Дипломная работа (бакалавр/специалист) на тему Разработка системы управления индукционным нагревом металлических оболочек.

Содержание:

Введение
3

1
Исследование процессов индукционного нагрева заготовки5

1.1
Индукционный нагрев5

1.2 Математическая модель индукционного нагрева8

1.3
Разработка и описание программы10

1.4
Выполнение вычислений для индукторов с изменением параметров его радиуса и
длины16

1.5
Анализ результатов, нахождение оптимальных параметров индуктора27

1.6
Выводы28

2
Одноинтервальное управление индукционным нагревом заготовки29

2.1 Тепловая модель индукционного
нагрева29

2.2 Дифференциально-разностная
модель процесса нагрева30

2.3 Программа численного
моделирования процесса нагрева32

2.4 Описание алгоритма расчета
оптимального времени нагрева34

2.5 Выполнение вычислений для
индукторов с изменением параметров его радиуса и длины36

2.6 Анализ результатов, нахождение
оптимальных параметров индуктора40

2.7 Выводы42

3
Двухинтервальное управление индукционным нагревом заготовки43

3.1 Программа численного
моделирования процесса охлаждения43

3.2
Выполнение вычислений для индукторов с изменением параметров его радиуса и
длины45

3.3
Анализ результатов, нахождение оптимальных параметров индуктора49

3.4
Выводы51

Заключение53

Список использованных источников55

Введение:

Развитие ведущих отраслей
современной тяжёлой промышленности не­разрывно связано с возрастающим
применением процессов индукционного нагрева металлов и их последующей
обработкой давлением. Индукционный нагрев широко применяется в различных
технологических процессах и обладает такими преимуществами, по сравнению с дру­гими
конкурентоспособными технологиями, как высокая концентрация энергии в
нагреваемом материале, бесконтактность нагрева, надежность работы, удобство
регулирования и автоматизации и отсутствие загрязнения окружающей среды.

В частности, индукционные
нагревательные установки широко применяются для предварительного нагрева
заготовок перед прессованием. Прессование, как один из ос­новных способов обработки металлов давлением, используется для получения изде­лий разнообразных форм
и размеров в поперечном сечении.

Наиболее распространенные
требования к системам управления – это достижение более высокой точности
управления и увеличение быстродействия. Рост требований к системам управления и
послужил толчком к развитию теории оптимального управления. Увеличение
быстродействия напрямую связано с правильным распределением ограниченных
ресурсов управления.

Внедрение
модельно-ориентированного проектирования является ключевым фактором успеха
современного инженерного труда. Основным элементом модельно-ориентированного
проектирования любого технического устройства является его адекватная и
быстродействующая математическая модель. Адекватность модели позволяет на любой
стадии разработки иметь представление о поведении технического устройства в
различных ситуациях. Быстродействие модели позволит использовать разнообразные,
в том числе достаточно трудоемкие, алгоритмы настройки и корректировки
параметров технического устройства в соответствии с потребностями практики.

Математическая модель общей
задачи управления содержит описание исследуемого объекта с помощью языка
математики, то есть в виде определенных математических соотношений, связывающих
элементы. Это могут быть дифференциальные уравнения, передаточные функции,
функции качества, начальные и граничные условия и др.

Целью выполнения данной работы
является – разработка процесса управления индукционным нагревом металлических
оболочек.

Для выполнения поставленной цели
необходимо решить следующие задачи:

— рассмотреть общую
математическую модель индукционного нагрева;

— составить тепловую модель численного
моделирования процесса индукционного нагрева на основе
дифференциально-разностного метода расчета;

— рассчитать физические
параметры тепловой модели;

— произвести численный расчет
объемной плотности электромагнитной энергии в заготовке для разных геометрических
параметров индукционного нагревателя и выявить лучшие варианты системы с точки
зрения равномерности прогрева заготовки;

— для модели одноинтервального
управления: выполнить численное моделирование процесса нагрева заготовки для
разных геометрических параметров индукционного нагревателя и выявить лучшие
варианты системы с точки зрения равномерности распределения температур по длине
заготовки относительно требуемой температуры нагрева;

— для модели двухинтервального
управления: выполнить численное моделирование процесса нагрева (1-ый этап) и
охлаждения (2-ой этап) заготовки для разных геометрических параметров
индукционного нагревателя и выявить лучшие варианты системы с точки зрения
равномерности распределения температур по длине заготовки относительно
требуемой температуры нагрева.

Заключение:

В
данной дипломной работе разрабатывался технологический процесс управления
индукционным нагревом цилиндрической металлической заготовки.

