Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор теории и практики индукционного нагрева цветных металлов, постановка задачи повышения энергетической эффективности нагрева 10
1.1 Требования к нагреву, способы нагрева цветных металлов и их сравнительный анализ 10
1.2 Способы нагрева алюминиевых заготовок
1.2.1 Нагрев в пламенных печах 11
1.2.2 Нагрев в печах сопротивления 11
1.2.3 Установки кондукционного нагрева 12
1.2.4 Установки индукционного нагрева 1.3 Сравнительный анализ энергетической эффективности способов нагрева алюминиевых заготовок 15
1.4 Сквозной нагрев алюминиевых заготовок в соленоидальных индукторах с продольным магнитным полем 18
1.5 Способы нагрева алюминиевых заготовок в поперченном магнитном поле
1.5.1 Обзор технических решений с применением технологии нагрева в магнитном поле постоянных магнитов 24
1.5.2 Нагрев алюминиевых заготовок в магнитном поле постоянного электромагнита со сверхпроводящей обмоткой 25
1.6 Предлагаемая технология нагрева цветных металлов в поперченном магнитном поле вращающихся постоянных магнитов 29
1.6.1 Элементы конструкции установки нагрева заготовки в поперечном магнитном поле 33
1.7 Методы расчета электромагнитных систем с поперечным магнитным полем 40
1.7.1 Аналитический метод расчета 44
1.7.2 Численный метод расчета 48
1.7.3 Выбор метода расчета установки нагрева заготовок в магнитном поле постоянных вращающихся магнитов 50
1.8 Методы и средства оптимального проектирования 51
1.8.1 Опыт применения средств оптимального проектирования установок индукционного нагрева 54
1.9 Выводы по разделу 59
2 Математическая модель установки нагрева алюминиевых заготовок в магнитном поле вращающихся постоянных магнитов 60
2.1 Постановка задачи и основные допущения 62
2.2 Математическая модель для анализа электромагнитного поля 64
2.3 Математическая модель для анализа теплового поля в цилиндрической загрузке 79
2.4 Модуль для расчета интегральных параметров и алгоритм расчета математической модели 82
2.5 Анализ интегральных и дифференциальных характеристик электромагнитного и теплового полей в системе «загрузка - ротор с магнитами» 87
2.6 Выводы по разделу 101
3 Экспериментальные исследования на лабораторной установке нагрева слитков во вращающемся поле постоянных магнитов 103
3.1 Предпосылки для разработки лабораторной установки 103
3.2 Лабораторная установка нагрева цилиндрических слитков в магнитном поле вращающихся постоянных магнитов 104
3.3 Система измерений 109
3.4 Результаты экспериментальных исследований на лабораторной установке 116
3.5 Выводы по разделу 126
4 Модернизация индукционного нагревателя периодического действия ОКБ-894а с использованием методов оптимизации 128
4.1 Описание действующей установки 128
4.2 Описание опытно-промышленного образца установки нагрева слитков во вращающемся магнитном поле 134
4.3 Оптимизация индукционного нагревателя с использованием оптимизационного алгоритма Холланда 139
4.4 Выводы по разделу 149
Заключение 150
Список использованных источников
- Нагрев в пламенных печах
- Математическая модель для анализа электромагнитного поля
- Лабораторная установка нагрева цилиндрических слитков в магнитном поле вращающихся постоянных магнитов
- Оптимизация индукционного нагревателя с использованием оптимизационного алгоритма Холланда
Введение к работе
Актуальность. Установленная мощность индукционных сквозных нагревателей цветных металлов достигает десятков и даже сотен мегаватт, при этом энергетическая эффективность преобразования электрической энергии в тепловую в этих установках редко достигает 60 %. Это обусловлено высокой удельной электропроводностью нагреваемого металла (алюминий, медь, латунь), сопоставимой с электропроводностью обмоток индуктора.
