Трансформаторно-индукторные модули для комплексных электротехнологических процессов с индукционным нагревом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Горбунов, Антон Сергеевич

• Горбунов, Антон Сергеевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Горбунов, Антон Сергеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1 Современное состояние разработки и применение комплексных электротехнологических установок, и их элементов

1.1 Современные промышленные способы термообработки деталей

1.2 Структура источников питания для электротехнологий

1.3 Схемы совместной работы резонансных инверторов

и трансформаторно-индукторных модулей

1.4 Применение согласующих трансформаторов в современных комплексных электротехнологических установках

1.5 Модернизация элементов электротехнологических установок, включающих индукционный нагрев с промежуточными проводящими средами

1.6 Обзор методик расчета согласующих высокочастотных трансформаторов

1.7 Выпрямительно-инверторные модули в составе электротехнологических установок с индукционным нагревом 47 Выводы к первой главе и постановка задач исследования 50 Глава 2 Источники питания для электротехнологических установок, включающих индукционный нагрев

2.1 Разработка структуры источников питания для электротехнологий

на базе одновентильных инверторов

2.2 Параметрический синтез резонансных инверторов для электротехнологий

2.3 Параметрический синтез с помощью имитационных моделей источников питания с ферромагнитными модулями для согласования выходных параметров инверторов с параметрами нагрузки 68 Выводы ко второй главе 82 Глава 3 Разработка математических моделей и структурных схем комплексных электротехнологических установок с индукционным

нагревом, включающих индукторы с промежуточными проводящими средами

3.1 Индукторы, применяемые на промышленной частоте питающего тока

3.2 Расчет параметров электромагнитного поля комплексной электротехнологической установки

3.3 Расчет электромагнитного поля в электротехнологических установках

с различной толщиной стенок добавочной проводящей среды

3.4 Расчет параметров индукторов с промежуточной проводящей средой

с прорезями

3.5 Разработка и определение параметров схемы замещения комплексной установки с добавочной проводящей средой

3.6 Совершенствование методики расчета комплексных электротехнологических установок определение и основных соотношений для расчета индукторов с добавочными проводящими средами 105 Выводы к третьей главе 107 Глава 4 Анализ и расчет электромагнитных процессов в установках

с согласующими трансформаторами

4.1 Методика расчета согласующих высокочастотных трансформаторов

4.2 Экспериментальное определение параметров системы «преобразователь - трансформаторно-индукторный модуль»

4.3 Имитационное моделирование и исследование электромагнитных процессов в источниках питания электротехнологических установок

с применением многофазных управляемых выпрямительных модулей

4.4 Разработка конструкции многофазного трансформаторного преобразователя числа фаз 132 Выводы к четвертой главе 134 Заключение 137 Список литературы

Приложение А. Основные параметры выпускаемых согласующих высокочастотных трансформаторов

Приложение Б. Справочные данные для расчета согласующих высокочастотных трансформаторов с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов

Приложение В. Параметры спроектированного согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов

Приложение Г. Определение параметров схемы замещения и модели согласующего высокочастотного трансформатора

Приложение Д. Определение параметров несимметричного одноячейкового инвертора и нагрузочного индукторно-конденсаторного модуля

Приложение Е. Расчет параметров индуктора с магнитопроводом для закалки плоских поверхностей

Приложение Ж. Расчет параметров одновиткового индуктора для закалки наружных цилиндрических поверхностей

Приложение 3. Определение параметров симметричного мостового инвертора с удвоением частоты и нагрузочного индукторно-конденсаторного модуля

Приложение И. Параметры материала магнитопровода согласующего трансформатора

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Трансформаторно-индукторные модули для комплексных электротехнологических процессов с индукционным нагревом»

Введение

Актуальность темы исследования. В настоящее время в промышленности применяются различные электротехнологические процессы, включающие индукционный нагрев, так как такой вид нагрева обладает значительными преимуществами перед другими видами. Установка для индукционного нагрева - это электротехнический комплекс, состоящий из устройств, которые обеспечивают нагрев деталей в электромагнитном поле, на промышленной или повышенной частоте. В связи с имеющейся в промышленности тенденцией использования одной установки для осуществления нескольких технологических процессов, находят все большее применение комплексные электротехнологические установки.

Несмотря на большое количество различных электротехнологических установок с индукционным нагревом и широкое разнообразие модулей, входящих в их состав, таких как выпрямители, инверторы, индукторные модули, включающие промежуточную проводящую среду, высокочастотные согласующие трансформаторы, применяющиеся устройства имеют низкие технико-экономические показатели, большие габаритные размеры, их работа недостаточно эффективная. Применяемые в электротехнологических установках с индукционным нагревом полупроводниковые инверторы в основном строятся на базе схем с большим количеством вентилей, а также большим количеством резонансных контуров. Это усложняет схему устройств и увеличивает габаритные размеры. Для решения задач совершенствования инверторного модуля, упрощения схемы необходимо исследовать современные одноключевые транзисторные инверторы с различными схемами резонансного контура, так как современная элементная база позволяет с помощью таких инверторов эффективно осуществлять электротехнологические процессы при минимальном количестве вентилей.

В применяемых комплексных электротехнологических установках с индукционным нагревом деталей через промежуточную проводящую среду эффективность электротехнологического процесса низкая, вследствие того,

что промежуточная среда в большинстве случаев не является прозрачной для электромагнитного поля, то есть поле, проходящее через добавочную среду, затухает. Для повышения эффективности таких установок необходимо определять степень затухания поля в проводящей среде и зависимость затухания от параметров проводящей среды и на основании полученных данных соответствующим образом выбирать параметры добавочной среды, а в ряде случаев необходимо выполнение прорезей в промежуточной среде.

Эффективность работы установки зависит от способа компенсации реактивной мощности. В большинстве случаев наиболее эффективной является последовательная компенсация, характеризующаяся минимальным количеством резонансных контуров и простотой схемы. Однако данный способ практически не применяется ввиду больших величин напряжений на элементах преобразователя. Используемые для согласования нестандартных выходных напряжений источника питания согласующие высокочастотные трансформаторы имеют низкие технико-экономические показатели и большие габариты. Для увеличения эффективности установок и расширения области применения последовательной компенсации необходимо применять согласующие трансформаторы с новыми магнитными материалами — аморфными или нанокристаллическими сплавами, имеющие высокие технико-экономические показатели, высокий КПД, малые потери, по сравнению с используемыми трансформаторами.

В связи с увеличением мощности электротехнологических установок, включающих полупроводниковые преобразователи электроэнергии, возникает проблема обеспечения электромагнитной совместимости этих преобразователей с сетью и нагрузкой. Повышение электромагнитной совместимости и эффективности электротехнологических установок можно достичь, применяя фазопреобразующие трансформаторы для питания управляемых выпрямительных модулей.

Степень разработанности темы исследования.

Значительный вклад в развитие теории и практики комплексных электротехнологических процессов, включающих индукционный нагрев, внесли такие ученые, как А.Е. Слухоцкий, B.C. Немков, В.И. Руднев, А.Б. Кувалдин, В.П. Вологдин, C.B. Шапиро, В.Б. Демидович, A.C. Васильев, Л.Э. Рогинская, в том числе ряд российских и иностранных предприятий, таких как ВНИИТВЧ-Эстел (г. С-Петербург), НКТБ «Вихрь», ABB (Германия), Inductoheat, Inductotherm (США), Seit Elettronica (Италия) и др.

Цель и задачи. Целью работы является разработка новых высокоэффективных источников питания для электротехнологических установок с индукционным нагревом. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработка структуры, создание математической модели и параметрический синтез новых источников питания для электротехнологических установок с индукционным нагревом на базе применения одноключевых транзисторных инверторов с последовательной компенсацией реактивной мощности индуктора.

2. Создание имитационных моделей источников питания электротехнологических установок с применением новых высокочастотных согласующих трансформаторов и многофазных выпрямительных модулей. Исследование электромагнитных процессов в установках с помощью разработанных моделей.

3. Разработка математических моделей и оригинальных конструкций индукторов комплексных электротехнологических установок с промежуточными проводящими средами с прорезями или без. Исследование электромагнитных процессов в этих устройствах с помощью разработанных моделей.

4. Совершенствование методики расчета новых согласующих высокочастотных трансформаторов с применением аморфных или нанокристаллических сплавов, а также совершенствование методики расчета индукторов комплексных электротехнологических установок с промежуточными

проводящими средами; экспериментальное подтверждение разработанных математических и имитационных моделей.

Научная новизна

1. Разработана математическая модель новых источников питания электротехнологических установок с индукционным нагревом на базе применения одноключевых транзисторных инверторов с последовательной компенсацией реактивной мощности индуктора.

