Диссертация (Разработка способа и алгоритмов управления электрическими печами сопротивления, обеспечивающих временную и пространственную равномерность нагрева), страница 11

Полученную зависимость целесообразноиспользовать при проектировании ЭПС для выбора типа нагревателей имаксимального значения температуры печи. Данная зависимость применимадля проектирования печей такого класса непосредственно. Для печей другогокласса аналогичную зависимость можно получить на имитационной моделирис. 2.9 по рассмотренной выше методике.Страница | 70Рис.3.4 Зависимость времени выхода печи на режим от температурынагревательных элементов3.3 Исследование системы управления ЭПС с компенсацией разницытемператур в тепловых зонах печиСледующимэтапомработыявляетсяисследованиесистемэлектропитания и управления многозонными ЭПС с компенсацией разноститемператур в тепловых зонах печи [69, 70, 72, 83].Исследование системы регулирования температуры ЭПС удобнопроводить с использованием имитационной модели рис.

2.13 путем расчетапереходных функций температуры Θ(t) различных тепловых зон печи приварьировании параметров элементов системы, управляющих и возмущающихвоздействий.Целью исследований являлось определение величины дополнительноймощности, требуемой для компенсации разности температур в тепловыхзонах ЭПС до допустимого значения в процессе нагрева. Параметры системыСтраница | 71варьировалисьвдиапазоне,характерномдлястандартногорядапромышленных печей для термообработки керамики.Значение коэффициентов передачи печи выбирались в диапазоне от0,0164до 0,0964, значения постоянных времени - от 307 с до 4913 с.ЭкспериментальныеисследованияпроводилисьдляЭПСсварьированием вводимых в тепловые зоны мощностей от 7 кВт до 75 кВт,при этом разница мощностей в тепловых зонах составляла от 0 Вт до 12 кВт.Диапазон исследуемых температур 700 оС - 1600 оС.

Значения допустимойразности температур принимались равными 5 оС, 15 оС, 30 оС и 50 оС.На основе проведенных исследований на имитационной модели былаопределена относительная величина дополнительной мощности, требуемаядля компенсации разности температур тепловых зон в процессе нагрева додопустимой разности температурРРгде,Р - дополнительная мощность, вводимая в тепловую зону,имеющую отставание по температуре в процессе нагрева;Р- мощность, вводимая в тепловую зону, имеющую отставание потемпературе в процессе нагрева.Величинатребуемойдополнительноймощностиопределяетсяразностью температур между тепловыми зонами в процессе нагрева,температурой нагрева и заданной допустимой разностью температур междутепловыми зонами.

На рис.3.5 представлены зависимости величиныдобавленной мощности в процентах от номинальной в тепловую зону,имеющую отставание потемпературе от компенсируемойразноститемператур между тепловыми зонами в процессе нагрева при температурахнагрева от 700 оС до 1600 оС и допустимой разнице температур междутепловыми зонами 15 оС.Страница | 72Рис. 3.5 График зависимости относительной величины дополнительноймощности от компенсируемой разности температур в диапазоне температурнагрева от 700 оС до 1600 оС при допустимой разности температур 15 оСПри варьировании допустимой разности температур между тепловымизонами происходит параллельное смещение полученные кривые σ(Δt)смещаются вдоль оси абсцисс, при этом характер зависимостей неизменяется. На рис.3.6 представлены кривые, полученные при допустимыхразностях температур 15 оС и 50 оС, которые иллюстрируют сделанныйвывод.Страница | 73Рис.3.6 График зависимости относительной величины дополнительноймощности от компенсируемой разности температур при температуре нагрева1000 оС при допустимой разности температур 15 оС и 50 оСПолученныезависимостидобавленноймощностимогутбытьаппроксимированы полиномами второй степени (табл.3.1).Таблица 3.1.Температуранагрева, оСДопустимая разница температур между тепловыми зонами, оС51530507008009001000110012001300Страница | 74Окончание таблицы 3.1140015001600На основе полученных уравнений зависимостей разработана адаптивнаясистема управления тепловыми зонами ЭПС (рис.3.7), а также методикапроектирования и настройки, которая прошла апробацию на системеуправления и подтвердила достоверность проведенных аналитическихисследований.Рис.3.7 Адаптивная система управления тепловыми зонами ЭПСПроведенные исследования показали, что предложенная системауправления реализуема и обеспечивает требуемую для технологическогопроцесса разность температур между тепловыми зонами в процессе нагрева.На основе проведенных исследований были определены зависимостиотносительной величины дополнительной мощности от разности температурмежду тепловыми зонами при температурах нагрева 700 оС, 800 оС, 900 оС,Страница | 751000 оС, 1100 оС, 1200 оС, 1300 оС, 1400 оС, 1500 оС и 1600 оС и допустимыхразностях температур между тепловыми зонами 5 оС, 15 оС, 30 оС и 50 оС,которые позволяют рассчитать требуемый запас по мощности регулятора припроектировании и выборе тиристорного регулятора напряжения.В работе показана возможность и целесообразность построенияадаптивнойсистемыуправлениятепловымизонамиЭПС,процесспараметрической адаптации которой осуществляется автоматически наоснове разработанных полиномов.

