Možnosti snížení měrné spotřeby elektrické energie indukčních zařízení

Ing. Oldřich KROUPA

Disertační práce

The new physical laboratory model of the induction device with additional structural elements and magnetic hollow cylindrical charge

Anotace:

V mé disertační práci se zabývám použitím přídavných konstrukčních prvků u nového mnou zkonstruovaného fyzikálního laboratorního modelu indukčního zařízení, který rovněž umožňuje ohřev válcové duté magnetické vsázky umísťované do dutiny induktoru tohoto zařízení, s vyvozením závěrů na snížení energetické náročnosti ohřevů elektromagnetickou indukcí. V práci jsou popsány zvolené metody zkoumání celého systému, tedy metoda měření, analytický a numerický výpočet. Dále zde uvádím popis nově zkonstruované měřicí cívky malého průměru a nové aplikace, která slouží pro výpočty a vykreslení grafů získaných měřením na fyzikálním laboratorním modelu indukčního zařízení, které jsem obě vytvořil. U jednotlivých kapitol jsou popsána shrnutí a jednotlivé poznatky dosažené užitím zvolených metod a v závěru práce jsou uvedené dosažené závěry a návrh na další zaměření výzkumu v této oblasti. Úvodní část mé práce se zabývá teorií elektromagnetického vlnění s důrazem na rozložení elektromagnetického pole kolem válcového induktoru a dále polem teplotním. V práci se dále zaměřuji na metody zjišťování rozložení elektromagnetického a teplotního pole nového fyzikálního laboratorního modelu indukčního zařízení doplněného o přídavné konstrukční prvky v otevřených a uzavřených variantách a o magnetickou válcovou dutou vsázku. Účelem použití těchto prvků je snížení měrné energetické náročnosti ohřevů elektromagnetickou indukcí, tedy zvýšení celkové účinnosti indukčního ohřevu, a to omezením rozptylového elektromagnetického pole kolem uvedeného zařízení. Rozptylový magnetický tok způsobuje v konstrukci elektricky vodivých částí indukčních zařízení nežádoucí tepelné ztráty vířivými proudy, které zhoršují celkovou energetickou bilanci daného systému a tedy jeho účinnost. Prezentuji zde metody zjišťování válcového elektromagnetického pole kolem uvedeného indukčního zařízení analytickým výpočtem, měřením a numerickým výpočtem. Výsledky vyplývající z počítačové simulace na základě zadaných hodnot odpovídajících novému fyzikálnímu modelu porovnávám s měřením na tomto modelu. Numerické výpočty jsem prováděl v programu RillFEM 2D (FEM). V práci rovněž popisuji konstrukci nového fyzikálního modelu i nové měřicí cívky určené k měření indukovaného napětí. Dále popisuji novou aplikaci vytvořenou v programovacím jazyce JAVA určenou pro znázornění naměřených hodnot získaných měřením s nově zkonstruovanou měřicí cívkou. Tuto aplikaci jsem navrhl a realizoval pro urychlení metody měření. Dále prezentuji výsledky měření a počítačové simulace, přičemž v závěru této práce je uvedeno porovnání výsledků, získané poznatky a další cíle. V příloze uvádím další výsledky a grafy z důvodu jejich značného množství, které považuji za vhodné uvést pro získání podrobnější představy o dané problematice a jejím rozsahu.

Abstract:

In my dissertation I deal with the use of additional structural components for the new me constructed laboratory physical model of the induction device, which also allows heating of the hollow cylindrical magnetic charge being placed into the cavity of the inductor device to draw conclusions on increasing of induction heating efficiency. The paper describes the chosen method of examining the entire system, the method of measurement, analytical and numerical calculation. Then I present the description of the newly designed measuring coil of small diameter and a new application that is used for calculations and plotting graphs obtained by measuring the physical laboratory model of the induction device that I created both. A summary of the individual findings obtained using selected methods is described for each chapter and the conclusions reached and the proposal to further focus of research in this area are given in the result. The introductory part of my work deals with the theory of electromagnetic waves with emphasis on electromagnetic field distribution around a cylindrical inductor and the temperature field. In the work I also focus on methods for detecting the distribution of electromagnetic and temperature fields of new physical laboratory model of the induction device supplemented by additional structural elements in open and closed versions and magnetic hollow cylindrical charge. The purpose of using these elements is to reduce the energy intensity of specific electromagnetic induction heats, thus increasing the overall efficiency of induction heating, by reducing the stray electromagnetic field around said device. Stray magnetic flux causes in the construction of electrically conductive parts of induction equipment unwanted heat losses by eddy currents, which deteriorate the overall energy balance of the system and thus its efficiency. I present methods for detecting electromagnetic field around a cylindrical induction device mentioned analytical calculation, measurement and numerical calculation. The results of computer simulation on the basis of input values corresponding to the new physical model will compare the measurements with this model. Numerical calculations were done in the RillFEM 2D (FEM) application. The paper also describes the construction of a new physical model and new measurement coil for measuring the induced voltage. Then I describe a new application created in the Java programming language designed to represent the measured values obtained by measuring with the newly constructed measuring coil. This application was proposed and implemented to speed up the measurement method. In addition I present the results of measurements and computer simulations. In the result of this work is a comparison of the obtained results, lessons learned and other future aims. In the appendix I present further results and charts because of their considerable extent. These results were said to obtain a more detailed picture of the problem and its extent.

Klíčová slova

Indukční ohřev, elektromagnetické pole, teplotní pole, válcový induktor, fyzikální model, Maxwellovy rovnice, vlnové rovnice, Besselovy funkce, počítačová simulace, měřicí cívka malého průměru, RillFEM 2D, stínění elektromagnetického pole, válcová dutá vsázka, svazky transformátorových plechů, přídavné konstrukční prvky, numerický model, snížení energetické náročnosti

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 6. 1. 2014

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta elektrotechnická

Doktorský studijní program / obor:
Elektrotechnika a informatika / Elektroenergetika