2. Созданы имитационные модели различных схем источников питания для индукционного нагрева с применением новых согласующих высокочастотных трансформаторов на базе магнитопроводов из аморфных или нанокристаллических сплавов.

3. Разработаны математические модели комплексных электротехнологических установок с индукционным нагревом, включающих индукторы с промежуточными проводящими средами; на основании данных моделей определены характеристики электромагнитного поля: напряженность магнитного и электрического полей, плотность тока, что позволяет определять целесообразность данного нагрева для осуществления термообработки деталей.

4. Создана имитационная модель источников питания с многофазными трансформаторами и управляемыми выпрямителями, с разработкой оригинальной системы управления данными преобразователями для улучшения электромагнитной совместимости полупроводниковых инверторов с сетью и нагрузкой.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Разработана структура источников питания для комплексных электротехнологических установок, включающих индукционный нагрев, имеющих более высокие энергетические показатели и обеспечивающих энергосбережение.

2. Получены результаты параметрического синтеза новых источников питания для электротехнологических установок с индукционным нагревом на базе применения одноключевых транзисторных инверторов

с последовательной компенсацией. Они позволяют определить области рациональных параметров элементов, обеспечивающих устойчивую работу инверторов.

3. С помощью полученных математических моделей комплексных электротехнологических установок с индукционным нагревом, включающих индукторы с промежуточными проводящими средами на промышленной и повышенной частотах, определены параметры, обеспечивающие максимально возможное значение напряженности электромагнитного поля.

4. Усовершенствованные методики расчетов согласующих высокочастотных трансформаторов и индукторов с промежуточными проводящими средами позволяют производить полный расчет новых устройств.

Практическая ценность результатов работы подтверждается актом внедрения результатов диссертационной работы в производственный процесс НПП «Курай».

Методология и методы исследования. Для достижения заявленной цели и решения поставленных задач были использованы основные положения теории электромагнитного поля, методы аналитического расчета электромагнитного поля, аналитические методы с численным решением уравнений Бесселя для расчета электромагнитного поля в пакете МаШетаИса, методы имитационного моделирования в пакете МайаЬ, МшксскЛ. Решение систем уравнений, представляющих разработанные математические модели было также проведено с помощью пакетов программ Мшксас1, МшкетаНса.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанные структуры и математическая модель одноключевых источников питания с последовательными резонансными контурами и результаты определения области рациональных параметров элементов установки на их основе.

2. Имитационные модели различных схем разработанных источников питания с согласующими высокочастотными трансформаторами на базе магнитопроводов из аморфных или нанокристаллических сплавов,

с последовательными резонансными контурами и результаты исследования электромагнитных процессов в этих трансформаторах при совместной работе с полупроводниковыми преобразователями.

3. Математические модели комплексных электротехнологических установок с индукционным нагревом, включающих индукторы с промежуточными проводящими средами.

4. Усовершенствованная методика расчета индукторов комплексных электротехнологических установок, обеспечивающих эффективный нагрев деталей внутри реторты. Усовершенствованная методика расчета новых согласующих высокочастотных трансформаторов с применением магнитопроводов из аморфных или нанокристаллических сплавов.

5. Имитационная модель управляемого выпрямительного модуля с многофазным согласующим трансформатором для улучшения электромагнитной совместимости полупроводниковых преобразователей частоты с сетью и нагрузкой и результаты исследования электромагнитных процессов в данных модулях.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обусловлена адекватностью используемых математических моделей, методов компьютерного моделирования, подтверждаемых экспериментальными данными.

Результаты научной работы докладывались и обсуждались на VII, IX, X, XI, XII Международных семинарах «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2010 - 2014г.); VI, VIII, IX Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2011 - 2014г.); на научно-теоретической конференции «Неделя науки» (Уфа) (III место в 2010г. и II место в 2011г.); на Всероссийской конференции "Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения", (II место, Уфа, 2010г.); на Всероссийском конкурсе проектов и разработок в области IT-технологий «IT ПРОРЫВ» (Москва, 2010г.) на конкурсе программ для ЭВМ, созданных при дипломном проектировании, (I место, Уфа, 2011г.);

на VIII Всероссийском конкурсе ВКР направления «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», с присуждением диплома за лучшую выпускную квалификационную работу в номинации «Исследовательская работа» (Томск, 2011г.); на межвузовской научно-практической конференции "Электротехнические комплексы и системы", (II место, Уфа, 2011г. и I место, Уфа, 2012г.); на VII, VIII, IX Всероссийской зимней школе-семинаре аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы в науке и технике» (Уфа, УГАТУ, 2012-2014г.); на 38-й, 39-й, 40-й Международной молодежной научной конференция «Гагаринские чтения» (Москва, 2012 - 2014г.); на IV Международной научно-практической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, УГНТУ, 2012г.); на Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 80-летию УГАТУ (Нефтекамск, 2012г.); на Региональной студенческой научной конференции «Наука и молодежь в XXI веке» (Омск, 2012г.); на научно-техническом семинаре с международным участием «Инновационные направления развития электропривода, электротехнологий

и электрооборудования» (Уфа, 2012г.); на I Международной (IV Всероссийской) научно-технической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (Уфа, 2013г.); на V Международной молодежной научной конференции «Гражданская авиация: XXI век» (Ульяновск, 2013г.); на 19-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2013г.); на II Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием «Молодые ученые - ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (Ижевск, 2013г.); на Молодежной научно-практической конференции «Электроэнергетические системы и сети. Энергосбережение» в рамках XIII Российского энергетического форума (Уфа, 2013г.); на Международной научно-практической конференции «Современные тенденции в образовании и науке» (Тамбов, 2013г.); на Всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2014г.);

на Международной научно-практической конференции «Вопросы образования и науки: теоретический и методический аспекты» (Тамбов, 2014г.); на И Международной конференции «Интеллектуальные технологии обработки информации и управления» (Уфа, 2014г.).

Диссертационная работа отражает результаты исследований, выполненных в рамках работы по теме «Разработка комплексной электротехнологической установки для индукционного нагрева и одновременного нанесения защитных покрытий на детали», являющейся победителем конкурса на получение стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики на 2013-2015 годы, № гранта: СП-2895.2013.1.

Диссертационная работа выполнена на основании задания № 2014/240 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в 2014-2016 г. в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России. Тема НИР: «Исследование электрических и магнитных полей и газоразрядных процессов в сложных гетерогенных средах перспективных электротехнических комплексов и систем».

Публикации.

Список публикаций по теме диссертации включает 42 научных труда, в том числе 31 статья, из них 4 входящие в перечень ВАК, 3 патента РФ на полезные модели, 4 свидетельства на программы для ЭВМ, 33 материала конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 142 наименования и 9 приложений. Общий объем диссертации составляет 188 страниц.

В первой главе работы произведено сравнение современных промышленных способов термообработки металлических деталей, показаны

преимущества индукционного нагрева перед остальными способами термообработки.

Произведен сравнительный анализ применяемых в электротехнологических установках способов компенсации реактивной мощности индукторов, рассмотрены их преимущества и недостатки. Определены технико-экономические преимущества использования последовательной компенсации, так как такой способ позволяет упростить конструкцию источника питания. Рассмотрена структура современного полупроводникового преобразователя частоты на базе тиристорного или транзисторного инвертора. Приведен обзор современных схем и конструкций полупроводниковых инверторов. Определено, что современные одноключевые схемы инверторов наиболее перспективные, так как они наиболее простые и надежные в работе. Кроме того, они позволяют в широких пределах регулировать выходные параметры для наилучшего согласования с нагрузкой.

Осуществлен аналитический обзор применяемых согласующих высокочастотных трансформаторов, а также используемых магнитных материалов, приведены преимущества и недостатки.

Рассмотрены основные конструкции используемых электротехнологических установок с промежуточными проводящими средами, обоснована необходимость разработки математических моделей новых устройств с промежуточными проводящими средами.

Приведен обзор основных методик расчета высокочастотных согласующих трансформаторов.

Рассмотрены схемы выпрямительных модулей, применяемых в электротехнологических установках с индукционным нагревом, показаны способы повышения их показателей.

Результатом проведенного анализа явилось формирование цели и задач исследования.

Во второй главе разработаны математическая и имитационные модели, описывающие электромагнитные процессы в современных одноключевых и мостовых резонансных инверторах. Произведена разработка структуры

одновентильных резонансных инверторов, так как они наименее охвачены в отечественной и зарубежной литературе. Произведен параметрический синтез инверторов, получены выражения, позволяющие определять области рациональных параметров элементов одноключевых инверторов, обеспечивающих устойчивую работу данных инверторов. Произведено имитационное моделирование применяемых схем электротехнологических установок с индукционным нагревом. Показаны преимущества, достигаемые путем применения новых согласующих высокочастотных трансформаторов с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов.

