Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Системы питания и управления электропечей 10
1.1. Анализ технологических режимов ЭПС и требования к их автоматизации 10
1.2. Способы регулирования температуры и мощности ЭПС 21
1.3. Влияние импульсного регулирования мопщости на питающую сеть 37
Выводы по главе .41
Глава 2. Энергетические характеристики системы импульсного регулирования мощности ЭПС 43
2.1. Разработка системы импульсного многоканального регулирования мощности ЭПС 43
2.2. Показатели качества электроэнергии при регулировании мощности ЭПС 50
2.3. Сравнительный анализ энергетических характеристик регулирования мощности ЭПС при различных способах регулирования 52
2.4. Анализ влияния неравномерного деления мощности на энергетические характеристики двухканального широтно-импульсного регулирования 66
2.5. Анализ энергетических характеристик регуляторов мощности ЭПС при трехфазном питании 74
Выводы по главе 85
Глава 3. Исследование температурного режима ЭПС при импульсном регулировании мощности 87
3.1. Задачи исследования температурного режима ЭПС при импульсном регулировании 87
3.2. Разработка математической модели тепловых процессов в ЭПС 89
3.3. Сравнительный анализ характеристик колебаний температуры в установившемся режиме при различных способах регулирования мощности ЭПС 107
Выводы по главе 123
Глава 4. Экспериментальное исследование системы регулирования температуры ЭПС с двухканальным синхронизированиым широтно-импульсным регулятором мощности 124
4.1. Реализация двухканального синхронизированного широтно- импульсного регулятора температуры 124
4.2. Разработка методики экспериментального исследования и лабораторной установки 134
4.3. Экспериментальное исследование энергетических и динамических характеристик системы 138
4.4. Оценка энергопотребления при работе ЭПС с импульсным регулированием мощности 148
Выводы по главе 155
Заключение 157
Список жтературы 160
Приложение 1 169
- Влияние импульсного регулирования мопщости на питающую сеть
- Сравнительный анализ энергетических характеристик регулирования мощности ЭПС при различных способах регулирования
- Сравнительный анализ характеристик колебаний температуры в установившемся режиме при различных способах регулирования мощности ЭПС
- Экспериментальное исследование энергетических и динамических характеристик системы
Введение к работе
Самыми распространенными среди всех электротехнологических установок являются электрические печи сопротивления (ЭПС). По количеству они составляют около 90% всех действующих электротермических установок (ЭТУ), и их суммарная потребляемая мощность составляет до 75% мощностей ЭТУ. Печи сопротивления применяются в большинстве отраслей промышленности и в сельском хозяйстве. Примерами технологических процессов, проводимых в ЭПС, могут служить: термическая (закалка, отжиг, отпуск, нормализация) и термохимическая (цементация, азотирование, цианирование) обработка металлических изделий [1], нагрев металлов под пластическую деформацию (ковку, штамповку), спекание из порошков, обжиг керамики, сушка материалов и лакокрасочных покрытий, спекание эмалевых покрытий, полимеризация, плавка металлов и сплавов, выращивание монокристаллов, приготовление пищи и кормов и т. д. Частными случаями ЭПС являются бытовые электроконфорочные плиты, жарочные шкафы.
Основными преимуществами нагрева в ЭПС по сравнению с пламенными печами являются: возможность проведения технологического процесса не только в окислительной среде, но и в вакууме, в защитной или специальной (при термохимической обработке) атмосфере; широкие возможности автоматизации и контроля за ходом технологического процесса; отсутствие загрязнения обрабатываемых в печи материалов продуктами сгорания; повышенная экологическая безопасность, лучшие условия для работы персонала.
Температуры в ЭПС могут превышать 2500°С (при использовании высокотемпературных нагревателей из углеграфитовых материалов или тугоплавких карбидов) [2].
