Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности плавки ферромагнитной стали в индукционной тигельной печи средней частоты 11
1.1.Индукционные тигельные печи для плавки стали 11
1.2. Управление режимами индукционной тигельной печи для эффективной плавки 21
1.3.Существующие схемы полупроводников преобразователей для ИТП 28
1.4. Постановка цели и задач исследования 37
Глава 2. Экспериментальное исследование процессов в ИТП с ферромагнитной ДЗ на основе её физической модели для получения математического описания 40
2.1. Постановка задачи и выбор метода исследования 40
2.2. Описание оборудования и методика проведения экспериментов на физической модели ИТП 45
2.3. Результаты экспериментов на физической модели ИТП с ферромагнитной ДЗ
2.3.1. Исследование влияния напряжённости магнитного поля Н 54
2.3.2. Исследование влияния температуры
2.4. Обработка полученных результатов 57
2.5. Выводы по главе 2 63
Глава 3. Разработка энергоэффективного источника питания для плавки ферромагнитной ДЗ 65
3.1. Постановка задачи для главы 3 з
3.2. Структура, принцип действия и анализ электромагнитных процессов в перестраиваемом преобразователе частоты 66
3.3. Сравнительный анализ «классической» схемы преобразователей частоты и перестраиваемого преобразователя частоты
3.4. Методика расчёта параметров перестраиваемого ТПЧ 73
3.4.Выводы по главе 3 79
Глава 4. Разработка системы управления электротехнологическим комплексом на основе ИТП с ферромагнитной ДЗ 81
4.1.Постановка задачи 81
4.2. Выбор способа регулирования и разработка алгоритмов управления процессом при использовании перестраиваемого ТПЧ 81
4.3. Реализация системы управления ТПЧ и системы автоматического контроля параметров ИТП с ферромагнитной ДЗ 87
4.4. Выводы по главе 4 98
Глава 5. Разработка инженерной методики расчёта электрических параметров промышленных ИТП с ферромагнитной ДЗ 100
5.1. Постановка задачи 100
5.2. Применение теории подобия при расчёте параметров ИТП 100
5.3. Методика расчёта электрических параметров ИТП 102
5.4. Применение расчётной методики определения параметров перестраиваемого ТПЧ с известными параметрами ИТП 104
5.5. Выводы по главе 5 106
Заключение 106
Список литературы 108
- Управление режимами индукционной тигельной печи для эффективной плавки
- Результаты экспериментов на физической модели ИТП с ферромагнитной ДЗ
- Структура, принцип действия и анализ электромагнитных процессов в перестраиваемом преобразователе частоты
- Выбор способа регулирования и разработка алгоритмов управления процессом при использовании перестраиваемого ТПЧ
Введение к работе
Актуальность проблемы
Одним из наиболее перспективных видов электротермического оборудования для плавки качественной стали являются открытые и вакуумные индукционные тигельные печи (ИТП). В ИТП сочетаются контролируемое термическое воздействие на расплавляемый металл с электромеханическим воздействием, вызывающим интенсивное перемешивание металла в тигле, а также преимущества бесконтактной передачи энергии в металл. Для увеличения к.п.д. и производительности электропитание ИТП для плавки стали осуществляется от преобразователей средней (повышенной) и высокой частоты, что позволяет увеличить удельную мощность установки по сравнению с вариантом питания от источников промышленной частоты.
Актуальным является вопрос энергоэффективности плавильного электротехнологического комплекса (ЭТК). Индукционный нагрев позволяет в большинстве случаев обеспечить эффективное использование электроэнергии при условии правильного выбора параметров источника питания, в качестве которого при плавке стального лома применяют полупроводниковый преобразователь частоты.
При нагреве и расплавлении ферромагнитной дискретной загрузки (ДЗ) её параметры (активное и реактивное сопротивления шихты) значительно изменяются и становится необходимым использовать специальные методы управления режимами ИТП и источником её электропитания для экономии электроэнергии и ускорения процесса плавки. Важно также согласование параметров источника питания с параметрами загрузки для того, чтобы обеспечить работу инвертора в режиме номинальной мощности. Поэтому особый интерес представляют определение зависимостей изменения параметров системы «индуктор - загрузка» при нагреве ферромагнитной ДЗ, когда эти параметры изменяются особенно значительно, а также разработка источника питания с изменяемыми параметрами и соответствующей системы управления.
