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

На правах рукописиГОРЯЧИХ ЕЛЕНА ВЛАДИМИРОВНАРАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПЕЧАМИ СОПРОТИВЛЕНИЯ,ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ВРЕМЕННУЮ ИПРОСТРАНСТВЕННУЮ РАВНОМЕРНОСТЬ НАГРЕВАСпециальность 05.09.10 – ЭлектротехнологияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016 г.2Работавыполненанакафедре«Автоматизированныхэлектротехнологических установок и систем» ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»Научный руководитель:Заведующий кафедрой ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»,доктор технических наукЩербаков Алексей ВладимировичкафедрыавтоматизированныхОфициальные оппоненты: профессорэлектротехнологических установок ФГБОУ ВО«НГТУ», доктор технических наук, профессорЧередниченко Владимир СеменовичCоветникгенеральногоООО «Специальные системы икандидат технических наукХренков Николай НиколаевичВедущая организация:директоратехнологии»,Федеральноегосударственноеавтономноеобразовательноеучреждениевысшегопрофессионального образования «Уральскийфедеральный университет имени первогоПрезидента России Б.Н.

Ельцина»Защита диссертации состоится « 10 » июня 2016 года в аудитории М 606в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУВО НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14.Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатьюорганизации,просимнаправлятьпоадресу:111250,г. Москва,ул. Красноказарменная, д.

14, Ученый Совет ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ».С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО НИУ«МЭИ».Автореферат разослан «__ » __________ 2016 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 212.157.02к.т.н., доцентЦырук С.А.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.Химические и физические процессы, протекающие при обжигекерамических материалов, обуславливают состав и характеристикуобразующихся фаз, их соотношение, размер, форму и взаимное расположениеструктурных элементов (включая поры), изменение массы и объемакерамического тела.

Тем самым эти процессы определяют весь комплексфизических, механических и химических свойств керамики, а также получениеизделий заданных размеров и форм.Технологический процесс термообработки керамических изделий требуетобеспечения высокой равномерности нагрева в рабочей камере печи с цельюповышения качества обрабатываемых изделий и снижения брака. При этомвеличина допустимого перепада температуры лимитирует скорость нагрева вовсем диапазоне температур.С целью улучшения энергетической эффективности ЭПС и полученияизделий с заданными характеристиками и формами, а также снижения бракадля термообработки керамических изделий необходимо повышатьравномерность распределения температуры в рабочей камере печи.В настоящее время заводы-изготовители предлагают широкий рядтипоразмеров электрических печей сопротивления (ЭПС) для термообработкикерамических изделий.

Используются установки, как с прямоугольной, так ицилиндрической формой рабочей камерой, а также муфельные ЭПС. В то жевремя актуальным вопросом остается необходимость совершенствованиясистемы автоматического управления ЭПС – регуляторов температуры.Разработка новых алгоритмов управления, обеспечивающих снижение затратэнергии и повышение равномерности распределения температуры в камерепечи, позволяет повысить энергоэффективность комплекса, включающего всебя печь и систему регулирования температуры.На основании вышеизложенного задача поисков новых алгоритмовуправления ЭПС для термообработки керамических изделий и создание САУ,позволяющей повысить равномерность распределения температуры в рабочейкамере ЭПС, на сегодняшний день является актуальной.Целью работы является разработка способов и алгоритмов управленияэлектрическими печами сопротивления для термообработки керамическихизделий, обеспечивающих повышение равномерности распределениятемпературы в рабочей камере печи в установившемся и переходных режимах.Для достижения поставленной цели в диссертационной работе былипоставлены и решены следующие задачи:1.

Анализ состояния развития электрических печей сопротивления длятермообработки керамики, особенности выполнения конструкций современныхпечей, влияние технологического процесса, тенденции развития системуправления и регуляторов температуры.2. Разработка уточненных моделей электрических печей сопротивлениядля термообработки керамических изделий.43. Исследование влияния места установки датчика температуры.4. Исследование системы управления ЭПС с компенсацией разницытемператур в тепловых зонах печи.5.Разработка и исследование системы ограничения температурынагревателей.6.

