автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка индукционных устройств с двухслойным расположением индуктирующих проводников для нагрева плоских металлических изделий в поперечном магнитном поле

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. КОНСТРУКЦИИ, ХАРАКТЕРИСТИКИ

И МЕТОДЫ РАСЧЕТА УСТРОЙСТВ ДЛЯ НАГРЕВА В ПОПЕРЕЧНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

1.1. Способы индукционного нагрева плоских металлических изделий .—.

1.2. Анализ работ в области исследования и расчета устройств для нагрева плоских металлических изделий в ПМП

1.3. Области применения индукционного нагрева в ПМП

1.4. Анализ факторов, влияющих на процесс нагрева

1.5. Анализ методов расчета

1.5.1. Аналитические методы решения

1.5.2. Численные методы решения.

1.6. Задачи, решаемые в диссертации

Глава 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА

НАГРЕВА ПЛОСКИХ ЗАГРУЗОК В ПМП

2.1. Постановка задачи

2.2. Математическая модель электромагнитного процесса

2.3. Методика работы с пакетом программ Maxwell

2.4. Математическая модель для расчета параметров поля, распределения индуцированных токов и температуры в загрузке по методу конечных элементов

2.4.1. Математическая модель для расчета параметров поля применительно к двумерным задачам

2.4.2. Математическая модель для расчета распределения токов, индуцированных в загрузке применительно к двумерным задачам

2.4.3. Математическая модель для расчета температурного поля применительно к двумерным задачам

-32.4.4. Математическая модель для расчета трехмерных задач

2.5. Выводы по главе

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТОМАГНИТНЫХ И ТЕПЛОВЫХ

ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА

3.1. Задачи исследования

3.2. Геометрия исследуемого устройства и исходные данные длярасчета. i ■■ ■■

3.3. Исследование процесса нагрева изделия в ПМП и определение оптимальных конструктивных соотношений устройства

3.4. Определение зависимостей электрического КПД от частоты

3.5. Определение зависимостей равномерности нагрева изделия и электрического КПД устройства от шага индуктора

3.6. Определение зависимостей КПД устройства от значения воздушного зазора

3.7. Модернизация конструкции для возможности нагрева изделий разной ширины и анализ ее влияния на эффективность нагрева

3.8. Расчет температурного поля в нагреваемом изделии

3.9. Рекомендации по использованию результатов исследований

3.10. Выводы по главе

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

НАГРЕВА ПЛОСКИХ ИЗДЕЛИЙ

4.1. Цель исследования и описание лабораторного стенда

4.2. Согласование источника питания с нагрузкой и подготовка к проведению исследований

4.3. Методика проведения экспериментов

4.4. Исследование индукционного процесса нагрева изделий

4.4.1. Определение температурного поля в нагреваемом изделии

4.4.2. Определение энергетических показателей нагрева

4.4.3. Оценка тепловых потерь с поверхности изделия

4.5. Проверка адекватности разработанных математических моделей

4.6. Исследование комбинированного индукционно-инфракрасного процесса нагрева изделий

4.7. Исследование процесса нагрева изделий разной ширины

4.8. ПрограммаQuerfeld

4.9. Рекомендации по использованию результатов эксперимента

4.10. Выводы по главе

Индукционные установки находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства благодаря своим высоким энергетическим и технологическим показателям. Такие преимущества индукционного нагрева, как высокая скорость, отсутствие контакта между нагревателем и металлом, высокий тепловой и электрический КПД, простота управления процессом, возможность полной ав

I ' томатизации нагревательных установок и включение их в поточную линию, гарантируют индукционному методу нагрева широкое использование в промышленности. При индукционном нагреве достигаются высокие значения удельной поверхностной мощности, что сокращает время нагрева и повышает производительность. Замена устаревших методов нагрева, в частности топливных методов, более прогрессивным индукционным, позволила в два - три раза увеличить объем продукции и снизить затраты труда на нагрев, а также улучшить качество обрабатываемого изделия [1].

Также велико значение индукционных установок, как потребителей электроэнергии. Ежегодное потребление электрической энергии только индукционными нагревательными установками составляет 2,5 - 3 млд. кВтч [14]. При этом единичная мощность установок индукционного нагрева составляет от сотен ватт до сотен киловатт. Поэтому задачи по разработке индукционных установок с улучшенными энергетическими характеристиками и низким удельным расходом электроэнергии являются весьма актуальными.

