Исследование электродинамических усилий в устройствах индукционного нагрева и разработка методов защиты от их воздействия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат наук Иванов, Александр Николаевич

• Иванов, Александр Николаевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Иванов, Александр Николаевич

ОГЛАВЛЕНИЕ стр.

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕШАЕМЫХ ЗАДАЧ

1.1 Виды силового воздействия электромагнитного поля и тока и их значение в системах индукционного нагрева

1.2 Характеристика систем индукционного нагрева для исследования силовых эффектов электромагнитного поля и тока

1.3 Анализ методов и программ расчёта электродинамических усилий

1.4 Постановка задачи исследований

1.5 Выводы по разделу

2 МЕТОДЫ И ПРОГРАММЫ РАСЧЁТА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ УСИЛИЙ В ИНДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЯХ

2.1 Метод конечных элементов, программы расчёта ELCUT и FLUX

2.2 Метод и программы электромагнитного расчёта индукторов для нагрева цилиндрических изделий

2.3 Метод электротеплового расчёта индукторов для нагрева цилиндрических изделий

2.4 Алгоритм расчёта электродинамических усилий

2.5 Предметно-ориентированная программа расчёта ELTA 20

2.6 Сравнительная характеристика результатов расчёта электродинамических усилий, полученных по разным программам

2.7 Выводы по разделу

3 ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ УСИЛИЯ В ИНДУКЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

3.1 Проблемные вопросы силового воздействия электромагнитного поля и тока

3.2 Электродинамические усилия, действующие на немагнитные заготовки в цилиндрических индукторах

3.3 Электродинамические усилия, действующие на ферромагнитные заготовки

в цилиндрических индукторах

3.4 Электродинамические усилия в индукторах и магнитопроводах

3.5 Выводы по разделу

4 МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ УСИЛИЙ И ИХ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

4.1 Характеристика методов снижения и использования электродинамических усилий

4.2 Основные задачи по снижению вибрации витков

4.3 Основные задачи по защите от самопроизвольного перемещения загрузки.. 117 4.5 Основные подходы к созданию индукционного электропривода для

контролируемого перемещения загрузки

4.5 Выводы по разделу

5 ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-МЕХАНИЧЕСКОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ИНДУКЦИОННЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

5.1 Описание проблем электромагнитно-механической совместимости

5.2 Пути решения задач, связанных с обеспечением электромагнитно-механической совместимости индукционных нагревателей

5.3 Методика проверки индукционных установок на соответствие требованиям электромагнитно-механической совместимости

5.4 Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Исследование по выбору модели расчёта внешней

электромагнитной задачи для тел с импедансными граничными условиями

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Характерные черты программы расчёта ELTA20

ПРИЛОЖЕНИЕ В Материалы о внедрении результатов работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Исходный код макроса на языке Python для получения

распределения электродинамических усилий, действующих на витки индуктора

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Результаты расчёта электродинамических усилий

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование электродинамических усилий в устройствах индукционного нагрева и разработка методов защиты от их воздействия»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования.

Диссертационная работа посвящена исследованию проблемных вопросов силового воздействия электромагнитного поля и электрического тока в индукционных нагревателях, методов и средств снижения интенсивности такого воздействия, возможности использования сил в полезных для индукционных электротехнологий целях, а также выработке критериев испытаний индукционных установок на электромагнитно-механическую совместимость (ЭММС) и разработке методологии таких испытаний.

Из практики использования индукционных нагревателей известно, что в некоторых случаях механические силы, создаваемые электромагнитным полем и током, воздействуя на конструкции и элементы системы "индуктор - магнитопровод - элементы крепления - загрузка", приводят к серьёзным последствиям и препятствуют внедрению прогрессивного индукционного нагрева во многие технологические процессы. В связи с этим детальное исследование вопросов ЭММС, определение методов и путей снижения негативного влияния усилий до допустимых или приемлемых для практики значений, является актуальным.

При разработке индукционного электротехнологического процесса и оборудования для его реализации первостепенное значение имеет не только получение качественного и эффективного нагрева, то есть технологическая надёжность, но и безопасность или безвредность этого процесса для персонала. Наряду с обеспечением технологической надёжности процесса, которая может быть нарушена электродинамическими усилиями (ЭДУ), достаточно большое внимание следует уделять механической опасности, создаваемой в системах индукционного нагрева, поскольку некоторые процессы в них ещё недостаточно хорошо изучены и требуют надлежащего внимания как со стороны разработчиков, так и со стороны заводских специалистов. ЭДУ способны вызвать непосредственное травмирование обслуживающего персонала от самопроизвольно движущихся заготовок, нарушение таких конструктивных элементов индуктирующих катушек как контактные соединения и межвитковая электрическая изоляция с вытекающими отсюда опасными последствиями.

Степень разработанности темы.

Несмотря на то, что ЭДУ изучались многими авторами, имеется ограниченное число работ, в которых электродинамические усилия в некоторых устройствах индукционного нагрева исследовались целенаправленно. Практически отсутствовал системный подход к проектированию индукционных установок, при котором ЭДУ должны рассматриваться уже на первых этапах проектирования, а созданные установки должны подвергаться специальным испытаниям на ЭММС. Требование обеспечения высшего приоритета проблемам безопасности по сравнению с другими электротехнологическими задачами является настоятельной необходимостью разработчиков и исследователей.

Цель работы: получение качественных и количественных зависимостей основных параметров электродинамических усилий в индукционных системах, определение возможности их снижения или рационального использования при проектировании и эксплуатации устройств индукционного нагрева для различных электротехнологических процессов, выработка критериев электромагнитно-механической совместимости, на которые следует проверять такие системы.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие задачи:

1 Разработаны метод и предметно ориентированная программа расчёта параметров электродинамических усилий с учётом изменения температуры загрузки, её электрических и теплофизических свойств во время нагрева.

2 Определён комплекс параметров, влияющих на усилия для немагнитной и ферромагнитной цилиндрической загрузки.

3 Определены критерии выбора основных параметров индукционных нагревателей цилиндрической загрузки одновременного и полунепрерывного действия, при которых наступают критические силовые эффекты самопроизвольного перемещения загрузки с учётом величины заглубления, частоты тока, электро- и теплофизических свойств нагреваемого материала.

4 Исследованы электродинамические усилия, приводящие к выбросу цилиндрических заготовок из индуктора при несимметричном расположении или зазорах между соседними заготовками.

5 Рассмотрен комплекс проблемных вопросов электромагнитно-механической совместимости цилиндрических индукционных нагревательных систем.

6 Разработаны критерии электромагнитно-механической совместимости, на которые необходимо проверять и испытывать индукционные нагревательные системы различного технологического назначения.

7 Рассмотрены вопросы возможности создания специализированного индукционного электромагнитного привода цилиндрических заготовок для направленного перемещения их внутри нагревателей при одновременном и непрерывно-последовательном режимах нагрева.

Научная новизна проведённых исследований состоит в следующем:

1 Сформулирована и обоснована математическая модель совместного расчёта электромагнитных, тепловых параметров индукционных нагревателей цилиндрических заготовок и электродинамических усилий, создаваемых в таких системах. На основе этой модели разработана предметно ориентированная программа расчёта, позволяющая исследовать электродинамические эффекты индуктора и цилиндрической загрузки с учётом изменяющейся во времени температуры, использования средств управления магнитным полем и многочастотного питания индукторов.

2 На основе предложенной классификации методов управления электродинамическими усилиями и исследования этих методов получена новая информация о влиянии режимов питания и конструктивного исполнения нагревателей на электродинамические усилия. Установлено, что, увеличивая напряжение на индукторе, можно добиться изменение направления силы, действующей на ферромагнитную загрузку.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1 Разработана программа двумерного электротеплового анализа и расчёта электродинамических усилий в индукционных нагревателях различного технологического назначения с учётом изменяющихся в процессе нагрева основных параметров и использованием двух или более частот источников питания.

2 Получены зависимости распределения электродинамических усилий для наиболее распространённых конструкций промышленных индуктирующих систем, позволяющих оценить возможные проблемы, которые могут встретиться при их разработке и внедрении.

3 Предложены новые методы управления электромагнитным полем и электродинамическими усилиями для снижения негативных эффектов, возникающих при работе или испытаниях индукционных нагревателей.

4 Получены рекомендации по практическому применению и проектированию индукционных систем для нагрева утяжелённых бурильных труб сбалансированных, мерных цилиндрических заготовок из меди и её сплавов, алюминия и его сплавов, титана, немагнитной и ферромагнитной стали, позволяющие обеспечить их электромагнитно-механическую совместимость.

5 Разработана научно-обоснованная методика проведения испытаний индукционных установок на электромагнитно-механическую совместимость.

