Система индукционного нагрева трубных заготовок и формирование эффективных режимов ее работы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Петров, Александр Юрьевич

• Петров, Александр Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Петров, Александр Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ТРУБНОЙ ЗАГОТОВКИ.

1.1. Характеристики установок для индукционного нагрева трубных заготовок в технологических линиях производства бесшовных труб.

1.1.1. Технологический процесс изготовления бесшовных труб.

1.1.2. Статистический и спектральный анализ продольного распределения температуры нагрева трубных заготовок.

1.1.3. Передаточная функция по температуре нагрева системы «индуктор -быстродвижущаяся труба - генератор».

1.2. Особенности конструкций и режимов работы нагревателя.

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА НА ОСНОВЕ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ.

2.1. Модели электромагнитных процессов (электромагнитные модели).

2.1.1. Модель на основе Т-образной схемы замещения (классическая).

2.1.2. Модель на основе ^-//-четырехполюсников.

2.1.3. Модель на основе детализированных схем замещения.

2*2. Модель тепловых процессов (тепловая модель).

2.2.1. Тепловая модель многослойной неподвижной трубы.

2.2.2. Тепловая модель двухслойной неподвижной трубы.

2.2.3. Тепловая модель двухслойной движущейся трубы.

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ НАГРЕВА ТРУБЫ.

3.1. Распределение электромагнитных величин по длине и толщине стенки трубы.

3.1.1. Исследование магнитной трубы.

3.1.2. Исследование немагнитной трубы (сталь выше точки Кюри).

3.2. Моделирование нагрева неподвижной трубы.

3.3. Моделирование нагрева движущейся двухслойной трубы.

3.4. Исследование нагрева при изменении температуры трубы на входе первого индуктора и мощностей индукторов (в двухиндукторной системе).

3.5. Передаточные функции системы «индуктор - труба».

3.6. К оценке возможностей регулирования температуры трубы с помощью короткого индуктора.

3.7. К оценке влияния исполнения обмотки индуктора.

4. СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВОМ ТРУБНЫХ ЗАГОТОВОК В ИНДУКЦИОННОЙ ПРОХОДНОЙ ПЕЧИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ.

4.1. Принципы построения систем электропитания и выбор типа полупроводникового преобразователя частоты для ИПП.

4.2. Анализ электромагнитных процессов АИР с ДВТ.

4.3. Расчет характеристик АИР с ДВТ при работе на нагрузочный колебательный контур

4.4. Принципы построения системы управления АИР с ДВТ и алгоритмов ее работы.

4.4.1. Система управления АИР с ДВТ с независимым управлением.

4.4.2. Система управления АИР с ДВТ с самовозбуждением.

4.5. Моделирование динамических процессов нагрева трубных заготовок в системе «ТПЧ -индуктор - быстродвижущаяся труба» в среде Simulink.

4.6. Промышленное внедрение системы индукционного нагрева трубных заготовок и реализация принципов эффективного управления их нагревом.

4.6.1. Разработка тиристорного преобразователя частоты 1000 кВт, 2,4 кГц на основе АИР с ДВТ.

4.6.2. Компьютерная информационно-управляющая система управления нагревом.

4.6.3. Алгоритмы работы САРТ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система индукционного нагрева трубных заготовок и формирование эффективных режимов ее работы»

Актуальность работы. В настоящее время в металлургической промышленности широкое применение находят высокоинтенсивные системы индукционного нагрева движущихся с высокой скоростью длинномерных трубных заготовок. Эти системы чаще всего состоят из нескольких последовательно расположенных индукторов, внутри которых перемещается заготовка, а также высокочастотных полупроводниковых источников питания. Автоматическое управление мощностью индукторов в зонах нагрева и термостатирования должно обеспечивать достижение заготовкой заданной температуры даже при существенной неравномерности температур на входе в линию нагрева. С учетом сказанного, проблема создания эффективной системы индукционного электронагрева трубных заготовок, а также связанная с этим задача разработки средств математического моделирования динамических режимов ее работы, являются безусловно актуальными.

Цель работы состоит в разработке элементов высокоинтенсивной системы индукционного нагрева трубных заготовок и формировании эффективных режимов ее работы.

Достижение данной цели предполагает решение следующих задач:

- анализ характеристик установок для индукционного нагрева трубных заготовок в технологических линиях производства бесшовных труб;

- создание математической модели и компьютерной методики исследования динамических режимов работы системы электронагрева трубной заготовки;

- разработка полупроводникового источника питания индукторов;

- формирование эффективных режимов работы системы электронагрева за счет регулирования мощности индукторов.

