Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния развития электрических печей сопротивления для термообработки керамики 12
1.1. Технологический процесс обжига керамических изделий 12
1.2. Конструкции современных ЭПС для термообработки керамических изделий 16
1.3. Тенденции развития систем управления и регуляторов температуры электрических печей сопротивления 26
1.4. Формулирование целей и задач исследования 32
Выводы по главе 1 34
ГЛАВА 2. Разработка уточненных моделей эпс для термообработки керамических изделий 35
2.1 Постановка задачи по разработке уточненных моделей 35
2.2. Разработка уточненной модели электрической печи сопротивления 38
2.3. Регулятор температуры ЭПС с ограничением температуры нагревательных элементов 46
2.4. Регулятор температуры ЭПС с компенсацией разности температур в тепловых зонах печи 51
2.5. Регулятор температуры ЭПС с ограничением тока нагревателей 54
2.6. Разработка математической модели нагревателя из дисилицида молибдена 59
Выводы по главе 2 64
ГЛАВА 3. Исследование систем электропитания и управления эпс для термообработки керамических изделий 65
3.1 Исследование влияния места установки датчика температуры 65
3.2. Исследование систем управления ЭПС с ограничением температуры нагревательных элементов 69
3.3. Исследование системы управления ЭПС с компенсацией разницы температур в тепловых зонах печи 71
3.4. Исследование систем управления ЭПС с нагревателями из дисилицида молибдена 76
Выводы по главе 3 84
ГЛАВА 4. Исследование систем электропитания и управления эпс для термообработки керамических изделий 85
4.1 Разработка уточненной имитационной модели электрической печи сопротивления 85
4.2. Разработка программного пакета для расчета передаточной функции электрических печей сопротивления "Transfer function calculation" 93
4.3. Экспериментальное исследование температурных режимов ЭПС 99
4.4. Учет неоднородности ЭПС на основе экспериментальных исследований 106
Выводы по главе 4 113
Заключение 114
Список литературы
- Тенденции развития систем управления и регуляторов температуры электрических печей сопротивления
- Регулятор температуры ЭПС с ограничением температуры нагревательных элементов
- Исследование системы управления ЭПС с компенсацией разницы температур в тепловых зонах печи
- Разработка программного пакета для расчета передаточной функции электрических печей сопротивления "Transfer function calculation"
Тенденции развития систем управления и регуляторов температуры электрических печей сопротивления
ООО "Термокерамика" Их положительными свойствами является стабильность электрических свойств на протяжении срока службы (отсутствие старения), благодаря чему старые и новые нагреватели могут устанавливаться вместе, и убывающая температурная зависимость сопротивления. По сравнению с карбидокремниевыми, нагреватели из хромита лантана меньше боятся паров Страница воды, поэтому футеровка печи может сушиться штатными нагревателями, без применения дополнительных нагревательных устройств. Нагреватели из хромита лантана хорошо поддаются переработке.
При производстве нагревательных элементов используются два состава на основе хромита лантана, состав с меньшим удельным сопротивлением используется для изготовления концевых частей (выводов) нагревателя, а с большим – для изготовления активной части.
Сопротивление нагревателей из хромита лантана значительно снижается с ростом температуры. Наиболее существенное снижение сопротивления, более чем на один десятичный порядок, наблюдается при изменении температуры от комнатной до 1000C, при дальнейшем увеличении температуры до 1700C сопротивление изменяется незначительно (в 2-2,5 раза).
Разброс сопротивлений в партии нагревателей не превышает 20%, что существенно меньше, чем у карбида кремния, и обеспечивает достаточно равномерное распределение мощности.
Конструкции карбидокремниевых нагревателей и нагревателей из хромита лантана подобны, а их электрические характеристики весьма близки. Это дает возможность прямой замены карбидокремниевых нагревателей на нагреватели подходящего типоразмера из хромита лантана в уже существующих печах, за исключением печей с горизонтальным расположением нагревателей. Нагреватели из хромита лантана в настоящее время вытесняют карбидокремниевые при температурах свыше 1300 C, поскольку обеспечивают многократное увеличение продолжительности безотказной работы. Кроме того, хромит лантана практически не подвержен старению, присущему карбиду кремния, что улучшает равномерность температурного поля и обеспечивает воспроизводимость технологического процесса в печи. Опыт эксплуатации хромитлантановых нагревателей показывает, что при
Страница «умеренных» (до 1500C) температурах срок их службы очень велик и составляет 3-5 лет при сохранении воспроизводимости процесса.
