Содержание к диссертации
Введение
1 Индукционные установки сквозного нагрева, методы их расчета и особенности эксплуатации 10
1.1 Индукционный метод сквозного нагрева металлической загрузки . 10
1.1.1 Основные понятия и определения в технике индукционного нагрева 11
1.1.2 Физические основы индукционного нагрева 13
1.1.3 Особенности индукционных установок сквозного нагрева 17
1.1.4 Классификация индукционных нагревателей сквозного нагрева по принципу действия 19
1.1.5 Индукторы нагревателей для сквозного нагрева . , 23
1.1.6 Схемы силового электропитания установок индукционного нагрева . 27
1.1.7 Требования к индукционным установкам сквозного нагрева 32
1.2 Методы расчета установок индукционного нагрева 33
1.2.1 Методы электромагнитных расчетов индукционных систем 35
1.2.2 Методы расчета температурного поля в загрузке 38
] .2.3 Методы анализа электрических процессов в схемах силового питания установок индукционного нагрева 40
1.2.4 Применение коммерческих пакетов программ" 42
1.3 Выводы по разделу 44
2 Математическое моделирование процесса индукционного нагрева цилиндрической загрузки 46
2.1 Анализ электромагнитного поля в нагреваемой цилиндрической загрузке 50
2J Л Математическое моделирование электромагнитного поля в индукционной системе «индуктор - загрузка» 59
2.1.2 Исследование электромагнитных процессов в обмотках индукционных установок сквозного нагрева 62
2.2 Математическое моделирование теплового поля в цилиндрической загрузке 65
2.3 Исследование электромагнитных процессов в схемах силового питания установок индукционного нагрева , 71
2.3.1 Исследование динамических режимов схем силового питания 80
2.4 Схемотехническое моделирование силовых установок индукционных нагревателей 84
2.5 Выводы по разделу 94
3 Индукционный нагреватель периодического действия градиентного нагрева ОКБ-894А 95
3.1 Описание установки 95
3.2 Численное исследование режимов нагрева цилиндрической загрузки в однофазном индукционном нагревателе 102
3.3 Исследование влияния несимметрии однофазной нагрузки на цеховую сеть , 106
3.4 Разработка мероприятий по модернизации индукционного нагревателя периодического действия 113
3.5 Выводы по разделу , 118
4 Индукционный нагреватель периодического действия ИНМ-75 120
4Л Описание установки 120
4.2 Численное исследование режимов нагрева цилиндрической загрузки в трехфазном индукционном нагревателе методического действия ... 124
4.3 Экспериментальные исследования индукционной установки методического действия 132
4.4 Разработка мероприятий по модернизации индукционного нагревателя ИНМ-75 135
4.5 Выводы по разделу 142
Основные результаты и выводы 144
Список использованных источников 146
Приложения 158
- Индукторы нагревателей для сквозного нагрева .
- Исследование электромагнитных процессов в обмотках индукционных установок сквозного нагрева
- Численное исследование режимов нагрева цилиндрической загрузки в однофазном индукционном нагревателе
- Численное исследование режимов нагрева цилиндрической загрузки в трехфазном индукционном нагревателе методического действия
Введение к работе
Современные установки индукционного нагрева (УИН) - это сложные высокопроизводительные агрегаты мощностью в десятки мегаватт. Они являются неотъемлемыми составными частями автоматизированных технологических систем более высокого уровня. Непрерывно растут требования к качеству нагрева, эффективности термических процессов и процессов управления. При этом « ... достоинства метода («индукционного нагрева» - авт.) могут быть в полной мере использованы лшиъ в том случае, если имеется точное представление о тех зависимостях, которым подчиняется метод не только в целом, но и в отдельных его частях» /41/. Эти слова выдающегося русского ученого В. П. Волощина, написанные в 1947 году, сохранили свою актуальность и сегодня.
