CC BY
89
УДК 621.365.5
МОДЕРНИЗАЦИЯ ИНДУКЦИОННОИ СИСТЕМЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ СХЕМЫ СМЕШАННОГО РЕЗОНАНСА
Е.С. Кинев, Е.А. Головенко, А.В. Комаров, М.В. Первухин, В.Ю. Неверов
В статье рассмотрено решение вопроса модернизации индукционной системы однофазного нагревателя на основе численного моделирования электромагнитного и теплового поля в алюминиевой загрузке и применения специального схемного технического решения для включения батарей конденсаторов при градиентном нагреве
Ключевые слова: градиентный нагрев, симметрирующие устройства
По требованиям технологического процесса в индукционной установке периодического действия ОКБ - 894 А при нагреве алюминиевых заготовок перед прессованием для наложения кабельной оболочки следует обеспечивать неравномерный нагрев загрузки. При создании температурного перепада на выходном торце цилиндрического слитка используют режим градиентного нагрева.
Для форсированного разогрева выходного торца заготовки в схеме электропитания индукционного нагревателя обычно используют силовой автотрансформатор с комплектом коммутационной аппаратуры, используемой для переключения нескольких выходных секций индуктора на повышенное напряжение. Общий вид нагревателя с водяным охлаждением представлен на рис. 1.
Рис. 1. Обшцй вид нагревателя
Для работы одной установки необходима мощность источника до 200 кВт, поэтому однофазную индукционную нагрузку включают в трехфазную сеть на линейное напряжение. Для сохранения симметрии сети применяют специальные симметрирующие устройства.
Кинев Евгений Сергеевич - ПИ СФУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(391)2-912-957
Головенко Евгений Анатольевич - ПИ СФУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(391)2-912-957, e-mail:
golovenko_ea@mail. ru
Комаров Андрей Владимирович - ПИ СФУ, старший
преподаватель, тел. 8(391)2-912-957
Первухин Михаил Викторович - ПИ СФУ, канд. техн.
наук, доцент, тел. 8(391)2-912-957
Неверов Владимир Юрьевич - ПИ СФУ, аспирант, тел.
8(391)2-912-957, e-mail: zlnsq@rambler.ru
Принципиальная электрическая схема индукционной установки со сдвоенными индукционными нагревателями (ИН) показана на рис. 2.
Параллельно включенные ИН, обозначенные И1 и И2, подключены к сети через симметрирую-шее устройство Штейнмеца (БК, Др1). Мощности индукторов регулируют с помощью вольтодобавочных автотрансформаторов АТ1, АТ2.
Рис. 2. Схема индукционной установки
Для исследования взаимосвязанных электромагнитных и тепловых процессов в ИН, с учетом электромагнитного режима силовой схемы, разработана комбинированная математическая модель [1] и построено программное обеспечение. В основу математической модели положены современные методы. Для расчета электромагнитного поля использован метод дискретизации свойств сред в цилиндрической системе координат, подробно изложенный в [2].
Г (Т) дТ д 1-У1Т )дТ ) + 1 д 1-У1Т ) Л дТ ) + (1)
С(Т)■ — = — (Х(Т)—) + -•—(Х(Т)• Л—) + ш • К1/
д/ д!г д!г р др др
Решение дифференциального уравнения Фурье
(1) при расчете температурного поля выполнено численным методом конечных разностей (МКР) в двухмерной постановке с применением неявного четырехточечного алгоритма конечно-разностной аппроксимации [3].
Анализ режимов силовых цепей выполнен с применением метода расширенных узловых уравнений [4]. Общее выражение гибридной системы уравнений для анализа режимов цепей имеет вид
(2).
-11
-kk.