В третьей главе разработаны математические модели электротехнологических установок с промежуточной проводящей средой. Произведен расчет электромагнитного поля установок с определением интегральных характеристик. Рассчитано электромагнитное поле, проникающее сквозь промежуточную проводящую среду, определены параметры установки, при которых необходимо выполнение прорезей в промежуточной проводящей среде. Усовершенствована методика расчета индукторов для комплексных электротехнологических установок с учетом влияния добавочной проводящей среды на электротехнологическую установку. Разработана схема замещения комплексной установки, учитывающая влияние добавочной проводящей среды на параметры электромагнитного поля.

В четвертой главе приведена уточненная методика расчета согласующих высокочастотных трансформаторов. Произведено экспериментальное исследование индукционных установок для закалки плоских поверхностей и наружных цилиндрических поверхностей. Определены основные параметры данных установок, произведен поверочный расчет параметров. Осуществлено сопоставление экспериментальных данных с величинами, полученными в ходе поверочного расчета, проанализировано расхождение результатов экспериментального исследования и теоретического расчета. Разработана имитационная модель управляемого выпрямительного модуля с многофазным согласующим трансформатором для обеспечения электромагнитной

совместимости источников питания для электротехнологических установок с индукционным нагревом с сетью и нагрузкой, в том числе для улучшения гармонического состава кривой потребляемого тока, выпрямленного напряжения, снижения модуляции выпрямленного напряжения, исключения высших гармоник.

В приложениях приведены основные параметры выпускаемых согласующих высокочастотных трансформаторов, справочные данные для расчета согласующих высокочастотных трансформаторов с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов, параметры спроектированного согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов, определение параметров схемы замещения и модели согласующего высокочастотного трансформатора, определение параметров несимметричного одноячейкового инвертора и нагрузочного индукторно-конденсаторного модуля, расчет параметров индуктора с магнитопроводом для закалки плоских поверхностей, расчет параметров одновиткового индуктора для закалки наружных цилиндрических поверхностей, определение параметров симметричного мостового инвертора с удвоением частоты и нагрузочного индукторно-конденсаторного модуля, параметры материала магнитопровода согласующего трансформатора.

16 Глава 1

Современное состояние разработки и применение комплексных электротехнологических установок, и их элементов

В настоящее время существенно расширяется применение различных электротехнологических процессов, включающих индукционный нагрев, так как такой вид нагрева обладает значительными преимуществами [1-5].

Используемые для высокочастотного нагрева индукторы в полупроводниковых преобразователях частоты имеют коэффициент мощности 0,35 - 0,05 для средних частот и не более 0,01 для высоких частот [6]. Вследствие этого, использование таких индукторов с источниками питания электротехнологических установок приведет к потреблению большой реактивной мощности. Через элементы силовой цепи установки, а также через провода будут протекать большие по величине токи, что приведет к необходимости применения мощных приборов, таких как трансформаторы, дроссели, конденсаторы, а также применять соответствующим образом выбирать сечение проводов.

Применение компенсирующей батареи конденсаторов позволяет значительно повысить коэффициент мощности нагрузки, вследствие чего реактивная мощность будет замыкаться в колебательном контуре индуктор - компенсирующая батарея конденсаторов и не потребляться от инвертора [7], что существенно снизит значения токов через полупроводниковые приборы и остальные элементы преобразователя частоты.

В связи с большим распространением электротехнологических установок с индукционным нагревом, имеется большое количество отечественных и зарубежных литературных источников, посвященных описаниям [8, 9, 10], конструкции [И, 12], схемам [13], моделированию работы [14, 134], экспериментальным исследованиям [135], безопасности [15] данных установок с индукционным нагревом.

В настоящее время для решения задачи компенсации реактивной мощности индуктора применяются различные способы [1 - 4, 7, 16]:

1. Последовательная компенсация. При этом компенсирующая батарея конденсаторов подключается последовательно с нагрузкой, номинальный ток источника питания равен номинальному току индуктора, а выходное напряжение ниже напряжения на индукторе.

2. Параллельная компенсация. При этом компенсирующая батарея конденсаторов подключается параллельно нагрузке. При этом номинальное напряжение источника питания равно номинальному напряжению индуктора, а ток источника питания меньше тока индуктора.

3. Бестрансформаторные схемы повышения напряжения источника питания. К ним относятся автотрансформаторная схема и схема с емкостным делителем.

Автотрансформаторная схема включения нагрузочного контура с электротехнической точки зрения имеет значительные преимущества по сравнению с параллельной компенсацией. При относительно низком выходном напряжении, характерном для полупроводниковых преобразователей частоты с последовательным резонансным инвертором тока, составляющем 250...300 В, напряжение на компенсирующих конденсаторах Ск, от которого реактивная энергия зависит в квадрате, может быть увеличено до 800... 1000 В [17]. Однако управляемость теплового объекта существенно ухудшается, что является недостатком такого способа компенсации реактивной мощности индуктора [2].

1.1 Современные промышленные способы термообработки деталей

В настоящее время в промышленности для осуществления технологического процесса термообработки деталей применяются различные способы их нагрева. Среди данных способов можно отметить следующие [1, 3,4]:

1. Нагрев в печах сопротивления.

2. Нагрев в электродуговых печах.

3. Электроконтактный нагрев.

4. Радиационный нагрев.

5. Электронно-лучевой нагрев.

6. Индукционный нагрев.

Нагрев в печах сопротивления применяют, когда температура нагреваемых деталей не превышает 1000°С. Нагрев в таких печах происходит достаточно медленно, с последующей длительной выдержкой и медленным охлаждением.

При нагреве в электродуговых печах энергия выделяется в электрической дуге в вакууме или в газе. При этом возможно получение высоких температур нагреваемых деталей. Однако при таком способе нагрева возникают значительные перепады температур в деталях, что может привести к их повреждению. Также при таком способе нагрева трудно регулировать температуру нагрева.

При электроконтактном нагреве через детали непосредственно пропускают электрический ток, и в ней по закону Джоуля-Ленца выделяется тепло, в соответствии с формулой

Р = 12-г, (1.1)

где р - мощность, выделяющаяся в детали, Вт; / - сила тока, А; г - активное сопротивление детали, Ом.

Достоинствами электроконтактного способа является то, что тепло выделяется непосредственно в деталях, что увеличивает КПД данного нагрева. Но эффективным данный вид нагрева будет лишь тогда, когда длина детали превышает ее диаметр как минимум в 3-4 раза [3], поэтому такой способ применяется лишь для нагрева удлиненных деталей, таких как трубы, цилиндрические изделия. К недостаткам такого способа можно отнести неравномерность распределения тепла в деталях сложной формы, что может привести, например, к перегреву отдельных зон с повышенным электрическим сопротивлением (вследствие неодинакового поперечного сечения) или недостаточному нагреву частей изделия.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Горбунов, Антон Сергеевич, 2015 год

Список литературы

1. Антонов, И. Ф. Основы проектирования автоматизированных установок индукционного нагрева токами повышенной частоты: учеб. пособие / И. Ф. Антонов, Ю. М. Зинин, Ю. П. Ройзман. - Уфа: Издательство УГАТУ, 1996. -79 с.

2. Элементы индукционных установок / А. К. Белкин [и др.]; под ред. Ю. М. Гусева. - М.: Энергоатомиздат, 2007. - 140с.

3. Тиристорные преобразователи частоты / А. К. Белкин [и др.]. -М.: Энергоатомиздат, 2000. -263 с.

4. Болотов, А. В. Электротехнологические установки: Учеб. для вузов по спец. «Электроснабжение пром. предприятий» / А. В. Болотов, Г. А. Шепель. - М.: Высш. шк., 1988. - 336 с.

5. Рогинская, Л. Э. Влияние дросселей насыщения на электромагнитные процессы в высокочастотном инверторе / Л. Э. Рогинская, А. К. Белкин, А. А, Шуляк // Вестник УГАТУ. - 2009. - Т. 13, -№1. С. 166-176.

6. Разработка и проектирование тиристорных источников питания / А. К. Белкин [и др.]. - М.: Энергоатомиздат, 1994. - 222 с.

7. Индукционные установки / Ф. Ш. Абсалямов [и др.]. -М.: Энергоатомиздат, 2009. - 103 с.

8. Глуханов, Н. П. Физические основы высокочастотного нагрева / Н. П. Глуханов; под ред. А.Н. Шамова. - 5-е изд., перераб. и доп.

