПРОВЕДЁННЫХ ИССЛЕДОВНИЙ.......................................... 101

4.1 Описание экспериментов по нагреву металлических шаров энергией высокочастотного электромагнитного поля................................. 101

4.2 Разработка комплексов оборудования, встроенных в автоматические линии непрерывного действия для симметричного индукционного нагрева металлических шаров под термообработку....................... 111

4.3 Энергетические показатели электротехнического комплекса для симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы.......................................................................... 129

Выводы..................................................................................... 136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................ 138

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................. 139

ПРИЛОЖЕНИЕ А Программа расчёта нагрева ТВЧ металлоизделия шарообразной формы в среде Wolfram Mathematica 8............................... 150

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Разработанный и собранный на кафедре Электропривод ЛГТУ лабораторный индуктор ТВЧ............................................ 154

ПРИЛОЖЕНИЕ В Статические картины тепловых полей металлоизделия

шарообразной формы во время и после нагрева ТВЧ................................. 156

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Экспертное заключение ВНИИТВЧ им. В.П. Вологдина (г. Санкт-Петербург) на инновационный проект по теме диссертационной

работы.................................................................................................... 157

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Экспертное заключение УкрГНТЦ «Энергосталь» (г.Харьков, Украина) на работу «Индукционный осесимметричный нагрев

шаров под закалку» по теме диссертации................................................. 159

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Акт о внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс........................................................................ 160

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования определяется необходимостью повышения качества 1ермообработки металлоизделий шарообразной формы, к которым в первую очередь относятся мелющие шары, а также тела качения шариковых подшипников. В связи с этим необходимо разработать электротехнический комплекс с улучшенными функциональными возможностями для термообработки металлоизделий шарообразной формы с симметричным поверхностным индукционным нагревом на заданную глубину и температуру. Развитие силовой электроники и микропроцессорной техники даёт новые возможности для построения сложных алгоритмов, направленных на решение поставленных задач. Современные схемные решения, позволяющие формировать токи высокой частоты, как правило, строятся на базе полностью управляемых IGBT транзисторов с высокой коммутационной способностью, что обеспечивает возможность беспрепятственного получения частот тока в диапазоне нескольких килогерц. На этой элементной базе возможно создание электротехнического комплекса для индукционного нагрева, обеспечивающего достижение оптимального сочетания высокой поверхностной твёрдости шара в совокупности с вязко-пластичной сердцевиной, предопределяющей противоударную стойкость.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2010-2013 гг.; при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Степень разработанности темы исследования. Многие исследователи неоднократно обращались и продолжают обращаться к проблеме симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы и, как следствие, вопросу разработки системы управления для такого нагрева. Огромный вклад в области построения систем управления для индукционного нагрева изделий различной формы внесли отечественные и зарубежные ученые - В.П. Вологдин, Г.И. Ба-бат, А.Е. Слухоцкий, B.C. Немков, В.Б. Демидович, С.Е. Рыскин, А.Б. Кувалдин,

А.Н. Шамов, Л.С. Зимин, В.А. Букапин, Е. J. Davies, R. Poiroux, S. Lupi, R. M. Baker, E. Kolbe, M. J. Sablic, и др. Известен ряд работ, посвященных вопросу индукционного нагрева металлоизделий различной формы, в том числе шарообразной. Сохраняет актуальность проблема разработки электротехнического комплекса для симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы.

Цель работы - разработка и исследование электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар», позволяющего осуществлять симметричный индукционный нагрев металлоизделий шарообразной формы с заданными технологическими параметрами.

Идея работы состоит в создании системы регулирования автономным резонансным инвертором, позволяющей поддерживать заданные технологические параметры при движении шара через индуктор при его симметричном нагреве под термообработку.

Научная новизна:

- разработана система управления автономным резонансным инвертором, отличающаяся от известных возможностью регулирования мощности и активной глубины нагрева при движении шара через индуктор;

- определены параметры электрической схемы замещения системы «индуктор-шар», отличающиеся от известных учетом фактора изменения индуктивности контура вследствие движения металлического шара через индуктор;

- разработана новая спиральная конфигурация транспортирующего профиля индуктора, отличающаяся от известных обеспечением возможности вращения металлических шаров в высокочастотном электромагнитном поле с целью их равномерного по объём}' либо поверхности нагрева.

Теоретическая и практическая значимость:

- разработанная спиральная конфигурация транспортирующего профиля индуктора позволяет обеспечить возможность вращения металлоизделий шарообразной формы в электромагнитном поле;

- разработанная система управления автономным резонансным инвертором позволяет осуществлять симметричный индукционный нагрев металлических шаров от 20°С до закалочных 800°С с заданными технологическими параметрами.

Методология и методы исследования. Объектом исследования являлся электротехнический комплекс «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар». При решении поставленных в диссертационной работе задач использовалась теория автоматического управления, теория индукционного нагрева, теория теплопроводности, а также методы математического моделирования. Численное решение уравнений математических моделей выполнялось на ЭВМ с помощью пакетов математических программ Simulink и Wolfram Mathematica.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов теоретических исследований, математического моделирования и экспериментальных данных с положениями теории индукционного нагрева и автоматического управления.

Реализация работы. Полученные в ходе исследований результаты внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (Электропривод) Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ).

