Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1261 вуз, 4604 предмет.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Предмет:
[НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Файл:

2809.Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике

..pdf
Скачиваний:
18
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
39.2 Mб
Скачать
☆

храняются вблизи зоны реакции ТХТ и

число витков на полюс и фазу 60, число

магния (рис. 3). Расчеты проводились

пар полюсов 1, коэффициент, учиты-

при следующих параметрах индуктора:

вающий потери в обмотке, 0,8, полюсное

фазный ток jϕ = 450 А, число фаз 2,

деление 0,75.

 

 

 

 

z

z

0,8

0,8

0,6

0,6

0,4

0,4

0,2

0,2

0

 

 

0

 

 

0

0,2 0,4 0,6 0,8

r

0

0,2 0,4 0,6 0,8

r

Рис. 2. Линии тока (ψ · 10–3) и изотермы в реакторе без ЭП

z

z

0,8

0,8

0,6

0,6

0,4

0,4

0,2

0,2

0

 

 

0

 

 

0

0,2 0,4 0,6 0,8

r

0

0,2 0,4 0,6 0,8

r

Рис. 3. Линии тока (ψ · 10–3) и изотермы в реакторе c ЭП

241

а б в г д е

Рис. 4. Линии тока (ψ · 10–3) в реакторе с ЭП при реверсировании бегущего поля индуктора в различные моменты времени: а − 0; б − 0,75; в − 1,5; г − 2,25; д − 3,0; е − 6,75 с

В существующем реакторе без ЭП

части реактора, сокращения времени

мощность нижнего нагревателя 280 кВт,

разделения продуктов реакции.

 

при этом в зоне охлаждения отводится

Предложенная

математическая

мо-

110 кВт, что составляет 40 % от подво-

дель может оказаться полезной для на-

димой мощности. Применение индукто-

значения конкретных технологических

ра бегущего поля мощностью 170 кВт

режимов как в процессе получения по-

уменьшает температурные

градиенты,

ристого титана, так и в процессе его

«размазывая» теплоту экзотермической

дальнейшей вакуумной сепарации.

 

реакции в объеме реактора. Такое пере-

Работа выполнена при поддержке

распределение энергии позволяет отка-

заться от системы обдува для охлажде-

Министерства образования и науки РФ

ния реактора и экономить до 40 % по-

в рамках базовой части государственно-

требляемой энергии.

 

 

 

го задания. Проект № 1599 «Матема-

Уменьшения температурных гради-

тическое моделирование тепломассопе-

ентов можно

достичь

периодическим

реноса в расплаве и пористой среде при

изменением направления (реверсирова-

электромагнитных

воздействиях»,

а

нием) бегущего поля индуктора. Ревер-

также гранта РФФИ (проект № 13-08-

сирование ЭП также позволяет превра-

96004-р_урал_а).

 

 

тить стационарное двухконтурное тече-

Список литературы

 

ние в одноконтурное с изменением его

 

направления

на противоположное

за

1. Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Ры-

время около 7 с (рис. 4). При этом часто-

та реверсирования для промышленного

жик В.М. Движение жидкостей и газов

реактора составляет 0,15 Гц.

 

 

в природных пластах. – М.: Недра,

Заключение. На основе разрабо-

1984. – 211 с.

 

 

танной математической модели показана

2. Листопад Д.А. Усовершенствова-

возможность

эффективного

управления

ние магнийтермического процесса полу-

электромагнитными воздействиями

как

чения титана губчатого с целью сниже-

структурой, так и интенсивностью тече-

ния поступления примесей // Технологи-

ний в реакторе для производства порис-

ческий аудит и резервы производства. –

того титана, при этом может быть дос-

Харьков, 2012. – № 3/1(5). – С. 13.

 

тигнута энергетическая

эффективность

3. Нечаев В.Н., Цаплин А.И. Описа-

за счет отказа от охлаждения верхней

ние теплофизики процесса термического

242

 

 

 

 

 

 

 

восстановления в аппарате с цикловым

процессов тепломассопереноса в реакто-

съемом 4,8 т губчатого титана // Титан. –

ре для получения пористого титана //

2011. – № 2(32). – С. 10–15.

Вычислительная

механика

сплошных

4. Парфенов О.Г., Пашков Г.Л. Про-

сред. – 2013. – Т. 6, № 4. – С. 483.