Методы исследования. Исследование электромагнитных и тепловых процессов в элементах системы индукционного нагрева трубной заготовки проводилось методами теории цепей на основе детализированных электрических, магнитных и тепловых схем замещения с использованием методов теории поля. Корректность полученных результатов проверялась исследованиями промышленной системы электронагрева, а также путем моделирования некоторых режимов работы установок с использованием лицензионного пакета Elcut.

Научная новизна работы состоит в создании математической модели для исследования электрических, магнитных и тепловых процессов системы «полупроводниковый преобразователь - индуктор - движущаяся труба» с учетом совместной работы преобразователя и нагревателя, влияния продольного краевого и толщинного эффектов в последнем, дискретности распределения МДС индуктора по длине, а также различной степени перекрытия индуктора вторичным элементом. Модель построена на основе детализированных электрических, магнитных и тепловых схем замещения, что позволило в рамках теории цепей сохранить преемственность с классическими методами анализа, но вложить в нее возможность учета указанной специфики процессов в таких системах. Предложены передаточные функции и структурные схемы системы нагрева и ее элементов, а также способы и устройства ее управления.

Практическую ценность работы составляют:

- исследование характеристик и передаточных функций промышленной системы индукционного нагрева трубных заготовок в технологии производства бесшовных труб, результаты спектрального анализа распределения температуры вдоль трубной заготовки и рекомендации по выбору длины индуктора и типа источника питания;

- методика расчета электромагнитных и тепловых характеристик индукционного нагревателя трубной заготовки с совместным учетом различного перекрытия индуктора вторичным элементом, толщинного и продольного краевого эффектов, дискретного распределения МДС по пазам индуктора, неравномерности распределения магнитной проницаемости по слоям загрузки;

- рекомендации по формированию режима термостатирования при неравномерно нагретой заготовке на входе в линию электронагрева;

- рекомендации по построению полупроводниковых преобразователей, питающих индукторы;

- методические материалы для проведения лабораторной работы по исследованию индукционных нагревателей студентами специальностей «Электротехнологические установки и системы» и «Электрические и электронные аппараты».

Реализация результатов работы. Модернизирована линия индукционного нагрева трубных заготовок перед редукционным станом трубопрокатного цеха Синарского трубного завода.

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на Съезде литейщиков, 26-27.05.2005, Новосибирск.; Международной научно-технической конференции по электронагреву HES - 04, Padua (Italy), 2004; Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы индукционного нагрева АР1Н-05», 25.05.05-26.05.05, Санкт-Петербург; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Актуальные проблемы ресурсо- и энергосберегающих электротехнологий АПЭЭТ-06», 19.04.06-21.04.06, Екатеринбург; 11-й Международной научно-технической конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты МКЭЭЭ-2006 (ICEEE-2006)», 18.09.0623.09.06, Крым, Алушта; 12-й Международной Плесской научно-технической конференция по магнитным жидкостям, Иваново, 2006; Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электротехнологии» (XIII Бенардосовские чтения). Иваново, 2006.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, получено 6 авторских свидетельств и патентов на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (82 наименования), пяти приложений. Объем работы включает в себя 145 страниц основного текста, 11 таблиц и 85 рисунков, 11 страниц списка литературы, 49 страниц приложения.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Петров, Александр Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ по результатам внедрения тнристорных преобразователей частоты ТПЧП-1000-2.4 и системы управления нагревом при модернизации установки нагрева труб Ш 13-9000-2,4 цеха Т-3 Сцпарского трубного завода

В 2005 году введен и -эксплуатацию энергетический комплект оборудования для питания iMH высокой частоты индукторов шестого блока установки нагрева труб ИНЗ-9000-2.4, разра-iHifbin н изготовленный Российской олсктротех пологической компанией (г. Екатеринбург), тема электропитания индукторов построена на основе тиристориых преобразователей час-ТПЧП-1000-2,4 с повышенным питающим напряжением (0,57 кВ) и выходным напряжением 1000 В. Управление преобразователями частоты и процессом нагрева труб осуществляется ьтипроцессорион цифровой системой управления и компьютерной информационно-являющей системой. С учетом специфики исполнения индукторов для нагрева быстропереме-эщнхея трубных заготовок, в которых отсутствует тепло- п электроизолирующая зашита, с |>ю гальванической развязки силовой части па выходе преобразователей частоты установлены мсующне высокочастотные трансформаторы. Это позволило значительно повысить надеж-ть работы преобразователей частоты при возможных касаниях трубы витков индуктора. В ходе коналадочных работ решены вопросы коммутационной устойчивости работы преобразователя готы иа резкоперсменпую нагрузку через согласующим высокочастотный трансформатор, от-отапы алгоритмы управления преобразователями частоты, создано программное обеспече-, позволяющее осуществить точное управление процессом ллгреил труб н решить проблем) мвннвания распределения температуры подлине грубы.

