Підвищення ефективності електротехнічного комплексу індукційного нагріву

Размещено на http://www.allbest.ru/

Севастопольський національний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНОГО КОМПЛЕКСУ ІНДУКЦІЙНОГО НАГРІВУ

Виконав Яримбаш Дмитро Сергійович

Севастополь - 2008

АНОТАЦІЯ

електротехнічний мундштук індукційний прес

Яримбаш Д.С. Підвищення ефективності електротехнічного комплексу індукційного нагріву. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 -- Електротехнічні комплекси та системи. -- Севастопольський національний технічний університет, Севастополь, 2008.

Дисертаційну роботу присвячено дослідженню електромагнітних і теплових процесів в електротехнічному комплексі індукційного нагріву для заготовок вугільно-графітових блоків. Розроблено об'єктно-орієнтовані моделі системи «індуктори - мундштук - вугільно-графітова маса» на етапах підготовки та пресування. Застосування вдосконалених методів комп'ютерного моделювання дозволило встановити залежності магнітних, електричних та енергетичних параметрів індукторів з урахуванням параметрів трансформаторів живлення, особливостей конструкції, нелінійності електрофізичних та теплофізичних властивостей. Вдосконалено режим розігріву, схему встановлення термопар, визначено оптимальні співвідношення температурних завдань, що дозволило скоротити тривалість підготовчого етапу, витрати електроенергії, стабілізувати температури робочої поверхні та підвищити якість заготовок.

Ключові слова: електротехнічний комплекс, індукційний нагрів, мундштук, заготовка блоку, комп'ютерне моделювання, оптимальні співвідношення



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Недостатня ефективність непрямого індукційного нагріву, нестабільність температурних режимів, низька якість вугільно-графітових блоків обумовлені характерними особливостями електротеплових процесів і недосконалими режимами електрообігріву під час пресування. Зважаючи на стале подорожчання енергоносіїв і зростаючу питому енергоємність електродної продукції актуальним є проведення комплексних теоретичних і експериментальних досліджень електромагнітних і теплових процесів в електротехнічному комплексі індукційного нагріву та підвищення за їх результатами енергоефективності технологічного процесу пресування, якості заготовок вугільно-графітових блоків.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибір напрямку досліджень здійснено відповідно до плану господарських науково-дослідних робіт Запорізького національного технічного університету з ВАТ “Укрграфіт” № 804/48425/04/1814 “Дослідження температурного режиму електричного обігріву мундштука пресу” (№ держ. реєстрації 0104U009039, ЗНТУ, 2006 р.); Закону України “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки”, Вісник Верховної Ради України 2001 р. № 48, ст. 253, Київ, 11.07.2001, № 2623-111; науково-технічної програми “Електротехніка-2005: Розробка та виробництво електротехнічної продукції загально-технічного призначення”, що затверджена Мінпромполітики України 21.10.2001; комплексної програми НАН України “Наукові основи електроенергетики”; цільової комплексної програми наукових досліджень НАН України “Науково-технічні основи вирішення проблем енергозбереження”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розв'язання наукових і технічних питань, що спрямовані на дослідження електромагнітних і теплових процесів в елементах електротехнічного комплексу індукційного нагріву для пресування заготовок вугільно-графітових блоків, удосконалення та оптимізацію режимів роботи індукторів на основі розробки об'єктно-орієнтованої теоретичної моделі, удосконалених методів розрахунку та ідентифікації електричних і теплових характеристик системи з урахуванням параметрів трансформаторів живлення для підвищення ефективності функціонування комплексу і поліпшення якості заготовок.

Для досягнення зазначеної мети в дисертаційній роботі були поставлені наступні науково-технічні задачі:

-- провести аналіз робіт вітчизняних і закордонних авторів з проблематики сучасного стану та розвитку індукційних пристроїв і визначити основні напрямки дослідження для підвищення ефективності електротехнічного комплексу індукційного нагріву мундштука пресу;

-- розробити об'єктно-орієнтовану електротеплову модель електротехнічного комплексу індукційного нагріву мундштука пресу для виготовлення заготовок вугільно-графітових блоків, яка дає змогу враховувати особливості конструкції індукторів і режимів їх роботи;

-- провести дослідження взаємозв'язаних електромагнітних і теплових процесів індукційного нагріву мундштука пресу і встановити чинники, що визначають енергоефективність і стабільність температурних режимів, якість пресованих заготовок;

-- оптимізувати режими індукційного нагріву і розробити ефективні схеми розташування управляючих термопар в мундштуку пресу для енергозберігаючого управління процесами перетворення електричної енергії на теплову;

-- експериментальна перевірка вірогідності теоретичних результатів і ефективності запропонованих рішень на діючому обладнанні в умовах виробництва.

Об'єктом дослідження є електромагнітні і теплові процеси в електротехнічному комплексі пристроїв індукційного нагріву мундштука пресу для заготовок вугільно-графітових блоків.

Предметом дослідження є показники ефективності електротехнічного комплексу індукційного нагріву мундштука для пресування заготовок вугільно-графітових блоків.