Велико значение ЭПС как потребителей электроэнергии. Они потребляют около 30% всей вырабатываемой в мире электроэнергии [3, 4]. При этом единичная мощность установок ЭПС составляет от сотен ватт до десятков мегаватт. Поэтому задачи энергосбережения в установках ЭПС и снижения потерь в системах электроснабжения ЭПС являются весьма актуальными.
Большую часть печей сопротивления составляют нагревательные печи. В нагревательных ЭПС в зависимости от технологического процесса требования к характеру температурного режима и точности его соблюдения могут изменяться в широких пределах. Но, несмотря на разнообразие технологических процессов и конструкций ЭПС, основной контролируемой величиной явжется температура. Все разрабатываемые в настоящее время ЭПС оснащаются системами автоматического регулирования температуры, осуществляющими поддержание температуры печи (или нагреваемого в ней изделия) на заданном уровне или ее программное регулирование, т. е. изменение по заранее заданному графику. Кроме того, в ряде технологических процессов (выращивание монокристаллов, термообработка изделий сложной формы) необходимо решение задач формирования температурного нож печи (заданного распределения температур в рабочем пространстве).
Регулирование температуры в электрических печах сопротивления осуществжется путем изменения мощности, вводимой в печь из питающей сети. Наиболее высоких точности и качества регулирования температуры позвожют достичь непрерывные или близкие к ним методы регулирования, требуюпще плавного изменения вводимой мощности. Наибольшая простота реализации непрерывного регулирования и наибольшая надежность системы регулирования достигаются при использовании в качестве исполнительного устройства тиристорного регужтора напряжения переменного тока. Используемые в настоящее время регужторы температуры с тиристорными исполнительными устройствами всех типов существенно искажают форму кривой тока, потребляемого из сети, т.е. приводят к возникновению в питающей сети несинусоидальных режимов и дефициту реактивной мощности, ухудшая энергетические характеристики.
Использование тиристорных регуляторов с фазоимпульсным управлением приводит к появлению в спектре токов и напряжений высших гармонических составляющих, что ухудшает использование электрооборудования питающей сети и ставит вопрос об электромагнитной совместимости ЭПС с другими приемниками электрической энергии, получающими питание от распределительной сети предприятия. Для уменьшения негативного влияния тиристорных регуляторов, фильтрации высших гармонических составляющих и компенсации реактивной мощности приходится использовать дорогостоящие и сложные в настройке фильтрокомпенсирующие устройства, в том числе активные фильтры [5].
При использовании тиристорных регуляторов с широтно-импульсным управлением в спектре тока, потребляемого из питающей сети, возникают субгармонические составляющие, т. е. составляющие частот, не кратных сетевой (50 Гц). Влияние субгармонических составляющих на электрооборудование питающей сети исследовано недостаточно, не существует также эффективных методов учета субгармонических составляющих. Считается, что негативное влияние субгармонических составляющих в сравнении с высшими гармоническими выражено слабее, однако и в этом случае имеет место существенное ухудшение характеристик ЭПС как потребителя электроэнергии. Наличие субгармонических составляющих частот ниже сетевой может привести к колебаниям напряжения сети из-за импульсного характера тока и к динамическим напряжениям в распределительной сети [6]. В большинстве случаев субгармонические колебания можно рассматривать как периодическое изменение нагрузки. Эффективные средства фильтрации субгармонических составляющих низкой частоты до настоящего времени не разработаны.
Исходя из вышесказанного, поиск новых способов регулирования мощности ЭПС, позволяющих улучшить энергетические показатели, и исследование энергетических и тепловых режимов ЭПС с такими регуляторами является актуальной задачей.
