Способ автоматического регулирования электрического режима индукционной термической установки

ОП ЙСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКЬНУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеслубликОпубликовано О.02.83. Бюллетень 5Дата опубликования описания 17.02.83 ле делам лзебретелкй к етеемтий(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА ИНДУКЦИОННОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИИзобретение относится к машиностроению и металлургии и может быть использовано при термообработке деталей, при плавке, при нагреве перед пластической деформацией и т. д.Известны. способы, в которых оптимальный электрический режим в установке, т. е. режим, при котором в установку поступает максимальная мощность, обеспечивается поддержанием максимального значения напряжения (тока) в период нагрева и расплавления шихгы, а также заданием на коэффициент мощности такого допустимого диапазона, чтобы внутри него находилась вся траектория оптимального режима 11.Такое решение оптимизационной задачи приводит к тому, что изображающая точка, характеризующая мощность, поступающую в установку, перемещается по ходу плавки не вдоль оптимальной траектории, а вдоль одной из границ диапазона, в стороне от оптимальных значений мощности. В результате наблюдается недоиспользование мощности источника питания, что ведет к увеличению длительности плавки и расхода электроэнергии,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ автоматического регулирования электрического режима индукционной термической установки, при котором измеряют ток и на пряжение силового колебательного контура,преобразуют их в сигналы, пропорциональные измеренным параметрам, и подают на модель силового контура, содержащую емкость и индуктивность, после чего измеряют на модели сигнал, пропорциональный мощности, сравнивают его с заданным и при наличии рассогласования изменяют емкость силового контура до устранения рассогласования 2 .Однако возможности повышения быстро действия системы в результате применениямодели используют здесь не в полной мере.Это обусловлено тем, что поиск оптимального решения в модели начинается только после проведения необходимых измерений в установке (определения отклонения созр от единицы). Процесс управления с моделью условно может быть представлен в виде трех тактов: измерения в установке - поиск оптимальных установок на модели выдача управляющих воздействий на про 99538840 45 50 55 зцесс, В этом случае модель функционирует не синфазно с процессом и отключается от него на период поиска оптимальных установок, что приводит к снижению быстродействия системы.Другим существенным недостатком решения является то, что при управлении режимом не учитываются изменения мощности потерь. Они приводят к смещению максимума мощности в фазовой области, т. е. к смещению максимума мощности в координатах мощность - значение фазового угла между током и напряжением. Вместе с этим смещением сову по ходу плавкиоптвесьма значительны и перекрывают диапазон от 0,92 до 1,0. Здесь ю, - значение фазового угла, при котором в установку поступает максимальная мощность. В известном способе принято, что созне дрейфует по ходу плавки, а совпадает со значением сову,п =1,О. Цель изобретения - увеличение производительности печи путем повышения коэффициента использования мощности источника питания.Для достижения этой цели в способе автоматического регулирования электрического режима индукционной термической установки, при котором измеряют ток и напряжение силового контура, преобразуют их в сигналы, пропорциональные измеренным параметрам и подают на модель силового контура, содержащую емкость и индуктивность, после чего измеряют на модели сигнал, пропорциональный мощности сравнивают его с заданным и при наличии рассогласования изменяют емкость силового контура до устранения рассогласования, сигнал, пропорциональный току, преобразуют в частотно-модулированный, изменяют индуктивность модели по сигналу, пропорциональному напряжению, а сигнал, пропорциональный мощности модели, детектируют, дополнительно сравнивают с сигналом тока или напряжения, измеренным на установке, и по сигналу рассогласования дополнительно изменяют емкость силового контура до устранения рассогласования.На фиг. 1 представлена структурная схема, реализующая предлагаемый способ автоматического регулирования электрического. режима индукционной установки; на фиг. 2 - схема модели, используемой для определения смещений максимума мощности, возникающих в результате изменения мощности потерь по ходу плавки; на фиг. 3 принцип получения разности между максимальным значением полезной мощности и текущим ее значением, поступающим в установку.К источнику 1 питания (фиг. 1) подключена нагрузка 2 в виде силового колебательного контура. Датчики напряжения 3 и 5 1 О 15 20 25 30 35 тока 4 силового контура через повышающий трансформатор 5 и конденсатор б подключены к входам модели силового контура 7.