Исследование и разработка трехфазного индуктора для нагрева цилиндрических заготовок в поперечном магнитном поле

Диссертация посвящена разработке и исследованию энергоэффективной индукционной установки для нагрева цилиндрических заготовок в линиях горячей обработки металла на деформирующем оборудовании.

Актуальность проблемы.

Практически во всех отраслях промышленности находят широкое применение индукционные системы для преобразования электромагнитной энергии в тепловую. Опыт применения индукционных установок для технологического нагрева заготовок в линиях горячей обработки металла показывает, что они являются перспективными по ряду важнейших признаков. Они надежны и безопасны и позволяют легко осуществить автоматическое управление процессом нагрева. Компактность индукционных нагревателей позволяет размещать их непосредственно там, где требуется нагрев, тем самым исключая потери тепла при его транспортировке.

В то же время разнообразие форм индукционных нагревателей, которые могут быть использованы для технической реализации одной и той же задачи, приводит к необходимости решения ряда специфических проблем. Выбор конструктивного исполнения диктуется требованиями, предъявляемыми к нагревателю конкретным технологическим процессом, условиями работы, уровнем рабочих температур, производительностью, энергоэффективностью и т. д.

Известные конструктивные решения для мощных индукционных нагревательных установок, работающих на промышленной частоте, представляют собой многосекционную систему индукторов и не обеспечивают симметричную нагрузку фаз даже при полном равенстве собственных сопротивлений отдельных секций трехфазного нагревателя. Так, например, часто индукторы располагают друг за другом с минимальным осевым зазором для снижения провала удельной мощности в зоне стыков, а также сгущают витки обмотки в этой области. Это приводит к увеличению взаимной индуктивности обмоток, а значит и к неравномерной загрузке фаз питающей сети (эффект переноса мощности из одной фазы в другую), особенно заметной для крупных установок большой мощности. Это приводит к ухудшению качества электроэнергии в системе электроснабжения даже при симметричной питающей трехфазной системе. Устранить или уменьшить не симметрию токов можно при помощи специальных симметрирующих устройств. Однако, по технико-экономическим параметрам применение их может оказаться нецелесообразным, так как мощность индукционных нагревателей в процессе нагрева может существенно изменяться вследствие изменения внутреннего сопротивления колебательного контура системы «индуктор — металл». В этом случае необходимо применять регулируемые симметрирующие устройства, что значительно удорожает стоимость нагревательной установки. Поэтому в настоящее время возникает необходимость поиска возможных путей совершенствования имеющихся конструкций и принципов работы установок индукционного нагрева с целью снижения энергозатрат и стоимости установленного оборудования. Одним из вариантов такого подхода может быть предлагаемая в работе конструкция индукционного нагревателя, особенностью которой является выполнение индуктора с замкнутым цилиндрическим магнитопроводом в форме статора трехфазного асинхронного двигателя. В трехфазной обмотке индуктора сопротивления фаз в цепи статора симметричны, так как все фазы имеют одинаковое число витков. Сопротивления нагрузки, т. е. заготовки, также можно считать симметричными, источник питания, в качестве которого может рассматриваться трехфазный трансформатор, предполагается симметричным, с соответствующим сдвигом по фазам. Поэтому можно утверждать, что в нормальном режиме несимметрия отсутствует полностью, что исключает необходимость установки симметрирующего устройства. Однако, реализация предлагаемой конструкции нагревателя требует решения ряда новых задач, связанных с исследованием электромагнитных и тепловых полей сложной системы, включающей замкнутый магнитопровод, катушки индуктора, футеровку и нагреваемый металл. Для решения поставленных задач требуется привлечение теоретических знаний в области электромагнетизма, теории теплопроводности, вычислительной математики, а так же выполнение большого объема численных экспериментов. Кроме того, при проектировании новой конструкции индукционного нагревателя необходимо учитывать большое количество факторов, от которых зависят его эксплуатационные качества. Применение известных инженерных методик расчета индукционных нагревателей цилиндрических заготовок в продольном магнитном поле для решения поставленной задачи не представляется возможным.

В связи с этим разработка математических моделей, максимально учитывающих особенности предлагаемой конструкции индукционного нагревателя, учет нелинейностей при моделировании взаимосвязанных электромагнитных и тепловых процессов и выработка рекомендаций по улучшению технико-экономических и эксплуатационных показателей нагревательных комплексов в целом имеет важное значение и является актуальной.