Хромитлантановые нагреватели также могут служить альтернативой нагревателям из дисилицида молибдена. Имея соизмеримый срок службы, они существенно дешевле и благодаря более высокому удельному сопротивлению не требуют использования понижающих трансформаторов. Единственный существенный минус хромита лантана по сравнению с дисилицидом молибдена – пониженная стойкость к резким термоударам, например, при открывании дверцы разогретой печи.
Большим достоинством нагревателей из хромита лантана является возможность их длительной эксплуатации при циклическом характере работы с охлаждением от рабочей до комнатной температуры. Однако, для предотвращения появления микротрещин в нагревателе и снижения срока службы не рекомендуется нагрев и охлаждение их со скоростью выше чем 10 o C/мин.
При высоких температурах происходит испарение материала нагревателей из хромита лантана, что проявляется в окрашивании изделия и футеровки. По данным [4] потеря массы образца при 1600 оС при работе в течение 20 ч составляет 0,6 %. Это необходимо учитывать при применении печей с нагревателями из хромита лантана для термообработки чистых материалов [17]. Так, при термообработке керамики происходит окрашивание поверхности керамического изделия в розовый цвет. Нагреватели на основе дисилицида молибдена широко применяются в высокотемпературных ЭПС. В окислительной атмосфере такие нагреватели могут работать при температуре до 1700 оС. По сравнению с карбидокремниевыми нагреватели на основе дисилицида молибдена обладают рядом преимуществ: более высокой рабочей температурой на активной части нагревателей за счет образования защитной оксидной пленки из стеклообразного SiO2 и оксидов молибдена; способностью к быстрому разогреву за счет роста электрического сопротивления с повышением Страница температуры; стабильностью электрического сопротивления в течение всего срока службы нагревателей, что позволяет соединить их последовательно и заменять вышедшие из строя нагреватели без учета их начального электрического сопротивления.
Отличительной особенностью нагревателей на основе дисилицида молибдена является высокая УПМ при высоких температурах. Это позволяет концентрировать большое количество энергии в малом объеме печи. К недостаткам нагревателей на основе дисилицида молибдена относятся: низкая механическая прочность; низкая термостойкость; низкое начальное электрическое сопротивление, обусловливающее необходимость использования мощного силового оборудования; высокая начальная пластичность в интервале температур 1400-1650 оС.
Электрическое сопротивление нагревателей, низкое при комнатной температуре, с повышением температуры резко возрастает и далее в процессе эксплуатации при постоянной температуре практически не меняется. При низком начальном сопротивлении нагревателей требуется плавное или ступенчатое повышение питающего напряжения до рабочего значения. При этом ток, протекающий через каждый нагреватель, не должен превышать 200 А, так как иначе возможно механическое разрушение нагревателей за счет электромагнитных сил [17, 27].
Высокая горячая пластичность материала нагревателей, проявляющаяся при их первоначальном нагреве, может привести к деформации рабочей части нагревателей за счет электромагнитных сил, возникающих при протекании тока по нагревателям. Поэтому электрическое сопротивление двух соседних нагревателей должно обеспечить взаимно противоположное направление протекающего по ним тока, а расстояние между нагревателями рекомендуется выбирать не менее расстояния между ветвями U-образного нагревателя выбранного типоразмера.
Регулятор температуры ЭПС с ограничением температуры нагревательных элементов
В п.2.1 была выделена проблема при проектировании системы управления многозонной ЭПС периодического действия для термообработки керамических изделий, связанная с необходимостью обеспечения высокой равномерности нагрева в рабочей камере печи в процессе нагрева [69, 70, 72, 83] .