блемы современной металлургии тита-

7. Программный комплекс «Вычис-

на. – Новосибирск: Изд-во СО РАН,

лительное моделирование

неравновес-

2008. – 279 с.

 

ных процессов

тепломассопереноса

5. Цаплин А.И. Теплофизика внеш-

в реакторе для получения пористого

них воздействий при

кристаллизации

титана»: св-во о гос. регистрации про-

стальных слитков на машинах непре-

грамм для ЭВМ / Цаплин А.И., Неча-

рывного литья. – Екатеринбург: Изд-во

ев В.Н. № 2014612695 от 4.03.2014.

УрО РАН, 1995. − 238 с.

 

 

 

 

6. Цаплин А.И., Нечаев В.Н. Чис-

 

 

 

ленное моделирование

неравновесных

 

 

 

243

УДК 621.313.532

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ЖИДКУЮ ФАЗУ СЛИТКА

Е.Л. Швыдкий, Б.А. Сокунов, В.А. Дмитриевский

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург

Представлен частный случай математического моделирования гидродинамических, электромагнитных и тепловых процессов при непрерывном литье в кристаллизатор скольжения с электромагнитным перемешиванием жидкой фазы алюминиевого слитка диаметром 40 мм.

Ключевые слова: магнитная гидродинамика, непрерывное литье, электромагнитные силы, метод конечных элементов, бегущее электромагнитное поле, цилиндрическая линейная индукционная машина.

SIMULATION OF CONTINUOUS CASTING PROCESS

WITH ELECTROMAGNETIC INFLUENCE ON THE IGNOT LIQUID PHASE

E.L. Shvidkiy, B.A. Sokunov, V.A. Dmitrievskiy

Ural Federal University named after the first President of Russia Boris Yeltsin, Ekaterinburg

This paper presents a special case of mathematical modeling of hydrodynamic, electromagnetic and thermal processes in continuous casting mold with electromagnetic stirring aluminum ingotliquid phase of diameter 40 mm.

Keywords: мagnetohydrodynamics, continuous casting, electromagnetic force, finite element method, traveling electromagnetic field, cylindrical linear induction motor.

Применение бесконтактного силового электромагнитного воздействия на кристаллизующийся металл позволяет получить металлическую заготовку с улучшенными характеристиками. Это выражается в измельчении зерна, выравнивании химического состава по объему слитка [1]. Как следствие, качество литой структуры проявляется в полуфабрикатах и готовых изделиях.

Специальные электротехнологические установки в настоящее время достигли широкого использования как при литье черных, так и цветных металлов, в частности меди, алюминия и их сплавов [2]. Различают электромагнитное перемешивние (ЭМП) в электромагнитных кристаллизаторах и в кристаллизаторах скольжения.

Практика эксплуатации устройств ЭМП [3, 4] показывает, что для каждого металла и сплава необходимо подбирать

отдельно режимы электромагнитного воздействия: в частности, интенсивность перемешивания, направление поля относительно направления вытягивания слитка, схему включения, т.е. порядок чередования фаз по пазам индукционно-

го устройства (120°, 60°, 60°–60°–240° –

фазные зоны). Проведение экспериментальных исследований влияния режимов в промышленных условиях сопряжено как с определенными проблемами тех- нологически-эксплуатационного характера, так и со значительными материальными затратами. В связи с вышеизложенным возникает необходимость проведения моделирования процессов электромагнитного воздействия на кристаллизующийся металл.

В работе рассмотрен частный случай оценки распределения температурного, электромагнитного полей, а также усилий, возникающих в жидкой

244

фазе кристаллизующегося алюминиево-

решении уравнений гидродинамики, те-

го слитка.

плопередачи и магнитной гидродинами-

В качестве базовой установки в ра-

ки с учетом фазового перехода от жид-

боте была использована установка (по-

кой к твердой фазе, в цилиндрических

лупромышленный образец), включаю-

координатах, в осесимметричной поста-

щая в себя индукционную тигельную

новке задачи.

 

 

 

печь с полупроводниковым преобразова-

Движение жидкого металла в дан-

телем частоты и кристаллизатором,

ной работе описывается

уравнениями

совмещенным с устройством электро-

Навье–Стокса:

 

 

 

магнитного перемешивания жидкой фа-

ρ∂u +ρu u

=

 

зы слитка в процессе кристаллизации

 

(рис. 1).