Несмотря на широкое распространение ЭПС с широтно-импульсными регуляторами мопщости и актуальность проблемы улучшения их энергетических показателей, исследований в этом направлении относительно мало, и имеющиеся исследования в основном рассматривают проблему улучшения энергетических показателей при широтно-импульсном регулировании применительно к групповому питанию ЭПС, а не к одиночной печи [6, 7, 8, 9, 10]. Улучшение энергетических показателей, снижение энергопотребления в работах [7, 11, 12, 13, 14] достигается сочетанием широтно-импульсного управления с фазоимпульсным [11], синтезом сложных законов управления, решением задач оптимального управления. Такие методы энергосберегающего управления связаны с использованием сложных алгорЕггмов управления, предъявляют достаточно высокие требования к управляющим средствам вычислительной техники, требуют построения сложных моделей объекта. Альтернативой этим методам является разработка таких режимов работы исполнительных устройств в системах автоматического регулирования температуры ЭПС в развитие традиционного широтно-импульсного регулирования, которые позволят улучшить энергетические показатели печной установки без существенного увеличения схемотехнической и алгоритмической сложности. Кроме того, в вышеназванных работах практически не рассматривается влияние импульсного характера подачи мощности при различных способах тиристорного регулирования на температурный режим ЭПС.
Целью данной диссертационной работы является повышение энергетической эффективности систем автоматического регулирования температуры ЭПС путем перехода к многоканальному синхронизированному пшротно-импульсному регулированию мощности.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:
- анализ существующих способов тиристорного регулирования мощности ЭПС и отыскание путей повышения энергетической эффективности такого регулирования;
- определение энергетических характеристик многоканального синхронизированного широтно-импульсного регулятора и их анализ в сравнении с традиционными способами регулирования мощности;
- исследование характера колебаний температуры нагревателей, футеровки ЭПС и нагреваемого изделия при импульсном регулировании мощности;
- выявление рациональных способов реализации многоканального синхронизированного широтно-импульсного регулирования мощности, разработка схемотехнических решений, выбор аппаратных и программных средств микропроцессорного управления;
- экспериментальное исследование электрического и теплового режимов ЭПС с различными способами широтно-импульсного регулирования мощности;
- оценка эффективности многоканального синхронизированного широтно-импульсного регулирования для различных технологических процессов в ЭПС и выработка рекомендаций по его использованию.
Основные положения диссертации рассмотрены в следующих разделах:
Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.
В первой главе проведен анализ ЭПС как электрической нагрузки, определены требования к точностным и динамическим показателям систем регулирования температуры ЭПС, проведен обзор существующих способов регулирования мощности ЭПС, рассмотрены существующие способы и методы повыщения энергетических показателей импульсных регуляторов как при работе одиночных ЭПС, так и групп ЭПС.
Во второй главе проведено исследование предложенной схемы многоканального синхронизированного широтно-импульсного регулятора мощности ЭПС, проанализированы энергетические характеристики предложенного регулятора в сравнении с традиционными способами регулирования.
В третьей главе рассмотрено влияние многоканального синхронизированного широтно-импульсного регулирования мопщости на температурный режим ЭПС, проанализирован характер колебакгий температуры футеровки, нагревателей и загрузки в установившемся режиме в сравнении с традиционными способами регулирования.
В четвертой главе рассмотрены вопросы технической реализации нового способа управления и экспериментального исследования характеристж системы автоматического регулирования температуры с двухканальным синхронизированным широтно-импульсным регулятором мощности.
В Заключении обобщены основные результаты работы.
В Приложении приведены разработанная программа спектрального анализа тока при широтно-импульсном регулировании на языке Турбо- Паскаль, рабочие программы для микропроцессорного контроллера.
Влияние импульсного регулирования мопщости на питающую сеть
В печах непрерывного действия (методических) изделие перемещается по рабочему пространству печи от загрузочного окна к окну выгрузки, постепенно нагреваясь. По типу устройства для перемеще1шя изделий в рабочем пространстве печи ЭПС непрерывного действия делятся на конвейерные, толкательные, барабанные, рольганговые, с шагающим подом [4, 18]. В печах непрерывного действия, как правило, осуществляется нагрев под термическую обработку и пластическую деформацию в условиях массового производства. Температура в таких печах изменяется по длине рабочего пространства, но температуры отдельных точек рабочего пространства остаются неизменными во времени. Более точное соблюдение температурного режима нагрева (графика нагрева) достигается разбиением рабочего пространства печи по длине на тепловые зоны, температура в каждой из которых контролируется отдельным автоматическим регулятором (см. рис. 1.2).