Различные научные школы не оставляют попыток создания новой технологии с повышенными энергетическими показателями. Например, в проекте ALUHEAT, Европейского союза, выполняемом с 2005 по 2008 годы силами 6 научных центров Европейского союза (Германия, Италия, Финляндия, Польша, Чехия, Норвегия) предложено устройство, предполагающее вращение алюминиевой загрузки в поле электромагнита со сверхпроводящей обмоткой. Другим примером работ в направлении повышения энергетической эффективности установок индукционного нагрева (УИН) являются работы по созданию многослойных обмоток выполняемые научно-исследовательским центром Британского совета по электричеству, а также А. Е. Слухоцким, B.C. Немковым, Е.А. Головенко, Е.С. Киневым и другими учеными. До сих пор в промышленности для сквозного нагрева цветных металлов используют соленоидальные много-витковые индукторы с продольным магнитным полем из проводника в виде полой медной или алюминиевой трубки, несмотря на их низкую энергетическую эффективность. В результате затраты на компенсацию потерь электроэнергии существенно превышают расходы на амортизацию установки в структуре себестоимости готового продукта, а цены на энергию продолжают расти.
В настоящей работе рассмотрены особенности решения задачи нагрева, основанного на вращении постоянных магнитов вокруг неподвижной загрузки. КПД такой индукционной системы ограничен параметрами электродвигателя и механической передачи, приводящих магниты во вращение.
Главной трудностью предлагаемого замысла является отсутствие строгих теоретических основ для расчета индукционной системы и практических рекомендаций по ее проектированию. Перед автором работы стояла задача разработки методики расчета новой технологической системы на основе численного моделирования и верификации математической моделей на основе натурных исследований на установке малой мощности (5,5 кВт) с целью дальнейшего масштабирования новой технологии.
Объект исследования — индукционная установка сквозного нагрева цилиндрической загрузки во вращающемся магнитном поле постоянных магнитов.
Предмет исследования — процесс преобразования электрической энергии в тепловую в индукционной системе «вращающиеся постоянные магниты -нагреваемая загрузка» в части влияния режимов работы и конструкции установки на энергетическую эффективность.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности преобразования электрической энергии в тепловую энергию при нагреве заготовки, на основе использования поперечного вращающегося магнитного поля постоянных магнитов, исследование физических явлений и процессов в предла-
гаемой электромеханической системе, создание методики проектирования и рекомендаций по конструированию предлагаемых индукционных нагревателей с повышенной энергетической эффективностью.
Для достижения цели необходимо решение следующих задач:
Проанализировать физические явления, процессы и модели в предложенной технической системе, и выбрать методы расчета. Обобщить опыт использования, расчетов и проектирования аналогичных предложенной магнитных систем и вспомогательных подсистем (в частности автоматизированного частотного электропривода и механической передачи).
Спроектировать опытную установку и исследовать физические процессы в технической системе мощностью до 10 кВт с целью подтверждения технологического эффекта, энергетической эффективности и последующей верификации разрабатываемых расчетных моделей.
Разработать параметрическую численную модель для исследования электромагнитных и тепловых процессов в индукционной системе "ротор -загрузка" и ее верифицировать путем сопоставления результатов численных и натурных экспериментов.
Создать алгоритмы оптимизации промышленных установок УИН на основе вращения постоянных магнитов вокруг нагреваемой загрузки с использованием разработанной численной параметрической модели.
Выбрать и обосновать техническое решение опытно-промышленного образца мощностью 100 кВт и выше на основании натурных исследований и математического моделирования.
Сформировать рекомендации и методику проектирования установок на различную производительность и габаритные размеры нагреваемой цилиндрической загрузки.
Методы исследования. В работе использован метод конечных элементов (МКЭ) для решения задачи анализа электромагнитного и теплового полей (пакет программ ANSYS), методы параметрической оптимизации, методы сбора и анализа физических параметров в программной среде Lab View. Теоретические исследования проводились с применением законов электротехники и теплотехники, теории установок индукционного нагрева и электрических машин.
Научная новизна результатов диссертации:
Исследован принцип действия установки сквозного нагрева алюминиевой загрузки во вращающемся поле постоянных магнитов. Выявлены закономерности эффективного преобразования электрической энергии в энергию электромагнитного поля и затем в тепловую энергию в зависимости от геометрических размеров магнитов, высоты зубцов, магнитной проницаемости используемых материалов, числа пар полюсов, частоты вращения ротора и угла поляризации магнитов.