Методология и методы исследования:

Исследование электромагнитных, тепловых и электродинамических процессов проводится с использованием математического моделирования, основанного на теории индукционного нагрева, методах математической физики и вычислительной математики, а также физического моделирования для проверки результатов расчётов.

При математическом моделировании использовались численные методы и программы расчёта, основанные на методе импедансных граничных условий и методе конечных элементов.

Данная диссертационная работа является частью исследований, выполненных автором на кафедре Безопасности жизнедеятельности Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина).

На защиту выносятся следующие основные положения:

- метод и предметно ориентированная программа расчёта электротепловых параметров и электродинамических усилий индукционных нагревателей для цилиндрических заготовок;

-результаты исследования электродинамических усилий, действующих на цилиндрические заготовки, индуктирующие катушки и магнитопроводы целого ряда промышленных индукционных установок;

- средства управления электродинамическими усилиями индукционных нагревательных систем;

- рекомендации по снижению электродинамических усилий нагревателей;

- критерии электромагнитно-механической совместимости индукционных нагревателей;

- результаты исследований по созданию индукционного электромагнитного привода для перемещения заготовок в индукционных нагревателях.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением с экспериментальными данными и результатами, полученными по программам расчёта, достоверность которых не вызывает сомнения.

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на 63-й, 64-й, 65-й и 66-й конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" в 2010, 2011, 2012 и 2013 гг., 9-ом Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, 13-16 сентября 2011 г., СПб, на XVII UIE Congress May 21- 25, 2012, St. Petersburg, Международной конференции Heating by Electromagnetic Sources HES - 13, Padua, May 21-24.

Публикации. Результаты выполненных исследований по теме диссертационной работы изложены в 5 опубликованных статьях в научно-технических журналах, рекомендованные ВАК, а также в материалах научно-технических, международных конференциях, симпозиуме и конгрессе (5 публикаций).

Внедрение результатов работы. Программа двумерного расчёта внедрена в практику проектирования индукционных систем различного технологического назначения ведущих отечественных научно-производственных фирм: ФГУП ВНИИ ТВЧ, ООО НПФ "Фреал и Ко", ООО "Градиент". Результаты диссертационной работы используются для обучения в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете бакалавров по дисциплине "Безопасность жизнедеятельности" и магистров по дисциплинам "Специальные вопросы проектирования безопасной приборной техники" и "Системы обеспечения безопасности технических средств управления". Экономический эффект от внедрения результатов работы оценивается в 254600 руб. в год.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающей 106 наименований, и 5 приложений. Основная часть работы изложена на 140 страницах машинописного текста. Работа содержит 67 рисунков и 10 таблиц.

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕШАЕМЫХ ЗАДАЧ

1.1 Виды силового воздействия электромагнитного поля и тока и их значение в системах индукционного нагрева

Одним из первых эффектов, с изучения которого начиналась электротехника и который в той или иной степени учитывался или должен быть учтён при проектировании устройств индукционного нагрева, является эффект силового (механического) воздействия. Механическое взаимодействие электрических зарядов, а также магнитных масс полюсов магнита было открыто и опубликовано Кулоном в 1785 году. Механическое воздействие электрического тока на магнитную стрелку было обнаружено Эрстедом в 1819 году. Прообраз индуктора (соленоид с током) изучал Ампер, показывая в 1820 году электромагнит постоянного тока и доказывая, что причиной возникновения магнитных явлений являются электрические токи [1, с. 433-439].

Электромагнитное поле, как вид материи, характеризуется эффектами силового воздействия на заряженные частицы. Механическое взаимодействие магнитного поля с проводниками, несущими ток, обнаруженное в начале 19 века в опытах Эрстеда и Ампера, получило математическую оценку векторной величины силы как произведение тока на длину элементарного проводника и индукцию магнитного поля [2 с. 278-279].

В учебниках по физике и электротехнике приводится объяснение появления механической силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, а именно: на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует механическая сила .Г, стремящаяся сместить проводник, к примеру в книгах [3,4]. Направление действия силы определяется известным правилом левой руки: если расположить левую руку так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а вытянутые четыре пальца - вдоль проводника по направлению тока, то отставленный большой палец покажет направление действия механической силы. Эту силу часто именуют электромагнитной (пондеромоторной) силой. Вектор силы всегда перпендикулярен направлению перемещения заряда. В теоретической электротехнике рассматриваются вопросы, даётся математическое описание и формулы, позволяющие рассчитать пондеромоторные силы, или силы Лоренца [5].

С развитием сильноточной электротехники, электроэнергетических и электротехнических устройств (с токами от сотен до десятков тысяч ампер) проблемам механиче-

ских сил взаимодействия контуров с токами, сил, возникающих в уединённом контуре с током, сил притяжения или отталкивания магнитов, сил притяжения ферромагнитных тел к магнитам и контурам с током (называемых электромагнитными силами), а также сил в уединённом контуре с током и в системе контуров с токами (называемых электродинамическими усилиями) стали уделять достаточно большое внимание, особенно в части их расчётов. В работе [6] объясняется поведение ЭДУ (сжимающие силы обусловлены давлением со стороны внешнего магнитного поля, охватывающего токове-дущую часть) и приводится правило о том, что электромагнитные силы стремятся воздействовать на контуры или отдельные их части таким образом, чтобы в итоге имел место возможно больший охват магнитного потока с положительной стороны (то есть стороны, определяемой направлением силовых линий потока самоиндукции) при условии, что токи постоянны. Технические проблемы создания таких устройств были обусловлены необходимостью обеспечения надёжности и электродинамической стойкости, особенно в режимах значительного увеличения токов, возникающих при коротких замыканиях. Зная значения электромагнитных сил и соответствующих механических напряжений, разработчики могут сопоставить их с прочностными характеристиками конструктивных узлов и элементов.

Исследованию электродинамических усилий, возникающих в устройствах индукционного нагрева и плавления металла, посвящёно достаточно много работ. Основными организациями, в которых начали проводить и в настоящее время продолжают проводить эти исследования, являются Всесоюзный научно-исследовательский и опытно-конструкгорский институт электротермического оборудования (ВНИИЭТО), ФГУП Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт токов высокой частоты имени В. П. Вологдина (ВНИИТВЧ), Московский энергетический институт (в настоящее время Национальный исследовательский университет "МЭИ"), Ленинградский электротехнический институт (в настоящее время Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет), Куйбышевский политехнический институт (в настоящее время Самарский государственный технический университет) и некоторые другие.

Электромагнитные силы по разным причинам и с разных точек зрения изучались многими российскими учёными и исследователями - Болтиным В. Г., Смирновым В. В., Максимовым С. И., Дедюлей И. И., Буканиным В. А., Клещёвым В. В., Немковым В. С.,

Немковым С. С., Демидовичем В. Б., Северяниным А. К., Зиминым JL С., Сутяги-ным А. Ф., Каримовым Д. А., Кувалдиным А. Б., Джапаровой Р. К., Губаревым А. А., Иевлевым Е. М., Блиновым Ю. И., Галуниным С. А., Шороховым А. Ю., Никаноро-вым А. Н., Тимофеевым В. Н., Первухиным М. В., Фризеным В. Э., Сарапуловым Ф. Н., Ратниковой А. И. и другими, а из зарубежных исследователей - Di Pieri С., Lupi S., Dughiero F., Forzan M., Mulbauer A., Baake E., Nacke В., Jakovics A., Kolesnichenko A., Barglik J. и другими.

При индукционном нагреве металлических заготовок вихревые электрические токи от магнитного поля, создаваемого переменным током, протекающим по индуктирующим катушкам, с одной стороны являются источником нагрева, а с другой стороны источником силового воздействия на проводящие тела и магнитные массы. В ряде случаев усилия могут быть полезными и использоваться в технологическом процессе. Примером этому служат силы, позволяющие перемешивать жидкий металл в индукционных или других печах. Исследованиям усилий и движения металла в результате такого воздействия в плавильных устройствах посвящено большое число работ, особенно в последнее время, когда начали применять программы расчёта на ЭВМ [7 - 18].

Информация о силах, действующих на загрузку, и рисунки распределения индукции магнитного поля в зазоре "индуктор - загрузка" при однофазном питании, а также 3-х фазном питании со сдвигом фаз 60 и 120° приведены в работе [19].

Большое внимание уделяется исследованию усилий в технологиях плавки металла во взвешенном состоянии, транспортировании и дозировании жидкого металла с помощью плоских и цилиндрических магнитогидродинамических насосов, или линейных индукционных машин, ротором которых служит поток жидкого металла, и др. [20 - 30].

