НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
XXIII ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов
"РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА"
Кафедра ЭППиЭ
Магистрант: Ахметьянов С.В.
Научные руководители: к.т.н. доц. Федин М.А.

Постановка задачи
Рис.2.
Зависимость электромагнитной индукции В ферромагнетика (Сталь 20) от напряженности магнитного поля H
Рис.3. ИТП с ферромагнитным тиглем:
1 – индуктор;
2 – стенка тигля;
3 – металл;
4 – теплоизоляционный слой.
2

Цель:
Теоретическое и экспериментальное исследование электрических и энергетических характеристик ИТП с ферромагнитным тиглем
Задачи:
1. Разработка математической модели в пакете
ELCUT;
2. Постановка эксперимента;
3. Получение зависимостей активного сопротивления и индуктивности системы «индуктор – загрузка» от тока индуктора, температуры загрузки и частоты;
4. Сравнение и анализ полученных данных.
3

Расчетная область в пакете ELCUT
Уравнения, описывающие задачу магнитного поля переменных токов:
1)
0 cos(
  z
);
2)
 стор
 j вихр
;


1




3) ( r r r r
4)

; rA )


 z
(

1 z


 z
)
 
A
  j стор
;

5) B z r
 

A
 z
;
6)

Расчетная область состоит из 145657 элементов
4

Расчет в пакете ELCUT
Распределение p
0V тепловыделения в индукторе и загрузке печи с ферромагнитным тиглем в начальный период плавки при I=100А и ƒ=22кГц
5

Расчет в пакете ELCUT
Распределение p
0V тепловыделения в индукторе и загрузке печи с ферромагнитным тиглем в период плавки, когда металл жидкий t=700°C, при I=100А и ƒ=22кГц
6

Расчет в пакете ELCUT
Распределение p
0V тепловыделения в индукторе и загрузке печи с ферромагнитным тиглем, металл перед сливом t=800°C, при I=100А и ƒ=22кГц
7

Зависимости активного сопротивления R и индуктивности L от температуры t , при токе индуктора I=100А
1- ƒ-10кГц 2- ƒ-22кГц 3- ƒ-44кГц 4- ƒ-66кГц 5- ƒ-88кГц 6- ƒ-100кГц
8

Зависимости активного сопротивления R и индуктивности L от температуры t , при токе индуктора I=200А
1- ƒ-10кГц 2- ƒ-22кГц 3- ƒ-44кГц 4- ƒ-66кГц 5- ƒ-88кГц 6- ƒ-100кГц
9

Сетевой фильтр
+ устройство регулирования напряжения
Функциональная схема экспериментальной установки
ИТП
Инвертор
U
I
ƒ
t1 , t2, t3 , t4, -
4 термопары
ПК + Master
SCADA RTU
32+ ОРС сервер мини АСУТП
Ethernet
ПЛК150 «Овен»
Modbus + RS - 485
МВА110 -8А «Овен»
P = 2,5 кВт f = 15-25 кГц U = 50-150 В
10

Общий вид лабораторного стенда
11

Стадии плавления
Начало плавки t
Аl
=29,7 °C t
Аl
=401,0 °C
12

Стадии плавления
Металл жидкий t
Аl
=690,2 °C Слив металла t
Аl
=800,5 °C
13

Слитый металл
14

15

Сравнение результатов расчета
Параметр
Температура t, ° C
Ток индуктора I
1
, А
Напряжение индуктора U
1
, В
Частота f, кГц
20
50
20,53
ELCUT
400
100
34,2
700
100
35,1
800
200
61,2
21
46,6
19,4
Эксперимент
401
82
27,1
700
81
26,8
800
209,6
51,3
22 22 22 22 21,3 21,4 19,1 21
Мощность 1150 1210 1360 320 998 1058 1330 в загрузке P, Вт
16

Выводы
1.
Разработана математическая модель системы «индуктор – загрузка» в пакете ELCUT
2. Проведено экспериментальное исследование на лабораторном стенде
3. Подтверждена адекватность разработанной математической модели. Отличие экспериментальных и расчетных данных не более 19%.
4. При неизменной частоте f активное сопротивление
R увеличивается c ростом температуры до точки Кюри. При этом частота влияет на скорость роста активного сопротивления. При прохождении точки Кюри происходит резкое снижение сопротивления – в 2,5 раза для f =22 кГц.
5. При изменение частоты f с 10 кГц до 100 кГц, при одинаковой температуре , активное сопротивление растет. Например, для t=200 ºC на 0,7 Ом (в 4,5 раза).
6. При неизменной частоте f, индуктивность
L увеличивается c ростом температуры, до точки Кюри. При этом частота влияет на скорость роста индуктивности (чем меньше частота, тем быстрее рост). При прохождении точки Кюри происходит резко снижение индуктивности. Например для частоты
10 кГц в 2,3 раза.
7.
Ток оказывает незначительное влияние, особенно на активное сопротивление. При изменении тока от 10 А до 200 А, активное сопротивление меняется не более чем на 5 %, индуктивность не более чем на 7%
17

18