Методи дослідження: Для визначених в дисертації задач використовувалися методи математичного моделювання пристроїв індукційного нагріву, їх характеристик і режимів роботи, що базуються на теоріях електромагнітного поля, теплопровідності та теплообміну, теорії автоматичного регулювання, методах розв'язання нелінійних рівнянь в частинних похідних (скінченних елементів, скінченних різниць, конформних перетворень), розв'язання систем звичайних диференціальних рівнянь, оптимізації (упорядкованого перебору), регресійного і кореляційного аналізу, сплайн-інтерполяції та апроксимації. Дослідження проводилися з використанням математичного моделювання на ЕОМ та на діючому виробничому обладнанні.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Вперше створено електротеплову математичну модель взаємозв'язаних нестаціонарних електромагнітних процесів і динаміки процесів теплопередачі в електротехнічному комплексі індукційного нагріву під час пресування заготовок вугільно-графітових блоків, яка дає змогу враховувати нелінійність електрофізичних і теплофізичних властивостей активних і конструкційних матеріалів, особливості конструкції, режими роботи індукторів прямого і непрямого нагріву, параметри трансформаторів живлення.

2. На основі математичного моделювання і експериментальних досліджень вперше отримано залежності магнітних, електричних і теплових параметрів індукторів непрямого нагріву від електричних і температурних режимів роботи на підготовчому етапі і під час пресування заготовок вугільно-графітових блоків, встановлено раніше невідомі чинники (залежність активної потужності індукторів від температури, розташування управляючих термопар, асинхронна робота індукторів заходу та калібру, перепади температур в поперечних перерізах калібру і заходу мундштука пресу), що визначають стабільність температур робочої поверхні мундштука пресу, енергоефективність системи індукційного нагріву та якість пресованих заготовок.

3. Вперше отримано оптимальні співвідношення температурних завдань для управління індукційним нагрівом, за реалізації яких поліпшуються показники стабільності температур, забезпечується стабілізація температур робочих поверхонь калібру і заходу, зниження струмових навантажень індукторів й витрат електричної енергії, що є підґрунтям для розвитку теоретичних аспектів підвищення ефективності перетворення електричної енергії в теплову в електротехнічному комплексі індукційного нагріву мундштука пресу.

4. На основі метода об'єктно-орієнтованих елементів вперше розроблено модель динаміки електротехнологічної системи «індуктори-мундштук-вугільно-графітова маса», що враховує зміни температури навколишнього середовища, температури маси, швидкості пресування, електричні режими роботи індукторів та забезпечує обчислювальну реалізацію в режимі реального часу.

Практичне значення одержаних результатів

1. Розроблено і впроваджено у виробництво вдосконалену схему встановлення управляючих термопар, що забезпечує асинхронні режими роботи індукторів, поліпшує показники стабільності температур в 1,8-2,0 рази, знижує відносні струмові навантаження і активні потужності індукторів калібру і заходу на 2-3%, зменшує загальну тривалість роботи індуктора заходу і витрати електроенергії до 10,2%.

2. Розроблено і експериментально перевірено в промислових умовах оптимальні (за критерієм стабільності температур робочої поверхні) температурні завдання релейного управління, які дають змогу зменшити амплітуди коливань температур робочих поверхонь калібру і заходу в 2-2,5 рази; знизити перепад температур уздовж поверхні заготовок до 2-4 °С; підвищити якість заготовок вугільно-графітових блоків.

3. На основі комплексу теоретичних і експериментальних досліджень на діючому обладнанні вперше отримано за критерієм мінімуму енерговитрат оптимальні температурні завдання релейного управління (кратність значень - 1,85 для індуктора калібру і 0,65 - для індуктора заходу), що дають змогу поліпшити показники стабільності температур в 1,8 рази, зменшити амплітуду коливань температур робочої поверхні калібру до 3-4°С, заходу - до 0,5-1°С, знизити відносне струмове навантаження індуктора калібру до 0,87 - 0,93, заходу - до 0,75 - 0,82, витрати електричної енергії під час пресування заготовок на 9-12%.

4. За результатами комп'ютерного моделювання розроблено корекцію температурних завдань релейного управління індукційним нагрівом під час технологічних перерв пресування, яка дає змогу скоротити сумарну тривалість увімкнень індуктора в 1,2-1,4 рази, втрати в навколишнє середовище і споживання електричної енергії на 7-8%, забезпечує високу якість нових перспективних типів вугільно-графітових блоків з високим (до 100%) питомим вмістом графіту.

5. Результати дисертаційних досліджень використовувались у НДР Запорізького національного технічного університету з ВАТ “Укрграфіт” № 804/48425/04/1814 “Дослідження температурного режиму електричного обігріву мундштука пресу” (№ держ. реєстрації 0104U009039, ЗНТУ, 2006 р.). Їх впровадження на ВАТ “Укрграфіт” забезпечило скорочення тривалості підготовчого етапу на 15-17%, зменшення питомих витрат електроенергії під час пресування на 9-12% та кількості некондиційних заготовок вугільно-графітових блоків у 2-2,5 рази.

