автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка методики расчета и исследование коаксиальной индукционно-резистивной системы нагрева промышленной и повышенной частоты

Введение.

Глава 1. Особенности индукционно-резистивной системы нагрева

ИРСН) и основные проблемы ее расчета.

1.1 .Анализ происходящих в ИРСН электромагнитных процессов.

1.2.0бласть применения ИРСН.

1.3.Анализ физических свойств элементов ИРСН.

1 АВозможные методы расчета ИРСН.

1.5.Задачи диссертационной работы.

Глава 2. Математические модели электромагнитных процессов в

ИРСН.

2.1. Постановка задачи и выбор методов моделирования.

2.2. Модель №1. Расчет электрических параметров ИРСН по методу МЭИ.

2.3. Модель №2. Расчет электрических параметров ИРСН по методу МЭИ с численным расчетом квазистационарного электромагнитного поля в трубе.

2.4. Модель №3. Расчет нестационарного электромагнитного поля

ИРСН.

2.5. Программная реализация математических моделей электромагнитных процессов в ИРСН.

2.6. Проверка адекватности и оценка точности разработанных математических моделей электромагнитных процессов в ИРСН.

2.7. Выводы по главе.

Глава 3. Электротепловая модель ИРСН.

3.1. Цель разработки электротепловой модели ИРСН.

3.2. Тепловой расчет ИРСН-.

3.3. Алгоритм электротепловой модели ИРСН.

3.4. Проверка адекватности и оценка точности электротепловой модели

ИРСН.

3.5. Выводы по главе.

Глава 4. Исследование характеристик ИРСН с помощью разработанных моделей.

4.1. Цель исследования.

4.2. Основные электрические характеристики ИРСН.

4.3. Зависимость электрических параметров ИРСН от геометрических размеров ее элементов на промышленной и повышенных частотах.

4.4. Зависимость электрических параметров ИРСН от частоты тока.

4.5. Влияние магнитных свойств трубы на электрические параметры ИРСН.

4.6. Влияние температуры элементов ИРСН на ее электрические параметры.

4.7. Влияние диаметра трубы и сечения проводника на температуру проводника.

4.8. Зависимость температуры проводника от мощности ИРСН на промышленной и повышенных частотах.

4.9. Выводы по главе.

Глава 5. Инженерный расчет и системы питания ИРСН.

5.1. Задачи разработки промышленных ИРСН.

5.2. Разработанные программные средства расчета ИРСН.

5.3. Инженерный расчет ИРСН с использованием программы «IRSN-I».

5.4. Методика расчета ИРСН для обогрева трубопровода.

5.5. Система питания ИРСН на промышленной частоте.

5.6. Система питания ИРСН на повышенной частоте.

5.7. Примеры ИРСН, построенных с использованием результатов f диссертационной работы.

5.8. Выводы по главе.

В настоящее время в России быстрыми темпами расширяется область применения низкотемпературного электронагрева. В домах появляются теплые полы, обогреваемые крыши зданий и системы водостока зимой остаются свободными от снега и льда, обогреваемые площади, мосты, лестницы не подвергаются обледенению. Обогреваемые железнодорожные и трамвайные стрелочные переводы не подвержены засорению снегом и льдом в зимнее время, что значительно повышает надежность их работы. Крупная область применения низкотемпературного электронагрева - обогрев больших резервуаров с нефтепродуктами и транспортных трубопроводов с целью компенсации тепловых потерь и предотвращения переохлаждения (повышения вязкости или замерзания) хранимого или транспортируемого продукта.

Чаще всего вышеперечисленные задачи нагрева решаются с помощью специальных нагревательных кабелей. В ряде случаев (в основном при обогреве трубопроводов) применяется так называемая коаксиальная индукционно-резистивная система нагрева, которой и посвящена настоящая работа.

Коаксиальная индукционно-резистивная система нагрева (ИРСН) состоит из стальной ферромагнитной трубы и расположенного внутри нее проводника с нагревостойкой изоляцией. С одного конца системы между проводником и трубой подается переменное напряжение, а на другом конце проводник электрически соединяется с трубой. Токи проводника и трубы направлены встречно, и в трубе имеет место ярко выраженный эффект близости. В результате ток в трубе протекает по тонкому слою вблизи внутренней поверхности трубы, а падение напряжения на наружной поверхности трубы оказывается в десятки, а в ряде случаев и в сотни раз меньше напряжения питания. Это, а также такие достоинства как высокая надежность, простота конструкции, хороший тепловой контакт между нагревателем ИРСН и нагреваемым объектом (система может быть приварена к металлической поверхности обогреваемрго объекта) дают ИРСН преимущества перед нагревательными кабелями при решении определенного круга задач низкотемпературного нагрева.

