WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 


Pages:   || 2 |

«ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ С ЭКРАННОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

МИТЯКОВ ФИЛИПП ЕВГЕНЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ

СОПРОТИВЛЕНИЯ С ЭКРАННОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ

Специальность 05.09.10 – Электротехнология

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Рубцов В.П.

Москва –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ

СОПРОТИВЛЕНИЯ С ЭКРАННОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ ………………... 1.1. Технологические процессы, реализуемые в вакуумных печах сопротивления ……………………………………………….…………………. 1.2. Конструкции современных печей сопротивления с экранной теплоизоляцией …………………………………...……………………………. 1.3. Системы управления нагревателями с высоким значением коэффициента электрического сопротивления ……………………....……………………….. 1.4. Формулирование целей и задач исследования …………..……………… Выводы по главе 1 …………………………………………….………………..

ГЛАВА 2. МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ, СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ

СОПРОИТВЛЕНИЯ …………………………………………..……………….. 2.1. Постановка задачи по разработке уточненных моделей ……………….. 2.2. Разработка уточненной модели вакуумной печи сопротивления с экранной теплоизоляцией ………………………………………….………….. 2.3. Регулятор температуры электрической печи сопротивления с ограничением тока нагревателей ………………………………….………….. 2.4. Регулятор температуры с переключением ступеней напряжения трансформатора …………………………………………………….………….. 2.5. Регулятор температуры с адаптивной токовой отсечкой ……….……… 2.6. Разработка модели комбинированной теплоизоляции вакуумной печи сопротивления с применением неметаллической засыпки …………………. Выводы по главе 2 ……………………………………………………….……..

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ……...

Страница | 3.1. Исследование системы электропитания вакуумных печей сопротивления с переключением ступеней напряжения трансформатора …………..……… 3.2. Исследование систем управления вакуумных печей с нагревателями из тугоплавких металлов ………………………………………………...……….. 3.3. Исследование влияния превышения мощности в регуляторах мощности печей сопротивления ……………………………………………..……………. 3.4. Исследование применения пористых оксидных материалов в качестве неметаллической засыпки для теплоизоляции вакуумных печей сопротивления ……………………………………………………..…………… Выводы по главе 3 …………………………………………………….………..

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ВАКУУМНЫХ

ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ ………………………………………….………. 4.1. Разработка критерия оценки экономической эффективности вакуумной печи сопротивления ………………………………………………………….... 4.2. Разработка программного пакета для теплового расчета вакуумной печи сопротивления с экранной и комбинированной теплоизоляцией ……...…. 4.3. Рекомендации по выполнению экранной теплоизоляции с неметаллической засыпкой …………………………………..……...……….. 4.4. Рекомендации по реализации систем управления вакуумными печами сопротивления ………………………………………………………..……….. Выводы по главе 4 ……………………………………………….…..……….. ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………..………….. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …….……..………..…………………...…………. ПРИЛОЖЕНИЕ ……………………………………………….……..………..

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие науки и техники в основополагающих отраслях промышленности, а также исследования в этих областях требуют создания надежных и экологически чистых вакуумных электропечей сопротивления (ВПС) [17,19].

Принято считать классической [57,59] классификацию электрических печей сопротивления (ЭПС) по температуре на низко- (до 600700 0С), средне- (7001300 0С) и высокотемпературные (свыше 1300 0С) печи. Первая граница обуславливается преобладанием передачи тепла от нагревателя к садке посредством конвекции, вторая – ограничением температуры применения сплавов сопротивления (фехрали и нихромы) в качестве нагревателей. В связи с тем, что вакуум – это атмосфера с пониженным давлением, передача тепла конвекцией в нем отсутствует. Поэтому первая граница разделения ВПС по температуре связана с предельной температурой применения никельсодержащих сплавов в вакууме. Вторая граница разделения ВПС с экранной теплоизоляцией чисто условна и отделяет установки с нагревательными элементами, выполненными из молибдена и вольфрама. Конструктивно средне- и высокотемпературные печи с экранной теплоизоляцией схожи и, как правило, рассматриваются совместно.

Учитывая все вышесказанное ВПС можно классифицировать по температуре применения на:

- низкотемпературные печи (до 1150 0С);

- среднетемпературные печи (11501600 0С);

- высокотемпературные печи (свыше 1600 0С).

Вакуумные печи обладают существенными преимуществами [19,21,22].

В них обеспечиваются:

- сохранение исходной поверхности изделий;

- снижение тепловых потерь в 2 -2,5 раза по сравнению с нагревом в среде эндогаза и в 3-3,5 раза – в водороде;

- повышение пожаро- и взрывобезопасных технологических процессов;

- природоохранные требования;

- во многих случаях повышение качества изделий;

- повышение уровня комфортности для обслуживающего персонала.

Для ряда технологических процессов, когда необходима малая тепловая инерция печи или существуют повышенные требования к чистоте и однородности рабочего пространства печи необходимо применять ВПС с экранной теплоизоляцией, что позволяет выделить данные установки в отдельный ряд электрических печей сопротивления [13,53].

Тепловые параметры вакуумных печей с экранной теплоизоляцией существенно хуже, чем у футерованных печей. Но, несмотря на повышенный расход электроэнергии, для большинства перечисленных технологических процессов, когда требуется повышенная чистота или необходима малая тепловая инерция печи, применение ВПС с экранной теплоизоляцией оправдано. Такой процесс, как вакуумное ионное азотирование, даже при температурах 600-700 0С требует металлических нагревателей и экранов [17,19]. Процесс спекания танталовых анодов для конденсаторов требует не просто наличия металлических нагревателей и экранов в рабочем пространстве печи, а именно выполненных из тантала для создания сверхчистового рабочего пространства, способствующего получению сверхчистых анодов с определенными параметрами токов утечки.

С целью улучшения энергетической эффективности печей с экранной теплоизоляции необходимо подбирать оптимальный комплект металлических экранов для решения конкретных задач, зная обрабатываемый в печи материал, номинальную температуру, рабочее давление и т.д.

Методика выбора числа и материалов экранов в литературе отсутствует. Все рекомендации сводятся к тому, что установка более семи экранов в печи снижает тепловые потери совсем незначительно, а материал экрана выбирается в зависимости от его рабочей температуры.

целесообразным решение задачи выбора числа и материала экранов на основе экономических критериев.

В качестве нагревателей высокотемпературных ВПС с экранной теплоизоляцией, работающих при температурах до 2200 0С, используются тугоплавкие металлы (молибден, вольфрам, тантал, ниобий) и сплавы на их основе. Тугоплавкие металлы имеют характерную особенность: высокое сопротивления [8,23,30,36,49]. Это приводит к тому, что электрическое сопротивление нагревателя, выполненного из тугоплавких металлов, при нагреве и охлаждении изменяется в 1015 раз, а, следовательно, во столько же раз (в соответствии с законом Ома) изменяется и мощность, выделяемая в нагревателе. Классический способ решения задачи «плавного» выхода на режим предусматривал использование понижающего трансформатора с большим числом ступеней напряжения. Для применения такой системы управления в настоящее время, а также для выбора модели трансформатора, числа ступеней и шага напряжения, необходимо разрабатывать модели, позволяющие сэкономить время на подборке оптимальных динамических характеристик, а также настройки регулятора. Настройка параметров регуляторов температуры ЭПС для каждой новой печи вручную трудоемкая и финансово затратная операция. Это делает целесообразным разработку уточненной модели печи, параметры которой могут быть определены на основе паспортных данных печи.

Кроме того, с целью упрощения системы управления, а также повышения качества переходных процессов при разогреве печи целесообразно использовать различные способы ограничения тока на нагревателях с использованием «токовых отсечек».

Второй проблемой, связанной с применением, нагревателей из тугоплавких металлов является сложность размещения нагревательного узла с высоким значением излучения поверхности в печах малого объема. В силу разных особенностей в прямоугольных печах 316 литров применение листового нагревателя невозможно, а прутковый нагреватель обладает слишком малой площадью излучаемой поверхности, вследствие чего, в процессе нагрева значительно перегревается (по отношению к температуре в печи). В связи с этим, исследования по улучшению конструкций ВПС с экранной теплоизоляцией должны быть направлены на разработку нагревательных блоков с плоскими нагревателями.

Кроме того, необходимо отметить, что вакуумные печи сопротивления с экранной теплоизоляцией обладают крайне высокими тепловыми потерями (порядка 75-85%) [16,17,19]. Учитывая это, а также постоянный рост стоимости электроэнергии в России, необходимо произвести исследования, направленные на модернизацию экранной теплоизоляции. Для решения этой проблемой перспективным кажется применение высокопористых оксидных материалов, не взаимодействующих с металлами при высокой температуре.

Произведя анализ состояния развития ВПС с экранной теплоизоляцией, автором было установлено, что изменение конструкции установок данного типа должны быть в первую очередь направлены на разработку плоских ленточных нагревателей с высоким значением площади излучаемой поверхности, а также на повышение качества теплоизоляции.

Помимо изменения конструкций, совершенствование ВПС должно быть связано: с разработкой специализированных программных пакетов для более качественного расчета ВПС; с улучшением системы управления; и с повышением экономической эффективности установок.

Для совершенствования вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляции необходимо комплексно применять новые конструктивные решения по выполнению нагревательных элементов, а также повышать энергетическую эффективность установок данного класса за счет экономически обоснованного выбора теплоизоляции и улучшения системы управления.

На основании изложенного задача совершенствования конструкций и систем управления вакуумных печей сопротивления является актуальной.

Цель диссертационной работы повышение энергетической эффективности электрических печей сопротивления на базе современных конструкций нагревательных блоков и современных способов реализации системы управления.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ состояния развития вакуумных печей сопротивления, особенности выполнения конструкций нагревательных блоков печей, влияние технологического процесса, реализуемого в установках.

2. Разработка уточненных моделей вакуумных печей сопротивления с экранной и комбинированной теплоизоляцией под решение конкретных задач.

3. Исследование влияния числа ступеней переключения напряжения трансформатора на максимальный бросок тока в нагревателях вакуумных печей сопротивления, выполненных из тугоплавких металлов.

4. Исследование динамических характеристик вакуумных печей сопротивления при использовании различных способов ограничения тока в регуляторах температуры.

5. Исследование влияния нелинейности регулятора мощности на показатели переходных процессов в вакуумных печах сопротивления.

6. Исследование рационального выбора комплекта теплоизоляция с учетом разработанного критерия минимума экономических затрат.

Разработка методики теплового расчета вакуумных печей сопротивления с комбинированной теплоизоляцией.