В данной работе рассматриваются индукционные установки, предназначенные для нагрева плоских металлических изделий в поперечном электромагнитном поле (ПМП). Способ нагрева тонких металлических изделий в поперечном магнитном поле был впервые предложен советским ученым В. П. Вологдиным и А. Е. Слухоцким [3] и американским исследователем Р. Бэкером [4]. Данный способ нагрева плоских металлических изделий, при котором основной магнитный поток направлен перпендикулярно поверхности нагреваемого изделия, позволяет снизить частоту тока индуктора, а, следовательно, упростить и удешевить электрооборудование. Однако, его недостатком является неравномерность распределения плотности тока в нагреваемом изделии, что вызывает неравномерность распределения температуры и влияет на качество получаемого продукта.

Данному виду нагрева уделяется большое внимание как у нас в стране, так и за рубежом. Примерами технологических процессов, проводимых в индукционных установках для нагрева в ПМП, могут служить термическая закалка, отжиг, отпуск, нормализация, нагрев металлов под пластическую деформацию (ковку, штамповку), сушка материалов и лакокрасочных покрытий, а также быстрый разогрев изделий, подвергающихся сварке в холодное время года. В данных установках, в зависимости от технологического процесса, требования к характеру температурного режима могут изменяться в широких пределах. Но, несмотря на разнообразие технологических процессов, а также конструктивных исполнений установок данного типа, основным критерием при проведении процесса является равномерность нагрева, который главным образом отражается на качестве получаемого в результате продукта. Это обстоятельство требует расчета установок с целью определения их оптимальных конструктивных соотношений и частоты тока, что гарантирует обеспечение заданной равномерности нагрева, а также высоких энергетических показателей.

Наряду со многими технологическими задачами также большое значение имеет исследование самого процесса нагрева металла. Особый интерес представляют работы по исследованию индукционного нагрева металла в области низких температур, так как в этой области металл еще сохраняет свои ферромагнитные свойства. Это обстоятельство делает расчет процессов, протекающих в системе индуктор-загрузка, сложными и трудоемкими. Аналитические методы, применявшиеся ранее при расчетах и проектировании устройств, не полностью отражают реальной картины протекания процесса и весьма ограничены в своем применении. Современные методы расчета, основанные на применении мощной вычислительной техники и численных методах, существенно расширяют возможности разработчиков и позволяют получить наиболее достоверные результаты.

Исходя из вышесказанного, разработка методик электромагнитного и теплового расчета позволяет определять оптимальные конструктивные соотношения и электрические характеристики, т. е. дает возможность создавать устройства, отличающиеся улучшенными энергетическими и эксплуатационными характеристиками, а также повышенной производительностью.

Основной целью диссертационной работы является разработка инженерной методики расчета и рекомендаций по созданию индукционных устройств для нагрева плоских металлических изделий в ПМП с улучшенными эксплуатационными и энергетическими характеристиками.

В соответствии с поставленной целью решены задачи теоретического и экспериментального исследований, разработки инженерных методик расчета и конкретных рекомендаций при проектировании устройств данного типа. Для решения поставленных в работе задач использовались метод конечных элементов и метод Галеркина. При моделировании на ЭВМ применен универсальный пакет программ Maxwell фирмы Ansoft Corp. и программа Prometheus, разработанная в Техническом университете г. Ильменау. Пакет программ Maxwell предназначен для расчета электромагнитных полей и позволяет рассчитывать системы дифференциальных уравнений в частных производных методом конечных элементов, который в настоящее время широко применяется на практике. Созданные на основе этого метода комплексы компьютерных программ широко используются при решении многих практических задач не только в электротермии, но и в раке-то- и самолетостроении, при конструировании мостов, плотин, дамб и каркасов зданий, при исследовании динамики плазмы и потоков в ядерных реакторах и т. д.

Экспериментальные исследования проводились на физической модели устройства, созданного по результатам предварительных численных расчетов. Эксперименты проведены для изделий из алюминия и ферромагнитной стали толщиной 0,2 мм различной ширины (0,05 - 0,25 м). Основной целью проведения экспериментов является проверка адекватности математической модели, а также разработка практических рекомендаций при проведении процесса нагрева в ПМП.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

- проанализированы существующие способы нагрева плоских металлических изделий, конструктивные исполнения и методы расчета устройств данного типа, а также предложена схема устройства с двухслойным поперечно-продольным расположением индуктирующих проводников;

- проведен анализ влияния конструктивных соотношений предложенного устройства на равномерность нагрева и электрический КПД; С помощью пакета программ Maxwell определена его оптимальная геометрия, обеспечивающая заданные скорость и равномерность нагрева, а также приемлемый КПД. Для возможности осуществления процесса нагрева изделий различной ширины предложена конструкция магнитопровода в виде съемных сердечников, расположенных между индуктирующими проводниками;

- создана физическая модель устройства, на которой проведены экспериментальные исследования процесса нагрева изделий из алюминия и ферромагнитной стали с целью определения температурного поля в изделии и энергетических показателей устройства, что позволило оценить адекватность разработанных моделей;

- разработаны рекомендации по созданию промышленных устройств для нагрева плоских металлических изделий в ПМП, выбору типа нагрева и приведены параметры индукционного и инфракрасного устройств, а также математические модели для расчета параметров электромагнитного поля и распределения температуры, реализованные в виде программы Querfeld для ПК на языке Borland Delphi.