Разработана трехмерная численная модель для анализа электромагнитного и теплового полей в индукционной системе с учетом ее влияния на работу регулируемого электропривода ротора индукционной установки.
Построен алгоритм параметрической оптимизации конструктивных параметров и режимов работы разработанной технической системы. Экспери-
ментально подтверждены основные технические решения, существенно влияющие на физические процессы в технической системе.
Значение для теории электромеханического преобразования энергии состоит в развитии теории индукционного нагрева в части анализа и оптимизации УИН во вращающемся магнитном поле постоянных магнитов, а также в сравнительном сопоставлении с традиционно используемыми техническими системами.
Практическая ценность. Разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации индукционных установок сквозного нагрева алюминиевой загрузки в поле вращающихся постоянных магнитов, а также методика их параметрической оптимизации в зависимости от требований производительности, габаритных размеров нагреваемой загрузки и качества нагрева.
Достоверность подтверждена сопоставлением результатов численного эксперимента, полученных с помощью разработанной математической модели, с результатами натурных исследований выполненных на опытном образце.
Реализация результатов диссертационной работы осуществлялась в ООО "Резонанс" при проектировании и использовании сквозного нагрева алюминиевых загрузок диаметром 60 мм (полезная мощность 5,5 кВт) и диаметром 175 мм (полезная мощность 80 кВт).
На защиту выносится:
Новое устройство для нагрева цветных металлов и установка для его реализации.
Трехмерная численная модель для анализа электромагнитного и теплового полей в индукционной системе "вращающийся ротор с постоянными магнитами - нагреваемая загрузка".
Методика проектирования установки и рекомендации по ее применению в технологических линиях на действующем производстве.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на: всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и наука: начало XXI века" (Красноярск, 2007); пятнадцатой международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии" Томского политехнического университета, (г. Томск, 2008г); пятнадцатой ежегодной Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электроника и энергетика" Московского энергетического института (технического университета) (г. Москва, 2009 г.); четвертой научно-технической конференции с международном участием "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" Новосибирского государственного технического университета (Новосибирск, 2009).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в13 печатных работах, в том числе 1 в издании по перечню ВАК.
Личный вклад автора состоит в разработке математических моделей, алгоритмов, программ расчета и оптимизации установки индукционного нагрева цилиндрической загрузки в поле постоянных магнитов, в проведении вычислений, организации и проведении физических экспериментов и обработки
результатов, в проведении проектно-конструкторских работ, в участии в проектировании новой технической системы для ОАО «Иркутский кабельный завод».
Структура и объем работы. Результаты работы изложены на 166 страницах текста, иллюстрированного 71 рисунком и 15 таблицами. Список использованных источников включает 110 наименований. Работа состоит из введения, четырех разделов текста с выводами, заключения, списка использованных источников и приложений.
Нагрев в пламенных печах
Понятие кондукционного нагрева было введено для прямого резистивного нагрева прутков, прокатных заготовок, лент и проволок. При этом нагреваемая заготовка входит в состав электрической цепи, по которой проходит электрический ток. При протекании постоянного тока через проводник, обладающий электрическим сопротивлением, электрическая энергия преобразуется в тепловую (закон Джоуля-Ленца), что ведет к нагреву проводника. Нагрев получается равномерным, если поперечное сечение проводника по всей длине постоянно. Поэтому кондукционныи нагрев получил практическое применение при нагреве прутков и прокатных заготовок с отношением длины к диаметру не более 4, и при непрерывном нагреве таких материалов, как проволоки и ленты /8, 91.
Установки кондукционного нагрева состоят, в общем случае, из двух контактов с питанием от соответствующего источника. В некоторых случаях в местах контакта может быть уменьшена полезная площадь токопроводящего сечения из-за отсутствия полного контакта. Возникающая в связи с этим более высокая плотность тока приводит к перегреву в зоне контакта или привариванию заготовки и контакта.