Вопросы учёта особенностей индукционного нагрева ДЗ рассматривались в работах А. М. Вайнберга, Г. И. Бабата, А. А. Простякова, Н. И. Фомина, Л. М. Затуловского, Фризена В. Э. и других, а специфике выбора и применения полупроводниковых преобразователей для питания индукционных установок посвящены работы А. С. Васильева., СВ. Дзлиева, В. А. Лабунцова и других учёных.
Так как аналитические методы определения параметров загрузки осложнены нелинейными зависимостями магнитной проницаемости стали от температуры и напряжённости магнитного поля, то целесообразно для этой цели использовать метод физического моделирования, позволяющий на модели ИТП выявить закономерности изменения параметров электрической схемы замещения печи с ферромагнитной ДЗ. Он основан на изменении масштаба физических свойств материалов, геометрических размеров системы и параметров, характеризующих режим нагрева, при сохранении физической сущности процессов, происходящих в оригинале.
Математическое описание электрических параметров ИТП с ДЗ, полученное при обработке эксперимента на физической модели, может быть использовано для расчёта ИТП других геометрических размеров, мощности, частоты, другой крупностью кусков загрузки с применением теория подобия, позволяющей связать параметры модельной и оригинальной ИТП.
Предмет исследования
Предметом исследования являются электротехнологические комплексы с открытыми и вакуумными ИТП с характеристиками: частота 0,5 - 10,0 кГц, мощность 30 - 1200 кВт, ёмкость 30 - 1000 кг, а также используемые в них источники питания - тиристорные преобразователи частоты (ТПЧ) и системы управления. Материалом загрузки является ферромагнитная сталь, при этом переплавляется лом, т.е. используется ДЗ, что в процессе нагрева приводит к значительному изменению её электрофизических свойств и геометрии при плавке.
Основные трудности определения электрических параметров системы «индуктор - загрузка» в ходе нагрева:
нелинейность зависимостей удельного сопротивления ферромагнитной стали и относительной магнитной проницаемости от температуры и напряжённости магнитного поля последней,
дискретность и изменение геометрии загрузки в процессе нагрева и расплавления.
Объект исследования
Объектом исследования является ЭТК с ИТП для плавки ферромагнитной ДЗ из стали, на основе результатов экспериментального исследования которой получено математическое описание изменения параметров загрузки в начальный период плавки.
Цель работы
Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности электротехнологического комплекса (ЭТК) с индукционной тигельной печью (ИТП) в начальный период плавки кусковой ферромагнитной шихты при нагреве до температуры ок. 1000С.
Решаемые задачи:
-
Разработка методики и проведение экспериментального исследования электрических и энергетических характеристик ИТП при нагреве ферромагнитной ДЗ до температуры ок. 1000С и получение их математического описания на основе результатов физического моделирования.
-
Разработка источника питания - тиристорного инвертора с учетом сильных изменений параметров ИТП с ДЗ при плавке и определение параметров его элементов, улучшающая энергетические характеристики ЭТК.
-
Создание системы управления ЭТК с ИТП при нагреве ферромагнитной ДЗ и исследование её характеристик в пакете Simulink.
4. Разработка инженерной методики расчёта характеристик промышленных ЭТК на базе ИТП с предложенным источником питания с использованием теории подобия.
Соответствие темы исследования паспорту специальности «Электротехнология» - 05.09.10
Рассматриваемые в работе вопросы относятся к пунктам 1 и 3 паспорта специальности 05.09.10 «Электротехнология».
-
Развитие общей теории передачи электромагнитной энергии в сложные среды, разработка методов физического и математического моделирования явлений, возникающих при взаимодействии электромагнитного поля с веществом и конструктивными материалами технологических установок.
-
Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнологических комплексов и систем, их оптимизация, разработка алгоритмов эффективного управления.