- Л.: Машиностроение, 1989. - 54 с.

9. Бодажков, В. А. Объемный индукционный нагрев / В. А. Бодажков; под ред. А.Н. Шамова. - 5-е изд., перераб. и доп.

- СПб.: Политехника, 1992. - 72 с.

10. Багаев, А. А. Электротехнология: учебное пособие / А. А. Багаев, А. И. Багаев, Л. В. Куликова. - Барнаул: Изд-во АГАУ, 2006. - 320 с.

11. Установки индукционного нагрева / А. Е. Слухоцкий [и др.]. -Л.: 1981.-328 с.

12. Тиристорный преобразователь частоты для индукционного нагрева ПЕТРА-0115А: Техническое описание и инструкция по эксплуатации Р01.15А.00.00.000 ТО. - Уфа, 1999. - 75 с.

13. Лавлесс, Дон Л. Обзор полупроводниковых источников питания для индукционного нагрева / Дон Л. Лавлесс; пер. Ю. И. Болтовский, Г. И. Таназлы // Силовая электроника. - 2007. - № 4. - С. 73-76.

14. Мещанов, Г. И. Высокочастный нагрев проводов при термообработке кабельных изделий / Г. И. Мещанов // Электротехника.

- 2009. - № 10.-С. 55-59.

15. Буканин, В. А. Некоторые вопросы безопасности индукционных электротермических установок / В. А. Буканин, А. Н. Иванов // Безопасность труда в промышленности. - 2012. - № 8. - С. 28-32.

16. Рогинская, Л. Э. Особенности работы полупроводниковых преобразователей, нагруженных на последовательный колебательный контур / Л. Э. Рогинская, Т. А. Гайнетдинов, Н. В. Листова // Материалы 2-ой всероссийской научно-технической конференции «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий»: сборник научных трудов.

- Уфа: УГНТУ, 2009. - С. 9-13.

17. Бадамшин, Р. А. Оптимальное терминальное управление системами с распределенными параметрами при неполном измерении их состояния / Р. А. Бадамшин, С. А. Горбатков, Е. А. Клестов.

- Уфа: Изд-во УГАТУ, 1997. - 313 с.

18. Бальян, Р. X. Тиристорные генераторы и инверторы / Р. X. Бальян / М. А. Сивере. - Л.: 1982. - 223 с.

19. Рогинская, Л. Э. Особенности работы резонансных преобразователей частоты на нелинейный индукторно-конденсаторный контур / Л. Э. Рогинская, Р. Р. Исмагилов, Т. А. Гайнетдинов // Вестник УГАТУ. - 2008. - Т. 10, - №1 (26). -С. 142-150.

20. Рогинская, Л .Э. Трансформаторно-индукторный комплекс с последовательным включением конденсатора в цепь нагрузки [Электронный

ресурс] / Л. Э. Рогинская, А. С. Горбунов. // Современные проблемы науки и образования. - 2013. — № 6. Режим доступа: http://www.science-education.rU/l 13-11608.

21. Зиновьев, Г. С. Силовая электроника: учеб. пособие для бакалавров / Г. С. Зиновьев. - 5-е изд., испр. и доп. - М.: Издательство Юрайт, 2015.-667 с.

22. Мухортова, Е. И. Пассивные элементы электрических цепей. Учебное пособие / Е. И. Мухортова, А. К. Белкин, А. А. Шуляк. - Уфа, 2012.-359 с.

23. Москатов, Е. А. Справочник по полупроводниковым приборам / Е. А. Москатов. 2-е издание. - Таганрог. - 219 с.

24. Силовые полупроводниковые приборы в мощных среднечастотных преобразователях частоты индукционных установок / В. Ковтун [и др.] // Компоненты и технологии. - 2004. - № 8. - С. 55-60.

25. Белкин, А. К. Индукционная установка для напайки алмазных сегментов к отрезным кругам / А. К. Белкин // Силовая электроника. - 2004. -№ 1. - С. 80-84.

26. Белкин, А. К. Индукционная установка для разогрева крайних ниппелей кронштейнов анододержателей / А. К. Белкин // Силовая электроника.

- 2005. -№ 1.-С. 100-103.

27. Гусев, Ю. М. Источники питания для электротехнологических установок / Ю. М. Гусев, Л. Э. Рогинская, Р. Р. Исмагилов; УГАТУ.

- Уфа: УГАТУ, 2009. - 87 с.

28. Кушекова, Э. Р. Повышение надежности тиристорных преобразователей частоты для электротехнологических установок / Э. Р. Кушекова, И. Л. Аитов // Силовая электроника. - 2009. - № 1. - С. 35^0.

29. Электромагнитные процессы и параметрический синтез одновентильных инверторов с обратным диодом для электротермии / А. В. Иванов [и др.] // Электричество. -№12. - 2003. - С. 40^5.

30. Силкин, Е. М. Автономные несимметричные одноключевые инверторы с закрытым входом для новых электротехнологических систем / Е. М. Силкин // Силовая электроника. - 2008. - № 2. - С. 110-116.

31. Силкин, Е. М. Несимметричные одноключевые инверторы в современной силовой электронике / Е. М. Силкин // Современная электроника.

- 2009. - № 1.-С. 48-56.

32. Выбор структуры и параметрический синтез симметричного резонансного инвертора / Л. Э. Рогинская [и др.] // Электротехника. - 1998.

- №7. - С. 1-5.

33. Зинин, Ю. М. Анализ электромагнитных процессов в мостовом резонансном инверторе с обратными диодами / Ю. М. Зинин // Электричество. -2009.-№9.-С. 31-36.

34. Силкин, Е. М. Параллельные инверторы напряжения для электротермии / Е. М. Силкин // Силовая электроника. - 2009. - № 1.

- С. 46-50.

35. Яров, В. М. Преобразователь частоты для индукционного нагрева под пайку / В. М. Яров, И. В. Кудров // Силовая электроника. - 2004. - № 2.

- С. 86-87.

36. Силкин, Е. М. Независимые инверторы напряжения с квазирезонансной коммутацией для высокочастотных применений / Е. М. Силкин // Силовая электроника. - 2009. - № 3. - С. 40-45.

37. Юлегин, А. Н. Предел мощности параллельного инвертора на высокой частоте / А. Н. Юлегин // Электричество. - 2014. - № 12.

- С. 23-36.

38. Хинов, X. П. Мощность последовательного инвертора / X. П. Хинов // Электричество. - 2009. - № 8. - С. 62-65.

39. Демидович, В. Б. Моделирование индукционного нагрева стальной проволоки / В. Б. Демидович, Ф. В. Чмиленко, П. А. Ситько // Электричество. - 2014. - № 8. - С. 62-67.

40. Моделирование индукционных нагревателей с учетом особенностей работы тиристорного преобразователя частоты с параллельным инвертором / В. Б. Демидович [и др.] // Электричество. - 2013. - № 10. - С. 52-59.

41. Патент РФ 2342808, МПК Н05В6/06. Устройство для проведения комбинированного электротехнологического процесса на основе последовательных инверторов напряжения / В. И. Лузгин [и др.]; заявл. 22.11.2007; опубл. 27.12.2008, Бюл. № 36. - 7 с.

42. Патент РФ 2280942, МПК Н02М7/515. Автономный инвертор / Л. И. Гутин [и др.]; заявл. 14.02.2005; опубл. 27.07.2006, Бюл. № 21. - 17 с.

43. Патент РФ 14334, МПК Н05В6/08, Н05В6/44. Устройство индукционного высокочастотного нагрева деталей / С. К. Земан; заявл. 16.12.1999; опубл. 10.07.2000. - 5 с.

44. Кук Рэй Л., Лавлесс Дон Л., Руднев В. И. Согласование с нагрузкой в современных системах индукционного нагрева / Рэй Л. Кук, Дон Л. Лавлесс, В. И. Руднев; пер. Ю.И. Болтовский, Г.И. Таназлы. // Силовая электроника. -2007.-№2.-С. 73-76.

45. Белопольский, И. И. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности / И. И. Белопольский, Е. И. Каретникова, Л. Г. Пикалова. 3-е изд. -М.: ИД Альянс, 2008. -400 с.

46. Расчет электромагнитных элементов источников вторичного электропитания / А. Н. Горский [и др.]. -М.: Радио и связь, 1988. - 176 с.

47. Вологдин, В с. В. Трансформаторы для высокочастотного нагрева / Вс. В. Вологдин; под ред. А. А. Фогеля. - М.: Машгиз, 1954. -43 с.