Особистий внесок автора. Результати дисертаційної роботи отримано автором особисто і полягають у наступному:

-- проведено аналіз робіт вітчизняних і закордонних авторів за темою дисертаційних досліджень;

-- на основі створеної математичної моделі взаємозв'язаних нестаціонарних електромагнітних процесів і динаміки процесів теплопередачі проведено теоретичне дослідження з метою ідентифікації електричних та теплових параметрів електротехнічного комплексу індукційного нагріву для пресування заготовок вугільно-графітових блоків;

-- здійснено аналіз та узагальнення результатів теоретичних і експериментальних досліджень для визначення на їх основі електротехнічних параметрів електромагнітного перетворення електричної енергії на теплову та енергозберігаючої оптимізації режимів індукційного нагріву.

У роботах, які опубліковані у співавторстві, особисто автору належать: [1,11] - об'єктно-орієнтована математична модель електромагнітного перетворення енергії в індукторах; удосконалений метод ідентифікації електричних параметрів індукторів та об'єднання множин результатів моделювання й експериментальних даних; залежності електричних параметрів індукторів з масивним і шихтованим осердям; модернізована конструкція індуктора з шихтованим осердям; [2] - об'єктно-орієнтована електротеплова модель індукційного нагріву, моделювання електромагнітного поля, визначення коефіцієнтів потужності; [3] - перетворення нелінійної моделі електротехнологічної системи «індуктори-мундштук-вугільно-графітова маса», модель динаміки об'єкту; емпіричні залежності температур робочої поверхні мундштука; комп'ютерна реалізація моделі індукційного нагріву для релейного закону управління; [4] - нестаціонарна нелінійна модель електромагнітного поля в індукторі; алгоритм за методом скінченних елементів; залежності активної потужності індукторів; [5] - динамічна модель для оптимального управління індукторами; [6] - критерії оптимальності, системи обмежень; [7] - метод динамічної обробки даних вимірів струмів і температур; [8] - перетворення нестаціонарної нелінійної математичної моделі електромагнітного поля на основі методу двошарових середовищ у гармонічну модель; обчислення на ЕОМ електромагнітних полів, визначення спотворення синусоїдності індукції, розподілу питомих втрат, потужності індуктора; [9] - оптимізація температурних завдань; [10] - математична модель теплопередачі для підготовчого етапу, обчислення режимів обігріву.

Апробація результатів дисертаційної роботи.

Основні теоретичні положення, результати та висновки доповідались автором, обговорювалися та отримали схвальний відгук на: Міжнародних науково-технічних конференціях «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика», м. Одеса, 2006 р., смт. Миколаївка, 2007,2008 рр.; Міжнародній науково-технічній конференції «Електромеханічні системи, методи моделювання і оптимізації», м. Кременчук, 2007 р.; Міжнародній науково-технічній конференції «Силова електроніка та енергоефективність - 2007», м. Алушта, 2007 р.; Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми підвищення ефективності електромеханічних перетворювачів в електроенергетичних системах», м. Севастополь, 2007 р.; Міжнародній науково-технічній конференції «Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості - 2008», м. Кривий Ріг, 2008 р.; на засіданні кафедри «Електропостачання промислових підприємств» Запорізького національного технічного університету 28 серпня 2008 р.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, викладена наукова новизна і практичне значення одержаних результатів, дається загальна характеристика роботи.

У першому розділі розглядаються особливості процесів технологічного індукційного нагріву мундштука для пресування вугільно-графітових блоків. Сучасне устаткування індукційного нагрівання калібру (УІНК) і заходу (УІНЗ) складається з трансформаторів живлення (ЖТІК, ЖТІЗ), індукторів (ІК,ІЗ) виконавчих пристроїв (ВІК,ВІЗ), систем управління (СУІК,СУІЗ) та вимірювання (ТК, ТЗ). Аналіз взаємодії елементів цього устаткування та режимів індукційного нагріву показав, що діючі системи керування та технологічні режими не завжди забезпечують зростаючі вимоги до енергоефективності та якості пресованих заготовок блоків. За аналізом робіт, які присвячені питанням експериментального дослідження, математичного моделювання, розрахунку і практичного використання устаткування у складі електротехнічного комплексу індукційного нагріву для різних технологічних процесів, встановлено, що переважна більшість робіт присвячена дослідженню процесів нагріву металів.

Оскільки застосування непрямого індукційного нагріву під час пресування вугільно-графітової маси має більш складну структуру сумісного перетворення електричної енергії змінного струму промислової частоти у теплову і теплообміну, то виникає необхідність більш глибокого вивчення нестаціонарних електромагнітних і теплових полів в електротехнологічній системі «індуктори - мундштук - вугільно-графітова маса» і визначення характерних зв'язків між окремими складовими цієї системи та їх кількісними характеристиками. Це вимагає комплексного підходу на основі поєднання експериментальних і математичних методів, розробки об'єктно-орієнтованих (адаптованих) до індукційних пристроїв мундштука та технологічного процесу пресування математичних формулювань електротеплових моделей, що відповідають вимогам точності та вірогідності обчислень в режимі реального часу, енергозберігаючої оптимізації режимів індукційного нагріву.