8. Разработка программного пакета для исследования материалов, которые целесообразно применять в качестве неметаллической засыпки в комбинированной теплоизоляции вакуумной печи сопротивления.

Основные положения диссертации рассмотрены в следующих разделах:

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе проводится анализ тенденций развития вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляцией, конструкций нагревателях из тугоплавких металлов. Рассматриваются особенности технологических процессов в вакуумных печах сопротивления.

Во второй главе разрабатываются уточненные модели регуляторов температуры печей сопротивления, обеспечивающие плавный выход на сопротивления. Разработаны модели ВПС с экранной и комбинированной теплоиозяцией, учитывающую неоднородность печи, как объекта управления. Предложена модель температуры с переключением ступеней напряжения трансформатора. Разработана модель регулятора температуры с ограничением тока, а также предложена система управления с адаптивной токовой отсечкой.

Разработана модель модифицированной экранной теплоизоляции с учетом применения неметаллической засыпки в зоне наиболее горячих экранов. Предложена методика теплового расчета по выбору числа экранов, а также толщины засыпки при применении комбинированной теплоизоляции.

электропитания и управления вакуумных печей сопротивления. Исследованы системы электропитания нагревателей с высоким значением коэффициента электрического сопротивления. Установлено, что согласно критерию минимума броска тока, рекомендуется выбирать трансформатор, обеспечивающий «плавный» выход нагревателей на режим, за четыре последовательных переключения ступеней напряжения. Предложены оптимальные настройки регуляторов температуры с точки зрения плавного выхода нагревателей на режим. Установлено, что согласно критерию минимального времени разогрева печи, превышение мощности регулятора n 2 не приводит к заметному снижению времени разогрева печи, зато увеличивает стоимость тиристорного регулятора мощности. Показано, что применение засыпки из пористых оксидных материалов между наиболее нагретыми экранами позволяет значительно повысить энергетическую эффективность теплоизоляции.

В четвертой главе рассмотрены вопросы технической реализации нового способа управления нагревателями с высоким коэффициентом термического сопротивления и применение регулятора температуры с ограничением по току. Разработан программный пакет, позволяющий быстро решать задачи сложного теплообмена (излучение + теплопроводность).

Разработан критерий оценки минимума экономических затрат с целью повышения энергетической эффективности экранной теплоизоляции. На основании разработанного критерия предложено оптимальное число и материалы экранов для вакуумных печей с различными номинальными температурами. Показано влияние изменения цен на электроэнергию и тугоплавкие металлы на выбор оптимального комплекта теплоизоляции.

В Заключении обобщены основные результаты работы.

В Приложении приведена: разработанная программа для теплового и экономического расчета вакуумных печей сопротивления с экранной и комбинированной теплоизоляцией Shield’s Thermal Insulation.

Тематика диссертации соответствует второму и третьему пунктам области исследований специальности 05.09.10 – Электротехнология:

№2 - обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнологических комплексов и систем.

электротехнологических комплексов и систем, их оптимизация, разработка алгоритмов эффективного управления.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗВИТИЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ

СОПРОТИВЛЕНИЯ

1.1. Технологические процессы, реализуемые в вакуумных печах Вакуум считается идеальной нейтральной средой. Нагрев в вакууме процессов [16,21,52,53]:

- отжига для снятия напряжений после деформации изделий различной конфигурации (трубы, профили, прутки, полосы), а также после их сварки;

- отжига для фазовой перекристаллизации путем нагрева выше температур превращения и охлаждения с малой скорость, приводящей сплав конструкций);

- рафинирования и спекания металлов, а также оксидов, нитридов, боридов и других соединений;

трансформаторов, электродвигателей, изоляторов, силовых конденсаторов, химических материалов, пищевых продуктов;

металлами, активно взаимодействующими с кислородом, азотом, водородом, окисью углерода СО 2 и т.п.;

- старения (отпуска) для придания сплаву структурного равновесия в процессе изготовления ответственных узлов газовых турбин, ядерных реакторов, самолетов, ракет;

- нагрева перед прокаткой или прессованием заготовок изделий из тугоплавких и высокоактивных композиций;

- пайки твердыми припоями без применения флюсов для получения надежных соединений деталей в электровакуумных приборах, при производстве газовых турбин, в атомной технике, в самолето- и ракетостроении;

- исследования различных свойств материалов: физико-механических характеристик, давления насыщенного пара и скорости испарения, качества и состава газов и т.п.

Тепловые параметры вакуумных печей с экранной теплоизоляцией существенно хуже, чем у футерованных печей. Но, несмотря на повышенный расход электроэнергии, для большинства перечисленных технологических процессов, когда требуется повышенная чистота или необходима малая теплоизоляцией.

Такой процесс, как вакуумное ионное азотирование, даже при температурах 600-700 °С требует металлических нагревателей и экранов.

Процесс спекания танталовых анодов для конденсаторов требует не просто наличия металлических нагревателей и экранов в рабочем пространстве печи, а именно выполненных из тантала для создания сверхчистового рабочего пространства, способствующего получению сверхчистых анодов с определенными параметрами токов утечки.

Для технологических процессов, требующих минимальной быстроты натекания (например, для обезгаживающего отжига деталей), нашли применение шахтные низкотемпературные электропечи с экранной теплоизоляцией, обладающие сравнительно небольшим газовыделением с внутренних поверхностей нагревательной камеры.

теплоизоляции для спекания различных материалов (например, титана и циркония). Нагреватели и теплоизоляция в таких установках, как правило, выполнены из молибдена.

В процессе спекания из изделий удаляется оставшийся после дегазации водород в количестве до 0,10,01%. Кроме того, при низких температурах выделяются газы (азот, кислороды, пары воды), адсорбированные в процессе прессования поверхностью порошка. Эти газы при 300-400 °С и выше образуют с титаном стойкие химические сопротивления. В связи с этим температурный режим термообработки титана должен быть установлен таким образом, чтобы обеспечить небольшую скорость нагрева на этапе до 300-400 °С, способствующую откачки адсорбированных газов вакуумной системой. А также быстрый нагрев может привести к неравномерной по сечению усадке, что в свою очередь вызовет образование на поверхности трещин.

В садочных футерованных электропечах, особенно крупных, может наблюдаться нестабильность свойств изделий или частей изделия вследствие нарушения равномерности температурного поля электропечи в процессе нагрева и охлаждения. Поэтому применение таких печей для спекания ответственных деталей нежелательно [12-14].

Рис.1.1. Элеваторная электропечь 1СЭВ-2,5.5/20Э для отжига и спекания При спекании высокотемпературных материалов (ванадия, ниобия, тантала) рекомендовано использовать нагревательные элементы из вольфрама, а теплоизоляцию из комбинированного набора экранов, выполненных из вольфрама и молибдена. На рис.1.1 представлена элеваторная печь 1СЭВ-2,5.5/20Э предназначенная для реализации данных процессов термообработки. Трехфазный нагреватель из отдельных прутков навешен на массивные вольфрамовые фазные дуги, соединенные с неохлаждаемыми вольфрамовыми токоподводами. Такая конструкция в сравнении с водоохлаждаемыми токоподводами снижает до 30% потери через токоподводы и позволяет увеличить зоны равномерного нагрева по высоте до 25%.

Технологический процесс пайки в вакууме применяется обычно для деталей из материалов, нагрев которых в защитных средах недопустим или для материалов, взаимодействующих с флюсами. При пайке в вакууме качество паяного шва может быть значительно выше, чем при пайке в газах, за счет обезгаживания припоя и отсутствия окисных пленок на спаиваемых поверхностях. Преимуществом высоковакуумных печей для пайки является отсутствие окисления даже наиболее активных к кислороду компонентов основного металла и припоя. Паяные швы, полученные при пайке в высоком вакууме, отличаются прочностью, плотностью и коррозионной стойкостью.

Недостатками пайке в вакууме является сложность, высокая стоимость оборудования и низкая производительность процесса [21].

Такое разнообразие технологических процессов требовало интенсивного изучения и модернизации конструкций и систем управления вакуумных печей.

Свое развитие ВПС получили в СССР в 60-70-е годы XX века главным образом в связи с возникновением новых областей техники таких, как атомная и ракетная, а также в связи с бурным качественным развитием металлургии черных, цветных и редких металлов, электроники, авиации и пр.

Известно, что до перестройки развитие ВПС происходило в семь раз быстрее, чем других печей сопротивления вместе взятых. В 70х годах прошлого века в СССР за 10 лет разработано около 40 типов, и ежегодно выпускалось около 200 вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляцию мощностью 20000 кВт. А за последующие 10 лет (70-80е годы) было изготовлено более тысяч вакуумных печей сопротивления различных типов [16,22,53].

Большой вклад в развитие ВПС в 60-70-х года 20 века внесли исследования и изучения свойств различных материалов в вакууме, проводившиеся в лаборатории Всесоюзного научно-исследовательского института электротермического оборудования (ВНИИЭТО) под руководством Мармера Э.Н.

За это время был написан ряд основополагающих трудов по изучению и проектированию вакуумных печей сопротивления, среди которых можно выделить: «Материалы вакуумных электропечей», 1959 г. Мармера Э.Н., «Вакуумные электрические печи (сопротивления и индукционные)», 1968 г.

Лейканда М.С., «Вакуумные печи с экранной теплоизоляцией», 1970 г. в соавторстве Фомина В.М. и Слободского А.П., «Электропечи для термовакуумных процессов», 1977 г. в соавторстве Мармера Э.Н. и Мурованной С.Г.

Также следует отметить две работы на соискание степени кандидата технических наук: «Исследование теплообмена в вакуумных печах сопротивления с экранной теплоизоляцией», 1969 г. Слободского А.П. и «Исследование высоковакуумных электропечей с экранной теплоизоляцией, и влияние неизотермических режимов на выбор откачных систем», 1972 г.

Фомина В.М.

В 90-х годах XX века выпуск электротермического оборудования в России практически прекратился, что связано с политическим и экономическим состоянием в стране. В первом десятилетии XXI века промышленность в России получила новый толчок к развитию. В связи с этим возобновился интерес к отечественному печестроению. Основными предпосылками к изучению и совершенствованию ЭПС в России, в последнее время, стали:

- выход из строя на большинстве заводов России советских сконструированных установок, запущенных в работу в 60-70-х годах XX века, что привело к высокому спросу на данное оборудование;

- рывок иностранных компаний, производящих электротермическое оборудование;

- высокая стоимость иностранного электротермического оборудования.

