Разработка и исследование электротехнического комплекса для симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Титов, Сергей Сергеевич

• Титов, Сергей Сергеевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Титов, Сергей Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ ШАРООБРАЗНОЙ ФОРМЫ

1.1 Типовые системы регулирования выходных параметров индукционных установок, обзор современной отечественной практики применения индукционного нагрева металлических шаров под термообработку

1.2 Анализ современных схемных решений, направленных на формирование токов высокой частоты

Выводы

2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕСА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО СИММЕТРИЧНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ШАРОВ

2.1 Математическое описаиие передачи энергии переменного электромагнитного поля металлоизделию шарообразной формы

2.2 Математическое описание распределения энергии электромагнитного поля в объёме металлического шара

2.3 Обоснование необходимости вращения металлического шара в электромагнитном поле для обеспечения симметрии его нагрева

2.4 Определение времени скатывания шара по спиральному транспортирующему профилю корытообразного сечения в индукторе

2.5 Разработка математической модели комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-шар»

Выводы

3 ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АИР В УИН ТВЧ ДЛЯ СИММЕТРИЧНОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ШАРОВ,

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ ПРОФИЛЕЙ

3.1 Сравнительный аиализ вариантов геометрических конфигураций спиральных транспортирующих профилей в УИН ТВЧ для симметричного нагрева металлических шаров

3.2 Механико-математическое исследование движения шара в свободном скатывании по комбиспиральиому транспортирующему профилю в индукторе

3.3 Исследование характерных участков плоской развёртки комбиспи-рального транспортирующего профиля

3.4 Построение системы управления АИР для электротехнического комплекса индукционного нагрева металлических шаров

Выводы

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ

ПРОВЕДЁННЫХ ИССЛЕДОВНИЙ

4.1 Описание экспериментов по нагреву металлических шаров энергией высокочастотного электромагнитного поля

4.2 Разработка комплексов оборудования, встроенных в автоматические линии непрерывного действия для симметричного индукционного нагрева металлических шаров под термообработку

4.3 Энергетические показатели электротехнического комплекса для симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А Программа расчёта нагрева ТВЧ металлоизделия шарообразной формы в среде Wolfram Mathematica 8

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Разработанный и собранный на кафедре Электропривод ЛГТУ лабораторный индуктор ТВЧ

ПРИЛОЖЕНИЕ В Статические картины тепловых полей металлоизделия

шарообразной формы во время и после нагрева ТВЧ

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Экспертное заключение ВНИИТВЧ им. В.П. Вологдина (г. Санкт-Петербург) на инновационный проект по теме диссертационной

работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Экспертное заключение УкрГНТЦ «Энергосталь» (г.Харьков, Украина) на работу «Индукционный осесимметричный нагрев

шаров под закалку» по теме диссертации

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Акт о внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование электротехнического комплекса для симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования определяется необходимостью повышения качества 1ермообработки металлоизделий шарообразной формы, к которым в первую очередь относятся мелющие шары, а также тела качения шариковых подшипников. В связи с этим необходимо разработать электротехнический комплекс с улучшенными функциональными возможностями для термообработки металлоизделий шарообразной формы с симметричным поверхностным индукционным нагревом на заданную глубину и температуру. Развитие силовой электроники и микропроцессорной техники даёт новые возможности для построения сложных алгоритмов, направленных на решение поставленных задач. Современные схемные решения, позволяющие формировать токи высокой частоты, как правило, строятся на базе полностью управляемых IGBT транзисторов с высокой коммутационной способностью, что обеспечивает возможность беспрепятственного получения частот тока в диапазоне нескольких килогерц. На этой элементной базе возможно создание электротехнического комплекса для индукционного нагрева, обеспечивающего достижение оптимального сочетания высокой поверхностной твёрдости шара в совокупности с вязко-пластичной сердцевиной, предопределяющей противоударную стойкость.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2010-2013 гг.; при финансовой поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Степень разработанности темы исследования. Многие исследователи неоднократно обращались и продолжают обращаться к проблеме симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы и, как следствие, вопросу разработки системы управления для такого нагрева. Огромный вклад в области построения систем управления для индукционного нагрева изделий различной формы внесли отечественные и зарубежные ученые - В.П. Вологдин, Г.И. Ба-бат, А.Е. Слухоцкий, B.C. Немков, В.Б. Демидович, С.Е. Рыскин, А.Б. Кувалдин,

А.Н. Шамов, Л.С. Зимин, В.А. Букапин, Е. J. Davies, R. Poiroux, S. Lupi, R. M. Baker, E. Kolbe, M. J. Sablic, и др. Известен ряд работ, посвященных вопросу индукционного нагрева металлоизделий различной формы, в том числе шарообразной. Сохраняет актуальность проблема разработки электротехнического комплекса для симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы.

Цель работы - разработка и исследование электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар», позволяющего осуществлять симметричный индукционный нагрев металлоизделий шарообразной формы с заданными технологическими параметрами.

Идея работы состоит в создании системы регулирования автономным резонансным инвертором, позволяющей поддерживать заданные технологические параметры при движении шара через индуктор при его симметричном нагреве под термообработку.

Научная новизна:

- разработана система управления автономным резонансным инвертором, отличающаяся от известных возможностью регулирования мощности и активной глубины нагрева при движении шара через индуктор;

- определены параметры электрической схемы замещения системы «индуктор-шар», отличающиеся от известных учетом фактора изменения индуктивности контура вследствие движения металлического шара через индуктор;

- разработана новая спиральная конфигурация транспортирующего профиля индуктора, отличающаяся от известных обеспечением возможности вращения металлических шаров в высокочастотном электромагнитном поле с целью их равномерного по объём}' либо поверхности нагрева.

Теоретическая и практическая значимость:

- разработанная спиральная конфигурация транспортирующего профиля индуктора позволяет обеспечить возможность вращения металлоизделий шарообразной формы в электромагнитном поле;

- разработанная система управления автономным резонансным инвертором позволяет осуществлять симметричный индукционный нагрев металлических шаров от 20°С до закалочных 800°С с заданными технологическими параметрами.

Методология и методы исследования. Объектом исследования являлся электротехнический комплекс «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар». При решении поставленных в диссертационной работе задач использовалась теория автоматического управления, теория индукционного нагрева, теория теплопроводности, а также методы математического моделирования. Численное решение уравнений математических моделей выполнялось на ЭВМ с помощью пакетов математических программ Simulink и Wolfram Mathematica.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается математическим обоснованием разработанных моделей, сопоставимостью результатов теоретических исследований, математического моделирования и экспериментальных данных с положениями теории индукционного нагрева и автоматического управления.

Реализация работы. Полученные в ходе исследований результаты внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (Электропривод) Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ).

На защиту выносится:

- построенная математическая модель электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар»;

- разработанная система управления автономным резонансным инвертором, позволяющая регулировать технологические параметры установки: мощность и активную глубину нагрева шара;

- результаты исследования динамических характеристик электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар», проявляющихся при прохождении шара через индуктор;

- результаты исследования энергетических характеристик электротехнического комплекса оборудования «автономный резонансный инвертор-индуктор-движущийся шар».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 54-й научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в современном информационном обществе» (г. Долгопрудный 2011); па XI Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи IITTM-2011 (г. Москва 2011); па III Международной Научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодёжи - путь к обществу, основанному па знаниях» (г. Москва 2011); на Всероссийском Конкурсе научных и инновационных проектов студентов, аспирантов и молодых ученых по основным направлениям ииновациоиного развития крупнейших отечественных компаний в области машиностроения, телекоммуникаций и связи (г. Долгопрудный 2012); на финальном мероприятии по отбору работ по программе У.М.П.И.К. фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (г. Липецк 2012); на Полуфинале Всероссийского конкурса инноваций им. В. Зворыкина (г. Солнечногорск 2010); на смене «Инновации и техническое творчество» Всероссийского форума Селигер-2010 (оз. Селигер 2010); в ОАО «НЛМК» (г. Липецк 2011); на I Международной межотраслевой научно - практической конференции молодых учёных и специалистов (г. Харьков 2012); на Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям (г. Новочеркасск 2011); па Международной научно -технической конференции «Состояния и перспективы развития электротехнологии» (XVI Бенардосовские чтения к 130-летию изобретения электродуговой сварки H.H. Бенардосом) (г. Иваново 2011); на IX Международной научно -практической интернет-конференции «Эперго- и ресурсосбережение - XXI ВЕК» (г. Орел 2011); на III Международной научно-практической конференции «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза 2012); на IV международной научно-практической конферен-

ции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (г. Липецк 2010); на IX Всероссийской школе-конференции молодых учёных «Управление большими системами» (г. Липецк 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получено 4 патента РФ на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 118 наименований, и 6 приложений. Общий объем работы - 160 страниц. Основная часть изложена на 149 страницах текста, содержит 55 рисунков, 5 таблиц.

