Диссертация (Разработка способа и алгоритмов управления электрическими печами сопротивления, обеспечивающих временную и пространственную равномерность нагрева), страница 5

Поэтому электрическое сопротивлениедвух соседних нагревателей должно обеспечить взаимно противоположноенаправление протекающего по ним тока, а расстояние между нагревателямирекомендуется выбирать не менее расстояния между ветвями U-образногонагревателя выбранного типоразмера.К основным факторам, определяющим срок службы нагревателей,относятся: температурно-временной режим работы электропечи, значениеСтраница | 25УПМнагревателей,способрегулированиятемпературыпечи,типаатмосферы.Рис.1.7 Нагреватели из дисилицида молибденаНагреватели на основе дисилицида молибдена имеют более длительныйсрок службы при их эксплуатации в установившемся непрерывном режиме.1.3 Тенденции развития систем управления и регуляторовтемпературы электрических печей сопротивленияСистемыуправленияЭПСобщепромышленногоназначенияобеспечивают стабилизацию и регулирование температуры внутри печи, т.

е.являются по существу регуляторами температуры. Несмотря на то, что ЭПСявляетсясложнымнеоднороднымобъектомуправления,регулятортемпературы традиционно выполняется одноканальным, т. е. содержит одинисполнительный элемент – тиристорный регулятор напряжения, однорегулирующее(вычислительное)устройство–специализированныйпрограммируемый контроллер (регулятор температуры) и один датчиктемпературы [1]. В то же время неоднородность ЭПС как объекта управленияпроявляется в том, что он включает в себя несколько взаимосвязанныхусловиями теплопередачи элементов с различными теплотехническимипараметрами.

В общем случае для ЭПС общепромышленного назначенияможно выделить четыре основных элемента: нагреватель, на которыйпоступает мощность от источника питания через регулятор напряжения,футеровку,обеспечивающуютеплоизоляциюотокружающейсреды,Страница | 26нагреваемое изделие (садка) и термопреобразователь – датчик температуры,устанавливаемый в пространстве печи.Традиционно ЭПС в регуляторах температуры представляют в виделинейного инерционного звена первого порядка [1] с передаточной функцией(1.1)где kп – коэффициент передачи печи; Tп – постоянная времени печи.ВходнойвеличинойдействующеедлязначениеЭПСкакобъектапоступающейнауправлениянагревателивыступаетмощности,определяемой как Р = Uп2 /Rн , где Uп – напряжение, поступающее нанагреватели печи (напряжение на выходе регулятора напряжения);Rн –электрическое сопротивление нагревателей.

Выходной величиной для ЭПСявляется температурав месте установки датчика обратной связи.Выражение (1) записывается на основе ряда допущений. Предполагается, чтоЭПС является однородным, сосредоточенным и бесконечно тонким втеплотехническом отношении телом, теплопередача осуществляется за счеттеплопроводности, а коэффициенты теплопроводности и теплоемкостипостоянны и не зависят от температуры.УпрощенноетеплотехническогопредставлениеэлементасоздаетЭПСввидеопределенныеоднородногопроблемыприпроектировании и настройке регулятора температуры.

В частности, одним изнерешенных вопросов можно считать выбор места установки датчикатемпературы внутри печи, а также критериев оценки выбора желаемого, сточки зрения технологии, места установки датчика температуры [71, 74, 76].Решение этой задачи при использовании традиционной упрощенной моделиЭПС невозможно.C повышением требований к точности и качеству регулированиятемпературы, особенно в сложных и прецизионных технологическихпроцессах, возникает необходимость разработки уточненных моделей печи.Страница | 27Особенности построения систем управления ЭПС с различнымитипами нагревателейОдним из факторов, влияющих на разработку системы управлениянагревательнымиэлементамиЭПС,являетсязависимостьудельногоэлектрического сопротивления материала нагревателя от температуры.Рис.1.8.

Зависимости удельного электрического сопротивления различныхматериалов от температурыКак показывает рис.1.8, большинство материалов нагревательныхэлементов в зависимости от их температурной характеристики удельногоэлектрического сопротивления можно разделить на 3 типа:1. с убывающей характеристикой. К материалам данного типа,применяющимсявкачественагревателейэлектрическихпечейсопротивления, относятся хромит лантана и диоксид циркония.2.