Современное состояние науки, а также развитие новых отраслей, таких как нанотехнологии, накладывают новые дополнительные требования к разработке современных вакуумных печей сопротивления.

1.2. Конструкции современных печей сопротивления с экранной Среди элементов конструкции ВПС с экранной теплоизоляцией можно выделить два: нагревательные элементы и пакет металлических экранов.

электрической печи сопротивления.

Работа нагревателей происходит обычно в очень тяжелых температурных условиях, часто при предельнодопустимыхтемпературах для материала, из которого они выполнены. В связи с этим срок службы нагревательных элементов электропечи значительно ниже, чем у остальных механизмов и конструкционных узлов установки [56,57].

Срок службы нагревателей зависит от очень многих факторов:

конструкции нагревателей и печи в целом; режима работы; способа регулирования температуры; величины натекания в печи и газовыделения из садки; а также многих других. Однако, при работе в вакууме, при высоких температурах скорость испарения материала нагревателей становится основополагающим фактором, определяющим срок его службы. Испарение нагревателя приводит к уменьшению его сечения и как следствие к увеличению его электрического сопротивления и уменьшению механической прочности. Практика показала допустимость уменьшения сечения нагревателя на 20% [17,19,57].

В качестве нагревателей высокотемпературных ВПС с экранной теплоизоляцией, работающих при температурах до 2200 0С, используются тугоплавкие металлы (молибден, вольфрам, тантал, ниобий) и сплавы на их основе.

Конструирование нагревателей из тугоплавких металлов представляет зачастую довольно сложную задачу [2,6,46,47]. Эта сложность объясняется как особенностью технологических свойств этих металлов (трудность сварки, механической обработки), так и химическим взаимодействием их с керамическим элементами печи.

тугоплавких металлов можно разделить на четыре группы [70].

Первая группа – спиральные или зигзагообразные нагреватели (рис.1.2) из проволоки. Эти нагреватели мало отличаются от аналогичных нагревателей в обычных электропечах. Спиральные нагреватели Зигзагообразный нагреватель делается из проволоки большего сечения, чем спиральный, так как он должен обладать большей жесткостью и достаточной теплоотдающей поверхностью.

Недостатком таких нагревателей является малое значение излучающей поверхности нагревателя по отношению к воспринимающей поверхности садки, что приводит к значительному увеличению температуры на нагревателе в сравнении с номинальной температурой печи. Например, нагреватель, представленный на рис.1.2б, имеет температуру на 900 0С больше температуры печи [16].

Рис. 1.2а. Зигзагообразный Рис.2б. Вольфрамовый нагреватель вакуумной молибденовый нагерватель шпилек (рис.1.3). Нагреватели этой группы допускают большие удельные поверхностные нагрузки, чем спиральные, так как условия теплопередачи у них лучше и экранирование меньше. Для изготовления таких нагревателей применяется толстая проволока диаметром 5-6 мм. Наиболее сложными устройства крепления Рис.1.3. Вольфрамовый шпилечный нагреватель того, представляется крайне затруднительным выполнение нагревателей такого рода в печах с большим рабочим пространством. К числу недостатков следует также отнести снижение температуры торцов печи и невозможность регулирования температуры по высоте печи путем разделения на тепловые зоны. Печи с нагревателями такого рода всегда выполняются однозонными.

Третья группа – нагреватели из тонкого металлического листа (рис.1.4).

Из тугоплавких металлов для нагревателей этой группы, как правило, применяется танталовая и молибденовая жесть. Вольфрамовая жесть для технологических трудностей, связанных с её механической обработкой и сваркой. Недостатком тантала является его повышенная способность поглощать газы и становиться весьма хрупким.

оптимальными, поскольку вся их поверхность участвует в теплообмене с нагреваемым предметом. Токоподвод к нагревателям этой группы возможно вынести из горячей зоны печи за тепловую изоляцию, чем достигается значительное снижение тепловых потерь. Также значительно меньше потери Рис.1.4. Типовой нагреватель из тонкого молибденого листа на тепловые короткие замыкания через выводы нагревателей, так как количество выводов и их суммарное сечение меньше, чем у нагревателей второй группы.

К числу недостатков нагревателей третьей группы относится большая поверхность испарения, отрицательно сказывающаяся на их сроке службы.

Кроме того, эксплуатация тонколистовых нагревателей требует постоянного и весьма тщательного контроля за вакуумом в печи, потому что даже кратковременное нарушение вакуума может привести к выходу нагревателя из строя [10,17,47].

Четвертая группа – проволочные нагреватели, навешивающиеся без механического крепления на неохлаждаемые выводы (рис.1.5). Такая конструкция отличается простотой и надежностью.

Рис.1.5а. Развертка проволочного нагревателя Рис.1.5б. Вид сверху проволочного нагревателя По условиям теплопередачи нагреватели четвертой группы аналогичны нагревателям третьей группы: вся их поверхность участвует в теплообмене с нагреваемым предметом.

В современных иностранных ВПС с экранной теплоизоляцией распространена конструкциялистовых ленточных нагревателей. Такая конструкция объясняется устранением недостатка нагревателей первой группы (малое значение излучающей поверхности нагревателя по отношению к воспринимающей поверхности садки). Нагреватели такого типа применяются различными фирмами Германии, Польши, США, Канады, Швеции и др.[61-66].

На рис.1.6 представлена цельнометаллическая камера вакуумной печи сопротивления, разработанная канадской фирмой VacAero [63].

Рис.1.6. Конструкция современных нагревательных блоков ВПС с экранной теплоизоляциейфирмыVacAero (Ontario, Canada) Стоит отметить, что существует еще много различных видов конструкций нагревателей. Однако нужно иметь в виду, что многообразие конструктивных форм нагревателей объясняется в основном стремлением обойти патент конкурирующих фирм, а не улучшением технических параметров нагревателей [16,18].

Теплоизоляция. Конструкция выполнения экранов зависит от материала.

Экраны из нержавеющей стали, имея в виду достаточно большие размеры прокатываемого листа, изготовляются цельными в виде устанавливаемых одна в другую обечаек. Зазор между обечайками выбирают минимальный, обеспечивающий невозможность касания друг к другу. С этой же целью между экранами устанавливаются дистанциирующие шайбы, прутки или на их поверхности местами делают выбоины. На рис.1.7 показан вариант выполнения конструкции экранной теплоизоляции вакуумной электропечи сопротивления.

Рис.1.7. Вариант исполнения экранной теплоизоляции ВПС:

1 – экраны из молибдена; 2 – цилиндр из нержавеющей стали; 3,4,5 – водоохлаждаемые крышка, кожух и днище печи; 6 – дистанциирующие шайбы; 7 – шплинт; 8 – штырь из Более сложно решается вопрос выполнения конструкции экранов из тугоплавких металлов. Молибденовые и вольфрамовые листы выпускаются промышленностью небольших размеров. Поэтому часто их соединяют между собой с помощью заклепок, либо прошивая тонкой проволокой. Такие экраны не очень жестки и сильно коробятся. Кроме того, из-за высокого значения температурного расширения экраны из тугоплавких металлов подвержены поводкам.

Одним из решений конструкции экранов из листов тугоплавких металлов небольших размеров является независимая навеска их на штыри из молибденовой или вольфрамовой проволоки, укрепленные на вспомогательном кожухе, вынесенном в область невысоких температур.

Учитывая конструктивные недостатки, а также высокую стоимость экранов из тугоплавких металлов, экранную теплоизоляцию ВПС выполняют комбинированной. В зоне высоких температур применяются тугоплавкие металлы, при температурах ниже 1100 0С применяется нихром Х20Н80, при температурах ниже 900 0С – нержавеющая сталь.

В экранах всегда приходится делать вырезы или отверстия для прохода токоподводов к нагревателю. Причем, учитывая небольшую точность изготовления экранов и монтажа нагревателей, а также возможные коробления экранов при работе, эти отверстия приходится делать гораздо большего сечения, чем сечения токоподводов. В случае использования экранов из различных материалов для предотвращения оплавления экранов из нержавеющей стали, отверстия в них следует выполнять большими, чем в экранах из тугоплавких металлов. Все это ведет к увеличению тепловых потерь печи. Поэтому рекомендуется обрамлять отверстия керамическими изоляторами, защищающими токоподводы от замыкания на экраны и одновременно уменьшающими излучение на кладку. Однако применение изоляторов допустимо лишь при условии: если температура нагрева изоляторов и экранов ниже температуры начала взаимодействия (контактных реакций) между ними.

Несмотря на то, что печи с углеродистой теплоизоляцией обладают лучшими характеристиками, чем печи с экранной теплоизоляцией, и в этих установках проводятся исследования, направленные на повышение энергетической эффективности. Так, например, американская компания Solar Manufacturing провела ряд исследований по модификации углеродистой теплоизоляции Совершенствование теплоизоляции достигалось установкой между слоями углеродистых композиционных материалов, графитовых экранов с более низким значением степени черноты, позволяющим использовать экраны для снижения теплового потока не только теплопроводность, но и излучением.

Рис.1.8. Комбинированная углеродистая теплоизоляция Solar Как показано в [62], применение комбинированной теплоизоляции позволяет снизить тепловой поток в печи на 5060%. Аналогичный способ может быть применен и к экранным ВПС, а в качестве засыпки можно использовать пористые оксиды.

Учитывая всё вышесказанное, совершенствование конструкций ВПС с экранной теплоизоляцией должны быть в первую очередь направлены на разработку плоских ленточных нагревателей с высоким значением площади излучаемой поверхности, тепловых моделей таких нагревателей, а также на экономическо-эффективный выбор теплоизоляции и разработку комбинированной теплоизоляции с использованием современных материалов.

1.3. Системы управления нагревателями с высоким значением коэффициента электрического сопротивления Основным фактором, влияющим на разработку системы управления нагревательными элементами ЭПС любого типа, является зависимость удельного электрического сопротивления материала нагревателя от температуры [8,23,30,36,49].

Рис.1.9. Зависимости удельного электрического сопротивления Как показывает рис. 1.9 материалы нагревательных элементов в зависимости от их температурной характеристики удельного электрического сопротивления можно разделить на 3 типа:

1. с убывающей характеристикой. К материалам данного типа, применяющимся в качестве нагревателей электрических печей сопротивления, относятся диоксид циркония и хромит лантана.

2. с неизменной характеристикой. К материалам данного типа относятся графит и углерод-углеродистые композиционные материалы, применяющиеся в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления, а среднетемпературных ЭПС.

