Управление перераспределением мощности в трехфазных индукционных нагревателях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 662.9 Е.В. Кузнецов

УПРАВЛЕНИЕ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ МОЩНОСТИ В ТРЕХФАЗНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЯХ

В статье представлена комбинированная трехкомпонентная математическая модель, построено программное обеспечение комплексного математического моделирования режимов индукционного нагрева, позволяющих управлять перераспределением мощности в трехфазных индукционных нагревателях.

Для нагрева металлов с высокой удельной электропроводностью используют индукционные нагреватели промышленной частоты с трехфазными индукторами [1]. При расположении секций разных фаз индуктора встык (рис. 1), вследствие эффекта переноса мощности между обмотками 2 и 3, наблюдается искажение симметрии токов трехфазной системы [5]. Уменьшению взаимной индуктивности секций и ослаблению переноса мощности способствует увеличение осевого зазора а между обмотками индуктора, однако это приводит к увеличению провалов кривой удельной мощности, выделяемой в загрузке 1.

Кроме того, по технологии прессования, существует необходимость неодинакового перераспределения мощности между секциями нагревателя. Как правило, наибольшую мощность обеспечивают в выходной секции трехфазного индуктора, обеспечивая повышение интенсивность нагрева загрузки непосредственно перед прессованием. Ограничение мощности в первой и средней секции обусловлено, в том числе и предотвращением перегрева столба загрузки и плавления слитков внутри индуктора.

Применение трехфазной системы токов, кроме отмеченного, приводит к провалам мощности, даже на стыках секций 2 и 3 длиной Ь и Ь, расположенных практически вплотную при минимальном зазоре a, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Кривые распределения относительной удельной мощности в загрузке

Кривая А удельной поверхностной мощности в загрузке соответствует фазовому сдвигу токов Ф = 120° в соседних секциях. При этом провал мощности достигает 75-80% исходного уровня. Провал мощности можно уменьшить до 25% за счет инверсного включения соседней фазы, этому случаю соответствует кривая Б, при фазовом сдвиге токов в 60°.

В связи с изложенным, необходимо весьма точное управление процессом перераспределения мощности, с учетом наличия магнитных связей, обусловленных существенными индуктивностями между обмотками и наличием интенсивного воздействия крайних секций на среднюю, и обусловленного этим явлением переноса мощности. Дополнительное осложнение задачи управления связано с параметрическим характером процесса нагрева заготовок в магнитном поле промышленной частоты. В ходе нагрева, при изменении температуры, существенно изменяются интегральные параметры загрузки.

Известна конструкция индукционного нагревателя марки ИНМ (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид (а) и эскиз конструкции индукционного нагревателя (б)

Этот нагреватель предназначен для методического нагрева цилиндрических слитков диаметром более 50 мм. На рисунке 2,б приняты обозначения: 1 - алюминиевая загрузка, 2 - бункер, 3 - привод толкателя, 4 - секции трехфазного индукционного нагревателя, 5 - немагнитный муфель.

Опыт эксплуатации такой установки показывает, что нагретая для заданной температуры в контрольной точке заготовка имеет неравномерное температурное поле по длине, что существенно влияет на качество прессования. Характер распределения температуры в загрузке зависит от длин заготовок [4].

Для исследования температурного поля в загрузке с учетом несимметрии трехфазной системы токов в индукторе при переносе мощности между секциями индукционного нагревателя разработана комбинированная трехкомпонентная математическая модель и построено программное обеспечение комплексного математического моделирования режимов индукционного нагрева.

Алгоритм работы математической модели показан на рисунке 3.

С Начало Конец )

17 данных / Интерфейс программы / рез^Дов/]

Ж

Информационно-логический блок

<Н

¥

Расчет ЭМП ч> Расчет режима силовых цепей Интерполяция —» Расчет теплового поля

Рис. 3. Алгоритм работы трехкомпонентной электротепловой численной модели для анализа процессов в индукционных нагревателях

Программное обеспечение построено по модульному принципу. В модулях анализа теплового и электромагнитного поля (ЭМП), а также расчета электромагнитных режимов цепей производится расчет соответствующих процессов.

Для расчета стационарного электромагнитного поля запрограммирован метод дискретизации свойств сред в двухмерной постановке для цилиндрической системы координат, предложенный В.Н. Тимофеевым.