Таким образом, основной контролируемой величиной в ЭПС как периодического, так и непрерывного действия является температура в печи. Задачи управления в ЭПС непрерывного действия сводятся к поддержанию температуры на заданном уровне, в ЭПС периодического действия, кроме того, к ее программному изменению.
Важной характеристикой ЭПС периодического действия является универсальность печи, т.е. возможность проведения в печи различных технологических процессов и перестройки системы управления в соответствии с требованиями кожретного технологического процесса.
В диссертационной работе исследования проводятся на примере ЭПС периодического действия, однако результаты применимы к печам непрерывного действия и их отдельным тепловым зонам.
К изменению температуры в ЭПС периодического действия по заданной временной программе прибегают в тех случаях, когда необходимо ограничить скорость нагрева, чтобы снизить температурный градиент в изделии, т. е. разницу между температурами поверхности Ои.п. и центра 0и ц, (см. рис. 1.3). Большой температурный градиент может привести к недопустимым термическим напряжениям и, как следствие, к возникновению трещин в изделиях. Программное регулирование также применяется, когда необходимо снизить скорость остывания изделий по сравнению с естественной, обусловленной их охлаждением в печи при отключенных нагревателях (например, при охлаждении крупных оптических стекол после отливки).
Требования к точности регулирования температурного режима в ЭПС меняются в широких пределах в зависимости от проводимого в печи технологического процесса. Так, при нагреве металлов под пластическую деформацию (ковка, штамповка, прокатка) допустима ошибка регулирования ± (25 - 50С); при нагреве под термическую обработку металлов (закалка, отжиг, отпуск, нормализация) эти требования ужесточаются (допустимая ошибка ±(5 - 10 ЛС)); особенно высокие требования к точности регулрфования предъявляют так называемые прецизионные процессы (термообработка полупроводников, отжиг оптических стекол, вырапщвание монокристаллов) - ошибка должна составлять не более ±(0,5 - 1,0ЛС) [16, 25, 26]. Ошибка регулирования определяется как статической ошибкой (отклонением среднего значения температуры в установившемся режиме от заданного значения), так и колебаниями температуры относительно среднего значения в установившемся режиме (подробнее см. гл. 3).
В ряде случаев для повышения равномерности распределения температуры в рабочем пространстве печи или, наоборот, для формирования неравномерного температурного поля (при выращивании монокристаллов, диффузионных процессах при термообработке полупроводников, термообработке изделий сложной формы и др.) в печи периодического действия выделяют несколько тепловых зон, каждая из которых оснащается отдельным регулятором температуры.
Когда необходимо формирование температурного поля (распределения температуры в рабочем пространстве печи), часто используются дифференциальные схемы управления, в которых регулируемой величиной является разность температур двух точек рабочего пространства (двух тепловых зон).
Характер задач управления ЭПС зависит от уровня рабочей температуры печи. Так, в высокотемпературных печах с рабочими температурами свыше 1800 Л0 основными возмущениями, нарушаюпщми температурный режим, являются колебания и отклонения напряжения сети и изменение сопротивления нагревателей; кроме того, отсутствуют серийно выпускаемые термоэлектрические термометры (термопары) на такие температуры; исходя из вышесказанного, регулирование температуры печи такого класса можно осуществлять косвенным путем, используя в качестве параметра регулирования мощность нагревателей [19]. В печах с рабочей температурой ниже 1800 ЛС параметром регулирования является непосредственно температура.