3. с возрастающей характеристикой. К материалам данного типа относятся тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, тантал, ниобий), теплоизоляцией, а также дисилицид молибдена, который используется в высокотемпературных ЭПС.

Применение материалов первого и второго типа не приводит к усложнению системы управления ЭПС. В исследуемых в данной работе вакуумных печах с экранной теплоизоляцией применяются материалы третьего типа. С учетом своей характерной особенности (высокое значение температурного коэффициента электрического сопротивления) они накладывают дополнительное требование к проектированию системы управления. В связи с тем, что электросопротивление нагревателя, выполненного из тугоплавких металлов, при нагреве и охлаждении изменяется в 1015 раз, а, следовательно, во столько же раз (в соответствии с законом Ома) изменяется и ток, протекающий по нагревателю. Столь резкий бросок тока негативно сказывается на качестве нагревательных элементов печи, а также значительно сокращает срок их службы.

Кроме того, опыт эксплуатации ВПС с экранной теплоизоляцией говорит о необходимости бережного подключения и контроля нагревателей вне зависимости от применяемых материалов (но для тугоплавких металлов это условие обязательно должно выполняться). Поэтому на практике используют различные способы уменьшения колебаний мощности, выделяемой в нагревателях, при изменении их температуры [1,4].

Классическим можно считать способом ограничения мощности на нагревателях с применением трансформаторов с большим числом ступеней напряжения. За счет постоянного изменения напряжения в процессе разогрева печи осуществляется «плавный» пуск нагревателей в холодном состоянии. Недостатком такого метода является отсутствие рекомендаций по выбору трансформаторов для печей такого типа [51]. С учетом возможностей современных методов моделирования одной из важных задач можно считать понижающий трансформатор, согласно критерию минимума броска тока.

Другим способом ограничения мощности является прямое ограничение тока на нагревателях за счет применения «токовой отсечки» и обратной связи по току в самом регуляторе. Такой метод позволяет отказаться от применения трансформатора с большим числом ступеней напряжения, а также включать печь на номинальное напряжение. Например, компания ООО «Термокерамика» разработала для работы с такими нагревателями регулятор температуры «Термолюкс Т-020». В этом приборе благодаря наличию дополнительной обратной связи по току реализована функция непревышения заданного тока. Стоит отметить, что в большинстве исполнений тиристорных регуляторов мощности токовую отсечку не применяют. Более того, введение токовой отсечки возможно только при использовании фазоимпульсного способа управления тиристорами регулятора мощности, в то время как для печей сопротивления применяют импульсное (релейное) управление тиристорами, позволяющее уменьшить стоимость при сохранении качества и точности регулирования.

В связи с вышесказанным, разработки по совершенствованию систем управления ВПС должны быть направлены на разработку регуляторов температуры, позволяющих расширить применение стандартных микропроцессорных контроллеров для осуществления электропитания нагревателей из тугоплавких металлов.

Как было отмечено ранее, для всех технологических процессов, когда требуется повышенная чистота рабочего пространства печи или необходима теплоизоляцией. Кроме того, в России наблюдается ежегодный рост стоимости электроэнергии.

В связи с этим, целью данной работы является повышение энергоэффективности вакуумных печей сопротивления с экранной теплоизоляцией.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ состояния развития вакуумных печей сопротивления, особенности выполнения конструкций нагревательных блоков печей, влияние технологического процесса, реализуемого в установках.

2. Разработка уточненных моделей вакуумных печей сопротивления с экранной и комбинированной теплоизоляцией под решение конкретных задач.

3. Исследование влияния числа ступеней переключения напряжения трансформатора на максимальный бросок тока в нагревателях вакуумных печей сопротивления, выполненных из тугоплавких металлов.

4. Исследование динамических характеристик вакуумных печей сопротивления при использовании различных способов ограничения тока в регуляторах температуры.

5. Исследование влияния нелинейности регулятора мощности на показатели переходных процессов в вакуумных печах сопротивления.

6. Исследование рационального выбора комплекта теплоизоляция с учетом разработанного критерия минимума экономических затрат.

сопротивления с комбинированной теплоизоляцией.

8. Разработка программного пакета для исследования материалов, которые целесообразно применять в качестве неметаллической засыпки в комбинированной теплоизоляции вакуумной печи сопротивления.

Анализ состояния развития вакуумных печей сопротивления определил два основных направления научных исследований: конструкция установки и система управления.

Совершенствование конструкций ВПС с экранной теплоизоляцией должны быть в первую очередь направлены на разработку нагревателей с высоким значением площади излучаемой поверхности, тепловых моделей таких нагревателей, а также на экономическо-эффективный выбор теплоизоляции и разработку комбинированной теплоизоляции с использованием современных материалов.

Совершенствование систем управления ВПС должны быть направлены на разработку регуляторов температуры, позволяющих расширить применение стандартных микропроцессорных контроллеров для осуществления электропитания нагревателей из тугоплавких металлов, а также отказаться от применения многоступенчатых трансформаторов.

2. МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ, СИСТЕМЫ

ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ВАКУУМНЫХ

ПЕЧЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЯ

2.1. Постановка задачи по разработке уточненных моделей Регулирование температуры ЭПС осуществляется за счет изменения мощности, потребляемой нагревателями из питающей сети, т.е.

исполнительным устройством в системе автоматического управления температурным режимом печи сопротивления является регулятор мощности.

сопротивления [1,33,34,41,58] выполняется в виде набора следующих функциональных элементов (рис. 2.1):

- задающего устройства З, служащего для ручного или автоматического ввода заданного значения регулируемой температуры;

- вычислительного устройства ВУ, выполняющего функции сравнения действительного и заданного значения температуры и вырабатывающего требуемый закон регулирования;

- исполнительного элемента (регулятора мощности) РМ, изменяющего вводимую в печь мощность;

- датчика температуры печи ДТ.

Рис.2.1. Функциональная схема системы регулирования температуры ЭПС регулирования температуры с ПИД-законом регулирования.

Рис.2.2. Структурная схема системы непрерывного регулирования температуры ЭПС с ПИД-законом регулирования Электрическая печь сопротивления с точки зрения управления представляет собой сложную систему, состоящую, в общем случае, из нагревателя, футеровки и изделия, характеризующихся различными теплотехническими параметрами и связанных друг с другом процессами теплопередачи. Это обстоятельство чрезвычайно усложняет расчет тепловых переходных процессов и анализ динамики процессов регулирования.

С повышением требований к точности и качеству регулирования температуры и возможностью реализации сложных алгоритмов управления на основе микропроцессорных средств возникает необходимость разработки уточненных моделей ЭПС и регулятора температуры, которые бы в большей теплотехнические параметры отдельных элементов печи.

Традиционно ЭПС в регуляторах температуры представляют в виде линеаризованного звена с передаточной функцией [1,50]:

где K п – коэффициент передачи печи; T п – постоянная времени печи.

Такое представление ЭПС, как объекта управления позволяет решать ряд задач, при моделировании систем управления и регулятора температуры.

Несмотря на то, что ЭПС, как объект управления, является неоднородным (включающим в себя как минимум 3 элемента) система управления снабжается одним регулятором мощности, одним регулирующим устройством и одним датчиком обратной связи. Это вызывает определенные проблемы при проектировании системы управления и настройки регулятора, в частности одним из до сих пор нерешенных вопросов является определение рационального места установки датчика температуры.

С учетом того, что настройка параметров регуляторов температуры ЭПС для каждой новой печи вручную трудоемкая и финансово затратная операция. Это делает целесообразным разработку уточненной модели печи, учитывающей теплотехнические параметры отдельных элементов печи и связи между ними.

Учитывая всё вышесказанное, разработка уточненных моделей ЭПС удобных для решения различных задач управления является актуалной задачей, при этом модели могут быть различными под решение конкретных задач. В данной работе была поставлена задача разработать следующие модели:

- модель ВПС с экранной и комбинированной теплоиозяцией, учитывающую неоднородность печи, как объекта управления;

- модель системы управления ВПС с переключением ступеней напряжения трансформатора;

модель регулятора температуры с различными способами ограничения тока (внутри регулятора, а также с дополнительной обратной связью по току).

2.2. Разработка уточненной модели вакуумной печи сопротивления с Как объект управления, элемент печи сопротивления может быть управляющее воздействие – вводимая мощность (для нагревателя печи) графически представлен в виде звена рис.2.3, на которое поступает или температура 1 (для загрузки и теплоизоляции), интегральное воздействие. Выходной величиной является температура [50].

Рис. 2.3. Структурная схема элемент печи сопротивления, При разработке модели элемента печи сопротивления, как объекта управления, вводят следующие допущения:

пренебрегают неоднородностью элементов печи, т.е. используют усредненные теплотехнические параметры;

считают нагреватель, футеровку и изделие теплотехнически тонким телом.

Эти допущения являются довольно грубыми, однако, позволяют получить модели элементов печи в форме, удобной для дальнейшего исследования системы регулирования температуры.

Запишем уравнение энергетического баланса:

где - усредненный коэффициент теплоемкости элемента печи;

- масса элемента печи;

- коэффициент теплоотдачи элемента печи;

P - вводимая мощность;

P - потери мощности, вызываемые внутренними и внешними F i – площадь поверхности элемента печи;

воздействиями.

F. Получим:

Приведем уравнение (2.2) к каноническому виду, разделив обе части на Переходя к операторной форме, получим:

Таким образом, передаточная функция примет следующий вид:

На базе переходных функций отдельных элементов печи (рис.2.3) построим структурную схему печи сопротивления, как единого объекта управления разбитого на элементы (рис.2.4).

Рис. 2.4. Структурная схема печи сопротивления, как объекта управления, собранная на базе переходных функций отдельных элементов С учетом типа управляющего воздействия (вводимой мощности или температуры предыдущего элемента) запишем передаточные функции для каждого элемента печи.

Для нагревателя передаточная функция (2.5) будет иметь следующий вид:

В связи с тем, что на изделие и теплоизоляцию в качестве управляющего воздействия поступает температура нагревателя, то уравнение энергетического баланса (2.2) для теплоизоляции и изделия запишем в виде:

где 1 1 - вводимая мощность.

F. Получим:

Приведем это уравнение к каноническому виду, разделив обе части на Переходя к операторной форме, получим:

А передаточные функция для загрузки и теплоизоляции примут вид:

Для теплоизоляции передаточная функция (2.10) примет вид:

В связи с тем, что в данной работе рассматриваются вакуумные печи с экранной теплоизоляцией, то в структуре объекта управления ВПС выделим отдельно каждый экран теплоизоляции, согласно структурной схеме отдельных элементов (рис. 2.3). Причем на первый экран в качестве управляющего воздействия подается выходной сигнал температуры с выхода нагревателя, а на каждый последующий экран – выходной сигнал температуры предыдущего экрана (рис.2.5).

