книги / Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике

Список литературы

1.Плавильные комплексы на основе индукционных тигельных печей и их математическое моделирование: учеб. пособие / В.И. Лузгин, С.Ф. Сарапулов, Ф.Н. Сарапулов, Б.А. Сокунов, Д.Н. Томашевский, В.Э. Фризен, И.В. Черных, В.В. Шипицын. – Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2005. – 464 с.

2.Структурное моделирование тепловых процессов в электротермических установках: учеб. пособие / В.В. Гоман, С.М. Мезенин, В.А. Прахт, С.Ф. Сарапулов, Ф.Н. Сарапулов, С.А. Федореев; под общ. ред. Ф.Н. Сарапулова. – Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2009. – 343 с.

3.Петров А.Ю. Система индукционного нагрева трубных заготовок и формирование эффективных режимов ее работы: дис. … канд техн. наук. – Екате-

ринбург, 2007. – 196 с.

4.Modeling induction heating of a composite billet // V.I. Luzgin, A.Yu. Pet-

rov, V.A. Prakht, F.N. Sarapulov, V.E. Frizen // Proceedings of International Simposium on Heating by electromagnetic Sources. – Italy, 2007. – Р. 341–348.

5.Прахт В.А., Петров А.Ю., Сарапулов Ф.Н. Компьютерная программа проектирования установки индукционного нагрева движущихся трубных заготовок. – Промышленная энергетика. – 2010. – № 5. – С. 34–37.

6.Немков В.С., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. – Л.: Энергоатомиздат, 1988. – 256 c.

7.Демидович В.Б. Теория, исследование и разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности: дис. … д-ра техн. наук. –

СПб., 2002. – 316 с.

8.Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 200 с.

Одной из тенденций в развитии электромеханики является разработка линейных индукционных машин (ЛИМ) технологического назначения. В таких электрических машинах бегущее магнитное поле, создаваемое трехфазной обмоткой индуктора, непосредственно воздействует на обрабатываемые материалы и изделия. Наиболее известны варианты их применения в МГДтехнологиях [1, 2]. Расширяется использование ЛИМ для электродинамической сепарации твердых металлосодержащих отходов либо сортировки цветного металлолома при подготовке его к металлургическому переделу [3–5]. Перспективно применение бегущих магнитных полей в установках индукционного на-

грева, где рационально используются как тепловая, так и механическая энергия ЛИМ [6, 7], в электромагнитных устройствах для натяжения и выравнивания листов и полос в линиях прокатных ста-

нов [8, 9] и т.д.

Во всех указанных случаях вторичным элементом (ВЭ) ЛИМ служат жидкий металл, либо извлекаемые из отходов проводящие частицы и предметы, либо обрабатываемые прокатные изделия. Поскольку свойства таких ВЭ заданы технологической задачей, то разработчики ЛИМ технологического назначения ограничены в выборе средств повышения технико-экономических показателей индукционных устройств. В то же время появляется возможность ис-

пользования технических решений, нетрадиционных для обычных электрических машин. Одним из таких решений является применение в ЛИМ обмоток, создающих встречнобегущие магнитные поля. Например, при создании устройств электродинамической сепарации на основе трехфазных линейных индукторов, устанавливаемых под лентой транспортера, перемещающего обрабатываемые материалы (например, смешанные отходы), рационально возбуждать магнитные поля, разбегающиеся от центра индуктора [10]. Это обеспечивает выход извлекаемых из отходов металлических предметов в обе стороны от транспортера, как показано на рис. 1. Такое решение было реализовано на практике в установке по сепарации твердых бытовых отходов КМ203-М, где ширина ленты конвейера составляла 1,2 м [5]. Мощность, потребляемая линейным индуктором из сети, превышала 100 кВА.

