CC BY
28
УДК 621.365.5
АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ НА РЕАКТИВНУЮ МОЩНОСТЬ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ "ИНДУКТОР-ЗАГРУЗКА"
И.В.Захаров
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
"Индуктор-тиеу" цшшндрл/'к жуйесшщ реактивчик цуат децгеСИне эсер eminemin факторларга жене олардыц эсер ету дврежес/не тшдау жургЫлген.
Проведен анализ факторов и степени их влияния на уровень реактивной мощности цилиндрической системы "индуктор-загрузка ".
The analysis of the factors and degree of their influencing on a level of a reactive power of a cylindrical system "inducer—loading" is conducted.
При постановке задач повышения эффективности работы индукционных нагревателей функцией цели в большинстве случаев определяют коэффициент полезного действия индуктора. Теоретически достижимое расчетное значение еще одного из основных энергетических показателей -Cos<р , как показано в [I], равно 0,707, как при нагреве цилиндрической, так и плоской загрузки. Достичь такой цифры практически очень сложно, и большинство индукционных нагревателей имеют Cos <р, как правило не выше 0,3. Это относится в первую очередь к индукционным нагревателям с водяной системой ох-
лаждения. Индукторы с обмотками, охлаждаемыми до уровня температур 20 77 К, имеют Cos (р еще почти на порядок меньше. Однако низкое значение Cos (р индукторов данною типа следует объяснять резким снижением (в десятки раз) активного сопротивления обмотки вследствие их ггу-бокого охлаждения.
Ситуация с низким Cos <р индукционных нагревателей par ее не была предметом достаточно серьезного рассмотрения. При этом на практике повышение данного параметра до нормативного значения осуществлялось и осуществляется в основном традиционными средства-
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
ми искусственной компенсации -конденсаторными батареями. Однако эти объекты занимают значительные производственные площади и составляют до трети стоимости индукционной установки в целом. К недостаткам данного способа компенсации следует отнести также чувствительность конденсаторов к качеству напряжения и аварийным замыканиям питающей сети.
Для того, чтобы создать возможность оптимизации конструкции индуктора по данному параметру, необходимо рассмотреть степень влияния различных факторов на Cos (р индукционных нагревателей. При этом рассматривается осесиммет-ричная система "индуктор-загрузка" для нагрева загрузки цилиндрической формы.
Все факторы, в той или иной
степени воздействующие на уровень реактивной мощности в цилиндрической осесимметричной системе "индуктор-загрузка" делятся на факторы, связанные с собственными электрофизическими и геометрическими параметрами элементов, составляющих систему: удельное электрическое сопротивление и относительная магнитная проницаемость металла загрузки, относительные длина и радиус загрузки и индуктора, и т.д., и факторы сторонние: частота источника питания, внешние магнитопроводы (рисунок 1).
Коэффициент мощности системы "индуктор-загрузка" определяется соотношением значений реактивных и активных мощностей соответственно в индукторе О, и Р,, загрузке С>2 и Р,, зазоре между индуктором и загрузкой <3,
Coscp =
Р, + Л
л/с+ '
(О
На рисунке 2приведены кри- пример технологического зазора.
вые зависимости Cos (р от относительного радиуса нагреваемого цилиндра R, при различных значениях отношения диаметра индуктора d, к диаметру загрузки d2, определяющего зазор между индуктором и загрузкой. Верхняя кривая дает предельное значение Cos (р, теоретически достижимое при нагреве металлического цилиндра при d,/d2 = 1. Однако подобное отношение не соответствует большинству практических случаев, в силу наличия, на-
Увеличение отношения dyd, соответствует увеличению значения Q, в знаменателе выражения (1), что в свою очередь уменьшает Cos (р системы "индуктор-загрузка". Как отмечается в [2], dj/d, оказывает достаточно большое влияние на Cos <р системы. При увеличении d^d, от 1,0 до 2,0 значение Cos (р уменьшается в 10 - 15 раз.
В работе [3] было проведено исследование влияния зазора и радиального размера загрузки на энерге-
тические характеристики многослойного индуктора с обмоткой, охлаждаемой до низких (77 К) температур. При постоянном зазоре внутренний диаметр индуктора менялся с изменением диаметра загрузки. Было показано, что энергетические показатели системы, в частности, Cos (р , улучшаются с увеличением диаметра нагреваемой загрузки. Как видно из рисунка 3 (кривая 1), Cos (р возрастает в 4 -4,5 раза при изменении диаметра загрузки от 30 до 180 мм. Однако даже в лучшем случае (при предельных диаметрах загрузки, нагреваемой под пластическую деформацию) значение Cos ср не превышает диапазон значений Cos (р криорези-стивных индукторов, т.е. остается достаточно низким.
