авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Астрологический Прогноз на год: карьера, финансы, личная жизнь


Развитие теории, разработка методов и средств повышения эффективности индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности

УДК 621.365.5.001.76

На правах рукописи

ЗАХАРОВ ИГОРЬ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ Развитие теории, разработка методов и средств повышения эффективности индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности Специальность 05.09.10 – Электротехнология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Республика Казахстан Алматы, 2007

Работа выполнена в Павлодарском государственном университете имени С. Торайгырова.

Научный – доктор технических наук, консультант профессор Утегулов Б.Б.

Официальные – доктор технических наук, оппоненты: профессор Демидович В.Б.

– доктор технических наук, профессор Ламонов И.М.

– доктор технических наук, профессор Долбилин Е.В.

Ведущая – Уральский государственный технический организация университет г. Екатеринбург.

Защита состоится 31 мая 2007 г. в 15.00 часов в аудитории А-318 на заседании диссертационного совета Д 14.02.04 при НАО «Алматинский институт энергетики и связи» по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Байтурсынова, 126.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НАО «Алматинский институт энергетики и связи».

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 050013, г. Алматы, ул. Байтурсынова, 126, НАО «Алматинский институт энергетики и связи», ученому секретарю диссертационного совета. Факс: (3272)925057, тел. 927311.

Автореферат разослан “” апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Манапова Г.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из важных положений экономического и социального развития Республики Казахстан является интенсификация народного хозяйства на базе внедрения высокоэффективных технологических процессов и оборудования.

Развитие ведущих отраслей промышленности таких, как металлургическая, машиностроительная, нефтехимическая, строительная и др., неразрывно связано с возрастающим применением электротермических установок, в частности установок для индукционного нагрева металла. При этом существует тенденция к увеличению мощности отдельных установок до десятков мегаватт.

Индукционные нагревательные установки обладают рядом общеизвестных преимуществ: высокая скорость и равномерность нагрева, отсутствие контакта между нагревателем и загрузкой, высокий электрический и тепловой КПД, легкость механизации и обслуживания, простота управления процессом нагрева, возможность его полной автоматизации. Кроме того, внедрение индукционных нагревательных установок в энергоемкие отрасли промышленности связано с растущей долей электрической энергии среди всех видов энергии, и тем самым, повышением роли электротермии в стратегии энергетического выбора.

Анализируя перспективы развития современных индукционных нагревательных установок в Казахстане, можно прогнозировать значительное увеличение потребности в них, связанное необходимостью модернизации и создания нового технологического оборудования с улучшенными технико-экономическими показателями.

Это неизбежно ведет как к росту потребности, так и к дальнейшему совершенствованию индукционных нагревательных установок, соответствующих уровню ХХI века.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению крупной прикладной научной проблемы в области электротехнологии, состоящее в разработке теоретических основ расчета и проектирования многослойных индукционных нагревателей с самокомпенсацией реактивной мощности.

Актуальность данной проблемы связана с тем, что индукционные нагревательные установки, наряду с достаточно высоким коэффициентом полезного действия, имеют еще один основной энергетический показатель – естественный Cos – крайне низкого значения (0,1 0,3). Применение для повышения Cos средств искусственной компенсации (конденсаторных батарей) ведет к значительным материально-техническим затратам: высокая стоимость конденсаторной батареи, большие производственные площади для ее размещения, достаточно высокая доля потерь активной мощности в конденсаторной батарее и элементах соединяющих ее и индуктор и т.д.

Компенсация реактивной мощности в промышленности является важной народно-хозяйственной задачей. Повышение Cos всего на 1 % снижает потери электрической энергии в сетях на 1 млрд. кВтч/год. На юбилейной 36 сессии Международной конференции по большим электрическим системам (СИГРЭ, Париж) одной из основных тенденций современного этапа развития электроэнергетики в мире было определено «…все более широкое применение в электроэнергетике…средств компенсации реактивной мощности».

Использование для целей индукционного нагрева металла индукторов с самокомпенсацией (ИС) реактивной мощности, составляющих новую группу нагревательных индукторов, разработанных впервые, имеющих в режиме нагрева Cos весьма близкий к единице, позволяет отказаться в своей работе от средств искусственной компенсации (конденсаторных батарей) и получить значительную экономию материально-технических ресурсов.

Из этого следует, что разработка и использование индукторов, способных самостоятельно компенсировать собственную реактивную мощность является весьма актуальной.

Связь темы диссертации с государственными программами и с планом работы университета.

Работа выполнялась в соответствии с научной программой по фундаментальным исследованиям Фонда науки Министерства образования и науки Республики Казахстан “Разработка физико-химических основ наукоемких технологий комплексного, рационального и экологически безопасного освоения забалансовых и потерянных руд и техногенных месторождений” в рамках научно-исследовательского проекта Института горного дела имени Д.А.Кунаева № 4-1-4,2-1(28)-IV “Развитие теории, разработка способов и микропроцессорных средств повышения уровня электробезопасности горных предприятий” и научной целевой комплексной программой Павлодарского государственного университета имени С. Торайгырова по проблеме повышения эффективности систем электроснабжения энергетических, промышленных и горных предприятий.



Цель работы состоит в получении новых научно обоснованных результатов, использование которых обеспечивает решение важной прикладной проблемы в области электротермии, состоящее в разработке теоретических основ расчета и проектирования многослойных индукционных нагревателей с самокомпенсацией реактивной мощности на основе многосвязных математических моделей;

новых научно обоснованных теоретических и экспериментальных результатов, совокупность которых имеет большое значение для развития теории ИС;

в теоретическом обобщении, исследовании и выявлении закономерностей поведения основных электрических и энергетических характеристик ИС;

в разработке метода оптимизации конструкции ИС.

Идея работы заключается в создании индукционных нагревательных устройств, основанных на использовании принципа самокомпенсации реактивной мощности, не требующих для компенсации реактивной мощности средств искусственной компенсации – конденсаторных батарей;

создании основ теории индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы вычислительной математики, теории электрических цепей с распределенными параметрами, теории компенсации реактивной мощности, компьютерного моделирования (программы вида MathCAD, Electronics Workbench). Разработанные математические модели базировались на методах математического анализа решения систем линейных дифференциальных уравнений, в частности методе Гаусса с выбором главного элемента для комплексных коэффициентов, методе конечных разностей и их комбинациях.

Основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

– комбинированный метод численного расчета электрических и энергетических параметров индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности;

– метод оптимизации конструкции ИС по минимуму потерь активной мощности и минимуму расхода цветного металла;

– основные теоретические закономерности резонансных режимов индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности в широком диапазоне влияющих факторов, в том числе с учетом влияния на резонансный режим нагреваемой загрузки;

– способ достижения резонансного режима ИС, повышающий эффективность работы индуктора в области промышленной частоты источника питания;

– конструктивные и схемные варианты ИС, позволившие значительно снизить массогабаритные показатели обмотки индуктора и повысить его удельную энергоемкость.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: отбором значимых процессов;

принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений;

обоснованностью исходных посылок, вытекающих из фундаментальных законов естественных наук и основ теории электрических цепей с распределенными параметрами;

перекрестными расчетами с использованием различных моделей;

удовлетворительным совпадением качественных характеристик результатов теоретических исследований с результатами математического моделирования и экспериментов, выполненных на макетных, полупромышленных и промышленных объектах.

Научная новизна работы состоит в следующих положениях:

– реализован комбинированный метод численного расчета электрических и энергетических параметров индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности, заключающийся в комбинации методов дифференциально интегрального исчисления для расчета параметров ИС и методе индуктивно связанных элементов;

– разработан метод оптимизации конструкции ИС по минимуму потерь активной мощности и минимуму расхода цветного металла, математический аппарат, позволяющий производить расчет конфигурации токоведущих проводников ИС исходя из указанных функций цели;

– установлены основные теоретические закономерности резонансных режимов индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности в широком диапазоне влияющих факторов, в том числе с учетом влияния на резонансный режим нагреваемой загрузки;

– разработан способ достижения резонансного режима индуктора, повышающего эффективность его работы в области промышленной частоты источника питания, состоящего в рациональном использовании электрического режима разомкнутых концов обмотки индуктора;

– разработан способ повышения удельной энергоемкости индуктора с самокомпенсацией, основанный на использовании новых высокоэффективных технологических материалов.

Практическое значение работы заключается в следующем.

Разработанный инструментарий позволяет комплексно определить физические, электроэнергетические и технологические параметры ИС и связать их внутренние и внешние параметры, решить задачи теоретического анализа и проектирования ИС.

Разработано прикладное программное обеспечение, которое позволяет производить проектирование индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности в широком диапазоне варьирования электрических, электрофизических и геометрических параметров системы «индуктор-загрузка». Разработанные модели вошли в практику исследования, проектирования и оптимизации конструкции ИС, что позволило уменьшить объем экспериментальных исследований, сократить сроки и повысить качество проектирования.

На основе проведенных исследований сделаны обобщения и рекомендации по проектированию ИС, связанные с учетом влияния загрузки на резонансный режим ИС, оптимизацией конструкции ИС по минимуму потерь активной мощности, оптимальным выбором толщины диэлектрического материала по отношению к ионизационной напряженности конструкции ИС и т.д.