Такие индукционно-резистивные системы нагрева начали применяться за рубежом с 70-х годов XX века для обогрева трубопроводов [1, 2]. В России применение отечественных ЙРСН для обогрева трубопроводов стало активно развиваться после 2000 г. Несмотря на солидный срок использования этих систем, до настоящего времени не существовало детального теоретического описания и исследований электромагнитных и тепловых процессов в ИРСН. Единственная известная методика электрического расчета ИРСН, разработанная на кафедре АЭТУС МЭИ, не удовлетворяет современным требованиям, так как адекватна только при условии, что труба выполнена из низкоуглеродистой стали марок 08, 10, 20, 35 и только для промышленной частоты тока. Методики теплового расчета ИРСН известно не было.

С расширением области применения ИРСН и увеличением мощности этих нагревательных систем возникла потребность в более точных и более универсальных методиках. расчета. Также возникла необходимость исследования и теоретического обоснования электрических и энергетических характеристик ИРСН.

В связи с этим определена основная цель диссертационной работы -разработка универсальной методики, позволяющей с высокой точностью рассчитывать электрические и тепловые характеристики ИРСН, а также исследование характеристик и разработка рекомендаций по конструктивному выполнению ИРСН.

В соответствии с этой целью поставлены и решены задачи теоретического и экспериментального изучения и математического моделирования электромагнитных и тепловых полей в ИРСН. Адекватность математических моделей подтверждена экспериментально. На основе математических моделей разработана и реализована в виде пакета программ для персонального компьютера методика расчета ИРСН. Программы позволяют проводить исследовательские и инженерные расчеты ИРСН. С использованием этого пакета программ проведены исследования зависимостей электрических и тепловых параметров ИРСН от основных влияющих факторов: геометрических параметров системы, свойств материала, частоты тока. Исследованные зависимости были объяснены теоретически. Даны рекомендации по выбору конструктивных параметров ИРСН.

При разработке математических моделей ИРСН широко применялись различные численные методы решения математических задач, в том числе метод конечных разностей применительно к решению волновых уравнений электромагнитного поля в нестационарной нелинейной постановке.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Разработана математическая модель квазистационарного электромагнитного поля ИРСН, учитывающая магнитный гистерезис в ферромагнитной трубе. Расчет электромагнитного поля в трубе проводится посредством построения электрической схемы замещения трубы.

2. Разработана математическая модель нестационарного электромагнитного поля ИРСН, учитывающая магнитный гистерезис в ферромагнитной трубе. Модель позволяет моделировать распространение электромагнитной волны в ферромагнетике с учетом.нелинейных свойств среды (магнитный гистерезис), рассчитывать искажения формы напряжения и тока ИРСН, возникающие из-за нелинейности магнитных свойств трубы.

3. Выявлены и объяснены, теоретически зависимости электрических и тепловых параметров ИРСН от основных влияющих факторов: геометрических параметров системы, свойств материала, частоты тока.

Практическая ценность и реализация результатов работы. 1. Разработан программный пакет "ШБЫ", реализующий математические модели электромагнитных и тепловых процессов в ИРСН. Он позволяет быстро, удобно и с высокой точностью проводить расчет этой нагревательной системы.

2. Результаты проведенных в работе исследований ИРСН эффективно используются при проектировании и разработке новых модификаций ИРСН.

3. Практическая значимость модели нестационарного электромагнитного поля ИРСН не ограничивается использованием для расчета ИРСН. С ее помощью можно более точно решать задачи расчета других устройств индукционного нагрева ферромагнитной стали.

4. В настоящее время на базе модели нестационарного электромагнитного поля в ферромагнитной среде разрабатывается учебная программа для студентов кафедры ФЭМАЭК МЭИ.

Программный пакет "IRSN" и результаты проведенных в работе исследований используются инженерами компании «Специальные системы и технологии» при проектировании, исследовании и разработке новых модификаций коаксиальной индукционно-резистивной системы нагрева.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаний кафедры ФЭМАЭК в декабре 2005 г., а также на десятой и одиннадцатой международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» в МЭИ (Москва, 2004, 2005.г.г.), на конференции «Проблемы энергосбережения. Теплообмен в электротермических и факельных печах и топках» (Тверь, 2004 г.), на конференции «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева» (Санкт-Петербург, 2005 г.), на «Всероссийском электротехническом конгрессе» (Москва, 2005 г.).