1 ОБЗОР СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ ШАРООБРАЗНОЙ ФОРМЫ

1.1 Типовые системы регулирования выходных параметров индукционных установок, обзор современной отечественной практики применения индукционного нагрева металлических шаров под термообработку

С точки зрения эксплуатации индукционных установок возможны два способа регулирования электрического режима [1, 2, 3, 4, 28]:

- стабилизация напряжения на нагрузке и„, режим применяется в установках для поверхностной закалки и нагревателях методического действия, в которых необходимо обеспечить повторяемость процесса нагрева периодически сменяемых заготовок;

- стабилизация тока звена постоянного тока на номинальном уровне, равном 1а,юм, иллюстрируется рисунком 1.1. Этот режим применяется в плавильных установках, так как обеспечивает максимальное потребление мощности Р = и^шАшж и> следовательно, максимально быстрый нагрев и расплавление металла. Для поддержания постоянного тока 1а выпрямитель выполняется управляемым с возможность управления выходным напряжением.

Стабилизация напряжения на нагрузке ин или его изменение по определенному закону могут быть обеспечены двумя способами:

- изменением питающего напряжения звена постоянного тока ии;

- регулированием угла ср между выходным напряжением и, и током ^ инвертора.

Изменение напряжения можно осуществить либо регулированием угла а тиристоров выпрямителя, показано на рисунке 1.2, что приводит к ухудшению коэффициента мощности в питающей сети, либо широтпо-импульсным регулированием постоянного напряжения. Последнее утверждение имеет место в случае

1а

Рисунок 1.1 - Схема со стабилизацией тока : В - управляемый выпрямитель; И - инвертор; ДТ - датчик тока; Хп- индуктор

и

+

и

с

дн

Рисунок 1.2 - Схема с регулированием напряжения иа: В - управляемый выпрямитель; И - инвертор; ДН - датчик напряжения; - индуктор

использования выпрямителя на силовых транзисторах, что увеличивает установленную мощность установки и снижает ее КПД.

Управление электрическим режимом с помощью изменения иа используется в крайних случаях, когда необходимо глубокое регулирование или постоянство выходной частоты. Регулирование угла ср можно осуществить несколькими специальными методами:

- ступенчатое регулирование с помощью дополнительной конденсаторной батареи, представленной па рисунке 1.3, лишает основного преимущества тири-сторного преобразователя - отсутствия контактной аппаратуры, поэтому такой способ практически не применяется;

- плавное регулирование с помощью балластной индуктивности, представленной на рисунке 1.4, связано с увеличением потерь и установленной мощности и нашло применение только в установках, где обязательно постоянство выходной частоты;

- изменение частоты коммутации силовых ключей инвертора, изображённых па рисунке 1.5 наиболее просто осуществить при стабилизации электрического режима, этот способ находит большое практическое применение.

Наиболее широкие регулировочные возможности представляет схема, изображенная на рисунке 1.6. В такой схеме происходит поддержание заданного тока индуктора I, путем воздействия сразу на два параметра: частоту Г и выходное напряжение и, инвертора. Эта схема позволяет обеспечить стабилизацию заданного электрического режима при нагрузке с изменяющимися параметрами. Одним из примеров применения схемы регулирования, изображенной на рисунке 1.6, является поддержание выходной мощности инвертора на постоянном уровне. Известно [5, 6, 100], что по мере роста температуры нагреваемой заготовки существенно (в несколько раз) снижается активная составляющая сопротивления контура, что приводит к резкому увеличению выходной мощности инвертора. Поэтому выходную мощность ограничивают, вводя обратную связь по току или по мощности. Использование вышеуказанной схемы позволит ограничить мощность

Рисунок 1.3- Схема с подключаемыми конденсаторными батареями: В - управляемый выпрямитель; И - инвертор; ДТ - датчик тока; КМ1, КМ2 - контакторы; Ъп - индуктор

Вычисление Ф

ср* =0

Рисунок 1.4 - Схема с балластной индуктивностью: В - управляемый выпрямитель; И - инвертор; ДТ - датчик тока; Ъхх - индуктор

Рисунок 1.5 - Схема с регулированием частоты: В - управляемый выпрямитель; И - инвертор; ДН - датчик напряжения; ДТ - датчик тока; Ъа - индуктор

Рисунок 1.6 - Схема с регулированием напряжения и частоты: В - управляемый выпрямитель; И - инвертор; ДН - датчик напряжения; ДТ - датчик тока;

- индуктор

на заданном уровне путем уменьшения выходного напряжения U,. Выходная частота f при этом может оставаться постоянной, инвертор при этом может работать с поддержанием угла ф равным нулю.

Широкое распространение в последние десятилетия поперечно-винтовых шаропрокатных станов (ШПС) практически полностью вытеснило производство литых и штампованных мелющих шаров с газопламенным нагревом под закалку и предопределило применение в том или ином виде индукционного нагрева под термообработку.

Фирма «Уральские технологии» (Нижнетагильский металлургический комбинат): закалка мелющих шаров Dy 60 и более с прокатной после ШПС температуры и последующий низкий самоотпуск; предпрокатпый сквозной нагрев стальных прутков круглого сечения до заданной температуры в прямом многовитковом индукторе ТВЧ с частотой 2500 Гц [7, 8, 9]. Очевидным приоритетом этой Нижнетагильской практики является энергоэкономичность с целыо снижения отпускных цен на изделия. Что касается качества закалки с прокатной температуры выше линии GSE (нижняя часть диаграммы состояния сплавов железо - углерод) с подстуживанием на свободном воздухе до закалочного значения, назвать её термообработкой можно с оговорками - крупное зерно аустепита обеспечено (соответственно оставляющий желать лучшего характер последующих фазовых превращений). Диапазон более-менее устойчивого спроса на сравнительно дешёвые мелющие шары, изготавливаемые по этой технологии, включает первые три группы по твёрдости [10].

Шары группы 4 особо высокой твёрдости для измельчения руд цветных металлов, производства цемента и огнеупоров предприятия этих отраслей покупают по значительно более высоким ценам у шарикоподшипниковых заводов (сталь ШХ 15, полный цикл классической термообработки) и ещё более дороже по импорт}' (порядка 15% в общей потребности). Кинематическая схема Нижнетагильской нагревательной установки ТВЧ представлена на рисунке 1.7. Загрузочное устройство (лоток - магазин) 1, вмещает 15-30 стальных прутков и представляет

1

Рисунок 1.7 - Кинематическая схема нагревательной индукционной установки

собой наклонную сварную раму из швеллеров и угольников. В индукторе 2 прутки нагреваются до заданной температуры во время их продвижения к шаропро-катному стану 4, выполнен он в виде водоохлаждаемой многовитковой катушки из медной трубки прямоугольного сечения. Для предохранения индуктора от истирания при продвижении прутков применяются специальные направляющие, изготовленные из немагнитной жаропрочной стали. В термостат 3 прутки поступают после нагрева в индукторе для предохранения от охлаждения. Он представляет собой трубку с керамической изоляцией. Из термостата прутки подаются к валкам прокатного стана, в котором и происходит формирование шаров. Электрическая и пневматическая аппаратура полностью автоматизирует всю работу установки за исключением укладки прутков на загрузочное устройство 1, осуществляемое тельфером.

