Тема работы: " ИДЕНТИФИКАЦИЯ ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ С УЧЕТОМ ПЕРЕМЕННОГО УРОВНЯ РАСПЛАВА В ТИГЛЕ " Разработали студенты группы ЭЛ-03-08: Алферова Е.С. Купчинов А.Д. Хахалина Е.В. Восемнадцатая ежегодная международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА" Кафедра ФЭМАЭК Научный руководитель: к.т.н. Федин М.А. 1

Цель исследования Целью работы является разработка структурной схемы системы регулирования тока и мощности индукционной тигельной печи, в которой будет учитываться изменение уровня расплава в индукционной тигельной печи (ИТП) и индукционном тигельном миксере (ИТМ). Для достижения поставленной цели необходимо провести анализ электрических режимов работы ИТП (ИТМ) при различном заполнении тигля с использованием программы Overheat. Эти расчеты учтены в модели, реализованной в пакете программ Simulink. 2

Индукционный нагрев применяется во многих областях обработки металлов: в печах для плавки черных и цветных металлов как на воздухе, так и в вакууме, в установках для нагрева под горячую обработку и т.д. В настоящее время используются установки емкостью от десятков грамм до десятков тонн. Системы управления индукционными установками существенно различаются в зависимости от решаемых технологических задач. Наиболее сложными с точки зрения задач управления являются индукционные тигельные печи и индукционные тигельные миксеры Основная цель управления индукционными установками – обеспечение максимальной производительности печи. Управление ИТП (или ИТМ) осуществляется с помощью регулятора мощности (или тока), регулятора коэффициента мощности (cosφ) и регулятора симметрирования. Общие вопросы управления установками индукционного нагрева 3

Обзор работ, в которых ранее рассматривались вопросы управления индукционными установками Проблемы связанные с управлением электрическими параметрами индукционных тигельных печей затронуты в достаточно широком круге работ: Минеев А. Р., Коробов А.И., Погребисский М.Я. Моделирование электротехнологических процессов и установок // «Компания Спутник+», Кувалдин А.Б., Федин М.А. Расчет тепловых и электрических характеристик ИТМ // Электрометаллургия, Кувалдин А.Б., Погребисский М.Я., Федин М.А. Разработка системы управления температурой расплава в индукционных тигельных миксерах и ее исследование с использованием компьютерной модели.//Электрометаллургия,2008. Гитгарц Д.А. Автоматизация плавильных электропечей с применением микро- ЭВМ // Энергоатомиздат, Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи // «Энергия», Погребисский М.Я. Методическое пособие по курсу «Автоматическое управление электротехнологическими установками» // Издательство МЭИ,

Индукционная тигельная установка в традиционных моделях регуляторов мощности(тока), регулятора cosφ и симметрирования, рассматривается как безынерционное звено с коэффициентом передачи К=1/R, где R – активное эквивалентное электрическое сопротивление системы «индуктор – загрузка», которое считается постоянной величиной (рис. 1). Рис. 1. Структурная модель ИТП (ИТМ) в среде Simulink Упрощенная структурная модель ИТП (ИТМ) 5

Блок-схема модели регулятора тока ИТП (или ИТМ) в среде Simulink, без учета переменного уровня расплава в тигле Рис. 2. Блок-схема модели регулятора тока ИТП в среде Simulink 6 ЗУ РУ ИЭ ДОС ОУ ЗУ – задающее устройство РУ – регулирующее устройство ИЭ – исполнительный элемент ОУ – объект управления ДОС – датчик обратной связи

Элементы входящие в состав блок-схемы модели регулятора тока ИТП (или ИТМ) в среде Simulink без учета переменного уровня расплава в тигле – блок с зоной нечувствительности Dead Zone Назначение: Реализует нелинейную зависимость типа "зона нечувствительности (мертвая зона)". – пропорционально-интегральный регулятор Назначение: Предназначен для регулирования тока в индукторе. И-составляющая нужна для устранения статической ошибки, которая характерна для пропорционального регулятора. В исследуемой модели статическая ошибка определяется не порядком астатизма, а существующей нелинейностью системы, поэтому И-составляющая равна нулю. 7 – генератор ступенчатого сигнала Назначение: Формирует ступенчатый сигнал. В данной схеме ток уставки.