Методы научных исследований
Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались теория подобия и методы планирования и обработки результатов эксперимента. Для проведения обработки экспериментальных данных был применён программный пакет Mathcad. Численное моделирование режимов работы источника питания проводилось с использованием вычислительного пакета LTSpice. Модель системы управления индукционным комплексом на основе ИТП с ферромагнитной ДЗ была построена и исследована в среде Simulink.
Научная новизна
-
На основе физического моделирования получена математическая модель для расчёта электрических и энергетических характеристик ИТП при нагреве ферромагнитной ДЗ до температуры ок. 1000С.
-
Разработан источник питания ИТП - тиристорный преобразователь частоты с перестраиваемой структурой, обеспечивающий минимальную установленную габаритную мощность и снижение потерь энергии.
Практическая ценность результатов работы
-
Полученная математическая модель ИТП с ДЗ позволяет рассчитывать индукционный плавильный комплекс с заданными параметрами на начальном этапе нагрева до температур ок. 1000С.
-
Разработана инженерная методика расчёта параметров элементов промышленных ЭТК с ИТП средней частоты, использующая методы теории подобия.
-
Предложена методика расчёта параметров перестраиваемого преобразователя частоты.
-
Разработано техническое предложение на создание электротехнологического комплекса с ИТП для плавки стали емкостью 60 кг для ЦНИИТМАШ.
Обоснованность и достоверность полученных результатов
Обоснованность и достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается применением методов численного и физического моделирования процессов.
Достоверность результатов исследований экспериментальных данных основана на строгом использовании методов математической статистики и обработки эксперимента.
Таким образом, результаты экспериментальных исследований обоснуются математическими методами обработки эксперимента.
Реализация и внедрение результатов работы
На основе результатов работы разработано техническое предложение для организации ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" по созданию вакуумной ИТП ёмкостью 60 кг для плавки стальной ДЗ при питании от тиристорного преобразователя частоты с перестраиваемой структурой мощностью 100 кВт.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на Международных научно-технических конференциях АМТЕЕ"15. "Advanced Methods of the Theory of Electrical Engineering" (Trebic, Czech Republic, 2015) и 11th International Forum on Strategic Technology (IFOST), (Novosibirsk, 2016), «Workshop Elektroprozess-technik» (Ilmenau, Germany, 2016), I Международной научно-технической конференции «Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике» (Пермь, 2016), XIV-XVI Международных научно-практических интернет-конференциях "Энерго- и ресурсосбережение XXI век" (Орёл, 2014-2016); 14-ой и 16-ой Международных конференций по вопросам электромеханики, электротехнологии, электротехнических материалов и компонентов (Алушта, 2014, 2016); ХХ-ХХП Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (МЭИ, 2014-2016).
Работа обсуждалась на заседании кафедры АЭТУС НИУ "МЭИ" (2016).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованном ВАК РФ для публикации основных результатов диссертаций на соискание учёных степеней доктора и кандидата наук, 1 патент на полезную модель, 12 докладов в материалах международных конференций.
Личный вклад автора
Личный вклад автора состоит в разработке методики и проведения экспериментов на физической модели ИТП с ферромагнитной ДЗ, реализации идеи переключения конденсаторов в компенсирующей батареи нагрузочного контура бесконтактным способом, обобщении и интерпретации результатов экспериментальных исследований.
Структура и объём диссертации
Диссертация изложена на 112 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованной литературы из 58 наименований. В работе представлены 14 таблиц и 52 рисунка.
Управление режимами индукционной тигельной печи для эффективной плавки
Современный подход к использованию ИТП как высокоэффективного, а, следовательно, и экономичного плавильного агрегата, предполагает управление тепловым и электрическим режимами на всех стадиях плавки с целью, в основном, снижения времени плавки.
Вследствие изменения параметров загрузки в процессе работы печи снабжаются автоматическими системами управления, поддерживающими на требуемом уровне основные электрические параметры: потребляемую мощность, коэффициент мощности и др., а также температуру расплава.
