Математическое моделирование линейных индукционных машин технологического назначения на основе их схем замещения

• Автор: Сарапулов, Сергей Федорович
• Шифр специальности: 05.09.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 205 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. КОНСТРУКЦИИ ЛИНЕЙНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ МАШИН

1.1. Линейные асинхронные двигатели и их применение

1.2. Магнитогидродинамические установки

1.3. Принципы формирования конструкций ЛИМ

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЛИМ

2.1. Особенности электромагнитных процессов в ЛИМ

2.2. Классификация математических моделей ЛИМ. Постановка задачи исследования 31.

Глава 3. СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ЛИМ И МОДЕЛИ НА ИХ ОСНОВЕ

3.1. Т-образная схема замещения (СЗ)
3.2. Схемы замещения на основе Е-Н четырехполюсников
3.2.1. Модель одноиндукторной ЛИМ
3.2.2. Модель двухиндукторной ЛИМ
3.2.3. Модель четырехиндукторной ЛИМ
3.3. Детализированная схема замещения
3.4. Математическая модель цилиндрической ЛИМ с бегущим вдоль оси
полем
3.5. Модель цилиндрической ЛИМ с вращающимся вокруг оси полем
Глава 4. СТРУКТУРА КОМПЬЮТЕРНЫХ ПРОГРАММ РАСЧЕТА ЛИМ
4.1. Программы на языке Фортран
4.2. Программы в пакете МаЛісасІ
Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЛИМ
5.1. Сравнение методик расчета ЛИМ
5.2. Исследование двухиндукторной ЛИМ лабораторной установки
5.3. Характеристики электромагнитного перемешивателя для алюминиевых сплавов
5.4. Характеристики электромагнитного перемешивателя стали
в кристаллизаторе квадратного сечения
Глава 6. МУЛЬТИМЕДИА СРЕДСТВА ДЛЯ УЧЕБНЫХ ДИСЦИПЛИН СПЕЦИАЛЬНОСТИ 18.05 «ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ»
6.1. Набор компьютерных слайдов по специальным электротехнологическим установкам
6.2. Набор компьютерных анимаций по специальным электротехнологическим установкам
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Приложение 1. Документы о внедрении
Приложение 2. Формуляр расчета (цилиндрического) электромагнитного
перемешивателя алюминия (для «КУМЗ»)
Приложение 3.Формуляр расчета четырехиндукторного электромагнитного
перемешивателя стали (для «Сибэлектросталь)
ВВЕДЕНИЕ
Одним из направлений развития электротехнологических процессов является МГД-воздействие различного рода в металлургических технологиях. Это МГД-методы и устройства для управления течением и обработкой расплавов с использованием целенаправленного возбуждения в проводящей среде МГД-эффекта посредством приложенных извне электромагнитных полей. Сюда относятся различные типы МГД-насосов, регуляторов, вентилей и др. служащие для транспорта, дозирования, перемешивания расплавов, воздействия на структуру затвердевающего металла, и т.п.
Частным применением этого метода являются электромагнитное воздействие (ЭМВ) на структуру затвердевающего металла - электромагнитное перемешивание (ЭМП) в процессе кристаллизации, а также транспорт жидкого металла [1, 9, 11-13, 19-23, 27-30, 68-71, 73, 76, 77, 81, 82, 95, 124, 125, 127, 132, 143-145].
При электромагнитном перемешивании в жидком расплаве возникают электромагнитные силы, приводящие к циркуляции жидкости в замкнутом объеме. Направление движения расплава, а также скорость можно регулировать в широких пределах, создавая как совпадающие направления движения с тепловой конвекцией, так и не совпадающие. Турбулентное течение, возникающее при ЭМП у фронта кристаллизации, увеличивает эффективный коэффициент теплопроводности на три порядка, а коэффициент диффузии - на шесть порядков, что приводит к выравниванию температур и химического состава во всем объеме жидкой фазы, увеличению ее общего переохлаждения (для сплавов с узким интервалом кристаллизации — на 2 - 3°С) уменьшению толщины теплового и гидродинамического пограничных слоев.
Накопленный опыт разработки, расчета, создания и эксплуатации электромагнитных перемешивателей показывает, что в настоящее время для предварительного анализа влияния ЭМП на кристаллизующийся металл и расчета параметров и интегральных характеристик электромагнитных перемешивателей необходимо иметь универсальную математическую модель, которая позволяет учитывать форму и тип индуктора, схемы включения его обмоток, частоту питающей сети, физические свойства отливаемых металлов и сплавов и их неоднородность по слоям рабочей области, многослойность экрана между поверхностью магнигопровода и вторичным элементом (металлом или сплавом), форму лунки жидкой фазы кристаллизующегося слитка.
В последнее время существенно изменились условия труда специали-ста-электротехнолога - возросла компьютерная вооруженность, облегчился доступ к универсальным программным продуктам типа MATLAB и Mathcad [26, 44], имеющим мощную математическую базу и позволяющим