Интересной областью полезного использования электромагнитных сил является разделение металлов. Расчётному исследованию усилий при электромагнитной сепарации (разделении) немагнитных частиц в высокочастотном электромагнитном сепараторе посвящена работа [31]. Для создания необходимых усилий при сепарации металлов могут применяться индуктирующие системы с разбегающимися или вращающимися магнитными полями [32,33].

ЭДУ могут быть успешно использованы и для отделения смёрзшегося сыпучего материала от стальных стенок при транспортировании его в железнодорожных вагонах, особенно при импульсном режиме нагрева [34].

Проанализировать и написать подробно обо всех исследованиях усилий в ранее рассмотренных индуктирующих системах, а также об авторах, которые эти исследования проводили, потребовало бы много сил и времени, поэтому этот анализ был ограничен в основном только отдельными доступными публикациями последнего времени. К тому же более интересными вопросами, которым необходимо уделить внимание и показать современное состояние дел по электродинамическим усилиям, являются вопросы негативного влияния ЭДУ и попыткам решить существующие проблемы.

Электродинамические усилия создают серьёзные проблемы и ставят перед разработчиками и исследователями трудноразрешимые задачи более часто, чем хотелось бы [35].

Механические силы способны перемещать тела или их отдельные элементы, к примеру частицы расплавленного металла в индукционной тигельной печи, воздействовать на витки индуктора [36]. Этот металл под действием ЭДУ "разъедает" стенки футерованного тигля, может проникнуть к виткам индуктора. Под действием расплавленного металла и вибрации витков происходит выход из строя межвитковой изоляции.

К основным негативным эффектам силового воздействия электромагнитного поля в устройствах индукционного нагрева металлических изделий или заготовок специалисты относят следующие [35, 37]:

• продольную (осевую) и поперечную (радиальную) вибрации витков;

• вибрацию длинномерных тонких плоских изделий (лент, листов);

• взаимное притяжение индукторов и магнитопроводов с индуктирующими катушками в их пазах друг к другу;

• повышенный шум;

• самопроизвольное движение отдельных нагреваемых заготовок или их частей в индукторе и выброс их из нагревателей (самопроизвольная разгрузка).

Считается, что электродинамические усилия возрастают с увеличением геометрических размеров системы, мощности нагрева и уменьшением частоты тока источника питания, и это необходимо учитывать при проектировании высокопроизводительных

устройств. Вибрации и шум могут оказаться серьезным препятствием для внедрения индукционных устройств, особенно при нагреве плоских тел с низким сопротивлением (медные и алюминиевые сплавы) на промышленной частоте.

Последствиями негативного силового воздействия электромагнитного поля являются такие нежелательные явления, как перетирание межвитковой электрической изоляции, разрушение паяных и сварных соединений токопроводящих трубок индуктора, самопроизвольная разгрузка и выброс слитков из индуктора при некоторых критических мощностях, когда выталкивающая сила становится больше силы трения, и др.

Многообразие индуктирующих систем не позволяет разработать простую единую методику оценки силовых воздействий на элементы системы, заставляя каждый раз индивидуально подходить к решению возникающих задач. Лишь некоторые опытные проектировщики в целом знают, когда могут возникнуть проблемы, а когда им практически не стоит уделять внимания. Тем не менее, появляются новые молодые специалисты и разработки, которые они проводят, в большинстве случаев не представляя всей сложности проектирования мощных индукционных нагревателей и возможных последствий ошибок. При разработке нового индукционного оборудования, особенно низко и среднечастотного диапазона большой мощности, электродинамические усилия должны быть исследованы, чтобы не возникло недопустимых при эксплуатации негативных эффектов.

Индукционные системы характеризуются большими уровнями плотности токов в различных элементах (в индуктирующей катушке, токопроводах и нагреваемых заготовках), а также значительной величиной индукции магнитного поля. Из-за синусоидального характера тока сила постоянно меняется по амплитуде. Наиболее сильные её изменения отмечаются во время пусковых режимов (включение и отключение питания), особенно заметные по резкому движению гибких токопроводящих кабелей. К примеру, в разделе работы [34], посвящённом исследованию электромагнитных сил, действующих на стальной лист над индуктором, показано, что на ферромагнитные тела действует отталкивающая сила и магнитостатическая сила притяжения, на немагнитные тела -только отталкивающая сила, а во время пуска усилия могут возрастать в 3,5 - 4 раза.

При взаимодействии магнитного поля и тока в устройствах индукционного нагрева возникают сильные электродинамические усилия, которые при определённых условиях оказываются достаточными для перемещения отдельных токопроводящих

заготовок или расплавленного металла. Исследования, проведённые различными авторами, направлены в основном на анализ основных характеристик усилий, действующих на проводящие части индуктирующей системы в целом, и исключение возможных негативных последствий от них [38-41]. Лишь незначительная часть исследований связана с возможностью использования для целей транспортирования заготовок через индукционный нагреватель в своеобразном электромагнитном приводе. Так, например, известны попытки использования электродинамических усилий для транспортирования ферромагнитных заготовок внутри индуктора при непрерывно-последовательном сквозном нагреве [42]. В упомянутой работе С. И. Максимов рассматривает задачу разработки системы магнитопараметрического автоматического регулирования системы непрерывно-последовательного сквозного нагрева стальных тонкостенных деталей под закалку. В этой системе столб нагреваемых стальных деталей непрерывно продвигается через нагреватель втягивающим магнитным полем, созданным на его входной стороне многофазным устройством с бегущим магнитным полем. Непрерывное продвижение столба происходит по мере прогрева его участков до точки Кюри [42, с. 2]. В рассматриваемой установке для перемещения столба заготовок в индукционный нагреватель использовался дополнительный соленоид. Для данного соленоида определена электромеханическая характеристика, построенная на следующих допущениях: одновременное изменение магнитной проницаемости загрузки по сечению, напряжённость магнитного поля в пределах сечения столба постоянна и равна напряжённости на оси соленоида [42, с.10]. По утверждению автора, разработанная система отличается от известных тем, что в ней нет обособленных органов контроля, выработки команд управления и исполнительных устройств, а все эти функции осуществляются благодаря взаимосвязи и взаимозависимости различных физических процессов и явлений [42, с. 6]. Одним из таких явлений и является механическое воздействие магнитного поля на нагреваемые заготовки.

Проводились экспериментальные исследования и определение отталкивающих электромагнитных сил, создаваемых плоской многовитковой катушкой при силе тока 60 А и частоте 50 и 2500 Гц, с целью создания электромагнитных опор при нагреве полос из алюминиевых сплавов толщиной 0,5...4,9 мм [43].

Исследованию вопросов электродинамических усилий, действующих на медные цилиндрические заготовки, уделено внимание в работе [38] и диссертационном исследовании В. В. Клещева [39]. Практическая ценность исследований состоит в том, что

были проведены как расчётные исследования, так и экспериментальные измерения величин действующих аксиальных электродинамических усилий. Выбранная методика расчёта ЭДУ, основанная на связи усилия, действующей на тело, с изменением магнитной энергией системы при его перемещении, показала достаточную для практики точность. Рассматривается аксиальная составляющая ЭДУ, действующая на немагнитную загрузку индуктора. Исследовались два технологических режима: загрузка индукционного нагревателя одной заготовкой и партией заготовок. Были получены расчётные зависимости величины аксиальной составляющей ЭДУ при различных значениях заглублениях загрузки в индуктор [39, с. 154]. При загрузке индуктора несколькими заготовками были получены зависимости усилия, действующего на крайнюю (выгружаемую) заготовку от величины зазора между ней и остальным столбом [39, с. 156]. На основании проведённых исследований был сделан вывод о том, что возникающие усилия могут в определённых режимах преодолеть силу трения о направляющие и стать причиной самопроизвольной разгрузки индукционного нагревателя, что потенциально может привести к механическому травмированию обслуживающего персонала и повреждению технологического оборудования. В работе рекомендовано продолжить исследования для нагревателей промышленной частоты других типоразмеров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иванов, Александр Николаевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Ампер, А. М. Электродинамика / А. М. Ампер - М.: Изд-во академии наук СССР, 1954.-439 с.

2. Спасский, Б. И. История физики: учебное пособие для вузов: в 2 ч. / Б. И. Спасский - М: Высшая Школа, 1977. - Ч. I. - 320 с.

3. Сивухин, Д. В. Общий курс физики. - 4-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ; Изд-во МФТИ, 2004. - 656 с.

4. Касаткин, А. С. Электротехника : учебник для вузов / А. С. Касаткин - М.:, Энергия, 1969.-592 с.

5. Тамм, И. Е. Основы теории электричества: учебное пособие для вузов. / И. Е. Тамм - 10-е изд., испр. - М.: Наука, 1989. - 504 с.

6. Кузнецов, И. Ф. Электродинамические усилия в токоведущих частях электрических аппаратов и токопроводах / И. Ф. Кузнецов, Г. Н. Цицикян - Л.: Энергоатомиз-дат. Ленингр. отд-ние, 1989. - 176 с.

