Содержание к диссертации
Введение
1 Общая характеристика решаемых задач 9
1.1 Виды силового воздействия электромагнитного поля и тока и их значение в системах индукционного нагрева 9
1.2 Характеристика систем индукционного нагрева для исследования силовых эффектов электромагнитного поля и тока 18
1.3 Анализ методов и программ расчта электродинамических усилий 21
1.4 Постановка задачи исследований 26
1.5 Выводы по разделу 27
2 Методы и программы расчёта электродинамических усилий в индукционных нагревателях 29
2.1 Метод конечных элементов, программы расчта ELCUT и FLUX 29
2.2 Метод и программы электромагнитного расчта индукторов для нагрева цилиндрических изделий 34
2.3 Метод электротеплового расчта индукторов для нагрева цилиндрических изделий 36
2.4 Алгоритм расчта электродинамических усилий 44
2.5 Предметно-ориентированная программа расчта ELTA 2 52
2.6 Сравнительная характеристика результатов расчта электродинамических усилий, полученных по разным программам 54
2.7 Выводы по разделу 60
3 Электродинамические усилия в индукционных системах 63
3.1 Проблемные вопросы силового воздействия электромагнитного поля и тока 63
3.2 Электродинамические усилия, действующие на немагнитные заготовки в цилиндрических индукторах 65
3.3 Электродинамические усилия, действующие на ферромагнитные заготовки
в цилиндрических индукторах 88
3.4 Электродинамические усилия в индукторах и магнитопроводах 102
3.5 Выводы по разделу 108
4 Методы снижения электродинамических усилий и их рационального использования 109
4.1 Характеристика методов снижения и использования электродинамических усилий 109
4.2 Основные задачи по снижению вибрации витков 114
4.3 Основные задачи по защите от самопроизвольного перемещения загрузки . 117
4.5 Основные подходы к созданию индукционного электропривода для контролируемого перемещения загрузки 118
4.5 Выводы по разделу 125
5 Проблемы электромагнитно-механической совместимости индукционных нагревателей и пути их решения 126
5.1 Описание проблем электромагнитно-механической совместимости 126
5.2 Пути решения задач, связанных с обеспечением электромагнитно-
механической совместимости индукционных нагревателей 129
5.3 Методика проверки индукционных установок на соответствие требованиям
электромагнитно-механической совместимости 132
5.4 Выводы по разделу 137
Заключение
- Характеристика систем индукционного нагрева для исследования силовых эффектов электромагнитного поля и тока
- Метод и программы электромагнитного расчта индукторов для нагрева цилиндрических изделий
- Электродинамические усилия, действующие на немагнитные заготовки в цилиндрических индукторах
- Основные задачи по защите от самопроизвольного перемещения загрузки .
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Диссертационная работа посвящена исследованию проблемных вопросов силового воздействия электромагнитного поля и электрического тока в индукционных нагревателях, методов снижения интенсивности такого воздействия, возможности использования сил в полезных для индукционных электротехнологий целях, а также выработке критериев испытаний индукционных установок на электромагнитно-механическую совместимость (ЭММС) и разработке методологии таких испытаний.
Из практики использования индукционных нагревателей известно, что в некоторых случаях механические силы, создаваемые электромагнитным полем и током, воздействуя на конструкции и элементы системы "индуктор - магнитопровод - элементы крепления - загрузка", приводят к серьёзным последствиям и препятствуют внедрению прогрессивного индукционного нагрева во многие технологические процессы. В связи с этим детальное исследование вопросов ЭММС, определение методов и путей снижения негативного влияния усилий до допустимых или приемлемых для практики значений, является актуальным.
При разработке индукционного электротехнологического процесса и оборудования для его реализации первостепенное значение имеет не только получение качественного и эффективного нагрева, то есть технологическая надёжность, но и безопасность или безвредность этого процесса для персонала. Наряду с обеспечением технологической надёжности процесса, которая может быть нарушена электродинамическими усилиями (ЭДУ), достаточно большое внимание следует уделять механической опасности, создаваемой в системах индукционного нагрева, поскольку некоторые процессы в них ещё недостаточно хорошо изучены и требуют надлежащего внимания как со стороны разработчиков, так и со стороны заводских специалистов. ЭДУ способны вызвать непосредственное травмирование обслуживающего персонала от самопроизвольно движущихся заготовок, нарушение таких конструктивных элементов индуктирующих катушек как контактные соединения и межвитковая электрическая изоляция с вытекающими отсюда опасными последствиями.