С внедрением преобразователей частоты возросла максимальная мощность до 1000 кМт виваемая на одном индукторе и существенно сократились потерн -электроэнергии, что гюзволя i перспективе при установке тирис горных преобразователей частоты на всех блоках установи аукционного нагрева трубных заготовок значительно повысит!, ее производительность и качест проката труб. начальника цеха по оборудованию '2&/ICES ~ С.В.Трапезников

ISO 9001

Ctrl -0010451:

ISO 14001

C ert -0010452:

OHSAS 18001

Ctrl -0010433: A тГш

97/ЗДЕС ADJ0C0

TIIV RM Inland

API

Cert Л> SL 0330 3D 0050 3CT 0427

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Петров, Александр Юрьевич, 2007 год

1. Шамов А.Н., Бодажков В.А. Проектирование и эксплуатация высокочастотных установок. Л.: Машиностроение, 1974. 220 с.

2. Закс Л. Статистическое оценивание. М.: Статистика. 1976, 597 с.

3. Дженкис Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир. Т1. 1971,316с.

4. Дженкис Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир. Т2. 1971,287 с.

5. Гитгарц Д.А., Иоффе Ю.С. Новые источники питания и автоматика индукционных установок для нагрева и плавки. М.: Энергия. 1972. 101 с.

6. Кручинин A.M., Махмудов К.М., Миронов Ю.М., Рубцов В.П., Свенчан-ский А.Д. Автоматическое управление электротермическими установками. М.: Энергоатомиздат. 1990. 416 с.

7. Система индукционного нагрева длинномерных заготовок / Лузгин В.И., Черных И.В., Сарапулов Ф.Н., Петров А.Ю. APIH-0.5, 25.05.05-26.05.05. Санкт-Петербург. С. 252-258.

8. Егоров К.В. Основы теории автоматического регулирования. М.: Энергия. 1967, 648 с.

9. Богданов В.Н., Рыскин С.Е. Применение сквозного индукционного нагрева в промышленности. М.-Л.: Машиностроение, 1965. 96 с.

10. Свенчанский А.Д. Электрические промышленные печи: Учебник для вузов: в 2 ч. Ч. 1. Электрические печи сопротивления. М.: Энергия, 1975. 384 с.

11. Теплопередача: Учеб. Пособие для студентов вузов / Под ред. B.C. Чередниченко. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 200 с.

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

13. Кувалдин А.Б. Теория индукционного и диэлектрического нагрева. М.: Изд-во МЭИ, 1999. 80 с.

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

15. Установки индукционного нагрева / А.Е. Слухоцкий, B.C. Немков, Н.А. Павлов, А.В. Бамунэр. Л.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1981.

16. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева.-Л.: Энергоатомиздат, 1988.

17. Влияние конструкции и режимов работы индукционных нагревателей на их энергетические показатели // B.C. Немков, В.Б. Демидович, В.И. Руднев и др. Электротехника, 1986, №3. С. 23-25.

18. Демидович В.Б. Теория, исследование и разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности. Автореферат дисс.докт. техн. наук. С-Петербург, 2002.

19. Моделирование периодического нагрева цилиндрических изделий в индукторе с магнитопроводами / В.А. Бакунин, В.Б. Демидович, В.Е. Казьмин, B.C. Изв. АН СССР. Сер. Энергет. и трансп. М., 1986, №4. с.76-81.

20. Захаров И.В. Теория индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности. Павлодар: ТОО НПФ «ЭКО», 2005. 294 с.

21. Галунин С.А. Моделирование, исследование и оптимальное проектирование индукционных нагревателей ленты в поперечном магнитном поле. Ав-тореф. дисс. .канд. техн. наук. С-Петербург, 2003. 16 с.

22. Математические модели линейных индукционных машин, 2-е изд. / Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, П. Шымчак. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2005. 443 с.

