Автореферат (781990), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Результаты работы используются также в учебном процессе накафедре АЭТУС НИУ «МЭИ».Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,четырех глав, заключения и приложений. Основной текст диссертации изложенна 128 страницах, работа сопровождается 12 таблицами, 53 рисунками иприложением на 6 страницах, список литературы включает 90 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность работы, сформулированыцели и задачи диссертации, охарактеризована ее структура, показана научнаяновизна работы и ее практическая ценность.В первой главе проводится анализ состояния развития ВПС с экраннойтеплоизоляцией и их систем управления. Рассматриваются особенностиматериалов нагревательного блока ВПС данного типа и их влияние навыполнение системы управления.
Выявлены особенности ВПС как объектауправления. Представлены конструкции нагревателей и теплоизоляции изтугоплавких металлов с указанием их недостатков и рекомендациями посовершенствованию. Отмечается вкладотечественныхизарубежныхисследователейврешениезадачиповышение энергетической эффективности установок такого типа за счетмодернизации нагревательного блока печи.По существу печь сопротивленияпредставляетсобойкомплексэлектрооборудования, включающего в себясобственно печь сопротивления, системуэлектропитания и управления. В силусвоих особенностей ВПС выделяют вотдельныйклассэлектротермическихустановок.Вакуумную печь сопротивленияможно разделить на четыре основныеобласти (рис.
1): загрузка 1, нагреватель 2,теплоизоляция 3, водоохлаждаемый кожух.7Установлено, что в настоящее время объективных методик выбора числаи материалов экранов теплоизоляции не существует. А постоянный ростстоимости электроэнергии в России делает целесообразным решение задачивыбора числа и материала экранов на основе экономических критериев.Основным фактором, влияющим на разработку системы управлениянагревательными элементами ВПС любого типа, является зависимостьудельного электрического сопротивления материала нагревателя оттемпературы. Объектом исследования в данной диссертационной работеявляется высокотемпературная вакуумная печь сопротивления с экраннойтеплоизоляцией, разрез которой представлен на рис.1.
Нагревательный блокустановок такого типа выполняется из тугоплавких металлов, обладающиххарактерной особенностью: высокое значение температурного коэффициентаэлектрического сопротивления. Это накладывает дополнительное требование кпроектированию системы управления. В связи с тем, что электросопротивлениенагревателя, выполненного из тугоплавких металлов, при нагреве иохлаждении изменяется в 10^15 раз, а, следовательно, во столько же раз (всоответствии с законом Ома) изменяется и ток, протекающий по нагревателю.Столь резкий бросок тока негативно сказывается на качестве нагревательныхэлементов печи, а также значительно сокращает срок их службы.Показана необходимость решения задач повышения энергетическойэффективности ВПС с экранной теплоизоляции за счет совершенствованияконструкции печи, экономически обоснованного выбора комплектатеплоизоляции и энергетической эффективности системы управления.Во второй главе приведены разработанные модели регуляторовтемпературы,учитывающиенелинейныехарактеристикисистемэлектропитания и управления вакуумными печами с экранной икомбинированной теплоизоляциями.В основу исследования положено представление ВПС, как неоднородногонелинейного объекта управления (рис.
2).Рис. 2Исследования в работе проводились на базе имитационной моделивакуумной печи сопротивления с экранной теплоизоляцией, составленной поструктурной схеме (рис. 3) в среде Simulink Matlab, позволяющей проводитьанализ и синтез систем электропитания и управления совместно сконструктивными факторами печи путем расчета динамических характеристикраспределения температуры в различных областях нагревательной камеры.8Модель печи при исследованиях, проводимых в работе, видоизменялась взависимости от решаемых задач.Классический способ питания печей сопротивления с нагревателями изтугоплавких металлов основан на использовании многоступенчатогопонижающего трансформатора с регулированием напряжения в широкомдиапазоне.
К сожалению, рекомендации по выбору числа ступеней напряжениятрансформатора в литературе отсутствуют. В связи с этим, было приняторешение разработать имитационную модель системы управления ВПС смногоступенчатым трансформатором, позволяющую получить рекомендациипо выбору трансформатора.пScope1т*/ tItJJJai■LookupTableРис. 3При разработке модели (рис.
3) использовалась структурная схема моделитрансформатора, приведенная на рис. 4. В модель, в блоке Lookup Table(Simulink Matlab) заложена зависимость электрического сопротивлениянагревательных элементов от температуры. Вывод рассчитанных переходныхфункций тока от времени на виртуальный осциллограф Scope позволяетопределить значение броска тока для выбранного трансформатора.РЭ30--------H ex----КпР|Н "/Т_*ЕЪ_НРис, 4Как показано в работе, более перспективным способом снижения броскатока в системах управления нагревателями из тугоплавких металлов являетсяприменение токовой отсечки, ограничивающей ток на нагревателях в процессеразогрева печи.В ряде специализированных исполнительных элементов - тиристорныхрегуляторов переменного напряжения, вводят нелинейную отрицательнуюобратную связь по току (токовую отсечку), ограничивающую ток нагрузкидопустимыми для тиристоров значениями. В большинстве исполненийтиристорных регуляторов мощности токовую отсечку не применяют.