В ОАО «КРОНТИФ» (бывший Сукремльский чугунолитейный завод в городе Людипово Калужской области) пошли ещё дальше: закалка мелющих шаров Бу 30 и 40 с литейно-прокатного нагрева (предпрокатный индукционный подогрев ещё достаточно горячих калиброванных пепрерывполитых заготовок круглого сечения из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ) только что вытянутых из установки непрерывной разливки чугуна (УНРЧ). Комментарий к такой термообработке мог бы повторить сформулированный выше, однако в этом случае ключевым фактором недостаточной поверхностной твёрдости видимо является применение ВЧШГ ферритного класса (выбор продиктован возможностями пластической деформации чугуна). Диапазон рынка реализации изготавливаемых по этой технологии мелющих шаров Оу 30, 40 включает потребителей первых двух групп по твёрдости согласно [10] (нормальная и повышенная общего назначения).

Кинематическая схема Сукремльской нагревательной установки аналогична схеме на рисунке 1.7 с разницей в том, что в лоток-магазин 1 вместо стальных прутков загружаются горячие, только что вытянутые из УНРЧ мерные калиброванные чугунные заготовки круглого сечения. Следует заметить, что прокатка шаров из ВЧШГ освоена впервые в мировой практике [11, 12].

Опыт шарикоподшипниковой отрасли: предварительный сквозной нагрев шаров с исходной структурой металла после нормализации до закалочной температуры в индукторе ТВЧ (2500 Гц) с последующей выравнивающей выдержкой во вращающемся (полая керамическая спираль) внутри камерной электрической печи сопротивления [13]. В этом электротехническом комплексе нагревательного оборудования без окисления и обезуглероживания очевиден приоритет качества продукта, невзирая на весьма низкий КПД потребления электроэнергии (сквозной, вдвойне косвенный радиационный нагрев ТЭНами сквозь стенку муфеля).

Схема агрегата для индукционпо-муфельной закалки шариков подшипников па 4ГПЗ (Москва) представлена на рисунке 1.8. Исходной частью агрегата для закалки шаров является бункер 1, откуда шары с помощью диска 1 подаются толкателю 2; последний проталкивает их через индуктор 3, в котором они нагреваются до температуры 850 °С и затем в нагретом состоянии попадают (скатываются по трубе) в муфель 4 внутри электропечи сопротивления, являющейся в данном случае камерой выдержки. Здесь в шарах при температуре закалки завершаются фазовые превращения. В индукторе шары находятся 30 секунд, в муфеле печи - 1015 минут. Из муфеля шары поступают в закалочный бак 5 с водным раствором соды и элеватором 6 выгружаются из него.

Рассмотренные выше отечественные практики применения индукционного нагрева металлических шаров под термообработку обладают целым рядом указанных недостатков. В свою очередь, более всего востребованной промышленностью совокупности параметров нагрева под термообработку металлических шаров (симметричного на заданную глубину и температуру), отвечал бы индукционный способ. Он характеризуется прямым и высокоскоростным (секунды - доли секунд при поверхностном нагреве ТВЧ) превращением электрической энергии в тепловую энергию. Этот способ отличает простота регулирования температуры и глубины симметричного прогрева, практически без окисления и обезуглероживания поверхности нагреваемого изделия. При этом после закалки было бы возможно достижение искомого сочетания высокой поверхностной твёрдости с вязко-пластичной сердцевиной.

чо

Рисунок 1.8 - Агрегат для индукционно-муфельной закалки шариков подшипников

Весьма важным фактором энергосбережения при использовании этого способа нагрева является малая тепловая инерция индукционного термического оборудования - постоянная готовность к работе. Разогрев всякий раз после неизбежных выключении газовых или электрических термических печей сопротивления с их массивной футеровкой занимает часы и па него затрачивается до 40% энергии, расходуемой за смену.

Довольно актуальной видится задача разработки и исследования электротехнического комплекса оборудования для симметричного индукционного нагрева металлоизделий шарообразной формы, отвечающего востребованной промышленностью совокупности параметров нагрева, приведённой выше. Особое внимание следует уделить вопросу построения систем управления заявленного электротехнического комплекса для симметричного индукционного нагрева под термообработку металлоизделий шарообразной формы ввиду его значительного отличия от повсеместно применяемой практики нагрева токами высокой частоты.

Рассмотрим стандартный состав электрического оборудования закалочной установки для индукционного нагрева. Установка состоит из генератора токов высокой частоты, понижающего трансформатора, конденсаторных батарей, индуктора, станка или приспособления и аппаратуры (реле времени, реле управления подачей закалочной жидкости и другие устройства) [14]. В зависимости от конфигурации обрабатываемой детали и мощности генератора применяют различные способы нагрева деталей с помощью токов высокой частоты (способы закалки ТВЧ) о которых достаточно подробно написано в специальной литературе [15, 16, 17, 18, 19]. Ключевым звеном установки для индукционного нагрева ТВЧ, с точки зрения построения систем управления, является генератор токов высокой частоты. В последнее время, вследствие бурного развития силовой электроники, генераторы ТВЧ представляют собой преобразователи высокой частоты на базе полностью управляемых полупроводниковых приборов [20, 21, 22, 23].

Преобразователь токов высокой частоты состоит из двух основных узлов: выпрямителя, преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и автономного инвертора, который позволяет получить из постоянного то-

ка переменный высокой частоты [24, 25, 26]. В промежуточную цепь постоянного тока включается сглаживающий фильтр, который часто является элементом схемы инвертора или же он может входить в нагрузку (например, система индуктор -нагреваемое тело). Автономные инвертора, требуют более детального анализа. Именно они являются объектами воздействия системы управления электротехническим комплексом для симметричного индукционного нагрева ТВЧ под термообработку металлоизделий шарообразной формы.

1.2 Анализ современных схемных решений, направленных на формирование токов высокой частоты

В параграфе 1.1 сказано, что автономный инвертор (АИ) преобразует постоянный ток в переменный высокой частоты. Полное определение АИ - это преобразователи постоянного тока в переменный, работающие па нагрузку, в которой нет других источников электроэнергии [27]. В зависимости от особенностей протекания электромагнитных процессов автономные инверторы могут быть разделены на три основных типа [28]: инверторы тока (АИТ) рисунок 1.9, инверторы напряжения (АИН) рисунок 1.10 и резонансные инверторы (АИР) рисунок 1.11. На рисунках 1.9, 1.10 и 1.11 представлены схемы однофазных инверторов ввиду того, что в электротехнологических установках высокой частоты трёхфазный ток обычно не применяется.

В инверторах тока в цепь суммарного тока вентильной группы включается большая индуктивность, вследствие чего имеет место апериодический заряд коммутирующей ёмкости и ток вентиля в течение всего межкоммутационного промежутка времени практически не изменяется [29] согласно рисунку 1.9 б.

В инверторах напряжения форма тока управляемого вентиля в течение части интервала проводимости определяется параметрами нагрузки, а в течение остальной части интервала проводимости ток управляемого вентиля изменяется по колебательному закону благодаря подключению резонансного коммутирующего ЬС-контура, показано на рисунке 1.10 6.

О

1н

Uh

Рисунок 1.9- Автономный параллельный инвертор тока (АИТ) (а) и график изменения тока и напряжения на нагрузке АИТ (б)

Id

Ud

Со=4=

VS1 Ж &VD1 VS3 $ &VD3

Zh

VS2 V AVD2 VS4 \7_ ¿ÍVD4

0

Uh

Ih

Рисунок 1.10 - Автономный последовательный инвертор напряжения (АИН) (а) и график изменения тока и напряжения на нагрузке АИН (б)

Резонансные инверторы - это инверторы, в которых благодаря применению последовательного резонансного ЬС-коптура ток управляемого вентиля в течение всего интервала проводимости изменяется во времени по колебательному закон}', схематически иллюстрируется рисунком 1.116 [30].