Рис. 2.5. Структурная схема ВПС с экранной теплоизоляцией, построенная на базе переходных функций отдельных элементов По данной структурной схеме в среде Simulink Matlab была разработана модель вакуумной печи сопротивления с экранной теплоизоляцией (рис. 2.6).

Построение такой модели позволяет исследовать динамическое изменение температуры в различных областях нагревательной камеры.

Рис. 2.6. Модель системы управления с представлением ВПС в качестве набора отдельных элементов нагревательной камеры печи На рис. 2.7, 2.8 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие возможности предлагаемой модели. Для удобства анализа полученных зависимостей изменения температуры (нагревателя, изделия, а также наиболее нагретого экрана) во время разогрева печи характеристики выводятся на общий виртуальный осциллограф Scope1, что позволяет пользователю получить единую картину распределения температуры в пространстве печи в динамике (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Динамические характеристики температуры нагревателя, изделия и Рис. 2.8. Динамические характеристики температуры экранов, Кроме того, для исследования динамики изменения температуры по экранам отдельно на общий виртуальный осциллограф Scope2 выведены сигналы изменения температуры внутри экранной теплоизоляции (рис. 2.8).

Сигнал обратной связи по температуре снимается с загрузки и через модель термопреобразователя подается на вход регулятора температуры.

Данная модель (рис. 2.6) позволяет решать ряд актуальных задач, таких как: определение места установки датчика температуры; выбор значения превышения мощности в регуляторе; проверка выбора материалов экранов (не превышена ли максимальная температура на каждом из них); настройка системы управления ВПС и отработка возможных возмущающих воздействий.

2.3. Регулятор температуры электрической печи сопротивления с В §1.3 была выделена главная проблема, связанная с разработкой систем управления ВПС. Одним из способов снижения броска тока в системах управления нагревателями из тугоплавких металлов является применение токовой отсечки, ограничивающий ток на нагревателях в процессе разогрева печи.

В ряде специализированных исполнительных элементов – тиристорных регуляторов переменного напряжения, вводят нелинейную отрицательную обратную связь по току (токовую отсечку), ограничивающую ток нагрузки допустимыми для тиристоров значениями. В большинстве исполнений тиристорных регуляторов мощности токовую отсечку не применяют. Более того, введение токовой отсечки возможно только при использовании фазоимпульсного способа управления тиристорами регулятора мощности, в то время как для печей сопротивления применяют импульсное (релейное) управление тиристорами, позволяющее уменьшить стоимость при сохранении качества и точности регулирования. Однако, как показали исследования, в релейных регуляторах температуры вводить токовую отсечку нельзя.

Отсутствие контроля тока в стандартном регуляторе температуры приводит к увеличению установленной мощности тиристоров и регулятора [1,81,88].

Таким образом, отсутствие в стандартных программируемых регуляторах температуры внешних входов для введения отрицательной высокотемпературных печей, требующих контроля тока нагревателей, при включении «холодной» печи.

Для расширения возможностей стандартных программируемых регуляторов температуры предлагается вводить обратную связь по току в канал обратной связи температуры [73,77,85,86,88].

На рис.2.9 приведена функциональная схема модернизированного регулятора температуры.

Данное устройство отличается от промышленного регулятора, описанного выше, тем, что между источником питания и силовым входом регулятора напряжения РН установлен датчик тока ТТ. Датчик тока может быть выполнен в виде трансформаторов тока вторичными обмотками, подключенными к выпрямителю, связанному своим выходом с входом порогового элемента. Сигнал тока, снимаемый датчиком тока, через пороговый элемент ПЭ подается в сумматор совместно с сигналом температуры, снимаемым датчиком температуры ДТ. Суммированный сигнал тока и температуры подается на вычислительное устройство ЭС.

Рис.2.9. Функциональная схема разработанного регулятора температуры По данному техническому решению получен патент на полезную модель № 98602 [88].

Для исследования разработанной системы управления была построена модель регулятора температуры в среде Simulink Matlab (рис. 2.10). При построении данной модели была использована традиционная упрощенная модель ВПС, как объекта управления с переходной функцией, рассчитанной по (2.1).

Для удобства исследования регуляторов температуры с ограничением тока разработана модель, реализованная в пакете прикладных программ Simulink Matlab (рис.2.10), включающая в себя два способа организации «токовой» отсечки. Штриховой линией на рис. 2.10 показана схема регулятора температуры с внутренним контуром тока (традиционное схемотехническое решение). Предлагаемому схемотехническому решению соответствует схема расположенная ниже традиционной схемы. Для удобства сравнения на обе модели поступает один и тот же сигнал от одного блока Step, а для графического представления выходных сигналов используются также общие виртуальные осциллографы Scope и Scope1.

Такой прием позволяет наглядно представить результаты сравнения традиционного регулятора и предлагаемого регулятора (§ 3.1). Оба регулятора температуры, представленные на рис.2.10, включают в себя блок Lookup Table (Simulink Matlab), сопротивления нагревателя в зависимости от температуры.

Рис. 2.10. Модели регуляторов температуры, реализованные в среде Simulink Matlab: 1 – с токовой отсечкой в 2.4. Регулятор температуры с переключением ступеней напряжения Классический способ питания печей сопротивления с нагревателями из тугоплавких металлов, а также дисилицида молибдена основан на использовании многоступенчатого понижающего трансформатора с регулированием напряжения в широком диапазоне [13,60,74,77]. Это необходимо для включения печи на пониженном напряжении и постепенного его увеличения по мере роста температуры и, как следствие, сопротивления нагревателя. Напряжение на нагреватель печи ВПС подается от сети 380/220 В через автоматический выключатель QF и силовой блок, электропечной понижающий трансформатор TV с переключением ступеней напряжения ПСН (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Силовая схема электропитания ВПС с переключением ступеней В табл. 2.1 представлены ВПС с нагревателями из тугоплавких металлов, а также указаны применяющиеся в этих установках типы трансформаторов.

Вакуумные печи сопротивления и типы трансформаторов, В таблице обозначено: электропечь СШВ-6.9/13 имеет три тепловые независимо регулируемые зоны, каждая из которых питается через свой понижающий трансформатор.

Недостатки такого способа управления ВПС заключаются в следующем:

выбор понижающего трансформатора для питания ВПС такого класса определяемыми отсутствием трансформаторов с достаточным количеством ступеней напряжения, необходимых при пуске печи. Кроме того, падающая характеристика понижающих трансформаторов (со снижением ступени напряжения предельная мощность трансформатора также снижается) приводит к недоиспользованию трансформатора по мощности при питании печи на пониженных ступенях напряжения [13,53].

Несмотря на вышеуказанные недостатки системы управления с переключением ступеней напряжения трансформатора нашли широкое применение для ряда технологических процессов, которые реализуются в вакуумных печах сопротивления с экранной теплоизоляцией [13,53]. Это обусловлено тем, что такой способ регулирования напряжения не сопровождается искажениями напряжения и тока. Однако, исследования динамических характеристик такой системы электропитания и управления не проводились, в связи с тем, что современные методы исследования, позволяющие решать нелинейные дифференциальные уравнения, появились относительно недавно [42-44]. При разработке модели систем управления такого типа необходимо уделить внимание вопросам моделирования переключения ступеней напряжения трансформатора.

Модель системы управления ВПС с переключением ступеней В [74] была разработана модель регулятора температуры ВПС, учитывающая особенности переключения ступеней напряжения трансформатора. Структурная схема модели трансформатора (рис.2.12) включает в себя: релейный элемент, интегратор, зону ограничения и элемент квантования.

Рис. 2.12. Структурная схема трансформатора с переключением ступеней Система управления трансформатором выполнена таким образом, что переключение трансформатора на одну (или более) ступень осуществляется включением двигателя перемещения щетки на время, необходимое для перемещения щетки на одну (или более) ступень. На модели это можно представить путем включения на вход трансформатора релейного элемента с характеристикой, представленной на рис.2.13а. Коэффициент передачи трансформатора K П можно определить, исходя из времени переключения с одной ступеней на другую. Время переключения стандартных трансформаторов составляет от 4-х до 8-ми секунд. При подаче единичного сигнала управления выходное напряжения одной ступени U = K П · t П.

Следовательно, коэффициент передачи определяется как K П = U / t П [В/с].

Рис. 2.13. Характеристики релейных элементов:

При построении модели регулируемого трансформатора в составе системы регулирования температуры следует иметь в виду, что выходное напряжение (действующее значение переменного напряжения) всегда положительно, т.е. на выходе трансформатора U ВЫХ 0. Кроме того, максимальное значение выходного напряжения также ограничено номинальным значением. Здесь минимальное и максимальное значения напряжения трансформатора вводятся в звене ограничения Запаздыванием, обусловленным временем переключения реле, управляющего двигателем перемещения щетки трансформатора, составляющем приблизительно 0,02 с, пренебрегаем. Для исключения возможности возникновения автоколебаний в зоне малых рассогласований сигнала в схему модели введен 3-х позиционный релейный элемент с характеристикой, представленной на рис.2.13б, где – ширина зоны нечувствительности. Для иллюстрации возникновения автоколебаний в зоне малых рассогласований, на рис. 2.14 представлены характеристики сигнала выходного напряжения трансформатора с применением 2-х позиционного (кривая 1) и 3-х позиционного (кривая 2) релейных элементов.

Рис. 2.14. Сигналы выходного напряжения трансформатора с применением 2х позиционного (кривая 1) и 3-х позиционного (кривая 2) релейных элементов Столь частые переключения ступеней трансформатора, при использовании 2-х позиционного релейного элемента негативно сказываются на качестве динамических характеристик печи, а также сокращают срок службы применяемого трансформатора.

Разработанная с учетом вышеуказанных особенностей система управления нелинейная. Аналитическое исследование не представляется возможным. Поэтому решение нелинейных дифференциальных уравнений проводилось с использованием методов структурного моделирования с применением пакета прикладных программ Simulink Matlab.