Крупные печи имеют компьютерные системы управления, контролирующие электрические и теплотехнические параметры, массовый и химический состав загрузки, а также состояние футеровки и снабженные системой визуализации процесса, существенно облегчающей работу персонала.
Когда в качестве шихты применяют ферромагнитную сталь, то до того момента, пока температура еще не достигла точки Кюри, т. е. 740 – 770оС, её магнитная проницаемость изменяется незначительно от температуры в процессе нагрева. В этом случае шихта будет играть роль не только вторичной обмотки и нагрузки, но и незамкнутого сердечника. Иначе говоря, при плавке в ИТП разогрев шихты в первый период (до точки Кюри) произойдет за счёт тепла, выделяемого от циркуляции в ней индуцированных токов. Куски шихты нагреваются не только каждый в отдельности под действием индуцированных в них токов, но и в результате переходных контактов между кусками. Наличие этих контактов приводит к образованию больших по сечению замкнутых электрических контуров, по которым циркулируют индуктивные токи.
Расчёт параметров индуктора при нагреве ДЗ основан насоставлении схемы замещения индуктора с кусковой загрузкой (в общем случае ферромагнитной) по методу, изложенному в [1,2,7]. Если шихта ферромагнитна, то расчёт схемы замещения проводится методом последовательных приближений до сходимости результатов в пределах выбранной точности, для немагнитной шихты в выполнении расчётов по методу последовательных приближений нет необходимости [7].
Вопросы учёта особенностей индукционного нагрева ДЗ рассматривались в работах А. М. Вайнберга, Г. И. Бабата, А. А. Простякова, Н. И. Фомина, Л. М. Затуловского и других, а специфике выбора и применения полупроводниковых преобразователей для питания индукционных установок посвящены работы А.С. Васильева, С.В. Дзлиева, В. А. Лабунцова и др. учёных.
ДЗ в первом приближении может быть представлена в виде совокупности эквивалентных цилиндров [1,7], расположенных вертикально в тигле, причём диаметр цилиндров численно равен характерному размеру среднего куска шихты dш, а высота их равна расчётной высоте загрузки l2. Предполагается, что электрический контакт между отдельными эквивалентными цилиндрами отсутствует.
Для работы печи имеют большое значение магнитные свойства, а также размеры и форма кусков шихты. Величины индукции, напряжённости магнитного поля и вихревого тока, наведенного в кусках шихты, будут отличаться от величин, определенных при помощи вышеописанного метода. Между кусками шихты на начальной стадии плавки нет сплошного контакта, контактное сопротивление между кусками шихты намного больше внутреннего сопротивления самого куска, кроме того, между кусками существуют воздушные промежутки, создающие дополнительные пути для магнитного потока, поэтому картина распределения напряжённости магнитного поля будет приближаться к картине напряжённости в пустом индукторе. В течение плавки эта картина будет постоянно меняться с изменением свойств кусков шихты, а, следовательно, будет изменяться и внутреннее сопротивление загрузки печи, что приводит к постоянному изменению режима работы печи в течение плавки при прочих равных условиях (неизменная величина и частота тока индуктора) [11].
Процесс плавки ДЗ в ИТП можно разбить на несколько этапов, во время которых свойства кусков шихты меняются в значительной степени, что отражается на интегральных параметрах ИТП, в частности, на активном и реактивном сопротивлениях нагрузочного контура: 1. Нагрев кусков шихты от начальной температуры до температуры изменения магнитных свойств (точки Кюри); 2. Нагрев кусков от точки Кюри до температуры плавления и сваривание отдельных кусков, изменяя геометрию загрузки; 3. Расплавление кусковой шихты до образования жидкого слоя с плавающими в нем твердыми кусками шихты; 4. Переход в жидкую фазу всего объема металла в тигле. Индукционные тигельные печи характеризуются широким диапазоном изменения активного Rи и реактивного Хи сопротивлений системы «индуктор – загрузка» по ходу плавки [19].
Результаты экспериментов на физической модели ИТП с ферромагнитной ДЗ
Самыми распространенными источниками питания для электротермической нагрузки являются преобразователи частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на основе одно – или многофазного регулируемого или нерегулируемого выпрямителя и однофазного автономного инвертора [22 – 26] и схемы простой последовательной или параллельной компенсации реактивной мощности.