Степень разработанности темы.
Несмотря на то, что ЭДУ изучались многими авторами, имеется ограниченное число работ, в которых электродинамические усилия в некоторых устройствах индукционного нагрева исследовались целенаправленно. Практически отсутствовал системный подход к проектированию индукционных установок, при котором ЭДУ должны рассматриваться уже на первых этапах проектирования, а созданные установки должны подвергаться специальным испытаниям на ЭММС. Требование обеспечения высшего приоритета проблемам безопасности по сравнению с другими электротехнологическими задачами является настоятельной необходимостью разработчиков и исследователей.
Цель работы: получение качественных и количественных зависимостей основных параметров электродинамических усилий в индукционных системах, определение возможности их снижения или рационального использования при проектировании и эксплуатации устройств индукционного нагрева для различных электротехнологических процессов, выработка критериев электромагнитно-механической совместимости, на которые следует проверять такие системы.
Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие задачи:
-
Разработаны метод и предметно ориентированная программа расчёта параметров электродинамических усилий с учётом изменения температуры загрузки, её электрических и теплофизических свойств во время нагрева.
-
Определён комплекс параметров, влияющих на усилия для немагнитной и ферромагнитной цилиндрической загрузки.
-
Определены критерии выбора основных параметров индукционных нагревателей цилиндрической загрузки одновременного и полунепрерывного действия, при которых наступают критические силовые эффекты самопроизвольного перемещения загрузки с учётом величины заглубления, частоты тока, электро- и теплофизических свойств нагреваемого материала.
-
Исследованы электродинамические усилия, приводящие к выбросу цилиндрических заготовок из индуктора при несимметричном расположении или зазорах между соседними заготовками.
-
Рассмотрен комплекс проблемных вопросов электромагнитно-механической совместимости цилиндрических индукционных нагревательных систем.
-
Разработаны критерии электромагнитно-механической совместимости, на которые необходимо проверять и испытывать индукционные нагревательные системы различного технологического назначения.
-
Рассмотрены вопросы возможности создания специализированного индукционного электромагнитного привода цилиндрических заготовок для направленного перемещения их внутри нагревателей при одновременном и непрерывно-последовательном режимах нагрева.
Научная новизна проведённых исследований состоит в следующем:
-
Сформулирована и обоснована математическая модель совместного расчёта электромагнитных, тепловых параметров индукционных нагревателей цилиндрических заготовок и электродинамических усилий, создаваемых в таких системах, разработана предметно ориентированная программа расчёта на ЭВМ.
-
Предложена ранее не сформулированная классификации методов управления электродинамическими усилиями, получена новая информация о влиянии режимов питания и конструктивного исполнения нагревателей на электродинамические усилия. Установлено, что, увеличивая напряжение на индукторе, можно добиться изменения направления силы, действующей на ферромагнитную загрузку.
Теоретическая и практическая значимость работы:
-
Разработана программа двумерного электротеплового анализа и расчёта электродинамических усилий в индукционных нагревателях различного технологического назначения с учётом изменяющихся в процессе нагрева основных параметров и использованием двух или более частот источников питания.
-
Получены зависимости распределения электродинамических усилий для наиболее распространённых конструкций промышленных индуктирующих систем, позволяющих оценить возможные проблемы, которые могут встретиться при их разработке и внедрении.
-
Предложены новые методы управления электромагнитным полем и электродинамическими усилиями для снижения негативных эффектов, возникающих при работе или испытаниях индукционных нагревателей.
-
Получены рекомендации по практическому применению и проектированию индукционных систем для нагрева утяжелённых бурильных труб сбалансированных, мерных цилиндрических заготовок из меди и её сплавов, алюминия и его сплавов, титана, немагнитной и ферромагнитной стали, позволяющие обеспечить их электромагнитно-механическую совместимость.
-
Разработана научно-обоснованная методика проведения испытаний индукционных установок на соответствие требованиям электромагнитно-механической совместимости.