48. Русин, Ю. С. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппаратуры / Ю. С. Русин, И. Я. Гликман, А. Н. Горский. - М.: Радио и связь, 1991.-225 с.

49. Рогинская, Л. Э. Параметрический синтез высокочастотных трансформаторов с магнитопроводами из аморфных сплавов / Л. Э. Рогинская, А. С. Горбунов // Электроника, автоматика и измерительная техника:

межвузовский сборник научных трудов с международным участием. - 2011.

- С. 279-284.

50. Бальян, Р. X. Оптимальное проектирование силовых высокочастотных ферромагнитных устройств / Р. X. Бальян, В. П. Обрусник. — Томск: Изд-во Том. ун-та, 1987.- 164 с.

51. Стародубцев, Ю. Н. Теория и расчет трансформаторов малой мощности / Ю. Н. Стародубцев. - М.: ИП РадиоСофт, 2005.-320 с.

52. Гаммамет - продукция [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.gammamet.ru/ш/production.htm.

53. Стародубцев, Ю. Н. Магнитные свойства аморфных и нанокристаллических сплавов / Ю. Н. Стародубцев, В. Я. Белозеров.

- Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2002. - 384 с.

54. Стародубцев, Ю. Н. Нанокристаллические магнитомягкие материалы / Ю. Н. Стародубцев, В. Я. Белозеров // Компоненты и технологии. - 2007. - № 4.

- С. 240-242.

55. Стародубцев, Ю. Н. Аморфные металлические материалы / Ю. Н. Стародубцев, В. Я. Белозеров // Силовая электроника. - 2009. - № 2. -С. 35-40.

56. Кадочников, А.И. Динамические кривые перемагничивания тороидального магнитопровода из аморфного сплава СобзРедС^ЬзВц в диапазоне частот 50-10000 Гц / А. И. Кадочников, Ю. Н. Стародубцев, В. П. Малюк // Электричество. - 2005. - № 1. - С. 50-54.

57. Кадочников, А. И. Динамика перемагничивания аморфного магнитопровода при пониженных амплитудах индукции / А. И. Кадочников, Ю. Н. Стародубцев, В. П. Малюк // Электричество. - 2006. - № 4. - С. 65-67.

58. Фоченков, Э. Применение малогабаритных помехоподавляющих магнитопроводов из аморфных металлических сплавов / Э. Фоченков // Радио. -2003. -№ 2 .-С. 31-33.

59. Данилевич, Я. Б. Распределительные трансформаторы нового поколения из аморфной стали / Я. Б. Данилевич, К. С. Иванов // Известия Российской академии наук. Энергетика. - 2006. - № 5. - С. 53-56.

60. Пейсахович, В. А Оборудование для высокочастотной сварки металлов / В. А. Пейсахович. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ние, 1988. -208 с.

61. Рыськова, 3. А. Трансформаторы для электрической контактной сварки / 3. А. Рыськова, П. Д. Федоров, В. И. Жимерева. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 424с.

62. Слухоцкий, А. Е. Индукторы / А. Е. Слухоцкий; под ред. А. Н. Шамова. 5-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1989. -69 с.

63. Слухоцкий, А. Е Индукторы для индукционного нагрева / А. Е. Слухоцкий, С. Е. Рыскин - Л.: Энергия, 1974. - 264 с.

64. Гребенюк, В. Ф. Выбор конфигурации и расчет индукторов для высокочастотного нагрева: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию / В. Ф. Гребенюк, В. И. Хомутов, Е. В. Калмыков. - Оренбург: ГОУ ВПО ОГУ, 2002. - 31 с.

65. Корягин, Ю. Д. Индукционная закалка сталей: учебное пособие / Ю. Д. Корягин, В. И. Филатов. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2006. - 52 с.

66. Химические аппараты с индукционным обогревом / С. А. Горбатков [и др.]. -М.: Химия, 1985. - 176 с.

67. Царевский, В. А. Индукционный нагрев кольцевых стыков труб большого диаметра / В. А. Царевский // Силовая электроника. - 2009. - № 2. -С. 20-25.

68. Измерение параметров индукторов установок индукционного нагрева на режимах, близких к номинальным / Ю. И. Болотовский [и др.] //Силовая электроника.-2005.-№ 1.-С. 104-106.

69. Карабан, В. М. Исследование уровня выделения мощности индукторов на заготовку в зависимости от геометрии в ANSYS Maxwell

/ В.М. Карабан, И.Д. Зырин // ANSYS Advantage. Русская редакция. - № 18. -2012.-С. 20-23.

70. Расчет электрических и энергетических характеристик стержневого индуктора для нагрева ферромагнитной загрузки / А. Б. Кувалдин [и др.] // Электричество. - 2009. - № 10. - С. 54-61.

71. Петров, Ю. Б. Индукционная плавка окислов / Ю. Б. Петров. -Д.: 1983.- 104 с.

72. Бабат, Г. И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение / Г. И. Бабат. - JL: 1965. - 552 с.

73. Патент РФ 2533400, МПК С23С10/36. Способ нанесения цинкового покрытия и установка для его осуществления / В. И. Кубанцев [и др.]; заявл. 26.10.2012; опубл. 20.11.2014, Бюл. № 32. - 16 с.

74. Патент РФ 2527593, МПК С23С10/36. Способ термодиффузионного цинкования изделий из ферромагнитных материалов. В. И. Кубанцев, М. JI. Трачевский, М. Ф. Брунова; заявл. 19.02.2013; опубл. 10.09.2014, Бюл. № 25. - 13 с.

75. Патент РФ 2424351, МПК С23С10/36. Способ нанесения цинкового покрытия и установка для его осуществления / В. И. Кубанцев, Д. С. Савицкий; заявл. 17.08.2009; опубл. 20.07.2011, Бюл. № 20. - 14 с.

76. Патент РФ 132447, МПК С23С10/36. Установка для нанесения цинкового покрытия на изделия из ферромагнитных материалов путем термо диффузионного цинкования / В. И. Кубанцев; заявл. 15.10.2012; опубл. 20.09.2013, Бюл. № 26. - 2 с.

77. Вильяме Д. Дж. Основные принципы подбора источников питания для индукционного нагрева стержней и проволоки / Д. Дж. Вильмс, Г. Дж. Траверс; пер. Ю. И. Болотвский, Г. И. Таназлы // Силовая электроника. - 2007. -№ 3. - С. 100-105.

78. Демидович В. Б. Особенности применения индукционных нагревателей в линиях горячего цинкования стальной ленты / В. Б. Демидович, Ф. В. Чмиленко // Индукционный нагрев. - 2009. - № 10. - С. 4-7.

79. Тихомиров, П. М. Расчет трансформаторов / П. М. Тихомиров.

- 5-е изд., перераб. и доп. - Москва: Альянс, 2013. - 528 с.

80. Вдовин С. С. Проектирование импульсных трансформаторов / С. С. Вдовин. 2-е изд., перераб. и доп. - Ленинград: Энергоатомиздат, 1991.-207 с.

81. Иванов, Г. Е. Расчет геометрических размеров дросселей с сердечником из электротехнической стали / Г. Е. Иванов // Тиристорные источники питания современных электротехнических установок повышенной частоты. - 1997. -№ 12. - С. 72-83.

82. Патент РФ 131231, МПК Н01Р30/12. Антирезонансный трехфазный трансформатор напряжения с ленточным магнитопроводом / Ф. Р. Исмагилов [и др.]; заявл. 16.01.2013; опубл. 10.08.2013, Бюл. № 22.

- 1 с.

83. Морозовский, Ю. Новая технология ишсоге для изготовления магнитопроводов / 10. Морозовский // Компоненты и технологии. - 2006. - № 8. -С. 32-39.

84. Бурман, А. П. Управление потоками электроэнергии и повышение эффективности электроэнергетических систем: учебное пособие / А. П. Бурман, Ю. К. Розанов, Ю. Г. Шакарян. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012.-336 с.

85. Исмагилов, Ф. Р. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике в вопросах и ответах: учебное пособие / Ф. Р. Исмагилов, Д. В. Максудов. - Уфа: УГАТУ, 2005. - 85 с.

86. Основы современной энергетики: Курс лекций для менеджеров энергетических компаний. В двух частях. Часть 2. Современная электроэнергетика / А. П. Бурман [и др.]; под общей редакцией Е. В. Аметистова. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - 454 с.

87. Патент РФ 126232, МПК Н02М7/10. Многофазный преобразователь на базе фазопреобразующего трансформатора

/ Л. Э. Рогинская, 3. И. Ялалова; заявл. 01.10.2012; опубл. 20.03.2013, Бюл. №8.-2 с.