Реализация выводов и результатов работы. Результаты работы использованы при: модернизации установки для сушки пиломатериалов хвойных и мягколиственных пород на ЗАО «Экспериментальный завод ДСП» г. Сергиев Посад Московской области;

разработке индукционной нагревательной установки для сквозного нагрева длинномерного стального проката перед резкой на ножницах на ПО «Павлодарский тракторный завод им. В.И.Ленина».

Разработанные цифровые модели в виде алгоритмов и программ, написанные в среде Borland DELPHI 6 и 7 используются для научно-исследовательских целей, а также внедрены в теоретический, лабораторный и практический курсы дисциплины «Электротехнологические установки», а также в специальные разделы курсового и дипломного проектирования для студентов специальности «Электроэнергетика» Павлодарского государственного университета имени С. Торайгырова.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на Международной научной конференции «Проблемы энергетики Казахстана» (Павлодар, 1994 г.);

III Всероссийской научно технической конференции с международным участием «Энергетика: Управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (Благовещенск, 2003 г.);

II Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Тобольск, 2004 г.);

Международной научно технической конференции «Электроэнергия и будущее цивилизации» (Томск, 2004 г.);

IV Международной научно-технической конференции «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях» (Алматы, 2004 г.);

VI Международной научно-практической конференции «Проблемы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств» (Барнаул, 2004 г.);

научно-практической конференции с международным участием «Проблемы и достижения в промышленной энергетике» (Екатеринбург, 2004 г., 2005 г., 2006 г.);

I Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение» (Усть-Каменогорск, 2005 г.);

IX Международной конференции «Research in Electrotechnology and Appled Informatics» (Польша, Катовице-Краков, 2005 г.);

VIII Международном симпозиуме «Technomat & Infotel» (Болгария, Бургас, 2006 г.);

IV Международном научном коллоквиуме «Modelling for Material Processing» (Латвия, Рига, 2006 г.);

научной конференции Московского энергетического института секции «Экономия энергетических, трудовых и материальных ресурсов в промышленности и на транспорте» (Москва, 1985 г.);

областных научных, научно технических и научно-практических конференциях (Павлодар, 1985 г., 1987 г., 1988 г., 1993 г., 2003 г., 2004 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы научные работы, в том числе 6 авторских свидетельств и патентов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, основных выводов и заключения, изложенных на 281 странице машинописного текста, содержит 24 таблицы, 189 иллюстраций, списка использованных источников из наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и идея исследований. Представлена научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Указаны методы исследований и сформулированы научные положения, выносимые на защиту. Отражен уровень апробации и объем публикаций по теме диссертации.

В первом разделе произведен анализ современного состояния индукционных нагревательных установок и исследований, направленных на решение задач повышения эффективности их работы.

Проведен анализ факторов (электрических, геометрических, конструктивных), влияющих на реактивную мощность системы «индуктор-загрузка» (рисунок 1).

Показано их недостаточно эффективное воздействие на указанный параметр.

Использование традиционного способа компенсации реактивной мощности – применение конденсаторных батарей – имеет ряд существенных недостатков:

высокая стоимость (до трети общей стоимости установки), особенно у установок большой единичной мощности;

значительные массогабаритные показатели конденсаторной батареи, приводящие к необходимости выделять для ее размещения значительные производственные площади;

большие потери активной энергии в токопроводах, соединяющих конденсаторную батарею и индуктор;

достаточно высокая чувствительность конденсаторов к качеству напряжения и аварийным замыканиям питающей сети.

Проведенный анализ показал, что решить задачу значительного снижения реактивной мощности, потребляемой индуктором для индукционного нагрева из сети, повышения его коэффициента мощности, позволит использование в индукционной установке индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности (ИС).

Принцип самокомпенсации нашел широкое применение в технике при создании различных электротехнических устройств и конструкций. В работах Н.Ф. Ракушева, В.А. Веникова, Ю.Н. Астахова и Г.Е. Поспелова рассматриваются вопросы создания самокомпенсированных воздушных и кабельных линий электропередач, в том числе криогенных. Индуктивно-емкостные преобразователи «индуконы» с использованием указанного принципа, как источники питания электротехнических и электротехнологических установок, предложили применять И.В. Волков и С.И. Закревский.

Компенсация индуктивности ротора и улучшение эксплуатационных характеристик асинхронных машин за счет использования в них емкостных стержней, описана А.В. Нетушилом и П.В. Ермуратским. В источниках питания люминесцентных ламп принцип самокомпенсации предложил использовать R. Reeves.

Впервые на возможность использования данного принципа в конструкции индукторов для индукционного нагрева указал Г.И. Бабат.

Применительно к индукторам для индукционного нагрева принцип самокомпенсации состоит в использовании для компенсации индуктивности обмотки индуктора его межвитковых емкостей. Индуктор с самокомпенсацией выполнен (рисунок 2, один виток) двумя параллельными проводниками, изолированными друг от друга слоем диэлектрика. Источник питания подключается к началу проводника и концу проводника 2. Конец проводника 1 и начало проводника 2 остаются разомкнутыми.

Рисунок 2 – Эскиз индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности (один виток) Подобное подключение осуществляется для того, чтобы токи в проводниках имели согласное направление и магнитные поля, создаваемые этими токами суммировались. При этом индуктор представляет собой линию, в которой наряду с собственной и взаимной индуктивностью проводников существует значительная емкость между ними. Для того чтобы индуктор работал в резонансном режиме с чисто активным входным сопротивлением, необходимо добиться равенства индуктивного и емкостного сопротивлений индуктора (резонанс напряжений).

Подобный режим достигается подбором электрофизических параметров индуктора при фиксированном значении рабочей частоты источника питания.

Во втором разделе представлена разработанная методика расчета резонансного режима многослойного ИС, приведены результаты исследования работы индуктора в режиме резонанса при учете большого количества влияющих факторов:

электрических (частоты источника питания f, напряжения U источника питания);

электрофизических (удельного электрического сопротивления материала индуктора 1 и загрузки 2, относительной магнитной проницаемостью материала загрузки µ, относительной диэлектрической проницаемостью диэлектрика ) и геометрических (высоты h и толщины индуктирующего проводника обмотки b, толщины диэлектрика, внутреннего диаметра индуктора D1, внешнего диаметра загрузки D2, числа витков обмотки W), а также неравномерности распределения плотности тока по длине проводников обмотки и вносимых индуктивного X2 и активного R2 сопротивлений загрузки.

Исследования показали, что влияние удельного сопротивления проводника обмотки индуктора на число витков W ИС незначительно. При переходе с медного проводника на алюминиевый снижение W не превышает 10 %, а при увеличении частоты до 10 кГц и диэлектрической проницаемости до 105 материал обмотки практически не оказывает влияние на абсолютное число витков индуктора.





Показано, что в гораздо большей зависимости от материала обмотки индуктора находится расход цветного металла G. Сравнение медного и алюминиевого индуктора при одинаковых прочих влияющих факторах показало, что для первого индуктора расход проводникового материала больше в 2,4 2,5 раза. Причем эта пропорция сохраняется во всем рассматриваемом диапазоне изменения частоты, диэлектрической проницаемости, толщины диэлектрика и внутреннего диаметра индуктора.

Существенное влияние на ИС оказывает относительная диэлектрическая проницаемость, которое выражается в снижении числа витков и особенно расхода цветного металла при увеличении (рисунок 3). Это связано с увеличением интегрального значения емкости, создаваемой между разноименными проводниками, которое прямо пропорционально, при той же площади поперечного сечения витка и расстоянии между проводниками (толщине диэлектрика ).

W f = 10 кГц 50 f = 5 кГц f = 2,5 кГц f = 1 кГц Рисунок 3 – Зависимость 5 50 числа витков1000 10000W 50000 индуктора от относительной диэлектрической проницаемости при H = 0,1 м,  = 1,6710-8 Ом,  = 50 мкм, Dвн = 0,15 м В результате на первом же витке емкостное сопротивление меньше, а, следовательно, его равенство реактивному сопротивлению будет достигнуто при меньшем числе витков, что определяет меньшую длину самокомпенсации обмотки в этом случае. На расход цветного металла влияет посредством изменения W, т.к. G зависит от W2.

Так, при увеличении с 5 до 50 число витков снижается на 40 45 %, расход цветного металла уменьшается более чем в 2 раза, а увеличение с 5 до приводит к снижению W в 8 35 раз в зависимости от частоты, G в 20 55 раз (меньшие значения соответствуют 50 Гц, большие – 10000 Гц).

С увеличением частоты влияние относительной диэлектрической проницаемости на число витков обмотки индуктора возрастает в 4 раза при переходе с 50 Гц на Гц как для индукторов с обмоткой из медного проводника, так и из алюминиевого.

При увеличении толщины диэлектрика с 50 до 500 мкм число витков возрастает в 1,8 раз при низкой частоте и в 3,3 раза при частоте 10000 Гц независимо от проводникового материала (рисунок 4). При этом расход цветного металла увеличивается в 3 4 раза.

Увеличение внутреннего диаметра индуктора Dвн от 0,05 до 0,25 м влияет довольно незначительно на число витков: уменьшение от 1,06 раза на частоте 50 Гц до 3,4 раза на 10000 Гц. Расход цветного металла практически не зависит от Dвн.

Колебания расхода проводникового материала составляют ± (2 4 %) и имеют немонотонный характер изменения.