Недостатком способа является сложность создания стабильного контакта, а также измерений и, автоматического регулирования температуры нагреваемых изделий. Существенными недостатками способа электроконтактного нагрева алюминиевых заготовок является низкая эффективность при нагревании материалов с низким удельным сопротивлением, например, меди и алюминия, и, неполный прогрев концов заготовки (мест контакта), вследствие чего резко повышается расход на штампы; с учетом последнего, контактный нагрев является дорогим /8, 10/.
В установках индукционного нагрева алюминиевые заготовки подвергаются воздействию переменного электромагнитного поля катушки с электрическим током, называемой индуктором. Энергия, поступающая от источника питания, преобразуется в энергию магнитного поля, которая, поглощаясь проводящей заготовкой, преобразуется в индуцируемые вихревые токи. Электрическая энергия токов превращается в тепловую энергию (Джоулева мощность). Тепловая мощность, выделяющаяся в загрузки при индукционном нагреве, зависит от размеров и физических свойств загрузки (удельного электрического сопротивления, относительной магнитной проницаемости), а также от частоты и напряжённости магнитного поля/11, 12/.
Проникающее в глубину заготовки переменное электромагнитное поле постепенно затухает, поэтому вихревые токи сосредоточены в поверхностном слое заготовки. Это явление, называемое поверхностным эффектом, приводит к тому, что значительная часть электрической энергии (86%) преобразуется в тепловую именно в поверхностном слое материала. Толщина этого слоя уменьшается с увеличением частоты, поэтому нагрев внутренних слоев загрузки, особенно на высоких частотах, происходит преимущественно за счет теплопроводности. Поверхностный эффект дает возможность управления перераспределением температурным полем в заготовке. В зависимости от выбранной частоты тока может быть реализован широкий спектр термических процессов, например, поверхностная закалка или плавка металлов /13, 14/.
Для создания переменного электромагнитного поля при индукционном нагреве используются токи низкой (50 Гц), средней (до 10 кГц) и высокой (свыше 10 кГц) частоты. Для питания индукторов токами средней и высокой частоты применяют машинные и статические преобразователи, а также ламповые генераторы.
Классическая индукционная нагревательная система состоит из катушки (индуктора) для создания магнитного поля и нагреваемой заготовки (рисунок 1.1). В большинстве случаев для уменьшения тепловых потерь применяется тепловая изоляция. Установки индукционного нагрева состоят в общем случае из одного или нескольких индукторов, соответствующего источника питания (трансформатора, статического преобразователя частоты, распределительного устройства), механизмов подачи заготовки, транспортировки и выгрузки заготовок, системы водяного охлаждения, а также систем контроля и управления. Характерными частями индукционных установок являются также стальные магнитопроводы, концентрирующие магнитный поток для улучшения электрических параметров. Кроме того, они снижают напряженность электромагнитного поля вблизи установки.
Математическая модель для анализа электромагнитного поля
Магнит сплава неодим-железо-бор (NdFeB) Разработка нового магнитного материала - неодим-железо-бор (NdFeB) начались с 80-х гг. XX в., а его использование в оборонной и гражданской промышленности - с 1984 г. Разработчики искали магнитный материал, который обладал бы высокими магнитными свойствами и был относительно недорогим. Был разработан новый сплав (Nd2Fei4B) имеющий очень высокое магнитное поле. Магниты NdFeB имеют широкий диапазон рабочих температур от -40С до +150С. Некоторые их виды можно использовать вплоть до 200С, однако они имеют пониженные значения магнитных характеристик по сравнению с остальными марками. Неодимовые магниты очень долговечны, они сохраняют свои магнитные свойства от 50 до 100 лет /44, 45/.
Неодимовый магнит собрал в себе все достижения в области разработки постоянных магнитов, магнитную силу, долговечность, температурный порог. Именно открытие этого магнитного материала подняло магнитную индустрию на принципиально новый технологический уровень /33, 39, 40/.
Максимальное энергетическое произведение, полученное на сплавах неодим-железо-бор, составляет 476,8 кДж/мЗ и является абсолютным рекордом среди всех материалов для постоянных магнитов. Магниты из неодим-железо-бора обладают высокой коэрцитивной силой, то есть сопротивляемостью размагничиванию и могут работать в сильных размагничивающих полях без уменьшения магнитного момента.