В высокотемпературных печах с рабочей температурой свыше 1250 - 1300 лс используются нагреватели из тугоплавких металлов (вольфрам и др.) или неметаллических материалов, таких, как тугоплавкие карбиды (карбиды кремния, ниобия, циркония, тантала и др.), углеграфитовые материалы, дисилицид молибдена, материалы на основе оксидов лантана. Названные материалы (за исключением графита) отличаются сильной зависимостью электрического сопротивления от температуры [2, 15]. Сопротивление нагревателя в холодном состоянии может быть в 10 и более раз ниже, чем при рабочей температуре. Поэтому питание таких нагревателей до температур порядка 850С необходимо осуществлять пониженным напряжением [15]. Кроме того, сопротивление нагревателей из карбида кремния (карборунда) существенно изменяется по мере старения нагревателей, что вынуждает вносить соответствуюп1ую коррекцию, изменяя напряжение питания.
Сравнительный анализ энергетических характеристик регулирования мощности ЭПС при различных способах регулирования
Для улучшения энергетических характеристик при групповом питании ЭПС с широтно-импульсным регулированием также могут использоваться методы оптимального управления, подбор сложных законов регулирования [7, 10]. Тот же подход используется для улучшения энергетических показателей одиночной печи в работе [11], кроме того, в этой работе используется сочетание фазоимпульсного и широтно-импульсного принципов управления (регулирование мощности достигается одновременно изменением угла открывания тиристоров и подачей пакетов импульсов с изменяемой скважностью). Такие методы энергосберегающего управления связаны с использованием сложных алгоритмов управления, предъявляют достаточно высокие требования к управляющим средствам вычислительной техники, требуют построения сложных моделей объекта. Альтернативой этим методам является разработка таких режимов работы исполнительных устройств, которые позволят улучшить энергетические показатели за счет выравнивания кривой потребляемого тока без существенного увеличения схемотехнической и алгоритмической сложности. Примером такого подхода может служить рассмотренный выше детерминированный способ широтно- импульсного управления группой ЭПС (рис. 1.14).
В результате анализа технологических процессов в ЭПС показано, что независимо от вида технологического процесса и типа ЭПС главной контролируемой величиной, определяющей качество технологического процесса, является температура, регулирование которой осуществляется путем изменения мощностиЛ вводимой из сети. Ширина диапазона регулирования мощности и плавность регулирования особенно важны для ЭПС периодического действия, поскольку позволяют обеспечить эффективное программное регулирование температуры и гибкость системы регулирования (универсальность печи).
Показано, что широтно-импульсное регулирование является эффективным способом регулирования мощности ЭПС, в сравнении с фазоимпульсным регулированием широтно-импульсное не оказывает столь негативного влияния на питающую сеть, однако энергетические показатели при широтно-импульсном регулировании нуждаются в дальнейшем улучшении.
Показано, что детерминированный способ управления ЭПС при групповом питании позволяет улучшить энергетические характеристики группы ЭПС с широтно-импульсным управлением за счет выравнивания кривой потребляемого тока. Целесообразным является изучение возможностей применения данного способа к управлению одиночной ЭПС при широтно-импульсном регулировании. Как показано в гл.1, использование широтно-импульсного регулирования мощности электрических печей сопротивления улучшает гармонический состав тока, потребляемого печью, по сравнению с фазоимпульсным регулированием. При этом отсутствуют гармонические составляющие тока частот, кратных сетевой, но возникают субгармонические составляющие частот, не кратных сетевой. Субгармонические составляющие имеют частоты как ниже, так и выше сетевой. Известно [6], что при наличии в спектре тока субгармонических составляющих проблемы недоиспользования мопщости электрооборудования и электромагнитной совместимости стоят менее остро, чем при наличии высших гармонических составляющих. Однако искажения кривой потребляемого тока при широтно- импульсном регулировании, представляющие собой периодическое изменение нагрузки, приводят к колебаниям напряжения и динамическим напряжениям в сети.