Исследования, проведенные для ИС с обмоткой, охлаждаемой до уровня температуры 77 20 К, показали, что при изменении частоты от 50 Гц до 10 кГц число витков уменьшается в диапазоне от 15 до 30 раз на уровне охлаждения 77 К и от 30 до 60 раз на уровне охлаждения 20 К (при увеличении от 5 до 104). Причем при переходе материала обмотки индуктора с меди на алюминий степень изменения числа витков снижается на 1,5 2,0 %.

W f = 10 кГц f = 5 кГц f = 2,5 кГц f = 1 кГц, мкм 25 50 100 250 Рисунок 4 – Зависимость числа витков индуктора W от толщины диэлектрика при H = 0,1 м,  = 1,6710-8 Ом,  = 10, Dвн = 0,15 м Было показано, что абсолютное увеличение диэлектрика от 5 до 105 приводит к снижению числа витков обмотки индуктора от 10 раз при низких частотах (50 Гц) до 34 раз (f = 1000 Гц). Дальнейшее повышение частоты не ведет к серьезному повышению их роста, а в области частот 5 10 кГц отмечено его снижение. Наиболее резкое изменение числа витков независимо от способа охлаждения и металла проводника происходит в диапазоне от 5 до 500 (снижение в 3 и более раза), особенно на частоте 50 Гц. Дальнейшее увеличение не приводит к существенному уменьшению числа витков.

Влияние металла проводника на число витков обмотки индуктора при охлаждении до уровня температур 77 К сказывается незначительно. Уменьшение W для алюминиевого проводника составляет около 3 %. При охлаждении до уровня температур 20 К это уменьшение составляет порядка 15 %. При этом как в первом, так и во втором случае увеличение от 5 до 105 и частоты источника питания от 50 до 10000 Гц сводит эту разницу к нулю.

Так, при увеличении от 25 до 500 мкм W увеличивается в диапазоне от 1,7 до 3,4 раза при охлаждении до уровня температур 77 К независимо от материала токоведущих проводников обмотки. При охлаждении до уровня температур 20 К диапазон изменения числа витков шире – от 1,5 до 3,8 раза для алюминиевых обмоток и от 1,3 до 3,8 раза для медных обмоток.

Увеличение Dвн от 0,05 до 0,25 м при изменении частоты источника питания от 50 Гц до 10 кГц приводит к увеличению числа витков от 1,13 до 3,3 раза по зависимости, близкой к линейной, при охлаждении до уровня температур 77 К как для медного индуктора, так и для алюминиевого.

В третьем разделе приведен математический аппарат, разработанный для расчета электрических и энергетических характеристик ИС.

Анализ схемы замещения ИС позволил отнести его к сложным планарным многозвенным цепям с распределенными параметрами (рисунок 5), поскольку как ток, так и напряжение на любом участке обмотки индуктора зависят от координаты х.

Дифференциальные уравнения в частных производных для определения названных параметров в любой точке k индуктора имеют вид:

uk ik im n = R k + Lk + M km ;

(1) x t t m= ik u (u k u m ) n n = G k U k + G km ( U k U m ) + C k k + C km. (2) x t m= 1 t m= Индекс k относится к рассматриваемому элементу индуктора, а индекс m – ко всем остальным.

В уравнениях (1) и (2) наряду с собственными параметрами индуктора на единицу длины Rk, Lk, Ck, Gk учитывается действие взаимной индуктивности Мkm, емкости Сkm и проводимости Gkm между парой проводников в витке и всеми остальными, а также загрузкой.

i R1 L1 i1 R2 L2 i2 R3 L3 i3 R4 L4 i 0 1 2 3 ip 0 id1 ip1 id 2 ip2 id 3 ip3 id4 ip G d G d2 G d G d G p0 G p1 G p2 G p3 G p С p С p0 С p2 С p С p С d1 С d С d2 С d L’ R’1 L’1 i’1 R’2 i’2 R’3 L’3 i’3 R’4 L’4 i’ 5 6 7 8 i i Рисунок 5 – Схема замещения индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности (четыре витка) В качестве метода расчета распределения тока в индукторе с самокомпенсацией реактивной мощности был применен классический метод электротехники, основанный на использовании законов Кирхгофа.

В общем виде уравнения, составленные по первому закону Кирхгофа, имеют вид:

k + 1 + p k + d k + 1 = 0 ;

I I I при k = I I k+ 1 p k = 0, I = 0;

I k I k+ 1 I p k Id k (3) при 0 k w k k + 1 + p k + d k + 1 = 0, I I I I k pk d k = 0.

I I I при k = w Полные сопротивления k-го элементарного участка первой и второй лент в комплексной форме определяются по формулам:

zk = R k + j XL k ;

(4) z k = R k + j X L k.

(5) Эквивалентные сопротивления k-ой поперечной и диагональной ветви в комплексной форме определяются из выражений:

X Cp k G p k X Cp k zp k = j ;

(6) X Cp k G 2 k + X Cp k G 2 k + p p X Cd k G d k X Cd k zd k = j. (7) 2 2 2 X Cd k G d k + 1 X Cd k G d k + В общем случае при k = 1 w уравнения, составленные по второму закону Кирхгофа, имеют вид:

W W j M z + z j M I k k I dk dk I p k 1 z p k 1 + p k,m + v k,m = 0 ;

Im Im m = 1, m k m= W W pk z pk + k z k + dk z dk + j M j M p k,m + v k,m = 0 ;

I I I Im Im (8) m = 1, m k m= W W W W W z + j M j M p m, k + z + v m,k = E.

I p0 p0 Ik k Ik Ik k= 1 k= 1 m = 1, m k k= 1 m= Система уравнений (3), (8) в матричной форме будет представлять собой произведение квадратной матрицы сопротивлений порядка ( 4 w + 2) ( 4 w + 2) с матрицей-столбцом токов в левой части равенства и матрицу-столбец ЭДС в правой части равенства.

Указанная система уравнений была решена методом Гаусса с выбором главного элемента в строке.

Результатом решения системы уравнений являются токи в первом и втором проводнике ИС, токи через диэлектрик и входной ток ИС.

Было показано, что в полностью скомпенсированной обмотке ИС распределение токов в проводниках изменяется по закону, весьма близкому линейному (рисунок 6).

Причем если в первом проводнике ток от максимального значения на входе снижается до нуля к периферии, то во втором проводнике он зеркальноотображенно нарастает от нуля на периферийном конце до максимального значения к вводному зажиму. При этом значение входного тока возрастает с понижением уровня охлаждения с 293 К до 20 К в 2 4 раза, с увеличением диэлектрика с 10 до 100 эта разница увеличивается до 6 раз.

На основании второго закона Кирхгофа уравнение напряжения на k-том элементарном участке первого проводника в комплексной форме с учетом влияния взаимной индукции остальных элементарных участков запишется как n n M d km m.

u k = (R k + j L k ) k + j M p km m + j I I I (9) m= 1 m= I * =1,930Ом 70- 2 =2,810Ом I 40 -8 * 1 I * 0W Рисунок 6 – Зависимость распределения токов по длине первого и второго проводников от числа витков W при f = 10 кГц,  = 3,  = 20 мкм На основании второго закона Кирхгофа уравнение напряжения на k-том элементарном участке второго проводника в комплексной форме с учетом влияния взаимной индукции остальных элементарных участков запишется как n n u k = (R k + j L k ) k + j M p + j M d km m.

I I I (10) km m m= 1 m= При учете результатов, полученных при исследовании распределения тока по длине проводников, можно записать выражения для тока в любом k-ом элементарном участке первого k и второго k проводника, как функции от длины проводника:

I I = l lk ;

Ik I (11) l = lk.

Ik I (12) l В общем виде для индуктора с любым числом витков обмотки w систему уравнений можно представить как м & k,k Ч & k & k,k + 1 Ч & k + 1 & k,k + w Ч & k+ w & k,k + w + 1 Ч & k + w + 1 = & k,k при k=1;

I п п п & Ч & & k,k 1 Ч & k 1 & k,k + 1 Ч & k + 1 & k,k + w Ч & k + w & k,k+ w + 1 Ч & k + w + 1 = 0 при 1kw;

п k,k k п п& & п k,k Ч k & k,k 1 Ч & k 1 & k,k + w Ч & k + w = 0 при k=w;

п.н (13) п & Ч & & k,k + 1 Ч & k + 1 & k,k w Ч & k w = & k,k при k=w+1;

I п k,k k п п п & k,k Ч & k & k,k 1 Ч & k 1 & k,k + 1 Ч & k + 1 & k,k w 1 Ч & k w 1 & k,k w Ч & k w = 0 при w+1k2·w;

п п по & k,k Ч & k & k,k 1 Ч & k 1 & k,k w 1 Ч & k w 1 & k,k w Ч & k w = 0 при k=2·w, где k, k – собственная проводимость k-ого узла;

k,m– взаимная проводимость узлов k и m.

При этом значения комплексного сопротивления k-ого элементарного участка z k первого и z k второго проводника соответственно:

l l l lm n n + j M d km m ;

z k = R k + j L k + j M p km (14) l l l k l lk m= 1 m= lm l l m l n n + j M d km z k = R k + j L k + j M p km.