23. Электротехнологическая виртуальная лаборатория: Учебное пособие / Ф.Н. Сарапулов, С.Ф. Сарапулов, Д.Н. Томашевский и др. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003. 233 с.

24. Dual-output induction power melting system using double frequency magnetic field. V.I. Luzgin, F.N. Sarapulov, A. Yu. Petrov u.a. Proceedings of HES 04, Padua (Italy), 2004. P. 79-85.

25. Система регулирования температуры установки индукционного нагрева длинномерных заготовок / Ф.Н. Сарапулов, В.Э. Фризен, Петров А.Ю.,

26. B.А. Прахт. Труды 6-й научно-практической конференции с международным участием «Проблемы и достижения в промышленной энергетике». Екатеринбург: Уральские выставки, 2006. С. 109-112.

27. Формирование эффективных режимов работы индукционной тигельной печи с графитовым тиглем / В.И. Лузгин, А.Ю. Петров, Ф.Н. Сарапулов,

28. C.Ф. Сарапулов. Особенности обработки и применения изделий из тяжелых цветных металлов. Материалы Международной научно-практической конференции. Екатеринбург: УрО РАН, 2006 г. С. 84-94.

29. Кинев Е.С.Индукционные установки сквозного нагрева цилиндрической загрузки в продольном магнитном поле. Автореферат.соиск. к.т.н. Красо-ярск, 2006.22 с.

30. Сарапулов Ф.Н. Расчет мощностей и электромагнитных сил в установках индукционного нагрева: Учебное пособие. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 1998.89 с.

31. Туровский Я. Электромагнитные расчеты элементов электрических машин / Пер. с польск. М.: Энергоатомиздат, 1986. 200 с.

32. Патанкар С.В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах: Пер. с англ. Е.В. Калабина; под ред. Г.Г. Янькова. М.: Издательство МЭИ, 2003.

33. Самарский А.А., Вабищев П.Н. Вычислительная теплопередача. М.: Еди-ториал УРСС, 2003.

34. Сильвестр П., Феррари Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков. Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

35. Monzel С., Henneberger G. Temperature solver for highly nonlinear ferromagnetic materials for thin moving sheets in transversal flux induction heating. IEEE Transaction on Magtetic, vol. 38, № 2, 2002.

36. Enokizono M, Todaka T, Nishimura S. Finite element analysis of high-frequency induction heating problems considering inhomogeneous flow of exciting currents. IEEE Transaction on Magtetic, vol. 35, № 3, 1999.

37. Бахвалов H.C., Жидков Н.П., Кобельников Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987.

38. Бутковский А.Г., Малый С.А., Андреев Ю.Н. Управление нагревом металла. М.: Металлургия, 1981.

39. Васильев А.С. Статические преобразователи частоты для индукционного нагрева. М.: Энергия, 1974. 176 е.: ил.

40. Артым А.Д. Ключевые генераторы гармонических колебаний. Л.: Энергия. 1973.200 е.: ил.

41. Бальян Р.Х., Сивере М.А. Тириеторные генераторы и инверторы. JI: Энер-гоиздат, 1982.- 223 е.: ил.

42. Тириеторные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок / Е.И. Беркович др. JL: Энергоатомиздат, 1983.- 208 с.

43. Бедфорд Б., Хорт Р. Теория автономных инверторов. Перевод с англ. М.: Энергия. 1969.-278 с.

44. М. Ruhende Frequenzum former in der Energietechnik / M. Depenbrock. ETZ-A. 1962. Bd 83. № 27, S 868-876.

45. Донской A.B., Кулик В.Д. Теория и схемы тиристорных инверторов повышенной частоты с широтным регулированием напряжения. JL: Энергия. 1980.- 160 с.

46. Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии / О.Г. Булатов, А.И. Царенко, В.Д. Поляков. М.: Энергоиздат, 1989.- 200 с.

47. Кацнельсон С.М. Эффективность использования тиристоров в автономных инверторах повышенной частоты // Электричество. 1968. №12. С.54-57.

48. Дзлиев С.В. Теория, исследования и разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности. Автореферат диссертации докт. Техн. Наук. С-Петербург, 2003.- 61 с.

49. Исследование усовершенствованного последовательного инвертора с диодами встречно-параллельного включения / В.В. Шипицын, В.И. Лузгин, Новиков А.А. и др. // Преобразовательная техника: межвузовский сборник научных трудов. Новосибирск, 1980. С. 135-141.