Инверторы тока и напряжения применяются в стабилизированных по выходным параметрам преобразователях частоты, во вторичных источниках питания переменного тока, в установках частотно-регулируемого электропривода [28]. Резкой границы между инверторами тока и напряжения на практике не существует, в большинстве случаев инверторы работают в режимах, близких к промежуточным [31]. К недостаткам инверторов тока относится высокая скорость нарастания тока в контуре коммутации, а также сравнительно низкая предельная частота по сравнению с АИР. Предельная частота АИН меньше, чем АИТ и ограничивается сотнями герц. Так же к негативным факторам применения АИН относится наличие высших гармоник (3, 5, 7 и т.д.) в выходных значениях напряжения и тока. Амплитуды пятой и седьмой гармоник составляют 20% и 14% от амплитуды основной гармоники соответственно [32]. По сравнению с инверторами тока и напряжения схемы резонансных инверторов более многообразны. Их можно классифицировать по различным характерным признакам [33]:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Титов, Сергей Сергеевич, 2014 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Слухоцкий, А.Е. Индукторы / А.Е. Слухоцкий. - Л.: Машиностроение, 1989. -69 с.

2. Demidovich, V.B. Space Change of Eddy Current Power by Induction Heating of Steel Cylinders Second / V.B. Demidovich, V.I. Rudnev, G.D. Komrakova. - Nottingham: University of Nottingham, 1994. - 189 pp.

3. Sranberg, F. Induction heating of slabs at SSAB Lulea / F. Sranberg. - Essen: Vulkan-Verlag, 1997.-173 pp.

4. Вайнберг, A.M. Индукционные плавильные печи / A.M. Вайнберг. - M.: Энергия, 1967.-415 с.

5. Мещеряков, В.Н. Исследование и разработка электротермического оборудования непрерывного действия для симметричного индукционного нагрева под закалку мелющих шаров / В.Н. Мещеряков, В.И. Кузьменко, С.С. Титов // Сталь. -2012.-.№4.-С. 44-49.

6. Слухоцкий, А.И. Установки индукционного нагрева / А.И. Слухоцкий, B.C. Немков, Н.А. Павлов, А.В. Бамунэр. - Л.: Энергоиздат, 1981. - 328 с.

7. Шамов, А.Н. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок / А.Н. Шамов, В.А. Бодажков. - Л.: Машиностроение, 1974. - 280 с.

8. Рыскин, С.Е. Оборудование для индукционной термообработки / С.Е. Рыс-кин, В.М. Смирнов, Г.В. Благовещенский. - Л.: Машиностроение, 1966. - 158 с.

9. Петренко, Ю.П. Освоение производства мелющих шаров повышенной твёрдости / Ю.П. Петренко, В.В. Касаткин, В.Ф. Манюх, А.А. Скороходов // Сталь. -2005,-№8.-С. 82-83. 10.

10. ГОСТ 7425-89 Шары стальные мелющие для шаровых мельниц. - М.: Стандартинформ, 2009. - 6 с.

11. Александров, Н.Н. Производство высококачественных чугунов / Н.Н. Александров, Е.В. Ковалевич, А.Н. Поддубный // Литейное производство. - 1996. -№11.-С. 11-14.

12. Дюков, A.B. Производство мелющих шаров литьём в кокиль и горячей пластической деформацией / A.B. Дюков, И.К. Кульбовский, H.H. Александров, А.Н. Поддубный // Литейное производство. - 1998. - №11. - С. 32-34.

13. Морозов, А.П. Термообработка без окисления и обезуглероживания / А.П. Морозов, Ю.В. Футорянский. - Куйбышев: Куйбышевское книжное издательство, 1967.-90 с.

14. Фёдоров, О.В., Высокочастотные источники питания озонаторов / О.В. Фёдоров, К.Ю. Кузнецов // Актуальные проблемы энергетики. Труды НГТУ. - Н. Новгород, НГТУ. - 2007. - С. 161-163.

15. Глуханов, Н.П. Физические основы высокочастотного нагрева / Н.П. Глу-ханов. -М.-Л.: Машиностроение, 1965. - 80 с.

16. Некрасова, В.Н. Технология термического производства. Способы нано-структурирования материалов / В.Н. Некрасова, М.Ю. Симонов, Т.В. Некрасова. -Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2011. -248 с.

17. Сидоренко, В.Д. Применение индукционного нагрева в машиностроении / В.Д. Сидоренко. - Л.: Машиностроение, 1980. - 231 с.

18. Вольдек, А.И. Электрические машины / А.И. Вольдек. - Л.: Энергия, 1974. - 840 с.

19. Костенко, М.П. Электрические машины / М.П. Костенко, Л.М. Пиотровский. - Л.: Энергия, 1973. - 648 с.

20. Фёдоров, О.В., Исследование высокочастотного преобразователя частоты на IGBT-транзисторов с учётом тепловых изменений кристалла / О.В. Фёдоров, А.Н. Мясников, В.П. Севастьянов // Актуальные проблемы энергетики. Труды НГТУ. Том 59. - Н. Новгород, НГТУ. - 2006. - С. 200-201.

21. Беркович, Е.И. Полупроводниковые выпрямители / Е.И. Беркович, В.Н. Ковалев, Ф.И. Ковалев. - М.: Энергия, 1978. - 448 с.

22. Иванов, А.Г. Системы управления полупроводниковыми преобразователями / А.Г. Иванов, Г.А. Белов, А.Г. Сергеев. - Чебоксары: Издательство Чувашского университета, 2010. - 448 с.

23. Блинов, Ю.И., Современные энергосберегающие электротехнологии / Ю.И. Блинов, A.C. Васильев, А.Н. Никаноров [и др.]. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2000. - 564 с.

24. Ривкин, Г.А., Преобразовательные устройства / Г.А. Ривкин. - М.: Энергия, 1970. - 544 с.

25. Демичев, А.Д. Поверхностная закалка индукционным способом / А.Д. Де-мичев. - Л.: Машиностроение, 1979. - 80 с.

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

27. Ситник, Н.Х. Автономные инверторы с отделёнными от нагрузки конденсаторами / Н.Х. Ситник [и др.]. - М.: Энергия, 1968. - 95 с.

28. Яров, В.М. Полупроводниковые преобразователи частоты для установок индукционного нагрева / В.М. Яров, В.П. Терехов, А.Н. Ильгачев. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2005. - 228 с.

29. Гольденберг, Л.М. Теория и расчёт импульсных устройств на полупроводниковых приборах / Л.М. Гольденберг. - М.: Связь, 1969. - 755 с.

30. Беркович, Е.И. Тиристорные преобразователи высокой частоты / Е.И. Бер-кович, Г.В. Ивенский, Ю.С. Иоффе [и др.]. - Л.: Энергия, 1973.-200 с.

31. Васильев, A.C. Источники питания электротермических установок / A.C. Васильев, С.Г. Гуревич, Ю.С. Иоффе. -М.: Энергоатомиздат, 1985. - 248 с.

32. Белкин, А.К., Разработка и проектирование тиристорных источников питания / А.К. Белкин, С.А. Горбатков, Ю.М. Гусев [и др.]. - М.: Энергоатомиздат, 1994.-215 с.

33. Ивенский, Г.В. Принципы построения схем и классификация резонансных автономных инверторов / Г.В. Ивенский, А.Е. Писклов // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. - 1972. - №7. - С. 15-17.

34. Беркович, Е.И. Моделирование электрических схем последовательно-параллельных инверторов электротермических установок / Е.И. Беркович, К.Г. Вейс, И.И. Пресманн // Труды ВНИИТВЧ. - 1972. - № 12. - С. 69-75.

35. Мещеряков, В.Н. Разработка метода и устройства для транспортирования и равномерного осесимметричного индукционного нагрева шаров / B.PI. Мещеряков, В.И. Кузьменко, С.С. Титов // Индукционный нагрев. - 2011. - №3. - С. 4043.

36. Перель, Л.Я. Подшипники качения. Проектирование и обслуживание опор: Справочник / Л.Я. Перель. - М.: Машиностроение, 1983. - 593 с.

37. Чуб, Е.Ф. Крупногабаритные подшипники качения: Справочное пособие / Е.Ф. Чуб. -М.: Машиностроение, 1976.-272 с.

38. Ландау, Л.Д. Электродинамика сплошных сред, издание четвёртое / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 656 с.