Более9того, введение токовой отсечки возможно только при использованиифазоимпульсного способа управления тиристорами регулятора мощности, в товремя как для печей сопротивления применяют импульсное (релейное)управление тиристорами, позволяющее уменьшить стоимость при сохранениикачества и точности регулирования. Однако, как показали исследования, врелейных регуляторах температуры вводить токовую отсечку нельзя.Еще одним возможным решением задачи ограничения тока в регуляторахтемпературы является введение сигнала обратной связи по току в каналобратной связи по температуре.
По данному техническому решению былполучен патент РФ на полезную модель № 98602. Целесообразность такоговыполнения регулятора температуры ВПС является возможность егопостроения на базе современных типовых микропроцессорных контроллеров.Сравнительное исследование регуляторов температуры с различнымиспособами токоограничения для удобства и наглядности результатовпроводились на предложенной совокупной модели (рис.5), включающей в себядве одновременно работающие системы.Рис. 5Наряду с исследованиями систем электропитания и управления в этойглаве рассматривались вопросы модернизации экранной теплоизоляции.Известно, что для повышения энергетической эффективности ВПС с экраннойтеплоизоляцией недостаточно просто увеличивать число экранов.
Тепловыепотери после добавления седьмого экрана снижаются не значительно. В связи сэтим, был предложен вариант модификации экранной теплоизоляции,использующийнеметаллическуюзасыпку,материалкоторойневзаимодействует с металлами при высоких температурах (рис. 6).10.WN ' V'■<0SXОW'ftasiЙQTQ3Qжй& аЁaIJ,s1'T!в!йЙй>Й1SIIк ■-¥(*>aSmm**$.:*■^ -4J(яBРис, 6Целесообразность и эффективность такой модификации анализируетсяниже на основе указанных выше моделей.Третья глава посвящена исследованию систем электропитания иуправления печей и влияния комбинированной теплоизоляции на основныехарактеристики печи.Влияние числа ступеней переключения напряжения трансформатора набросок тока нагревателей анализировалось на основе разработанных моделей(рис.2,3).I, Ат.
сРис. 7Данные модели позволяют сравнивать качество переходных процессов впечи, при применении различных многоступенчатых трансформаторов, и взависимости от исходных данных и конкретного типа печи подобратьоптимальное число переключения ступеней напряжения по критериюминимума броска тока, увеличивая энергетическую эффективность установки.11Представленныенарис. 7,осциллограммы тока нагревателей итемпературы печи иллюстрируютпроцессы, протекающие в печи, припереключении ступеней напряжениятрансформатора.Результатыисследованиявлияния числа ступеней напряжениятрансформатора представлены нарис.
8 в виде зависимости I max / 1НОМ= f (n). Как следует из анализауказанной зависимости, согласнопринятому критерию минимумаброскатока(1\ш=min),целесообразно использовать 4^6 ступеней напряжения.Этот вывод базируется на том, что каждое дополнительное переключениеувеличивает время нагрева установки, снижая производительность.Исследование разработанного регулятора температуры с дополнительнымканалом по току проводилось на модели (рис.5).Разработанная модель позволяет определитьзависимости временивыхода на номинальный режим нагревателей, а также настроить параметрыПИ-регулятора, при различных значениях отношения «токовой отсечки» кноминальному току.На рис. 9а представлена зависимость быстродействия выхода на режимнагревателей печи от отношения «токовой отсечки» к номинальному току, прииспользовании разработанного регулятора температуры.
Как следует иззависимости, увеличение «токовой отсечки» выше 2,5*1НОМ не имеет особогосмысла в связи с минимальным увеличением скорости выхода на режимнагревателей. Кроме того, ряд технологических процессов накладываетограничение к скорости нагрева обрабатываемого изделия, в связи с этим,увеличение значения «токовой отсечки» не требуется. Поэтому можнорекомендовать, при настройке системы с использованием предлагаемогорегулятора температуры, устанавливать значение «токовой отсечки» вдиапазоне от 1,5 до 2,5 IНОМ.На рис. 9б отображены зависимости пропорциональной и интегральнойсоставляющей ПИ-регулятора. При отношении 1ОТС/1НОМ < 2, значениепропорциональной составляющей, при настройке ПИ-регулятора, являетсяпостоянным (кривая 1, рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