На рис. 2.15 приведена схема модели в среде Simulink, построенная на основе структурной схемы рис. 2.12. Обозначения элементов на схеме рис.2.15 сохранены в транскрипции пакета прикладных программ Simulink, что позволяет рассматривать её как программу вычислений. В модели необходимо отметить ряд особенностей:

Рис. 2.15. Модель системы управления ВПС с переключением ступеней напряжения трансформатора - 3-х позиционный релейный элемент выполняется последовательным соединением блоков Dead Zone (зона нечувствительности) и Saturation (блок ограничения) и для исключения возможностей автоколебаний необходима дополнительная настройка параметров зоны нечувствительности;

- переключение ступеней напряжения трансформатора реализуется как сумма выходных сигналов от блоков Constant (константа) и Quantizer (блок квантования), в первом блоке задается значение первой ступени напряжения, во втором – шаг переключения ступеней напряжения;

- для отлаженной работы системы необходима точная настройка интегральной составляющей трансформатора Gain3, в связи с тем, что при отклонении даже на один порядок, программа Simulink Matlab выдает ошибку;

- учитывая особенность нагревателей из тугоплавких металлов, модель включает в себя блок Lookup Table, который позволяет задавать в систему сопротивление нагревателя в зависимости от действующей температуры в печи;

2.5. Регулятор температуры с адаптивной токовой отсечкой В ряде технологических процессов требуется оперативное и точное изменение величины максимального тока на нагревателях при изменении температуры в печи [82].

Стандартные регуляторы температуры не способны выполнять вышеуказанные требования. В связи с этим было принято решение разработать регулятор температуры способный адаптировать параметры регулятора к изменяющимся температурным условиям среды и печи (загрузки, нагревателя, теплоизоляции). Это обеспечивает повышение точности регулятора температуры, более точного распределения температурного режима в печи и быстродействия системы. В предлагаемом устройстве технический эффект достигается путем введения функциональных блоков, позволяющих автоматически адаптировать величину токовой отсечки в зависимости от температуры.

На рис.2.16 представлена структурная схема предлагаемого регулятора с адаптацией значения «токовой отсечки» от заданной температуры в печи.

Рис.2.16. Функциональная схема регулятора температуры электропечи сопротивления с адаптацией токовой отсечки от заданной температуры В модель, представленную на рис.2.16, введены: компаратор 9, блок ограничения 10 и функциональный блок 11. Такой вариант выполнения регулятора температуры обеспечивает коррекцию тока отсечки по заданной температуре, но не учитывает изменение текущей температуры в печи, что снижает точность регулирования регулятора.

Для ряда технологических процессов, при которых сопротивление нагревателя от температуры изменяется медленно можно использовать первый вариант исполнения регулятора. В случае, когда сопротивление нагревателя изменяется постоянно, быстро и в больших диапазонах (с изменением температуры), то для таких технологических процессов следует применять второй вариант исполнения регулятора (с адаптацией токовой отсечки от действующей температуры в печи, рис.2.17).

Рис.2.17. Функциональная схема регулятора температуры электропечи сопротивления с адаптацией токовой отсечки от действующей температуры Оба предлагаемых регулятора работают по схожему принципу. Сигнал с задатчика температуры 6 (или датчика температуры 7, по второму варианту) поступает на вход функционального блока 11, который вырабатывает заданный сигнал и подает его на вход компаратора 9, обеспечивая коррекцию тока и отсечки в зависимости от температуры. Блок характеристику вход-выход вых = (вх ), представленную на рис.2.18а.

ограничения 10 реализуется на стандартных логических элементах и имеет Функциональный блок 11 реализуется на базе операционного усилителя и рис.2.18б, где – температура в печи.

блока ограничения (а) и функционального блока (б) По данному техническому решению получен патент РФ на полезную модель № 130419 [82].

2.6. Разработка модели комбинированной теплоизоляции вакуумной печи сопротивления с применением неметаллической засыпки Данная работа посвящена повышению энергетической эффективности вакуумных печей сопротивления. В связи с этим, в качестве направления следующих исследований было выбрано: определение возможности замены нескольких металлических экранов неметаллической засыпкой, с целью снижения теплового потока и повышению энергетической эффективности ВПС с экранной теплоизоляцией [68,72,83,90].

Рис.2.19. Модель ВПС с комбинированной теплоизоляцией.

На рис. 2.19 показана модель вакуумной печи сопротивления с комбинированной теплоизоляцией, включающая в себя обрабатываемое изделие, нагреватель, водоохлаждаемый кожух, а также пакет металлических экранов с неметаллической засыпкой в области наиболее нагретых экранов.

Необходимым условием использования неметаллической засыпки вместо металлического экрана является отсутствие взаимодействия материала засыпки с экраном, при высоких температурах [7,9,11,20,38].

В табл. 2.2 представлены температуры начала взаимодействия ВЗ различных оксидов с молибденом [17,19].

использовании неметаллической засыпки, является коэффициент теплопроводности вышеперечисленных оксидов, для следующего диапазона температур (1200 – 1600 0С).

Температура начала взаимодействия оксидов с молибденом материал Значения коэффициента теплопроводности для различных оксидов, Вт/мК, Вт/мК * - при температуре свыше 1000 0С оксид иттрия сохраняет свои теплофизические свойства. В таблице обозначено: П – пористость материала (в процентном соотношении).

При тепловом расчете ВПС с комбинированной теплоизоляции, для определения теплового потока через теплоизоляцию необходимо решать задачу сложного теплообмена.

Мощность тепловых потерь [27,35,37,55] для сложной теплопередачи рассчитывается по формуле (2.13).

где R ТИ – суммарное тепловое сопротивление экранов.

Для каждого экрана тепловое сопротивление излучением записывается в виде:

тепловых потерь P и Х – температура на первом металлическом экране Таким образом, в выражении (2.14) две неизвестных: мощность (равная по значению температуре в конце неметаллической засыпки, рис.2.19). Записав выражение (2.13) с учетом суммарного теплового сопротивления (2.14) получаем:

Для определения двух неизвестных необходимо определить второе засыпку.

Естественно, что мощность теплового потока на протяжении всей комбинированной теплоизоляции одинакова. Поэтому выражения (2.15, 2.16) можно записать в единую систему уравнений:

Решение системы уравнений (2.17) вручную не представляется возможным. Приходится использовать специализированные прикладные программы, например, MathCad. К сожалению, полная оптимизация расчета в пакете MathCad с учетом итерационной зависимости параметров материалов экранов и засыпки, а также изменения числа экранов представляет очень трудную задачу [79,80,83]. В связи с этим, была поставлена задача:

теплопередачи в ВПС с экранной теплоизоляции (§ 4.3).

Разработанный программный пакет Shield’s Thermal Insulation был зарегистрирован в базе программ для ЭВМ под номером № 2012614489 [87].

С использованием этого пакета, продолжились исследования зависимости мощность тепловых потерь от толщины неметаллической засыпки (§ 3.3).

Структурная модель ВПС с комбинированной теплоизоляцией можно представить на основе рис. 2.5 в следующем виде:

Рис. 2.20. Структурная схема ВПС с комбинированной теплоизоляцией Согласно структурной схеме (рис. 2.20) разработанная ранее модель (рис. 2.6) позволяет, поместив переходную функцию неметаллической засыпки между переходными функциями металлических экранов, исследовать динамические характеристики, а также настроить параметры регулятора для ВПС с комбинированной теплоизоляцией.

1. Определены недостатки традиционной модели электрической печи сопротивления и показана актуальность разработки уточненных моделей для решения определенных задач.

2. Разработана уточненная модель вакуумной печи сопротивления, как объекта управления, учитывающая неоднородность элементов печи (нагревателя, изделия и экранной теплоизоляции).

3. Предложена модель переключения ступеней напряжения трансформатора, пригодная для исследования систем управления ВПС с нагревателями из тугоплавких металлов.

4. Показано, что разработанный регулятор температуры электрической печи сопротивления с введением дополнительной обратной связи по току в канал обратной связи по температуре, обеспечивает «плавный» пуск нагревателей.

5. Для удобства исследования систем управления нагревателями из тугоплавких металлов предложена совокупная модель, учитывающая различные способы ограничения мощности на нагревателях.

6. Разработан регулятор температуры электрической печи с адаптивной токовой отсечкой.

7. Показано, что разработана модель комбинированной теплоизоляции вакуумной печи сопротивления пригодна для исследований применение оксидных материалов в качестве засыпки между экранами.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ

СОПРОТИВЛЕНИЯ

3.1. Исследование системы электропитания вакуумных печей сопротивления с переключением ступеней напряжения трансформатора Проанализируем влияние числа ступеней переключения напряжения трансформатора на максимальный бросок тока в нагревателях вакуумных печей сопротивления, выполненных из тугоплавких металлов.

В (§ 2.32.4) представлены разработанные модели для различных систем управления вакуумными печами с экранной теплоизоляцией и нагревателями из тугоплавких металлов.

Исследование системы управления с переключением ступеней напряжения трансформатора (рис. 2.16) проводилось путем расчета переходных функций I(t), (t) при ступенчатых воздействиях заданного значения температуры З. Все исследования проводились применительно к нагревателям вакуумной печи СНВЭ-16/11,5. В качестве исходных данных была выбрана заданная температура нагревателя, равная З = 1460 0С.

Варьируемым параметром стало изменение шага переключения ступеней напряжения (числа переключений), а также изменение значения напряжения первой ступени трансформатора.

Для наглядного восприятия, сигналы тока и температуры в модели рис.

2.16 выводились на общий виртуальный осциллограф Scope. Зависимость сопротивления в блоке Lookup Table (рис. 2.16) соответствует зависимости удельного сопротивления молибдена от температуры; номинальное напряжение исследуемой установки 17,5 В, в связи с этим в блоке ограничения Saturation2 установлено значение равное 35 В, чтобы обеспечить двукратный запас по мощности установки (данный прием считается традиционным в ЭПС).

В качестве примера, на рис. 3.1 представлены переходные функции, рассчитанные для модели рис.2.8 со следующими исходными данными:

напряжение первой ступени трансформатора 3,5 В; шаг переключения ступеней напряжения 4,4 В (таким образом, в установившийся режим установка выходит за три последовательных переключения на одну ступень выше).