Математичні моделі теорії електромагнітного поля формулюються як у природних змінних, так і у векторному та скалярному потенціалах. Деякі з них враховують анізотропію середовищ, нелінійність електрофізичних властивостей, їх залежність від температури. Складність узагальнених математичних формулювань істотно ускладнює їх розв'язання. Тому більшість авторів застосовують спрощені моделі на основі припущень, які дають змогу зменшити розмірність геометричної області досліджень, лінеаризувати електрофізичні властивості матеріалів, перейти від нестаціонарних формулювань до гармонічних або стаціонарних задач. До розв'язання таких систем рівнянь в частинних похідних застосовуються як аналітичні, так і числові методи.

Обґрунтування та вибір методів або групи методів розв'язання спряжених рівнянь електротеплової моделі непрямого індукційного нагріву для пресування заготовок блоків обумовлюються задачами досліджень, складністю математичного опису рівнянь, багатокомпонентністю систем, багатовимірністю та складністю геометрії об'єкту, анізотропією та нелінійністю електрофізичних і теплофізичних властивостей. Як правило, методи скінченних елементів, скінченних різниць, граничних елементів, що реалізовані у вигляді пакетів прикладних програм, забезпечують достатню точність результатів та суттєво скорочують витрати часу на розробку та підготовку алгоритмів і спеціальних програм. Але особливості комп'ютерного моделювання в реальному часі, потреби оптимізації режимів роботи індукторів за критеріями мінімуму енерговитрат та стабільності температур робочої поверхні обґрунтовують додаткові вимоги до застосування уніфікованих і спеціальних підходів для підвищення числової ефективності і точності ідентифікації електричних та теплових характеристик елементів електротехнічного комплексу індукційного нагріву.

Другий розділ присвячено дослідженню електромагнітних процесів індукційного нагріву мундштука пресу. Для визначення електромагнітних процесів перетворення електричної енергії змінного струму промислової частоти в індукторах непрямого нагріву з суцільним або шихтованим осердям використовується об'єктно-орієнтоване перетворення диференціальних рівнянь Максвела у систему нестаціонарних рівнянь відносно векторного магнітного потенціалу у феромагнітних 1,2 (), електропровідних 3 () та електроізолюючих 4 середовищах ():



. (1)

Це дає змогу вдвічі скоротити число залежних змінних та розв'язати задачу в областях електромагнітних систем індукторів калібру () та заходу () зі стрибкоподібними (2) та нелінійними (3) залежностями електрофізичних властивостей:

(2)

(3)

Система рівнянь (1) задовольняє умовам калібрування, асиметрії, однорідності на віддалених фіктивних межах; рівності тангенціальних складових напруженості магнітного поля або їх розриву на поверхні стрижнів обмоток, умовам Коші.

Обчислення векторного магнітного потенціалу дає змогу із застосуванням співвідношень:

;(4)

;(5)

;(6)

;(7)

;(8)

; (9)

визначити індукцію магнітного поля (4), потокозчеплення обмоток (5) і питомі втрати від струмів Фуко (6), активні втрати в сердечнику і кожуху (7), в обмотках (8) та активну потужність індукторів (9).

Для врахування взаємодії електромагнітного і теплових полів використовується спрощена теплова модель індуктора, який розглядається як ізотропне середовище з нескінченною теплопровідністю та рівномірно розподіленими джерелами тепла:

.(10)

Вірогідність спрощеної теплової моделі (10) обґрунтована експериментальними та теоретичними дослідженнями температурних полів під час попереднього розігріву і пресування заготовок. Радіальні розміри індукторів калібру і заходу є набагато меншими за їх довжини, а напрями електричних струмів в стрижнях обмоток паралельні твірній внутрішньої поверхні. Тому достатньо досліджувати плоскопаралельне електромагнітне поле в поперечному перерізі індукторів, що обмежується подвійним зубцевим кроком. Для розв'язання нестаціонарної нелінійної задачі електромагнітного поля (1) - (3) застосовано метод скінченних елементів. В зонах передбачуваної найбільшої концентрації магнітного поля виконано подрібнення скінченних елементів з використанням функцій інтерфейсу ПЗ FemLab. Побудова алгоритму обчислень визначена ітераційними процесами спряження теплових і електромагнітних розрахунків, рівняннями рівноваги миттєвих значень напруги і струмів обмоток трансформаторів живлення та індукторів у складі електротехнічного комплексу індукційного нагріву. На першому етапі обчислень визначено початкове наближення векторного магнітного потенціалу для лінійної постановки задачі, а на другому етапі - враховано нелінійність електрофізичних властивостей матеріалів.