Недостатками сплавов неодим-железо-бор является низкая точка Кюри и, как следствие, плохая температурная стабильность, а также низкая стойкость против коррозии. Повысить температурную стабильность постоянных магнитов из неодим-железо-бора удается легированием такими элементами как диспрозий и кобальт. Эти элементы существенно увеличивают коэрцитивную силу, но в тоже время уменьшают остаточную индукцию и максимальное энергетическое произведение. Легированием удается повысить максимальную рабочую температуру до 240С. Борьба с коррозией сводится к применению защитных покрытий. Наиболее распространенные металлические покрытия из никеля, цинка и алюминия /33, 41/.
Изготавливаются неодимовые магниты по технологии порошковой металлургии. Производство высококачественных высокоэнергетических постоянных магнитов из сплавов неодим-железо-бор - сложный высокотехнологичный процесс, требующий прецизионного соблюдения состава, содержания примесей. Все операции проводятся без доступа кислорода в вакууме или атмосфере инертных газов /42, 43/.
Выбор конструкции электропривода
Современный электропривод представляет собой единство электромеханического преобразователя энергии (двигателя), силового преобразователя и устройства управления. Он обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую в соответствии с алгоритмом работы установки. Сфера применения электрического привода в промышленности, на транспорте и в быту постоянно расширяется. Эффективность энергосберегающих технологий в значительной мере определяется эффективностью электропривода. Коэффициент полезного действия современных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором достигает 96%. Разработка высокопроизводительных, компактных и экономичных систем привода является приоритетным направлением развития современной техники /46, 64/.
Последнее десятилетие уходящего века ознаменовалось значительными успехами силовой электроники - было освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) со встроенными средствами защиты ключей и интерфейсами для непосредственного подключения к микропроцессорным системам управления. Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и переход от микропроцессоров к микроконтроллерам со встроенным набором специализированных периферийных устройств сделали необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем управления приводами на системы прямого цифрового управления.
Анализ продукции ведущих мировых производителей систем привода и материалов опубликованных научных исследований в этой области позволяет отметить следующие ярко выраженные тенденции развития электропривода:
1. Неуклонно снижается доля систем привода с двигателями постоянного тока и увеличивается доля систем привода с двигателями переменного тока. Это связано с низкой надежностью механического коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока.
2. Преимущественное применение в настоящее время имеют приводы с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Большинство таких приводов (около 80 %) - нерегулируемые. В связи с резким удешевлением статических преобразователей частоты доля частотно-регулируемых асинхронных электроприводов быстро увеличивается.
3. Естественной альтернативой коллекторным приводам постоянного тока являются привода с вентильными, т. е. электронно-коммутируемыми двигателями. В качестве исполнительных бесколлекторных двигателей постоянного тока (БДПТ) преимущественное применение получили синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или с электромагнитным возбуждением (для больших мощностей).
Лабораторная установка нагрева цилиндрических слитков в магнитном поле вращающихся постоянных магнитов
Анализируя картины распределения плотности тока и удельной активной мощности на торце и по сечению загрузки (центр) можно видеть слабо выраженный краевой эффект. Разница глубины проникновения электромагнитной волны между центральной и торцевой частью загрузки составляет 6%, что объясняется действием поперечного магнитного поля, проходящим через загрузку.
При увеличении частоты вращения загрузки наблюдается уменьшение глубины проникновения электромагнитного поля, о чем свидетельствует картина распределения плотности тока в поперечном сечении загрузки (рисунок 2.12).
Векторное представление индукции в поперечном сечении системы «загрузка - ротор с магнитами» (рисунок 2.14) и оценка значения индукции в любой точке средствами ANSYS позволяет сделать вывод, что наличие отверстий в роторе не влияет на значение индукции в самой загрузки и на конечный результат. Следовательно, для уменьшения времени расчета численной модели отверстиями можно пренебречь.