По теме диссертационной работы опубликовано семь печатных работ.

Диссертационная работа. состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем 170 страниц, в том числе 107 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 44 наименований и приложение на 6 страницах.

Результаты работы используются компанией «Специальные системы и технологии» в практической деятельности.

Частично результаты работы предполагается использовать в учебном процессе на кафедре «Физика электротехнических материалов и компонентов и автоматизация электротехнологических комплексов».

Заключение

В результате проведенной работы разработана и реализована в виде пакета программ для персонального компьютера методика расчета коаксиальной индукционно-резистивной системы нагрева (ИРСН). Проведены исследования и даны теоретические объяснения электрических и тепловых характеристик ИРСН.

Конкретные результаты диссертационной работы:

1. Разработаны и реализованы в виде программ для персонального компьютера на языке программирования С++ две модели электромагнитных процессов в ИРСН, обладающие довольно высокой точностью: модель на основе метода МЭИ с численным расчётом квазистационарного электромагнитного поля в трубе и модель нестационарного электромагнитного поля. Адекватность моделей подтверждена экспериментально.

2. Разработана и реализована в виде программы для персонального компьютера на языке программирования С++ электротепловая модель ИРСН, позволяющая быстро проводить расчет электрических и тепловых параметров с учетом их взаимного влияния. Электротепловая модель успешно прошла проверку адекватности.

3. Проведены исследования зависимостей электрических и тепловых характеристик ИРСН от' влияющих факторов: геометрических параметров системы, свойств материала, частоты тока. Изложено объяснение физических причин, по которым зависимости электрических и тепловых характеристик системы от влияющих факторов имеют тот или иной вид.

4. Разработан пакет программ для персонального компьютера для расчета ИРСН. Пакет включает в себя три программы - две для исследовательских и одну для инженерных расчетов. Программы обладают удобным интуитивно понятным интерфейсом, отвечающим современным требованиям. Кратко описаны основные этапы инженерного расчета ИРСН с помощью разработанной программы.

5. Разработана методика расчета ИРСН для обогрева трубопроводов.

1. Кувалдин А. Б. Индукционный нагрев магнитной стали на промышленной частоте/ Итоги науки и техники. Электротехнология.

2. М.: Изд-во ВИНИТИ, 1976. 83 с,

3. Низкотемпературный электронагрев. / Альтгаузен А.П., Гутман М.Б., Малышев С.А. и др.// Пой ред. А. Д. Свенчанского. М.: Энергия, 1978. 208 с.

4. Кувалдин А. Б. Теория индукционного и диэлектрического нагрева. М.: Изд-во МЭИ, 1999.-80 с.

5. Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали. М.: Энергоатомиздат, 1988. 200 с.

6. Немков В. С., Демидович В. Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988. - 280 с.

7. Вольман В. И., Пименов Ю. В. Техническая электродинамика. Учебник. М., «Связь», 1971.

8. Бессонов J1. А. Теоретические основы электротехники. М., «Высшая школа», 1967.

9. Emil Langer. Teorie indukcnlho a dielektrickeho tepla. ACADEMIA Praha 1979.

10. Авторское свидетельство № 101973, Т. Ф. Благушко, Ю. Т. Благушко, «Электронагреватель для грунта», Бюллетень изобретений, 1955, №11.

11. Авторское свидетельство № 118031, Т. Ф. Благушко, Ю. Т. Благушко, «Переносная электрическая трубчатая печь», Бюллетень изобретений, 1959, №3.

12. Авторское свидетельство № 120228, Т. Ф. Благушко, Ю. Т. Благушко, «Трехфазная электрическая печь сопротивления», Бюллетень изобретений, 1959, №11.

13. Справочник физических величин/ Под ред. проф. Г. А. Рябинина. СПб., Лениздат; Издательство «Союз», 2001. - 160с.

14. Рабкин Jl. И. Высокочастотные ферромагнетики. М., Физматгиз, 1960.

15. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения: Пер. с яп.- М.: Мир, 1987.- 419 с.

16. Бозорт Р. М. Ферромагнетизм. Пер. с англ. Под ред. Е. И. Кондорского и Б. Г. Лившица. М., Изд. иностр. лит., 1956.