Методология и методы исследования:
Исследование электромагнитных, тепловых и электродинамических процессов проводится с использованием математического моделирования, основанного на теории индукционного нагрева, методах математической физики и вычислительной математики, а также физического моделирования для проверки результатов расчётов.
При математическом моделировании использовались численные методы и программы расчёта, основанные на методе импедансных граничных условий и методе конечных элементов.
Данная диссертационная работа является частью исследований, выполненных автором на кафедре Безопасности жизнедеятельности Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина).
На защиту выносятся следующие основные положения:
метод и предметно ориентированная программа расчёта электротепловых параметров и электродинамических усилий индукционных нагревателей для цилиндрических заготовок;
результаты исследования электродинамических усилий, действующих на цилиндрические заготовки, индуктирующие катушки и магнитопроводы целого ряда промышленных индукционных установок;
средства управления электродинамическими усилиями индукционных нагревательных систем;
рекомендации по снижению электродинамических усилий нагревателей;
критерии электромагнитно-механической совместимости индукционных нагревателей;
результаты исследований по созданию индукционного электромагнитного привода для перемещения заготовок в индукционных нагревателях.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением с экспериментальными данными и результатами, полученными по программам расчёта, достоверность которых не вызывает сомнения.
Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на 63-й, 64-й, 65-й и 66-й конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" в 2010, 2011, 2012 и 2013 гг., 9-ом Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, 13-16 сентября 2011 г., СПб, на XVII UIE Congress May 21- 25, 2012, St. Petersburg, Международной конференции Heating by Electromagnetic Sources HES - 13, Padua, May 21 - 24.
Публикации. Результаты выполненных исследований по теме диссертационной работы изложены в 10 научных работах, в том числе в 5 статьях в научно-технических журналах, рекомендованных ВАК, а также в материалах научно-технических, международных конференций, симпозиума и конгресса (5 публикаций).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающей 106 наименований, и 5 приложений. Основная часть работы изложена на 140 страницах машинописного текста. Работа содержит 67 рисунков и 10 таблиц.
Внедрение результатов работы. Программа двумерного расчёта внедрена в практику проектирования индукционных систем различного технологического назначения ведущих отечественных научно-производственных фирм: ФГУП ВНИИ ТВЧ, ООО НПФ "Фреал и Ко", ООО "Градиент". Результаты диссертационной работы используются для обучения в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете бакалавров по дисциплине "Безопасность жизнедеятельности" и магистров по дисциплинам "Специальные вопросы проектирования безопасной приборной техники" и "Системы обеспечения безопасности технических средств управления". Экономический эффект от внедрения результатов работы оценивается в 254600 руб. в год.
Характеристика систем индукционного нагрева для исследования силовых эффектов электромагнитного поля и тока
Результаты исследования усилий, действующих на магнитные и немагнитные тела, проведены в работе [45]. Некоторые работы посвящены исследованию электродинамических усилий в индукционных установках поперечного магнитного поля [46].
Исследования усилий, действующих на алюминиевую ленту, витки индуктора и магнитопроводы в плоских многофазных индукционных системах, проведены в работе Али Аднана Махмуда [47].
Связанные электромеханические проблемы, в частности создание специальных осевых усилий, исследовались на примере многовиткового внутреннего индуктора с током до 140 кА и двух немагнитных тонких труб для ядерной энергетики [48].
Большое внимание исследованию проблемных вопросов усилий, действующих в индуктирующих системах для нагрева алюминиевых слябов, было уделено в 70-е и 80-е годы 20 века Л. С. Зиминым, его коллегами и учениками [49 - 53].
Изучению ЭДУ, действующих на индуктор для нагрева слябов при ярко выраженном поверхностном эффекте, посвящена работа А. Ф. Сутягина [50]. Для вычисления усилий, действующих на прямоугольный индуктор, предлагается модификация метода интегральных уравнений со следующими ограничениями: нагрев осуществляется на промышленной частоте, что позволяет априорно выделить основной токонесущий слой по периметру нагреваемого тела; нагреваемые тела немагнитные. Определена как переменная, так и постоянная составляющие ЭДУ, действующие на индуктор. В работе основное внимание уделяется вопросам, связанным с оценкой виброакустических характеристик системы “индуктор-загрузка” [50, с. 9-11].