обойтись минимальными навыками программирования и работы на компьютере.
С учетом сказанного выше аппарат детализированных электрических и магнитных схем замещения [14, 33, 58, 59, 89] является наиболее подходящим инструментом разработки линейных индукционных машин (ЛИМ) и устройств технологического назначения. Он позволяет гибко изменять степень детализации магнитной и электрических цепей машины, строить гибридные схемы замещения, состоящие из интегральных и детализированных фрагментов в соответствии с выделяемыми объемами конструкции. При этом порядок системы уравнений, составляющих математическую модель, можно существенно ограничить в сравнении, например, с универсальными «полевыми» численными методами конечных элементов или конечных разностей. Вместе с тем, как показывает опыт, по точности исследования процессов в заданной области метод детализированных схем замещения не уступает упомянутым выше полевым методам, несомненно превосходя их по возможностям анализа различных режимов работы устройства, изучению его как элемента системы или объекта управления [113, 114].
Объектом рассмотрения является индукционная машина (ИМ) линейного или вращательного движения, с замкнутым или разомкнутым магни-топроводом, преимущественно со сплошным проводящим вторичным элементом (ВЭ).
Целью работы является развитие метода схем замещения, разработка унифицированной математической модели линейной индукционной машины на его основе и исследование некоторых конструкций индукционных машин технологического назначения. При этом решаются следующие задачи:
1. Классификация конструкций линейных индукционных машин и областей их применения.
2. Классификация методов расчета стационарных режимов работы ЛИМ на основе схем замещения, их сравнение и унификация.
3. Разработка и апробация комплекса компьютерных программ для исследования ЛИМ методом схем замещения на основе современных вычислительных средств.
4. Разработка конструкций ЛИМ для электромагнитного перемешивания металлических расплавов в литейном производстве.
5. Разработка методического обеспечения и компьютерных анимаций для использования в учебном процессе при подготовке инженеров-электромехаников.
Научную новизну составляет разработанная унифицированная математическая модель ЛИМ на основе детализированной многослойной маг-

помощью может быть реализовано двухтоковое питание (через основные и вспомогательные зажимы). Предлагаются алгоритмы формирования обмоточных матриц Кг и Кф. Рассматриваются сложные режимы работы ЛАД. ДМСЗ остается при этом однослойной. В [129] вводятся унифицированные алгоритмы формирования обмоточных матриц сложных обмоток и делается первая попытка разработки унифицированной модели ЛИМ на основе ДМСЗ.
В работах [31, 137] рассматриваются варианты ДМСЗ при коротком или несимметричном ВЭ. В [137] предлагается ДМСЗ зазора в виде многополюсника. В [31] рассматривается «вход» ВЭ под индуктор. При этом впервые рассматриваются динамические режимы работы ЛАД на основе однослойной ДМСЗ.
Динамические режимы ЛАД на основе ДМСЗ рассматриваются также в работе [128], в том числе при работе от преобразователя частоты.
Многослойные ДМСЗ вводятся [129, 128] для анализа плоских ЛАД и ДИМ с «большим» зазором. В [129] такие схемы применяются для исследования ЛИМ в технологиях обогащения железной руды и водоочистки от шламов металлургического производства (для НТМК).
В работе [15] исследуется торцевой (дисковый) двигатель. Предлагается методика расчета его характеристик на основе МСЗ с детализацией по радиусу. Магнитное поле в зазоре принимается одномерным, а МСЗ по этой координате - однослойной.
В работах [86, 119, 51] предлагается детализированная МСЗ с учетом затухания поля на каждом выделенном участке и контруктивных особенностей краевых зон (кристаллизатора). Переход к цилиндрической конструкции осуществляется наложением результатов расчета магнитного поля для каждой пары (из трех пар) плоских индукторов.
В работе [158] исследуется ЦЛИМ, применяемая для ЭМП. Впервые предлагается многослойная ДМСЗ для цилиндрической конструкции с учетом токов в жидких и затвердевших слоях металла слитка (ВЭ).
К одной из первых отечественных работ, содержащих вопросы исследования динамики ЛИМ, можно отнести [120], где за основу взята система дифференциальных уравнений двигателя вращательного движения в двухкоординатной системе, движущейся с произвольной скоростью. Продольный краевой эффект не учитывается.
В работах [32, 36] рассматривается динамика ЛАД на основе детализированных структурных схем. Используется однослойная ДМСЗ плоской ЛИМ. Исследованию динамики ЛАД на основе интегральных структурных схем с использованием однослойной магнитной схемы замещения с распределенными параметрами посвящена работа [146]. Особенностью этого этапа является то, что рассматривались и разрабатывались математические модели ЛИМ различных конструкций и назначений с акцентом на отдель-