17. Дружинин В. В. Магнитные свойства электротехнической стали. Изд. 2-е, перераб. М., «Энергия», 1974.

18. Нейман Л. Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах. Л.-М.: Госэнергоиздат, 1949. 190 с.

19. Two-dimensional Harmonic (AC) Analysis. Ansys Inc, 2004.

20. Two-dimensional Transient Magnetic Analysis. Ansys Inc, 2004.

21. ELCUT. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Версия 5.3 Руководство пользователя. Санкт-Петербург, ПК ТОР, 2006.

22. Тозони О. В. Метод вторичных источников в электротехнике. М.,1. Энергия», 1975.

23. Введение в теорию разностных схем. А. А. Самарский. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», М., 1971.

24. Кувалдин А.Б. Новые методы расчета распределения плотности переменного тока в проводниках. Электротермия. Вып.38. 1964. С. 46-49.

25. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). Г. Корн, Т Корн. Пер. с англ. под ред. И. Г. Арамановича. М., «Наука», 1978.

26. Пискунов Н. С. Дифференциальное и интегральное исчисления. М.: «Наука», 1976.

27. Подбельский В. В. Язык Си++: Учеб. пособие. 5-е изд. - М.: Финансы и статистика, 2000. - 560 е.: ил.

28. Холингверт Джарод, Баттерфилд Дэн, Сворт Боб и др. С++ Builder 5. Руководство разработчика, том 1. Основы : Пер. с англ.: Уч. пос. М.: Издательский дом "Вильяме", 2001. - 880 е.: ил.

29. Холингверт Джарод, Баттерфилд Дэн, Сворт Боб и др. С++ Builder 5. Руководство разработчика, том 2. Сложные вопросы программирования: Пер. с англ.: Уч. пос. М.: Издательский дом "Вильяме", 2001. - 832 е.: ил.

30. Электрические измерения: Учеб. пособие для вузов/В. Н. Малиновский, Р. М. Демидова-Панферова, Ю. Н. Евланов и др.; Под ред. д-ра техн. наук В. Н. Малиновского. М.: Энергоатомиздат, 1985.-416 с.

31. Кифер И. И. Испытания ферромагнитных материалов. М., «Энергия», 1969.;

32. Теплотехника: Учеб. для вузов / В. Н. Луканин, М. Г. Шатров, Г. М. Камфер и др.; Под ред. В. Н. Луканина. Высш. шк., 1999. 671 с.

33. Басов К. A. ANSYS в примерах и задачах / Под общ. ред. Д. Г. Красковского. М.: КомпьютерПресс, 2002. - 224 е.: ил.

34. Каплун А. Б., Морозов Е. М., Олферьева М. A. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.

35. Чигарев А. В., Кравчук А. С., Смалюк А. Ф. ANSYS для инженеров: Справ, пособие. М.: Машиностроение 1, 2004. - 512 с.

36. Миронов Ю. М., Миронова А. Н. Электрооборудование и электроснабжение электротермических, плазменных и лучевых установок: Учеб. пособие для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1991. 376 с.

37. Гитгарц Д. А., Мнухин Л. А. Симметрирующие устройства для однофазных электротермических установок. М., «Энергия», 1974.

38. Тиристорные преобразо!ватели частоты. А. К. Белкин, Т. П. Костюкова, Л. Э. Рогинская, А. А. Шуляк. М.: Энергоатомиздат, 2000. - 263с.

39. Шатов В. А. Электротепловая модель коаксиальной индукционно-резистивной нагревательной системы // РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА // Десятая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х т. М.: МЭИ, 2004.

40. Кувалдин А. Б., Струпинский М. Л., Хренков Н. Н., Шатов В. А.

41. Электротепловая модель коаксиальной индукционно-резистивной системы нагрева // "Электротехника" №1 за 2005. С.48-53.

42. Кувалдин А. Б., Струпинский М. Л., Хренков Н. Н., Шатов В. А. Расчет коаксиальной индукционно-резистивной системы обогрева

43. Ф трубопроводов // Всероссийский электротехнический конгресс ВЭЛК-2005:

44. Материалы конгресса Москва, 2005. С.210-211.

45. Кувалдин А. Б., Струпинский М. Л., Хренков Н. Н., Шатов В. А. Математические модели для исследования электромагнитного поля в ферромагнитных проводящих средах // "Электричество" №11 за 2005. С.56-61.165