Адаптивная система уменьшает разностьтемпературы до допустимого значения, определяемого технологическимпроцессом и не превышающего 5 % от установившегося значения.3.4. Исследование систем управления электрических печейсопротивления с нагревателями из дисилицида молибденаВ ряде ЭПС для термообработки керамических изделий притемпературах свыше 1400оС применяются нагреватели из дисилицидамолибдена [63, 67, 68, 75, 79, 80].В §1.3 была выделена главная проблема, связанная с разработкойсистем управления такими ЭПС.Следующим этапом исследований систем электропитания и управленияЭПС стало сравнение характеристик регуляторов температуры с различнымспособом ограничения тока.Регуляторы температуры исследовались на разработанной в SimulinkMatlab модели (рис.

2.15) применительно к типовой электрической печисопротивления периодического действия для термообработки керамики спараметрами:номинальная температура, 0С1460материал нагревателейдисилицид молибденасопротивление нагревателя меняется в зависимости от температурыноминальный ток, А140Страница | 76Можно было ожидать, что обратная связь по внутреннему контуру токатрадиционногорегуляторатемпературыобладаетлучшимихарактеристиками. Однако, как показывает анализ рис. 3.8, 3.9:- обе схемы обеспечивают требуемое качество переходного процесса;ограничение тока приводит к снижению скорости изменения температуры всравнении с регулятором без ограничения тока;- переходные функции тока и температуры, исследуемых регуляторов,схожи между собой;- перерегулирование и точность переходной функции температурылучше, при использовании предлагаемого регулятора (кривая 2 на рис.

3.8);-бросок тока на нагревателях (при одинаковом значении токовойотсечки – 210 А) меньше в предлагаемом регуляторе (кривая 2 на рис. 3.9),что положительно влияет на срок службы нагревателя.Рис. 3.8. Зависимости температуры на нагревателях от времени: 1 – с токовойотсечкой в регуляторе; 2 – с дополнительной обратной связью по токуСтраница | 77Рис.

3.9. Зависимости тока нагревателей от времени: 1 – с токовой отсечкой врегуляторе; 2 – с дополнительной обратной связью по токуКак показывает рис. 3.9, разработанный регулятор температурыэлектропечи сопротивления (кривая 2) позволяет организовывать плавныйпуск печи, ограничивая бросок тока, что продлевает срок службынагревателейсвысокимзначениемтемпературногокоэффициентаэлектрического сопротивления.По сравнению с регулятором температуры, в котором заложенаобратная связь по току в самом регуляторе мощности, разработанныйрегулятор температуры обладает лучшими характеристиками переходныхфункций, что позволяет: снизить бросок тока, при одинаковых значениях«токовой отсечки» на 30% (рис. 3.9).Необходимоотметить,чтотрадиционныйрегулятортребуетдополнительной тщательной настройки коэффициента усиления «токовойотсечки» Gain4, а также параметров ПИ-регулятора (рис.

2.15).Следующим этапом исследований предлагаемого регулятора былоопределениезависимостивременивыходананоминальныйрежимнагревателей, а также настройка параметров ПИ-регулятора, при различныхзначениях отношения «токовой отсечки» к номинальному току. ЭтиСтраница | 78исследования проводились также на модели (рис.2.15) путем изменениязначения токовой отсечки в блоке DeadZone1и последующей настройкойпараметров ПИ-регулятора.Следует также отметить, что «токовая отсечка» может бытьиспользована для регулирования скорости нагрева.На рис. 3.10 представлена зависимость быстродействия выхода нарежим нагревателей печи от отношения «токовой отсечки» к номинальномутоку, при использовании разработанного регулятора температуры.Как следует из зависимости (рис. 3.10), увеличение «токовой отсечки»выше 2,5×IНОМ не имеет особого смысла в связи с минимальным увеличениемскорости выхода на режим нагревателей.

Кроме того, ряд технологическихпроцессов накладывает ограничение к скорости нагрева обрабатываемогоизделия, в связи с этим, увеличение значения «токовой отсечки» нетребуется. Поэтому можно рекомендовать, при настройке системы сиспользованием предлагаемого регулятора температуры, устанавливатьзначение «токовой отсечки» в диапазоне от 1,5 до 2,5 IНОМ.Рис.

3.10. Зависимость быстродействия нагревателя от отношения тока«отсечки» к номинальному токуСтраница | 79Рис. 3.11. Параметры ПИ-регулятора в зависимости от отношении тока«отсечки» к номинальному току: 1 – пропорциональная; 2 – интегральная.Нарис.3.11отображенызависимостипропорциональнойиинтегральной составляющей ПИ-регулятора.