Применение встречнобегущих полей в МГД-устройствах позволяет формировать нужную конфигурацию течений в жидком металле. При использовании таких ЛИМ для обработки листов и полос в линиях прокатных станов и линиях индукционного нагрева за счет встречнобегущих полей можно добиться позиционирования изделий либо движения их над индуктором с заданными скоростями и траекториями. Исследование и разработка указанных устройств на основе ЛИМ ведутся на кафедре электротехники и электротехнологических систем Уральского федерального университета. По разработкам кафедры создан ряд промышленных установок либо опытные образцы устройств, работающие в исследовательской лаборатории.

Эффективность предлагаемого решения для случая электродинамических сепараторов, подобных показанному на рис. 1, б, целесообразно оценивать по

величине требуемых для сепарации удельных электромагнитных усилий Fm (отношению электромагнитного усилия Fэм к массе извлекаемых частиц m, Н/кг или м/с). Методика расчета таких удельных усилий была предложена ранее в работе [11], где на основе решения уравнений движения извлекаемой металлической частицы с учетом совместного действия на нее электромагнитных Fэм и механических сил (силы трения Fтр и сводимой к ней силы сопротивления среды) было предложено выражение, связывающее различные параметры установки:

Fm = 2 B2 vк2 + kтр g , Lи

где Fm – удельное электромагнитное усилие; В и Lи – ширина ленты конвейера и ширина индуктора; vк – скорость конвейера; kтр – коэффициент трения металла о поверхность конвейерной ленты; g – ускорение свободного падения.

а

б

Рис. 1. Варианты электродинамического сепаратора с односторонним (а) и двусторонним (б)

выходом извлекаемых металлов

Это выражение позволяет определить значения требуемых для извлечения металлов электромагнитных усилий

195

в вариантах как с бегущим магнитным полем, так и с разбегающимися полями. Примеры таких расчетов показаны на рис. 2. Зависимости для случая бегущего магнитного поля и одностороннего выхода металла показаны сплошными линиями, а для случая разбегающихся полей и двустороннего выхода металлов – пунктиром.

а

б

Рис. 2. Зависимости требуемых для сепарации удельных электромагнитных усилий от скорости конвейера и ширины ленты (цифры на графиках) при разных коэффициентах трения: kтр = 0,4 (а) и kтр = 0,8 (б)

Очевидно, что во всех случаях применение разбегающихся магнитных полей позволяет существенно снизить требуемое электромагнитное усилие и, соответственно, уменьшить мощность устанавливаемых линейных индукторов. Эффективность такого решения возрастает с увеличением ширины конвейера и скорости подачи материалов, т.е. с уве-

личением производительности установок. Значение kтр = 0,4 соответствует трению металлических частиц о резинотканевую ленту конвейера. Для учета сопротивления среды отходов рассчитан вариант с kтр = 0,8. В этом случае эффект от применения разбегающихся полей немного снижается, но остается достаточно большим.

Главная особенность электромагнитных процессов в ЛИМ со встречнобегущими магнитными полями состоит в том, что в центре линейного индуктора возникает зона, в которой бегущие магнитные поля разных направлений накладываются друг на друга. Если такие поля отличаются только направлением движения, то в центре индуктора появляется пульсирующее поле. При наложении бегущих магнитных полей, имеющих разные амплитуды или периоды, искажения результирующего поля в центральной зоне носят более сложный характер. Сказанное иллюстрируется сравнением расчетных кривых распределения магнитного поля по длине индукторов (Nп – номера пазов), показанных на рис. 3 и 4. Расчеты выполнены для промышленного образца ЛИМ электродинамического сепаратора КМ203-М, созданного в АО «Уралэнергоцветмет» по разработкам УрФУ [5]. При этом на рис. 3 представлено распределение бегущего магнитного поля при традиционной схеме обмотки линейного индуктора, показанной под графиками, а на рис. 4 – распределение магнитных полей, разбегающихся от центра индуктора. Под графиками рис. 4 приведен соответствующий такому распределению вариант схемы обмотки, реализованный в установке КМ203-М.

Из анализа кривых на рис. 4 видно, что в центре индуктора появляется пульсирующее магнитное поле. Наиболее сильные искажения поля наблюдаются

196

Как видно из рис. 5, простая перестановка фаз обмотки на левой половине индуктора приводит не только к качественному, но и количественному изменению усилий. В варианте ЛИМ на рис. 5, а отсутствует «мертвая» зона в центре индуктора, однако уровень усилий понижается. В варианте на рис. 5, б развиваются большие усилия, но появляется «мертвая» зона в центре, где усилие близко к нулю.