Автор является исполнителем фундаментальной госбюджетной НИР «Исследование закономерностей энергоэффективных процессов теплообмена с внутренними источниками энергии», гос. регистрация № 1 201 152 842 (2011г.), в рамках которой проводились исследования по теме диссертации.

Полученные в работе теоретические закономерности и практические результаты использованы: при выполнении фундаментальных НИР «Разработка теории векторной оптимизации процессов, описываемых уравнениями Максвелла и Фурье для определенного класса задач математической физики» (№ г. р. 1 200 802 926), «Создание математических моделей взаимодействия электромагнитных и тепловых полей в пространственно распределенных объектах» (№ г. р. 1 200 951 711) — «Разработка теоретических основ системного анализа и методов нетрадиционной реализации взаимосвязанных процессов энергообмена в электромагнитных и температурных полях» (№ г. р. № 1 200 602 849), «Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева» (№ г. р. № 1 200 208 264) и гранта РФФИ «Разработка методологии оптимального проектирования физически неоднородных объектов электротермических производств по системным критериям качества» (№ г. р. 1 200 602 849).

Объект исследования — трехфазный индукционный нагреватель для сквозного нагрева цилиндрических заготовок в поперечном магнитном поле.

Цель работы.

Основная цель диссертационной работы состоит в решении научно-технической задачи по разработке и исследованию новой конструкции индукционной системы для сквозного нагрева цилиндрических заготовок на основе выявленных закономерностей электромагнитных и тепловых процессов и разработка инженерной методики расчета интегральных параметров индуктора.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи:

— анализ существующих методов моделирования электромагнитных и тепловых процессов в системе «индуктор-металл»;

— разработка математических моделей взаимосвязанных электромагнитных и тепловых полей для анализа процессов теплообмена в сложной составной структуре тел, включающих трехфазную систему катушек, замкнутый магнитопровод, футеровку, металл;

— разработка на основе предложенных математических моделей вычислительных алгоритмов, специального математического и программного обеспечения для реализации метода расчета электромагнитных и тепловых полей в системе;

— разработка методики расчета и рекомендаций по выбору конструктивных и режимных параметров, обеспечивающих при заданных характеристиках нагрева повышение энергоэффективности нагревательной установки в целом.

Методы исследования.

Для решения поставленной задачи использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, теории электромагнитного поля, численные методы решения полевых задач, методы компьютерного моделирования.

Научная новизна.

В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

— численная математическая модель взаимосвязанных электромагнитных и тепловых процессов при нагреве цилиндрической заготовки в поперечном магнитном поле цилиндрического индуктора, проблемно ориентированная на решение задачи проектирования энергоэффективной конструкции индукционного нагревателя;

— методика последовательного расчета задач теплопроводности и электромагнетизма с обменом информацией в виде аппроксимирующих выражений для температурного распределения и магнитной проницаемости;

— методика расчета интегральных параметров новой конструкции индукционной системы;

Полученные в работе результаты позволят решать инженерные задачи расчета конструктивных параметров индукционных нагревательных установок в технологических комплексах горячей обработки металла на деформирующем оборудовании.

Практическая полезность работы.

Прикладная значимость проведенных исследований определяется следующими результатами:

— построен и реализован на ЭВМ комплекс программ расчета взаимосвязанных электромагнитных и тепловых полей при сквозном нагреве цилиндрических заготовок;

— разработана инженерная методика расчета конструктивных параметров трехфазной индукционной установки для нагрева заготовок цилиндрической формы в поперечном магнитном поле;

— разработаны рекомендации по проектированию индукционной системы для установок технологического нагрева в поперечном магнитном поле;

Результаты исследований внедрены:

— в научно-исследовательской работе в виде алгоритмического и программного обеспечения при исследовании электромагнитных и тепловых полей и в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности «Электротехнологические установки и системы».

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2007, 2008, 2009, 2010, 2011) — на Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2007, 2009) — на XII Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, г. Алушта, 2008) — на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XV Бенардосовские чтения) (г. Иваново, 2009) — на Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2009, 2010) — на Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2009, 2010, 2011) — на Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009) — на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы управления и автоматизации технологических процессов и производств» (г. Уфа, 2010) — на Межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (г. Самара, 2010, 2011) — на Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях (ИАМП)» (г. Бийск, 2010, 2011) — на Международной научно-технической конференции «Автоматизация. Проблемы, идеи, решения (АПИР)» (г. Тула, 2010) — на Международной научно-практической конференции «Современная наука: теория и практика» (г. Ставрополь, 2010) — на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (г. Одесса, 2010, 2011) — на Всероссийской молодежной конференции «Машиностроение — традиции и инновации» (г. Юрга, 2011) — на Всероссийской научно-практической конференции (с участием стран СНГ) «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (г. Новокузнецк, 2011) — на Уфимской международной конференции «Комплексный анализ и дифференциальные уравнения» (г. Уфа, 2011) — на Международной молодежной конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (РЭЭиЭ)» (г. Томск, 2011) — на Международной заочной научно-практической конференции «Энергетика в современном мире» (г. Чита, 2011) — на Международной молодежной научно-технической конференции «Энергосистема и активные адаптивные электрические сети: проектирование, эксплуатация, образование» (г. Самара, 2011) — на Межотраслевой конференции по проблемам новых технологий в рамках III Всероссийского конкурса молодых ученых (г. Миасс, 2011).