39. Нейман, Л.Р. Теоретические основы электротехники, том 2 / Л.Р. Нейман, К.С. Демирчян. - Л.: Энергия, 1981. - 533 с.

40. Болибрух, A.A. Уравнения Максвелла и дифференциальные формы / A.A. Болибрух. - М.: МЦНМО, 2002. - 24 с.

41. Владимиров, B.C. Уравнения математической физики / B.C. Владимиров. -М.: Наука, 1981.-512 с.

42. Выгодский, М.Я. Справочник по высшей математике / М.Я. Выгодский. -М.: ACT: Астрель, 2006. - 991 с.

43. Рыбкин, A.A. Справочник по математике / A.A. Рывкин, А.Э. Рыбкин, Л.С. Хренов. - М.: Высшая школа, 1987. - 480 с.

44. Бронштейн, И.Н. Справочник по математике, издание десятое / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. - М.: Наука, 1986. - 544 с.

45. Немков, B.C. Теория и расчёт устройств индукционного нагрева / B.C. Немков, В.Б. Демидович. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 280 с.

46. Демирчян, К.С. Машинные расчёты электромагнитных полей / К.С. Демирчян, В.Л. Чечурин. - М.: Высшая школа, 1986. - 307 с.

47. Демирчян, К.С. Моделирование магнитных полей / К.С. Демирчян. - М.-Л.: Энергия, 1974.-288 с.

48. Лупи, С Аналитический расчёт цилиндрических индукционных систем / С. Лупи, B.C. Немков // Электричество. - 1978. - №6. - С. 43-45.

49. Немков, B.C. Математическое моделирование на ЭВМ устройств высокочастотного нагрева / B.C. Немков, Б.С. Полеводов. - Д.: Машиностроение, 1980. -247 с.

50. Алексеев, Н.К. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле / Н.К. Алексеев, В.М. Шевцов. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2006. -140 с.

51. Бессонов, JI.A. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле / Л.А. Бессонов. - М.: Высшая школа, 1986. - 263 с.

52. Слухоцкий, А.Е. Индукторы для индукционного нагрева / А.Е. Слухоцкий, С.Е. Рыскин. - М.: Энергия, 1974.-263 с.

53. Бабат, Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение, издание второе / Г.И. Бабат. - М.-Л.: Энергия, 1965. - 552 с.

54. Фущич, В.И. Симметрия уравнений Максвелла / В.И. Фущич, А.Г. Никитин. - Киев: Наук. Думка, 1983. - 200 с.

55. Зиновьев, Г. С. Основы силовой электроники: Учебник. 4.1 / Г. С. Зиновьев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999. - 199 с.

56. Мелешин, В. И. Транзисторная преобразовательная техника / В. И. Меле-шин. - М.: Техносфера, 2005. - 632 с.

57. Розанов, Ю. К. Основы силовой электроники / Ю. К. Розанов - М.: Энергоатомиздат, 2004. - 272 с.

58. Розанов, Ю. К. Электронные устройства электромеханических систем / Ю. К. Розанов, Е. М. Соколова. - М.: Энергоатомиздат, 2004. - 272 с.

59. Чиженко, И. М. Основы преобразовательной техники. Учебн. пособие для специальности Промышленная электроника / И. М. Чиженко, В. С. Руденко, В. И. Сенько. -М.: Высш. школа, 1974. - 430 с.

60. Семёнов, Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному / Б.Ю. Семёнов. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 416 с.

61. Попков, О. 3. Основы преобразовательной техники. Автономные преобразователи. Конспект лекций: учеб. пособ. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 64 с.

62. Степаненко, И.П. Основы микроэлектроники / И.ГТ. Степаненко. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. - 488 с.

63. Афонский, A.A. Электронные измерения в нанотехнологии и микроэлектронике / A.A. Афонский, В.П. Дьяконов. - М.: ДМК Пресс, 2011. - 688 с.

64. Митрофанов, О.В. Физические основы функционирования изделий микроэлектроники / О. В. Митрофанов, Б.М. Симонов. - М.: Высшая школа, 1987. -168с.

65. Ефимов, И.Е. Микроэлектроника / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов. -М.: Высшая школа, 1987. - 416 с.

66. Келим, Ю.М. Вычислительная техника / Ю.М. Келим. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 384 с.

67. Марголин, В.И. Физические основы микроэлектроники / В.И. Марголин, В.А. Жабреев, В.А. Тупик. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 400 с.

68. Гусев, В.А. Твёрдотельная электроника / В.А. Гусев. - М.: СевНТУ, 2004.635 с.

69. Лыков, A.B. Теория теплопроводности / A.B. Лыков. - М.: Высшая школа, 1967.-600 с.

70. Охотин, A.C. Теплопроводность твёрдых тел / A.C. Охотин. - М.: Энерго-атомиздат, 1984. - 320 с.

71. Аксёнов, Е.П. Специальные функции в небесной механике / Е.П. Аксёнов. -М.: Наука, 1986.-320 с.

72. Горюнов, А.Ф. Уравнения математической физики в примерах и задачах / А.Ф. Горюнов. - М.: МИФИ, 2008. - 616 с.

73. Коренев, Б.Г. Введение в теорию бесселевых функций / Б.Г. Коренев. - М.: Наука, 1971.-288 с.

74. Бугров Я.С. Высшая математика, том 3 / Я.С. Бугров, С.М. Никольский. -М.: Дрофа, 2004.-512 с.

75. Глушко, В.П. Курс уравнений математической физики с использованием пакета Mathematica/В.П. Глушко, A.B. Глушко. - СПб.: Лань, 2010.-320 с.

76. Титов, С.С. Качение тяжёлых шаров без скольжения при движении в спиральных направляющих при их термообработке / С.С. Титов, В.И. Кузьменко // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. - Липецк: Изд-во: ЛГТУ. -2010.- С. 108-110.

77. Блинов, Ю.И. Численные средства для оптимизации установок индукционного нагрева / Ю.И. Блинов, С.А. Галунин, А.Н. Никаноров, A.A. Муратов // Индукционный нагрев. - 2011.-№3. - С. 11-15.

78. Вивденко, Ю.Н. Технологические системы производства деталей наукоёмкой техники / Ю.Н. Вивденко. - М.: Машиностроение, 2006. - 558 с.

79. Яблонский, A.A. Курс теоретической механики. Част I / A.A. Яблонский, В.М. Никифорова. - М.: Высшая школа, 1986.-416 с.

80. Зайцев, А.П. Исследование движения механической системы с использованием общих теорем и принципов динамики / А.П. Зайцев, И.В. Ходяков, A.A. Панкратов. - Мурманск: МГТУ, 2002. - 56 с.

81. Мещерский, И.В. Сборник задач по теоретической механике / И.В. Мещерский. - М.: Наука, 1986. - 448 с.

82. Титов, С.С. Качение шара по винтовым направляющим в условиях скольжения на опорных поверхностях / С.С. Титов, Н.В. Кузьменко, В.И. Кузьменко // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. - Липецк: Изд-во: ЛГТУ, 2010.- С. 106-107.

83. Пат. 2316603 Российская Федерация, МПК C21D9/36, Н05В6/36. Установка непрерывного действия для индукционного нагрева изделий шарообразной формы / Башилов Н.М., Титов С.С. (Россия); заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ГОУ ВПО ЛГТУ) (RU) -№2006116162/02; заявл. 10.05.2006; опубл. 10.02.2008, Бюл. №4. - 5 с.

84. Лидоголубец, Н.М. Техническая механика. Книга 1 - Теоретическая механика / Н.М. Лидоголубец, Э.В. Лузик. -М.: Машиностроение. - 2011. - 127 с.

85. Добронравов, В.В. Основы аналитической механики / В.В. Добронравов. -М.: Высшая школа, 1976. - 264 с.

86. Пат. 2370550 Российская Федерация, МПК С21Б9/36, С2Ш1/42. Индуктор непрерывного действия для изделий шарообразной формы «ГИПЕРБОЛОИД-ЛИПЕЦК» / Башилов РТ.М., Титов С.С. (Россия); заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ГОУ ВПО ЛГТУ) (Щ)- №2008113575/02; заявл. 07.04.2008; опубл. 20.10.2009, Бюл. №29. -4 с.