Для снижения разности температур различных тепловых зон в процессе нагрева предлагается вводить автоматическую коррекцию мощности, поступающей в тепловую зону, в зависимости от разности температур. Такой подход к организации управления зонами печи позволяет снизить разность температур между ними и повысить, тем самым, равномерность распределения температуры в рабочем пространстве печи. Для компенсации разности температур в ЭПС c двумя тепловыми зонами в процессе нагрева разработана система управления, функциональная схема которой приведена на рис.2.11. При возникновении разницы в температурах тепловых зон печи, на выходе элемента сравнения ЭС3 вырабатывается сигнал рассогласования, который, поступая на вычитающие входы сумматоров, приведет к снижению Страница мощности, вводимой в нагреватель тепловой зоны, имеющей опережение по температуре и увеличению мощности вводимой в нагреватель, имеющий отставание по температуре. Таким образом, будет обеспечиваться выравнивание температур в зонах печи.
При определенных сочетаниях параметров каналов регулирования в системе могут возникнуть колебания температур в процессе их выравнивания, что нежелательно. Для исключения колебаний температур около равновесного значения, в систему регулирования может быть введен элемент с зоной нечувствительности ЭЗН, который будет отключать корректирующие сигналы, поступающие на входы сумматоров при величине рассогласования температур меньшей допустимой.
По данному схемотехническому решению получен патент на полезную модель №147522 [83].
При компенсации разности температур в ЭПС с количеством тепловых зон больше двух следует выбрать тепловую зону с эталонной кривой нагрева, а кривые нагрева остальных тепловых зон попарно сравнить с эталонной.
Используя рассмотренный выше традиционный подход (п.2.2) к описанию печи как объекта управления к каждой из тепловых зон печи, можно представить регулятор температуры с компенсацией разности температур в тепловых зонах в процессе нагрева в виде структурной схемы рис.2.12.
Представленная на рис. 2.12 система является нелинейной и не позволяет получить аналитическое решение. Для ее исследования целесообразно использовать численные методы структурного моделирования, разработанные для анализа и синтеза систем автоматического управления. Наиболее удобным в настоящее время можно считать пакет прикладных программ Simulink Matlab/Simulink [8], обладающий большой библиотекой типовых элементов и позволяющий проводить анализ и синтез линейных и нелинейных систем практически неограниченной сложности. Страница Рис.2.12 Структурная схема регулятора температуры ЭПС с компенсацией мощности в тепловых зонах Для исследования системы управления ЭПС с компенсацией мощности в тепловых зонах в среде Matlab/ Simulink была разработана имитационная модель регулятора температуры двухзонной печи, в которой осуществляется добавка мощности в нагреватель зоны, имеющий отстающую температурную кривую. Схема имитационной модели приведена на рис.2.13. Обозначения блоков на схеме рис. 2.13 сохранены в транскрипции, используемой в моделях, составленных в пакете Simulink, что позволяет исследователю, обладающему соответствующим пакетом прикладных программ, воспроизвести ее при необходимости проведения исследований рассматриваемой системы. Имитационная модель рис. 2.13 позволяет проводить исследования системы регулирования температуры так же, как и на реальном объекте, задавая различные воздействия и варьируя параметры элементов системы в желаемом диапазоне. Однако, функциональные возможности имитационной модели намного шире реальной системы, поскольку позволяют варьировать
Страница параметры объекта управления и вводимые воздействия в более широком диапазоне. Предложенная система управления реализуема и обеспечивает требуемую для технологического процесса разность температур между тепловыми зонами в процессе нагрева. Приведенная имитационная модель позволяет провести исследования по определению величины дополнительной мощности, требуемой для компенсации разности температур между тепловыми зонами в процессе нагрева. Данная величина позволяет рассчитать требуемый запас по мощности регулятора при проектировании и выборе тиристорного регулятора напряжения.
В ряде ЭПС для термообработки керамических изделий на температуры свыше 1400 oС применяются нагреватели из дисилицида молибдена. В п.1.3 была выделена главная проблема, связанная с разработкой систем управления такими ЭПС. Одним из способов снижения броска тока в системах управления нагревателями из дисилицида молибдена Страница 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]. Таким образом, отсутствие в стандартных программируемых регуляторах температуры внешних входов для введения отрицательной обратной связи по току ограничивает их применение для 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 [63, 67, 68, 75, 79, 80].