Публикации.

По результатам диссертационной работы опубликовано 30 печатных работ, 4 из которых в изданиях из списка ВАК.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 143 страницах машинописного текстасодержит 63 рисунка и 7 таблиц,.

Выводы.

1. Эффективность индукционного нагрева определяется при прочих равных условиях плотностью тока в катушке индуктора. В установках высокотемпературного индукционного нагрева максимальная плотность тока при принудительном охлаждении обмотки индуктора водой определяется интенсивностью охлаждения и составляет 15^-25А/мм. В предлагаемой конструкции индуктора охлаждение осуществляется с помощью специальной трубки, уложенной в пазу магнитопровода вместе с индуктирующим проводом, и изолированной от него. Так как при таком способе охлаждения теплоотвод от индуктирующего провода ухудшается, максимальное значение плотности тока необходимо поддерживать на нижнем уровне.

2. При нагреве цилиндрической заготовки в поперечном магнитном поле трехфазного индуктора кроме неравномерности температурного распределения по радиусу заготовки появляется дополнительная неравномерность температурного распределения по окружности заготовки, величина которой определяется числом пазов и зубцов магнитопровода, т. е. угловыми размерами паза и зубца. Для минимизации этой неравномерности необходимо увеличивать их число. Однако, увеличение числа пазов может привести к существенному уменьшению сечения зубца магнитопровода, а, следовательно, к его насыщению. В связи с этим выбор количества пазов и зубцов должен производится с учетом дополнительного требования к размерам сечения зубца магнитопровода.

3. Для обеспечения заданной мощности индуктора при выполнении требования минимума плотности тока целесообразно иметь максимальную ширину паза. Однако, как и в предыдущем пункте, увеличение ширины паза приводит к уменьшению сечения зубца магнитопровода, которое определяет предельное значение магнитной индукции. Как следует из анализа результатов полученных исследований, наилучшим соотношением, удовлетворяющим предъявляемые выше требования, является равенство сечений паза и зубца.

4. Для снижения массогабаритных показателей индуктора при условии обеспечения максимальной мощности индукция в магнитопроводе должна иметь максимальное значение. Естественным ограничением для увеличения индукции является свойство электротехнических сталей насыщаться, после чего индукция почти не меняется. Однако, так как предлагаемый индуктор используется в установках высокотемпературного нагрева, на допустимую величину индукции должно быть наложено дополнительное ограничение, обусловленное более высокими температурными режимами магнитопровода по сравнению с другими электротехническими устройствами, используемыми в электромеханических устройствах и системах электроснабжения.

Заключение

.

В диссертации разработаны модели, индукционного нагрева стальных изделий перед раскаткой в условиях вариации начального температурного распределения и условий теплообмена на различных стадиях технологического процесса.

В работе получены следующие основные результаты:

1. Разработана конечно—элементная модель взаимосвязанных процессов индукционного нагрева стальных ферромагнитных изделий в поперечном магнитном поле трехфазного индуктора. Предложенная модель используется для проектирования оптимальной конструкции индуктора, обеспечивающего симметричную нагрузку фаз сети и снижение энергозатрат при условии достижения требуемого температурного распределения по объему заготовки.

2. Предложен алгоритм расчета электромагнитных и температурных полей методом конечных элементов. Проведено исследование электромагнитных и тепловых полей при индукционном нагреве ферромагнитной цилиндрической заготовки до температур пластической деформации в поперечном магнитном поле трехфазного индуктора.

3. Исследовано влияние основных параметров индукционной системы на конечное температурное распределение заготовки.

4. Предложен алгоритм параметрической оптимизации конструктивных и режимных параметров индукционного нагревателя по критерию максимального общего кпд индукционной установки.

5. Предложена конструкция трехфазного индуктора для нагрева ферромагнитных цилиндрических заготовок в поперечном магнитном поле.