Регулирование выходных характеристик инвертора обеспечивается за счёт изменения его напряжения питания с помощью регулятора напряжения в звене постоянного тока: регулируемый выпрямитель, понижающий преобразователь постоянного тока.
Частота преобразования инвертора поддерживается с постоянной расстройкой относительно резонансной частоты нагрузочного контура, что снижает коммутационные потери в силовых ключах. Преобразователи частоты для плавки металлов в ИТП часто выполняются с самовозбуждением для привязки к резонансной частоте нагрузочного контура.
Автономные инверторы разделяются на инверторы тока, напряжения и согласованные инверторы и могут выполняться по четвертьмостовой, нулевой, полумостовой и мостовой схемам с использованием различных типов вентилей и вентильных ячеек и принципов коммутации и иметь открытый или закрытый вход [27–28]. Преобразователи частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на основе автономных инверторов тока традиционно широко применяются в качестве источников питания электротермических установок, в первую очередь, средней и большой мощности повышенной частоты. Особенность инверторов тока – это использование источника питания с характеристикой генератора тока. То есть такие инверторы по определению имеют закрытый вход (рис. 1.6).
Другой тип автономных инверторов характеризуется использованием генератора постоянного напряжения на входе или, что то же самое, источника питания, имеющего малое внутреннее сопротивление. При питании же от генератора с «большим» внутренним сопротивлением, например, от выпрямителя, для обеспечения проводимости источника постоянного напряжения в обратном направлении на входе таких инверторов устанавливаются фильтровые (разделительные) емкости СФ достаточно большой величины: , (1.10) где UD – напряжение питания; Pи – выходная мощность при работе на нагрузку с минимальной (Q = min) добротностью; Т = 1/f – период выходного сигнала.
Инверторы последнего типа выполняются как с открытым, так и с закрытым входом. Закрытый вход предпочтителен для устройств большой мощности. К инверторам с генератором постоянного напряжения на входе могут относиться не только схемы класса инверторов напряжения, но и схемы некоторых типов согласованных инверторов. Иногда их необоснованно объединяют в один класс.
При использовании автономных инверторов с источником напряжения на входе наиболее просто реализуется последовательная схема компенсации реактивности нагрузки. В этом случае инвертор, как правило, приобретает свойства согласованного инвертора с резонансной коммутацией.
Питание же удаленных электротермических нагрузок с высокой добротностью Q, как следовало бы предположить, энергетически выгодно только при применении параллельной схемы компенсации реактивной мощности. Действительно, параллельный контур, настроенный в резонанс (частота f = fP), потребляет минимальный ток, что позволяет с наименьшими потерями передавать энергию на значительные расстояния.
Простая параллельная компенсация реактивности нагрузки преимущественно используется в системах питания и управления электротермических установок с инверторами тока и согласованными инверторами.
Режим работы инвертора напряжения с параллельной компенсацией реактивности нагрузки реализуется только в инверторах на полностью управляемых вентилях или на их аналогах и требует специального алгоритма управления вентилями. Необходима заданная и точная синхронизация сигналов управления вентилями с электромагнитными процессами в силовой схеме. Параллельный инвертор напряжения может работать только при индуктивной расстройке нагрузочного контура (f fP). А запуск такого инвертора должен осуществляться одновременно с подачей напря 31 жения питания.
Схема одноключевого инвертора напряжения без постоянной составляющей тока в нагрузке, представленная на рис. 1.7, имеет закрытый вход [22]. В инверторе напряжения с закрытым входом без постоянной составляющей тока нагрузки коэффициент использования вентилей кР несколько ниже, чем в схемах с постоянной составляющей. Это объясняется подпиткой нагрузочного контура (L, С) через дроссель фильтра (L1, L2) квазипостоянным током от источника питания инвертора. Действительно, в интервале проводимости tт управляемого вентиля входной ток источника питания складывается с током нагрузки. Дроссель фильтра в данных инверторах выполняется с достаточно большой величиной индуктивности, обеспечивающей качественное сглаживание входного тока. Одноключевые инверторы напряжения без постоянной составляющей тока в нагрузке представляют практический интерес, в первую очередь, в связи с обеспечением сравнительно благоприятных условий для работы вентилей.