(15) l k l k l m= 1 m= Собственные проводимости определяются: при k w 1 1 1 k,k = + + Gd k + Gp k ;

(16) R k + j X L k R k + 1 + j X L k + 1 j X Cd k j X Cp k 1 1 k,k = + Gd k + Gp k ;

при k = w (17) R k + j X L k j X Cd k j X Cp k 1 k,k = + R k w 1 + j X L k w 1 R k w + j X L k w при k = w + 1 (18) 1 + G d k w + G p k w 1.

j X Cd k w j X Cp k w Взаимные проводимости узлов вычисляются по формулам:

k,k + 1 = k + 1,k = при k w ;

(19) + j X L k+ R k+ k,k + 1 = k + 1,k = при w k 2·w ;

(20) R k w + j X L k w k,k + w + 1 = k + w + 1,k = G p k + при k w ;

(21) j X Cp k k,k + w = k + w,k = G d k + при k w. (22) j X Cd k Правая часть системы линейных уравнений, определяющая сумму токов источников токов, запишется в виде:

= E ;

I kk при k = 1 (23) R k + j XL k = E G.

I kk при k = w + 1 (24) p j X Cp Система уравнений (13) была решена методом Гаусса с выбором главного элемента в строке, который по сравнению с обычным методом Гаусса имеет значительное преимущество, состоящее в том, что на очередном шаге исключается не следующее по номеру неизвестное, а то неизвестное, коэффициент при котором является наибольшим по модулю. Таким образом, при использовании указанного метода система уравнений путем последовательного исключения неизвестных приводилась к системе с треугольной матрицей, из которой затем определялись значения неизвестных.

В системе линейных уравнений распределения напряжения узловые проводимости являются комплексными числами. Поэтому все операции над действительными числами были заменены операциями над комплексными числами.

Действительная и мнимая части комплексных проводимостей определяются как:

R j XL X 1 R j 2 L 2 ;

= =2 = (25) R + j XL R + X2 R + X2 R + XL L L 1 = = j. (26) j XC XC Результатом решения системы уравнений (13) являются значения потенциалов узлов схемы замещения индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности и, как следствие, напряжения между любыми узлами схемы. Это позволяет исследовать распределение потенциалов и напряжений по длине обмотки индуктора в широком диапазоне влияющих факторов.

Исследования, проведенные при использовании приведенного математического аппарата показали, что распределение потенциалов *1 и *2 по длине разноименных проводников обмотки ИС максимально близко линейному (рисунок 7). Причем в первом проводнике *1 возрастает от значения ЭДС на вводе до максимального значения к периферии. Во втором проводнике *2 снижается от максимального значения до нуля.

Некоторая нелинейность в распределении указанных величин отмечается во входной и периферийной частях разноименных проводников.

U*, * U*k U*v 60 * * W 0 50 100 150 Рисунок 7 – Зависимость распределения потенциалов и напряжений от числа витков W при f = 50 Гц,  = 2,810-8 Омм,  = 20,  = 50 мкм Характерным является то, что напряжение U* между разноименными проводниками практически неизменно на протяжении всей длины обмотки индуктора и приблизительно равно половине напряжения на разомкнутых концах проводников, т.е. U* 0,5U*k n.

Распределение напряжения между разноименными проводниками обмотки ИС от места подключения до разомкнутых концов U*k изменяется по закону весьма близкому к линейному. При этом U*k возрастает от значения ЭДС (U*k вх = 1) на вводе до максимального значения, определяемого уровнем перенапряжения на разомкнутых концах (U*k n = max).

Как видно из рисунка 8, U*k n для ИС с обмоткой, работающей при температуре T = 293 К, может достигать значений в десятки и сотни раз большее, чем U*k вх.

U*k 10000 = 1,93 10-11 Омм = 7,66 10-11 Ом м 6000 = 1,6710-8 Омм = 1,9410-9 Омм - 4000 = 2,810 Омм = 2,2410-9 Омм W 0 5 10 15 20 25 30 Рисунок 8 – Зависимость напряжения U*k от числа витков W С понижением уровня охлаждения до Т = 20 К U*k n возрастает в тысячи раз вследствие резкого снижения удельного электрического сопротивления металла обмотки и, как следствие, активного сопротивления ИС в целом. Так для обмотки с медными проводниками понижение уровня охлаждения с 293 К до 77 К и 20 К приводит к повышению напряжения U*k n в 2,8 и 7,4 раза, с алюминиевыми – в 3,5 и 8,2 раза соответственно. Разница в U*k n для обмоток с медными и алюминиевыми проводниками на температурном уровне 293 К составляет 25,3 %, на 77 К – 5,1 %, на 20 К – 17,1 %.

С целью расчета интегральных энергетических параметров ИС был разработан математический аппарат, позволяющий производить расчет потерь активной мощности в обмотке ИС с учетом как радиальной неравномерности распределения тока по сечению проводников, так и изменения тока по их длине.

Программа основана на методе индуктивно-связанных элементов, который состоит в том, что система “индуктор–загрузка” представляется в виде контуров с током (рисунок 9).

Нагреваемая загрузка заменяется цилиндрическим витком, радиальная толщина которого равна глубине проникновения электромагнитной волны в материал загрузки 2. Многослойный индуктор представляется в виде контуров с током, число которых равно количеству витков W обмотки. Для расчета распределения плотности тока по сечению витка все проводники и загрузка разбиваются на элементарные кольца в пределах которых плотность тока принимается постоянной. Таким образом, каждый виток представляет собой систему из n параллельно соединенных колец (слоев).

M21m M21k M1km 8 2 b D 7 D 1 – индуктор;

2 – загрузка;

3,5 – разноименные проводники обмотки индуктора;

4,6 – диэлектрик;

7 – элементы разбиения проводников индуктора;

8 – элемент разбиения загрузки Рисунок 9 – Эскиз системы «индуктор с самокомпенсацией – загрузка» с разбиением на элементарные кольца С учетом этого для данной системы справедливы следующие уравнения:

n i = сл k ;

I I (27) k= U сл k = U i, (28) где i – ток в i-ом витке;

I сл k I – ток в k-ом слое i-ого витка;

Ui – падение напряжения на i-ом витке;

– падение напряжения на k-ом слое i-ого витка.

U сл k Левая часть выражения (28) определяется по формуле n U сл k = (R сл k + j L сл k ) сл k + j M сл km сл m I I, (29) m= m k где R сл k – активное сопротивление k-ого слоя i-ого витка;

L сл k – собственная индуктивность k-ого слоя i-ого витка;

– взаимная индуктивность k-ого слоя i-ого витка, M сл km создаваемая с m-ым слоем i-ого витка;

I сл m – ток в m-ом слое i-ого витка.

Правая часть выражения (28) определяется по формуле w w U i = (R i + j L i ) i + j M p ij j + j M d ij j I I I. (30) j= 1 j= j i Составляем систему уравнений, в которой первым уравнением будет выражение (27), где ток в витке определяется как сумма токов в параллельно соединенных элементарных слоях, которыми условно заменяется виток. Следующие n-1 уравнение записываются в соответствие с выражением (28), где падение напряжения на каждом из параллельно соединенных слоев равно падению напряжения на всем витке. Таким образом, имеется n неизвестных токов в слоях витка и n уравнений, что является необходимым и достаточным условием для решения полученной системы уравнений.

n I i = сл k I k= U сл 1 = U i U сл 2 = U i. (31) U сл n = U i В матричной форме полученную систему уравнений для четырёх слоёв можно записать в следующем виде сл 1 i 1 1 1 1 I I j M сл 21 j M сл 23 j M сл 24 I сл z сл U = 2.

(32) j M сл 34 I сл 3 U j M сл 31 j M сл 32 z сл j M сл 41 j M сл 42 j M сл 43 z сл I сл 4 U Система уравнений (32) была решена методом Гаусса для комплексных чисел с выбором главного элемента в строке.

На основе предложенной методики в среде Borland Delphi 7 была создана программа C2Distrib для расчета распределения плотности тока по слоям витка в радиальном направлении, базирующаяся на программе CDistrib, в которой искомыми величинами являются токи в каждом витке обеих проводниковых лент. Используя полученные значения токов в витках в комплексном виде, программа C2Distrib рассчитывает неизвестные токи в элементарных кольцах каждого витках. Основная особенность программы C2Distrib состоит в том, что при расчете плотности тока по сечению разноименных проводников, учитывается изменение тока по длине проводниковой ленты, т.е. I = f(х).

В результате решения определяется распределение тока по сечению проводников обмотки ИС, напряжение на витках. Затем рассчитываются интегральные параметры:

потери активной мощности в обмотке ИС W I2 R k, (33) Р= k k= электрический коэффициент полезного действия R R =. (34) эл R С использованием описанного математического аппарата было получено семейство зависимостей ИС от большого числа влияющих факторов (частоты источника питания, материала ИС и загрузки, внутреннего диаметра ИС, толщины изолирующего диэлектрика, температурного уровня охлаждения обмотки ИС и т.д.).

Определены оптимальные диапазоны работы ИС по частоте источника питания, диаметру нагреваемой загрузки с учетом температурного уровня охлаждения его обмотки.

На рисунках 10, 11 и 12 представлены графические зависимости коэффициента полезного действия ИС от числа витков обмотки = f(W), внутреннего диаметра = f(d1вн) и частоты источника питания = f(f). При нагреве загрузки из меди, алюминия и стали относительно более высокий при прочих равных условиях имеет ИС, нагревающий загрузку из стали, что хорошо согласуется с общей теорией индукционного нагрева.