88. Ялалова, 3. И. Определение электромагнитной совместимости фазопреобразующих трансформаторов преобразовательных установок / 3. И. Ялалова, Л. Э. Рогинская, Ю. В. Рахманова // ЭЛЕКТРО. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. - 2013. - №2. -С. 16-20.

89. Мятеж, С. В. Трансформаторные преобразователи числа фаз с улучшенными энергетическими показателями: автореф. дис. ...канд. техн. наук: 05.09.01 / Мятеж Сергей Владимирович. - Новосибирск, 2003. - 19 с.

90. Казаков, В. В. Источники питания. Многофазные трансформаторы-преобразователи. Многофазные выпрямители / В. В. Казаков // Силовая электроника. - 2006. - № 4. - С. 50-52.

91. Ворфоломеев, Г. Н. Обзор схемных решений преобразователей числа фаз на трансформаторах / Г. Н. Ворфоломеев, С. В. Мятеж, Н. И. Щуров // Совершенствование технических средств электрического транспорта. Выпуск 2: Сборник научных трудов. - Новосибирск, 2001. - С. 78-96.

92. Патент РФ 2443049, МПК Н02М7/06. Двенадцатифазный преобразователь Сучкова / В. А. Сучков; заявл. 01.03.2011; опубл. 20.02.2012, Бюл. №5.-9 с.

93. Гайнетдинов, Т. А. Индукторно-трансформаторный комплекс для высокочастотной термообработки материалов (разработка и исселедование): автореф. дис. ...канд. техн. наук: 05.09.03 / Гайнетдинов Тимур Айратович. - Уфа, 2010. - 19 с.

94. Аксенов, А.И. Резисторы. Конденсаторы. Провода, припои, флюсы: Справочное пособие / А.И. Аксенов, А.В. Нефедов. - М.: СОЛОН-Р, 2000. - 240 с.

95. Конденсаторы: Справочник / И. И. Четвертков [и др.]; под ред. И. И. Четверткова, М. Н. Дьяконова. - М.: Радио и связь, 1993. - 392 с.

96. Горбунов, А. С. Применение пакета программ Ма^аЬ при расчете и проектировании источников питания для индукционного нагрева

/ A.C. Горбунов // Наука и молодежь в XXI веке / Материалы региональной студенческой научной конференции. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. — С. 80-86.

97. Черных, И. В. SIMULINK: среда создания инженерных приложений / И. В. Черных; под общ. ред. В. Г. Потемкина. -М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003.- 496 с.

98. Черных, И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, S imPower Systems и Simulink / И. В. Черных. - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008.-288 с.

99. Герман-Галкин, С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в Matlab 6.0: Учеб. пособие / С. Г. Герман-Галкин.

- СПб. : КОРОНА принт, 2001. - 320 с.

100. Герман-Галкин, С. Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК: учебное пособие для вузов / С. Г. Герман-Галкин.

- СПб : КОРОНА-Век, 2008. - 368 с.

101. Горбунов, А. С. Взаимоиндуктивные модули в установках для электротехнологий / А. С. Горбунов // Актуальные проблемы в науке и технике. Том 2. Машиностроение, электроника, приборостроение: Сборник научных трудов Восьмой Всероссийской зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых, 19-20 февраля 2013 г. - Уфа: УГАТУ, 2013. - С. 70-73.

102. Горбунов, А. С. Исследование электромагнитных процессов в полупроводниковых преобразователях частоты для электротехнологий / А. С. Горбунов // Материалы докладов VIII Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. ректора КГЭУ Э. Ю. Абдуллазянова. В 4 т.; Т. 1. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2013. -С. 211-212.

103. Горбунов, А. С. Улучшение энергетических показателей преобразователей частоты для индукционного нагрева с помощью высокочастотных согласующих трансформаторов / А. С. Горбунов // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Девятнадцатая Междунар.

науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 4 т. Т. 2. - М.: Издательский дом МЭИ, 2013. - С. 294.

104. Горбунов, А. С. Расчет и моделирование индукционной установки для плавки окислов / А. С. Горбунов, Р. Т. Кунафин // XXXIX Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 9 томах. Москва, 9-13 апреля 2013 г. - М.: Из-во: "МАТИ"-РГТУ им. К. Э. Циолковского, 2013. -С.116-117.

105. Исмагилов, Р. Р. Источники питания для разрядно-импульсной технологии: Лабораторный практикум по дисциплинам «Основы электротехнологии» и «Источники питания разрядно-импульсной технологии» / Р. Р. Исмагилов, Л. Э. Рогинская. - Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет, 2007. - 31 с.

106. Рогинская, Л. Э. Программа для исследования одноячейкового несимметричного инвертора с повышенным выходным напряжением / Л. Э. Рогинская, Р. Р. Исмагилов, А. С. Горбунов // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. № 2011611332, от 10.02.2011.

107. Рогинская, Л. Э. Программа для исследования одноячейкового несимметричного инвертора с трансформаторным выходом и с учетом насыщения индуктора / Л. Э. Рогинская, Р. Р. Исмагилов, А. С. Горбунов // Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. № 2011611333, от 10.02.2011.

108. Рогинская, Л. Э. Программа для исследования электротехнического комплекса для индукционного нагрева на базе одноячейкового несимметричного инвертора с учетом насыщения индуктора / Л. Э. Рогинская, Р. Р. Исмагилов, А. С. Горбунов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. № 2011612261, от 17.03.2011.

109. Рогинская, Л. Э. Высокочастотный источник питания для электротехнологий / Л. Э. Рогинская, Р. Р. Исмагилов, А. С. Горбунов // Физико-математическое моделирование систем: материалы VII Междунар.

семинара. Воронеж: ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. Ч. 2. С. 189-194.

110. Патент РФ 131538, МПК Н02М7/44. Инвертор (варианты) / JI. Э. Рогинская, А. С. Горбунов, Д. В. Гусаков; заявл. 18.02.2013; опубл. 20.08.2013, Бюл. № 23. - 2 с.

111. Рогинская, JL Э. Программа для моделирования полупроводниковых преобразователей частоты с взаимоиндуктивными модулями / JL Э. Рогинская, А. С. Горбунов, Д. В. Гусаков // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. № 2013618410, от 09.09.2013.

112. Рогинская, Л. Э. Моделирование комплексной электротехнологической установки для индукционного нагрева и одновременного нанесения защитных покрытий / J1. Э. Рогинская, А. С. Горбунов // Физико-математическое моделирование систем: материалы X Междунар. семинара. Ч. 2. - Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013. - С. 141-144.

113. Рогинская, Л. Э. Комплексная электротехнологическая установка для нанесения защитных покрытий на детали в электромагнитном поле переменного тока / JI. Э. Рогинская, А. С. Горбунов, Н. В. Листова // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: сборник научных трудов I Международной (IV Всероссийской) научно-технической конференции / редкол.: В. А. Шабанов и др. - Уфа: «Нефтегазовое дело», 2013. - С. 163-165.

114. Рогинская, Л. Э. Расчет параметров электротехнологических установок с добавочными проводящими средами / Л. Э. Рогинская, А. С. Горбунов, О. А. Бойкова // Современные тенденции в образовании и науке: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 31 октября 2013 г.: в 26 частях. Часть 26. - Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2013. - С. 92-94.

115. Управление однофазной пятидесятигерцовой индукционной плавильной печью с помощью встречно-параллельно включенных тиристоров / Ю. И. Болотовский [и др.] // Силовая электроника. - 2008. - № 2. - С. 80-85.

116. Рогинская, JI. Э. Расчет параметров комплексной электротехнологической установки, включающей индукционный нагрев деталей [Электронный ресурс] / Л. Э. Рогинская, А. С. Горбунов, А. А. Шуляк // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 6. Режим доступа: http://www.science-education.ru/106-8042.

117. Рогинская, Л. Э. Применение согласующих трансформаторов в источниках питания для индукционного нагрева / Л. Э. Рогинская, А. С. Горбунов, О. А. Бойкова // Современные тенденции в образовании и науке: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 31 октября 2013 г.: в 26 частях. Часть 26. - Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2013. - С. 94-96.

118. Рогинская, Л.Э. Расчет электромагнитного поля в комплексных электротехнологических установках для индукционного нагрева / Л. Э. Рогинская, А. С. Горбунов // Вестник УГАТУ. - 2014. - Т. 18. - № 2 (63). -С. 61-68.

119. Теоретические основы электротехники: учебник для ВУЗов в 3-х тт. / К. С. Демирчян [и др.]. - СПб.: Изд-во Питер, 2003. - Т. 3. - 377 с.

120. Электромеханические демпфирующие преобразователи с распределенными параметрами: учебное пособие / Р. Р. Саттаров [и др.]; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2009. - 242 с.