Структура, принцип действия и анализ электромагнитных процессов в перестраиваемом преобразователе частоты
Для моделирования самой ДЗ применялись куски стальных прутков длиной 25 мм трёх диаметров (1,1; 2,9 и 6,7 мм). При этом приняты следующие диапазоны варьирования влияющих факторов: ток I – 80 270 А, температура t – 40 1000С, частота тока f – 17 18 кГц. В ходе эксперимента измерялись следующие электрические величины: ток индуктора I, напряжение индуктора U, активная потребляемая мощность установки P, частота тока индуктора f.
Помимо измерения электрических величин, проводились измерения температур воды на входе t1 и выходе t2 индуктора с точностью до 2% с помощью термосопротивлений Pt100. Расход охлаждающей воды q измерялся с помощью счётчика воды НОРМА СВКМ-15УИ (класс С) с импульсным выходом, периодически выдающий импульс при прохождении через него 10 л. воды с точностью до 5%, т. к. расход воды оказался на уровне минимального расхода для данного счётчика, погрешность измерений которого регламентирована в техническом паспорте.
Также в экспериментах измерялись температура и напряжённость магнитного поля в загрузке. Использовались две термопары типа ТХА (-2001100C) с погрешностью до 2,5%, одна из которых помещена в центре загрузки t1, а другая – на том же уровне по высоте у стенки тигля со стороны загрузки t2. В качестве датчиков напряженности магнитного поля Н использованы небольшие катушки по 5 витков (Н1, Н2, Н3 на рис. 2.4) диаметром 10 мм и высотой 6 мм, индуцируемое напряжение которых пропорционально Н. Распределение напряженности поля Н измерялось при низкой температуре во избежания повреждения изоляции витков катушек при перегреве.
Напряжение на катушках измерялось при помощи цифрового осциллографа TektronixTDS-1012, а напряжённость магнитного поля Н определялась из выражения: (2.3) где U – индуцированное напряжение на обмотке, S – площадь сечения витков обмотки катушек, n – количество витков.
Схема измерений электрических параметров установки представлена на рис. 2.5, отражающая принцип функционирования преобразователя частоты в экспериментальной установке. Из схемы видно, что используется последовательная схема компенсации реактивной мощности индуктора, а это означает, что вблизи резонансной частоты колебательного контура мощность в загрузке будет максимальна, которая будет зависеть от параметров системы «индуктор – загрузка» значительно, учитывая характер нагрузки. Рис. 2.5. Схема измерения электрических параметров установки
При помощи датчика тока ДТ1 и датчика напряжения ДН1 измерялась активная мощность Pп, потребляемая экспериментальной установкой. Датчики ДТ2 и ДН2 позволяют определить ток I и напряжение U на индукторе соответственно, поскольку коэффициент трансформации для трансформатора TR известен и равен 26, то пересчитывая показания, измеренные с датчика ДТ2 на данный коэффициент, находим ток во вторичной обмотке, который и есть ток индуктора. Значение рабочей частоты измерялось с датчика ДН2, преобразуя синусоидальное напряжение в бинарный сигнал ТТЛ-уровня, производился подсчёт числа импульсов полученного цифрового сигнала на фиксированном интервале времени с помощью цифрового счётчика, реализованного на микроконтроллере ATMega8.
Измеряемые параметры регистрировались с помощью модуля аналогового ввода МВ110-8А и программируемого логического контроллера (ПЛК) ПЛК150 «Овен» ИТП записывались в файл на персональном компьютере (ПК) с периодом 5 с. Класс точности каждого аналогового измерительного канала составляет 0,5. Перед каждым аналоговым входом измерительного комплекса установлены нормирующие преобразователи с погрешностью до 2%, что считается точностью измерений I, U. По полученным экспериментальным точкам производилась обработка полученного массива данных с по 49 следующим анализом результатов. Измерение частоты f производилось с помощью микроконтроллера, тактируемого от генератора, стабилизированного кварцевым резонатором с частотой резонанса 8 МГц. Подсчёт числа импульсов измеряемой частоты происходил на интервале 100 мс, т. е. если средняя частота сигнала 17 кГц, то погрешность определения частоты составляет 2/(f0,1) = 0,1%.