Рисунок 10 – Зависимость коэффициента полезного действия ИС от его числа витков W при Т = 293 К, обмотки из меди и загрузке из различного металла Для ИС с обмоткой, охлаждаемой на уровне температур 293 К и немагнитной загрузкой, независимо от вида металла индуктора, наиболее эффективным является нагрев заготовок диаметром 50 мм ± 10 мм во всем исследуемом диапазоне частоты источника питания за исключением 1 кГц. В целом достаточно эффективным можно также считать ИС из меди для нагрева заготовок диаметром от 50 до 130 мм при частоте источника питания от 5 до 10 кГц.

Рисунок 11 – Зависимость коэффициента полезного действия ИС от внутреннего диаметра индуктора d1вн для индуктора из меди при Т = 293 К, различной частоте f источника питания и медной загрузке Характер изменения от частоты источника питания для обмотки ИС с разной толщиной изолирующего диэлектрика сохраняется независимо от рода металла индуктора и нагреваемой загрузки. Наиболее эффективный уровень частоты источника питания – диапазон в 2,5 10 кГц для ферромагнитной загрузки. При этом для нагрева ферромагнитной загрузки лучшие показатели имеет обмотка ИС с диэлектриком толщиной в 100 мкм во всем диапазоне частот, за исключением частоты в 1 кГц, где диэлектрики толщиной 50 мкм и 100 мкм примерно равнозначны. При нагреве стальной загрузки в области частоты 2,5 кГц существует некоторый провал в зависимости = f (f), особенно заметный у ИС с обмоткой из алюминия.

Рисунок 12 – Зависимость коэффициента полезного действия ИС от частоты f источника питания для индуктора из алюминия при Т = 293 К, различной толщине диэлектрика и стальной загрузке В четвертом разделе приведено описание метода, позволяющего проводить оптимизацию обмотки ИС как по минимуму потерь активной мощности, так и минимуму расхода цветного металла.

Анализ схемы замещения ИС и проведенные расчеты (раздел 3) показали, что в отличие от индукторов традиционного исполнения, значение тока в разноименных индуктирующих проводниках его обмотки зависит от координаты x и снижается от максимального значения на входе до нуля к периферии по закону, близкому к линейному.

Исследования показали, что при одинаковом расходе проводникового материала (Gс = Gб), то есть при суммарной толщине разноименных проводников ИС, равной толщине проводников базового индуктора (2·bс = bб), потери в ИС больше на 33 % вследствие двухпроводникового исполнения обмотки индуктора.

В случае, когда толщина каждого из проводников ИС равна толщине проводника базового индуктора (bс = bб) потери в ИС на 33% меньше. Однако в этом случае мы имеем дело с расходом цветного металла, в два раза большим по сравнению с базовой конструкцией.

С целью оптимизации конструкции ИС по названным параметрам было предложено выполнять разноименные проводники его обмотки с переменным по длине сечением, повторяющим эпюру распределения тока в проводниках.

Анализ отношения потерь активной мощности в базовой конструкции Рб, в ИС с проводниками неизменного поперечного сечения Рс и в ИС с проводниками переменного поперечного сечения Рп (рисунок 13) показал, что при выполнении условия равенства расхода цветного металла в сравниваемых конструкциях потери в ИС с проводниками переменного по длине поперечного сечения на 25% меньше, чем в ИС с проводниками неизменного сечения и такие же, как в базовой конструкции.

x b b b-x l b-x b x а) l l б) в) 2(b-x) bст/ b-x b-x 2(b-x) bст/ l l г) д) а – профиль проводника базового индуктора;

б – профиль проводника индуктора с самокомпенсацией с исходным сечением;

в – профиль проводника индуктора с самокомпенсацией после снятия части (х) металла;

г – профиль проводника индуктора с самокомпенсацией после перераспределения части металла (при числе ступеней n  );

д – профиль проводника индуктора с самокомпенсацией после перераспределения части металла (при n = 2) Рисунок 13 – Эволюция профилей проводников индуктора Pс Pп Pп = 1,33;

= 0,75;

= 1,0. (35) Pб Pс Pб Для технически выполнимых проводников со ступенчато меняющимся по длине поперечным сечением (рисунок 14) получена универсальная формула для определения потерь активной мощности для каждой i-ой ступени проводника, выполненного с n-ступенчатым поперечным сечением lЧi I Ч 2 n Ч т (l x)2 dx = Pi = й цщ жn+ 1 lЧ(i 1) к bпр + bст Чз 2 i ч ъ Ч h Чl 2 n и шы л (36) n 1 + 6 (n i) I2 l i= =.

n + h 3 n b пр + b ст i 2 Полные потери активной мощности в проводнике со ступенчато меняющимся по длине поперечным сечением при количестве ступеней, равном n, выразятся формулой n Р пр = е Pi. (37) i= Рисунок 14 – Эскиз проводников ИС со ступенчато меняющимся по длине поперечным сечением После дифференцирования функции Р пр = f (bст ) и нахождения ее минимума получаем оптимальное значение аргумента функции b ст. При этом формула для определения оптимального значения толщины ступени n-ступенчатого проводника индуктора, которая соответствует минимуму потерь активной мощности в обмотке, имеет вид n n 1 + 3 (i 1) 1 + 6 (i 1) i= 1, (38) b ст = b пр i= 0,75 n (n 1) где bпр – исходная толщина проводника.

Значение исходной толщины проводника неизменного поперечного сечения связано со значениями толщины первого и второго проводников перераспределенного сечения в каждом i-м участке (на i-ой ступени) следующим соотношением b i пр1 + b i пр b пр = = const, (39) где bi пр1, bi пр2 – исходная толщина проводника.

Толщина i-го участка проводника определится формулой n+ b i = b пр + ( i) b ст. (40) При количестве ступеней у проводника n = 2 относительная разница потерь P составляет 16,9 %. Ассимптотная прямая лежит на уровне 25 %, который достигается функцией P = f(n) при n. Однако во многих практических случаях возможно ограничиться 1015 ступенями, так как Р10 = 24,48 % и Р15 = 24,75 % и дальнейшее увеличение n приводит к снижению потерь активной мощности в обмотке индуктора с самокомпенсацией лишь на 0,52 0,25 %, что не является критичным (рисунок 15).

Рисунок 15 – Зависимость относительной разницы потерь P в обмотке неизменного и переменного по длине сечения от числа ступеней n проводников обмотки индуктора Минимизации расхода цветного металла при условии одинакового уровня потерь активной мощности в сравниваемых конструкциях дает следующие соотношения:

при Рб = Рп2 и = 0, G п 2 = 2 b (1 ) h l = 1,108 b h l ;

(41) при Рс = Рп2 и = 0, G п 2 = 2 b (1 ) h l = 1,662 b h l, (42) т.е. расход проводникового металла в ИС с проводниками, выполненными по профилю рисунка 13 д (Gп2) на 10,8 % больше, чем в базовой конструкции Gб. При выполнении аналогичного условия, расход проводникового материала в ИС с проводниками неизменного сечения Gc на 33,3 % больше, чем в базовой конструкции. Таким образом, выполнение проводников обмотки ИС со ступенчато меняющимся поперечным сечением позволяет при условии равенства потерь активной мощности (Рб = Рп) снизить расход цветного металла на 22,5 % при числе ступеней n = 2 и на 33,3 % при числе ступеней n.

В случае исполнения проводников ИС по варианту рисунка 13 г, экономия металла достигает 16,9 % при числе ступеней n = 2 и 25 % при числе ступеней n.

В пятом разделе определены пути повышения удельной энергоемкости ИС, как одной из важных характеристик, определяющих эффективность работы конструкции, совмещающей функции нагревательного устройства и емкостного элемента.

Удельная запасаемая энергия в расчете на единицу объема индуктора wo, Дж/м3, определяется по формуле. (43) Из (43) следует, что наиболее эффективно удельную энергоемкость ИС можно увеличить путем использования полимерных пленок с высокими значениями относительной диэлектрической проницаемости и средней напряженности электрического поля Еп.

На рисунке 16 представлены рассчитанные зависимости wo = f(f) для ИС с пленкой ПВДФ (поливинилиденфторид, 25) и традиционной полимерной пленкой, например полистирольной ( 2,5) при трех температурных уровнях обмотки индуктора и Е = 100 МВ/м.

Показано, что наиболее существенно влияние частоты источника питания f на удельную энергоемкость индуктора w0 сказывается для ИС с пленкой из ПВДФ в диапазоне от 50 Гц до 1,01,2 кГц. Причем в большей степени это характерно для ИС с обмотками, охлаждаемыми до криогенных температур 7720 К. Так для ИС с обмоткой, охлаждаемой до температуры 20 К, возрастание wо в указанном диапазоне частот происходит в 2,4 раза, для уровня охлаждения 77 К – в 4 раза. Дальнейшее повышение частоты до 10 кГц приводит к возрастанию wо в 2,5 раза для уровня охлаждения 20 К и в 1,4 раза для 77 К. Однако абсолютные цифры возрастания wо говорят о наибольшей эффективности использования пленки ПВДФ в конструкции ИС, охлаждаемой до уровня температур 20 К. По сравнению с ИС, использующими традиционные полимерные пленки ( 2,5), аналогичные конструкции с ПВДФ дает при прочих равных условиях увеличение w0, пропорционально отношению ПВДФ/, в 4 10 раз.