50. Исследование широкодиапазонного последовательного инвертора при работе на колебательный контур с переменными параметрами / В.В. Шипицын, В.И. Лузгин и др. // Электротехническая промышленность. Серия: Электротермия. 1980, Вып. 9. С. 2-4.

51. К расчету параметров преобразователей частоты для питания установок индукционного нагрева / Лузгин В.И., Петров А.Ю. Томашевский Д.Н., Абрамов С.Е. Сборник трудов ПГТЦ «Электрические машины и электромашинные системы». Пермь: ПГТУ. 2005, С. 74-80

52. Деч Г. Руководство по практическому применению преобразовавния Лапласа и преобразования Фурье. М.: Наука, 1971. 88 с.

53. А.с. № 1453552 (СССР). Устройство для пуска последовательного инвертора с выходным фильтром / В.В. Шипицын, В.И. Лузгин, А.Ю. Петров и др. № 4239686 заявл. 04.05.87: опубл. В Б.И. 1989. № 3.

54. А.с. № 1721758 (СССР). Способ управления автономным инвертором, нагруженным на резонансную нагрузку / В.В. Шипицын, В.И. Лузгин, А.Ю. Петров, Н.Н. Четверня, И.В. Новопашин. № 4632873 заявл. 06.01.89: опубл. В Б.И. 1992. № 11.

55. А.с. № 1721758 (СССР). Способ управления тиристорным преобразователем частоты / В.В. Чижевский, А.А. Новиков, А.Ю. Петров, В.И. Лузгин. №3964661 -заявл. 16.10.85: опубл. В Б.И. 1987. №33.

56. А.С. № 1568114 (СССР). Устройство для управления тиристорным преобразователем частоты со звеном постоянного тока / В.В. Шипицын, А.Ю. Петров, В.И. Лузгин, В.Н. Молоков, А.В. Косов. № 4389986 заявл. 10.03.88: опубл. В Б.И. 1990. № 20.

57. Многоинверторные сред нечастотные преобразователи в системах электропитания индукционных установок // В.И. Лузгин, А.Ю. Петров, В.В. Шипицын К.В. Якушев // Электротехника. 2002. № 9. С. 57-63.

58. Анализ характеристик инвертора со встречно-параллельными вентилями и параллельной компенсацией реактивной мощности нагрузки / А.Е Слухоц-кий, В.В. Царевский. Электричество. 1970. № 12.

59. Патент РФ № 2231906. Автономный полумостовой инвертор и способ управления работой автономного полумостового инвертора / В.И. Лузгин,

60. А.Ю. Петров, И.В. Черных, В.В. Шипицын, К.В. Якушев, №2002125838 -заявл. 27.09.2002: опубл. В Б.И. 2004, № 18.

61. Васильев А.С. Источники питания электротермических установок / А.С. Васильев, С.Г. Гуревич, Ю.С. Иоффе.- М.: Энергоатомиздат, 1985. 248 е.: ил.

62. Патент РФ № 2231905. Устройство для индукционного нагрева и способ управления устройством для индукционного нагрева / В.И. Лузгин, А.Ю. Петров, И.В. Черных, В.В. Шипицын, К.В. Якушев, № 2002125710 заявл. 26.09.2002: опубл. в Б.И. 2004, № 18.

63. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН. 2000. 654 с.

64. Современные энергосберегающие технологии: Учебное пособие для вузов / Ю.И. Блинов. А.С. Васильев, А.Н. Никоноров и др. СПб: Изд-во СПб ТЭТУ «ЛЭТИ», 2000. -564 с.

65. Экстремальное регулирование тиристорного преобразователя частоты с помощью микроконтроллера / В.В. Шипицын, А.Ю. Петров, В.И. Лузгин,

66. A.К. Сабитов. Силовая полупроводниковая техника и ее применение в народном хозяйстве. Труды Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Новосибирск, 1989. С. 36-37.

67. Экстремальное управление тиристорными преобразователями частоты /

68. B.И. Лузгин, А.Ю. Петров, А.К. Сабитов. Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями. Тезисы докладов VIII научно-технической конференции. Свердловск, 1989. С. 41-43.

69. Толстов Ю.Г. Автономные инверторы тока. М.: Энергия, 1979. 209 с.

70. Двухчастотные системы электропитания для индукционных установок закалки, термообработки и плавки металлов / В.И. Лузгин, А.Ю. Петров, И.В. Черных, В.В. Шипицын, К.В. Якушев. Труды VII Симпозиума «Электротехника 2010», Том IV, Москва, 2003. С. 188-193.