Возможность управления структурой магнитного поля и распределением электромагнитных усилий в рассматриваемых машинах за счет рационального выбора обмоток позволяет как подавлять искажения, вызванные наложением встречнобегущих магнитных полей, так и повышать уровень электромагнитных усилий, не обращая внимания на искажения поля и усилий в центральной зоне. Например, для управления процессами индукционного нагрева и перемещения нагреваемых изделий относительно индуктора, процессами в МГД-переме- шивателях предпочтителен вариант обмотки на рис. 5, б. В то же время для электродинамических сепараторов больше подходит вариант без «мертвой» зоны в центре линейного индуктора

(см. рис. 5, а).

Таким образом, результаты выполненных исследований подтвердили необходимость дальнейшего изучения электромагнитных процессов в ЛИМ с магнитными полями, бегущими во встречных направлениях, с целью улучшения функциональных возможностей и повышения технико-экономических показателей технологических установок на основе таких ЛИМ. Исследования и испытания электродинамических сепараторов на основе ЛИМ с разбегающимися магнитными полями показали возможность существенного повышения энергоэффективности технологической установки в целом.

Список литературы

1.Вольдек А.И. Индукционные МГД-машины с жидкометаллическим рабочим телом. – Л.: Энергия, 1970. – 272 с.

2.Гельфгат Ю.М. Металлургические применения магнитной гидродинамики // Магнитная гидродинамика. – 1987. – № 3. – С. 120–137.

3.Бредихин В.Н., Извеков Н.И., Лаушкина А.Я. Электродинамическая сепарация лома и отходов цветных металлов за рубежом // Цветная металлур-

гия. – 1982. – № 4. – С. 24–25.

4.Коняев А.Ю., Назаров С.Л., Ширшов Б.П. Опыт разработки и применения электродинамической сепарации лома и отходов цветных металлов // Цветные металлы. – 1995. – № 11. –

С. 63–66.

5.Устройства для электродинамической сепарации лома и отходов цветных металлов / А.А. Патрик, Н.Н. Мурахин, Т.Н. Дерендяева [и др.] // Промышленная энергетика. – 2001. – № 6. –

С. 16–19.

6.Индукционный метод нагрева проката из цветных металлов и сплавов / А.П. Ращепкин, В.А. Крутилин, П.А. Виштак [и др.] // Цветные метал-

лы. – 1989. – № 1. – С. 104–107.

7.Вопросы применения линейных асинхронных двигателей для индукци-

онного нагрева стальных листов / А.Ю. Коняев, С.Л. Назаров, В.Н. Удинцев [и др.] // Электрические машины с разомкнутым магнитопроводом в технологии и приводе: межвуз. сб. науч. тр. / Урал. политехн. ин-т. – Свердловск, 1988. – С. 45–50.

8. Blease J., Bhatia R., Pal R.M. Applying linear motors in material handling / Unico Inc. // Machine Design. – 1989. – № 26. – Р. 91–96.

198

Введение

Значительные резервы производства и повышения качества асинхронных электродвигателей скрыты в совершенствовании методов и техники их стендовых испытаний. В настоящей работе рассматривается вопрос создания универсального программно-аппаратного комплекса на базе среды графического программирования LabVIEW и аппаратных средств компании National Instruments как для мобильных, так и для стационарных испытательных станций широкого круга асинхронных электродвигателей трехфазного тока. Ориента-

ция на тот или иной тип станции потребует учета объема решаемых задач при

и вспомогательного оборудования.

Процесс разработки

Основу мобильной испытательной станции составляет ноутбук промышленного класса с подключенной к нему через интерфейс USB-платой ввода-вы- вода из состава NI CompactRIO. Плата ввода-вывода подключается к оборудованию испытательного стенда при помощи коннектора, состоящего в основ-