Зростання температури та струмів індукторів у робочих інтервалах їх змін призводять до зменшення коефіцієнту спотворення синусоїдності на 1,2-3%. Вплив наведених чинників визначає зміни потужності індукторів, магнітних, електричних і теплових параметрів, як на етапі розігріву, так і під час пресування заготовок вугільно-графітових блоків. Значні витрати часу на моделювання, що перевищують вісім годин, не відповідають вимогам швидкодії системи управління індукційним нагрівом. Для підвищення ефективності процесу обчислень нестаціонарну модель (1) запропоновано перетворити на двошарову гармонічну

(11)

Вищі гармонійні складові локальних значень індукції (3,5 і 7) у поверхневих шарах осердя (біля пазу) і кожуха (біля повітряного зазору) обумовлюють збільшення локального коефіцієнту спотворення синусоїдності до 45-46%, а для результуючого магнітного потоку до 8%. лінійні електрофізичні властивості якої визначаються з урахуванням співвідношення зведення та умов мінімізації:

, .

Відносна похибка гармонічної моделі (11) для розрахунку потужності індукторів зі значно меншими (в 3-15 разів) витратами комп'ютерного часу складає 0,8-1,65% у порівнянні з нестаціонарною нелінійною моделлю (1).

Для підвищення точності ідентифікації параметрів індукторів, визначення залежності падіння напруги, активних і повних потужностей від сили струмів в обмотках та температурних режимів роботи з використанням базисних співвідношень:

(12)

запропоновано застосовувати методи сплайн-інтерполяції, апроксимації та об'єднання множин результатів обчислень і експериментальних даних:

,(13)

що отримані на діючому виробничому обладнанні. Це дає змогу зменшити похибку розрахунків активної потужності індукторів відносно даних вимірювань з 6,2% до 1,5%.

За результатами комп'ютерного моделювання нестаціонарного електромагнітного поля в робочих інтервалах температур [20-400] °С і діючих значень струмів обмоток [600 - 830] А встановлено особливості розподілу індукції в сердечнику, кожуху, пазах та повітряному зазорі. Визначено, що над зубцями осердя локалізується до 98,2% магнітного потоку повітряного зазору, магнітний потік пазового розсіювання не перевищує 3,68% для індуктора калібру і 2,47% - для індуктора заходу, для розсіювання по коронках зубців - 1,7% - 1,8% , відповідно. Часові зміни розподілу індукції в зубцях осердя зменшують результуючий потік на 2,4%.

Застосування співвідношень (12) дає змогу ідентифікувати електричні опори та коефіцієнти потужності індукторів:

;

;

;

.

Активні та індуктивні опори індукторів непрямого нагріву підвищуються зі зростанням температури і знижуються зі збільшенням струму. Отримано, що в робочих інтервалах температур і діючих струмів обмоток активні та індуктивні опори індукторів з суцільним осердям змінюються в межах від 0,1 до 0,14 Ом і від 0,1 до 0,18 Ом - для калібру, та від 0,04 до 0,07 Ом і 0,04 - 0,08 Ом - для заходу. Для модернізованих індукторів з шихтованим осердям індуктивний опір на 15% нижче. Відповідні співвідношення складових електричних опорів індукторів з суцільним осердям визначають низькі значення та зміни коефіцієнтів потужності від 0,61 до 0,68 - для калібру та від 0,69 до 0,7 - для заходу. Коефіцієнт потужності індуктора з шихтованим осердям збільшується до 0,8 - 0,85.

На основі теоретичних досліджень доведено, що застосування модернізованих індукторів з шихтованим осердям дає змогу зменшити струми в обмотках, збільшити питому активну потужність у 2-2,5 рази і разом з тим забезпечує енергоефективні режими роботи, зменшує втрати у коротких мережах та додаткові витрати енергії на компенсацію реактивної потужності.

Ідентифікація електричних характеристик індукторів з урахуванням параметрів трансформаторів живлення, температурних і електричних режимів роботи забезпечує об'єднання результатів досліджень електромагнітного поля з математичними формулюваннями теплопередачі, як на підготовчому етапі, так і під час циклів пресування заготовок вугільно-графітових блоків. Висока точність співвідношень (12) дає змогу використовувати їх для визначення оптимальних параметрів управління індукційним нагрівом.

У третьому розділі проведено дослідження на підготовчому етапі технологічного процесу виготовлення заготовок вугільно-графітових блоків теплових параметрів електротехнологічної системи у складі: мундштук (), індуктор заходу (), індуктор калібру (). Для врахування конструктивних особливостей, нелінійності теплофізичних властивостей матеріалів, особливостей теплопередачі, взаємозв'язаних електричних режимів роботи індукторів заходу і калібру, поліпшення умов числової реалізації, точності і вірогідності результатів моделювання запропоновано об'єктно-орієнтоване перетворення нелінійних рівнянь теплопровідності до рівнянь (14) у трансформаціях Ейєрса (15) і градаціях Шлака-Сарьянта (16) з відповідними граничними умовами (17) - (19):

(14)

; (15)

; (16)

; (17)

; (18)

(19)

Розроблено модифікований ітераційний алгоритм, що реалізує спряження електричних параметрів (19) і температурних режимів роботи індукторів заходу та калібру для обчислення температурних полів на підготовчому етапі пресування на основі методів скінченних різниць та конформних перетворень, що зменшило геометричну розмірність області досліджень. Відносна нев'язка результатів обчислень практично не відрізняється від отриманих за методом скінченних елементів, а витрати часу на числову реалізацію у 2-3 рази менші ніж для ПЗ FemLab. Відносна похибка для локальних значень температур мундштука пресу не перевищує 6-8% на початку етапу попереднього розігріву і 3,5 - 4% наприкінці.