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 Страница 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 Е совместно с сигналом температуры, снимаемым датчиком температуры ЦТ. Суммированный сигнал тока и температуры подается на вычислительное устройство ЭС.
Исследование системы управления ЭПС с компенсацией разницы температур в тепловых зонах печи
Проведенные исследования показали, что предложенная система управления реализуема и обеспечивает требуемую для технологического процесса разность температур между тепловыми зонами в процессе нагрева.
На основе проведенных исследований были определены зависимости относительной величины дополнительной мощности от разности температур между тепловыми зонами при температурах нагрева 700 оС, 800 оС, 900 оС,
Страница 1000 оС, 1100 оС, 1200 оС, 1300 оС, 1400 оС, 1500 оС и 1600 оС и допустимых разностях температур между тепловыми зонами 5 оС, 15 оС, 30 оС и 50 оС, которые позволяют рассчитать требуемый запас по мощности регулятора при проектировании и выборе тиристорного регулятора напряжения.
В работе показана возможность и целесообразность построения адаптивной системы управления тепловыми зонами ЭПС, процесс параметрической адаптации которой осуществляется автоматически на основе разработанных полиномов. Адаптивная система уменьшает разность температуры до допустимого значения, определяемого технологическим процессом и не превышающего 5 % от установившегося значения.
Исследование систем управления электрических печей сопротивления с нагревателями из дисилицида молибдена В ряде ЭПС для термообработки керамических изделий при температурах свыше 1400 оС применяются нагреватели из дисилицида молибдена [63, 67, 68, 75, 79, 80]. В 1.3 была выделена главная проблема, связанная с разработкой систем управления такими ЭПС. Следующим этапом исследований систем электропитания и управления ЭПС стало сравнение характеристик регуляторов температуры с различным способом ограничения тока. Регуляторы температуры исследовались на разработанной в Simulink Matlab модели (рис. 2.15) применительно к типовой электрической печи сопротивления периодического действия для термообработки керамики с параметрами: номинальная температура, 0С 1460 материал нагревателей дисилицид молибдена сопротивление нагревателя меняется в зависимости от температуры номинальный ток, А 140 Страница Можно было ожидать, что обратная связь по внутреннему контуру тока традиционного регулятора температуры обладает лучшими характеристиками. Однако, как показывает анализ рис. 3.8, 3.9: - 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. 3.8); - бросок тока на нагревателях (при одинаковом значении токовой отсечки
Как показывает рис. 3.9, 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. 3.9).
Необходимо отметить, что традиционный регулятор требует дополнительной тщательной настройки коэффициента усиления «токовой отсечки» Gain4, а также параметров ПИ-регулятора (рис. 2.15).
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
Страница исследования проводились также на модели (рис.2.15) 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. 3.10 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. 3.10), увеличение «токовой отсечки» выше 2,5IНОМ 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 IНОМ.
Сравнение вариантов исполнения систем управления нагревателями из тугоплавких металлов В заключение приводится сравнение токовых характеристик (рис. 3.11) 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). Страница Как показывает анализ рис. 3.11: - 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.
Зависимости тока на нагревателях от времени: 1 - с переключением ступеней напряжения; 2 - с внутренним контуром тока; 3 - с дополнительной обратной связью по току
Страница Таким образом, при проектировании системы управления ЭПС 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.
Разработка программного пакета для расчета передаточной функции электрических печей сопротивления "Transfer function calculation"
Температура может выводиться в трех видах: в градусах Цельсия, градусах Фаренгейта и в Кельвинах. Так же, данный измеритель температуры можно подключить через USB-порт к персональному компьютеру, на который впоследствии записывается вся полученная информация в удобном для анализа виде.