В материалах международной конференции “Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева APIH 05. 25 - 26 мая 2005” Л. С. Зиминым и М. Е. Федотовым показано, что электродинамическая проблема при индукционном нагреве слябов качественно характеризуется удельной электродинамической нагрузкой в системе, расчт которой приведн в разделе, посвящнном методам расчта усилий [51]. В этой работе приводятся результаты исследования вибродинамических моделей индукторов для нагрева сляба размерами 0,3x1,24x2,4 м при активной мощности, потребляемой индуктором, равной 1500 кВт. Основная проблема с большими силовыми воздействиями на витки индуктора, создающими интенсивный шум, решается за счт армирования индуктора стеклопластиком и бетонными блоками. Если до применения бетона уровень звука составлял 125 дБА, то после армирования его удалось снизить до 65 дБА. При нагреве титанового сляба 0,18x1,2x1,6 м в индукторе с активной мощностью 1400 кВт применение эпоксидного компаунда позволило снизить шум только до 85 дБА, что на 5 дБА больше нормируемого.
Как показала практика, при проектировании любой индукционной установки даже в настоящее время встречаются задачи по изучению ЭДУ, которые приходится решать из-за возникающих проблем. Так, например, при создании индукционной установки для наплавки ротора беличьей клетки наличие большой по величине электродинамической силы, которая в данном случае оказалась недостаточной для перемещения ротора вверх, тем не менее, создало проблемы повышенной вибрации и шума [54]. Расчтным путм определено, что аксиальная сила, действующая на ротор, при мощности индуктора, находящегося под ним, 50 кВт на частоте тока 3 кГц, составила 700 Н, а при мощности 75 кВт - 1000 Н. На частоте тока 50 кГц она уменьшилась до 160 и 240 Н соответственно. Таким образом, исследования показали, что изменение частоты тока может оказать большое влияние на усилия. Это ещ раз указывает на необходимость проведения исследований по вопросам электромагнитно-механической совместимости индукционных устройств различного технологического назначения не только при использовании частоты тока 50 Гц, но и на средней частоте.
1.2 Характеристика систем индукционного нагрева для исследования силовых эффектов электромагнитного поля и тока
Индукционные электротермические установки занимают большую долю в нагревательном оборудовании различных отраслей промышленности благодаря достоинствам индукционного метода нагрева металлических изделий перед другими традиционно применяемыми технологиями. Их мощность составляет от десятков киловатт до нескольких десятков и даже сотен мегаватт [55 - 57)]. Такой запас потенциальной энергии нест в себе определнный риск выхода е за допустимые пределы. При некоторых условиях эта энергия создат реальную опасность как для самой установки и технологического процесса, так и для обслуживающего персонала. Специалисты утверждают и можно согласиться с таким утверждением о том, что цена ошибки при проектировании мощных индукционных нагревателей чрезвычайно высока [58, с. 2]. Основными физическими факторами, создающими повышенную опасность, являются большое напряжение систем питания индукторов, высокие температуры нагретых изделий, значительные электродинамические усилия и некоторые другие. Проблемы обеспечения безопасности при проектировании и эксплуатации индукционных электротермических установок достаточно подробно описаны в монографии Буканина В. А. [59], тем не менее, появляются новые материалы исследований, которые должны быть доступны как разработчикам оборудования, так и заводским специалистам.
Далее приведена краткая характеристика исследуемых систем с точки зрения значимости электродинамических усилий, а также для постановки задачи исследования и дальнейшей разработки вопросов электромагнитно-механической совместимости.
Обычно системы индукционного нагрева представляют собой одиночную индукционную катушку или совокупность нескольких катушек, подключнных к источнику питания переменного тока промышленной, средней или высокой частот, магнитопрово-дов или магнитных концентраторов и других дополнительных элементов. Основным назначением катушек и магнитопроводов является создание магнитного поля определн-ной конфигурации, способного эффективно и качественно нагревать металлические тела за счт наведнного в них электрического тока.
Многие электротехнологические процессы, проводимые с металлическими изделиями, в которых нагрев является одной из основных операций, требуют использования индуктирующих катушек, охватывающих эти изделия снаружи.