Запропоновано використовувати ідентифікацію параметрів теплової моделі індукційного нагріву мундштука пресу на основі об'єднання множин результатів математичного моделювання, що отримані методами скінченних елементів, скінченних різниць та конформних перетворень і експериментальних даних. Це забезпечило необхідну вірогідність визначення режимів індукційного нагріву для підготовчого етапу, підвищення точності обчислень температур в контрольних точках мундштука пресу до 1-2%, струмів в обмотках індукторів калібру і заходу до 2-3%.

Встановлено істотні відмінності у динаміці змін температур мундштука біля робочої поверхні та під індуктором: за постійними часу - більше у 1,76 рази, за нахилом кривих розгону - менше в 2,75 рази, за транспортною затримкою - більше ніж на два порядки. Це обумовлює необхідність удосконалення схеми розташування термопар і встановлення управляючих термопар безпосередньо під індукторами.

Запропоновано вдосконалений режим розігріву на підготовчому етапі зі ступінчастим підвищенням напруги та потужності індукторів, яке відповідає умовам підтримки на визначеному рівні різниць температур між індукторами і робочою поверхнею мундштука, які визначаються температурними завданнями для відповідних управляючих термопар. Експериментальна перевірка у виробничих умовах режиму ступінчастого нагріву підтвердила можливість скорочення тривалості підготовчого етапу на 15 - 17% та відмови від періоду охолодження на початку циклів пресування. Зменшення сталих значень температур елементів системи обумовлює зниження втрат тепла у навколишнє середовище та загальних витрат електроенергії під час попереднього розігріву до 8%.

Четвертий розділ присвячено теоретичному та експериментальному дослідженню електротехнічного комплексу індукційного нагріву мундштука пресу на етапі пресування заготовок блоків. На основі метода об'єктно-орієнтованих елементів здійснено перетворення математичної моделі, що подається системою нелінійних рівнянь теплопередачі параболічного типу у частинних похідних, до системи звичайних диференціальних рівнянь, які разом із рівняннями теплового балансу для індукторів, мундштука та вугільно-графітової маси визначають модель динаміки електротехнологічної системи. Розроблена модель дала змогу врахувати електричні режими роботи індукторів, впливи змін температур навколишнього середовища і маси, швидкості пресування та забезпечила реалізацію в режимі реального часу. Для зменшення складових похибки, що обумовлені недостатнім визначенням умов теплообміну, застосовано метод колокації та експериментальні дані вимірів температур біля робочої поверхні мундштука пресу. Такий підхід наближує точність моделювання розподілу температур до рівня похибки вимірів контрольними та управляючими термопарами, а саме: 0,76%-0,83% - для контрольних температур робочої поверхні; 1,2%-1,4% - для температур калібру на глибині 170 мм; до 2,2% - для температур під індукторами заходу і калібру. Засобами математичного моделювання та експериментальних досліджень на діючому технологічному обладнанні у виробничих умовах визначено закономірності зміни температур робочої поверхні мундштука в процесі пресування для існуючих схем розташування управляючих термопар та вплив самосинхронізації електричних режимів роботи індукторів на амплітуди температур мундштука пресу. Так, в окремих випадках, нестабільність температур робочої поверхні мундштука пресу під час пресування заготовок сягає 36 °С біля додаткових резистивних нагрівачів, 28 °С - під калібром, 18 °С - між калібром та заходом. Це значно перевищує технологічний допуск та істотно знижує однорідність структури та якість пресованих заготовок. Теоретично обґрунтовано та експериментально перевірено у виробничих умовах удосконалену схему встановлення термопар, яка передбачає додаткові канали реєстрації для температур під індукторами заходу і калібру. Така схема забезпечує асинхронні режими роботи індукторів. Це поліпшує показник стабільності температур робочої поверхні в 1,8-2,0 рази, дозволяє знизити струми обмоток та активні потужності індукторів калібру і заходу на 2-3%, загальну тривалість роботи індуктора заходу та споживання електроенергії до 10,2%. З метою подальшого поліпшення показників енергоефективності роботи електротехнічного комплексу індукційного нагріву, забезпечення якості заготовок блоків з високим питомим вмістом графіту сформульовано критерії оптимальності:

, (20)

що визначають стабільність температур робочої поверхні,

(21)



та споживання електроенергії індукторами на цикл пресування, множина залежних параметрів оптимізації, які відповідають динамічній системі обмежень та встановлені інтервали для незалежних параметрів - температурних завдань релейного управління за температурами під індукторами заходу і калібру.