с неизменной характеристикой. К материалам данного типаотносятся нихромы и фехрали, применяющиеся в среднетемпературныхЭПС.Страница | 283. с возрастающей характеристикой. К материалам данного типаотносится дисилицид молибдена, применяющийся в высокотемпературныхЭПС.Особенностью карбидокремниевых нагревателей является снижениеудельного электрического сопротивления в 4-5 раз с ростом температуры до900 оС и дальнейший его рост, при этом сопротивление превышает на 25-30%минимальное при 1400 оС.Длякарбидокремниевыхнагревателейхарактерновыраженноестарение: в процессе эксплуатации сопротивление стержней увеличивается внесколько раз, обычно допускается четырехкратное увеличение. Этоприводит к необходимости использовать трансформатор с регулированиемнапряжения в пределах от 0,3 до 2 номиналов.Применениематериаловнагревателейсвозрастающейхарактеристикой удельного электрического сопротивления приводит кусложнениюсистемыуправленияЭПС.Этосвязаностем,чтоэлектросопротивление нагревателя, выполненного из дисилицида молибдена,при нагреве и охлаждении изменяется в 10 раз, а, следовательно, во столькоже раз (в соответствии с законом Ома) изменяется и ток, протекающий понагревателю.

Столь резкий бросок тока негативно сказывается на качественагревательных элементов печи, а также значительно сокращает срок ихслужбы. Поэтому на практике используют различные способы уменьшенияколебаний мощности, выделяемой в нагревателях, при изменении ихтемпературы [5,6]:1.

применение многоступенчатого понижающего трансформатора [20,63, 67, 68, 75];2. применения регулятора температуры с «токовой отсечкой» [20, 63,67, 68, 75];3. применение «токовой отсечкой» в дополнительном канале по току[20, 63, 67, 68, 75].Страница | 29Применениехромиталантанавкачественагревателейвысокотемпературных ЭПС накладывает ряд особенностей на построениесистемы управления. Существенное влияние на срок службы хромитлантановых нагревателей оказывает величина скорости нагрева печи.Оптимальной является скорость нагрева 5 оС/мин, приемлемой 10 оС/мин, апредельно допустимой 10 оС/мин.

Предельное количество термоциклов взависимости от скорости нагрева приведено на рис. 1.9.Рис.1.9. Предельное количество термоциклов в зависимостиот скорости нагреваХромитлантановые нагреватели чувствительны к термоциклированию. Всвязи с этим, на ресурс работы нагревателей оказывает влияние способрегулирования температуры. В данном случае, фазоимпульсная модуляция(ФИМ)являетсяболеепредпочтительной,чемширотноимпульснаямодуляция (ШИМ).

При использовании систем с двухпозиционнымрегулированиемтемпературынеобходимоограничиватьвеличинуподаваемого к нагревателям напряжения.Важным эксплуатационным свойством нагревателей из карбида кремнияявляется постепенное повышение их электрического сопротивления приработе. Это явление в значительной степени объясняется окислениемповерхностинагревателейприработевокислительнойатмосфере.Упомянутое свойство называется старением нагревателей [35] (рис.1.10).Страница | 30Рис.1.10. График старения нагревателей из карбида кремнияСтарение нагревателей, работающих при постоянном напряжении,приводит к постепенному понижению мощности, а следовательно, итемпературы в электропечи.

Поэтому для поддержания постоянного значениямощности при повышении электрического сопротивления нагревателянеобходимо соответствующее повышение напряжения. Для периодическогоповышения напряжения используются тиристорные регуляторы напряжения.Тиристорные источники питания позволяют выполнить непрерывноерегулирование температуры, что благоприятно сказывается на сроке службынагревателей из карбида кремния и повышает точность регулированиятемпературы.В связи с тем, что любой из материалов нагревателей длявысокотемпературных ЭПС накладывает ряд особенностей на построениесистемы питания и управления, необходимо разрабатывать уточненныемодели, учитывающие данные особенности.Проведенные выше исследования позволили сформулировать цели изадачи исследования.Страница | 311.4.

Формулирование целей и задач исследованийКак было отмечено ранее, процессы, протекающие при обжигекерамических изделий, определяют весь комплекс физических, механическихи химических свойств керамики, получение изделий заданных размеров иформ. Технологический процесс обжига керамических изделий накладываетряд особенностей, которые необходимо учитывать при выборе конструкции ипостроении системы электропитания и управления ЭПС.Помимо этого, в России наблюдается ежегодный рост стоимостиэлектроэнергии.В связи с этим, целью данной работы является повышениеэнергоэффективностиэлектрическихпечейсопротивлениядлятермообработки керамических изделий.Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решеныследующие задачи:1.

Анализ состояния развития электрических печей сопротивления длятермообработкикерамики,особенностивыполненияконструкцийсовременных печей, влияние технологического процесса, тенденции развитиясистемуправленияирегуляторовтемпературы,учитывающихнеоднородность ЭПС как объекта управления.2. Разработка уточненных моделей электрических печей сопротивлениядля термообработки керамических изделий.3. Исследование влияния места установки датчика температуры.4.

Исследование системы управления ЭПС с компенсацией разницытемператур в тепловых зонах печи.5. Разработка математической модели нагревателя из дисилицидамолибдена.6.Исследованиесистемуправленияэлектрическихпечейсопротивления с нагревателями из дисилицида молибдена.Страница | 327.