В индуктирующих системах одновременного типа действия заготовка с помощью механизма перемещения загружается в индуктор, нагревается до необходимой температуры и затем выгружается. Если нагрев происходит по всей длине, заготовка полностью находится в индуктирующей катушке. Если же нагреву подлежат только отдельные е части, к примеру, концы, то часть заготовки находится в индукторе, а часть – на воздухе.
Метод и программы электромагнитного расчта индукторов для нагрева цилиндрических изделий
В распоряжении исследователя имеются обширные возможности по представлению результатов расчта в табличной и графической формах, построения цветовых картин поля, изолиний, двумерных и трхмерных графиков. Также доступен экспорт числовых результатов в другие форматы.
В стандартной конфигурации результатов FLUX имеется возможность получить результат расчта силы Лапласа. Расчт осуществляется по ранее упомянутой формуле (2.3). В отличие от пакета ELCUT, в постпроцессоре FLUX рассчитывается как радиальная, так и аксиальная составляющие силы Лапласа. К сожалению, составляющая силы, действующая на ферромагнитные тела, не учитывается. Необходимо самим делать программу, позволяющую учитывать градиент магнитной проницаемости, что представляет определнные трудности даже для опытных программистов, не говоря уже о специалистах технологах.
Рассматривая возможности программных комплексов ELCUT и FLUX, можно заключить, что данные средства в ряде случаев позволяют рассчитать электродинамических усилий в устройствах индукционного нагрева. Однако ряд причин не позволяет использовать упомянутые программные средства для полной оценки воздействия электродинамических усилий. Причиной этому является то, что они являются инструментами широкого профиля, позволяющими строить модели большого многообразия различных электромеханических и электромагнитных систем. Ввод параметров геометрии устройства и задачи является достаточно монотонным и трудомким процессом, занимающим продолжительное время у разработчика-исследователя.
Известно, что электромагнитные свойства ферромагнитных проводниковых материалов сильно зависят от напряжнности магнитного поля и температуры. Программных комплекс ELCUT, к сожалению, не позволяет учесть эти зависимости также при решении задачи магнитного поля переменных токов с совмещнной тепловой задачей.
В программе FLUX имеется возможность написания скрипов на языке Python, имеющих доступ к объектам модели. С одной стороны, это позволят автоматизировать некоторые процедуры представления результатов (распределение радиальной составляющей усилий по виткам индуктора). Однако эта часть возможностей FLUX практически не документирована, приходится самому разбираться в сложных вопросах программирования, что не каждому исследователю удатся в полной мере. FLUX позволяет достаточно легко рассчитать силы, действующие на витки индуктора. Однако моделирование процесса загрузки, разгрузки индуктора вызывает ряд сложностей: требуется задание дополнительной подвижной системы координат, определение соответствующих свойств для всех блоков модели. Лицензия для пакета “индукционный нагрев” не предусматривает данную опцию. Расчт подобного режима был выполнен в ELCUT с помощью надстройки LabelMover. Однако даже для случая немагнитной загрузки в модели без ферромагнитных тел он занял достаточно продолжительное время (около 90 мин). При попытке расчта той же системы, но с ферромагнитными телами (магнитопроводом индуктора), расчт завершается неудачей: происходит сбой в расчте из-за ошибки программы.
Таким образом, расчт распределения усилий, действующих на загрузку индуктора, в рассматриваемых пакетах в ряде технологических режимов возможен, но затруднителен. Расчт усилий, действующих на ферромагнитную загрузку, в ряде случаев неточен или невозможен без доработки программного обеспечения (расчт в ELCUT радиальной составляющей, действующей на магнитопровод и индуктор, и в пакете FLUX учт составляющей, действующей на ферромагнитные тела).
Несмотря на указанные ранее недостатки и сложности, рассматриваемые пакеты программ незаменимы в случаях, когда нужно определить распределение усилий по одной из координат (к примеру, расчт усилий, действующих на витки индуктора в пакете FLUX). Кроме того, они необходимы при расчте систем со сложной геометрией.