87. Титов, С.С. Качение шара по винтовым направляющим в условиях скольжения с переменными коэффициентами трения на опорных поверхностях / С.С. Титов, В.И. Кузьменко // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. -Липецк: Изд-во: ЛГТУ, 2011. - С. 212-214.

88. Пат. 2433193 Российская Федерация, МПК С2Ш9/36, Н05В6/36. Установка непрерывного действия для симметричного индукционного нагрева изделий шарообразной формы / Кузьменко В.И., Титов С.С. (Россия); заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ГОУ ВПО ЛГТУ) (1Ш) - №2010121970/02; заявл. 28.05.2010; опубл. 10.11.2011, Бюл. №31.-8 с.

89. Фильчаков, П.Ф. Справочник по высшей математике / П.Ф. Фильчаков. -Киев: Наук. Думка, 1974. - 743 с.

90. Титов, С.С. Качение шара по винтовым направляющим в условиях скольжения на опорных поверхностях / С.С. Титов, Н.В. Кузьменко, В.И. Кузьменко // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. - Липецк: Изд-во: ЛГТУ, 2010.- С. 106-107.

91. Пат. 2453612 Российская Федерация, МПК С2Ш1/42, Н05В6/36. Индуктор непрерывного действия для симметричного нагрева изделий шарообразной формы / Мещеряков В.Н., Кузьменко В.И., Титов С.С. (Россия); заявитель и патенто-

обладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Липецкий государственный технический университет (ГОУ ВПО ЛГТУ) (RU) - №2011106233/02; заявл. 17.02.2011; опубл. 20.06.2012, Бюл. №17.-4 с.

92. Маснев, П.О. Построение лекальных кривых. Спираль Архимеда / П.О. Маснев, A.C. Степанов // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. -Липецк: Изд-во: ЛГТУ, 2010. - С. 90-91.

93. Явленский, А.К. Теория динамики и диагностики систем трения качения / А.К. Явленский, К.Н. Явленский. - Л.: Издательство ЛГУ, 1978. - 184 с.

94. Дронг, В.И. Теория механизмов и механика машин. Том 1. Курс теоретической механики / В.И. Дронг, В.В. Дубинин, М.М. Ильин. -М.: МГТУ, 2005. -736с.

95. Алиев, И. И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию. / И. И. Алиев. - М.: Высшая школа, 2000. - 255 с.

96. Владимиров, С.Н. Аналитические соотношения, аппроксимирующие тем-пературно-полевую зависимость магнитной проницаемости конструктивных сталей / С.Н. Владимиров, С.К. Земан, В.В. Рубан // Известия томского политехнического университета. - 2009. - №4. - С. 100-104.

97. Mohan, N. Power Electronics. Converters, application and design. Second edition / N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins. - New Jersey, USA: A John Wiley and Sons, Inc, 2006. - 802 pp.

98. Bose, В. K. Modern power electronics and AC drives / В. K. Bose. - New Jersey, USA: Prentice Hall PTR, 2002. - 711 pp.

99. Luo, F. L. Digital power electronics and applications / F. L. Luo, H. Ye, M. Ra-shid. - San Diego, USA: Elsevier, 2005. - 408 pp.

100. Земан, C.K. Анализ импульсно-модуляционных способов регулирования последовательного резонансного инвертора / С.К. Земан, А. Осипов, А. Юшков // Силовая электроника. - 2007. - №4. - С. 86-90.

101. Rashid, M. H. Power Electronics Handbook, second edition / M. H. Rashid/ -San Diego, USA: Elsevier, 2005. - 632 pp.

102. Фёдоров, O.B., Основы технико-экономического выбора электроприводов промышленных установок / О.В. Фёдоров, Э.Л. Карпова. -Н. Новгород: НГТУ, 1991. - 164 с.

103. Фёдоров, О.В., Электропривод в промышленности / О.В. Фёдоров, A.C. Сар-варов, Ю.В. Шевырев. - М.: ИНФРА-М, 2008. - 150 с.

104. Фёдоров, О.В., Частотно-регулируемый электропривод в экономике страны / О.В. Фёдоров. - М.: ИНФРА-М, 2011. - 142 с.

105. Фёдоров, О.В., Ресурсосбережение в энергетике / О.В. Фёдоров, Н.В. Голубцов, И.И. Гребешок. -М.: ИНФРА-М, 2011. - 247 с.

106. Фёдоров, О.В., Инжиниринг электроприводов и систем автоматизации / О.В. Фёдоров, В.А. Новикова, Л.М. Чернигова. - M.: ACADEMA, 2006. - 368 с.

107. Фёдоров, О.В., Промышленные технологии / О.В. Фёдоров, A.B. Горностаева, О.С. Кошелев, И.О. Леушин, H.A. Мурашова, A.B. Нещенков, A.IO. Панов. - М.: ИНФРА-М, 2008. - 237 с.

108. Степаненко, И.П. Основы микроэлектроники / И.П. Степаненко. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. - 488 с.

109. Афонский, A.A. Электронные измерения в нанотехнологии и микроэлектронике / A.A. Афонский, В.П. Дьяконов. - М.: ДМК Пресс, 2011. - 688 с.

110. Митрофанов, О.В. Физические основы функционирования изделий микроэлектроники / О. В. Митрофанов, Б.М. Симонов. -М.: Высшая школа, 1987. - 168с.

111. Ефимов, И.Е. Микроэлектроника / И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов. -М.: Высшая школа, 1987. - 416 с.

112. Келим, Ю.М. Вычислительная техника / Ю.М. Келим. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 384 с.

113. Марголин, В.И. Физические основы микроэлектроники / В.И. Марголин, В.А. Жабреев, В.А. Тупик. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 400 с.

114. Демидович, В.Б. Моделирование индукционного и газового нагрева слябов в линиях непрерывной разливки - непрерывной прокаткн / В.Б. Демидович, В.В.

Андрушкевич, Ф.В. Чмиленко, И.И. Растворова // Индукционный нагрев. — 2011.— №3. - С. 4-11 .

115. Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов / Ю.М. Лахтин. -М.: Машиностроение, 1983. - 336 с.

116. Браславский, И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод: учебн. пособие для студ. высш. учеб.заведений / И.Я. Браславский, З.Ш. Ишматов, В.Н. Поляков. - М.: Академия, 2006. - 249 с.

117. Пивняк, Г.Г. Современные частотно-регулируемые асинхронные электроприводы с широтно-импульсной модуляцией [Текст] / Г.Г. Пивняк, О.В. Волков. -Днепропетровск: НГУ, 2006. - 470 с.

118. ГОСТ Р 7.0.11 - 2011 Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Диссертация и автореферат диссертации. Структура и правила оформления. - М.: Стандартинформ, 2012. - 15 с.

Программа расчёта нагрева ТВЧ металлоизделия шарообразной формы в среде

Wolfram Mathematica 8

Wolfram Mathematica 8.0 - [модель - нагрев шара ТВЧ.пЬ]

| File Edit Insert Format Cell Graphics Evaluation Palettes Window Help

beîiellnb

11 Input 'iBifiïllll ^

(«Вычисление Длп «)

sphBesselJ [л_, z_] := [ SphericalBesselJ [12, z]j V 7г/2 j «VT; nMax s 10; лМах=10;

fHull[i_, j_] := 0;

A = rootAllMH = Array[fHull, {иМах + 1, nMax}];

rR = 1;

Do[

f = (Ö, sphBesselJ [n, z] - 1 /2 » z « sphBesselJ [n, z])/z; rootO = 0;

Do [root = FindRoot[f = 0, {z, rootO + 0.001}] ; rootO » root [ [1, 2] ] ; I

rootAllMH[[i + 1, n]] = Chop[rootO, 10A-6] ; A[ [i + 1, n]] = rootAllMH [ [ i + 1, n]]A2/rRA2; f = f / (z - rootO) , {i, иМах}] , {n, nMax}] ; A // MatrlxFora rootAllMH // MatrixForm