Wо, Дж/м = 25;

Т = 20 К = 2,5;

Т = 20 К = 25;

Т = 77 К = 2,5;

Т = 77 К = 25;

Т = 273 К = 2,5;

Т = 273 К f, Гц Рисунок 16 – Зависимость удельной энергоемкости индуктора w от частоты источника питания f Кроме того, повышению wо способствует увеличение частоты источника питания и понижение уровня охлаждения обмотки ИС. В обоих этих случаях снижается глубина проникновения электромагнитной волны в проводниковый металл обмотки, что дает возможность применять в конструкции ИС ленточные проводники меньшей толщины. Это в свою очередь повышает долю диэлектрика в общем объеме конструкции индуктора, увеличивая коэффициент kо. Так, для ИС с f, большей Гц и охлаждением обмотки до уровня температур 20 К, коэффициент kо составляет от 50 до 80 %, что приводит к повышению wо.

Анализ и практика эксплуатации ИС показывают, что одной из основных причин нарушения целостности конструкции ИС является старение диэлектрика вследствие развития ионизации в остаточных газовых включениях, возникающей в большинстве случаев между индуктирующим проводником и диэлектриком вследствие дефекта намотки секции индуктора, воздействий перенапряжения, а также неправильной эксплуатации индуктора.

Таким образом, необходимо улучшать ионизационные свойства конструкции, в частности повышать ионизирующее напряжение до уровня, превышающего рабочее напряжение. При этом следует принимать во внимание то, что ионизационные явления, связанные с пробоем воздуха в остаточных газовых включениях, не должны проявляться при напряжениях ниже минимально возможного пробивного напряжения воздуха (амплитуда - 300 В).

Показано, что одним из способов воздействия на ионизирующее напряжение в ИС является изменение толщины диэлектрика в конструкции индуктора.

При этом ионизирующая напряженность индуктора определится как (44).

Из рисунка 17 видно, что толщина газового включения мало сказывается на характере зависимости, при этом для включения большей толщины кривая Е*= f(д) имеет больший наклон в области половинной толщины диэлектрика. Соответственно Е* индуктора имеет большие значения в этой области для включения большей толщины.

Рисунок 17 – Зависимость относительной ионизирующей напряженности Е* индуктора от относительной толщины диэлектрика д* Дальнейшее уменьшение толщины диэлектрика приводит к еще более резкому возрастанию Е* и при д 0, Е*.

Полимерные пленки полиэтилентерефталатной группы (ПЭТФ), для которых и проводился расчет, относятся к полярным диэлектрикам с высокой электрической прочностью Епр = 200 МВ/м. При этом максимум кривой Епр = f() для полимерных пленок лежит в области толщин в 30 40 мкм, Епр которых значительно больше рабочего напряжения индуктора.

Повысить Епр пленки ПТЭФ в конструкции ИС позволит запекание секции индуктора после ее намотки при температуре 120 140°С. После проведения запекания Епр возрастает до 250 кВ/мм. Кроме того запекание дает стабилизацию емкости ИС за счет вытеснения воздуха из зазоров между витками обмотки, улучшает влагостойкость секции индуктора за счет спекания витков пленки на ее торцах.

Другим способом повышения Епр и напряжения начала ионизации является пропитка намотанной секции индуктора при достаточно глубоком вакууме, позволяющем заменить воздушные включения в зазорах между слоями диэлектрической пленки и ленточных проводников жидким диэлектриком. Однако необходимо правильно подбирать состав пропитывающей жидкости с тем, чтобы не произошло ухудшения некоторых характеристик пленочного диэлектрика, например tg и не произошло растворения пленочного диэлектрика в массе пропитывающей среды. В качестве пропитывающей среды для полиэфирных пленок хорошо зарекомендовали себя полиизобутилен, полисилоксан.

При изготовлении секции ИС с использованием ПЭТФ пленки перед пропиткой эффективным является смазывание пленки мазеподобным составом, например полисилоксановым вазелином. Этим достигается не только и не столько повышение рабочего напряжения ИС, сколько получения секции индуктора с пониженным температурным коэффициентом емкости термокомпенсированного типа. В этом случае положительный температурный коэффициент пленки в сочетании с отрицательным температурным коэффициентом полисилоксана, заполняющего зазоры между слоями пленки и ленточного проводника, позволяют получить эффект термокомпенсации и обеспечить стабильность емкости ИС при колебании температуры. При использовании названного состава термокомпенсация осуществляется в диапазоне температур от 20°С до 80°С.

Рисунок 18 – Зависимость числа витков W и расхода цветного металла G индуктора от толщины диэлектрика при различной частоте источника питания f - для W;

- для G Изменение толщины диэлектрика довольно существенно сказывается на массогабаритных показателях индуктора. Как видно из зависимостей W = f() и G = f( ) (рисунок 18) уменьшение толщины диэлектрика от 100 мкм до 10 мкм снижает число витков обмотки ИС от 1,6 до 2,6 раза и расход цветного металла от 2,5 до 3 раз.

Большие значения соответствуют более высокой частоте источника питания.

При изменении кривые приведенных зависимостей с увеличением f имеют более пологий вид и при частотах 8000 Гц и 10000 Гц носят характер, близкий к линейному.

При снижении частоты источника питания указанные зависимости приобретают более крутой характер.

В шестом разделе приведены результаты экспериментальных исследований индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности.

На рисунке 19 представлена экспериментальная установка а) и индуктор б).

Нагревательный индуктор смонтирован из трех последовательно соединенных катушек, каждая из которых имела по 38 витков. Катушки изготовлены из алюминиевой фольги марки А99 толщиной 0,25 мм и шириной 80 мм. В качестве изоляции разноименных проводников использована политетрафторэтиленовая пленка толщиной 40 мкм. Высота индуктора h1 = 340 мм;

внутренний диаметр индуктора d1 = 200 мм.

Параметры нагреваемой заготовки: материал – сталь 45;

высота h2 = 400 мм;

внутренний диаметр d3 = 120 мм;

наружный диаметр d2 = 130 мм;

толщина стенки цилиндра 2 = 8 мм.

а) б) Рисунок 19 – Экспериментальная установка а) и индуктор б) Результаты экспериментов демонстрируют снижение электрического сопротивления индуктора при Т = 77,4 К по сравнению с сопротивлением при Т = 293 К в 4 5 раз. Вычисленные значения электрического КПД системы “индуктор-загрузка” при Т = 293 К и естественном воздушном охлаждении составляет 47,2 %, при Т = 293 К и охлаждении водой – 68,7 % (приведены усредненные значения по результатам измерений).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе содержатся новые научно обоснованные результаты, использование которых обеспечивает решение крупной научной проблемы в области электротермии, заключающейся по совокупности результатов в развитии теории и разработке индукционных нагревателей с самокомпенсацией реактивной мощности с использованием численных методов расчета и оптимизации.

На основании выполненных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований основные результаты, полученные автором, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Обобщенная теория ИС является органическим продолжением существующих методов и средств исследования энергетических процессов в индукционных объектах с распределенными параметрами.

Общая часть теории охватывает наиболее существенные закономерности, присущие электрическим системам, реализующим принцип самокомпенсации.

2. Дана классификация факторов, влияющих на реактивную мощность осесимметричной системы “индуктор-загрузка”. На основании анализа факторов и степени их влияния на указанный параметр выдвигается и обосновывается подход к решению задачи снижения реактивной мощности осесимметричной системы “индуктор-загрузка”. Этот подход заключается в использовании принципа самокомпенсации реактивной мощности в индукционных нагревательных установках с многослойным индуктором.

3. Найдены закономерности, определяющие эффективность работы индуктора в режиме резонанса при большом числе влияющих факторов. Установлены рациональные пределы их варьирования, позволившие разработать ИС с оптимальными энергетическими параметрами.

4. Реализован комбинированный метод численного расчета электрических и энергетических параметров индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности, заключающийся в комбинации методов дифференциально-интегрального исчисления для расчета параметров ИС и методе конечных элементов методе конечных элементов и индуктивно-связанных элементов, позволивший получить картину распределения основных электрических параметров системы “индуктор-загрузка”.

5. Разработан метод оптимизации конструкции ИС по минимуму потерь активной мощности и минимуму расхода цветного металла, заключающийся в формировании токонесущих проводников обмотки ИС по специальной конфигурации, реализующей указанные эффекты.

6. Разработан способ достижения резонансного режима ИС, повышающий эффективность работы индуктора в области промышленной частоты источника питания, состоящий в рациональном использовании электрического режима разомкнутых концов обмотки ИС.

7. Предложен ряд конструктивных и схемных вариантов ИС, реализовавших ряд прогрессивных идей в решении задач их оптимизации и повышения эффективности работы.

8. Разработаны индукционные нагреватели для низкотемпературного нагрева, использующие принцип самокомпенсации реактивной мощности. Результаты работы использованы при модернизации установки для сушки пиломатериалов хвойных и мягколиственных пород на ЗАО «Экспериментальный завод ДСП» г. Сергиев Посад Московской области.

Результаты диссертационной работы были использованы также при разработке индукционной нагревательной установки для сквозного нагрева длинномерного стального проката перед резкой на ножницах на ПО «Павлодарский тракторный завод им. В.И.Ленина».

9. Определены пути повышения удельной энергоемкости ИС, заключающиеся в использовании высокоэффективных диэлектрических материалов типа ПВДФ. Предложен ряд технологических мероприятий, позволяющих повысить электрические прочностные характеристики ИС, способствующие надежной работе индуктора в сильных электрических и магнитных полях.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, изложены в следующих опубликованных работах:

Монографии:

1 Захаров И.В. Теория индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности. – Павлодар: ТОО НПФ ЭКО, 2005. – 294 с.