U ]
U2 ]
11
[<& 1]
IP kl Viz ]
[І nz ]
[2 Jky ] [2 ¿„z ]
.(2)
Такой подход позволил включить в расчет установившихся режимов описания схем по компонентным уравнениям. Для всех элементов силовой установки, включая автотрансформаторы, батареи конденсаторов и индукционные нагреватели построены схемные модели на управляемых источниках. Кроме совокупности установившихся режимов силовой установки в разработанной программной среде возможно исследование электромагнитных процессов в динамике.
Пример схемной макромодели для однофазного индукционного нагревателя УИН ОКБ - 894 А в трехфазной цепи с отводами от нескольких секций, для реализации автотрансформаторной схемы включения индуктора показан на рис. 3. В макромодели для описания индуктивных связей использованы источники напряжения, управляемые током, а БК и дроссель симметрирующего устройства представлены автономными моделями Model.
Рис. 3. Схемная модель ИН
Именно автотрансформаторное включение индукционного нагревателя, как показали исследования, позволяет реализовать новый способ градиентного нагрева. Ниже изложены результаты численного и экспериментального исследования ИН выполненного с использованием разработанного авторами программного обеспечения и модернизированного с применением нового схемного решения для индукционной системы.
В каждом индукционном нагревателе И1, И2 (рис. 2) в течение 90 секунд одновременно нагревают по одному алюминиевому слитку диаметром 175 мм до температуры 440 °С. Это, - «основной нагрев». Затем следует пауза 30 секунд, выравнивание температуры и далее - «градиентный нагрев» длительностью 12 секунд.
Расположение характерных точек для контроля температуры в сечении алюминиевой цилиндрической загрузки показано на рис. 4.
Рис. 4. Схема расположения характерных точек цилиндрической алюминиевой загрузки
Динамика температурного поля в характерных зонах в процессе нагрева показана на рис. 5.
Рис. 5. Динамика температурного поля в характерных зонах в процессе нагрева
Изменение температуры в характерных точках загрузки представлено на рис. 6.
По экспериментальной кривой, отмеченной звездочками, видно, что температура загрузки в контрольной точке (4) под торцевой термопарой достигает заданной величины 440 °С за 90 секунд. По расчетным данным, согласно предложенной математической модели, кривая температуры в точке 4 на рис. 6 расположена левее, и время нагрева составляет 88 секунд. Погрешность результата не превышает 3 %, что, показывает достоверность расчета.
Рис. 6. Изменение температуры в характерных точках загрузки
Градиентный нагрев прекращают, когда температура в месте установки торцевой термопары достигает 520 °С. В это время на линейное напряжение сети, в схеме с силовыми трансформаторами (рис. 2) включена только одна треть индуктора. Затем заготовку перемещают в пресс. И по графику изменения температуры (рис. 6) видно, что по радиусу температура выравнивается. Но есть перепад температуры Д/” по длине. Это соответствует требованиям технологии прессования.
nn
Кривые изменения энергетических показателей индукционного нагревателя в процессе нагрева представлены на рис. 7. В исходной схеме включения ИН через силовые автотрансформаторы, были измерены значения тока в ходе нагрева загрузки (рис. 7) и рассчитан коэффициент несимметрии токов. Установлено, что коэффициент несимметрии токов индукционной установки кн изменяется в пределах 12 %, что втрое выше ограничений, заданных ГОСТ 13109-97.
Расчет подтвердил, что за три ступени регулирования симметрирующих емкостей, коэффициент несимметрии токов можно уменьшить (рис. 7). В этом случае коэффициент несимметрии к’н не превышает 4 % в соответствии с ГОСТ.
го индуктора в этом случае регулируют изменением емкости С2 батареи конденсаторов.
Рис. 9. Эскиз ИН со схемой для неравномерного распределения удельной мощности по длине загрузки
Схема включения модернизированного индукционного нагревателя ОКБ - 894 А в сеть переменного напряжения представлена на рис. 10.
Рис. 7. Изменение энергетических параметров индукционного нагревателя в ходе нагрева
Изменение режимных параметров в ходе нагрева иллюстрирует векторная диаграмма токов и напряжений в силовых цепях, показанная на рис. 8.