7. Фризен, В. Э., Сарапулов, Ф. Н. Формирование процессов МГД в индукционной тигельной печи при однофазном питании индуктора / В. Э. Фризен, Ф. Н. Сарапулов // Электротехника - 2010. - № 3. - С. 56-61.

8. Kolesnichenko, A., Vasyuk, S., Buryak, V. Induction tapping system for vessel with liquid metal / A. Kolesnichenko, S. Vasyuk, V Buryak // Proceeding of the Induction Heating Seminar (IHS-98). - May 13 - 15. Padova : SGEditoriali, 1998. - P. 199 - 202.

9. Gillon, P. Cold crucible induction melting: Theory and applications / P. Gillon // Proceeding of the International Seminar on Heating by Internal Sources. - Padova : SGEditoriali, 2001.-P.3-11.

10. Baake, E. Experimental and numerical investigations of the temperature field and melt flow in the induction furnace with cold crucible / B. Nacke, F. Bernier, M. Vogt, A. Mulbauer, M. Blum // Proceeding of the International Seminar on Heating by Internal Sources. - Padova : SGEditoriali, 2001. - P. 21 - 28.

11. Timofeyev, V. N. Electromagnetic rotators, stirrers and pumps for aluminum alloys/ V. N. Timofeyev, R. M. Khristinich, S. A. Boyakov, M. V. Pervookhin, V. V. Stafieskaya, E. A. Golovenko // Proceeding of the International Seminar on Heating by Internal Sources. -Padova : SGEditoriali, 2001. - P. 261 - 267.

12. Begalov, V. Polyphase schemes of inductors for electromagnetic treatment of smelts / A. Bychkov, F. Sarapulov, B. Sokunov // Proceeding of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2004. - P. 79 - 85.

13. Galunin, S. 3D modeling of rotational field for steering of molten metal / S. Galunin, Yu. Blinov, V. Volchkov, B. Nacke, A. Nikanorov // Proceeding of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2007. - P. 123 -127.

14. Luedtke, U. Numerical simulation of free surfaces of liquid metal under the influence of Lorentz forces / U. Luedtke // Proceeding of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2007. - P. 161 - 166.

15. Timofeyev, V. N. Application of MHD technology in aluminium alloy production / V. N. Timofeyev, R. M. Khristinich, S. A. Boyakov, M. V. Pervukhin, E. A. Golovenko, E. A. Pavlov, D. S. Nadtochiy // Proceeding of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2007. - P. 145 - 152.

16. Bojarevics, V. Numerical model of electrode induction melting for gas atomization / V. Bojarevics, A. Roy, K. Pericleous // Proceeding of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2010. - P. 11 - 18.

17. Barglik, J. Numerical modeling of electromagnetic stirring during process of continual steel casting / J. Barglik, D. Dolega, A. Smagor // Proceeding of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2010. - P. 19 - 26.

18. Spitans, S. Development, verification and application of numerical model for coupled free surface and liquid metal flow calculation in EM field / S. Spitans, E. Baake, B. Nacke, A. Jakovics // Proceeding of the International Conference on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2013. - P. 279 - 286.

19. Бегалов, В. А. Схемы питания индукторов для электромагнитного воздействия на жидкие металлы / В. А. Бегалов, Ф. Н. Сарапулов, Б. А. Сокунов // Материалы международной конференции Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева APIH 05. 25 - 26 мая 2005. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПб. - С. 138 - 144.

20. Фогель, А. А. Индукционный метод удержания металла во взвешенном состоянии / А. А. Фогель. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1982. - 80 с.

21. Болтин, В. Г. Расчёт силы и мощности индукторов при удержании металла, взвешенного в электромагнитном поле. Промышленное применение токов высокой ча-

стоты. / В. Г. Болтин, В. В. Смирнов // Труды ВНИИ ТВЧ. Л.: Изд-во Машиностроение, 1972.-Вып. 12-С. 75-81.

22. Тимофеев, В. Н. Индукционное оборудование для цветной металлургии. / В. Н. Тимофеев, Р. М. Христинин, С. А. Боярков, М. В. Первухин, А. А. Темеров, Е. А. Головенко, Е. А. Павлов // Материалы международной конференции Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева APIH 09. 20 - 22 мая 2009. - СПб. -С. 66-71.

23. Gillon, P. Cold crucible induction melting: Theory and applications / P. Gillon // Proceeding of the International Seminar on Heating by Internal Sources. - Padova : SGEditori-ali, 2001.-P. 3-11.

24. Lupi, S. LEP-laboratory for electroheat of Padua University / S. Lupi, F. Dughiero, M. Forzan // Proceeding of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2004. - P. XXI - XXXII.

25. Blinov, Yu. Calculation of levitated melt shape / Yu. Blinov, A. Shorochov // Proceeding of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2007. - P. 49 - 52.

26. Kolesnichenko, A. Dynamic stability of free surface of conductive liquid by partial electromagnetic levitation / A. Kolesnichenko, A. Kolesnichenko, V. Buryak // Proceeding of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2010.-P. 635-641.

27. Bojarevich, V. Dynamic melting model for small samples in cold crucible / V. Bojarevich, K. Pericleous // Proceeding of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2007. - P. 285 - 292.

28. Barglik, J. Distribution of Lorentz forces in the liquid zinc transported by the cylindrical magneto-hydrodynamic pump / J. Barglik, Z. Praglowska-Gorczynska // Proceeding of the International Symposium on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2007.-P. 301 -308.

29. Roman, C. Modeling of fully coupled MHD flows in large size annular linear induction pumps / C. Roman, M. Dumont, S. Letout, C. Courtessole, S. Vitry, F. Rey, Y. Fautrelle // Proceeding of the International Conference on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2013. - P. 271 - 278.

30. Chitarin, G. Development and operational experience on cold crucible levitation melting apparatus for light metal casting /G. Chitarin, G. Timelli, R. Losco, F. Bonollo // Proceeding of the International Conference on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2013. - P. 423-430.

31. Blinov, Y. Calculation of forces in high-frequency electrodynamic separation systems / Y. Blinov, F. Dughiero, B. Kachanov, S. Lupi, A. Sergeev // Induction Heating Seminar (IHS-98). May 13 - 15. Padova : SGEditoriali, 1998. - P. 489 - 497.

32. Коняев, А. Ю. Особенности электродинамических сепараторов на основе линейных индукторов с разбегающимися магнитными полями / А. Ю. Коняев, С. JI. Назаров // Электротехника. - 2013 - № 3. - С. 61 - 66.

33. Коняев, И. А. Особенности расчета электродинамических сепараторов с вращающимся магнитным полем. / И. А. Коняев, Н. Е. Маркин, С. JI. Назаров, А. Ю. Коняев // Электричество. - 2007. - № 10. - С. 68-72.

34. Кувалдин, А. Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали / А. Б. Кувалдин -М.: Энергоатомиздат. 1988.-200 с.

35. Шамов, А. Н. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок / А. Н Шамов, В. А. Бодажков. - 2-е изд., доп. и перераб.-Д.: Машиностроение, Ле-нингр. отд-ние, 1974. - 280 с.

36. Фомин, Н. И. Электрические печи и установки индукционного нагрева / Н. И Фомин, Л. М. Затуловский. - М.: Металлургия. 1979. - 247 с.

37. Немков, В. С. Теория и расчёт устройств индукционного нагрева / В. С. Немков, В. Б. Демидович. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1988. - 280 с.

38. Буканин, В. А. Электродинамические усилия при индукционном нагреве цилиндрических немагнитных слитков / В. А. Буканин, В. В. Клещёв, В. С. Немков // Электротермия. - 1978. - вып. 10. - С. 9 - 10.

39. Клещёв, В. В. Исследование и разработка многопозиционных индукционных нагревателей для линий прессования слитков из меди и её сплавов : дис. ... канд. техн. наук : 05.09.10 / Клещёв Владимир Васильевич. - Л., 1981. - 199 с.

40. Буканин, В. А. Исследование и разработка индукционных устройств периодического действия для термообработки бурильных труб : дис. ... канд. техн. наук : 05.09.10 / Буканин Владимир Анатольевич. - М., 1982. - 195 с.

41. Джапарова, Р. К. Исследование и разработка методов расчета электродинамических сил, действующих в индукционных установках : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.09.10 / Джапарова Раиса Карловна. - М., 1983. - 20 с.

42. Максимов, С. И. Система магнитопараметрического автоматического регулирования режима непрерывно-последовательного сквозного нагрева : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.09.10 / Максимов Семён Иванович. - М., 1973. - 40 с.