В [6] показано, что при питании групп ЭПС, а также многозонных печей целесообразно использовать упорядоченное широтно-импульсное управление, что обеспечивает более равномерный график нагрузки и значительно уменьшает бестоковые паузы. Одним из возможных способов упорядоченного широтно-импульсного управления является разделение моментов включения каждой установки во времени таким образом, чтобы мощность одновременно включенных установок была приблизительно постоянной. Моменты включения каждой установки принудительно сдвигаются во времени на Гк/п, где Гк - период коммутации, п - число установок. В работе предлагается распространить этот принцип управления на одиночные печи и на отдельные зоны многозонных печей [39].
Рассмотрим предлагаемый способ управления [40, 41, 42 применительно к однозонной ЭПС. Нагреватели ЭПС в общем случае разделяются на несколько секций, каждая секция подключается к отдельному регулятору мощности. Наиболее целесообразно разделить суммарную мощность нагревателей Рном на одинаковые секции, каждая из которых имеет мощность, равную Рном / где п - число секций. Моменты включения каждой секции сдвигаются по времени на ТУп. Характерно, что увеличение числа секций нагревателей не приводит к увеличению установленной мощности тиристорных регуляторов, поэтому этот способ управления особенно привлекателен для крупных печей, поскольку позволяет исключить параллельное соединение тиристоров. Проанализируем предлагаемый способ управления ЭПС применительно к разделению нагревателей на две секции с одинаковыми мощностями Рном / 2 (п 2). На рис. 2.1 приведена функциональная схема регулятора температуры с широтно-импульсным управлением двумя группами нагревателей ЭПС. Каждый из двух тиристорных регуляторов напряжения ТРН1 и ТРН2 управляется своим широтно-импульсным модулятором . Оба широтно-импульсных модулятора имеют один и тот же период коммутации Рк, но моменты их включения сдвинуты между собой на половину периода коммутации. Синхронизация работы обоих широтно- импульсных модуляторов обеспечивается общим регулирующим устройством РУ, в качестве которого целесообразно использовать микропроцессорный контроллер. При такой организации управления двумя тиристорными регуляторами, как это следует из диаграммы та рис. 2.2, нагрузка подключается к питающей сети поочередно.
Сравнительный анализ характеристик колебаний температуры в установившемся режиме при различных способах регулирования мощности ЭПС
Регулирование температуры ЭПС достигается за счет изменения мощности, потребляемой нагревателями печи из сети. Поскольку ЭПС являются объектами со значительной тепловой инерпдонностью, во многих случаях имеется возможность отказаться от непрерывного регулирования мощности и перейти к позиционному или широтно-импульсному регулированию без существенного ухудшения точностных показателей регулятора температуры.
При импульсном характере мощности, вводимой из сети, возникают колебания температуры нагревателей, футеровки и загрузки (нагреваемого изделия) ЭПС. В установившемся режиме эти колебания носят периодический характер. Точность регулирования температуры определяется отклонением ее среднего значения (статической ошибкой по среднему значению) и амплитудой колебаний температуры относительно среднего значения.
Допустимая величина статической ошибки по среднему значению и допустимая амплитуда колебаний температуры загрузки определяются требованиями технологического процесса. Допустимая амплитуда колебаний температуры нагревателей и футеровки определяется, прежде всего, термостойкостью этих элементов печи, т.е. способностью выдерживать изменения температуры без уменьшения срока службы. Основными поставленными в работе задачами исследования температурного режима ЭПС являются: 1. Сравнительный анализ колебаний температуры нагревателей, футеровки и загрузки в установившемся режиме при различных способах импульсного регулирования (фазоимпульсное, одноканальное и многоканальное синхронизированное широтно-импульсное). 2. Определение амплитудно-частотных характеристик колебаний температуры в установившемся режиме, т.е. зависимости амплитуды колебаний температуры от периода коммутации регулятора Гк 3. Определение зависимостей амплитуды колебаний температуры элементов ЭПС от параметров печи (постоянных времени футеровки, загрузки и нагревателей). 4. Определение среднего значения температуры в установившемся режиме для оценки точности регулирования по среднему значению. 5. Оценка влияния места установки в печи датчика температуры, входящего в замкнутую систему автоматического регулирования температуры, с целью выявления наилучшего качества регулирования (необходимость выбора места установки датчика связана с неоднородностью ЭПС как объекта управления). Физическое моделирование тепловых процессов в ЭПС затруднено из- за большой продолжительности и энергоемкости экспериментальных исследований. Поэтому в работе исследование тепловых процессов проводилось методами математического моделирования с использованием ЭВМ. Ниже рассматриваются принципы построения тепловой и энергетической модели ЭПС при двухканальном импульсном регулировании мощности.