Для упрощения дальнейшего анализа эталонная кривая нагрева будет показываться совместно с остальными кривыми пунктирной линией. Для снятия температурной кривой нагрева футеровки печи (рис.4.12), датчик температуры располагается в специальном проеме, на задней стенке печи. Как показано на рис.4.12, температура на поверхности футеровки отличается от температуры, фиксируемой эталонным датчиком, что определяется различными теплофизическими свойствами футеровки, геометрическими характеристиками печи, расположением и конструкцией нагревательных элементов и, как следствие, различным направлением излучения или направлением конвективных потоков (для низкотемпературных печей).
Для снятия кривой заготовки, показанной на рис.4.14, датчик температуры размещался непосредственно в центре заготовки. При этом, заготовка представляет собой конструкцию из огнеупорных шамотных кирпичей, расположенную на равных расстояниях от боковых нагревателей.
Как показывает анализ рис.4.14, кривая нагрева заготовки имеет сильные отличия от кривой нагрева футеровки. Стоит отметить, что разница между этими температурами зависит от материалов футеровки и заготовки. Так же как и в предыдущих случаях, температура заготовки зависит от окружающих факторов. Ко всему вышеперечисленному так же стоит добавить, что температура заготовки зависит от формы самой заготовки и ее расположения в пространстве печи.
Для снятия кривой нагрева нагревательных элементов (рис.4.15), датчик температуры располагается в непосредственной близости от нагреваемых
Анализ кривой, показанной на рис.4.15, подтверждает вывод о том, что нагревательные элементы обладают относительно малой тепловой инерционностью, вследствие этого почти сразу достигают максимальной температуры.
Проанализировав все вышеприведенные кривые нагрева, можно сделать вывод, что электрическая печь сопротивления является сложным объектом с точки зрения регулирования. Большое число внешних и внутренних факторов сильно затрудняют настройки и отладку регулятора температуры. Это, в свою очередь, приводит к необходимости разработки уточнённой модели электрической печи сопротивления, которая будет максимально охватывать все затронутые выше проблемы.
В гл.2 была разработана модель электрической печи сопротивления, учитывающей неоднородность ЭПС как объекта управления и нелинейность характеристик регулирующих элементов. На рис.4.16 приведена модель регулятора температуры ЭПС в среде Matlab /Simulink, учитывающая ее неоднородность. в среде Matlab /Simulink Как отмечалось в гл. 2, электрическая печь сопротивления с точки зрения управления представляет собой сложную систему, состоящую, в общем случае, из нагревателя, футеровки, нагреваемого изделия (садки) и термопреобразователя, характеризующихся различными теплотехническими параметрами и связанных друг с другом процессами теплопередачи.
В приведенной на рис.4.16 модели, учет этих связей осуществляет подсистема «subsystem», представленная на рис.4.17.
Особенностью имитационной модели (рис.4.17), является учет температуры окружающей среды. Для этого модель «разогревает» все элементы ЭПС до температуры окружающей среды. Время, затраченное на разогрев ЭПС выводится в первую строчку блока «time».
Коэффициенты, необходимые для работы модели, представленной на рис.4.16, рассчитываются следующим образом:
В блоки «Tzad», «OS1», «P1», «U» вводятся температура задания, температура окружающей среды, мощность ЭПС и напряжение питающей сети соответственно. Перед началом расчёта передаточной функции нагревательных элементов следует уточнить следующие параметры: Максимальная температура нагревательных элементов С, масса нагревателей m = 232 кг, теплоемкость нагревателей с = 451 Дж/(кг0С). Для заготовки: масса заготовки m = 25 кг, теплоемкость заготовки с = 135 Дж/(кг0С). Для футеровки: масса футеровки m = 301 кг, теплоемкость заготовки с = 892 Дж/(кг0С) (Данные значения рассчитаны в программе).
Для подсистемы «Subsystem» коэффициенты определяются следующим образом: Для блоков «Switchl» и «Switch3», значение определим как сумма установившихся температур заготовки, внутренней и внешней стенок. Данный коэффициент отвечает за время прогрева ЭПС до температуры окружающей среды. Коэффициент для «Switch2» возьмем равным температуре окружающей среды. Коэффициент для блока «OS» рекомендуется брать от 7 до 20. Коэффициенты для блоков «F-N» и «Z-N» рекомендуется брать от 0 до 10. Коэффициенты для блока «7140» берется равным времени эксперимента.