0 0 0 0 0

2.103 0 0 0 0

23.7197 3.83132 0 0 0

63.4838 36.909 5.662 0 0

122.795 86.5756 52.6148 7.54783 0

201.793 155.773 112.406 70.7947 9.46624

300.511 244.65 191.569 140.918 91.4088

418.959 353.243 290.364 230.136 172.06

557.141 481.564 408.855 338.898 271.43

715.06 629.619 547.064 467.316 390.214

892.717 797.41 70S. 615.431 528.594

I.45017 4.87028 7.96767

II.0813 14.2054 17.3352

0 0

1.95738

6.07528

9.3046

12.4809

15.6413

0 0 0

2.3795

7.25361

10.6022

0 0 0 0

2.74733 8.41396

20.4685 18.7948 23.6038 21.9446

26.7406 29.8784

25.0922 28.2384

13.8409 11.8709 17.0401 15.1702 20.2202 18.4092 23.3894 21.6175 26.5518 24.8079

0 0 0 0 0

3.07672

9.5608

13.1172

16.4751

19.7538

22.9912

0 0 0 0 0 0

11.4053 114.423 205.791 315.411 444.277

0 0 0 0 0 0

3.37717 10.6969 14.3454 17.7598 21.0779

0 0 0 0 0 0 0

13.3581

139.808 15.3206

242.075 167.539 17.2902

362.046 280.881 197.596 19.2649

0 0 0 0 0 0 0

3.65488 11.824 15.5588 19.0275

0 0 0 0 0 0 0 0

3.91416 12.9437 16.7595

0 0 0 0 0 0 0 0 0

4.15814

14.0569 4.38918

(-Вычисление Впч уесВ >{}; ЬН :» В1оск[(},

(2 п ♦ 1) 51п[6] *3 • 1лдвпс1геР[п, Соз[0] ] Ов)/ 2] ;

1>о[тесВ = Аррепа [тесВ, ЬН), {п, пМах) ]; уесВ

(о, -, О, О, О, О, О, О, О, о)

(•Вычисление Спп, Вп») к - 50;

<11гасВ1д[зг ] := 1 / 2 + АгсТап[к «*] / Р1;

<11гас5иа11[*_] :>

л (1 ♦ к* 1Г2) сШ 1 Агга}[№11, {пНах, яМах}]; е . 0.00001; 1>о[

погп2 = Оюр^ЭТпЬедгаЫг^зрЬВеззеЫ^п, УАЦт ♦ 1, п]] «г]) Л2, {г, е, гК)]]>-

с1«[[п, в]] = СЬор^ |н1п1едга^|гА (5/2) .<11гас5аа11[г - гИ] . зрЬВеззеи [п, V А[[т 1, п] ] .г], (г, е, гй)]) / погш2] , {ш, п, шМа*}], {п, пМах) | ; {с1И // МаггИРот», // Ма^1хГо™}

91201 -0 288198 0.00546324 0.163565 -0.286518 0.383354 -0.462749 0.529223 -0.585541 0.633533 0

0 9 95504 -0.199502 -0.0965073 0.273391 -0.40121 0.501586 -0.583234 0.651188 -0.708258 2

0 0 24.6211 -0.0737419 -0.213733 0.389957 -0.516673 0.616476 -0.697051 0.763915 0

0 0 0 61.9296 0.0733506 -0.339943 0.510838 -0.632834 0.729674 -0.807162 0

0 0 0 0 160.841 0.234673 -0.472037 0.634672 -0.749425 0.841723 0

0 0 0 0 0 433.519 0.406538 -0.608261 0.760611 -0.866201 ! 0

0 0 0 0 0 0 1213.96 0.586807 -0.747518 0.888093 0

0 0 0 0 0 0 0 3529.59 0.774113 -0.88908 0

0 0 0 0 0 0 0 0 10 641.5 0.967539 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 33 215.7 0

(»Приближенное вычисление функции Дирака*) к = 50;

<1хгасВ1д[зс_] := 1/2 + АгсТап[к * зг]/Р1;

к

(ИгасБшаИ [зг ] := -;

- я (1 + к2

Р1оЪ [ {<11гасВ1д[х], <Игас5та11[х]}, {х, -10, 10}]

2.5 -

2.0 -1.5 •

1.0 --

( * Вычис пение Vna, Ena, Fna,T«) vNH . Array [nhill, (nMax, вМах}]; eNU . Array[rNull, (nMax, aMax)] ; ГМН . ttM > d»4 . Array [rNull, (nMax, »Мл x) J.Clear [tTO, a, t] ; tT . tTO; conatv • 1; Aa . 1;

vNM[[n, ■]] . constv. vecB[[n]] .cNM[[n, b]J; eNM[[n, в]] . vNH[[n, в]] /Да; ГМ4[[п, в]] . -vNM[ (п, в]] /ЛаА2; dHM[[n, в]] . -ПМ[[п, в]];

(•««<[ {п, м j1 «t!IM[ [и, в] ].Ехр[-л[[в,п])] »уИМ[[п, ш] ]/aa-vlM[ [п,в] ] /Ла»2.)

tT (l/ VT) LegendгеР[п, Со»[в]1 sphBesselJ [n, VA[[ib ♦ 1, n] ] .r] « (vNM[[n, а]] /Лал2. (Ехр[-А[[ш, n] ] .a.t] - 1) . vNM[[n, в]] /Aa.t) , {a, n, BMax} I, {n, nMax}];

tT

tTO * 3.70424 t (-1 . 3Cos[e]') SphsricalBesselJ [2, 1.95738 r] . 0.983316 (-0. 133001 (-l.eJ _ 0.133001 1) (-1 . 3 Cos[S]1) SphericalBesselJ[2, 6.07528 r| *

1.21691 (-0.0643382 (-1 .г"3' '"") - 0.0643382 t) (-1 ♦ 3 Cos|ej') SphecicalBesselJ[2, 9.3046 i] . 1.4094 (0.18226 (-beJI ""•») . 0.18226 t) (-1. 3 Cos [Э]') SphsricalBesselJ[2, 12.4809 r) ♦ 1.57778 (-0.267473 (-1 . е-1" ") - 0.267473 t) (-1 . 3 Cos [6]') SphericalBcssilJ [2, 15.64131] ♦ 1.72953 (0.334391 (-l.eJ""") . 0.334391 t) (-1 . 3 Cos [в]') SphericalBesselJ [2, 1в.7940п] . 1.86885 (-0.388823 (-lnJ" '"")- 0.388823 t) (-1 . 3 Cos [в]') SphericalBesselJ[2, 21.9446 1] . 1.99839 (0.434125 (-1 + i"4'1'"") . 0.434125 t) [-1 . 3 Cos|ei') SphccicalBesselJ[2, 25.0922Г] . 2.11997 ( 0.472172 ( -1 ..-»»«"«) _ 0.472172 t) (-1 . ЗСоа[в]') SphsricalBesstlJ [2, 28. 2384 r]

(»График T*) tTO = 0 ; t = 1; a = 1;

Plot[tT /. t 1 / . 0-» 0, (r, 0, rR}]

ris = ListContourPlot[p, DataRange -+ {{-rR, rR}, {-rR, rR>), AspectRatio -» 1, DataRange -»True, PlotRange ч111]:

(«Лииш уровня температуры при t=l*) и = 40; h = rR/n; пН = 2n;

p = Array [Hull, {nil, nH}];

6 = ArcTan[z /x]; If [x < OAs > 0, 9 = 0 + jt] ; If [x < 0 Az < 0, 0 = 0-7T]; If[r i 1,

P[[i, j]] =tT /. t-1, p[[i, 3]] = 0], {3, nH}], {i, nil}];

rls = ListContour Plot [p, DataRange -»{{-rR, rR}, {-rR, rR}}, ContourLabels -»True]; gr = Parametr icPlot [ {rR * Cos[9], rRSin[0]}, {0, -n, 7r), PlotStyle -» {Thickness -» 0.012, Black}]; osi = Graphics [{{Thick, Line[{{-rR, 0}, {rR, 0}}]}, {Thick, Liite[{{0, -rR), {0, rR}}]}}]; Show [ris, gr, osi]

x = (i -n- 1/2) .h; Do[z = О - n - 1/ 2) *h;

r = Vхл2+ zA2 J

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

(«Тон эа пределами шара соответствует нулевому уровни температуры, более светлые тона-более высокая температура, и наоборот. Рисунок построение в осевок сечении шара при 1=1 Но рисунка видно, что наибольший нагрев - вблиаи полисов; экваториалы*« пояс- хомодни ).