Электропечь сопротивления в тепловом отношении является неоднородным объектом с распределенными параметрами. Исследование динамических характеристик такого объекта затруднено, поскольку связано с решением системы дифференциаиьных уравнений в частных производных. Поэтому при исследовании тепловых процессов в ЭПС принимаются допущения, основанные на выделении отдельных элементов с сосредоточенными параметрами. В самом общем виде ЭПС можно представить инерционным звеном 1-го порядка [16, 19], при этом принимается усредненная величина постоянной времени, близкая к постоянной времени футеровки, как элемента с наибольшей тепловой инерционностью (постоянная времени нагревателей как минимум на 1 - 2 порядка меньше, чем постоянная времени футеровки, примерно такую же величину имеет постоянная времени загрузки). В нашем случае такое представление ЭПС невозможно, поскольку необходимо исследовать динамические характеристики нагревателей, футеровки и загрузки, т.е. элементов с резко отличающейся тепловой инерционностью. Кроме того, при многоканальном синхронизированном широтно-импульсном регулировании секции нагревателей подключаются к питающей сети поочередно, что требует при моделировании выделять каждую секцию в отдельный элемент.
В предлагаемой модели ЭПС (рис. 3.1) была представлена системой из 4-х взаимосвязанных макроэлементов: 1-1-я секция нагревателей; 2 - 2-я секция нагревателей; 3 - нагреваемое изделие (загрузка); 4 - футеровка печи. Исследование температурного режима проводилось для случая разделения нагревателей на секции равной мощности. При моделировании тепловых процессов в ЭПС были сделаны
Экспериментальное исследование энергетических и динамических характеристик системы
Амплитуда колебаний температуры футеровки при одноканальном (кривая 1) и двухканальном синхронизированном (кривая 2) пшротно- импульсном регулировании в зависимости от относительной продолжительности включения по среднему для макроэлемента, вблизи которого устанавливается датчик температуры (т.е. для футеровки), можно воздействовать путем настройки автоматического регулятора. Так, включение в закон регулирования температуры интегрирующей составляющей сводит статическую ошибку по среднему к нулю. В этом случае для загрузки статическая опшбка по среднему определяется условиями теплопередачи в системе нагреватели - футеровка загрузка. Таким образом, величина статической ошибки по среднему значению температуры не зависит от способа регулирования мощности.
На рис. 3.10 представлены амплитудно-частотные характеристики колебаний температуры, т.е. зависимости амплитуды колебаний в установившемся режиме от относительной частоты коммутации (отношения постоянной времени футеровки к периоду коммутации). Для оси абсцисс применен логарифмический масштаб. Амплитудно-частотные характеристики колебаний (рис. 3.10) приведены для нагревателей ЭПС. Для футеровки и загрузки такие характеристики имеют аналогичный вид, однако амплитуда колебаний меньше, чем для нагревателей, вследствие значительно большей тепловой инерционности. Характеристики построены для одноканального широтно-импульсного регулирования при различной относительной продолжительности включения.
