Введение к работе
Актуальность проблемы: индукционный нагрев, одними из первых основателей и исследователей которого были известные ученые Вологдин В.П., Бабат Г.И., Лозинский М.Г., Родигин Н.М., Слу-хоцкий А.Е. и другие, получил широкое применение в промышленности и научных исследованиях, и сфера его применения постоянно расширяется . При этом в последнее время развитие метода происходит не в направлении увеличения мощности для традиционных технологий, а в направлении новых технологий. В этих областях-применения возникают новые проблемы, которые требуют настоятельного решения. Среди них - экологические проблемы, связанные с использованием индукционного метода нагрева.
Прежде всего это вибрации и шум от мощных нагревателей, работающих на промышленной или повышенной частоте, а также внешние электромагнитные поля, создаваемые нагревателями на рабочих местах. Эти проблемы могут сдерживать развитие индукционного нагрева, применение которого, как правило, позволяет экономить первичное сырье и энергию, уменьшить брак, число дополнительных операций и отрицательные воздействия технологических процессов на окружающую среду.
Особенно большие проблемы с вибрациями и шумом возникают при работе мощных индукционных нагревателей слябов, листовых или ленточных материалов
Одним из перспективных направлений развития техники индукционного нагрева является применение систем с многофазным питанием. Они позволяют получить новые технологические возможности при нагреве, снизить вибрации и шум, обеспечить управляемую гидродинамическую обстановку в индукционных печах .
Несмотря на ряд преимуществ такие установки не получили широкого применения из-за сложности и недостаточной изученности происходящих в них процессов, ограниченного выбора источников питания и т.п. Как правило, разработчики оборудования сталкиваются с псблемами неравномерности нагрева, переноса мощности из одной фазы в другую и более низким по сравнению с однофазными установками КПД В результате многофазные индукционные системы получили распространение для целей перемешивания и транспортировки жидкого иетал#3 и сравнительно
редко применяются для нагрева.
Диссертационная работа посвящена моделированию и исследованию электромагнитных процессов в многофазных индукционных нагревателях цилиндрических и плоских тел. Актуальность ее обусловлена необходимостью совершенствования конструкции и режимов работы многофазных нагревателей с целью выяснения их технологических возможностей, повышения КПД коэффициента мощности, равномерности нагрева и производительности. Она подтверждается также возросшим в последнее время числом публикаций по расчету многофазных систем, организацией международных программ по их исследованию. Данная диссертационная работа является частью исследований многофазных систем, выполнявшихся, начиная с 1992 года, кафедрой охраны труда Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета (СПГЭТУ) совместно с Падуанским университетом (Италия) по договору о научном сотрудничестве.
Цель работы, определение технологических характеристик многофазных индукционных систем, разработка методов и программ расчета электромагнитных процессов в многофазных индукционных нагревателях, получение качественных и количественных зависимостей основных электромагнитных параметров от конструкции и режимов работы нагревателей, подготовка рекомендаций по их проектированию.
Методы исследования:
Исследование электромагнитных процессов в многофазных нагревателях проводится с использованием математического моделирования, основанного на теории индукционного нагрева, методах математической физики и вычислительной математики, а также физического моделирования для проверки результатов расчетов.
При математическом моделировании использовались как аналитические методы, так и цифровые (метод интегральных уравнений, метод конечных элементов).
Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем;
- разработаны аналитические методы и программы расчета электромагнитных процессов в многофазных нагревателях в одномерном и двумерном приближениях;
получены качественные описания и количественные оценки влияния режимов питания и конструктивного исполнения нагревателей на его интегральные параметры и распределение мощности в нагреваемом теле;
исследованы распределения постоянных и переменных электромагнитных сил в системе;
получены описания краевых эффектов обмоток, нагреваемого тела и магнитопровода для многофазных систем, в том числе с бегущим магнитным полем;
изучены методы пространственного управления распределением мощности в нагреваемом теле.
Практическая ценность работы;
разработаны модели и программы расчета электромагнитных процессов при индукционном нагреве плоских тел в бегущем магнитном поле, ориентированные на использование в практике проектирования многофазных индукционных установок;
получены зависимости энергетических характеристик многофазного нагревателя от параметров нагреваемого тела и конструкции всей системы;
предложены новые конструкции устройств и способы управления распределением мощности в плоском нагреваемом теле;
получены рекомендации. по практическому применению и проектированию многофазных индукционных систем.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на двух научно-технических конференциях СПГЭТУ (1993, 1994 гг.), на международных конференциях в Нот-тингаме (1994 г.) и Ильменау (1992 г.),'на семинаре в Падуанском университете (1993 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы две печатные статьи.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 82 наименования, и 2 приложений. Основная часть работы изложена на 139 страницах машинного текста. Работа содержит 65 рисунков и 4 таблицы.