Таким образом, для комплексной оценки усилий, действующих на ферромагнитную и немагнитную загрузку в большинстве типовых промышленных цилиндрических индукционных нагревателях во всм диапазоне технологических режимов, требуется программное обеспечение более простое, чем рассмотренное в данном разделе.
Метод и программы электромагнитного расчта индукторов для нагрева цилиндрических изделий
Одним из наиболее эффективных методов расчта электромагнитных параметров цилиндрических устройств индукционного нагрева, которые в основном определяют и от которых зависят электротехнологические режимы и параметры безопасности, является метод импедансных граничных условий [37, с. 86-88]. На его основе в 70-е – 90-е годы XX века было разработано достаточно много программ электромагнитного и элек-тротеплового расчта вначале на языке FORTRAN, а позднее и на других языках программирования [37, 58, 64, 70]. Продолжается разработка и совершенствование специализированных компьютерных программ с использованием этого метода и в настоящее время [70, 73 - 75]. Благодаря достоинствам метода, которые связаны с тем, что при решении внешних задач требуется только знание импедансов (сопротивлений) на поверхности загрузки, можно существенно сократить время расчта, требуемые объмы оперативной памяти ЭВМ и запоминаемой информации.
Если говорить о расчте электродинамических усилий, то они были успешно использованы при проведении исследований [38, 39, 44] и могут в дальнейшем использоваться с некоторыми доработками.
Для исследования усилий, действующих на витки индуктора, в работе [44] приводятся формулы для аксиальной и радиальной составляющих ЭДУ. Постоянная и переменная составляющие ЭДУ определяются путм вычисления взаимодействия их токов с магнитным полем.
Электродинамические усилия, действующие на немагнитные заготовки в цилиндрических индукторах
Вариант 3. Определим усилия, действующие на витки индуктора. Параметры эксперимента: ток индуктора поддерживается постоянным на уровне 4300 А, частота 50 Гц, температура всех слитков составляет 20 С. Получение результатов данного расчта оказалось наиболее трудомким. Из имеющихся в распоряжении программ только FLUX позволяет получить непосредственно радиальную составляющую силы, действующую на каждый виток индуктора. Однако имеющиеся в распоряжении данного пакета средства представления результатов не позволяют непосредственно получить такую зависимость. Потребовалась разработка специального макроса на языке Python, позволяющего получить данные результаты и экспортировать их в текстовый файл. Исходный код данной программы приведн в приложении Г.
Модель, реализованная в программе ELTA2, не позволяет рассчитывать электродинамические усилия каждого витка в отдельности, вследствие чего может быть рассчитана только сила, действующая на всю катушку индуктора. Чтобы оценить осевую и радиальную составляющие силы, действующую на крайний виток, который является наиболее проблемным, можно искусственно отделить его от основного индуктора и рассчитать усилия, в основном вручную, смещая его по координатам Z и R.
В осесимметричной постановке задачи магнитного поля переменных токов программы ELCUT сделано допущение относительно направления действия силы Лоренца и полной пондеромоторной силы. Считается, что эти силы всегда направлены вдоль оси симметрии системы, что не корректно для цилиндрического индукционного нагревателя. Для расчта радиальной составляющей силы, действующей на индуктор, из ELCUT были экспортированы значения проекций векторов напряжнности и индукции магнитного поля и был выполнен расчт полной пондеромоторной силы. На рисунке 2.12 представлены результаты моделирования.
Среднее значение радиальной составляющей силы, действующей на виток индуктора, полученной по расчту в ELCUT составило 826,9 H, в FLUX 2D – 812,4 Н, в ELTA2 – 804,01 Н (полная сила, действующая на индуктор, составила 73164,91 Н). Можно говорить о достаточно хорошей сходимости результатов для практики. Рисунок. 2.12 – Зависимости радиального усилия, действующего на витки индуктора, от координаты
Определим усилия, действующие на магнитопровод индуктора. Параметры эксперимента – те же. Расчтные значения полной силы, действующей на магни-топровод, оказались отрицательными и составили, соответственно, по ELCUT, FLUX 2D и ELTA2, минус 427 Н, минус 915,084 H и минус 506,37 Н.