Зависимости амплитуды колебаний от частоты коммутаций носят убываюпщй характер. Анализ амплитудно-частотных характеристик показывает, что в области частот коммутации, наиболее часто используемых для общепромышленных ЭПС (период коммутации - единицы секунд при постоянной времени от тысяч до сотен тысяч секунд (см. 3.2)), амплитуда колебаний температуры нагревателей не превышает единиц градусов при среднем значении температуры, составляющем сотни градусов, амплитуда колебаний температуры футеровки и загрузки еще меньше. Таким образом, колебания температуры, возникающие при широтно-импульсном регулировании, не оказывают существенного влияния на качество проведения технологического процесса, за исключением отдельных прецизионных процессов. Отметим также, что для больщинства общепромышленных регуляторов температуры, включая микропроцессорные КПС-1 производства АО ВНИИЭТО, ОМЮЫ Е5ЕК и др., точность поддержания температуры составляет 1 - 1,5 С, поэтому точность регулирования лимиггируется именно этой аппаратной точностью регулятора, а не колебаниями температуры в установившемся режиме. Тем не менее, для Прецизионных процессов сравнение характера колебаний температуры при различных способах широтно-импульсного регулирования актуально.
Амплитудно-частотные характеристики могут использоваться для выбора оптимального периода коммутации при широтно-импульсном регулировании, учитывая также плавность регулирования (см. 2.1) и спектральный состав потребляемого тока (см. 2.2). Поскольку в области частот коммутации, используемых для общепромышленных печей, колебания температуры, как правило, не оказывают существенного влияния на ход технологического процесса, выбор периода коммутации широтно- импульсного регулятора возможен в широких пределах. В 2.3 показано, что увеличение периода коммутации улучшает гармонический состав потребляемого тока. Кроме того, при большем периоде коммутаций количество возможных значений средней потребляемой мощности (равное количеству периодов питающего напряжения на периоде коммутации) выше, что обеспечивает большую плавность регулирования температуры.
На рис. 3.11 представлены амплитудно-частотные характеристики колебаний температуры загрузки при одноканальном и двухканальном синхронизированном широтно-импульсном регулировании. Аналогичные характеристики получены для футеровки. Анализ этих характеристик показывает, что снижение амплитуды колебаний температуры в установившемся режиме при переходе к двухканальному синхронизированному широтно-импульсному регулированию имеет место во всем диапазоне частот коммутации.
На рис. 3.12 представлены зависимости амплитуды колебаний температуры от средней мощности, вводимой из сети (от относительной продолжительности включения у), при различной частоте коммутации. Приведены зависимости для нагревателей, для футеровки и загрузки их вид аналогичен, но амплитуда колебаний меньше. Для одноканального широтно- импульсного регулирования эти зависимости имеют максимум, при увеличении частоты коммутации максимум смещается в сторону больших у, однако в любом случае максимум находится вблизи значения у=0,5. При проведении технологического процесса в ЭПС установившемуся режиму, как правило, соответствует значение у, не большее 0,5, и для прецизионных процессов ужесточаются требования к амплитуде колебаний температуры.
Эти требования могут быть удовлетворены переходом к двухканальному синхронизированному широтно-импульсному регулированию, при котором в режиме у=0,5 колебания температуры футеровки и загрузки практически отсутствуют (см. рис. 3.9 а -- б). На рис. 3.13 представлены амплитудно-частотные характеристики колебаний температуры нагревателей при различных соотношениях тепловой инерционности нагревателей и футеровки. Данные зависимости приведены для одноканального широтно-импульсного регулирования, для двухканального синхронизированного их вид аналогичен. Аналогичные зависимости получены для загрузки при различной тепловой инерционности загрузки. При увеличении тепловой инерционности нагревателей или загрузки (при неизменной постоянной времени футеровки), т.е. при меньших значениях коэффициентов К и К 2, К з (см. 3.2), характеристики располагаются ниже, т.е. с ростом тепловой инерционности нагревателей.