При использовании в индук-циоиной установке многослойного индуктора с обмоткой, охлаждаемой до низких температур, приходится также иметь дело с увеличением радиальных размеров обмотки и, как следствие этого, уменьшением значения Cos (р вследствие возрастания электромагнитного рассеяния (рисунок 3). Исследования, проведенные для обмотки с различным числом слоев W и относительной толщиной токонесущего проводника <5, / Д,, показывают, что при увеличении числа слоев с 4 до 24 значение Cos ср снижается почти вдвое.
На радиальные размеры подобного индуктора влияет также наличие радиальных зазоров tr между слоями для циркуляции хла-
дагента. Это также приводит к увеличению реактивного сопротивления индуктора и снижению его коэффициента мощности. На рисунке 4 показано изменение Cos (р от г,.. Необходимо отметить, что наибольшее изменение Cos (р происходит при большом числе слоев. Так, например, при W= 16 увеличение тк с
2 до 6 мм уменьшает Cos <р на 18 %. Следовательно, при большом числе слоев индуктора (W > 10) необходимо обеспечивать минимальный зазор между проводниками, а также рассматривать возможность перехода на охлаждение только по аксиальным каналам.
В практике индукционного нагрева используются системы "индуктор-загрузка" конечной длины. Конечность размеров системы предопределяет действие "краевых эффектов", которые искажают электромагнитное поле и распределение источников тепла в концевых зонах элементов системы. Влияние относительной длины 1,/d, индуктора с обмоткой, охлаждаемой до низких температур, на его Cos (р иллюстрирует рисунок 5. Как показал анализ, систему можно считать длинной с точностью, например, по Cos ср
3 % при отношении длины индуктора 1, к его внутреннему диаметр) d, более 4.
Более активно воздействовать на значение Cos ср системы "индуктор-загрузка" можно, изменяя частоту f источника питания. На рисунке 6 приведены зависимости
1 68
НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА
Cos (р от частоты f источника питания, рассчитанные по (1) при /л = 1. Из рисунка видно, что при нагреве стальной немагнитной загрузки до температуры ниже точки Кюри Cos (р системы увеличивается с увеличением fJ , а максимумы сдвигаются в сторону более низких частот [4]. В соответствии с теорией индукционного нагрева, в случае нагрева металлического цилиндра уменьшение частоты источника питания соответствует увеличению глубины проникновения Д, электромагнитной волны в материал цилиндра, что приводит к Д,уменьшению его относительного радиуса Rn = г, л/2/Д, , т.е. уменьшению абсциссы на рисунке 2. Таким образом, при уменьшении частоты источника питания Cos <р системы снижается. Следует отметить, что данный способ в большинстве случаев ограничен требованиями технологии, поскольку рациональная частота источника питания определяется диаметром нагреваемого цилиндра.
При нагреве металлической загрузки с малым удельным электрическим сопротивлением (алюминий, медь и др.) Cos (р системы "индуктор-загрузка" снижается, так как у большинства таких металлов относительная магнитная проницаемость Ц - 1. Зависимость Cos <р системы "индуктор-загрузка" от относительной магнитной проницаемости /л и частоты источника питания f для диаметра заготовки d2 = 60 мм представлена на рисунке 7.
Уменьшение /л загрузки приводит к уменьшению R2 нагреваемого цилиндра, что неблагоприятно сказывается на значении Cos (р системы. Особенно существенное снижение (в два раза и более) происходит на границе раздела низких и средних частот. В области высоких частот разница не так значительна.
Для некоторого улучшения энергетических характеристик индукционных нагревателей в промышленности применяют магнито-проводы. Анализ энергетической эффективности использования маг-нитопроводов для цилиндрических индукторов [5] показал, что при сравнительно больших длинах индукторов магнитопроводы оказывают малое влияние на их энергетические характеристики. При нагреве сплошных цилиндрических заготовок из стали использование магни-топроводов изменяет общий уровень активной мощности, потребляемой от сети, на 1 3 %.
Для коротких индукторов, диаметр которых в 2 и более раз превышает их длину, при нагреве ферромагнитной загрузки использование магнитопроводов позволяет повысить электрический КПД на 13 % hCos<£> на 17%.
При нагреве немагнитной загрузки рост КПД не превышает 5 % при уровне 0,45 0,6, реактивная мощность снижается на 10 ^15 % [6].