121. Янке, Е. Специальные функции. Формулы, графики, таблицы / Е. Янке, Ф. Эмде, Ф. Леш. - Изд. 3-е, стереотип. - Москва: Наука, 1977. -342 с.

122. Бодажков, В. А. Индукционный нагрев труб / В. А. Бодажков. -Л.: Издательство «Машиностроение», 1969. - 152 с.

123. Серебряков, А. С. MATHCAD и решение задач электротехники: учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта / А. С. Серебряков, В. В. Шумейко.

- М.: Маршрут, 2005. - 240 с.

124. Кувалдин, А. Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали / А. Б. Кувалдин. - М.: Энегоатомиздат, 1988. - 200 с.

125. Рогинская, JI. Э. Влияние диаметра промежуточной цилиндрической проводящей среды при индукционном нагреве деталей токами промышленной частоты / Л. Э. Рогинская, А. С. Горбунов // Вопросы образования и науки: теоретический и методический аспекты: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 31 мая 2014 г.: в 11 частях. Часть 5. - Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком», 2014. - С. 117-120.

126. Производство провод ЛЭТЛО [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.kabelino.ru/notices/id_35330.

127. Чунихин, А. А. Электрические аппараты. Общий курс / А. А. Чунихин. - М.: Альянс, 2013. - 720 с.

128. Антонов, Б. М. Экспериментальные исследования поверхностной закалки рельсов токами высокой частоты / Б. М. Антонов [и др.] // Электричество. - 2004. - № 2. - С. 55-63.

129. Серебряков, А. С. Трансформаторы: учеб. пособие / А. С. Серебряков. - М.: Издательский дом МЭИ, 2014. - 360 с.

130. Рогинская, Л. Э. Улучшение электромагнитной совместимости преобразовательных устройств с сетью и нагрузкой с помощью многофазных трансформаторов / Л. Э. Рогинская, А. С. Горбунов, 3. И. Ялалова // Электротехнические и информационные комплексы и системы, УГУЭС.

- № 3. - Т. 10. - 2014. - С. 21-30.

131. Рогинская, Л. Э. Электромагнитные процессы в многофазном выпрямительном трансформаторе / Л. Э. Рогинская, А. С. Горбунов, 3. И. Ялалова // Электроэнергетические системы и сети. Энергосбережение: Межвузовский научный сборник. - Уфа: УГАТУ, 2013. - С. 266-270.

132. Рогинская, JI. Э. Особенности имитационного моделирования трехфазных трансформаторов, работающих на нелинейную (выпрямительную) нагрузку / Л. Э. Рогинская, А. С. Горбунов // Электроэнергетические системы и сети. Энергосбережение: Межвузовский научный сборник. - Уфа: УГАТУ, 2013. - С. 243-247.

133. Патент РФ 143244, МПК Н02М5/14 Многофазный трансформаторный преобразователь числа фаз / Ю. В. Рахманова, Л. Э. Рогинская, А. С. Горбунов, П. В. Шилов; заявл. 04.03.2014, опубл. 20.07.2014, Бюл. № 20. - 2 с.

134. Numerical simulation of cylindrical induction heating furnaces / Berm'udez A. [etc.] // Progress in Industrial Mathematics at ECMI 2004.

- Berlin: Springer, 2006. - 678 p.

135. RF and microwave rapid magnetic induction heating of silicon wafers / Thompson K. [etc.] // Advances in microwave and radio frequency processing. Report from the 8th International Conference on Microwave and High Frequency Heating held in Bayreuth, Germany, September 3-7, 2001. Berlin: Springer, 2006. PP. 673-680.

136. Rudnev, V. Handbook of Induction Heating / V. Rudnev [etc.].

- New York: Marcel Dekker, 2003. - 779 p.

137. Steel heat treatment: equipment and process design / G. E. Totten [etc.]; ed. by G. E. Totten. - Boca Raton [etc.]: CRC Press [etc.], 2007. - 714 p.

138. Rodriguez, J. I. Nonresonant and resonant frequency-selectable induction-heating targets / J. I. Rodriguez, S. B. Leeb // IEEE Transactions on industrial electronics. - vol. 57. -№ 9. -2010. - PP. 3095-3108.

139. Borage, M. A 25kW, 25kHz Induction Heating Power Supply for MOVPE System Using L-LC Resonant Inverter [Электронный ресурс] / M. Borage, S. Tiwari // Advances in Power Electronics. - vol. 2013. - 2013. Режим доступа: http://www.hindawi.com/journals/ape/2013/584129/

140. Shanthi, S. Design and implementation of low-cost power efficient embedded control systems in domestic induction heating appliances / S. Shanthi,

S. Muthukrishnan, M. Tech // International journal of emerging technology and advanced engineering. - vol. 3. - issue 12. - 2013. — PP. 577—582.

141. Goldman, A. Modern ferrite technology / A. Goldman. 2nd ed. - New York: Springer, 2006. - 438 p.

142. Amorphous metal cores for distribution transformers [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.enpay.com/en/product.php?id=75.

Приложение А. Основные параметры выпускаемых согласующих высокочастотных трансформаторов

На рисунке 1 приведен применяемый в электротехнологических установках с индукционным нагревом для закалки закалочный трансформатор Т34-800 [2].

. 46КС8£*3$-. я

у» Ш-с- ,

\ ■ V чщ

' " Д N К.

фиг ч' .

■ Г*

Рисунок 1 - Закалочный трансформатор Т34-800 Трансформатор закалочный Т34-800 имеет следующие технические характеристики (таблица 1) [2]: Таблица 1

Частота тока номинальная, Гц 2400; 4000: 8000; 10000

Мощность поминальная на частоте 2400 Гц, кВА 800

Мощность номинальная на частоте 4000 Гц, кВА 720

Мощность поминальная на частоте 8000 Гц, кВА 640

Мощность номинальная на частоте 10000 Гц, кВА 600

Напряжение первичной обмотки, номинальное, В 800

Напряжение вторичной обмотки, номинальное, В 33...260

Коэффициент трансформации при холостом ходе 3...24

Расход охлаждающей воды, не менее, м3 / ч 1,05

Коэффициент полезного действия, не менее, % 85

Трансформатор закалочный Т37-800 имеет следующие технические характеристики (таблица 2) [2]: Таблица 2

Частота тока номинальная, Гц 2400; 4000: 8000; 10000

Мощность номинальная на частоте 2400 Гц, кВА 800

Мощность номинальная на частоте 4000 Гц, кВА 720

Мощность номинальная на частоте 8000 Гц, кВА 640

Мощность номинальная на частоте 10000 Гц, кВА 600

Напряжение первичной обмотки, номинальное, В 800; 400

Напряжение вторичной обмотки, номинальное, В 33...266

Коэффициент трансформации при холостом ходе и номинальном напряжении первичной обмотки 800 В 3...24

Коэффициент трансформации при холостом ходе и номинальном напряжении первичной обмотки 400 В 1,5...12

Расход охлаждающей воды, не менее, м3 / ч 1,4

Коэффициент полезного действия, не менее, % 86

Трансформатор закалочный ТЗК-200-10 имеет следующие технические характеристики (таблица 3) [2]: Таблица 3

Мощность номинальная на частоте 10 кГц, кВА 200

Частота тока номинальная, кГц 10

Напряжение первичной обмотки, номинальное, В 400

Напряжение вторичной обмотки, номинальное, В 33...266

Коэффициент трансформации при холостом ходе 1,5...12

Расход охлаждающей воды, не менее, м3 / ч 1,0

Коэффициент полезного действия, не менее, % 86

Трансформатор согласующий ТСК-100-2,4 имеет следующие технические характеристики (таблица 4) [2]: Таблица 4

Мощность номинальная на частоте 10 кГц, кВ А 100

Частота тока номинальная, кГц 2,4

Напряжение первичной обмотки, номинальное, В 270

Напряжение вторичной обмотки, номинальное, В 500

Коэффициент трансформации при холостом ходе 1,0...1,7

Расход охлаждающей воды, не менее, м3 / ч 0,5

Коэффициент полезного действия, не менее, % 86

Автотрансформатор согласующий АТС-160-10 (рисунок 2) имеет следующие технические характеристики (таблица 5) [2]: Таблица 5

Мощность номинальная на частоте 10 кГц, кВА 160

Частота тока номинальная, кГц 10

Напряжение первичной обмотки, номинальное, В 250...270

Напряжение вторичной обмотки, номинальное, В 500...800

Общее число витков 19

Расход охлаждающей воды, не менее, м3 / ч 1,0

Коэффициент полезного действия, не менее, % 85

Рисунок 2 - Автотрансформатор АТС-160-10

Приложение Б. Справочные данные для расчета согласующих высокочастотных трансформаторов с магнитопроводами из аморфных или нанокристаллических сплавов