∂t

 

 

 

 

 

 

 

 

= −pI +η( u

+(

T

 

 

u) )−

(1)

 

 

 

 

 

 

− 2η( u)I

+ F,

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

∂ρ + (ρu) = 0,

(2)

 

∂t

 

 

 

Рис. 1. Внешний вид устройства: 1 – магнитопровод; 2 – катушка; 3 – кристаллизатор

Устройство ЭМП представляет собой цилиндрическую линейную индукционную машину (ЦЛИМ) с тремя парами шихтованных магнитопроводов 1, обращенных зубцовой зоной к кристаллизатору. Магнитопроводы объединены двенадцатью катушками 2, выполненными из медного обмоточного провода. Число полюсов 2, число пазов на полюс и фазу 2, направление бегущего поля совпадает с направлением вытягивания слитка, фазная зона 60°.

Водоохлаждаемый кристаллизатор 3 состоит из латунной гильзы, размещенной в кожухе, выполненном из нержавеющей стали. Объектом воздействия является кристаллизирующийся слиток, состоящий из жидкой и твердой зоны.

Математическая модель рассматриваемого процесса состоит в совместном

где ρ – плотность; η – динамическая вязкость; u – вектор скорости; p – давление; F – объемная сила, учитывает уменьшение скорости на границе фазового перехода; I – единичный тензор [5].

F =

(1− B)2

A

(u −u

 

) + F , (3)

 

B3 +ε

mush

 

cast

Ltz

где В – объемная доля жидкой фазы; Amush и ε – произвольные постоянные, позволяющие корректировать затухание экспоненциальной функции распределения поля сил к доле жидкой фазы по объему слитка; ucast – скорость литья слитка; FLtz – электромагнитные усилия.

Доля жидкой фазы B выражается

как

 

 

(T ≥Tm +∆T ),

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

(T −Tm +∆T ) / (2∆T )

 

(Tm −∆T ) ≤

 

 

 

(4)

B =

≤ (Tm +∆T ),

 

 

 

 

T ≤Tm −∆T ,

 

0

 

 

 

 

 

 

 

где Т – абсолютная температура; Тm – температура плавления.

В гидродинамической задаче рассматривается ламинарный режим.

245

Теплопередача описывается

сле-

дующим уравнением:

 

(−k T ) = Q −ρCpu T ,

(5)

где k – теплопроводность; Cp – удельная теплоемкость; Q – источник тепловой энергии на единицу объема при нагреве сопротивлением; Т – абсолютная температура; u – вектор скорости; ρ – плотность.

Во время охлаждения расплав

вкристаллизаторе затвердевает. При фазовом переходе значительное количество скрытой теплоты освобождается. Общая сумма освобожденного тепла на единицу массы расплава во время перехода дана изменением в энтальпии ∆Н. В дополнение удельная теплоемкость Ср

втепловом уравнении также значительно изменяется во время фазового перехода. В отличие от температуры плавления чистых металлов температура плавления сплава обычно имеет более широкий диапазон – более нескольких градусов,

вкоторых смесь твердого и жидкого материала сосуществуют в переходной зоне. Для учета скрытой теплоты относительно

фазового перехода Ср заменена в тепловом уравнении на Ср + δ∆Н, где ∆Н – скрытая теплота плавления и δ – кривая Гаусса, данная выражением

 

exp −(T −T

)2 / (∆T )2

 

 

δ =

 

m

 

,

(6)

 

 

∆T

π

 

 

 

 

где Tm – температура плавления; ∆T – половина диапазона температуры перехода, в данном случае задана 5 К.

Изменение удельной теплоемкости может быть приближенно выражено как

Cp =

∆H .

(7)

 

T

 

Удельная теплоемкость также изменяется во время фазового перехода. Представлена с помощью встроенной

в COMSOL Multiphysics функции сгла-

живания единичной ступенчатой функ-

ции flc2hs1.