43. Иевлев, Е. М. Экспериментальное определение электромагнитных сил при индукционной подвеске плоского проката. Промышленное применение токов высокой частоты / Е. М. Иевлев // Труды ВНИИ ТВЧ. Л.: Изд-во Машиностроение, 1972. - Вып. 12 -С. 126- 130.

44. Северянин, А. К. Исследование электромагнитных параметров многослойных индукторов промышленной частоты и разработка экономических конструкций их обмоток : дис. ... канд. техн. наук : 05.09.10 / Северянин Алексей Карлович. - Л., 1986. -195 с.

45. Di Pieri, С. Electromagnetic Forces in Medium Frequency Induction Heating / C. Di Pieri, S. Lupi // 9-th International Congress, Cannes, 20 - 24 October, 1980, - P. 1 - 11.

46. Ruhnke, A. Electrodynamics Forces During Transverse Flux Heating of Metal Strip/ A. Ruhnke, A. Muhlbauer, A. Nikanorov, V. Demidovitch, F. Dughiero, S. Lupi // Proceedings of International Congress Electromagnetic Processing of Materials, vol. 2, May 1997, Paris.-P. 87-93,.

47. Али, Аднан. Разработка методов расчёта и исследование многофазных систем индукционного нагрева : дис. ... канд. техн. наук : 05.09.10/ Али Аднан Махмуд. - СПб., 1994.-151 с.

48. Findlay, R. D. Remote Electromagnetic Propulsion in the Presence of a Metallic Shield / R. D. Findlay, J. H. Dableh // Proceedings of an International Symposium on Electromagnetic Fields in Electrical Engineering. September 23 - 25, 1987. Pavia, Italy. Premium Press. New York 1988. - P. 257 - 262.

49. Зимин, Л. С. Особенности нагрева тел прямоугольной формы // Применение токов высокой частоты в электротермии / Под ред. А. Е. Слухоцкого. - Л. : Машиностроение, 1973. - 280. - С. 25-34.

50. Сутягин, А. Ф. Исследование и оптимальное проектирование вибростойких индукторов прямоугольной формы с немагнитной загрузкой : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.09.10 / Сутягин Александр Фёдорович. - М., 1987. - 17 с.

51. Зимин, JI. С. Индукционный нагрев алюминиевых слябов / JI. С. Зимин, M. Е. Федотов // Материалы международной конференции Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева APIH 05. 25 - 26 мая 2005. Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», СПб. - С. 235 - 239.

52. Каримов, Д. А. Исследование и проектирование вибростойкой конструкции индукторов прямоугольной формы : дис. ... канд. техн. наук : 05.09.10 / Каримов Дамир Айдарович. - Самара, 2004. - 113 с.

53. Zimin, L. Acoustic and vibration problems at induction heating / L. Zimin // Induction Heating Seminar (IHS-98). May 13 - 15. Padova : SGEditoriali, 1998. - P. 499 - 505.

54. Vologdin, V. Simulation of induction system for brazing of squirrel cage rotor / V. Vologdin, VI. Vologdin, V. Nemkov, K. Kreter // Proceeding of the International Conference on Heating by Electromagnetic Sources. Padova : SGEditoriali, 2013. - P. 493 - 499.

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

56. Установки индукционного нагрева : учебное пособие для вузов / А. Е. Слухоцкий, В. С. Немков, Н. А. Павлов, А. В. Бамунер; Под ред. А. Е. Слухоцкого. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1981. - 328 с.

57. Электротермическое оборудование: Справочник / Под общ. ред. А. П. Альт-гаузена. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980. - 416 с.

58. Демидович, В. Б. Теория, исследование и разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности : автореф. дис. ... докт. техн. наук : 05.09.10 / Демидович Виктор Болеславович. - СПб., 2002. - 37 с.

59. Буканин, В. А. Обеспечение безопасности при проектировании и эксплуатации индукционных электротермических установок / В. А. Буканин - СПб.: ОАО «Искусство России», 2011. - 176 с.

60. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники / Л. А. Бессонов - М.: Высшая школа, 1984. - 730 с.

61. Electromagnetic Induction and Electric Conduction in Industry - Parige. : Electra. Centre Français de l'Electricité, 1997. - 767 p.

62. Холявский, Г. Б. Расчёт электродинамических усилий в электрических аппаратах / Г. Б. Холявский - M.-JL: Госэнергоиздат, 1962. - 184 с.

63. Демидович, В. Б. Цифровое моделирование периодического индукционного нагрева немагнитных заготовок перед прессованием / В. Б. Демидович, В. С. Немков, С. В. Кондратов // Известия вузов. Электромеханика. - 1990. - № 10. - С. 44 - 50.

64. Буканин, В. А. Моделирование периодического нагрева цилиндрических изделий в индукторе с магнитопроводом / В. А. Буканин, В. Б. Демидович, В. Е, Казьмин, В. С. Немков // Энергетика и транспорт. - 1986. - №5. - С. 167-171.

65. Моделирование на ЭВМ индукционных электротермических установок / [В. Б. Демидович и др.] - СПб. : ГЭТУ, 1993. - 80 с.

66. Демидович, В. Б. Проектирование электротермических установок / В. Б. Демидович. - JI. : Изд-во ЛЭТИ, 1988. - 62 с.

67. Немков, В. С. Математическое моделирование устройств высокочастотного нагрева / В. С. Немков, Б. С. Полеводов, С. Г. Гуревич; под ред. А. Н. Шамова. - Л.: Политехника, 1991. - 79 с.

68. Немков, В. С. Математическое моделирование на ЭВМ устройств высокочастотного нагрева / В. С. Немков, Б. С. Полеводов. - Л. : Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980.-62 с.

69. Кувалдин, А. Б. Расчёт и исследование осесимметричных линейных систем индуктор загрузка с использованием пакета прикладных программ / А. Б. Кувалдин, И. П. Сальникова, И. В. Политов // Вестник МЭИ. - 1998. - №2. - С. 5-10.

70. Демидович, В. Б. Численные методы в теории индукционного нагрева / В. Б. Демидович, Ф. В. Чмиленко - СПб. : Технолит, 2008. - 219 с.

71. Руководство пользователя ELCUT 5.6. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. СПб. : Производственный кооператив ТОР. - 2008. - 318 с.

72. User guide Flux 11. Volume 3. Physical application: magnetic, electric, thermal. Flux software. CEDRAT, France, 2012. - 364 p.

73. Иванов, A. H. Возможности программы ELTA20 для исследования вопросов электромагнитно-механической совместимости устройств индукционного нагрева / А. Н. Иванов, В. А. Буканин, А. Е. Зенков // 65-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава университета. Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых. 24 января - 4 февраля 2012. - С. 209-212.

74. Demidovich, V. Advanced software for modeling coupled problems in the induction heating installation / V. Demidovich, F. Tchmilenko, I. Rastvorova, D. Baranov, A. Kovinka // Proceeding of the International Conference on Heating by Electromagnetic Sources. - Padova : SGEditoriali, 2013. - P. 655 - 660.

75. Ivanov, A. N. Advancements in program ELTA for calculation of induction heating systems / A. N. Ivanov, V. A. Bukanin, A. E. Zenkov // Proceeding of the International Conference on Heating by Electromagnetic Sources. Padova : SGEditoriali, May 21-24, 2013. -P. 345-351.

76. Немков, В. С. Теория и расчёт цилиндрических электромагнитных систем индукционного нагрева : дис. ... докт. техн. наук : 05.09.10 / Немков Валентин Сергеевич. -Л., 1979.-485 с.

77. Смольников, Л. П. Формулы для коэффициентов взаимной индукции при численных расчётах индукторов / Л. П. Смольников // Изв. ЛЭТИ. - 1976. - Вып. 203. -С. 17-21.

78. Пронин, А. М. Расчёт коэффициентов взаимной индуктивности и магнитодвижущих сил коаксиальных цилиндрических соленоидов / А. М. Пронин // Изв. ЛЭТИ.

- 1981. - Вып. 299. - С. 30 - 33.

79. Калантаров, П. Л. Расчёт индуктивностей / П. Л. Калантаров, Л. А. Цейтлин -Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1986. - 488 с.

80. Иванов, А. Н. Проблемные вопросы расчёта электромагнитных полей в устройствах индукционного нагрева / А. Н. Иванов, В. А. Буканин // Сборник докладов 63-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава университета 26 января - 6 февраля 2010 г. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2010. -С. 233-238.

81. Буканин, В. А. Электромагнитно-механическая совместимость индукционных нагревателей / В. А. Буканин, А. Н. Иванов // Индукционный нагрев. - 2012. - № 1 (19)

- С. 43 - 47.

82. Буканин, В. А. Электродинамические усилия в индукционных системах /

B. А. Буканин, А. Н. Иванов // Индукционный нагрев. - 2012. - № 20 - С. 9-13.

83. Иванов, А. Н. Методы расчёта электродинамических усилий в устройствах индукционного нагрева / А. Н. Иванов // Известия СПбГЭТУ "ЛЭТИ" - 2013 - Том 8 -

C. 43-48.

84. Иванов, А. Н. Предметно-ориентированная программа двумерного электротеплового анализа устройств индукционного нагрева цилиндрических заготовок /

A. Н. Иванов, В. А. Буканин, А. Е. Зенков // Индукционный нагрев. - 2012. - № 3 (21). -С. 41-43.

85. Буканин, В. А. Некоторые вопросы безопасности индукционных электротермических установок / В. А. Буканин. А. Н. Иванов // Безопасность труда в промышленности. -2012. -№ 8. - С. 28-32.

86. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. - М.: Сов. энциклопедия. 1983. - 928 с.

87. Онищенко, О. Г. Структура, кинематика и динамика механизмов / О. Г. Они-щенко, Б. А. Коробко, К. М. Ващенко. - Полтава: ПолтНТУ, 2010. - 274 с.

88. Демидович, В. Б. Энергосберегающие технологии прецизионного нагрева лёгких сплавов в индукторах / В. Б. Демидович, Е. А. Григорьев, О. Ю. Кавченко,

B. А. Оленин, И. И. Растворова, Ф. В. Чмиленко // Материалы 2-й международной кон- , ференции Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева APIH 09. 20 - 22 мая 2009. - СПб.: - С. 48 - 57.

89. Ращепкин, А. П. Электромагнитные поля, параметры и характеристики линейных индукционных машин со сплошной рабочей средой : - дис. ... докт. техн. наук : 05.09.01 / Ращепкин Анатолий Павлович. - Киев, 1988 г. - 368 с.

90. Ратникова, А. И. Высокочастотный электродинамический сепаратор / А. И. Ратникова // Индукционный нагрев. - 2008. - № 5. - С. 46 - 48.

91. Иванов, А. Н. Особенности проявления электромагнитных полей в индуктирующих системах / А. Н. Иванов, В. А. Буканин // Труды 9-го Международного симпозиума по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, 13-16 сентября 2011. - СПб.:, 2011 - С. 537-541.

92. Веселовский О. Н. Линейные асинхронные двигатели / О. Н. Веселовский, А. Ю. Коняев, Ф. Н. Сарапулов. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 256 с.

93. Ivanov, A. Electromagnetic-mechanical compatibility of induction heating systems / A. Ivanov, V. Bukanin // XVIIUIE Congress, May 21- 25,2012, St. Petersburg.

94. ГОСТ P 50648-94 (МЭК 1000-4-8-93) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к магнитному полю промышленной частоты. Техниче-

ские требования и методы испытаний. - Введ. 1995-01-01. - М.: Изд-во стандартов 1994. -29 с.

95. ГОСТ Р 51317.4.1-2000 (МЭК 61000-4-1-2000) Совместимость технических средств электромагнитная. Испытания на помехоустойчивость. Виды испытаний. -Введ. 2002-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 2000. - 16 с.

96. ГОСТ Р 51317.4.6-99 (МЭК 61000-4-6-96) Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к кондуктивным помехам, наведённым радиочастотными электромагнитными полями. Требования и методы испытаний. - Введ. 2002-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 2000. - 35 с.

97. ГОСТ Р 51317.4.11-2007 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к провалам, кратковременным прерываниям и изменениям напряжения электропитания. Требования и методы испытаний. - Введ. 2007-12-27. - М.: Стандартинформ, 2008. - 20 с.

98. ГОСТ Р 51317.4.16-2000 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к кондуктивным помехам в полосе частот от 0 до 150 кГц. Требования и методы испытаний. - Введ. 2002-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 20 с.

99. ГОСТ Р 51318.11-2006 (СИСПР 11-2004) Совместимость технических средств электромагнитная. Промышленные, научные, медицинские и бытовые (ПНМБ) высокочастотные устройства. Радиопомехи индустриальные. Нормы и методы измерений. -Введ. 2007-07-01. -М.: Стандартинформ, 2007. - 36 с.

100. ГОСТ 16962-71 Изделия электронной техники и электротехники. Механические и климатические воздействия. Требования и методы испытаний. - Введ. 1971-0107. - М.: Изд-во стандартов, 1989. - 105 с.

101. ГОСТ 17516.1-90 Изделия электротехнические. Общие требования в части стойкости к механическим внешним воздействующим факторам. - Введ. 1991-01-01. -М.: Изд-во стандартов, 1990. - 46 с.

102. ГОСТ 17516.2-90 Изделия электротехнические. Методы испытания на стойкость к механическим внешним воздействующим факторам. - Введ. 1991-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1990. - 49 с.

103. ГОСТ Р 50014.3-92 (МЭК 519-3-88) Безопасность электротермического оборудования. Часть 3. Частные требования к электротермическим устройствам индукци-

онного и прямого нагрева сопротивлением и индукционным электропечам. - Введ. 199301-01. - М.: Изд-во стандартов, 1994. - 25 с/

104. ГОСТ 12.2.007.9.1-95 (МЭК 519-3-88) Система стандартов безопасности труда. Безопасность электротермического оборудования. Часть 3. Частные требования к электротермическим устройствам индукционного и прямого нагрева сопротивлением и индукционным электропечам, - Введ. 1993-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 15 с.

105. ГОСТ Р 51837-2001 (МЭК 60398-99) Оборудование электротермическое. Общие методы испытаний. - Введ. 2003-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 2002. - 12 с.

106. ГОСТ 16370-80* Установки и устройства индукционные электротермические средней частоты. Общие технические условия. - Введ. 1982-01-01. С измен. №1. -М.: Изд-во стандартов, 1999. - 6 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А Исследование по выбору модели расчёта внешней электромагнитной задачи для тел с импедансными граничными условиями

В качестве исходных моделей для расчёта внешней электрической задачи были выбраны две модели (А. 1 и А.2). Модель 1.

£ 6 Я, + У'Х Х0р1р

р

О е , ¿в1в + У £ ХдР1Р = 0;

р

р

бе^, 8д1д-^Идр]¥р1р = 0

р

АЛ

Модель 2.

¡0 € В, ¿д1д + УХХдр1р = 11 д,

Р

0 е М, Т,(Мдр-гдМдрЖр)1р = 0; р

деГ, 5д1д-^дрЖр1р=0

Р

А.2

Рассмотрим элементы матрицы применительно к одному элементу индуктора и одному элементу загрузки с числовыми значениями сопротивлений 2\, Хм, (Ух2,-), {]х11-2гг^гг), током индуктора 1\, током в загрузке 1к2, напряжением на индукторе 11\ и напряжением в загрузке С/2 по модели 2 (см. таблицу А.1).

Таблица А. 1 - Элементы матрицы

21 ]Хп /1 их

0,0121675+0,153971 И 0+0,00085917841 (1,02Е03, -1,47Е03) 380

-0,001270014+-3,924986Е-51 8,022284Е-7+1,057687Е-51 (-1,62Е05, -1,41Е05) 0

0*21-^22^21^1) (]Х22~^22Ы^22 ) 4 С/2(\¥Огк)

При выбранных параметрах системы для нагрева концов утяжелённых бурильных сбалансированных труб расчётный ток в загрузке получился равным 214790 А, напряжённость поля 1413 А/см, что примерно в 1,5 раза больше истинного. Это же получается и по формулам вручную.

Проведены расчётные исследования.

Взята матрица данного (2-я модель) вида, которая даёт завышенные результаты тока в заготовке, и рассчитано по программе Майюас!.

С :=

0.0121+ ¡0.15397

¡•85.910

-5

Ч.-1.27-10 3 -Ь4.51-10 5 8.0810 7+ 1.05810

360

Ьо1уе(С,В) йоаг,3

1017.0- 1472.01 -161681.0- 140794.01

Взята матрица другого вида (1-я модель), которая дала правильные результаты тока в заготовке (элементы только катушки К без учёта токов в идеальном магнитопро-воде, на который катушка намотана) и рассчитано программе МаШсаё (см. далее).