Разработка математической модели нагревателя из дисилицидамолибдена.6. Исследование систем управления электрических печей сопротивленияс нагревателями из дисилицида молибдена.7. Разработка методики определения постоянной времени ЭПС на основепаспортных данных.8. Разработка программного пакета для расчета передаточных функцийэлектрических печей сопротивления.Обоснованность и достоверность научных результатов и выводовподтверждается корректным использованием принятых допущений ичисленных методов расчета, а также совпадением результатов аналитическогоисследования с экспериментальными и литературными данными.Рассматриваемые в работе вопросы относятся к пунктам 2, 3паспорта специальности 05.09.10 Электротехнология.Научная новизна работы заключается в следующих положениях:1. Разработаны модели комплекса, включающего в себя ЭПС, системуэлектропитания и управления, учитывающих неоднородность объектауправления и нелинейность характеристик регуляторов мощности.2.

Разработана методика определения параметров передаточной функцииЭПС по паспортным данным.3. Проведен сравнительный анализ экспериментальных и аналитическихдинамических характеристик ЭПС.4. Проведено исследование влияния тепловых характеристик печи наразницу температур между зонами.5.

Разработаны структуры системы ограничения температуры отдельныхэлементов печи и определены зависимости времени разогрева ЭПС оттемпературы нагревателей.5.Проведеноисследованиенеравномерностидинамическогораспределения температуры в камере печи для нагревателей из дисилицидамолибдена.6. Разработан алгоритм расчета параметров передаточной функции ЭПС.7. Определены представленные в полиномиальной форме зависимостидополнительной мощности, требуемой для компенсации разности температурмежду тепловыми зонами.Практическая ценность результатов работы заключается вследующем:1.

Разработаны имитационные модели в программной средеSimulink/Matlab, позволяющие в диалоговом режиме проводить анализ и синтез5комплекса, включающего в себя ЭПС, систему электропитания и управленияпри варьировании параметров нагревателей, футеровки и регулятора мощности.2. Разработаны системы регулирования температуры ЭПС, позволяющиеконтролировать и ограничивать температуру отдельных ее внутреннихэлементов.3.

Даны рекомендации по настройке микропроцессорных регуляторовтемпературы для многозонных ЭПС периодического действия с компенсациейразности температур и ограничению вводимой в ЭПС мощности.4. Предложена методика выбора установленной мощности регуляторовтемпературы многозонной ЭПС периодического действия с компенсациейразности температур между тепловыми зонами в процессе нагрева.5. Результаты исследований используются в учебном процессе накафедре АЭТУС ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ».Достоверность полученных результатов. Степень достоверностиполученных результатов определяется: использованием современныхкалиброванных измерительных приборов, корректным применениемдопущений при создании моделей, опирающихся на общепринятыепредставления в области электротехнологии, а также совпадениемэкспериментальных и расчетных характеристик регулятора мощности.Объектом исследования является комплекс, включающий в себя ЭПС ссистемами электропитания и управления.Апробация.

Результаты работы доложены на 17-й, 19-й, 20-й, 21-й и 22-ймеждународных научно-технических конференциях студентов и аспирантов«Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, «МЭИ», в 2011,2013 – 2016 гг.); 11-й, 12-й и 13-й международных научно-практическихинтернет-конференциях «Энерго- и ресурсосбережение – XXI век» (Орёл,ОГТУ, в 2013 – 2015 гг.), международных научно-технических конференциях«Актуальные проблемы энергосберегающих электротехнологий» АПЭЭТ-2014(Екатернбург, УрФИ, в 2014 г.); 15-й международной конференции«Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы икомпоненты», МКЭЭЭ-2014 (Алушта, Украина, в 2014 г.); на научныхсеминарах кафедры «Автоматизированных электротехнологических установоки систем» НИУ «МЭИ».Публикации.

По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, втом числе 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основныхрезультатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидатанаук, 4 патента РФ на полезную модель и 1 зарегистрированная программа дляЭВМ.Реализация результатов работы.Результаты диссертационной работы предполагается использовать напредприятиях, проектирующих и эксплуатирующих электрические печисопротивления для термообработки керамических изделий.

Результаты работыиспользуются также в учебном процессе на кафедре АЭТУС ФГБОУ ВО НИУ«МЭИ».6Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,четырех глав, заключения и приложений. Основной текст диссертации изложенна 125 страницах, работа сопровождается 3 таблицами, 59 рисунками иприложением на 12 страницах, список литературы включает 84 наименования.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 ЭПС длятермообработки керамики, конструкций современных печей сопротивления длятермообработки керамических изделий, тенденций развития систем управленияирегуляторовтемпературыЭПС.Рассматриваютсяособенноститехнологического процесса обжига керамических изделий.Технологический процесс термообработки керамических изделий требуетобеспечения высокой равномерности нагрева в рабочей камере печи дляповышения качества обрабатываемых изделий и снижения брака.