Элементы входящие в состав блок-схемы модели регулятора тока ИТП (или ИТМ) в среде Simulink без учета переменного уровня расплава в тигле – Gain – скалярный коэффициент передаточной функции – Integrator – интегрирующий блок Назначение: Блок gain реализует переход от круговой скорости к линейной,а блок integrator реализует переход от линейной скорости к перемещению ползунка электропривода печного трансформатора. – источник питания. Электропечной трансформатор – Quantizer – блок квантования по уровню Назначение: Блок обеспечивает квантование входного сигнала с одинаковым шагом по уровню – Saturation – блок ограничения Назначение: Выполняет ограничение величины сигнала 8

Исходные данные для моделирования Табл.1. Исходные данные KpKoUmaxКдтTдт Kp – коэффициент усиления ПСН Ko – коэффициент усиления ИТП Umax – ограничение напряжения Кдт – коэффициент усиления датчика тока Tдт – постоянная времени датчика тока 9

Исследование регулятора тока ИТП Рис. 4.График переходного процесса тока с блоком с зоной нечувствительности Рис. 3.График переходного процесса тока без блока с зоной нечувствительности 10

Исследование системы автоматического регулирования тока ИТП с преобразователем частоты в качестве источника питания Помимо ПСН в качестве источника питания ИТП (ИТМ) используются электромеханические или статические(тиристорные или транзисторные) преобразователи частоты (ПЧ). Это целесообразно для среднечастотных установок. Передаточную функцию ПЧ можно представить в виде инерционного звена 1 порядка. Последовательно к нему ставится звено ограничения, как и для любых источников питания ограниченной мощности. - преобразователь частоты Постоянная времени преобразователя зависит от его инерционности и принимается равной , в данном случае принимается постоянная времени, равная

Переходные процессы САУ при ПЧ в качестве источника питания Рис 5. Переходной процесс тока при ПЧ в качестве источника питания. 12

Влияние зоны нечувствительности(ЗН) на точность САУ δзн, о. е.±0.01±0.02±0.03±0.05±0.07 Δст, о. е Табл.2. Зависимость статической ошибки от величины ЗН. Из табл.1 следует, что введение ЗН улучшает устойчивость системы, но вносит статическую ошибку. 13

В процессе работы ИТМ, уровень расплава изменяется в широком диапазоне(от 100% до 20%). Это оказывает влияние на параметры тепловых и электрических режимов его работы(изменение эквивалентных активного и индуктивного сопротивлений системы «индуктор – загрузка», потребляемой и полезной мощности). Для реализации структурной схемы системы регулирования, которая будет учитывать изменения R (рис. 9), получим функциональную зависимость R от высоты расплава в тигле l. Для этого проведем анализ электрических режимов работы ИТМ при различном заполнении тигля с использованием программы Overheat. Идентификация ИТП (или ИТМ) как объекта управления с учетом переменного уровня расплава с тигле 14

Использование программы Overheat для получения значений электрических параметров ИТМ (с использованием аналитического метода Слухоцкого А.Е.) Рис. 6.Окно с исходными данными для расчета ИТМ (с использованием аналитического метода Слухоцкого А.Е.) 15

Использование программы Overheat для получения значений электрических параметров ИТМ (с использованием численного метода индуктивно- связанных контуров) Рис. 7.Окно с исходными данными для расчета ИТМ (с использованием численного метода индуктивно-связанных контуров) 16

Результаты серии вычислительных экспериментов (аналитический расчет) Табл. 3. Зависимость R(l) для ИТМ емкостью 1т. l,% Миксер номинальной емкостью 1 т. 100%75%50%25% R, Ом0,0810,0760,0680,048 X, Ом0,8060,8880,9891,116 Z, Ом0,8100,8920,9921,117 cosφ0,1110,085 0,0660,043 В результате аппроксимации результатов получены зависимости R от l и Z от l: R = 0,024 · ln(l) – 0,028 и Z= -0,21 · ln(l) +1,83 Величина достоверности аппроксимации: R ² = 0,98 l,% Миксер номинальной емкостью 2,5 т. 100%75%50%25% R, Ом0,0250,0230,0200,014 X, Ом0,1110,1210,1340,148 Z, Ом0,1140,1240,1350,149 cosφ0,2210,1860,1450,094 Табл. 4. Зависимость R(l) для ИТМ емкостью 2,5т. В результате аппроксимации результатов получена зависимость R от l и Z от l : R = 0,0074 · ln(l) – 0,0087 и Z= -0,025 · ln(l)+0,23 Величина достоверности аппроксимации: R ² = 0,98 17