Обобщая сказанное, можно сделать вывод, что способы оптимизации конструкции индукционных
нагревателей с учетом факторов, действующих на реактивную мощность системы необходимо принимать во внимание и по возможности использовать. Однако их нельзя признать эффективными, поскольку ст епень их влияния (даже самых существенных: изменение зазора между индуктором и загрузкой; изменение частоты источника питания) на Cos <р незначительна. Тем более, что в большинстве случаев она ограничена чисто технологическими рамками (требования технологии к рациональной частоте источника пи-
тания; наличие как минимум технологического зазора между индуктором и загрузкой),
Развитие технологий индукционного нагрева и современных конструкционных материалов позволило на основе их достижений найти эффективный выход- использовать для целей электронагрева индуктор с самокомпенсацией реактивной мощности [7-9], предложенный учеными кафедры АЭТУС МЭИ и ЭПП ПГУ, позволяющий в большинстве случаев решить существующую проблему.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. - M-JI.: Энергия, 1965.
2. Фомин Н.И., Затуловский J1 .М. Электрические печи и установки индукционного нагрева. - М.: Металлургия, 1979.
3. Жигалко Е.К., Токранов П.Н. Математическая модель для исследования энергетических характеристик многослойного криорези-стивного индуктора// Тр.Московск. энергегич. инс-та. - 1987, - Вып. 122.
4. Простяков A.A. Исследование путей повышения эффективности индукционных нагревательных и плавильных установок: дис. канд. техн. наук. - М., 1970.
5. Моделирование периодического нагрева цилиндрических изделий в индукторе с магнитопро-водами/ В.А.Бакунин, В.Б.Демидо-вич, В.Е.Казьмин, В.С.Немков//
Изв. АН СССР. - Сер. Энергет. и трансп. - 1986. - № 4.
6. Немков B.C. Теория и расчет цилиндрических электромагнитных систем индукционного нагревание. докт. техн. наук. - Д., 1979.
7 . А . В . К u v a I d i n , N.F.Andryushin, I.V.Zakharov. Analysis of the electrical and energy parameters of a multilayer inductor with self-compensation of reactive power. Great Britain, Electrical Technology, No.3, 1995.
8. Андрюшин Н.Ф., Захаров И.В. Особенности расчета многослойных индукторов с самокомпенсацией реактивной мощнэсти // Сб. науч. трудов № 122. - М.: ЮИ, 1987.
9.А.С. 1538287 СССР, МКИ Н 05 В 6/42. Устройство щя индукционного нагрева/М. М .Соколов, А.Б.Кувалдин, Г.Г.Гусед и др. -Опубл. вБ.И., 1990. -№3.
Свойства и геометрические размеры нагреваемой заготовки
Геометрически е размеры индуктора
Частота питающего тока
Внешние магнитопроводы
Зазор между индуктором и загргзкой, с1,/сЬ
Магнитная проницаемост ь металла загрузки,
М2
Удельное сопротнвлени е металла загрузки.
Рг
Относительна я длина загрузки, Ш-
Относительный радиус загрузки,
1^2/Д„
Относительна я длина индуктора, Ь/с1,
Число слоев индуктора. У/
Радиальны й зазор между
слоями.
Рисунок 1. Факторы, влияющие на значение реактивной мощности цилиндрической осесимметричной
системы "индуктор-загрузка"
Рис 2. Зависимость Cos (р системы "индуктор-загрузка" от относительного радиуса R, нагреваемого цилиндра при различном зазоре
0 4 8 12 16 20 24
28 30
Рис. 3. Зависимость Cos (р многослойного индуктора от диаметра з,грузки й2
(1) и числа слоев W
Рис. 4. Зависимость Cos (р многослойного индуктора от радиального зазора тн
между слоями
Cos ср
( г \ W = б; ii— 0.57 А,
/
1 /4
Рис. 5. Зависимость Cos <р от относительной длины Ц/di многослойного
индуктора
Ю2 103 104
Рис. 7. Зависимость Cos <p системы''индуктор -загрузка" от частоты f источника питания при нагреве стальной немагнитной загрузки (u = 1)
1 - d2 = 2 см; ш = di/d2 = 2,8; 2 - d2 = 4 см; т = 1,8; 3 - d2 = 6 см; m =2,0; 4 - d2 = 8 см; m = 1,7; 5 - d2 = 10 см; m = 1.65; 6 - d2 = 12 см; m = 1,55.
Рис. 7. Зависимость Cos ср системы " индуктор-загрузка" для нагрева стали от частоты f источника питания