Мощность электрических потерь в преобразователе вычисляется на основе измеренного к.п.д. производителем преобразователя при номинальной мощности 2 кВт. Из полученных данных вычисляются параметры R и X. Активная мощность P, потребляемая ИТП, вычисляется вычитанием от измеренной по схеме рис. 2.5 мощности потерь в преобразователе частоты: п (2.4) где Pп – измеренная активная мощность потребления энергии от сети. Погрешность определения активной мощности потребления ИТП P составляет в пределах 7%, т. к. она ограничена точностью определения к. п. д. преобразователя частоты, которая варьируется в пределах 7%.
Температура загрузки определяется как средняя температура двух термопар с учётом того, что сама загрузка является цилиндром, составленным из отдельных кусков, но при этом принимается допущение о линейности распределения температуры по радиусу такого цилиндра и идентичности такого распределения в любом его горизонтальном сечении. Т. к. измерение температур производится только в двух точках в среднем горизонтальном сечении, то приходиться применять подобное допущение. В связи с вышесказанным, средняя температура загрузки при интегрировании линейной зависимости по радиусу превышает температуру периферии t2на третью часть от разности температур центра t1и периферии t2: (2.5) Следует отметить, что температура центра t1 загрузки выше, чем температура её периферии t2, тогда как в сплошной загрузке центр является более холодным. Объясняется полученный эффект тем, что электромагнитное поле существует и в центре загрузки и отвод тепла от кусков в центре меньше, чем на периферии [44 – 46].
Выбор способа регулирования и разработка алгоритмов управления процессом при использовании перестраиваемого ТПЧ
Управляющими воздействиями для системы «индуктор – загрузка» могут быть: напряжение индуктора Uи, частота тока f, распределение источников тепла по объёму загрузки. Обычно управление осуществляется одним из указанных воздействий. Остальные воздействия в этом случае рассматриваются как возмущения. К возмущениям относятся также начальные температуры загрузки и футеровки индуктора, тепловые потери с поверхности загрузки, нестабильность физических свойств материала и размеров загрузки. В общем случае ни по одному из каналов управления система «индуктор – загрузка» не является линейным звеном [52–55].
Второе звено с передаточной функцией в схеме замещения сис темы «индуктор – загрузка» является линейным при постоянных теплофи-зических свойствах загрузки.
Функция зависит также от выбора координат точки i в объеме загрузки, по температуре которой ведется регулирование теплового режима установки. Во – первых, эта точка должна быть доступна для наблюдения, во – вторых, её температура должна достаточно адекватно отражать температурное поле всей загрузки. Основными действующими на систему возмущениями являются частота тока индуктора f. На эквивалентной схеме замещения индуктора как объекта САР (рис. 4.1) частота f является возмущающим воздействием для первого звена [53].
Эквивалентная схема замещения индуктора с загрузкой как звена САР (F – возмущение) На основании параллельной схемы замещения можно записать: (4.1) и и где Р0 – поверхностная плотность мощности, Р2 – активная мощность в загрузке; S2 – поверхность загрузки, поглощающая энергию; – электрический КПД индуктора. Таким образом, регулированием напряжения индуктора возможно поддержание постоянной мощности в загрузке, что должна реали-зовывать САР при управлении преобразователем частоты.
Перестраиваемый ТПЧ обладает широкими возможностями по регулированию выходных параметров по причине возможности перестройки своей топологии, каждая из которых различается величиной реактивной мощности компенсирующей конденсаторной батареи нагрузочного контура. Здесь возможно регулирование углом запирания вентилей инвертора в каждой топологии, но данный метод регулирования имеет недостатки:
1. Повышение напряжений на тиристорах моста инвертора тока при увеличении угла запирания, что сказывается также на величине активных потерь на коммутацию тиристоров;
2. Ввиду ограничения сверху по напряжению пробоя для тиристоров, глубина регулирования мощностью по углу запирания может оказаться недостаточной для согласования нагрузки во всем диапазоне изменения её параметров.