1 Проведн анализ методов и программ расчта электродинамических усилий в устройствах индукционного нагрева, показавший, что в настоящее время существует достаточно много коммерческих программ, позволяющих моделировать электротепловые процессы в индукционных установках, которые могли бы быть использованы для их исследования. У каждой из них есть очевидные преимущества и недостатки, не позволяющие в полной мере получать электродинамические усилия, действующие на все элементы индукционных установок.
2 Программы, основанные на методе конечных элементов, эффективны для случаев сложной геометрии катушек индуктора, загрузок и магнитопроводов. Однако изначально они разрабатывались как инструменты общего назначения. Электротепловые процессы в индукционных установках имеют ряд особенностей, таких как неравномерное распределение удельной объмной мощности источников теплоты, нелинейная зависимость магнитных и электрических свойств материалов от температуры и напряжнности магнитного поля, поэтому для точного расчта характеристик магнитного поля и температуры эти моменты должны быть учтены. На сегодняшний день программы FLUX и ELCUT позволяют в той или иной степени учесть обозначенные особенности. Один из таких механизмов: решение совмещнной задачи магнитного поля переменных токов и тепловой задачи. Однако процесс задания исходных данных остается достаточно трудомким, и время расчта значительным. Еще одной трудностью для конечного пользователя является тот факт, что ему приходится управлять процессом генерации сетки. Например, с пакетом FLUX 2D поставляется специальный макрос, который позволяет правильно сгенерировать сетку на глубине проникновения. Однако рассчитать глубину проникновения пользователю предлагается вручную.
3 Разработана предметно-ориентированная программа ELTA2 для моделирования цилиндрических индукционных систем, в основе которой лежит метод конечных разностей для внутренней электротепловой задачи и метод импедансных граничных условий для внешней электрической задачи, позволяющей учитываются особенности распределения удельной мощности источников теплоты и зависимости характеристик материалов от температуры и напряжнности магнитного поля. В ELTA2 выполняется расчт усилий, действующих на загрузку, индукторы и магнитопроводы по специально разработанному алгоритму, основанному на взятии производной от электромагнитной энергии по координате при изменении геометрического параметра исследуемой системы. Этот расчт осуществляется достаточно быстро и главное с учтом реального распределения температуры внутри загрузки, что позволяет значительно повысить точность и достоверность получаемых результатов.
4 Проведено сравнение результатов ЭДУ, полученных по ELTA2, ELCUT и FLUX 2D, показавших, что расхождение между ними имеется, однако оно относительно небольшое. Это может служить основанием для использования имеющихся пакетов программ для детального исследования проблемных вопросов электродинамических усилий. Для систем, имеющих сложную геометрию, и для случаев анализа и оптимизации конструкций индуктора с точки зрения вибростойкости единственным средством численного моделирования распределения электродинамических усилий являются паке ты программ для моделирования электрических и тепловых полей общего назначения, основанные на методе конечных элементов. Примерами таких средств являются программы ELCUT и FLUX 2D. Для таких задач, как оценка разработчиками индукционного оборудования уровней электромагнитно-механической совместимости для наиболее распространнных цилиндрических индукционных нагревателей, больше подойдет простая в использовании программа ELTA2, которая позволяет учесть реальное распределение удельной мощности источников теплоты и изменение свойств материалов в зависимости от температуры и напряжнности магнитного поля.
Основные задачи по защите от самопроизвольного перемещения загрузки .
Как видно из таблицы 3.5 при приблизительно одинаковых условиях по активной мощности трхфазной системы электродинамические усилия, действующие на индуктирующие катушки, при нагреве разных металлов отличаются. Наибольшие радиальные усилия испытывают индукторы для нагрева алюминия и меди (43,1 – 49,3 кН). На индукторы для нагрева стальных немагнитных заготовок действует уже гораздо меньшая сила (17,6 – 19,3 кН), а на индукторы для нагрева ферромагнитной стали – ещ меньшая (6,3 – 6,8 кН). Таким образом, также как и для электродинамических усилий, действующих на нагреваемые заготовки, можно говорить о том, что с увеличением удельного сопротивления материала немагнитных заготовок ЭДУ, действующие на катушки индукторов уменьшаются. Для второго и третьего индукторов сила меньше по той же причине, поскольку с повышением температуры удельное сопротивление растт. Для ферромагнитной стальной загрузки ЭДУ почти в три раза меньше, чем для немагнитной.