Основные положения диссертации рассмотрены в следующих разделах:

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен анализ существующих способов индукционного нагрева плоских металлических изделий, проведен обзор работ в данной области, рассмотрены основные конструкционные исполнения и энергетические показатели устройств данного типа, а также методы их расчета. В главе также приводятся области применения и проанализированы факторы, влияющие на процесс нагрева. По итогам обзора сформулированы задачи диссертационной работы.

Во второй главе разработаны математические модели для расчета основных параметров электромагнитного поля и температуры при нагреве в ПМП, а также приводится инженерная методика расчета устройств данного типа.

В третьей главе приводятся исследования электромагнитных параметров процесса, где установлены зависимости электрического КПД от частоты, исследованы и проанализированы зависимости равномерности нагрева изделия и электрического КПД устройства от шага индуктора, а также КПД от величины воздушного зазора. Предложено конструктивное исполнение устройства для нагрева изделий разной ширины и определена его оптимальная геометрия, обеспечивающая заданную равномерность и скорость нагрева. Основываясь на полученных результатах, разработаны рекомендации по созданию устройств данного типа.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований, проведенных на физической модели устройства, предназначенного для нагрева плоских металлических изделий шириной 0,05 - 0,25 м в ПМП. Физическая модель устройства создана на основе предварительных расчетов, приведенных в предыдущей главе. Эксперименты проведены при сотрудничестве с кафедрой Электротермии Технического университета г. Ильменау. В главе приведены результаты экспериментальных исследований индукционного и комбинированного индукционно-инфракрасного нагрева изделий из алюминия и ферромагнитной стали. Определены энергетические показатели устройства и равномерность нагрева изделия, а также произведена проверка адекватности математической модели и даны рекомендации по проведению процесса нагрева.

В Заключении обобщены основные результаты работы.

В Приложении приведены результаты экспериментов и численных расчетов температурного поля, а также текст программы на языке Borland Delphi,

Результаты работы применимы к классу индукционных устройств, предназначенных для нагрева тонких магнитных и немагнитных проводящих изделий в поперечном электромагнитном поле при проведении различных технологических процессов.

- 144 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований индукционного устройства для нагрева плоских металлических изделий в поперечном магнитном поле. Предложена схема устройства с двухслойным поперечно-продольным расположением индуктирующих проводников. Разработана инженерная методика расчета устройств данного типа, реализованная в виде компьютерной программы. Для возможности нагрева изделий разной ширины применена конструкция магнитопровода, состоящая из отдельных ферромагнитных сердечников, расположенных между индуктирующими проводниками. Экспериментальные исследования проведены на модели устройства, обеспечивающей нагрев магнитных и немагнитных изделий шириной 0,05 - 0,25 м до заданной температуры с требуемой скоростью и равномерностью нагрева. Определены энергетические показатели устройства и проведена проверка адекватности математической модели.

1. Слухоцкий А. Е. Установки индукционного нагрева. - Л.: Энергия, 1981. -212 с.

2. Родигин Н. М. Индукционный нагрев движущейся металлической ленты. Промышленное применение токов высокой частоты. Рига: НТО Машпрома, 1957.-С. 56-63.

3. Вологдин В. П., Слухоцкии А. Е. Устройство для подогрева металлических листов. Авт. свид. СССР 60670 по заявке 28759 от 31.12.1939 (опубликовано в 1942 г.). 37 с.

4. R. Baker. Inductive Heating of Longitudinally Moving Metal Strip. Pat. USA, 31 Ш1948, 8p. -29 c.

5. R. Baker. Transverse Flux Induction Heating. Trans. Amer. Inst. Electr. Engrs., 1950, v. 69, N10, p. 922- 925. 121 c.

6. Пейсахович В. А. Энергетические соотношения при нагреве металлической ленты в поперечном магнитном поле. М.: ВНИИТВЧ, 1966. Вып. 7. -С. 41-57.

7. Proceedings of the International Induction heating seminar. Padua. May 13-14-15, 1998,-C. 282 -299.

8. A. Ruhnke. Systematische Untersuchung der induktiven Ouerfeld-Banderwarmung. Dissertation. Universitdt Hanover. Dusseldorf: VDl-Verlag, 1999.- 209 c.