На защиту выносится:

- построенная математическая модель электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар»;

- разработанная система управления автономным резонансным инвертором, позволяющая регулировать технологические параметры установки: мощность и активную глубину нагрева шара;

- результаты исследования динамических характеристик электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар», проявляющихся при прохождении шара через индуктор;

- результаты исследования энергетических характеристик электротехнического комплекса оборудования «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 54-й научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в современном информационном обществе» (г. Долгопрудный 2011); па XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи IITTM-2011 (г. Москва 2011); па III Международной Научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному па знаниях» (г. Москва 2011); на Всероссийском Конкурсе научных и инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых по основным направлениям ииновациоиного развития крупнейших отечественных компаний в области машиностроения, телекоммуникаций и связи (г. Долгопрудный 2012); на финальном мероприятии по отбору работ по программе У.М.П.И.К. фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Липецк 2012); на Полуфинале Всероссийского конкурса инноваций им. В. Зворыкина (г. Солнечногорск 2010); на смене «Инновации и техническое творчество» Всероссийского форума Селигер-2010 (оз. Селигер 2010); в ОАО «НЛМК» (г. Липецк 2011); на I Международной межотраслевой научно - практической конференции молодых учёных и специалистов (г. Харьков 2012); на Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям (г. Новочеркасск 2011); па Международной научно -технической конференции «Состояния и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения к 130-летию изобретения электродуговой сварки H.H. Бенардосом) (г. Иваново 2011); на IX Международной научно -практической интернет-конференции «Эперго- и ресурсосбережение - XXI ВЕК» (г. Орел 2011); на III Международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза 2012); на IV международной научно-практической конферен-

ции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (г. Липецк 2010); на IX Всероссийской школе-конференции молодых учёных «Управление большими системами» (г. Липецк 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получено 4 патента РФ на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 118 наименований, и 6 приложений. Общий объем работы - 160 страниц. Основная часть изложена на 149 страницах текста, содержит 55 рисунков, 5 таблиц.

1 ОБЗОР СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ ШАРООБРАЗНОЙ ФОРМЫ

1.1 Типовые системы регулирования выходных параметров индукционных установок, обзор современной отечественной практики применения индукционного нагрева металлических шаров под термообработку

С точки зрения эксплуатации индукционных установок возможны два способа регулирования электрического режима [1, 2, 3, 4, 28]:

- стабилизация напряжения на нагрузке и„, режим применяется в установках для поверхностной закалки и нагревателях методического действия, в которых необходимо обеспечить повторяемость процесса нагрева периодически сменяемых заготовок;

- стабилизация тока звена постоянного тока на номинальном уровне, равном 1а,юм, иллюстрируется рисунком 1.1. Этот режим применяется в плавильных установках, так как обеспечивает максимальное потребление мощности Р = и^шАшж и> следовательно, максимально быстрый нагрев и расплавление металла. Для поддержания постоянного тока 1а выпрямитель выполняется управляемым с возможность управления выходным напряжением.

Стабилизация напряжения на нагрузке ин или его изменение по определенному закону могут быть обеспечены двумя способами:

- изменением питающего напряжения звена постоянного тока ии;

- регулированием угла ср между выходным напряжением и, и током ^ инвертора.

Изменение напряжения можно осуществить либо регулированием угла а тиристоров выпрямителя, показано на рисунке 1.2, что приводит к ухудшению коэффициента мощности в питающей сети, либо широтпо-импульсным регулированием постоянного напряжения. Последнее утверждение имеет место в случае

1а

Рисунок 1.1 - Схема со стабилизацией тока : В - управляемый выпрямитель; И - инвертор; ДТ - датчик тока; Хп- индуктор

и

+

и

с

дн

Рисунок 1.2 - Схема с регулированием напряжения иа: В - управляемый выпрямитель; И - инвертор; ДН - датчик напряжения; - индуктор

использования выпрямителя на силовых транзисторах, что увеличивает установленную мощность установки и снижает ее КПД.

Управление электрическим режимом с помощью изменения иа используется в крайних случаях, когда необходимо глубокое регулирование или постоянство выходной частоты. Регулирование угла ср можно осуществить несколькими специальными методами:

- ступенчатое регулирование с помощью дополнительной конденсаторной батареи, представленной па рисунке 1.3, лишает основного преимущества тири-сторного преобразователя - отсутствия контактной аппаратуры, поэтому такой способ практически не применяется;

- плавное регулирование с помощью балластной индуктивности, представленной на рисунке 1.4, связано с увеличением потерь и установленной мощности и нашло применение только в установках, где обязательно постоянство выходной частоты;

- изменение частоты коммутации силовых ключей инвертора, изображённых па рисунке 1.5 наиболее просто осуществить при стабилизации электрического режима, этот способ находит большое практическое применение.

Наиболее широкие регулировочные возможности представляет схема, изображенная на рисунке 1.6. В такой схеме происходит поддержание заданного тока индуктора I, путем воздействия сразу на два параметра: частоту Г и выходное напряжение и, инвертора. Эта схема позволяет обеспечить стабилизацию заданного электрического режима при нагрузке с изменяющимися параметрами. Одним из примеров применения схемы регулирования, изображенной на рисунке 1.6, является поддержание выходной мощности инвертора на постоянном уровне. Известно [5, 6