В
ходе выполнения работы выполнены следующие этапы:

В первой главе:

— рассмотрена общая математическая
модель индукционного нагрева;

— составлена тепловая модель
численного моделирования процесса индукционного нагрева на основе
дифференциально-разностного метода расчета;

— рассчитаны физические
параметры тепловой модели;

— с помощью программной среды Matlab произведен
численный расчет объемной плотности электромагнитной энергии в заготовке для
разных геометрических параметров индукционного нагревателя и выявлены лучшие
варианты системы с точки зрения равномерности прогрева заготовки;

Во второй главе:

— для модели одноинтервального
управления: в программной среде Matlab выполнено численное моделирование процесса нагрева заготовки
для разных геометрических параметров индукционного нагревателя и выявлены
лучшие варианты системы с точки зрения равномерности распределения температур
по длине заготовки относительно требуемой температуры нагрева 1000 °C.

Во третьей главе:

— для модели двухинтервального
управления: в программной среде Matlab выполнено численное моделирование процесса нагрева (1-ый
этап) и охлаждения (2-ой этап) заготовки для разных геометрических параметров
индукционного нагревателя и выявлены лучшие варианты системы с точки зрения
равномерности распределения температур по длине заготовки относительно
требуемой температуры нагрева 1000 °C.

В результате для заготовки с
параметрами L=0.2 м, R = 0.05 м подобраны
оптимальные геометрические параметры индукционного нагревателя LIND = 0.22 м, RIND = 0.055 м. При данных
оптимальных параметрах для одноинтервальной модели управления коэффициент
равномерности распределения температур в заготовке составил l2=0.99 что соответствует средней
температуре в заготовке Tср
= Tтр(1 ±0.01)=1000±10°C или иначе среднее отклонение
нагреваемого слоя заготовки от требуемого значения не превышает 10°C. Для двухинтервальной модели
управления коэффициент равномерности распределения температур в заготовке
составил l2=0.995 что
соответствует средней температуре в заготовке Tср = Tтр(1 ±0.005)=1000±5°C или иначе среднее
отклонение нагреваемого слоя заготовки от требуемого значения не превышает 5°C.

В общем результаты выполнения
дипломной работы вполне соответствуют поставленным целям.

Фрагмент текста работы:

1 Исследование процессов индукционного нагрева заготовки

1.1 Индукционный нагрев

 Индукционный нагрев — это нагревание
материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным
полем. Следовательно — это нагрев изделий из проводящих материалов
(проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного
поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая
(металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор,
представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В
индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной
частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора
возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке
вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла
(см. закон Джоуля-Ленца).

Особенностью индукционного ввода энергии является
возможность регулирования пространственного расположения зоны протекания вихревых токов.

Во-первых, вихревые токи протекают в пределах площади,
охватываемой индуктором. Нагревается только та часть тела, которая находится в
магнитной связи с индуктором независимо от общих размеров тела.

Во-вторых, глубина зоны циркуляции вихревых токов и,
следовательно, зоны выделения энергии зависит, кроме других факторов, от
частоты тока индуктора (увеличивается при низких частотах и уменьшается с
повышением частоты).

Эффективность передачи энергии
от индуктора к нагреваемому току зависит от величины зазора между ними и
повышается при его уменьшении.

Установка индукционного нагрева

Установка индукционного нагрева (см. рисунок 1.1) состоит из индуктора, питающегося от
источника переменного тока, и теплоизоляции. Температура нагрева контролируется
термопарами в трех точках, разнесенных по длине нагреваемого тела (выходные
сигналы





















).
Температурное поле на завершающей стадии процесса должно отклоняться от
заданной температуры

 не более чем на

,

. Это
требование обеспечивают управляющие воздействия

.
Основной канал управления

 (мощность питающего индуктор источника)
позволяет воздействовать на среднюю температуру изделия, но не в состоянии
существенно изменять закон распределения температуры по длине изделия. Для
обеспечения требуемой равномерности нагрева индуктор снабжен дополнительными
витками как устройствами выравнивания температуры по длине изделия [1].

Индуктор – индуктирующая обмотка, состоящая из витков
медного провода, по которым течет переменный ток. При питании индуктора вокруг
создается переменное электромагнитное поле, которое порождает в заготовке
вихревые токи, а те, в свою очередь, создают в заготовке внутренние источники
тепла, нагревающие ее. Процессы распределения тепла при индукционном нагреве,
особенности его применения и установки индукторов подробно описаны в
специальной литературе.

 В
разомкнутом состоянии (

) витки не оказывают влияния на процесс
нагрева. При замыкании (

) в витке наводится противо-ЭДС. Это
вызывает локальное снижение мощности нагрева в зоне размещения витка, что
способствует выравниванию температуры в нагреваемом изделии.