В развитие теории индукционного нагрева большой вклад внесли такие ученые, как В. П. Вологдин, Г. И. Бабат, М. Г. Лозинский, А. Е. СлухоцкиЙ /8, 22, 25, 41, 88/ и др. Создание УИН с использованием методик и рекомендаций, полученных на основе анализа экспериментальных данных и аналитических выражений, сегодня не удовлетворяет требованиям современного уровня развития техники индукционного нагрева. С развитием вычислительной техники ,и методов математического моделирования возросла роль численного эксперимента в принятии технических решений при разработке новых и совершенствовании известных установок индукционного нагрева.
В настоящее время для исследования физических явлений в электромагнитной системе индукционных нагревателей используют коммерческие пакеты программ. Существуют также специализированные программы, позволяющие выполнять совместный анализ электромагнитного и теплового полей в процессе нагрева. Большинство программных комплексов ориентировано на применение в среднечастотном и высокочастотном диапазоне, в которых предполагается обычно однофазное исполнение с широкими возможностями согласования параметров источника питания и индукционной нагрузки. Между тем актуальной остается задача численного анализа процесса нагрева в многофазных установках промышленной частоты с учетом эффекта переноса мощности между обмотками разных фаз, ослабления поля на стыке
обмоток, неравномерных потерь мощности в многослойных обмотках, искажения системы симметричных токов и др. Эти явления описаны в монографиях А. Е. Слухоцкого, В. С. Немкова и В. Б. Демидовича /89,104,105/.
Анализ физических процессов в многофазных индукционных установках сквозного нагрева с токами промышленной частоты может быть выполнен с помощью комбинированной математической модели на основе численных методов. Модель должна описывать взаимодействие электромагнитного и теплового полей в индукционной системе нагревателя, а также их влияние на электромагнитные режимы в электросиловой части установки. Однако, на сегодняшний день, не развиты математические модели, которые в комплексе исследуют означенные выше явления, а рекомендаций по расчету многофазных индукционных нагревателей с учетом упомянутых особенностей недостаточно.
Целью диссертационной работы является разработка математической модели и проведение численного и экспериментального исследований для повышения качества нагрева загрузки и улучшения энергетических характеристик индукционных установок.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Сформулировать требования к современным индукционным установкам сквозного нагрева, дать оценку существующих методов расчета и средств математического моделирования нагревателей исследуемого класса.
Разработать комбинированную математическую модель для совместного численного анализа электромагнитных и изменяющихся тепловых полей, а также их влияния на электромагнитные процессы в цепях силового питания установок.
Разработать на основе математической модели алгоритм и программное обеспечение расчета процесса нагрева цилиндрической загрузки для индукционных установок сквозного нагрева с токами промышленной частоты.
Провести численные и экспериментальные исследования установок индукционного нагрева, доказать достоверность результатов математического моделирования.
Рассмотреть промышленные установки индукционного нагрева, определить средства и способы повышения качества нагрева и энергетических характеристик установок, предложить схемные и конструктивные решения по
созданию новых устройств и модернизации уже существующих.
Методы исследования. В работе использованы: численные методы решения краевых задач (метод анализа электромагнитного поля на основе дискретизации свойств сред в расчетной области, метод конечных разностей для анализа теплового поля); численные и численно-аналитические методы расширенных узловых уравнений, дискретных моделей для анализа электромагнитных режимов в схемах силового питания. Кроме того, применялись классические методы теории индукционного нагрева, теоретической теплотехники и электротехники.
Научная новизна исследования состоит в следующем:
Предложена математическая модель для анализа индукционного нагрева цилиндрической загрузки, позволяющая исследовать электромагнитное и изменяющееся тепловое поля в совокупности с электромагнитными процессами в силовых цепях индукционной установки в ходе нагрева.
Выявлены зависимости энергетических характеристик многофазных установок индукционного нагрева от сдвига фаз тока в соседних секциях при наличии магнитопровода в индукционной системе и его отсутствии.
Получены зависимости распределения теплового поля в загрузке для трехфазной установки с размещенными встык секциями индуктора при различных схемах включения обмоток для методического нагрева заготовок разной длины.
Значение для теории индукционного нагрева состоит в ее развитии применительно к анализу и моделированию воздействия взаимосвязанных электромагнитного и теплового полей многофазных индукционных нагревателей на электромагнитные режимы в силовых цепях индукционных установок сквозного нагрева цилиндрической загрузки.
Практическая ценность заключается в следующих результатах:
Разработаны алгоритм и программное обеспечение для численного анализа взаимосвязанных электромагнитного и теплового полей в индукционной системе нагревателя и их воздействия на электромагнитных режимы схем силового питания установок индукционного нагрева.
Предложены новые установки индукционного нагрева, позволяющие регулировать распределение теплового поля по длине загрузки при градиентном нагреве путем создания дополнительных резонансных контуров для индуктора,
оригинальность которых подтверждена тремя патентами РФ.
Предложена новая трехфазная установка индукционного нагрева, позволяющая повысить коэффициент полезного действия, снизить коэффициент несимметрии токов, за счет уменьшения переноса мощности между фазами и обеспечить требуемое качество нагрева, оригинальность которой подтверждена патентом РФ.
Результаты математического моделирования индукционного нагревателя методического действия подтвердили, что предложенные конструктивные и схемные решения позволяют уменьшить фазовый сдвиг токов в соседних обмотках с 60 до 16 град., что способствует уменьшению перепада температуры по длине заготовки с 325 до 125 С, по радиусу - с 36 до 24 С.
Достоверность научных результатов подтверждена удовлетворительным совпадением результатов численного моделирования, полученных с помощью разработанной комбинированной математической модели, с результатами натурных экспериментов, проведенных на действующем промышленном оборудовании.
Использование результатов работы. Результаты работы применены при модернизации индукционного нагревателя методического действия для прессового производства ООО «Литейно-прессовый завод СЕГАЛ» (г. Красноярск), в ходе НИОКР по разработке установок индукционного нагрева 000 «МГД-Мехатерм» и в учебном процессе студентов специальности 140605 «Электротехнологические комплексы и системы». Использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.
Научные результаты диссертации заключаются в следующем;
Разработана математическая модель для анализа индукционного нагрева цилиндрической загрузки, позволяющая исследовать электромагнитное и изменяющееся тепловое поля в загрузке, в совокупности с электромагнитными процессами в силовых цепях в ходе нагрева.
Разработаны алгоритм и программное обеспечение расчета процесса нагрева цилиндрической загрузки для индукционных установок сквозного нагрева в продольном электромагнитном поле токов промышленной частоты.
Выявлены зависимости энергетических характеристик многофазных установок индукционного нагрева от сдвига фаз тока в соседних секциях при наличии магнитопровода в индукционной системе и его отсутствии.
Получены зависимости распределения теплового поля в загрузке для трехфазной установки с размещенными встык секциями индуктора при различных схемах включения обмоток для методического нагрева заготовок разной длины.
Предложены новые индукционные установки сквозного нагрева цилиндрической загрузки токами промышленной частоты и разработаны рекомендации по модернизации уже существующих.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались: на Всесоюзной научно-технической конференции «Устройства и системы автоматики автономных объектов» (Красноярск, 1988); I Всесоюзной конференции по теоретической электротехнике (Ташкент, 1987); Международной конференции «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева» (Санкт-Петербург, 2005); Всероссийской конференции с международным участием «Актуальные проблемы энергосберегающих электротехиологий» (Екатеринбург, 2006).
Публикации. Автор имеет 70 научных трудов, из которых 29 по теме диссертации (1 статья в издании по перечню ВАК, 4 патента РФ, 16 статей в межвузовских сборниках, 1 депонированная статья и 11 тезисов докладов на всесоюзных, международных и всероссийских научно-практических конференциях и семинарах). Часть списка трудов приведена в диссертации.