Результаты серии вычислительных экспериментов (аналитический расчет) l,% Миксер номинальной емкостью 6 т. 100%75%50%25% R, Ом0,0270,0260,0230,017 X, Ом0,1230,1380,1560,179 Z, Ом0,1260,1400,1570,179 cosφ0,2150,1830,1440,093 Табл. 4. Зависимость R(l) для ИТМ емкостью 6т. В результате аппроксимации результатов получена зависимость R от l и Z от l : R = 0,0076 · ln(l) - 0,0070 и Z= -0,038 · ln(l)+0,30 Величина достоверности аппроксимации: R ² = 0,97 l,% Миксер номинальной емкостью 10 т. 100%75%50%25% R, Ом0,0300,0290,0260,020 X, Ом0,1260,1430,1650,195 Z, Ом0,1290,1450,1670,196 cosφ0,2270,1960,1560,100 Табл. 5. Зависимость R(l) для ИТМ емкостью 10т. В результате аппроксимации результатов получена зависимость R от l и Z от l : R = 0,0082 · ln(l) – 0,0064 и Z= -0,048 · ln(l)+0,35 Величина достоверности аппроксимации: R ² = 0,99 18

Реализация структурной схемы системы регулирования, учитывающая изменение уровня расплава в тигле Рис. 8. Структурная модель ИТП (ИТМ) в среде Simulink 19

Блок-схема модели регулятора тока ИТП (или ИТМ) в среде Simulink с учетом переменного уровня расплава в тигле Рис. 9. Блок-схема модели регулятора тока ИТП (или ИТМ) в среде Simulink с учетом переменного уровня расплава в тигле 20 ЗУРУ ИЭ ДОС ОУ ЗУ – задающее устройство РУ – регулирующее устройство ИЭ – исполнительный элемент ОУ – объект управления ДОС – датчик обратной связи

Для исследования переходных процессов полученной модели рассмотрим тигельный миксер для выдержки и перегрева чугуна перед разливкой ИЧТМ-6М1 и подберем для него электропечной трансформатор. 21 Исходные данные для моделирования Тип электропечного трансформатора, исходя из потребляемой мощности ИТМ ЭОМП-1000/10 Мощность, кВ·А400 Напряжениепервичное, кВ6 или 10 вторичное, В Исходные данные для моделирования ЗУ Iуставка РУИЭДОС КрΔqΔqUmaxUminКдтТдт 26000, ,01

Уровень расплава в тигле изменяется от 100% до 75% 22 Уровень расплава в тигле изменяется от 100% до 50% Уровень расплава в тигле изменяется от 100% до 25% Переходные процессы САУ, изменение тока при ПСН в качестве источника питания. Для ИТМ ёмкость 6 тонн

Определение числового значения статической ошибки при различном уровне расплава в тигле 23 Изменение уровня расплава в тигле с 100% до 75%с 100% до 50%с 100% до 25% Установившееся значение тока Числовое значение статической ошибки Δст= -2,4·l R² = 1 Зависимость Δст.от l

Выводы по работе 1.Система автоматического регулирования тока ИТП (ИТМ) является системой второго порядка. 2.Применение ПЧ в качестве источника питания избавляет систему от автоколебаний. 3. Корректировать переходные процессы системы можно введением зоны нечувствительности. При этом в систему вносится статическая ошибка. 4. В процессе работы ИТМ при снижении уровня расплава в тигле уменьшается эквивалентное активное сопротивление системы «индуктор-загрузка», но при этом увеличивается полное эквивалентное сопротивление за счет роста его индуктивной составляющей. 5. При усилении возмущающего воздействия увеличивается значение статической ошибки. 24

Планы на будущее Полученные зависимости активного и полного сопротивлений от высоты уровня расплава в тигле планируется использовать при разработке усовершенствованной модели регулирования ИТП для плавки драгоценных металлов, с которой в настоящее время на нашей кафедре проводятся эксперименты. Основные параметры ИТП для плавки драгоценных металлов 25 Потребляемая мощность, кВт2,5 КПДНе менее 0,9 Частота, кГц22,5 Источник питанияВысокочастотный транзисторный генератор (тиристорный преобразователь частоты)

Спасибо за внимание! 26