2 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д. Резонансный режим индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности. – Павлодар: ЭКО, 2005. –139 с.

Учебное пособие:

3 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Волгина О.С., Ижикова А.Д. Специальные вопросы электротехнологии. – Павлодар: ТОО НПФ ЭКО, 2006. – 230 с.

Авторские свидетельства на изобретение и патенты:

4 А.С. 1457795. СССР. Устройство для индукционного нагрева. /К.С. Демирчян, М.М. Соколов, А.Б. Кувалдин, Г.Г. Гусев, Н.Ф. Андрюшин, И.В. Захаров;

опубл 16.05.88, Бюл. № 5. – 4 с: ил.

5 А.С. 1538287. СССР. Устройство для индукционного нагрева. /М.М. Соколов, А.Б. Кувалдин, Г.Г. Гусев, В.В. Лобанов, А.Л. Ефременко, И.А.Чертков, И.В. Захаров;

опубл 23.01.90, Бюл. № 3. – 4 с: ил.

6 А.С. 1658423. СССР. Устройство для индукционного нагрева /О.Г. Потапенко, И.В. Захаров, В.Ф. Хацевский;

опубл 23.06.91, Бюл. № 23. – 3 с: ил.

7 Пат. 9858 Казахстан. Многослойная обмотка индуктора /Кувалдин А.Б., Захаров И.В.;

опубл. 15.01.2001, Бюл. № 1. – 3 с: ил.

8 Пат. 15220 Казахстан. Индуктор для индукционного нагрева /Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д;

опубл. 15.12.2004, Бюл. № 12. – 5 с: ил.

9 Положительное решение на выдачу предварительного патента Республики Казахстан. Индуктор для индукционного нагрева. Номер регистрации № 2004/0284.1 /Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д. – 6 с: ил.

Статьи:

10 Андрюшин Н.Ф., Захаров И.В. Снижение реактивной мощности в индукционной ЭТУ //Энергосберегающие электротехнологические процессы и оборудование.: сб. науч. тр. Моск. энерг. инс-та, № 160. – М: МЭИ, 1988. – С. 61-65.

11 Потапенко О.Г., Захаров И.В., Захаров В.В. Исследование уровня перенапряжения в многослойном индукторе с самокомпенсацией //Наука и новая технология в развитии Павлодар Экибастузского региона: Материалы областной научно-технической конференции. – Алматы: ылым, 1993. – С. 26.

12 Кувалдин А.Б., Захаров И.В., Захаров В.В. Определение параметров электромагнитного поля в ферромагнитном полом цилиндре //Проблемы энергетики Казахстана: Материалы международной научной конференции. – Алматы: ылым, 1994. – С.

38-39.

13 Кувалдин А.Б., Андрюшин Н.Ф., Захаров И.В. Расчет электрических и энергетических параметров многослойного индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности //Электричество. – 1995, № 7. – С. 55-58.

14 Кислов А.П., Захаров И.В., Титов М.В., Алиферов А.Н. Расчет внешних магнитопроводов осесимметричной системы индуктор загрузка по запасенной энергии поля //Электротехнические процессы и установки. сб. науч. тр. Новосиб. электротехн. инс-та. – Новосибирск:

НЭТИ, 1995. – С. 108-112.

15 Kuvaldin A.B., Andryshin N.F., Zakharov I.V. Analyses of the electrical and energy parameters of a multiplayer inductor with self-compensation of reactive power //Electrical technology. – 1996, № 3, Great Britain. – С. 25 31.

16 Потапенко О.Г., Захаров И.В., Хацевский В.Ф. Устройство для индукционного нагрева //Информационный листок КазгосИНТИ. – Павлодар: ЦНТИ, 1998. – 4 c.

17 Захаров И.В. Снижение потерь активной мощности в многослойном индукторе с самокомпенсацией //Ученые записки ПГУ. – 2000, № 2. – С. 65-69.

18 Захаров И.В. Анализ факторов, воздействующих на реактивную мощность цилиндрической системы «индуктор-загрузка» //Наука и техника Казахстана, № 1. – Павлодар: ПГУ им.С.Торайгырова, 2002. – С. 165-173.

19 Ижикова А.Д., Морозова Н.Ю., Захаров И.В., Утегулов Б.Б.

Исследование индукционных нагревательных устройств с емкостной связью //III Сатпаевские чтения: Материалы научной конференции молодых ученых, студентов и школьников, том 10. – Павлодар: ПГУ им.С.Торайгырова, 2003. – С. 383-385.

20 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д. Исследование влияния загрузки на резонансный режим индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности //Энергетика: Управление, качество и эффективность использования энергоресурсов: Материалы III Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Т.2. – Благовещенск: АмГУ, 2003. – С. 237-240.

21 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д., Дузельбаева А.С. Расчет резонансного режима индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности //Наука и техника Казахстана, № 3. – Павлодар: ПГУ им.С.Торайгырова, 2003. – С. 169-173.

22 Ижикова А.Д., Захаров И.В., Утегулов Б.Б. Способ достижения резонансного режима в индукционных нагревательных устройствах с самокомпенсацией //IV Сатпаевские чтения: Материалы научной конференции молодых ученых, студентов и школьников, Т.6. – Павлодар: ПГУ им.С.Торайгырова, 2004. – С. 431-434.

23 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Дузельбаева А.С., Ижикова А.Д.

Исследование резонансного режима индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности //Вестник Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева, № 1. – Астана: ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, 2004. – С. 237-243.

24 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Волгин М.Е., Ижикова А.Д. Оптимизация расхода цветного металла обмотки индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности //Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: Материалы II Международной научно-технической конференции. – Тобольск: ТФНГАВТ, 2004. – С. 259-261.

25 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д. Оптимизация конструкции индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности //Электроэнергия и будущее цивилизации: Материалы Международной научно-технической конференции. – Томск: ТПУ, 2004. – С. 454-456.

26 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д. Перспектива использования диэлектрических материалов в индукторах с самокомпенсацией реактивной мощности //Вестник кибернетики, № 3. – Тюмень: ИПОС СО РАН, 2004. – С. 149-155.

27 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д. Повышение эффективности работы индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности //Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях: Материалы IV Международной научно технической конференции. – Алматы: АИЭС, 2004. – С. 222-224.

28 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д. Способ снижения расхода цветного металла обмотки индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности //Проблемы и достижения в промышленной энергетике:

Материалы IV Региональной научно-практической конференции. – Екатеринбург: ЗАО Уральские выставки, 2004. – С. 86-88.

29 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д. Модернизация электротермичес-кого оборудования в кузнечном производстве //Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производства: Материалы VI Международной научно-практической конференции. – Барнаул:

АлтГТУ, 2004. – С. 154-155.

30 Захаров И.В. Расчет распределения потенциала в многослойной обмотке индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности //Вестник Восточно-Казахстанского государственного технического университета им. Д. Серикбаева». № 2. – Усть Каменогорск: ВКГТУ, 2004. – С. 103-106.

31 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д., Гасанова Г.З.

Моделирование экспериментальных исследований процессов в индукторах с распределенными параметрами //Вестник ПГУ им. С. Торайгырова, Энергетическая серия, № 4. – Павлодар: ПГУ им.С.Торайгырова, 2004. – С. 153-160.

32 Кувалдин А.Б., Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д. Анализ потерь активной мощности в многослойном индукторе с самокомпенсацией реактивной мощности //Электричество. – 2005, № 2. – С. 53-56.

33 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Бейсембаев М.К., Ижикова А.Д., Гасанова Г.Г. Возможности энергосбережения в электротехнологии //Энергетика, экология, энергосбережение: Материалы I Международной научно-технической конференции. – Усть Каменогорск: ВКГТУ, 2005. – С. 226-228.

34 Utegulov B., Zakharov I, Izhikova A., Gassanova G. A reactive power self compensated multilayer inductor nonferrous metal consumption optimization method //Research in Electrotechnology and Appled Informatics: Proc. of 9th International Conference. – Katowice, Poland, 2005. – Р.119-123.

35 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д. Повышение эксплуатационных характеристик индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности //Проблемы и достижения в промышленной энергетике: Материалы V научно-практической конференции с международным участием. – Екатеринбург: ЗАО Уральские выставки, 2005. – С. 103-105.

36 Захаров И.В. Использование принципа самокомпенсации реактивной мощности в индукционных нагревательных устройствах //Вестник Восточно-Казахстанского государственного технического университета им. Д. Серикбаева. – Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2005, № 4. – С. 26-33.

37 Захаров И.В. Повышение удельной энергоемкости индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности //Поиск. – Алматы, 2006, № 1. – С. 321-325.

38 Захаров И.В. Влияние толщины диэлектрика на электрические и массогабаритные показатели индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности //Труды КарГТУ. – Караганда: КарГТУ, 2006, № 1. – С. 81-83.

39 Utegulov B., Zakharov I, Izhikova A. Combined way of achieving the resonance mode of the inductor with reactive power self 8th International compensation //Technomat & Infotel: Proc. of Symposium. – Burgas, Bulgaria, 2006. – Р.11-17.

40 Utegulov B., Zakharov I, Izhikova A. Resonant mode of inductors with reactive power self-compensation //Modelling for Material th Processing: Proc. of 4 International Scientific Colloquium. – Riga, Latvia, 2006. – Р.173-178.