А :=

Г

0.0121+ ЬО.15397

¡•85.910" 5 ч 0.808100

¡-85.910 5

1.5810" 5 + ¡-2.12-10"" 5 -0.051+ 1

¡•85.910 "

МО"5 -0.051 у

/ 360ч

В :=

V 0 у

1зо1уе(А,В) Яоа^З

' 1018.0- 1467.0$ ^ -90579.0+ 111317.01 ^-71369.0- 253078.01,

Немагнитный режим

А :=

г

0.0121+ ¡0.15397

¡■85.910" 5 ч 0.808100

¡•85.910 5

0.38610" 5 + ¡ 1.78710" 5 -0.051+ 1

¡•85.910 "

МО"5 -0.051 у

В:=

'360Л 0

V 0 у

lsolve(A,B) float,3 -»

f 689.0- 2452.0i ^ -60182.0+ 199740,0i .-28714.0- 169460.0Г,

В результате получен основной вывод о том, чтобы определить ток в катушке, намотанной на идеальный магнитопровод, нужно вычитать из общего тока ток, наводимый в магнитопроводе. Как его определить для второй матрицы, не известно. Для программы расчёта ELT А20 в итоге следует использовать Модель 1, как более правильную и позволяющую получать реальные значения температур в магнитном и немагнитном режимах.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Характерные черты программы расчёта ELT А20

Программа ELTA20 обладает следующими отличительными чертами:

• она имеет поле геометрической модели, то есть визуализации для основных элементов технологической линии нагрева и охлаждения, что позволяет пользователю контролировать процесс создания модели и корректировать в случае необходимости;

• ELTA20 обладает очень дружественным пользовательским интерфейсом;

• ELTA20 является относительно простой программой для понимания и реализации - не нужно думать о том, как задать граничные условия для расчёта электромагнитных и тепловых параметров;

• ELTA20 может моделировать процессы в нагревателях и охлаждающих устройствах одновременного, полунепрерывного и непрерывного типа;

• в системах полунепрерывного и непрерывного вида ELTA20 рассчитывает нестационарный процесс, начиная с начальной и заканчивая конечной стадией выхода на стационарный уровень;

• ELTA20 позволяет учитывать параметры многослойных (до 3-х слоёв) индукторов с различным числом витков в слое;

• ELTA20 имеет уникальную возможность рассчитывать различные виды резонансных контуров; пользователь может выбрать требуемую схему компенсации из списка: параллельная, параллельная с трансформатором, последовательная, последова-тель-ная с трансформатором, последовательно-параллельная, последовательно-параллельная с трансформатором, параллельно-последовательная, параллельно-последовательная с трансформатором или более сложные, в которых имеется несколько индукторов;

• ELTA20 может рассчитывать системы с последовательным соединением индуктирующих катушек и различными схемами компенсации колебательного контура;

• ELTA20 может моделировать многостадийный процесс при одновременном нагреве или охлаждении заготовок;

• ELTA20 может моделировать процесс индукционного нагрева с использованием двух (или более) частот одновременно, что требуется, например, если имеется линия непрерывного нагрева с двумя источниками питания для различных секций; в других

программах необходимо искусственно делить это на две самостоятельные задачи, беря начальную температуру из решения первой задачи;

• ELTA20 может рассчитывать многостадийный процесс нагрева и охлаждения при различных условиях (одновременный нагрев со смещением индукторов относительно неподвижной загрузки, нагрев в печи косвенного действия, охлаждение в системах с различными средами, включая сжатый воздух, масло, воду, к примеру для закалки, и

др-);

• ELTA20 может моделировать и помогать проектировать индуктирующие системы для сквозного нагрева перед прессованием или другими видами механических деформаций, поверхностного нагрева для закалки и отпуска, с многостадийным циклом термообработки; её можно использовать для комбинированного индукционного и печного нагрева в различных комбинациях;

• ELTA20 обеспечивает большие возможности для просмотра расчётных параметров в виде графиков электромагнитных параметров и распределения температуры; температура выводится также в виде таблиц, красивой для восприятия цветовой карты и трёхмерного графика;

• ELTA20 имеет специальную диаграмму охлаждения: применяя её совместно с известными диаграммами температурных превращений для стали (термодинамическими и термокинетическими диаграммами охлаждения), пользователь может найти параметры структурных превращений по сечению заготовки, включая глубину закалённого слоя и полученную твёрдость;

• ELTA20 имеет встроенный отчёт с шаблонами, которые пользователь может создать под свои задачи; пользуясь таким шаблоном, можно автоматически вывести результаты расчёта в удобном виде, не затрачивая больших усилий на последовательный процесс извлечения из памяти компьютера и просмотра большого и разнообразного числа графиков;

• ELTA20 имеет возможность выгрузки (экспорта) исходных параметров и полученных результатов расчёта, выведенных на экран, в формат Word, что удобно для просмотра, редактирования и последующего сохранения для использования;

• с помощью ELTA20 можно провести исследование электродинамических усилий, действующих на нагреваемые заготовки, с целью их анализа, учёта и последующе-

го полезного использования, при этом методика исследования встроена в программу. Экранные формы программы приведены на рисунках Б.1 и Б.2.

Рисунок Б.1 - Экранные формы визуализации параметров программы ЕЬТА20

Рисунок Б.2 - Экранные формы вывода температуры при расчёте

На рисунке Б.1 показана одна из экранных форм программы на этапе создания геометрической модели и задании параметров колебательного контура для полунепрерывного трёхфазного индукционного нагревателя медных цилиндрических слитков, а на рисунке Б.2 приведена экранная форма на завершающем этапе расчёта установившегося

режима нагрева с выводом изменения температуры в одной из контролируемых пользователем заготовок (левый график) и во всех заготовках (правый график).

ПРИЛОЖЕНИЕ В Материалы о внедрении результатов работы

УТВЕРЖДАЮ Директор ООО НПФ "ФРЕАЛ и Ко"

логдинВ. В.

логдин В. В.

октября 2013 г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Программа электротеплового анализа ЕЬТА для исследования электрических параметров индукционных нагревателей, тепловых полей загрузки и электродинамических усилий, действующих на нагреваемые тела и конструкционные части индукторов, с инструкцией для пользователя с описанием методики расчёта и особенностей её использования для различных технологических целей, разработанная авторами Ивановым А. Н., Буканиным В. А. и Зенковым А. Е., передана в ООО научно-производственную фирму "ФРЕАЛ и Ко", где внедрена в практику исследований и проектирования индукционного электротермического оборудования, выпускаемого фирмой для отечественных и зарубежных заказчиков.

Использование программы позволило сократить время проектирования оборудования и уменьшить затраты на проведение экспериментальных исследований. Экономический эффект первого года внедрения составил 161 ООО руб.

Главный бухгалтер

Качанова М.Е.

УТВЕРЖДАЮ

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Программа расчёта параметров индукционных установок для нагре-

цией для пользователя и описанием методики расчёта и особенностей её применения (авторы разработки Иванов А. Н., Буканин В. А., Зенков А. Е.) передана на предприятие с целью её использования в практике предварительного проектирования новых устройств индукционного нагрева.

Программа применяется для исследования интегральных параметром нагревателей одновременного и полунепрерывного режимов нагрева, электродинамических усилий, распределения температуры по сечению и длине заготовок из различных материалов для нужд заказчиков. -

Это позволяет существенно снизить затраты электроэнергии на проведение экспериментальных исследований, а также сократить время проектирования оборудования. Экономический эффект первого года внедрения составил 93 600 руб.

ва цилиндрических магнитных и немагнитных заготовок ЕЬТА20 с инструк-

Главный бухгалтер

вВ.Н.

АКТ

внедрения результатов диссертационной работы Иванова А. Н.

Программа двумерною расчёш электромагнитных и тепловых параметров индукционных электротермических установок ЕЬ'ГА 20, одним из авторов которой является Иванов Александр Николаевич, внедрена в практику исследования процессов, протекающих в нагревателях одновременного, полунепрерывного и непрерывного действия, и проектирования промышленных индукционных нагревательных установок для нагрева цилиндрических изделий.

Программа выгодно отличается от других программ дружественным интерфейсом, удобна для пользователей при проведении расчётов и анализе результатов, позволяет учесть юкопроводы и различные схемы компенсации индуктивности индукюров в колебательном контуре.

В ряде случаев она позволяет отказаться от физического моделирования, тем самым экономя энергоресурсы, и сократить сроки проектирования.

Начальник научно-технического комплекса индукционного нагрева, к.т.н.

В.И. Червинский

Ведущий научный сотрудник, к.т.н.

А.И. Ратникова

"УТВЕРЖДАЮ"

Проректор по учебной работе

АКТ

внедрения ре гультатов диссертационной работы Иванова А. Н.

Отдельные результаты диссертационной работы ассистента кафедры Безопасности жизнедеятельности Иванова Александра Николаевича на тему "Исследование электродинамических усилий в устройствах индукционного нагрева и разработка методов защиты от их воздействия"' внедрены в учебный процесс, проводимый на кафедре для обучения бакалавров и специалистов по дисциплине "Безопасность жизнедеятельное 1 и" и для обучения магистров по дисциплинам "Системы обеспечения безопасности технических средств управления" и '"Специальные вопросы проектирования безопасной приборной техники".