Личный вклад автора в результаты работ, выполненных в соавторстве, состоит в разработке расчетных, математических и физических моделей, алгоритмов и программного обеспечения для расчета физических полей индукционных нагревателей и электрических цепей, в проведении вычислительных и натурных экспериментов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения (6 страниц), четырех разделов (36 страниц, 49 страниц, 25 страниц, 27 страниц соответственно), списка использованных источников (117 наименований на 11 страницах) и 3 приложений (4 страницы). Общий объем - 161 страница.
Во введении обоснована актуальность проблемы, указана цель и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы, сформулированы основные научные результаты, выносимые на защиту, отражены вопросы апробации и достоверности полученных результатов.
В первом разделе даны термины и определения в технике индукционного
нагрева; изложены физические основы преобразования электрической энергии в тепловую посредством индукционного нагрева; приведена классификация индукционных нагревателей для сквозного нагрева и возможные схемы силового питания УИН; выполнен обзор методов анализа и сформулированы требования к индукционным установкам.
Во втором разделе представлена разработанная комбинированная математическая модель анализа процесса нагрева с учетом взаимосвязанных электромагнитного и теплового полей и их влияния на электромагнитные режимы в схем электропитания; разобран математический аппарат для построения модулей, показан алгоритм их взаимодействия, приведены основные схемотехнические модели УИН и методика их использования.
В третьем разделе представлены результаты численного и экспериментального исследования процесса градиентного нагрева алюминиевой загрузки в индукционной установке периодического действия ОКБ-894А, приведены схемные и конструктивные решения по его модернизации в целях повышения качества нагрева и энергетических характеристик.
В четвертом разделе представлены результаты численного и экспериментального исследования нагрева алюминиевой загрузки в трехфазной индукционной установке методического действия перед прессованием, рассмотрены схемные и конструктивные решения по его модернизации в целях повышения качества нагрева и энергетических характеристик.
В заключении изложены основные выводы и результаты работы.
В приложении представлены материалы по использованию результатов диссертационной работы.
Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность научному руководителю, заведующему кафедрой «Электротехнологии и электротехника» д. т. н., профессору В. Н. Тимофееву, директору ООО «МГД-Мехатерм» к. т. н., доценту Е. А. Головенко за большое внимание, помощь, ценные советы и замечания при написании работы.
Индукторы нагревателей для сквозного нагрева .
При сквозном нагреве используют обычно соленоидные многовитковые индукторы /102/. Обмотку индуктора изготавливают из медной водоохлаждаемой трубки или медной шинки. В установках средней частоты используют однослойные обмотки, а в установках промышленной частоты обмотка может быть как однослойной, так и многослойной. Это связано с возможным уменьшением электрических потерь в индукторе и с условиями согласования параметров нагрузки и с параметрами источника питания по напряжению и коэффициенту мощности /38/.
Для обеспечения жесткости катушки индуктора чаще всего применяют ее стяжку между торцовыми асбоцементными плитами. Иногда вместо этого используют крепление витков индуктора к продольным текстолитовым, гетинаксовым или деревянным брускам с помощью латунных шпилек /105/.
Между катушкой индуктора и нагреваемой загрузкой размещают электрическую и тепловую изоляцию индуктора. Чем меньше зазор между индуктором и загрузкой, тем выше электрический КПД, однако, из-за малой толщины теплоизоляции уменьшается тепловой КПД. Чем выше температура нагрева и соответственно относительно больше тепловые потери, тем большим принимается зазор между индуктором и загрузкой /50/.
Тепловая изоляция, снижая тепловые потери, должна одновременно уменьшить температуру электрической изоляции индуктора до допустимой величины. Тепловая и электрическая изоляции индуктора должны надежно работать при имеющих место больших температурных перепадах по толщине, частых теплосменах, высоких скоростях нагрева и остывания. Для механической защиты теплоизоляции нередко ее наматывают на трубу из нержавеющей стали с продольным разрезом для предотвращения наведения в ней вихревых токов.
Витки индуктора, работающего на промышленной частоте, испытывают значительные электродинамические усилия, вызывающие их вибрацию /59/. Электродинамические усилия пропорциональны квадрату напряженности поля. Так как размеры тел, нагреваемых на частоте 50 Гц, относительно велики, полные усилия достигают десятков килоньютонов. Эти усилия, имеющие постоянную составляющую и переменную с частотой 100 Гц, действуют как на обмотку индуктора, так и на магнитопроводы и нагреваемые тела /111/. Обмотки испытывают разрывающие радиальные и сжимающие осевые усилия. Вибрация обмоток под действием динамических сил приводит к разрушению тепловой и электрической изоляции и паяных соединений, создает шум. В трехфазных нагревателях, кроме электродинамических сил от пульсирующего поля, появляются осевые силы от бегущего поля. Крепление индуктора, его электро- и теплоизоляция в этих случаях должны выбираться с учетом вибрационных нагрузок.
В установках промышленной частоты обычно применяют внешние магнитопроводы для защиты от магнитного поля механизмов и каркаса с декоративным кожухом, в котором установлен индуктор, а также для повышения коэффициента мощности и КПД. Магнитопроводы, как правило, не насыщенные и используют одновременно для крепления индуктора и придания жесткости всей конструкции нагревателя. Методика расчета режима установки с магнитопроводом отличается от традиционных методов расчета электрических машин, работающих в режимах, близких к насыщению /52, 54, 56, 60/.
В коротких индукторах или при нагреве магнитной загрузки магнитопроводы способствуют некоторому повышению энергетических показателей системы индуктор - загрузка. Для внешних индукторов с длиной, большей диаметра, влияние магнитопровода на энергетические параметры, особенно на КПД, мало.
Несмотря на общность теории расчета и проектирования обмоток /42/ индукционных устройств, а также применения методов теории электрических машин /53, 57, 115/ разработка установок индукционного нагрева отличается рядом особенностей. Существенные особенности имеются при проектировании обмоток индукторов. Для однослойных обмоток применяют трубчатые проводники со смещенным отверстием круглого или прямоугольного сечения. Когда витки не укладываются в один слой, используют двухслойные и трехслойные конструкции.
В отдельных случаях применяют многослойные соленоидные индукторы с параллельным соединением секций. Это позволяет повысить электрический КПД, однако существенно усложняет изготовление и эксплуатацию индуктора. Иногда для усиления нагрева два слоя витков выполняют лишь в торцовых частях индуктора.
Потери в многослойной обмотке /24/ зависят от ее конструкции и при правильном выборе токопроводов могут быть значительно меньше, чем в однослойной /93/. Очевидно, что простым увеличением сечения индуктирующего провода повысить КПД затруднительно, потому, что ток в индукторе распределяется неравномерно по сечению проводника благодаря поверхностному и кольцевому эффектам. Решить эту проблему можно, сделав намотку катушки из нескольких концентрических слоев /24/. Применяя для намотки индуктора медную шинку, можно добиться равномерного распределения плотности тока по сечению провода, чем в конечном итоге, улучшить энергетические характеристики устройства /25/.
Конструкция индуктора во многом определяется схемой силового питания, которая в свою очередь зависит от частоты питающего напряжения (промышленная или средняя) и количества фаз нагрузки (однофазная, двухфазная или трехфазная). Установки большой мощности обычно делают в трехфазном исполнении, чтобы обеспечить равномерную загрузку цеховой сети. Кроме того, установки выполняют с совмещенными и разнесенными фазами /89/. В первых, - индукторы отдельных фаз располагают в стык друг к другу, что обеспечивает большую компактность установки /111/. У вторых, - в промежутках между индукторами располагают механизмы для перемещения слитков /14,21/.
При проектировании трехфазных индукторов приходится кроме равномерности загрузки фаз обеспечивать равномерность теплового поля по сечению нагреваемого слитка /75/. Для этого индукторы располагают друг за другом с возможно малым осевым зазором, чтобы уменьшить провал кривой распределения удельной мощности в загрузке в зоне стыка /89/. Провал мощности зависит и от сдвига фаз токов в соседних обмотках, от зазора между ними, от длины обмоток, от характера нагрузки и наличия магнитопровода /116/. Так, например, уменьшения провала мощности удается добиться, уменьшив сдвиг фаз в соседних обмотках со 120 до 60 град, путем инверсного включения средней обмотки (рисунок 1.5, а).
Исследование электромагнитных процессов в обмотках индукционных установок сквозного нагрева
В данном разделе представлена математическая модель для численного анализа электромагнитного поля в однослойных и многослойных обмотках индукционных нагревателей промышленной и средней частоты из прямоугольной трубки (рисунок 2.6, а) и прямоугольной шинки (рисунок 2.6, б). Подобные исследования проводились в Ленинградском электротехническом институте в начале семидесятых годов /22, 85, 96, 104/. Учеными ЛЭТИ получены аналитические выражения для анализа электромагнитного поля в одномерной постановке. При этом задача расчета потерь в обмотках индукционных нагревателей конечной длины сведена к определению потерь в средних витках пустого соленоида без учета влияния боковых стенок прямоугольной трубки. Если первое предположение для многовитковых индукторов большой длины вполне обосновано, то отсутствие в расчетной модели боковых стенок приводит к значительной погрешности на частотах до 1000 Гц. На более высоких частотах погрешность незначительна, потому что за счет малой глубины проникновения тока в медь боковые стенки не заняты током. На кафедре Электротехнологии и электротехника КГТУ разработана математическая модель анализа электромагнитного поля в цилиндрической обмотке с помощью численного метода математического моделирования /47, 77, 108/, что позволило исследовать электромагнитные процессы с помощью осесимметричной задачи в двухмерной постановке на
основе математической модели, представленной в разделе 2.1.
На рисунке 2.7 представлена расчетная модель цилиндрической обмотки. При построении расчетной модели приняты допущения:
1) Анализ ЭМП средних витков пустого соленоида проводится для каждого слоя по отдельности (см. рисунок 2.6). При этом предполагается, что активное и реактивное сопротивления всех витков в слое одинаковы и не зависят от расположения по длине многовиткового индуктора;
2) Касательная составляющая напряженности магнитного поля на краях расчетной области у боковых стенок индуктирующего провода (z = 0, z = /) равны нулю:
что следует из симметрии картины электромагнитного поля относительно середины межвиткового зазора. Касательные составляющие напряженности магнитного поля на краях расчетной области у внутренней и внешней стенках индуктирующего провода определяются по закону полного тока при заданной силе тока (7И), пропускаемого через провод:
где NC1S - число слоев обмотки индуктора; к - номер слоя; d„ - диаметр к-то слоя; / - ширина витка с изоляцией.
В соответствии с математической моделью разработан алгоритм и составлена программа анализа электрических потерь в многослойных обмотках индукционных нагревателей цилиндрической загрузки. После решения системы алгебраических уравнений на основании выражения (2.23) и краевых условий (2.48) и (2.49), в результате которого определяются постоянные Ц определяются напряженность электрического поля с помощью выражения (2.6) и остальные дифференциальные характеристики с помощью выражений (2.33) - (2.38). Далее находятся интегральные характеристики, а именно активное и реактивное сопротивления индуктирующего провода для каждого слоя по отдельности. Таким образом, ток в индуктирующем проводе, активные и реактивные мощности получены двумя различными путями. Это позволяет судить о точности полученного результата по сравнению этих величин. Численный эксперимент показал, что при шаге дискретизации расчетной области равной 25 % от глубины проникновения относительная погрешность не превышает 0,4 %,
Активное и реактивное сопротивления для витков каждого слоя определяются по выражениям:
Численное исследование режимов нагрева цилиндрической загрузки в однофазном индукционном нагревателе
При исследовании установившегося режима схемы (рисунок 3.1, б) УИН на ЭВМ использованы схемные модели для ПМК, рассмотренные во втором разделе (рисунок 2.21, а). Применено параллельное соединение индукционных нагревателей с применением индивидуальных ВДТ.