41 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д. Анализ основных недостатков способа искусственной компенсации реактивной мощности в индукционных нагревательных установках //Проблемы и достижения в промышленной энергетике: Материалы VI научно практической конференции с международным участием. – Екатеринбург: ЗАО Уральские выставки, 2006. – С. 93-98.

42 Захаров И.В. Использование принципа самокомпенсации в электротехнических устройствах //Вестник ПГУ им. С. Торайгырова, Энергетическая серия, № 4. – Павлодар: ПГУ им.С.Торайгырова, 2006.

– С. 48-56.

43 Утегулов Б.Б., Захаров И.В., Ижикова А.Д., Крутоус С.Ф. Способ достижения резонансного режима индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности //Электрика. – Москва, 2007, № 2. – С. 28-32.

ТЖЫРЫМ ЗАХАРОВ Игорь Вячеславович “Реактивті уатты здік арымталауымен индукторлар тиімділігін ктеруді ралдарын, тсілдерін зірлеу жне теориясын дамыту” Техника ылымдары докторы ылыми дрежесіне ізденуге диссертация 05.09.10 – Электротехнология Диссертация рективті уатты арымталау шін жасанды арымталау – конденсаторлы батарейларды талап етпейтін, реактивті уатты здігінен арымталану аидасын пайдалануа негізделген индукционды ыздырыш рылыларды жасауа, реактивті уатты здігінен арымталануы бар индукторлар теориялары негіздерін жасауа арналан (И).

Жмысты масаты жаа ылыми негізделген нтижелерді алу болып табылады, оларды пайдалану кп байланысты математикалы лгілер негізінде реактивті уатты здігінен арымталануы бар кп абыты индукционды ыздырыштарды жобалау жне есептеу теориялы негіздерін зірлеуден тратын, электротермия аймаында маызды олданбалы мселені шешуді амтамасыз етеді;

жаа ылыми негізделген теориялы жне эксперименттік нтижелерді, оларды жиынтыы И теориясын дамыту шін лкен маызы бар;

И негізгі электрлік жне энергетикалы сипаттамалары мінез-лыны задылыын айындау, зерттеу жне теориялы жалпылау;

И ралымыны отайландыру тсілін зірлеуде.

Диссертациялы жмыста орындалан теориялы жне эксперименттік зерттеулер негізінде автормен келесі негізгі нтижелер алынан:

- И жалпыланан теориясы таратылан параметрлері бар индукционды нысандарда энергетикалы процесстерді зерттеуді ралдары мен тсілдеріні органикалы жаласы болып табылады. Теорияны жалпы блімі здігінен арымталану аидасын жасайтын электрлік жйелерге тиісті, е маызды задылытарды амтиды;

- “индуктор-жктеме” осесимметриялы жйесіні реактивті уатына ыпал ететін факторларыны классификациясы берілген. Оларды крсетілген параметрге ыпалыны дрежесі мен факторларын талдауы негізінде “индуктор-жктеме” осесимметриялы жйені реактивті уатын кеміту міндетін шешуге жаындау индукционды ыздырыш ондырыларды реактивті уатты здігінен арымталану аидасын кп абыты индуктормен пайдалануда болып табылады;

- кптеген ыпал етуші факторлар кезінде резонанс режимінде индуктор жмысы тиімділігін анытайтын задылытар табылды. Отайландырылан энергетикалы параметрлері бар И зірлеуге ммкіндік берген, оларды реттеуді рационалды шектері орнатылды;

- реактивті уатты здігінен арымталануы бар индукторларды электрлік жне энергетикалы параметрлерін санды есептеуді рама тсілі зірленді, ол И параметрлерін есептеу шін дифференциалды интегралды есептеу тсілдері комбинациясында жне “индуктор-жктеме” жйесіні негізгі электрлік параметрлерін таратуды бейнесін алуа ммкіндік берген индуктивті-байланысан элементтер жне соы элементтер тсілінде болып табылады;

- активті уат шыыны минимумы жне тсті металл шыыны минимумы бойынша И ралымын отайландыру тсілі зірленді, ол крсетілген эффектілерді жасайтын, арнайы конфигурация бойынша И орамасыны ток алып жретін ткізгіштерін алыптастыруда болып табылады;

- И резонансты режиміне жеткізу дісі зірленді, ол кректендіру кзіні нерксіптік жиілігі аймаында индуктор жмысыны тиімділігін ктереді жне И орамасыны тйыталан емес аятарыны электрлік режимін рационалды пайдаланудан трады;

- И біратар ралымды жне слбалы нсалары сынылды, ол оларды жмыс тиімділігі отайландыру жне ктеру міндеттерін шешуде біратар болашаты ойларды зірледі;

- реактивті уатты здігінен арымталану аидасын пайдаланатын тмен температуралы ыздыру шін индукционды ыздырыштар зірленді.

Жмысты нтижелері Москва облысыны Сергиев Посад.

“Экспериментальный завод ДСП” ЖА хвойлы жне жмса жапыраты трлер кесу материалдарын кептіруге арналан ондырыны жетілдіруде пайдаланылды. Диссертациялы жмысты нтижелері сонымен бірге “В.И. Ленин атындаы Павлодар трактор зауыты” кесу алдында айшыларда зын лшемді болат прокатын ыздыруа арналан индукционды ыздырыш ондырыны зірлеу кезінде пайдаланылды;

ПВДФ типті жоары тиімді диэлектриктік материалдарды пайдалануда болып табылатын И зіндік энергосыйымдылыын ктеру жолдары аныталан. И электрлік беріктік сипаттамаларын ктеруге ммкіндік беретін, кшті электрлік жне магниттік рістерде индукторды сенімді жмысына жол беретін біратар технологиялы шаралар сынылан.

RESUME Igor V. Zakharov 05.09.10 – Electrotechnology The thesis is submitted to confer the Academic Degree of Doctor of Technical Sciences.

"Development of the theory, elaboration of methods and means of efficiency increase for inductors with reactive power self-compensation" The thesis is dedicated to the creation of induction heaters on the basis of application the principle of reactive power self-compensation, which do not require means of artificial compensation - capacitor banks for reactive power compensation, as well as to the creation of theoretical foundations for reactive power self-compensation inductors (IS).

The aim of the work consists in obtaining new scientifically proved results, the use of which provides for the solution of the important applied problem in the field of electrothermics, which involves the development of theoretical foundations of calculation and designing of the reactive power self-compensation multilayer induction heaters on the basis of multilinked mathematical models;

the new scientifically substantiated theoretical and experimental results, the totality of which is of great importance for the development of the IS theory;

in theoretical generalization, research and detection of regularities of the main electrical and power behavior characteristics;

in the development of optimization method of an IS design.

On the basis of theoretical and experimental research carried out by the author in his thesis, he obtains the following main results:

- the generalized theory of an IS is a natural extension of existing methods and means of research for power processes in induction units with distributed constants. The general part of the theory embraces the most essential regularities inherent to electrical systems, realizing the principle of self-compensation.

- the classification of the factors influencing the reactive power of an axisymmetric system "inducer - loading" is given. Proceeding from the factor analysis and the degree of their influence on the indicated parameter, the approach to the solution of the problem of reducing the reactive power of an axisymmetric system "inducer loading" is put forward and substantiated. This approach consists in application of reactive power self-compensation principle to multilayer inductor induction heating units.

- the regularities determining an efficient performance by the inductor working in a resonance mode of operation under a large number of the influential factors have been determined. The rational limits of their variation which enable elaboration of an IS with optimal energy parameters have been established.

- a combination method of numerical calculation for electrical and energy parameters of reactive power self-compensation inductors, consisting in the combination of differential-integral calculus methods for calculation of IS parameters with finite element and induction-bound component methods, which enabled receiving a pattern of distribution of the main electrical parameters of "inducer - loading" system, has been realized.

- IS design optimization method for minimizing the losses of active power and the consumption of non-ferrous metal, consisting in the formation of current-carrying conductors of an IS coil along some special configuration, realizing the indicated effects, has been designed;

- a way of achieving an IS resonance mode, which enables raising the performance efficiency of the inductor in the field of an industrial frequency of the power source, consisting in a rational use of an electrical mode of disconnected ends of an IS coil, has been developed;

- a number of constructive and circuit versions of an IS, which realize a series of progressive ideas in the solution of their optimization and increase of an overall performance problem, has been proposed;

- induction heaters for low-temperature operation have been designed, which realize the principle of reactive power self-compensation. The results of the research have been used in modernization of installations for drying softwood and hardwood saw timbers at "Experimental plant of wood chipboard" Close Corporation (Sergiyev Posad, Moscow oblast). The results of the dissertation research were also used in designing an induction heater for a through heating of a long-length rolled iron before shearing at «Pavlodar Tractor Plant after V.I.Lenin» Production Corporation.

- ways of specific energy output increase of an IS have been determined, consisting in the application of high-performance dielectrics of the polyvinylidene fluoride type. A series of technological procedures enabling the increase of electrical strength properties of an IS, contributing to an error-free performance operation of the inductor in strong electric and magnetic fields have been proposed.

ЗАХАРОВ ИГОРЬ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ Развитие теории, разработка методов и средств повышения эффективности индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук _ Подписано в печать 28.03.2007.

Печать ризографическая. Формат бумаги 60 84 1/16. Бумага офсетная № 1. Условных печатных листов2. Тираж 100 экз.

Отпечатано ТОО НПФ «ЭКО». Заказ № 17.

г. Павлодар, ул. 29 Ноября, 2.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.