Исследования показали, что сдвиг фаз напряжения питания соседних индукторов 0, 60 и 120 практически не влияет на величину радиальных усилий. Некоторое влияние имеется только для аксиальной составляющей ЭДУ.
Из таблицы 3.5 также видно, что максимальные значения аксиальных усилий имеет третий индуктор. Это обусловлено тем, что последняя заготовка заглублена в индуктор на расстояние 50 мм. Усилия направлены в сторону выгрузки и равны 732; 774; 291 и минус 2,4 Н, соответственно, при нагреве алюминия, меди, немагнитной и ферромагнитной стали. Аксиальные усилия, действующие на первый и второй индукторы, при нагреве немагнитных заготовок значительно меньше, чем на третий. Это можно объяснить наличием несимметрии в расположении загрузки по отношению к индуктору.
Из таблицы 3.6 видно, что радиальные усилия действуют на магнитопровод, притягивая его к индуктору. Для рассматриваемой системы они небольшие по сравнению с усилиями, действующими на индуктор и, скорее всего, не могут создать ощутимых проблем. Аксиальные усилия в магнитопроводе первого нагревателя отрицательные, а в третьем могут быть как положительные, так и отрицательные и тоже относительно небольшие.
1 Детальное рассмотрение электродинамических усилий, действующих в ряде типовых индукционных нагревательных системах для нагрева цилиндрических заготовок, позволило лучше, чем ранее, понять существование возможных проблем, которые встречались при их проектировании, и могут встретиться в дальнейшем при создании мощных индукционных нагревателей. Пользуясь полученной информацией, можно выделить те системы, которые требуют повышенного внимания с точки зрения дополнительных исследований по обеспечению наджности и безопасности технологического процесса.
2 Получены новые представления о распределении электродинамических усилий, действующих на заготовки различных размеров и материалов при нагреве в типовых индукционных установках полунепрерывного типа.
3 Исследованы ЭДУ, действующие на ферромагнитные утяжелнные бурильные трубы при их нагреве для термообработки в индукторах сложной конструкции с торцевыми подогревающими катушками. Показано, что учт реального распределения температуры очень сильно сказывается на характере распределения усилий, вызывая появления втягивающих усилий, а не выталкивающих, если принимать, что вся заготовка при нагреве потеряла ферромагнитные свойства.
4 Исследованы электродинамические усилия, возникающие в индуктирующих катушках и наружных магнитопроводах. Наибольшие значения аксиальные усилия имеются в индукторах для нагрева немагнитных заготовок, где существует несимметричное размещение загрузки, к примеру на стороне выгрузки, когда для обеспечения заданного распределения температуры по длине требуется заглубление последней заготовки внутрь индуктора.
Первая из поставленных в работе целей, подробное описание которой изложено в разделе 3, была в основном достигнута. ЭДУ для некоторых устройств индукционного нагрева, в том числе промышленных, исследованы до такой степени, при которой можно сказать о том, что в целом имеется достаточно полное понимание проблемных вопросов, связанных с электродинамическими усилиями. Второй, не менее важной, целью является определение возможности снижения электродинамических усилий, если это необходимо из условий обеспечения наджности и безопасности технологического процесса, или их рационального использования при проектировании и эксплуатации устройств индукционного нагрева для различных электротехнологических процессов.
Чтобы решать задачи по использованию электродинамических усилий в устройствах индукционного нагрева или защите от их негативного воздействия, вначале необходимо определить, какими методами и средствами можно воспользоваться и как управлять силовым воздействием. Подробной классификации для индукционных устройств пока ещ не встречалось, вероятнее всего, из-за недостаточного внимания и проработанности этого вопроса. В литературе имеются только отдельные упоминания о том или ином методе.
В общем случае методы и средства управления силовым воздействием условно могут быть разделены на средства и методы: использующие выбор режима или параметров источника питания; заложенные в конструкции нагревателя и определяемые технологическим процессом нагрева (рисунок 4.1). Основными режимами и параметрами источника питания, от которых зависит распределение ЭДУ в электромагнитной системе и их интенсивность, являются частота тока, мощность, подводимая к нагревательной системе, и число фаз.