Зважаючи на те, що визначення функції мети аналітичним або числовим способами є складним, запропоновано застосування методу упорядкованого перебору, який дає змогу не враховувати функціональні властивості функцій мети та обмежень. Для уточнення оптимальних температурних завдань здійснювалося кратне подрібнення кроку перебору незалежних параметрів в околу оптимуму, що забезпечило зменшення витрат часу на розв'язання задачі оптимізації.

Виконано теоретичне дослідження у реальному часі для отримання оптимальних співвідношень температурних завдань за критерієм стабільності температур робочої поверхні мундштука пресу у процесі керування (20) та експериментальна перевірка їх у виробничих умовах для управління індукційним нагрівом. Підтверджено, що амплітуди коливань температур калібру і заходу зменшуються у 2-2,5 рази; перепад температур на поверхні заготовок вугільно-графітових блоків не перевищує 2-4 °С, що значно зменшило кількість некондиційних заготовок.

На основі комплексних теоретичних і експериментальних досліджень на діючому обладнанні визначено оптимальні за критерієм мінімуму енерговитрат (21) температурні завдання релейного управління, кратність яких склала 1,85 - для індуктора калібру та 0,65 - для індуктора заходу. Це дало змогу забезпечити поліпшення показників стабільності температур в 1,8 рази, зменшити амплітуди температур робочої поверхні калібру до 3-4°С, заходу - до 0,5-1°С, знизити відносне струмове навантаження індуктора калібру до 0,87 - 0,93, заходу - до 0,75 - 0,82, витрати електричної енергії на цикл пресування заготовок на 9-12%. Запропоновано корекцію температурних завдань релейного управління (-16%) індукційним нагрівом на технологічних перервах пресування, що призвело до зменшення тривалості роботи індукторів в 1,2-1,4 рази, втрат у навколишнє середовище і споживання електричної енергії на 7-8%. Таким чином можна забезпечити високу якість нових типів подових блоків з питомим вмістом графіту до 100%.



ВИСНОВКИ

1. На підставі аналізу робіт вітчизняних і закордонних авторів з проблеми сучасного стану і розвитку пристроїв індукційного нагріву визначено основні напрями досліджень для підвищення ефективності електротехнічного комплексу індукційного нагріву мундштука пресу на основі математичного і експериментального підходів до вивчення взаємозв'язаних нестаціонарних електромагнітних процесів і теплопередачі.

2. Вперше розроблено об'єктно-орієнтовану електротеплову математичну модель, що дає змогу врахувати нелінійності електрофізичних і теплофізичних властивостей активних та конструкційних матеріалів, особливості конструкції, режими роботи індукторів непрямого нагріву, параметри трансформаторів живлення.

3. Розроблено раціональні алгоритми застосування методів двошарових середовищ, скінченних різниць, скінченних елементів, об'єктно-орієнтованих елементів до обчислень електромагнітних та температурних полів для різних етапів технологічного процесу пресування і режимів індукційного нагріву, що забезпечують високу ефективність числової реалізації та скорочення витрат часу в 3-15 разів. Точність і вірогідність результатів обчислень підтверджується експериментальними даними, що отримані на діючому технологічному обладнанні.

4. На основі математичного моделювання та експериментальних досліджень вперше отримано залежності магнітних і електричних параметрів індукторів непрямого нагріву мундштука пресу від електричних і температурних режимів роботи з урахуванням параметрів трансформаторів живлення, які забезпечують високу точність результатів. Запропоновано вдосконалення технологічної системи шляхом модернізації конструкції індукторів, застосування прямого нагріву, шихтованих осердь з електротехнічної сталі, що дає змогу зменшити струми в обмотках індукторів, забезпечити енергоефективні режими, зменшити втрати в коротких мережах, витрати енергії на компенсацію реактивної потужності, підвищити коефіцієнт потужності індукторів до 0,8 - 0,85.

5. Вперше розроблено об'єктно-орієнтовану модель теплопередачі електротехнологічної системи «індуктор заходу-мундштук-індуктор калібру» в трансформаціях Ейерса і градаціях Шлака-Сарьянта, що враховує конструктивні особливості складових системи, нелінійність теплофізичних властивостей матеріалів, особливості механізмів теплопередачі, взаємозв'язані електричні режими роботи індукторів на підготовчому етапі технологічного процесу.

6. За результатами математичного моделювання і експериментальних досліджень виконано ідентифікацію параметрів теплової моделі індукційного нагріву мундштука і обґрунтовано ефективність удосконаленого (ступінчастого) режиму розігріву на зниженій напрузі обмоток, що дає змогу підтримувати на визначеному рівні різницю температур між індуктором і робочою поверхнею мундштука. За відсутності періоду охолодження, скорочено тривалість підготовчого етапу на 15 - 17%, зменшено втрати тепла і витрати електроенергії на 3-8%.