Для расчета тепловой и гидродинамической и тепловой задач приняты следующие значения: плотность – 2400 кг/м3; теплоемкость – 1256 для жидкого и 1243 Дж/(моль·К) для твердого; теплопроводность – 220 Вт/(м·К); динамическая вязкость – 0,002 Н·с/м2; температура плавления Tm и энтальпия ∆H заданы 660 °С и 380 кДж/(кг·К) соответ-

ственно,

начальная температура –

750 °С;

скорость вытягивания слитка

325 мм/мин; коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности гильзы кристаллизатора 800 Вт/(м2·К); температура метана на входе 750 °С.

Электромагнитная задача решается на основании уравнений Максвелла относительно векторного магнитного потенциала А2:

jωσA + ×(µ0−1µ−r 1 × A)−

 

 

− σν×( × A) =

(8)

 

σV

 

 

=

loop

+ Jϕe

eϕ, A = Aϕeϕ,

 

 

 

 

2πr

 

 

где ω – угловая частота; σ – удельная электропроводность; µ – магнитная проницаемость; ν – вектор скорости; Vloop – напряжение одного оборота вокруг оси z; Jφ – наведенная плотность тока.

Электромагнитные параметры элементов модели: электропроводность стенки кристаллизатора – 14,71×106 См/м, стального кожуха – 10×106 См/м, слитка – 4,167×105 См/м; плотность тока в катушке – 2×106 А/мм2; относительная магнитная проницаемость магнитопровода – 100, фазировка индуктора – AAZZBBXXCCYY (направление поля совпадает с направлением вытягивания

1COMSOL Multiphysics Reference Guide.

2Там же.

246

слитка); на внешних границах модели

в метрах, вертикальная ось линейный

магнитный

потенциал

задан равным

размер в метрах. Из рисунка видно, что

нулю.

 

 

за счет затухания поля в стенках корпуса

Для расчета полевых задач исполь-

и гильзы кристаллизатора, оказывающих

зовалось

программное

обеспечение

экранирующее действие, плотность ин-

COMSOL Multiphysics, при следующих

дуцированного тока на поверхности

допущениях: коэффициент заполнения

слитка в 3 раза меньше, чем в катушках

паза не учитывается; лобовыми частями

индуктора. Затухание электромагнитно-

ЦЛИМ пренебрегаем; потоки рассеяния

го поля соответствует экспоненциальной

по коронкам зубцов и пазовое рассеяние

функции (рис. 3, б).

не учитываются; магнитная проводи-

 

мость магнитопровода для всех направ-

 

лений потока одинакова; распределение

 

температуры вне зоны слитка на данном этапе не рассматривалось, электропроводность одинакова для жидкой и твердой области слитка. Соотношение всех объектов соответствует геометрии задачи (рис. 2).

а

Рис. 2. Активная область геометрии задачи

 

(м): 1 – магнитопровод ЭМП; 2 – обмотка

б

ЭМП; 3 – кожух; 4 – охлаждающая жид-

кость; 5 – гильза (рубашка) кристаллизатора;

Рис. 3. Распределение плотности тока и ин-

6 – слиток (вторичный элемент)

дукции: а – плотность тока и линии магнит-

Результаты

моделирования. На

ной индукции; б – распределение магнитной

индукции по радиусу слитка

рис. 3 представлены полученные резуль-

Характер изменения температуры

таты электромагнитного расчета: плот-

ность тока (правая шкала), сплошными

кристаллизирующегося слитка представ-

линиями – магнитная индукция. Гори-

лен на рис. 4. В верхней части металл

зонтальная ось

– радиальный размер

перегрет до 750 °С, по мере увеличения

247

глубины лунки температура снижается и на границе фазового перехода составляет

660 °С.

Рис. 4. Распределение температуры слитка, °С

На рис. 5 представлено распределение усилий, которые затухают к оси слитка, что проявляется в распределении поля скоростей движения жидкой фазы кристаллизующегося слитка (рис. 6).

Как видно из рис. 6, в данной постановке задачи наблюдается одноконтур-

Рис. 5. Распределение электромагнитных усилий

ный характер движения жидкой фазы кристаллизующегося слитка.

Эта модель позволит производить моделирование, исследование и отработку различных режимов технологического процесса непрерывного литья в кристаллизатор с электромагнитным перемешиванием жидкой фазы слитка.

Рис. 6. Поле скоростей жидкой фазы слитка: шкала – отношение количественного содержания жидкой фазы к твердой, стрелками и сплошными линиями изображен вектор скорости

248

 

Список литературы

электротехнического оборудования и

1. Сидоров О.Ю., Сарапулов Ф.Н.,

электротехнологий: сб. ст. – Екатерин-

бург, 2000. – С. 290.