Из картин распределения векторов магнитной индукции и напряженности (рисунок 2.14 и рисунок 2.15) видно, что использование ферромагнитных зубцов ведет к замыканию магнитного потока и уменьшению индукции в области загрузки, что отрицательно сказывается на эффективности преобразования электрической энергии в тепловую энергию нагреваемой загрузки. Из этого следует, что, при угле поляризации магнитов =90 зубец должен быть выполнен из немагнитного материала или для облегчения крепежа магнитов высота ферримагнитного зубца не должна превышать половину высоты магнита.
Необходимость в учете температурной зависимости свойств загрузкии определение скорости вращения ротора асинхронного двигателя П2 (ротора с магнитами п{) вызвана тем обстоятельством, что при нагреве слитка с 20С до 400С частота вращения ротора «у, измеренная экспериментально, возрастала с 6550 об/мин до 6750 об/мин.
Явление повышения скорости вращения ротора наблюдалось и при математическом моделировании. На рисунке 2.17 представлена: механическая характеристика асинхронного двигателя п2=/(Мэ), ротора с магнитами с учетом потерь мощности в ременной передаче: п2 = /(М"э ) = п2-к = /(М э I к), где М"э = Мэ Яш ; механическая характеристика загрузки при 20С с удельной электропроводностью у=36,9-106 1/Ом-м и n[=f{M p)\ механическая характеристика загрузки при 400С с удельной электропроводностью у=13-10 1/Ом-м и n"=f(Mp). Из рисунка 2.17 видно, что по мере нагрева точка равновесия моментов А в «холодном режиме» переходит в точку В «горячего режима». Это объясняется увеличением удельного сопротивления алюминия по мере нагрева загрузки. ri!=f(Ml) при 400 С
При решении электромагнитной задачи была получена сравнительная характеристика распределения плотности тока по сечению нагреваемой загрузки при нагреве в индукционных нагревателях с продольным магнитным полем и при нагреве в поперечном магнитном поле с помощью установки нагрева рассматриваемой конструкции. Из зависимостей (рисунок 2.18) видно, что, при нагреве в продольном магнитном поле неравномерность распределения плотности тока по сечению слитка убывает по экспоненциальному закону. При нагреве слитка в поперечном магнитном поле распределение плотности тока по сечению слитка носит более равномерный характер. Соответственно выделение Джоулева тепла в объеме загрузки происходит как на поверхностных слоях, так и во внутренних. Это является положительным эффектом для процесса прессования заготовок. 8, А/мм
Для принятия технических решений важным является определение интегральных параметров, полезной мощности в загрузке, в зависимости от конструктивных параметров, либо частоты вращения ротора с магнитами. Зависимость активной мощности от частоты вращения ротора с магнитами представлена на рисунке 2.19. Она показывает, что полезная мощность, при увеличении частоты вращения возрастает. Для определения частоты вращения ротора с магнитами надо учитывать необходимую полную мощность, заданную равномерность нагрева по сечению и допустимые термические напряжения. Р2,кВт \ 50 2р=16 -s 40- І \ J і 30 - -- у \ 20- -/- 2р 8 10 п ,об/мии 0- у ——F Чр q (хJ 0001 О Рисунок 2.19 - Зависимость полезной мощности от частоты вращения ротора По первоначальной гипотезе автора, еще одним немаловажным конструктивным параметром при проектировании устройства являлся угол поляризации магнитов (рисунок 2.20). Зависимости влияния угла поляризации магнитов на энергетическую эффективность нагрева цилиндрической загрузки представлены на рисунке 2.21. Из графика видно, что наилучший угол поляризации в системе равен 90 градусов, то есть полюса постоянных магнитов должны быть направлены к оси вращения ротора и загрузки соответственно.
На рисунке 2.22 и рисунке 2.23 представлены результаты расчета различных вариантов исполнения ротора при Z=16, q=l, р=8, П]=8000 об/мин. А именно, на рисунке 2.22 представлена зависимость выделяющейся полезной мощности в загрузке от изменения высоты магнитной (д=200) вставки при ферромагнитном и парамагнитном материале спинки ротора, и магнитами для случая когда угол поляризации составляет 90, а на рисунке 2.23 представлена зависимость P2=f(Hb) для угла поляризации магнитов є=0.