Разработаны методические указания по выполнению лабораторного практикума "Безопасность индукционных технологий", включающие четыре лабораторные работы, основанные на использовании лабораторного макета, на котором проводятся исследования электродинамических усилий, и компьютерного моделирования с помощью программы элекгротегтлового анализа и расчёта элеюродинамических >еи:шй Е1ТА20.

Подготовлены н используются методические материалы для написания дополни тельного раздела в выпускных квалификационных работах студентов по направлениям обучения 140400.62 и 140400.68 "Электроэнергетика и электротехника". 220400.62 и 220400.68 "Управление в технических системах", 280700 "Техносферная безопасность". 140600 "Электротехника, электромеханика и электротехнологии" и 140451 "Электротехнологии".

Алгоритмы и программа расчёта, разработанные Ивановым А. Н., использованы при выполнении НИР по темам БЖД - 27 и ФИНТ - БЖД - 28.

Зам. зав. кафедрой БЖД по учебной работе, доцент

Зам, зав. кафедрой БЖД по научной работе, доцент

Трусов А. О.

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Исходный код макроса на языке Python для получения распределения электродинамических усилий, действующих на витки индуктора

1MI1I

@param regList RegionFace 1 ? None Select face regions

@param quantity C80 1 1 FL_X Quantity to get average value

llllll

def ComputeRadialForceOnFaceRegion(regList,quantity): #задание области интегрирования модели

tabFacesRegions = RegionFace.selectByRelation(formule-RegionFace.color',entities=Color[,Red,]) #создание файла для записи результатов myfile = open("newfile.txt", "w") myfile.write("Radial EDF"+'\n') myfile.closeQ #Цикл по всем виткам forrfacel in tabFacesRegions: #Расчёт усилия для текущего витка

fases_l =Face.selectByRelation(formule- Face.region', entities=rface 1)

intTemp=float(IntegralFace(support=SupportIntegralFace(faces=fases_l, regionFace=rfacel .name),

spatialFormula=quantity,

integrationType=DornainDepthIntegration(),

resultName-Fr').value);

#Вывод текущего значения усилия в консоль print 'Radial force is: '+str(intTemp)+'\n' #3апись текущего значения усилия в файл myfile = open("newfile.txt", "а") myfile. write(rface 1 .name+'\t'+str(intTemp)+'\n') myfile.closeQ

#Очистка памяти результатов

ScalarResult['Fr'] .deleteQ;

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Результаты расчёта электродинамических усилий

Одной из интересных для исследования ЭДУ установкой является кузнечный индукционный нагреватель КИН, расчётные параметры которого следующие: длина каждого из шести индукторов 0,48 м, внутренний диаметр по меди 0,18 м, число витков 17, токопровод катушки индуктора 25x20 мм2 толщиной стенки 2 мм, тепловая изоляция из жароупорного бетона толщиной 25 мм, зазор между секциями 20 мм (рисунок Д 1).

| ;

' опооппс зишиш □газ □□□□□по □псгоопп "ПН ППНС □по ЩПППГГ зппс пппшо эшоош ЗППЕ ПОПЕЛО чгпг юшооог юиииии'

Рисунок Д 1 - Расчётный вид системы с индукторами КИН

По 3 индуктора соединены последовательно друг с другом и питаются напряжением 750 В от источника частотой тока 1000 Гц. Заготовки из ферромагнитной стали диаметром 0,1 м, длиной 0,5 м. Темп переталкивания заготовок 41 сек. обеспечивает заданную производительность 2,7 т/час. Общая расчётная активная мощность трёх индукторов в установившемся режиме до переталкивания при отсутствии зазора составила 666 кВт (410 и 256 кВт по блокам индукторов), реактивная мощность 1900,661 и 1922,324 кВАр, электрический к.п.д. 82,8 и 72,8 %, токи 2585 и 2586 А соответственно.

На рисунке Д 2 приведены температуры на поверхности и в центре заготовок в процессе нагрева для установившегося режима.

На рисунке Д 3 приведены электродинамические усилия и сила трения, действующие на первую и последнюю заготовки для установившегося режима.

ЭДУ, которые действуют на первую и последнюю заготовки, малы по сравнению с силой трения, поэтому ожидать самопроизвольного перемещения их в индукторе при этих условиях не следует. Интересно отметить, что при больших зазорах усилия направлены таким образом, чтобы вытолкнуть заготовки из индуктора. Только для шестой заготовки при относительно малых зазорах сила пытается втянуть заготовку вовнутрь индуктора.

т,°с

150 200 250 300

Рисунок Д 2 - Распределение температуры по длине стальных слитков в окне визуализации процесса моделирования программы ЕЬТА20

80

70

60

50

40

30

20

10

0

-10

-20 -30

оо-о-о-о-

у V - Ус V V

А А X А "А

\

ЭДУ 1 заготовка -О- Сила трения

ЭДУ 6 заготовка

А,см

0 10 20 30 40

Рисунок Д 3 - ЭДУ, действующие на различные заготовки в индукторе.

Вернёмся к случаю системы, приведённой на рисунке 3.17, и для алюминиевых заготовок диаметром 0,242 м проанализируем ЭДУ, возникающие в первом со стороны загрузки индукторе при различной мощности или изменении напряжения. На рисунке Д 4 показаны три кривые изменения электродинамического усилия при увеличении зазора между первой (слева) заготовкой и тремя остальными.

Рисунок Д 4 - Изменение ЭДУ, действующего на первую заготовку из алюминия

Как видно из рисунка Д 4, при первоначальной мощности 6,9; 27,7 и 401 кВт, полученной при напряжениях 50; 100 и 380 В, усилия всегда отрицательные и направлены в сторону от индуктора, при этом максимальные значения равны 2; 6,9 Н и 99 Н.

На рисунке Д 5 показаны три кривые изменения электродинамического усилия при увеличении зазора между четвёртой (крайней справа) заготовкой и тремя остальными.

Из рисунка Д 5 видно, что при тех же значениях первоначальной мощности и напряжениях 50; 100 и 380 В, усилия вначале отрицательные и направлены в сторону загрузки, а при зазоре 30 мм становятся уже положительными, стремясь вытолкнуть заготовку из индуктора. Максимальные значения составили 25,4; 101,6 и 1466 Н соответственно.

1500 1000 500 О

-500 •1000

\

V у \/ Ч/ \ \ -ЭДУ 4 загот. 380 В -X— ЭДУ 4 загот. 100 В -О— ЭДУ 4 загот. 50 В

Л. см

......1 "

0

10

20

30

40

50

Рисунок Д 5- Изменение ЭДУ, действующего на четвёртую заготовку из алюминия

Гораздо более сложные зависимости получены при изменении напряжения при нагреве ферромагнитных стальных заготовок диаметром 0,242 м. Так же как и для случая с алюминиевой заготовкой, напряжение изменялось от 50 до 380 В. Мощности первого индуктора до начала изменения зазора при этом были равны 5,11; 24,6 и 460 кВт.

На рисунке Д 6 приведены аналогичные кривые изменения ЭДУ при увеличении зазора между четвёртой (справа) стальной заготовкой и тремя остальными, из которых следует, что изменение положительного знака усилия на отрицательный знак наступает при различных значениях зазора. Если при напряжении 50 и 100 В направление силы меняется на противоположное при зазоре 150 мм, то при напряжении 380 В этот зазор составляет уже 350 мм.

В заключение анализа возможности управления ЭДУ при изменении мощности приведём зависимости изменения значения полного усилия, действующего на все четыре стальные заготовки при возможных смещениях (рисунок Д 7). Для этого объединим все заготовки в одну длиной 1,6 м и будем смещать её в сторону загрузки индуктора (влево), начиная с заглубления в индуктор справа, равном 50 мм.

-ЭДУ 4 загот. 50 В

-Х- ЭДУ 4 загот. 100 В -О— ЭДУ 4 загот. 380 В

Рисунок Д 6 - Изменение ЭДУ, действующего на четвёртую заготовку из стали

Рисунок Д 7 — Изменение ЭДУ, действующего на заготовку из ферромагнитной стали

Мощности индуктора до начала смещения были равны 24,6; 113; 276 и 460 кВт, соответственно, при напряжениях 100; 200; 300 и 380 В.

Из рисунка Д 7 видно, что ЭДУ становятся положительными и стремятся втянуть заготовку в индуктор при небольших значениях приложенного напряжения, в данном случае 100 В или ниже (при любых смещениях), или при больших напряжениях, когда

V

правый торец заготовки приближается к левому торцу индуктора с уже ослабленным магнитным полем. Так при напряжениях 200; 300 и 380 В усилия положительны при длине заготовки, находящейся в индукторе, равной 70; 55 и 50 мм соответственно, то есть практически при пустом индукторе.

(Е)