Рис. 3.1. Зависимости температуры (кривая 1) в печи и тока (кривая 2) на Как показывает анализ рис.3.1, разработанная модель регулятора температуры ВПС с использованием переключения ступеней напряжения адекватно отражает протекающие в ней процессы и может использоваться для проектирования систем управления. Переключение ступеней напряжения увеличивает время разогрева печи до заданной температуры. Однако разогрев ВПС с экранной теплоизоляцией до температуры 1150 0С за 1,5 часа (без изделия) является удовлетворительным показателем. С учетом того, что большинство технологических процессов критичны к резкому перепаду температуры (быстрому нагреву) и порой накладывают дополнительное ограничение по скорости нагрева, то можно сделать вывод: что использование предлагаемой системы ограничения тока не приводит к существенному увеличению времени разогрева печи. Более того такой способ пуска печи можно считать наиболее целесообразным с учетом снижения броска тока (до 3-кратного вместо 9-кратного, при прямом пуске печи) и, как следствия, увеличения срока службы нагревателей.

Важным элементом исследования данной системы являлось определение целесообразного числа ступеней напряжения трансформатора. Разработанная модель позволяет сравнивать качество переходных процессов в печи, при применении различных трансформаторов, и в зависимости от исходных данных и конкретного типа печи подобрать оптимальный трансформатор, увеличивая энергетическую эффективность установки.

На рис.3.2. представлены динамические характеристики тока и температуры для нагревателей вакуумной печи СНВЭ-16/11,5 с различным числом ступеней переключения напряжения трансформатора. Как показывает анализ рис.3.2а и 3.2б, при использовании трансформатора с двумя и тремя ступенями бросок тока на второй ступени значительно превышает номинальный ток. На рис.3.2е применяется трансформатор с семью ступенями напряжения. Столь большое число переключений приводит к тому, что максимальный бросок тока наблюдается уже на первой ступени, поэтому дальнейшее увеличение числа переключений не приводит к снижению броска тока.

Применение трансформатора с 46 ступенями напряжения (рис.3.2в-д) обеспечивают бросок тока в районе двух номинальных значений. Этот показатель можно считать оптимальным, причем установлено, каждое дополнительное переключение в свою очередь, увеличивает время нагрева установки. Таким образом, можно рекомендовать к применению использование трансформаторов с четырьмя ступенями напряжения. Для удобства восприятия и анализа бросков тока, максимальные значения тока на нагревателях были вынесены в табл.3.1., а также отображены на рис.3.3.

Рис. 3.2. Зависимости тока и температуры от времени при применении трансформаторов с различным числом ступеней переключения напряжения Значения максимального броска тока на нагревателях, при применении трансформаторов с различным числом ступеней напряжения Рис. 3.3. Отношение максимального броска тока на нагревателях к Таким образом, показано, что разработанная модель позволяет осуществлять выбора рационального числа ступеней трансформатора по критерию минимума броска тока. Кроме того, на данной модели было определено, что отдельное внимание необходимо уделить значению первой ступеней трансформатора. Это связано с тем, что при увеличении этого значения, бросок тока, при включении «холостой печи» будет значительно больше, чем при последующих переключениях. И таким образом, снижение броска тока за счет увеличения числа ступеней напряжения, а также «плавный пуск» нагревателей не будет осуществлен. А значительное занижение значения первой ступени напряжения трансформатора, приводит к увеличению числа переключений. В связи с этим, при моделировании системы управления ВПС с трансформаторами можно рекомендовать выполнение действий в следующей последовательности:

1. Определение значения первой ступени напряжения, при которой бросок тока на второй ступени будет больше, чем на первой.

2. Выбор шага напряжения, таким образом, чтобы выход на установившийся режим нагревателей печи, осуществлялся за переключений ступеней напряжения трансформатора.

3.2. Исследование систем управления вакуумных печей сопротивления с Следующим этапом исследований систем электропитания и управления ВПС с нагревателями из тугоплавких металлов стало сравнения характеристик регуляторов температуры с различным способом ограничения тока.

Регуляторы температуры исследовались на разработанной в Simulink Matlab модели (рис. 2.11) применительно к типовой вакуумной печи сопротивления периодического действия с параметрами:

сопротивление нагревателя меняется в зависимости от температуры Можно было ожидать, что обратная связь по внутреннему контуру тока характеристиками. Однако, как показывает анализ рис. 3.4, 3.5:

- обе схемы обеспечивают требуемое качество переходного процесса;

ограничение тока приводит к снижению скорости изменения температуры в сравнении с регулятором без ограничения тока;

- переходные функции тока и температуры, исследуемых регуляторов, схожи между собой;

- перерегулирование и точность переходной функции температуры лучше, при использовании предлагаемого регулятора (кривая 2 на рис. 3.4);

бросок тока на нагревателях (при одинаковом значении токовой отсечки – 2100 А) меньше в предлагаемом регуляторе (кривая 2 на рис. 3.5), что положительно влияет на срок службы нагревателя.

Рис. 3.4. Зависимости температуры на нагревателях от времени: 1 – с токовой отсечкой в регуляторе; 2 – с дополнительной обратной связью по току Рис. 3.5. Зависимости тока на нагревателях от времени: 1 – с токовой отсечкой в регуляторе; 2 – с дополнительной обратной связью по току Как показывает рис. 3.4, разработанный регулятор температуры электропечи сопротивления (кривая 2) позволяет организовывать плавный пуск печи, ограничивая бросок тока, что продлевает срок службы нагревателей с высоким значением температурного коэффициента электрического сопротивления.

По сравнению с регулятором температуры, в котором заложена обратная связь по току в самом регуляторе мощности, разработанный регулятор температуры обладает лучшими характеристиками переходных функций, что позволяет: снизить бросок тока, при одинаковых значениях «токовой отсечки» на 30% (рис. 3.5).

Необходимо отметить, что традиционный регулятор требует дополнительной тщательной настройки коэффициента усиления «токовой отсечки» Gain4, а также параметров ПИ-регулятора (рис. 2.11).

Следующим этапом исследований предлагаемого регулятора было определение зависимости времени выхода на номинальный режим нагревателей, а также настройка параметров ПИ-регулятора, при различных значениях отношения «токовой отсечки» к номинальному току. Эти исследования проводились также на модели (рис.2.11) путем изменения значения токовой отсечки в блоке DeadZone1и последующей настройкой параметров ПИ-регулятора.

Следует также отметить, что «токовая отсечка» может быть использована для регулирования скорости нагрева.

На рис. 3.6 представлена зависимость быстродействия выхода на режим нагревателей печи от отношения «токовой отсечки» к номинальному току, при использовании разработанного регулятора температуры.

Как следует из зависимости (рис. 3.6), увеличение «токовой отсечки»

выше 2,5I НОМ не имеет особого смысла в связи с минимальным увеличением скорости выхода на режим нагревателей. Кроме того, ряд технологических процессов накладывает ограничение к скорости нагрева обрабатываемого изделия, в связи с этим, увеличение значения «токовой отсечки» не требуется. Поэтому можно рекомендовать, при настройке системы с использованием предлагаемого регулятора температуры, устанавливать значение «токовой отсечки» в диапазоне от 1,5 до 2,5 I НОМ.

Рис. 3.6. Зависимость быстродействия нагревателя от отношения тока Рис. 3.7. Параметры ПИ-регулятора в зависимости от отношении тока «отсечки» к номинальному току: 1 – пропорциональная; 2 – интегральная.

интегральной составляющей ПИ-регулятора. При отношении I ОТС /I НОМ 2, значение пропорциональной составляющей, при настройке ПИ-регулятора, является постоянным (рис. 3.7, кривая 1). При отношении I ОТС /I НОМ 3, значение пропорциональной составляющей плавно уменьшается. Наиболее сложной задачей является определение и настройка пропорциональной составляющей при значениях «токовой отсечки», как раз в рекомендуемом нами диапазоне 1,5 I ОТС /I НОМ 2,5 (кривая 1, рис. 3.7). Интегральная составляющая ПИ-регулятора, при изменении токовой отсечки, практически не меняется (кривая 2, рис. 3.7).

Сравнение вариантов исполнения систем управления В заключение приводится сравнение токовых характеристик (рис. 3.8) для системы управления с переключением ступеней напряжения трансформатора (кривая 1), а также с регуляторами температуры с токовыми отсечками внутри регулятора (кривая 2) и с дополнительным каналом обратной связи по току (кривая 3).

Как показывает анализ рис. 3.8:

- все способы организации питания нагревателей позволяют обеспечить плавный пуск печи;

- применение регулятора с дополнительным каналом по току позволяет снизить бросок тока на нагревателях: на 30% в сравнении с «токовой отсечкой» во внутреннем контуре регулятора; на 70% – с переключением ступеней напряжения трансформатора;

- для ряда технологических процессов, когда не требуется ограничение скорости нагрева, использование регуляторов с «токовой отсечкой»

позволяет регулировать (увеличивать) скорость нагрева в сравнении с системой управления с переключением ступеней напряжения трансформатора;

- кроме того, система управления с дополнительным каналом по току более проста и удобна в настройке.

Рис. 3.8. Зависимости тока на нагревателях от времени: 1 – с переключением ступеней напряжения;

2 – с внутренним контуром тока; 3 – с дополнительной обратной связью по току Таким образом, при проектировании системы управления ВПС с нагревателями с высоким значением коэффициента электрического сопротивления можно рекомендовать применение регулятора температуры с ограничением тока в канале обратной связи по температуре. В связи с тем, что такой способ организовывает наиболее «плавный пуск» нагревателей «холостой печи», что в конечном итоге положительного сказывается на продлении срока службы всего комплекта нагревательных элементов.

3.3. Исследование влияния превышения мощности в регуляторах мощности электрических печей сопротивления используемые в регуляторах температуры, имеют нелинейную статическую характеристику (рис. 3.9). Следует также иметь в виду, что во всех регуляторах температуры ЭПС, получающих питание от сети переменного напряжения, мощность P, поступающая на нагреватели печи, определяется действующим, а не мгновенным значением, т.е. всегда положительна при любых значениях входного сигнала u у. Нелинейность характеристики рис.

3.9 обусловлена следующими факторами. Питание ЭПС осуществляется температуры используют только действующее значение мощности, определяющее вводимую в печь мощность. Выходная мощность любого усилителя ограничена номинальным значением P ном, остающимся неизменным даже при увеличении входного сигнала выше номинального значения u у.ном. Нелинейность статической характеристики регулятора мощности учитывается в структурной схеме регулятора температуры рис.3.10б путем введения в нее нелинейного звена НЗ.

«ограничение», характеристики регулятора мощности.

Рис. 3.10. Структурные схемы регулирование температуры в ЭПС:

б – нелинейная система с учетом ограничения в регуляторе мощности определенные трудности, а аппарат передаточных функций неприменим.