9. H. Conrad\ A. Miihlbauer, R. Thomas. Elektrotermische Verfahrenstechnik. Essen: Vulkan-Verlag, 1994. 338 c.

10. Z. Wang, M. Krahlisch. Optimierungsuntersuchungen an einer induktiven Quetfeldanlage mit Methoden des Experimental Design unter Nutzung von 3D-FEM-Berechnungen. 40. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium. llmenau, 1995. C. 238 - 243.

11. Пейсахович В. А. Оборудование для высокочастотной сварки металлов.- Л.: Энергоатомиздат, 1988. 154 с.

12. Электротермическое оборудование: Справочник / Под. общей редакцией А. П. Альтгаузена. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. М.: Энергия, 1980.-416 с. I

13. Лунин В. П. Метод конечных элементов в задачах прикладной электротехники. М.: Моск. энерг. ин-т, 1996. -15 с.

14. Амосов А. А. Вычислительные методы для инженеров. М.: Энергия, 1994. -284 с.

15. Абаффи Й., Спедикато Э. Математические методы для решения линейных и нелинейных уравнений. М.: Энергия, 1996. - 287 с.

16. Сычев В. В. Теплофизические свойства веществ и материалов: Справочник.- Л.: Энергоатомиздат, 1988. Выпуск 25. 269 с.

17. Демирчян К. С., Чечурин В. Л. Машинные расчеты электромагнитных полей.- М.: Высш. шк., 1986. 234 с.

18. Свенчанский А. Д. Электрические промышленные печи. М.: Энергия, 1975. -382 с.

19. Свенчанский А. Д., Трейзон 3. Л., Мнухин Л. А. Электроснабжение и автоматизация электротермических установок: Учебник для техникумов.- М.: Энергия, 1980. 319 с.

20. Кузнецов Д. В. Исследование индукционного устройства для нагрева плоских металлических изделий в поперечном магнитном поле // Вестник МЭИ. 2001. № 3. С. 74-79. !

21. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. Изд. 13-е, исправленное. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 544 с.

22. Зевеке Г. В. и др. Основы теории цепей: Учебник для электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов. 5-е изд., переработанное. - М.: Высшая школа, 1989, - 327 с.

23. Макаров В. С. Учебное пособие по курсу «Электрические промышленные печи»: Теплопередача в электротермических установках. М.: Моск. энерг. ин-т, 1985.-91 с.

24. Долбилин Е. В., Макаров В. С., Лебедев А. К. Учебное пособие по курсу «Вычислительная математика и программирование»: Расчет на ЭВМ тепловых процессов в электротермических установках. М.: Моск. энерг. ин-т, 1989.-72 с.

25. Несенчук А. П., Шкляр А. А., Каган В. А., Ривкин А. М. Тепловые расчеты нагрева металла на ЭВМ / Под общей редакцией А. П. Несенчука. Минск: Вышэйшая школа, 1977. - 304 с.

26. Большакова Н. В., Борисанова К. С., Бурцев В. И. и др. Материалы для электротермических установок: Справ, пособие / Под ред. М. Б. Гутмана. -М.: Энергоатомиздат, 1987. 295 с.

27. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под. ред. В. А. Григорьева. -М.: Энергоатомиздат, 1983. -198 с.-15033. Васильев А. С., Царевский В. В. Высокоинтенсивный индукционный нагрев // Электричество. 2001. № 12. С. 37 - 43.

28. Батыгин Ю. В., Лавинский В. И. Электромагнитные процессы в индукторной системе для штамповки печатных плат // Электричество. 2001. № 12. -С. 44-48.

29. Кувалдин А. Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 78 с.

30. Кувалдин А. Б., Сальникова И. П. Электромагнитная волна в ферромагнит- ! ной плите // Электричество. 1980. № 5. С. 71 - 72.

31. Кувалдин А. Б., Резвина Н. В., Сальникова И. П. Расчет на ЭВМ параметров плоской электромагнитной волны // Сб.: Теория информационных систем и систем управления с распределенными параметрами. М.: Наука, 1978. -С. 59-64.

32. Немков В. С., Демидович В. Б. Экономичные алгоритмы численного расчета устройств индукционного нагрева // Изв. вузов. Электромеханика. 1984. №11.-С. 13-18.

33. Немков В. С., Семахина М. М. Расчет электромагнитных полей в индукционных системах методом конечных элементов // В кн.: Исследование электротермических процессов и установок. Чебоксары: Чуваш, гос. ун-т, 1987. -С. 93-98.

34. Nemkov V. S., Schulze D. Effektive nummerische Berechnung des elektromagnetischen Felds von Induktionserwarmungseinrichtimgen mit Hilfe der Impedanzgrenzenmethode //Elektrowarme Int. 1988. № 1. C. 24 - 28.