Решение нестационарного уравнения теплопроводности Фурье при расчете температурного поля выполняется методом конечных разностей для неявной четырехточечной схемы конечно-разностной аппроксимации [1].

б

а

В модуле анализа режимов силовых цепей запрограммированы метод расширенных узловых уравнений, метод Ньютона-Рафсона для учета нелинейных элементов и дискретные модели для реактивностей [2].

Информационно-логический блок осуществляет ввод и вывод информации, а также взаимодействие остальных частей программы, определяемое конкретной структурой нагревателя и режимом его работы.

После ввода исходных данных в модель выполняется решение задачи анализа стационарного электромагнитного поля в индукционной системе нагревателя, в результате которого определяются активное и реактивное сопротивление индуктора (ги и х„), сопротивления взаимной индуктивности между обмотками разных фаз и распределение источников тепла в загрузке. Далее интегральные характеристики передаются в модуль расчета режимов силовых цепей, где уточняется соответствие значения тока индуктора принятому приближенному его значению. В случае несовпадения величина тока индуктора уточняется итерационно в зависимости от параметров схемы замещения индукционного нагревателя, соответствующих первоначальной температуре загрузки.

В том случае, если ток индуктора соответствует параметрам силовой схемы нагревателя, то распределение источников тепловой энергии с учетом интерполяции передается в модуль теплового расчета. И далее расчет физических процессов в индукционной системе повторяется в течение всего времени нагрева загрузки [2]. Величина тока индукционного нагревателя впоследствии корректируется в процессе нагрева. Процесс расчета выполняется итерационно по алгоритму, показанному на рисунке 3.

На рисунке 4,а представлены графики распределения удельной поверхностной мощности по длине загрузки (расчет нагрева с наличием в индукторе магнитопровода), полученные в результате анализа электромагнитного поля.

На рисунке 4,б можно видеть распределение температуры на поверхности и оси столба загрузки, а также на линии установки торцевой термопары (точка 4) в установившемся режиме в конце основного нагрева. Характеристики получены в результате анализа температурного поля немагнитной цилиндрической загрузки.

500

400

300

200

100

"гХ 3 у .

2 1 1 1

/ > ' V '/г 1 -* |Р>'

—<1-^

Л г ! 1

Рис. 4. Распределение удельной мощности по поверхности загрузки при наличии и без магнитопровода (а) и распределение температуры (б)

а

б

260-

, Р2, кВт

250

240

230

220

с магнитопроводом I ^ 1

Наличие магнитопровода практически полностью уменьшает влияние соседних секций индуктора друг на друга (рис. 4,а), но при этом величина удельной поверхностной мощности в местах стыков снижается до нуля, что приводит к увеличению неравномерности теплового поля по длине загрузки.

По графикам распределения теплового поля (рис. 4,б) 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.

В результате решения электромагнитной задачи получена характеристика полезной мощности индукционного нагревателя (рис. 5).

По графику видно, что с уменьшением фазового сдвига токов соседних секций трехфазного индуктора возможно увеличить тепловую мощность в загрузке на 6%. Однако уменьшению фазового сдвига токов до нуля препятствуют собственные и взаимные индуктивности секций индукционного нагревателя.

Очевидно, 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.

С применением программного комплекса получены кривые изменения сопротивлений индукционного нагревателя (рис. 6,а,б). Характеристики объединяют совокупность точек при разных фазовых сдвигах токов соседних секций.

Рис. 5. Зависимость полезной мощности в загрузке от фазового сдвига токов в обмотках соседних фаз

0,16

0,14

0,12

0,10

0,08

0,06.

\ г, Ом

у %

-!

€

- а А са га п _ Ф ^ 0 1

0 60 120 180 240 300 0

0,62

0,60

0,58

0,56

0,54

х, Ом

V

А

н~ \ V* Ф

р\ са \ ср \е:

0 60 120 180 240 300 0

б

Рис. 6. Кривые изменения сопротивлений при разных фазовых сдвигах токов в соседних секциях (а, б) при учете эффекта переноса мощности

Учет характера изменения сопротивления позволяет предложить решение по управлению перераспределением мощности между обмотками индуктора.

Для уменьшения фазового угла сдвига токов предложена схема включения секций, представленная на рисунке 7,а. Использовано инверсное включение средней секции [3].