Разработанный и собранный на кафедре Электропривод ЛГТУ лабораторный индуктор ТВЧ

Рисунок Б. 1 - Общий вид 1 лабораторного индуктора ТВЧ

Рисунок Б.2 - Общий вид 2 лабораторного индуктора ТВЧ

Рисунок Б.4 - Выпрямитель лабораторного индуктора ТВЧ

Статические картины тепловых полей металлоизделия шарообразной формы во

время и после нагрева ТВЧ

Изотерма

Линия

Различие

О- г-у - Контр 563

0плг

□¡ЭЬ = 1.6

Рисунок В.1 - Нагрев мелющего шара (0=80 мм) на промышленном индукторе ВЧГЗ-160/0.066 (РЦПО ОАО «НЛМК», г. Липецк)

Круг

М* 892 Ч-. 200 Изотерма

А е № 833

Огня

= 1.6

Рисунок В Л - Нагрев шарика подшипника качения (Э=27 мм) на промышленном индукторе ВЧГЗ-160/0.066 (РЦПО ОАО «НЛМК», г. Липецк)

Экспертное заключение ВНИИТВЧ им. В.П. Вологдина (г. Санкт-Петербург) инновационный проект по теме диссертационной работы

-..... Федеральное Государственное Унитарное Предприятие

«Всероссийский научно-исследовательский

f 1Л институт токов высокой частоты

VJ7 им. В.П. Вологдина»

Россия, 194362,Санкт-Петербург, н/о Парголопо, Шуиалинскин парк

тел. [phone], факс [phone]

www.viiiilvch.rii 8а1ся(ал'1Ш1\'с11.П1

Исх. № от «06» 09 20 11 г.

Проректору по научной работе Липецкого государственного технического университета Володину И. М. г. Липецк

Уважаемый Игорь Михайлович!

Направляем Вам экспертное заключение по инновационному проекту «СОЗДАНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ СИММЕТРИЧНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ПОД ЗАКАЛКУ ИЗДЕЛИЙ ШАРООБРАЗНОЙ ФОРМЫ», автор проекта С.С. Титов (Липецкий государственный технический университет).

С уважением,

Зам. генерального директора по научной работе

Исполнитель: Научно-технический комплекс 1 (НТК1)

тел. [phone], тел./факс [phone], e-mail: [e-mail]

В. И. Червинский

Федеральное Государственное Унитарное Предприятие

«Всероссийский научно-исследовательский институт токов высокой час готы им. В.П. Вологдина»

Россия, 194362,Санкт-Петербург, и/о Парголоио, Шуиаловскнн парк тел. [phone], факс [phone]

www.vniitvcli.ru 8а1е5(<7;\'1П itvcli.ru

Экспертное заключение но инновационному проекту «СОЗДАНИИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ СИММЕТРИЧНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ПОД ЗАКАЛКУ ИЗДЕЛИЙ ШАРООБРАЗНОЙ ФОРМЫ», автор проекта С,С. Титов (Лииецкий.государственнын технический университет).

В проекте приводится сравнительный анализ двух вариантов конфигурации пространственных спиралей индукторов и транспортных желобов и трех вариантов их поперечного сечения. Приводятся исследовании влияния электромагнитного поля индуктора на движение шаров.

Технические решения в проекте защищены гремя патентами РФ па изобретения.

Проект представляет несомненный интерес для специалистов, исследующих и применяющих на практике машины и механизмы, загрузочные системы со сложной траекторией движения заготовок в индукционных нагревателях. Проделанное автором проекта исследование отражает результаты большой и сложной работы.

Считаю, что по теме заявленного инновационного проекта можно рекомендовать опубликование статьи, в частности, она будет интересна чикнелям журнала «Индукционный нагрев». Уровень новизны технических решений в преде шнленном на экспертизу инновационном проекте оцениваю как весьма высокий.

Экспертное заключение УкрГНТЦ «Энергосталь» (г. Харьков, Украина) на работу «Индукционный осесимметричный нагрев шаров под закалку» по теме диссертации

пержавне агентство ухраьи 5 управп1ння де ржл8иини к0рп0рати8нима правами та майном

югшмгсшпикакт

шншргаотАгш

УКРАТНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ТЕХН1ЧНИЙ ЦЕНТР «ЕНЕРГОСТАЛЬ»

г

ш

Гвлростал.. у*рМКИ¥»т

государственное агентство украины по управлению государственными корпоративными правами и имуществом

ЕЕЕТ*

шншргаотАль

УКРАИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР «ЭНЕРГОСТАЛЬ»

Код ЕГРПОУ 31632138 К гр. Ленина, 9, г, Харьюе, 61166, Уграина Я «380(57)702 17 31; Тах »380(57)702 17 32 е-таИ спсгдоз!л'5епогдсйз1 огд.из

Экспертное заключение на работу Тнтопа С.С. «Индукционный осесиммстрнчныП нагрев шаров под закалку», результаты которой были доложены 27-28 марта 2012 г. в УкрГНТЦ «Энергоеталь» (г.Харьков, Украина) на 1-й Межотраслевой научно-практпчсской конференции молодых ученых н специалистов в области проектирования предприятий горнометаллургического комплекса, энерго- и ресурсосбережения, защиты окружающей природной среды «ИННОВАЦИОННЫЕ ПУТИ МОДЕРНИЗАЦИИ БАЗОВЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, ЭНЕРГО- II РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ, ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ»

В работе отражены результаты объемного исследования в области индукционного осесимметричного нагрева шаров под закалку. Даная проблематика особо актуальна для ряда отраслей промышленности, использующих металлические шары в тяжелых условиях эксплуатации (машиностроение, горио-обогапггельное производство, строительная отрасль и др.).

Результаты исследований представляют несомненный интерес для специалистов промышленных предприятий, занимающихся термической обработкой металлоизделий шарообразной формы токами высокой частоты.

Проделанное автором исследование отражает результат большой и сложной работы, результаты которой вполне могут рассматриваться в качестве составной части диссертационного исследования на соискание ученой степени кандидата наук*.

Уровень новизны технических решений в представленной работе оцениваю, как весьма высокий, что подтверждается наличием у автора 3-х патентов Российской Федерации на изобретения.^

Зам. генерального директора по НТР^

канд. техн. наук .С. Рудюк

6 О

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по научной работе

ФГБОУ ВПО

«Липецкий государственный

АКТ

внедрения результатов научно-исследовательской работы в учебный процесс

Комиссия ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет» в составе: декана ФАИ ЛГТУ, д.т.н., доцента П.В. Сараева, заведующего кафедрой Электропривода, д.т.н., профессора В.Н. Мещерякова, учёного секретаря кафедры Электропривода, к.т.н., доцента Д.И. Шишлина, соискателя С.С. Титова составила настоящий акт о нижеследующем.

1. Научно-исследовательские разработки, выполненные Титовым Сергеем Сергеевичем, в виде математической модели электротехнического комплекса «автономный резонансный инвертор - индуктор - движущийся шар» и построенной системы управления инвертором комплекса рекомендованы к использованию в учебном процессе ФГБОУ ВПО «ЛГТУ» при выполнении лабораторных и практических работ с применением ЭВМ.

2. Разработана и собрана установка индукционного нагрева для проведения лабораторных работ по исследованию процессов автоматизированного нагрева металлоизделий шарообразной формы в различных технологических режимах.

Указанные результаты исследований рекомендованы к включению в учебный курс «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов».

Учёный секретарь каф. Электропривода, к.т.н., доцент

Декан ФАИ ЛГТУ, д.т.н., доцент

Зав. каф. Электропривода, д.т.н., профессор

Соискатель