В ходе расчета электромагнитного и теплового поля в загрузке, а также расчета режима электрической схемы, представленной на рисунке 3.1, б, уточнены интегральные параметры индуктора для промышленной частоты.
Резистивное и реактивное сопротивление индуктора равны ги = 0,039 Ом; хи = 0,174 Ом, естественный коэффициент мощности софе = 0,219; ток в индукторе /и =2128,9 А, потребляемая индуктором активная мощность Ри = 176,8 кВт. Для резонансного режима при соуфи = I подобрана емкость батареи конденсаторов компенсирующего устройства (С = 16183 мкФ) в начале нагрева при температуре Г=20С и рассчитан установившийся режим. Ему соответствует векторная диаграмма на рисунке 3.4, б.
В результате анализа электромагнитного поля индукционного нагревателя определены параметры индуктора в конце нагрева при температуре 420С (ги - 0,033 Ом, хк = 0,132 Ом, cose p = 0,32, Іи = 2600 А). Изменение параметров установки при нагреве приводит к изменению ее режима (рисунок 3.4, а), как видно по векторной диаграмме, представленной на рисунке 3.4, б. В ходе нагрева заготовки сопротивление индуктора увеличивается, а ток уменьшается в соответствии с графиками, приведенными на рисунке 3.4, а.
Графики изменения основных электрических параметров индукционного нагревателя и изменения режима на векторной диаграмме токов и напряжений в процессе нагрева представлены на рисунке 3.4, а, б. Как видно из диаграммы (рисунок 3.4, а) коэффициент мощности в ходе нагрева увеличивается.
Характерные зоны загрузки показаны на рисунке 3.5, а. Картина изменения теплового поля в процессе нагрева цилиндрических слитков представлены на рисунке 3.5, б, в. Из графиков видно, что к окончанию основного нагрева (90 секунд) температура в месте установки термопары 440 С, наружные зоны торцов загрузки перегреты до 520 С, а перепад температуры между центром и поверхностью загрузки достигает 100 С. К моменту начала градиентного нагрева (120 секунд) температура в загрузке выравнивается и становится равной примерно 440 С. К концу градиентного нагрева (132 секунды) температура в месте установки термопары 520 С, температура наружной зоны перегреваемого торца загрузки превышает 600 С, температурный перепад в перегретом краю заготовки составляет 130 С. Однако на момент начала прессования (150 секунд) температура с нагреваемого торца заготовки выравнивается в районе 540 С и температурный перепад не превышает 15 С.
В соответствии с кривыми на рисунке 3.5 конечная температура Тк = 420 С достигнута за 149 секунд. Таким образом, с учетом длительности интервала загрузки t3 = 10 с, производительность индукционного нагревателя составляет 77и = 641,4 кг/час. Однако технология производства кабеля с опрессовкой алюминием требует времени нагрева заготовки до температуры 420 С не более 90 секунд и производительности не менее 1000 кг/час.
Увеличения производительности установки индукционного нагрева можно достигнуть сокращением длительности нагрева, при соответствующем увеличении мощности, подводимой к индукционному нагревателю. Увеличение мощности УИН в этом случае достигают увеличением тока в индукторе при уменьшении его резистивного и реактивного сопротивления сокращением числа витков обмотки.
Численное исследование режимов нагрева цилиндрической загрузки в трехфазном индукционном нагревателе методического действия
Эксплуатация трехфазных индукционных нагревательных установок также может вызывать несимметрию токов и напряжений питающей сети, если имеет место неравномерное распределение активной мощности по фазам индуктора, обусловленное требованиями технологического процесса.
Для принципиальной схемы трехфазного индукционной установки, приведенной на рисунке 2.5, на рисунке 4.3 показана схема магнитных связей в индукционном нагревателе, использованная для построения схемной модели для ЭВМ, представленной на рисунке 2.11.
Известные конструктивные параметры индуктора, свойства материалов и временные диаграммы использованы при математическом моделировании процесса нагрева цилиндрических слитков длинной 750 и 1500 мм.