Рассматриваемый перестраиваемый ТПЧ имеет 3 различных топологии. Приведённый выше анализ при постоянной нагрузке для 3 – х топологий перестраиваемого ТПЧ позволяет рассчитывать параметры под конкретный диапазон изменения параметров ферромагнитной ДЗ в ИТП, описываемый семейством регрессионных уравнений из Главы 2. Из анализа следует, что схема 1 обладает минимальной реактивной мощностью конденсаторной батареи, а схема 3 – максимальной. Альтернативным способом регулирования параметров перестраиваемого ТПЧ является релейное регулирование, причём трёхпозиционное. Каждой позиции при регулировании соответствует одна определённая из 3–х схем включения. При работе по каждой из схем включения инвертор тока обеспечивает оптимальные энергетические режимы из – за минимального угла запирания вентилей, предоставляя возможность работать при относительно низком уровне потерь энергии при коммутациях в схеме.
Трёхпозиционные регуляторы обеспечивают хорошее качество регули 84 рования для инерционных объектов с малым запаздыванием, каким является ИТП с ферромагнитной ДЗ [56].
Регулятор работает по принципу SPL (схема 1) – SP (схема 2) – SPH (схема 3). Величина ширины зоны нечувствительности (мертвой зоны) DB (схема 2) – является регулируемым параметром настройки трехпозиционного регулятора. Увеличение ширины зоны нечувствительности DB уменьшается точность регулирования, но и может привести к тому, что в процессе работы САР регулирующий орган будет переключаться сразу между схемой 1 и схемой 3, т. е., не будет отличаться от двухпозиционного регулятора. К такому же результату приводит значительное увеличение скорости реакции регулирующего органа. Диапазон нечувствительности (мертвая зона) DB устанавливается с центром в заданной точке.
Структурная схема трехпозиционной системы регулирования приведена на рис.4.2, Структурная схема трехпозиционной системы регулирования где: АР – трехпозиционный регулятор, ОУ – объект управления, SP – узел формирования заданной точки (задания), Е – рассогласование регулятора, PV= X – регулируемая величина, сигналы Б (больше) и М (меньше) – управляющие воздействия, Z – возмущающее воздействие. Для предотвращения «дребезга» управляющего выходного устройства и исполнительного механизма вблизи точки его включения (слишком частого включения), предусматривается гистерезис h.
Алгоритм трёхпозиционных регуляторов определяется статической ха 85 рактеристикой: зависимостью выходных сигналов YМ (меньше) и YБ (больше) от входного Х. На рис. 4.3 представлена статическая характеристика трёхпозиционной системы регулирования при прямом направлении регулирования, которая применяется для процессов нагрева, что и должно реализо-вываться в настоящей работе.
Регулирование параметрами рассматриваемого преобразователя частоты осуществляется по активной мощности, потребляемой преобразователем частоты. Таким образом, перестраиваемый ТПЧ при трёхпозиционном регулировании будет переключаться либо между схемой 1 и схемой 2, либо – между схемой 2 и схемой 3. Среднее значение активной мощности в кусковой ДЗ будет соответствовать мощности уставки трёхпозиционного регулятора.
Достоинством подобного метода регулирования является сохранения оптимальных режимов работы преобразователя частоты с высоким значением к.п.д. Существенным недостатком следует отметить появление в потребляемом токе преобразователя частоты субгармоник основной частоты преобразования, правда их уровень значительно ниже при трёхпозиционном способе регулирования чем при двухпозиционном, если переключаться только между схемами 1 и 3.
На рис. 4.4 представлена функциональная схема перестраиваемого ТПЧ со схемой управления электрическими режимами преобразователя частоты. Система управления отслеживает изменение активного сопротивления нагрузки, измеряя активную мощность, потребляемую инвертором тока с по мощью датчика тока ДТ и датчика напряжения ДН1.