7. Вперше розроблено модель динаміки технологічної системи “індуктори - мундштук - вугільно-графітова маса”, що враховує зміни температури навколишнього середовища і маси, швидкість пресування та електричні режими роботи індукторів, для якої забезпечується обчислювальна реалізація в режимі реального часу з високою точністю. Визначено раніше невідомі закономірності зміни температур робочої поверхні мундштука в процесі пресування для діючих схем розташування управляючих термопар. Встановлено вплив самосинхронізації електричних режимів роботи індукторів на збільшення амплітуд температур калібру і заходу, що порушують однорідність структури та знижують якість пресованих заготовок.

8. Вперше вдосконалено схему розташування управляючих термопар, визначено і експериментально перевірено у виробничих умовах оптимальні (за критеріями стабільності температур робочої поверхні та мінімуму енерговитрат) температурні завдання релейного управління, що забезпечують асинхронні режими роботи індукторів, поліпшення показників стабільності температур робочої поверхні мундштука в 1,8-2,5 рази, зменшення перепадів температур уздовж поверхні заготовок до 2-4 °С; підвищення якості заготовок вугільно-графітових блоків, зменшення відносних струмів і активних потужностей індукторів калібру до 0,87-0,93, заходу - до 0,75-0,82, витрат електричної енергії на 9-12%. За результатами комп'ютерного моделювання вперше запропоновано корекцію температурних завдань під час технологічних перерв, що дає змогу скоротити сумарну тривалість роботи індукторів в 1,2-1,4 рази, втрат в навколишнє середовище і споживання електричної енергії на 7-8%.



ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМАТИКОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Андриенко П.Д. Применение методов математического моделирования для определения параметров индуктора / П.Д. Андриенко, И.М. Коцур, Д.С. Ярымбаш // Вестник СевНТУ - Севастополь, 2008. - Вып. 88. - С. 117 - 120.

2. Андриенко П.Д. Моделирование электромагнитных и тепловых процессов при индукционном нагреве мундштука пресса / П.Д. Андриенко, Д.С. Ярымбаш // Разработка рудных месторождений. - Кривой Рог, 2008. - Вып. 92. - С. 163 - 167.

3. Андриенко П.Д. Особенности моделирования температурного состояния технологической системы как объекта управления / П.Д. Андриенко, Д.С. Ярымбаш // Електромашинобудування та електрообладнання - Одеса, 2006. - № 66. - С. 291 - 293.

4. Андриенко П.Д. Повышение энергоэффективности индуктора калибра мундштука пресса / П.Д. Андриенко, Д.С. Ярымбаш // Технічна електродинаміка. Тематичний вип. Силова електроніка і енергоефективність. - 2007. - Ч. 5. - С. 85 - 88.

5. Андриенко П.Д. Повышение энергоэффективности при автоматизированном управлении индукторами пресса / П.Д. Андриенко, Д.С. Ярымбаш // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету (технічні науки). Тематичний випуск «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика». - Дніпродзержинськ, 2007. - С. 212 - 213.

6. Андриенко П.Д. Усовершенствование и оптимизация режимов электрообогрева мундштука пресса для производства заготовок подовых и доменных блоков / П.Д. Андриенко, Д.С. Ярымбаш // Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Тематичний випуск «Проблеми автоматизованого електропривода. Теорія і практика». - Харків, 2008. - № 30. - С. 497 - 499.

7. Килимник И.М. Повышение эффективности обработки информации при регистрации контролируемых параметров в системах автоматического управления / И.М. Килимник, Д.С. Ярымбаш // Радіоелектроніка. Інформатика. Управління. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2007. - № 1(17). - С. 68 - 73.

8. Килимник И.М. Особенности моделирования электромагнитных процессов в индукторе калибра мундштука пресса / И.М.Килимник, Д.С. Ярымбаш // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету. - Кременчук: КДПУ, 2007. - №4(45). - Ч. 1. - С. 53 - 55.

9. Ярымбаш Д.С. Повышение эффективности управления режимами электрического обогрева при прессовании заготовок подовых блоков / Д.С. Ярымбаш, А.В. Тютюнник, О.Л. Загрунный // Электротехника и электроэнергетика. - Запорожье: ЗНТУ, 2006. - № 2. - С. 56 - 60.

10. Ярымбаш Д.С. Моделирование температурных режимов электротехнологической системы «индукторы - мундштук» на подготовительном этапе тура прессования / Д.С. Ярымбаш, А.В. Тютюнник, О.Л. Загрунный // Электротехника и электроэнергетика. - Запорожье: ЗНТУ, 2006. - № 1. - С. 56 - 60.

11. Применение методов математического моделирования для определения параметров индуктора мундштука пресса / П.Д. Андриенко, Д.С. Ярымбаш, С.Т. Ярымбаш [и др.] // Проблемы повышения эффективности электромеханических преобразователей в электроэнергетических системах: материалы Международной науч. - техн. конф., (Севастополь, 24 - 28 сентября 2007 г.). - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2007. - С. 62 - 64.

Размещено на Allbest.ru

...