Соответствующая трехфазному индуктору система уравнений по второму закону Кирхгофа представлена ниже. Система топологических уравнений (4.1), совместно с тремя уравнениями для узловых токов по первому закону Кирхгофа, позволяет определить все токи в схеме индукционного нагревателя при известных интегральных параметрах.
где Rm, Ьш - собственные резистивные сопротивления и индуктивности секций УИН, RWnLw- собственные сопротивления и индуктивности резонансных отпаек секций, Ми - взаимные индуктивности внутри каждой секций УИН,
Мц - взаимные индуктивности между секцией и отпайкой смежной фазы, М» взаимные индуктивности секций УИН между фазами, Uab, Ucb, І)са - комплексы напряжений питания индуктора с учетом вольтодобавки, согласно схеме индукционной установки по рисунку 2.5.
Однако решать систему уравнений для индукционного нагревателя нецелесообразно, поскольку с учетом вольтодобавочных трансформаторов на разных ступенях напряжения и неидеального трехфазного источника схема силовой цепи УИН существенно усложняется. Поэтому в комбинированной математической модели применено схемотехническое моделирование, В моделях установлены управляемые источники, направление управляющих и управляемых ветвей которых, определяется с учетом уравнений (4.1) и схемы магнитных связей, представленной на рисунке 4.3. Таким образом для трехфазного индуктора в текстовом файле хранится описание схемной макромодели (INDUCTOR.LIN) с управляемыми источниками (рисунок 2.11).
Аналогичные текстовые модули с соответствующими названиями содержат описания остальных моделей цепи по рисунку 2.5. При загрузке решающего модуля описания всех моделей считываются в определенной последовательности заданной в головном модуле информационно-логического блока и объединяются в единую задачу. Решение задачи выполняется итерационно, результаты решения сохраняются в табличной форме.
Кривые распределения температурного перепада по радиусу и длине нагретой заготовки в установке по рисунку 4.2 показаны на рисунке 4.4, а, б. Соответствующая картина температурного поля в конце нагрева загрузки представлена на рисунке 4.4, в.
На рисунке 4.5, а представлены графики распределения удельной поверхностной мощности по длине загрузки (анализ нагрева с наличием магнитопровода индукторе), полученные в результате анализа электромагнитного поля. Наличие магнитопровода практически полностью уменьшает влияние соседних секций друг на друга, но при этом величина удельной поверхностной мощности в местах стыков снижается до нуля, что приводит к увеличению неравномерности теплового поля по длине загрузки.
На рисунке 4.5, б можно видеть распределение температуры загрузки на поверхности и оси столба загрузки, а также на линии установки торцевой термопары в установившемся режиме в конце основного нагрева. Характеристики получены в результате анализа температурного поля. По графикам распределения теплового поля можно наблюдать существенно меньшее увеличение температуры загрузки на стыках секций разных фаз, чем по длине секций. Это объясняется ослаблением продольного магнитного поля в местах стыков секций разных фаз.
Для индукционных нагревателей методического действия вопрос равномерности теплового поля по длине загрузки особенно актуален в тех случаях, когда длину загрузки меняют в широких пределах в зависимости от формы и длины производимого в данный момент алюминиевого профиля, как это наблюдается в ООО «Литейно-прессовый завод СЕГАЛ» (г. Красноярск) с длинами загрузки от 300 до 1500 мм. Из-за различных комбинаций размещения заготовок относительно краев индуктора и стыков секций разных фаз распределение теплового поля в нагретой заготовке сильно различается, как это видно на рисунке 4.5 б.
Зависимость полезной мощности в загрузке от сдвига фазы тока в обмотках соседних фаз, полученная в результате решения электромагнитной задачи показана на рисунке 4.6. По графику видно, что магнитопровод выравнивает мощность в загрузке. Вместе с тем, в отсутствии магнитопровода выделение мощности в загрузке существенно зависит от фазового сдвига токов в соседних секциях индукционного нагревателя. Следовательно, необходимо обеспечить возможно меньший фазовый сдвиг, чтобы увеличить тепловыделение в загрузке.