Такое решение позволяет обеспечить фазовый сдвиг токов в соседних обмотках, равный 60°.

При дальнейшей модернизации индукционного нагревателя с применением резонанса токов и напряжений (рис. 7,б) для разных секций возможно достигнуть уменьшения фазового сдвига токов [3].

а

В

б

Рис. 7. Эскиз конструкции трехфазного индукционного нагревателя со схемой включения конденсаторов (а) и его принципиальная схема (б)

а

Векторная диаграмма модернизированного индукционного нагревателя показана на рисунке 8. Фазовые углы фі-2 и ф2-з между токами соседних секций уменьшены вплоть до 16 градусов. При этом установка остается в резонансном режиме.

Рис. 8. Векторная диаграмма индукционного нагревателя

Для модернизированной установки проведено исследование температурного поля в загрузке. На рисунке 9,а,б приведены графики температурных перепадов для теплового поля в загрузках разной длины. Каждая пара точек кривых рисунка 9 соответствует заготовке определенной длины и определяет температурный перепад, полученный в ходе нагрева.

Сравнение кривых перепада температуры по радиусу и длине заготовки приведено на рисунках 9,а,б в конце нагрева. Показаны графики для загрузок (рис. 10) в индукционной установке с исходной схемой включения (кривая 1) и после модернизации индукционного нагревателя (кривая 2).

♦ Д£ °С

100 120

350

'АС °С

300—1— 250І—|— 200

0

150—і—і~"М—і—і—і—!■—г—і--

1004-1- ■ ■

50

0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1

б

Рис. 9. Сравнение кривых перепада температуры по радиусу (а) и длине заготовки (б) в конце нагрева

а

3

d,

Характеристики распределения температурного поля по длине нагретой заготовки в конце нагрева для исходной схемы (кривая 1) и после модернизации индукционного нагревателя (кривая 2) показаны на рисунке 11. От горизонтальной оси расположена развертка периметра загрузки с указанием характерных точек (4 - термопара). По рисункам 9 и 11 легко видеть, что почти во всем интервале длин нагреваемой загрузки значительно снижается перепад температуры как по радиусу, так и по длине заготовки.

Рис. 10. Расположение характерных зон в сечении цилиндрической загрузки

Рис. 11. Сравнение характеристик распределения температурного поля по длине нагретой заготовки (в) в конце нагрева

В ходе математического моделирования с применением программного комплекса, как видно по графикам (см. рис. 4,а), при наличии и без магнитопровода удалось достигнуть неравномерного распределения удельной мощности по поверхности загрузки. Обеспечено выделение максимальной мощности в выходной секции при сохранении симметрии токов (рис. 8), потребляемых от сети. При этом удалось учесть эффект переноса мощности и ограничить неуправляемое перераспределение между обмотками трехфазного индукционного нагревателя, расположенными встык.

Литература

1. Кинев, Е.С. Математическое моделирование нагрева алюминиевых цилиндрических слитков в индукционном нагревателе методического действия / Е.С. Кинев, Е.А Головенко, Е.В. Кузнецов // Вопросы теории и проектирования электрических машин. Математическое моделирование электромеханических процессов: межвуз. сб. науч. тр. - Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2006. - С. 29-38.

2. Кинев, Е.С. Математическое моделирование физических процессов при индукционном нагреве / Е.С. Кинев, Е.А. Головенко // Оптимизация режимов работы электротехнических систем: межвуз. сб. науч. тр. - Красноярск: Изд-во ИПЦ КГТУ, 2006. - С. 19-30.

3. Пат. 2256304 Российская Федерация, МПК7 Н 05 В 6/06. Индукционная установка сквозного нагрева мерных заготовок / Головенко Е.А., Кинев Е.С.; заявитель и патентообладатель Краснояр. гос. тех. ун-т. - № 2003119843/09; заявл. 30.06.03; опубл. 27.12.04, Бюл. № 19. - 3 с.

4. Слухоцкий, А.Е. Индукторы для индукционного нагрева / А.Е. Слухоцкий, С.Е. Рыскин. - Л.: Энергия, 1974. - 264 с.

5. Установки индукционного нагрева / А.Е. Слухоцкий [и др.]. - Л.: Энергоиздат, 1981. - 328 с.

♦