Сокунов Б.А. Моделирование затверде-

3. Ефимов В.А. Специальные спо-

вания металлического расплава в элек-

собы литья: справочник / под ред. акад.

тромагнитном кристаллизаторе // Акту-

АН УССР В.А. Ефимова. – М.: Маши-

альные

проблемы энергосберегающих

ностроение, 1991. – 422 с.

электротехнологий АПЭЭТ–2014: сб.

4. Герман Э. Непрерывное литье. –

науч. тр. конф. – Екатеринбург, 2014. –

М.: Гос. науч.-техн. изд-во лит-ры по

С. 97–102.

черной и цветной металлургии, 1961. –

2. Индукционное устройство в МГД-

814 с.

технологиях / Б.А. Сокунов, С.Ф. Са-

5. Voller V.R., Prakash C. The mod-

рапулов, Ю.С. Прудников, В.А. Карта-

elling of heat, mass and solute transport in

шова,

Г.Н. Задирака, А.В. Бычков,

solidification systems // Int. J. Heat Mass

Д.К. Фигуровский, Ю.Н. Юрьев, Б.Е. Ба-

Transfer. – 1987. – Vol. 30. – Р. 1709–

луков

// Вопросы совершенствования

1719.

249

УДК 621.313.3: 620.1

РАЗРАБОТКА ИСПЫТАТЕЛЬНО-ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Э.В. Любимов1, Д.А. Исцелемов2, Н.А. Беляев3

1Пермский национальный исследовательский политехнический университет

2ЗАО «НИПО», Пермь

3ООО НИИПП «ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА», Пермь

Рассматривается универсальный программно-аппаратный комплекс для автоматизированных испытаний синхронных электрических машин. Разработанный авторами комплекс базируется на использовании современных программно-аппаратных средств: графической среды программирования LabVIEW и аппаратных средств компании National Instruments. Комплекс был протестирован с помощью HILмоделирования и экспериментально на лабораторном стенде. Анализ показал, что при достижении в каналах связи комплекса с испытуемой машиной уровня помех до 30 % от номинального значения полезного сигнала отклонение в идентификации параметров машины не превышает 6 %. Находясь в составе стационарной или мобильной испытательной станции, комплекс позволяет полностью автоматизировать процесс снятия характеристик и определения основных статических и динамических параметров неявнополюсных синхронных машин средней и большой мощности на заводе-изготовителе или на ремонтном предприятии.

Ключевые слова: электрические синхронные турбомашины, автоматизированные испытания, характеристики, статические и динамические параметры, среда графического программирования LabVIEW, виртуальные приборы.

DEVELOPMENT OF TEST AND DIAGNOSTIC STATIONS

OF CARS OF ALTERNATING CURRENT

Е.V. Lyubimov1, D.A. Iscelemov2, N.A. Belyaev3

1Perm National Research Polytechnic University

2CJSC "NIPO", Perm

3NIIPP "ELECTRICIAN", Perm

In work the universal hardware-software complex for the automated tests of synchronous electrical machines is considered. The complex developed by authors is based on use of modern hardware-software means: graphic environment of programming of "LabVIEW" and hardware of the company of "National Instruments". The complex was tested by means of HIL modeling and experimentally at the laboratory stand. The analysis showed that at achievement in complex communication channels with the testing car of level of hindrances to 30 % of nominal rate of a useful signal, the deviation in identification of parameters of the car doesn't exceed 6 %. Being in structure of stationary or mobile test station, the complex allows to automate completely process of removal of characteristics and determination of the main static and dynamic parameters of not salient pole synchronous cars of average and big power at manufacturer or at repair shop.

Keywords: electric synchronous turbomachines, automated tests, characteristics, static and dynamic parameters, environment of graphic programming of LabVIEW, virtual devices.

Введение. Значительные резервы производства и повышения качества электрических синхронных машин 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 аппарат-

ных средств компании NationalInstruments

как для мобильных, так и для стационарных испытательных станций широкого круга синхронных машин. Ориентация на тот или иной тип станции потребует учета объема решаемых задач при автоматизированных испытаниях, а также разновидностей приборного и вспомогательного оборудования.

250

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности