Оптимизация переходных режимов индукционного нагревателя дискретно-непрерывного действия

• Автор: Князев, Сергей Валерьевич
• Шифр специальности: 05.09.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 141 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 Современное состояние и проблемы моделирования и управления индукционными нагревателями дискретно-непрерывного действия
1.1 Состояние проблемы моделирования и оптимизации
1.2 Постановка задачи оптимального управления процессом дискретно-непрерывного индукционного нагрева
2 Исследование электромагнитных и тепловых полей на базе численной математической модели процесса индукционного дискретно-непрерывного нагрева
2.1 Постановка задачи моделирования и выбор метода
решения
2.2 Алгоритм расчета взаимосвязанных электромагнитных и тепловых полей при дискретно-непрерывном индукционном нагреве ферромагнитных заготовок
2.2.1 Методика расчета электромагнитных полей в индукционной установке дискретно-непрерывного действия
2.2.2 Методика расчета тепловых полей в индукционной установке дискретно-непрерывного действия
2.2.3 Расчет параметров индукционного нагревателя
3 Постановка и решение задачи оптимизации переходных режимов индукционного нагревателя
3.1 Постановка задачи оптимизации
3.2 Алгоритм расчета оптимального управления переходными режимами индукционного нагревателя с ферромагнитной загрузкой
3.3 Анализ температурных полей в переходном режиме пуска нагревателя по оптимальной программе
4 Синтез замкнутой системы оптимального управления переходными режимами индукционного нагревателя

4.1 Выбор типа обратной связи для синтеза системы оптимального управления
4.2 Анализ зависимости электрических характеристик индуктора от температурного распределения по длине
загрузки в переходных режимах
4.3 Принцип построения замкнутых систем управления
4.4 Синтез оптимальной замкнутой системы управления процессом пуска нагревателя
4.5 Реализация оптимальной замкнутой системы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Библиографический список
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена проблеме разработки оптимальных алгоритмов управления переходными режимами работы индукционных нагревательных установок дискретно-непрерывного действия, обеспечивающих повышение их энергоэффективности.
Актуальность проблемы
Электротермия в современных условиях развития производства в решающей степени определяет эффективность технологических процессов, связанных с нагревом заготовок перед обработкой на деформирующем оборудовании. Такие преимущества, как высокая скорость нагрева, обеспечивающая интенсификацию производства и, следовательно, высокую производительность, высокая точность отработки требуемых температурных режимов, уменьшение окалины и угара металла, высокий уровень автоматизации, минимальное влияние на окружающую среду способствуют все более широкому внедрению в промышленность индукционных установок для нагрева металла перед обработкой давлением. В связи с этим наблюдается тенденция роста парка индукционных нагревателей для нагрева заготовок из различных металлов токами промышленной и повышенных частот в кузнечном, прокатном и прессовом производствах.
В условиях дефицита электроэнергии, ее высокой стоимости при одновременном росте удельных мощностей нагрева большое значение приобретает проблема достижения экстремальных значений технико-экономических показателей технологических комплексов «индукционный нагрев- обработка металла давлением».
Наименее исследованными представляются задачи оптимального управления переходными режимами индукционных нагревателей дискретнонепрерывного действия, которые в реальных условиях составляют значительную часть рабочего времени технологической линии. Такие режимы возникают

ривать при граничных условиях II рода без учета распределенности источников тепла по радиальной координате.
В «промежуточной» зоне, где слои металла, начиная от поверхности, проходят при нагреве точку Кюри, магнитная проницаемость от слоя к слою резко изменяется, приводя к неопределенности закона распределения мощности теплоисточников по радиусу изделия.
В «горячей» зоне нагрева, когда изделие теряет магнитные свойства, закон распределения источников тепла по радиальной координате определяется однозначно как для немагнитного тела. Принятая аппроксимация позволяет для односекционного нагревателя непрерывного и полунепрерывного действия рассматривать процесс нагрева как трехстадийный нагрев [93], где теплофизические параметры а(х), /3{х), тепловые потери д(х), относительная мощность Р{х) и функция распределения внутренних источников тепла IV(г, х) на каждом участке считаются постоянными. Такое представление функции распределения источников тепла позволяет решить задачу стационарного режима аналитическими методами с достаточной для практических целей точностью.
Однако, такой подход не удовлетворяет требованиям к точности воспроизведения температурного распределения, если речь идет о переходных режимах функционирования индукционного нагревателя, вызванных первоначальным пуском нагревателя, выводом нагревателя на установившийся режим после кратковременных перерывов и т.д. Причина заключается в том, что в процессе выхода на установившийся режим происходит непрерывное изменение уровня мощности индуктора и соотношения между мощностью, выделяемой в «холодной» части загрузки и мощностью, выделяемой в «горячей части загрузки из-за изменения границ «холодного» и «горячего» участков.
Как было отмечено выше, в индукционном нагревателе непрерывного действия одновременно находятся несколько заготовок, перемещающихся дискретно. Температурное поле Т„(г,х,/) каждой цилиндрической заготовки при нагреве ее внутренними источниками тепла по мере её перемещения через нагреватель описывается уравнением теплопроводности (2.2).