Поэтому исследование проведем с использованием численных методов исследования) [25,31,54]. Для анализа и синтеза линейных и нелинейных систем автоматического управления в настоящее время наиболее широкое применение получил пакет прикладных программ Simulink Matlab, который используем здесь для исследования рассматриваемой системы. Целью исследования рассматриваемой нелинейной системы регулирования температуры является определение влияния ограничения мощности быстродействие, точность и качество переходных процессов. Исследование проводим путем расчета на модели (рис. 3.11), составленной в пакете Simulink, переходных функций температуры печи (t) при скачкообразном изменении задания температуры з (t) и возмущающего воздействия y(t).

Для наглядности и удобства сравнения рассматриваемых систем целесообразно использовать следующий прием – объединить в одной общей модели (рис. 3.11) линейную (рис. 3.10а) и нелинейную (рис. 3.10б) системы.

В такой модели на входы обеих систем поступает одно задающее з (t) и возмущающее y(t) воздействия. Результаты расчета переходных функций для линейной л (t) и нелинейной н (t) систем отображаются на виртуальном осциллографе Scope1.

Рис. 3.11. Объединенная схема модели ЭПС, для исследования влияния На рис. 3.12 приведены осциллограммы переходных функций з (t), y(t), л (t) и н (t), рассчитанные для следующих параметров: заданная температура з = 1000оС; постоянная времени печи T п = 100 с; коэффициент передачи П-регулятора k 1 = 1; коэффициент передачи регулятора мощности k рм = 5; коэффициент передачи печи k п = 2; коэффициент передачи датчика температуры k т =1; величина возмущающего воздействия y =200 Вт;

коэффициент превышения мощности, вводимой в печь - n = P max /P ном = 2, где P max – максимальная выходная мощность регулятора (величина ограничения на статической характеристике регулятора мощности); P ном = ном / k п = 1000 /2 = 500 Вт – мощность, которая должна быть введена в печь для достижения заданной температуры.

Рис. 3.12. Осциллограммы переходных функций з (t), y(t), л (t), н (t), рассчитанные для n = 2 (а) и n = 1,5 (б): 1- задание температуры з (t);

2 - переходная функция линейной системы л (t); 3 – переходная функция нелинейной системы н (t); 4 - переходная функция возмущающего воздействия y(t) Для количественной оценки влияния ограничения мощности на показатели переходного процесса приведены два вида переходных процессов, рассчитанных для n = 2 (рис. 3.12а) и – для n = 1,5 (рис. 3.12б).

Как показывает сравнение осциллограмм на рис. 3.10, введение ограничения в регуляторе мощности приводит к снижению скорости разогрева печи. Этот вывод можно считать очевидным, учитывая, что скорость разогрева печи пропорциональна вводимой в печь мощности.

Практический интерес представляет количественная зависимость скорости разогрева печи d/dt от превышения мощности n, которая может быть использована при проектировании регулятора температуры.

следовательно, его стоимость, а также КПД печи. Максимальное значение обеспечивается такая же скорость разогрева печи, как и в линейной системе, может быть определена из выражения P max = k 1 k рм з, что будет соответствовать превышению мощности n max = P max / P ном = 1/ k 1 k рм.

переходные функции на рис. 3.12, максимальное значение мощности P max, достигаемое в линейной системе, составляет P max = k 1 k рм з = 5 1000 = 5000 Вт = 5 кВт. Таким образом, требуемая для линейной системы номинальную мощность печи P ном = ном / k п = 500 Вт в 10 раз. При этом время разогрева печи t рл (время достижения установившегося значения температуры) составило 50 с. Ограничение мощности регулятора мощности на уровне P max = 1000 Вт (рис. 3.12а) привело к тому, что временя разогрева печи увеличилось до t рн 70 с, т.е. не столь существенно в сравнении с 10-ти кратным увеличением мощности регулятора мощности. Уменьшение превышения мощности регулятора мощности до значения n = 1,5 (кривая 3, рис. 3.12б), т. е. до P max = 750 Вт, привело к увеличению времени разогрева печи до величины t рн 100 с. Зависимость времени разогрева печи от превышения мощности n обусловлена спецификой работы замкнутой системы регулирования. Максимальная мощность в замкнутой системе регулирования поступает на объект управления на коротком начальном участке переходного процесса, когда сигнал рассогласования = з имеет максимальное значение. Большая часть переходного процесса формируется при значительно меньшей мощности вводимой в печь.

Минимальное значение коэффициента превышения n min может быть найдено из условия P max P ном + y max, которое показывает, что вводимая в печь мощность должна обеспечивать поддержание требуемой температуры (компенсировать потери печи P ном ) и компенсировать возмущающие воздействия y max. Если вводимая в печь мощность P max = P ном + y max, то это означает, что у регулятора температуры отсутствует запас мощности, поэтому время разогрева печи в этом случае будет равно бесконечности.

Очевидно, что такой регулятор не может обеспечить требуемое качество и точность регулирования. Общепринято [34] проектировать регулятор температуры с превышением мощности n 2, что обеспечивает хорошие динамические характеристики и высокое качество регулирования, не приводя к существенному удорожанию регулятора мощности. В каждом конкретном случае коэффициент превышения мощности целесообразно определять, используя критерии минимального времени разогрева печи или минимальной стоимости регулятора мощности при обеспечении требуемых показателей качества регулирования температуры.

Для определения рационального значения коэффициента превышения мощности удобно воспользоваться зависимостью t р (n), рассчитанной на модели рис. 3.10 для различных значений превышения мощности n. В качестве примера на рис. 3.13 приведена указанная зависимость, рассчитанная для тех же параметров регулятора температуры, что и приведенные на рис. 3.12 переходные функции.



Pages:   || 2 |
 


Похожие работы:

«Фризен Василий Эдуардович ИНДУКЦИОННЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ИННОВАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ Специальность 05.09.10 Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант : доктор технических наук, профессор Сарапулов Федор Никитич Екатеринбург 2014 Оглавление Перечень встречающихся сокращений 5 Введение 1. Аналитический обзор...»

«Сысолятин Виктор Юрьевич УДК 621.791, 66.028 ЦИФРОВЫЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ КОНТРОЛЯ КОЛИЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ПРИ ПРОТЕКАНИИ ТОКА В ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель –...»

«ШЕВЧУК Антон Павлович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРУППОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В УСЛОВИЯХ ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАССРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОПОТРЕБИТЕЛЕЙ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы...»

«Григорьев Максим Анатольевич УДК 62-83::621.313.3 СИНХРОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С НЕЗАВИСИМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПО КАНАЛУ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРЕДЕЛЬНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ПО БЫСТРОДЕЙСТВИЮ И ПЕРЕГРУЗОЧНЫМ СПОСОБНОСТЯМ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук Научный консультант – доктор технических наук,...»

«МАСЛОВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДУГОВЫМИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫМИ ПЕЧАМИ, СНИЖАЮЩИХ ПОЛОМКИ ЭЛЕКТРОДОВ Специальность 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Рубцов В.П. Москва, ВВЕДЕНИЕ...»

«Пищалев Константин Евгеньевич Технология высокочастотного индукционного нагрева насадных деталей роторов турбогенераторов и паровых турбин 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук...»

«Лукпанов Женисбек Кожасович Электропривод нефтеперекачивающих станций с преобразователями частоты 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : Сагитов П.И. Алматы, 2007 41 Алматы, 2005 Содержание Введение.. 1 Исследование технологических особенностей работы мощных электроприводов нефтеперекачивающих насосных станций. 1.1 Способы...»

«Овсянников Владимир Николаевич МОМЕНТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ОГРАНИЧЕННЫМ УГЛОМ ПОВОРОТА РОТОРА Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : кандидат технических наук, доцент Макаричев Ю.А. Самара 2014 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ.....»

«ДЖАБОРОВ МЕХРУБОН МАХМАДКУЛОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОВОЗОВ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени Кандидат технических наук Научный руководитель : доктор технических наук, профессор Н....»

«Самсонов Дмитрий Сергеевич Электроимпульсная технология получения ультрадисперсных материалов 05.09.10 – Электротехнология ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель д. т. н., профессор Гончаров В. Д. Санкт-Петербург – 2014 2 Содержание Введение.................................... Глава 1 Методы...»

«Масликов Павел Александрович ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ЖИДКОЙ ФАЗЫ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ВНУТРИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТЕЛ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ Специальность: 05.09.10– Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель –...»

«Иванов Александр Николаевич ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ УСИЛИЙ В УСТРОЙСТВАХ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ОТ ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ Специальность: 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание учной степени кандидата технических...»

«ПИВКИН Антон Викторович ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СВАРОЧНЫХ ИНВЕРТОРОВ Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель кандидат технических наук В. М. Бардин Саратов 2014 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. Введение Глава 1. Проблемы обеспечения электромагнитной совместимости статических...»

«КАБАЛИН ЕГОР ИВАНОВИЧ РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДИКИ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ ДВУХКОНТУРНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ТИГЛЕЙ ВАКУУМНЫХ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ Специальность 05.09.10 - Электротехнология Диссертация на соискание учной степени кандидата технических наук Научный руководитель : д. т. н., профессор Кувалдин А.Б. Москва -...»

«Белоусов Евгений Викторович УДК 62-83::621.313.3 ЭЛЕКТРОПРИВОД МЕХАНИЗМА ПОДАЧИ СТАНА ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ ТРУБ с СИНХРОННОЙ РЕАКТИВНОЙ МАШИНОЙ НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ Специальность 05.09.03 – “Электротехнические комплексы и системы” Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель – кандидат технических наук Григорьев М.А. Челябинск – ОГЛАВЛЕНИЕ...»

«РАДЬКО Сергей Иванович РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРОВОДЯНОГО ПЛАЗМОТРОНА Специальность: 05.09.10 – Электротехнология Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук,...»

«ВДОВИН ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ АДАПТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ ОЦЕНИВАНИЯ КООРДИНАТ БЕЗДАТЧИКОВЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РЕГУЛИРОВАНИЯ Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – д. т. н.,...»

«ТИМОЩЕНКО Константин Павлович РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЦИФРОАНАЛОГОВОГО СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени...»

«ДИЁРОВ РУСТАМ ХАКИМАЛИЕВИЧ ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ГИДРОАГРЕГАТА МИНИ-ГЭС НА ОСНОВЕ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель – к.т.н., доцент...»

«УДК 62-83::621.314.5 МОДЗЕЛЕВСКИЙ Дмитрий Евгеньевич ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ШАХТНОЙ ПОДЪЕМНОЙ УСТАНОВКИ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук профессор...»







 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.