УДК: [621.313.13: 621.311.54]:628.12

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЁТ ИНДУКЦИОННЫХ УСТРОЙСТВ
ДЛЯ СКВОЗНОГО НАГРЕВА ИЗДЕЛИЙ В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ ELCUT

,

Россия, г. Орёл, ФГБОУ ВО «ОГУ имени »

В статье приведены результаты исследования влияния изменения различных параметров системы «индуктор-загрузка» на естественный коэффициент мощности cosц устройств для сквозного нагрева металлических изделий в программной среде ELCUT.

Ключевые слова: индукционный сквозной нагрев, программный продукт ELCUT.

Индукционный сквозной нагрев широко применяется в машиностроительной отрасли для нагрева до заданной температуры различных заготовок под пластическую деформацию.

Из практики эксплуатации индукционных устройств известно, что они имеют низкий естественный коэффициент мощности cos ц. Поэтому, актуальной является задача дальнейшего исследования таких систем и разработка технических мероприятий, направленных на повышение данного показателя. Для этой цели применяются устройства компенсации реактивной мощности. В индукционных установках в качестве компенсирующих устройств, обычно, используются батареи статических конденсаторов. Однако, применение конденсаторных батарей это не единственный способ повышения cos ц. Например, использование магнитопровода уменьшает реактивное сопротивление системы и повышает её естественный коэффициент мощности.

Цель выполненного математического моделирования – исследование зависимости естественного коэффициента мощности cos ц индуктора от длины загрузки Lзагр, величины воздушного зазора δз и количества фаз индуктора. На рисунке 1 изображён эскиз системы «индуктор – цилиндрическая загрузка» для нагрева алюминиевых заготовок.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Рисунок 1 – Эскиз системы «индуктор – цилиндрическая загрузка»:

1 – индуктор; 2 – теплоизоляция; 3 – воздушный зазор; 4 –алюминиевая заготовка.

Для решения этой задачи разработана математическая модель с использованием метода конечных элементов в программной среде ELCUT [1,2]. На рисунке 2 представлен участок расчётной области в программе ELCUT. Сетка дискретизации задаётся неравномерной, то есть устанавливается меньший шаг дискретизации по краям индуктора и загрузки, так как это позволит производить расчёты с большей точностью. Варьируя исходными данными, математическая модель позволяет определять основные параметры индуктора.

Эксперимент проводился для тока индуктора Iи = 8000 А частотой 50 Гц.

На рисунке 3 представлена зависимость естественного cos ц индуктора от отношения длины загрузки Lзагр к длине индуктора Lинд при величине воздушного зазора δз = 5 мм. Как видно из графика при увеличении длины загрузки растёт естественный cos ц индуктора. Однако, уже при Lзагр/Lинд = 1,05 практически прекращается рост cos ц, а при дальнейшем росте Lзагр/Lинд начинает падать к. п.д. При длине загрузки больше длины индуктора нагрев выступающей части заготовки идёт только за счёт теплопроводности, а также увеличивается теплоизлучающая площадь поверхности, что снижает к. п.д. индуктора.

На рисунке 4 представлена зависимость естественного cos ц индуктора от величины отношения воздушного зазора δз к глубине проникновения тока в металл Д при Lзагр/Lинд = 0,917. С увеличением размера воздушного зазора естественный cos ц индуктора начинает стремительно падать. При величине воздушного зазора равном глубине проникновения тока в металл (на частоте 50 Гц для алюминия Д ≈ 12 мм ), когда дз/Д = 1 естественный cos ц падает в среднем на 25 % от предельного.

На рисунке 5 представлена зависимость естественного cos ц индуктора в однофазном и трёхфазном исполнении от Lзагр/Lинд при величине воздушного зазора δз = 5 мм. Применение индуктора в трёхфазном исполнении позволяет увеличить cos ц на 6,5 % по сравнению с однофазным исполнением.

По результатам исследований процесса индукционного сквозного нагрева алюминиевой загрузки были получены следующие зависимости:

1. Оптимальное отношение длины загрузки к длине индуктора Lзагр/ Lинд при котором естественный коэффициент мощности cosц индуктора изменяется не более чем на 3% от предельного лежит в пределах от 0,9 до 1,05.

2. В случае, когда длина загрузки больше длины индуктора наблюдаются нежелательные явления, приводящие к уменьшению к. п.д. индуктора: часть загрузки, находящаяся вне индуктора, нагревается не вихревыми током, а лишь за счёт теплопроводности; увеличивается теплоизлучающая площадь поверхности, а следовательно, возрастают и непроизводительные потери.

3. С увеличением воздушного зазора возрастает индуктивность рассеяния, обусловленная наличием магнитного потока в воздушном зазоре между индуктором и загрузкой, следовательно, коэффициент мощности снижается. При величине воздушного зазора дз равном глубине проникновения тока в металл Д, когда дз/Д = 1 естественный cos ц индуктора падает на 25 % от предельного.

4. Применение индуктора в трёхфазном исполнении позволяет не только увеличить cos ц на 6,5 % по сравнению с однофазным исполнением, но и обеспечить равномерность распределения нагрузки на питающую сеть.

Список литературы

1. Elcut. Моделирование двумерных полей методом конечных элементов. Руководство пользователя [Текст] / Спб.: Производственный кооператив ТОР, 2010. – 345 с.

2. Дубицкий, С. Д. ELCUT. Универсальная программа расчета магнитных, электрических, тепловых и упругих полей методом конечных элементов // Горный информационно – аналитический бюллетень - №12 / том 12 – 2007.

,  д-р техн. наук, профессор, академик АЭН РФ, заведующий кафедрой  «Электрооборудование и энергосбережение» ФГБОУ ВО «ОГУ имени ». 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, ; e-mail: *****@***ru

– студент гр. 41 – ЭО ФГБОУ ВО «ОГУ имени »; адрес: Россия, 302020 ; e-mail: *****@***ru.

__________________________________________________________________________

INVESTIGATION AND CALCULATION OF INDUCTION MASS HEATING DEVICES IN THE ELCUT PROGRAM ENVIRONMENT


Kachanov A. N., Mironov E. А.

Russia, Oryol, FGBOU VO «OSU named by I. S. Turgenev»

The article presents the results of the investigation of the influence of changing various parameters of the "inductor-load" system for the natural power factor cos ц of the inductor in the ELCUT program environment.

Keywords: induction mass heating, ELCUT software.

Bibliography

1. ELCUT. Simulation of two-dimensional fields by the finite element method. User's Guide [Тekst] / Saint-Petersburg: Production cooperative ТОР, 2010. - 345 с.

2. Dubitsky, S. D. ELCUT. Universal program for calculating magnetic, electric, thermal and elastic fields by the finite element method // Mining Information Analytical Bulletin - №12 / volume 12 - 2007.

Kachanov Alexander Nikolaevich – doctor of technical sciences, professor, head of department "Electrical and energy saving" FGBOU VO «OSU name by I. S. Turgenev». 302020, Oryol, Naugorskoe shosse, 29,

Tel.: 8-(4862)-41-98-53; e-mail: *****@***ru

Mironov Evgeniy Andreevich – student gr. 41 – EO, FGBOU VO «OSU name by I. S. Turgenev».

302020, Oryol, Naugorskoe shosse, 29; e-mail: *****@***ru.