Оптимизация индукционного нагревателя с использованием оптимизационного алгоритма Холланда
Алгоритм широтно-импульсной модуляции обеспечивает взаимосвязанное регулирование частоты напряжения питания / и величины напряжения U по заданному закону, а также формирует синусоидальную форму кривой тока нагрузки. Датчики тока ДТ и напряжения ДН в силовом канале служат для контроля, регулирования и измерения электрических параметров, в том числе для защиты от токов перегрузки и короткого замыкания, недопустимых отклонений напряжения. Многоканальный источник питания преобразует сетевое переменное напряжение или выпрямленное напряжение звена постоянного тока в систему напряжений постоянного тока требуемых уровней и степени стабильности, гальванически связанных и не связанных между собой, для питания устройств управления ПЧ (информационной части ПЧ). В состав силовой схемы входит также фильтр звена постоянного напряжения ФС и цепи для защиты ЮВТ-модулей от перенапряжений. Преобразователи выполнены с принудительным воздушным охлаждением.
В ходе проведения эксперимента выполнялся контроль и запись следующих параметров: 1. Температура загрузки Tj - Т4 в четырех характерных точках (рисунок 3.3); 2. Время нагрева загрузки т; 3. Частота вращения ротора и; 4. Величина тока источника питания асинхронного двигателя 1д; 5. Величина напряжения питания асинхронного двигателя Ud; 6. Активная мощность, потребляемая источником питания Ри; 7. Частота напряжения питания асинхронного двигателя/j; 8. Число пар полюсов ротора с магнитами 2р; 9. Угол поляризации магнитов е. Эксперимент включал в себя два этапа. Первый этап эксперимента заключался в нахождении зависимостей скорости нагрева цилиндрической загрузки от количества пар полюсов в роторе. Исследуемые варианты расположения пар полюсов в роторе представлены на рисунке 3.13. Частота тока питания асинхронного двигателя соответствовала промышленной частоте, то есть 50 Гц, а частота вращения ротора с магнитами составляла 6000 об/мин.
В результате проведенного эксперимента на лабораторной установке с помощью системы термопар, описанной выше, были получены зависимости изменения температуры в различных точках загрузки, которые представлены на рисунках 3.14-3.17.
Из рисунков 3.13-3.17 видно, что при изменении числа пар полюсов 2р максимальная эффективность преобразования электрической энергии в тепловую будет при 8 парах полюсов, так как максимальная скорость нагрева достигается при 2р=16, а потери в механической передаче при всех представленных вариантах числа пар полюсов остаются неизменны. Следует отметить, что увеличение числа пар полюсов 2р не всегда ведет к увеличению эффективности нагрева. Также было установлено, что при увеличении величины немагнитного зазора и сохранении количества пазов в роторе целесообразно увеличивать число магнитов в полюсе.
Кривые изменения температуры (рисунок 3.18) показывают, что на всем протяжении процесса нагрева максимальная температура наблюдается на поверхности слитка, а минимальная - в его центре. Видно, что по окончании процесса нагрева перепад температуры между центром и поверхностью загрузки достигает 55С, что объясняется наличием поверхностного эффекта в загрузке.
Помимо этого, погрешность расчета времени нагрева, которое определяется температурой загрузки в месте установки торцевой термопары не превышает 4 %, также как и для изменяющихся в ходе нагрева электрических параметров (удельная электропроводность алюминия).
Второй этап эксперимента заключался в получении зависимостей выделяемой активной мощности в загрузке Р3 от частоты вращения ротора п2 с числом пар плюсов р=1, р=2, р=4, р=8. Целью данного этапа являлось выявление частоты вращения ротора с магнитами, которая бы обеспечила максимальную энергетическую эффективность процесса преобразования электрической энергии в тепловую. С помощью тиристорного регулятора частота тока асинхронного двигателя варьировалась в пределах от 1 до 50 Гц, а частота вращения ротора с магнитами изменялась в пределах от 120 до 6000 об/мин. На рисунке 3.19 представлены зависимости изменения активной мощности Р3, выделяемой в загрузке, от частоты вращения ротора с магнитами при различном числе пар полюсов 2р, из которых видно, что увеличение числа пар полюсов в два раза ведет к повышению выделяющейся активной мощности в 2,4 раза.
