Введение к работе
Диссертация посвящена проблеме оптимизации переходных режимов работы индукционных установок дискретно- непрерывного действия для нагрева ферромагнитных заготовок в линиях горячей штамповки.
Актуальность проблемы
В условиях дефицита электроэнергии, ее высокой стоимости большое значение приобретает проблема достижения экстремальных значений технико–экономических показателей технологических комплексов «индукционный нагрев – обработка металла давлением». Наименее исследованными и одновременно наиболее сложными представляются задачи оптимального управления переходными режимами индукционных нагревателей дискретно–непрерывного действия, которые в реальных условиях составляют значительную часть рабочего времени технологической линии. Такие режимы возникают при первоначальном пуске нагревателя, при повторном пуске из различных состояний, вызванных перерывами в работе технологического оборудования.
Основной задачей управления переходными режимами таких индукционных нагревателей является минимизация потерь, обусловленных неизбежными отклонениями температурного режима заготовок на выходе из нагревателя от требуемого по технологии значения в установившемся режиме. Решение подобной задачи для односекционных нагревателей дискретно-непрерывного действия усложняется наличием нескольких заготовок, одновременно находящихся в индукционном нагревателе различное время под различным управляющим воздействием.
Другой важной особенностью процесса дискретно-непрерывного индукционного нагрева магнитных сталей до температур, превышающих точку Кюри, в однозонном нагревателе является неравномерное распределение мощности внутренних источников тепла по длине нагревателя, обусловленное изменением электрических параметров загрузки в функции температуры металла.
В установившемся режиме работы с заданным темпом выдачи кондиционных заготовок распределение мощности по длине загрузки представляет собой нелинейную функцию, зависящую от температурного распределения. В нестационарных режимах работы нагревателей дискретно-непрерывного действия (пуск нагревателя, смена производительности, смена номенклатуры и т.д.), происходит непрерывное изменение температурного распределения в металле по длине нагревателя, а, следовательно, и электрических параметров системы «индуктор-металл», обусловленное изменением продольной координаты точки Кюри. Это приводит к непрерывному изменению распределения удельной мощности по длине нагревателя, что существенно усложняет поиск оптимального алгоритма управления подводимой к индуктору мощностью в процессе выхода на установившийся режим работы.
При указанных обстоятельствах поиск оптимального алгоритма управления переходными режимами работы является задачей существенно нелинейной, допускающей только численные методы расчета.
В связи с этим актуальными задачами исследования являются теоретическое и экспериментальное исследования электромагнитных и тепловых полей в установившемся и переходных режимах работы односекционного индукционного нагревателя с ферромагнитной загрузкой, поиск оптимальных алгоритмов управления переходными режимами работы, обеспечивающих минимизацию потерь при выходе на установившийся режим работы и синтез оптимальной системы управления, реализующей найденные алгоритмы.
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. 01200802926), «Создание математических моделей взаимодействия электромагнитных и тепловых полей в пространственно распределенных объектах» (№ г.р. 01200951711); «Разработка теоретических основ системного анализа и методов нетрадиционной реализации взаимосвязанных процессов энергообмена в электромагнитных и температурных полях» (№ г.р. №01200602849), «Разработка научных основ и методологии проектирования нетрадиционных технологий индукционного нагрева» (№ г.р. №01200208264) и гранта РФФИ «Разработка методологии оптимального проектирования физически неоднородных объектов электротермических производств по системным критериям качества» (№ г.р. 01200602849); Госзадание Минобрнауки «Разработка научных основ энергоэффективных технологий, основанных на принципах электромагнитной индукции» (№ г.р. 01201369727).
Целью работы является разработка оптимальных алгоритмов управления переходными режимами работы индукционных нагревательных установок дискретно-непрерывного действия, обеспечивающих повышение их энергоэффективности.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
разработка специализированной математической модели процесса дискретно-непрерывного индукционного нагрева, ориентированной на решение задач оптимизации переходных режимов односекционного индукционного нагревателя с ферромагнитной загрузкой;
исследование электромагнитных и тепловых полей в системе «индуктор–загрузка» с учетом изменяющихся в процессе нагрева электрических параметров системы;
исследование зависимости электрических характеристик системы «индуктор–загрузка» от температурного распределения по длине загрузки в переходных режимах;
разработка и исследование оптимальных режимов работы индукционных нагревателей дискретно-непрерывного действия в условиях глубоких возмущений при пуске нагревателя после останова;
синтез системы автоматической оптимизации процесса выхода индукционного нагревателя на установившийся режим работы;
разработка и техническая реализация системы оптимального управления режимами работы индукционной установки.
Решение перечисленных выше проблем в совокупности составляет основное содержание диссертации, выполненной автором в Самарском государственном техническом университете (СамГТУ).
Методы исследования
Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, теории теплопроводности, теории электромагнитного поля, численные методы решения полевых задач, методы оптимального управления, теория автоматического регулирования, методы компьютерного моделирования.
Научная новизна
– Предложена методика численного решения задачи оптимального управления переходными режимами работы индукционной нагревательной установки дискретно–непрерывного действия для нагрева ферромагнитных заготовок до температур пластической деформации;
– найдены алгоритмы оптимального управления переходными режимами индукционного нагревателя дискретно–непрерывного действия;
– установлены на основе численной модели процесса зависимости электрических характеристик индуктора от температурного распределения по длине загрузки в переходных режимах работы нагревателя дискретно–непрерывного действия;
– предложена структура оптимальной замкнутой системы, реализующей оптимальный алгоритм управления переходными режимами индукционного нагревателя с формированием линии переключения фазовой траектории оптимальной системы на основании текущего контроля коэффициента мощности системы «индуктор–загрузка».
Практическая полезность работы
Практическая польза проведенных исследований определяется следующими результатами:
– разработан и реализован на ЭВМ алгоритм расчета взаимосвязанных электромагнитных и тепловых полей при нагреве цилиндрических заготовок в индукционной нагревательной установке дискретно-непрерывного действия;
– разработана инженерная методика расчета алгоритмов оптимального управления переходными режимами индукционной установки для нагрева ферромагнитных заготовок цилиндрической формы;
– синтезирована замкнутая по коэффициенту мощности система оптимального управления переходными и стационарными режимами работы односекционного индукционного нагревателя дискретно-непрерывного действия.
Результаты работы использованы в научно–исследовательской работе в виде алгоритмического и программного обеспечения при исследовании электромагнитных и тепловых полей в системах индукционного нагрева и в учебном процессе Самарского государственного технического университета при подготовке бакалавров и магистров по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника».
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2008, 2009); Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2010); 67 Всероссийской научно-технической конференции «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» (г. Самара, 2010); Международной научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009); Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010, 2011); Международной научно-технической конференции «Автоматизация. Проблемы, идеи, решения (АПИР) – 15» (г. Тула, 2010); 9 Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (г. Самара, 2010); Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (г. Оренбург, 2010); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (г. Одесса, 2010); V Международной научной конференции «Научный потенциал XXI века» (г. Ставрополь, 2011); VIII Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (г. Таганрог, 2010); Всероссийской научно-технической интернет-конференции с международным участием «Высокие технологии в машиностроении» (г. Самара, 2010); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУСУР-2011» (г. Томск, 2011); Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XV Бенардосовские чтения) (г. Иваново, 2011).
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 23 печатных работ, 4 из которых в изданиях из списка ВАК.
Структура и объем диссертации