Рис. 8. Векторная диаграмма токов и напряжений ИН в начале, середине и конце нагрева
Исследования на математической модели показали, что возможно включение индукционного нагревателя в сеть таким образом, чтобы обеспечить требуемую неравномерность температурного поля в одну стадию нагрева, за счет создания неравномерного распределения удельной мощности по длине загрузки [5].
Предложенный способ включения индуктора (см. рис. 9) позволяет отказаться от силового вольтодобавочного трансформатора, а мощность каждо-
Рис. 10. Схема включения установки ОКБ-894А
Результаты расчета энергетических характеристик индукционного нагревателя при включении индукторов по схеме, представленной на рис. 10 показаны на рис. 11. Сравнение результатов расчета индукционного нагрева с градиентным распределением температуры двумя описанными способами показало, что качество нагрева примерно одинаково. Расхождение значений температуры во всем диапазоне длин и радиусов заготовок не превышает величины 5 %.
Рис. 11. Характеристики электрических параметров индукционного нагревателя
Однако предложенная схема включения проще схемы с силовыми автотрансформаторами. Кроме того, она позволяет получить большее разнообразие картин тепловых полей в конце нагрева в
зависимости от положения отпайки 3 и емкости батареи конденсаторов С2. Это обеспечивает ритмичную и устойчивую работу индуктора и пресса в технологическом процессе и служит повышению производительности установки индукционного нагрева. По графикам рис. 11 видно, что у предложенной установки несколько выше коэффициент мощности, а также меньше диапазон изменения коэффициента несимметрии.
Результаты численного моделирования промышленной установки периодического действия ОКБ - 894 А для индукционного нагрева алюминиевых слитков подтвердили принятые научнотехнические решения по модернизации ее индукционной системы.
Литература
1. Г оловенко, Е. А. Исследование распределения мощности и температуры в трехфазных индукционных нагревателях / Е. А. Головенко, Е. В. Кузнецов, Е. С. Кинев и др. // Вестник воронежского государственного технического университета, 2007. Т. 3. № 6. - С. 170 - 177.
2. Тимофеев В.Н. Метод расчета электромагнитного поля и параметров цилиндрического проводника с током // Электромеханика, 1989, № 7. С. 8 - 12.
3. Golovenko, Е. А. Analysis of power redistribution be-
tween windings of multi-phase induction heaters / Е. А. Golovenko, Е. S. Kinev, Е. V. Kuznetsov,
М. V. Pervukhin, D. V. Khokhlov // International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources HES - 07 (Section P ).
- Italy, Padua, 2007. - P. 328 - 336
4. Golovenko E.A. Uniform Heating Control and Reduction Current Unbalance in Polyphase Induction Heaters / E.A.Golovenko, E.V.Kuznetsov, E.S.Kinev // The Third International Forum on Strategic Technologies IF0ST-2008.
- Russia, Novosibirsk, 2008. - p. 417 - 420.
5. Индукционная установка сквозного нагрева.
Описание изобретения к патенту № 45219 /
Е. А. Головенко, Е. В. Кузнецов, Е. С. Кинев,
В. В. Ковальский, Е. В Хохлов. - Бюл. № 12 от
27.04.2005. Заявка № 2004135051/22 от 30.11.2004.
Политехнический институт ФГОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
MODERNIZATION OF INDUCTION SYSTEM WITH APPLICATION OF THE SCHEME OF THE MIXED RESONANCE
E.S. Kinev, E.A. Golovenko, A.V. Komarov, M.V. Pervukhin, V.Y. Neverov
The article is devoted to the decision of a question of modernisation of induction system of a single-phase heater on the basis of numerical modelling of an electromagnetic and thermal field in aluminium loading and applications of the special circuit technical decision for inclusion of batteries of condensers is considered at gradient heating
Key words: gradient heating, symmetrizing devices