Таблица 6 - Физические свойства магнитопроводов Гаммамет© в защитном

контейнере [51]

Магни-топровод Магнитная индукция насыщения, Тл Начальная относительная магнитная проницаемость Максимальная относительная магнитная проницаемость Коэффициент прямоуголь-ности петли магнитного гистерезиса Коэрцитивная сила, А/м Удельные магнитные потери (0,2 Тл, 20 кГц), Вт/кг Температура Кюри, °С Плотность кг/м3

ГМ 501 0,43 150000 600000 0,6 0,15 3,6 160 7700

ГМ 414 1,15 60000 300000 0,6 1 4,5 600 7400

ГМ 503А 0,58 5000 1500000 0,92 0,2 8,5 260 7700

ГМ412А 1,12 10000 600000 0,9 1,2 10 610 7400

ГМ 440А 1,5 1000 200000 0.9 4 30 420 7300

ГМ515А 0,95 150 250000 0,95 1,5 60 500 7900

ГМ 503В 0,58 40000 50000 0,03 0,25 2,6 260 7700

ГМ 412В 1.12 30000 45000 0,07 1,2 3 610 7400

ГМ 440В 1,5 8000 20000 0,06 4 8 420 7300

ГМ 515В 0,95 1500 1550 <0,01 1,5 12 500 7900

Таблица 7 - Аппроксимация удельных магнитных потерь в магнитопроводе

ГМ 414 в виде формулы P,=r-fp -Bsm, Вт/кг [51]

Класс Частота/<3 кГц Частота 200 > f> 3 кГц

Вт < 0,05 Тл 0,2 > Вт > 0,05 Тл 1 >Вт> 0,2 Тл Bm < 1 ТЛ

1 0,0032- у1'14 • В2'5 7 «/ т 0,00096 -fM-B2ml 0,00039-/U-5U " J т 7,5-10"6 - f1'1 • В2т

2 0,0024- /114 - В2,5 7 J т 0,00072-/1Д4 -В2тх 0,00031 -f'2-Bx* 5,5-10"6 -/''7 -В2т

3 0,0019-/и4 -В2т5 0,000055 -В2" ' J т 0,00024- f]'2 • Bl,s 7 J m 4,3-10"6 • f1,1 -В2т

Приложение В. Параметры спроектированного согласующего высокочастотного трансформатора с магнитопроводом из аморфных или нанокристаллических сплавов

Полученные данные:

Таблица 8 - Параметры трансформатора

Обозначение параметра Значение параметра

/ь А 33,3

Ь, А 12,6

Вт, Тл 0,49

рм, Вт 35,14

Роб, Вт 8,35

п,% 99,5

/о, А 0,17

/о, % 0,5%

тм, кг 1,12

»7об1, КГ 0,239

т0ы, кг 0,348

Аэб. макс., °С 118

Геометрические параметры (размеры в миллиметрах):

212,%

о,' тдЕш Н И; j-Ж- ***** ■Sil: Ii J ^is

"нггшттпР^-^ 130 175

Рисунок 3 - Согласующий трансформатор

Приложение Г. Определение параметров схемы замещения и модели согласующего высокочастотного трансформатора

Активное сопротивление первичной обмотки

Я =

Р' кшх 1,7 • 10"8 • 11,7 • 10"2 • 1 • 1,26 • 20

Smi 10,04- Ю-6 (1)

= 0,005 Ом.

Активное сопротивление вторичной обмотки

_p-lBm2-kJ1-kT-wl _1,7-10"8-16-10'2-М,26-53 _

" 4,02-10"6 ~ (2)

= 0,045 Ом.

Активная составляющая тока холостого хода

7 £!L=35!14= 0117А> (3)

0а Ux 300

Реактивная составляющая тока холостого хода

Я-/ст 5-47,9-10

-2

'ор =-" =-Ь-= 0,12 А, (4)

20

где Н= 5 А/м - напряженность магнитного поля, по кривой намагничивания [51]; 1ст = 47,9-10'2 м - средняя длина магнитопровода [51]. Ток холостого хода

/0 = ^оа + 4 = л/0Д 172 + 0,122 = 0,168 А . (5)

Ток холостого хода, выраженный в процентах от номинального тока первичной обмотки, %

/0%=^-Ю0 = -^^-Ю0 = 0,5%. (6)

/, 33,3

Индуктивное сопротивление цепи намагничивания

со-112 = — = 25000м. (7)

/ор ОД 2

(о = 2-к-/ = 2-3,14-22000 = 138160 рад/сек. Индуктивность цепи намагничивания

со 138160 Активное сопротивление цепи намагничивания

(9)

^12 ~

и; зоо-

= 2561,2 Ом.

(10)

Ри 35,14

Индуктивное сопротивление вторичной обмотки (размеры в соответствии с рисунком [45]

х2 =8-к- у

Аиз«о'1п

'АЛ

Ч^В у

+ —-1п

V

2 • к

^ ИЗ МО

2-к.

В

н У/

х10 =8-3,14-22000-53 х

/ /

(П)

1,3-1п

212,94 ) , 48,49 89,66

1п

1 +

2-1,3 89,66

1

2-1,3 212,94 Уу

Ю-10 = 0,33 Ом,

где Л, = 48,49 мм - размер трансформатора, в соответствии с рисунком в [45],

Индуктивность рассеяния вторичной обмотки

*2 _ 0,33 _ 0 ,, 1 Л.б

= 2,3 -10 Гн.

со 138160

Сопротивления для последовательной цепи намагничивания

(12)

Х-

12

Д0 = ^12--1-Т

V2 А- V2

кп +ли

= 2561,2-

2500'

2561,22 +25002

= 1249,6 Ом;

Хп = X,-, - —г^—г- = 2500 • 256122

0 12 р2 + V2 12 12

-г = 1280,2 Ом; 2561,2 +2500

со 138160

В компьютерной модели в пакете МайаЪ параметры трансформатора задаются в относительных единицах. Эти параметры зависят от номинальной мощности трансформатора Рт, номинальной частоты /и, и номинального напряжения II соответствующей обмотки. Активное сопротивление обмотки в относительных единицах определяется следующим образом

= (14)

баз

где Кб аз - базовое активное сопротивление, Ом.

Индуктивность рассеяния в относительных единицах определяется следующим образом

= (15)

^баз

где ¿баз - базовая индуктивность рассеяния, Гн.

Базовое активное сопротивление первичной обмотки

_Ц2 _ 3002 — — —

Чш1-------= 9 Ом. (16)

633 Рт 10000

Базовое активное сопротивление вторичной обмотки

= ^ = (17)

6332 Рт 10000

Базовая индуктивность рассеяния первичной обмотки

¿баз! = =---= 65Л • 10"6 Гн. (18)

6331 2 • л; • /н 2-3,14-22000

Базовая индуктивность рассеяния вторичной обмотки

¿баз2 = ^6аз2 =-—-= 463,2-10"6 Гн. (19)

6332 2 • л; • /н 2-3,14-22000

Для определения базового активного сопротивления магнитной цепи используем номинальное напряжение первичной обмотки и номинальную мощность трансформатора

и2 3002

^,26»= —= ^- = 90м. (20)

Рт 10000

Характеристика намагничивания согласующего трансформатора с магнитным сердечником моделируется в виде кусочно-линейной зависимости потокосцепления \|/ от намагничивающего тока /о [98]. Указанные величины также указываются в относительных единицах. Относительное потокосцепление

= —, (21)

Убаз

где \|/баз — базовое потокосцепление, Вб.

Относительный намагничивающий ток

'о* =7*4 (22)

Обаз

где /обаз - базовый намагничивающий ток, А.

Для расчета в относительных единицах потокосцепления и намагничивающего тока необходимо аналогично определить базовые значения потокосцепления и намагничивающего тока. Базовое потокосцепление определяется следующим образом

= 300= 0,00307 Вб. (23)

633 2-тг-/н 2.3,14-22000

Базовый намагничивающий ток

¡ш = —————= 47,14 А. (24)

баз ^ 300

Активное сопротивление первичной обмотки в относительных единицах

R

= = 0,000556 o.e. (25)

Ябаз. 9

Активное сопротивление вторичной обмотки в относительных единицах

R2 _ 0,045

R; = -2- = -г-= 0,000703 o.e. (26)

Ябаз! 64

Индуктивность рассеяния вторичной обмотки в относительных единицах

L2 2,3-10

-6