Выход модели через фазочувствительный усилитель 8 и нуль-орган 9 связан с блоком 1 О управления емкостью силового контура, напряжение на котором регулируют с помощью блока 11 автоматического управления.В модели (фиг. 2) условно можно выделить две входные цепи, колебательный контур и цепи управления. Первая входная цепь представляет управляемый генератор 12 синусоидальных колебаний, выход которого гальванически связан с колебательным контуром через потенциометр 13. Вторая входная цепь состоит из встречно включенных входных обмоток 14 индуктивности, намотанных на магнитопроводы 15 иб. Колебательный контур (КК) 17 представляет следящий фильтр, с индуктивности которого снимается сигнал на усилитель 18. Для увеличения добротности колебательного контура применена положительная обратная связь. Ее величина может регулироваться с помощью резистора 19. Первая цепь 20 управления служит для выбора несущей частоты управляемого генератора, а вторая цепь 21 управления - для настройки колебательного контура в резонанс этой частотой. Выход усилителя 18 является выходом модели,Проверка предлагаемого способа проводилась на индукционной электротермической установке ИСТМ, В качестве модели силового контура установки был взят управляемый колебательный контур (КК) высокой добротности, содержащий индуктивность и емкость. Резонансная частота контура модели выбиралась на порядок выше частоты источника питания. В реальных условиях при оптимальном режиме печи напряжение У и ток Э, снимаемые с задатчиков 3 и 4, отличались по величине в несколько раз. Существовало также между ними отличие по фазе, Чтобы упростить реализацию модели сигналы и 1 были преобразованы так, чтобы в случае оптимального электрического режима печи фазовый сдвиг между ними отсутствовал, а амплитуды становились одинаковыми. Для этого сигнал 1 пропускался через повышающий трансформатор 5, а- через форсирующую КС-цепочку. В качестве К использовалось сопротивление соответствующего входа модели, а емкость подбиралась экспериментально, (С= = 14300 пф), Ее подбор осуществлялся по совпадению максимумов мощностей установки и выходного напряжения модели при примерном постоянстве активного сопротивления силовой цепи установки. После получения совпадения максимумов в одной точке добивались совпадения максимумов внескольких точках по ходу плавки регулировкой добротности колебательного контура модели, В результате проведенной таким об-. - разом идентификации модели с процессом, от системы автоматического управления требовалось осуществлять автоматическое слежение за вершиной резонансной кривой колебательного контура модели. Для этого использовалось свойство резонансной ха-. рактеристики изменять фазу в момент перехода вершины кривой. Изменения фазы фиксировались фазочувствительным усилием 8 в котором осуществлялоеь детектирование. сигнала (удаление .несущей частоты и, ) и усиление. В качестве опорного сигнала было выбрано напряжение силовой цепи электро- термической установки. 5В процессе проверки оказалось, что, не смотря на усилие сигнал с фазочувствительного усилителя является еще недостаточно мощным, чтобы управлять нуль-органом. 9 установки, поэтому управление. блоком 10, 20 изменяющим емкость конденсаторной батареи, производилось вручную. В данном случае. быстродействие процесса таково, что . ошибкой, .вносимой в процесс такими переключениями, можно пренебречь. Для управления напряжением печи использовался штатный блок 11 автоматического управления источником 1 питания.На этапе испытаний было проведено 20 плавок при номинальном .напряжении ис точника питания и различных составах ших- ЗО ты. Моменты переключения конденсаторной батареи выбирались сразу же после перехода через состояние резонанса колебательного контура модели. В результате проведения этих плавок выяснилось, что они отличаются, во-первых, меньшей продолжительностью примерно на 10 - 14 й, во-вторых, более монотонным характером нарастания мощности, в-третьих, очень интенсивным нарастанием мощности в период расплавлЕния шихты, в-четвертых тем, что и 4 О остальные электрические параметры отклоняются меньше относительно некоторых усредненных траекторий, характеризующих изменение этих параметров в течение всей плавки.Сущность работы модели заключается в 45 следующем.На входы модели поступают ток 1 и напряжение Б .силового контура электроди.- намической установки. При этом частота управляемого генератора 12 изменяется пропорционально мгновенным значениям.то 50 ка 1, а индуктивность контура 17 изменяется пропорционально мгновенным значениям напряжения 1.1 печи. Направление и величина изменений, возникающих в результате воздействия тока и напряжения печи, подбираются такими, чтобы при оптимальном электрическом режиме плавильной печи, колебательный контур 17 был настроен в ре 6зонанс с частотой управляемого генератора 12. Тогда любые факторы, ведущие котклонению от оптимального режима печи,приведут к изменению тока и напряженияустановки, а следовательно, и к отклонению от состояния резонанса в контуре 1.Возникающее отклонение от резонансногорежима в контуре 17 и будет характеризовать разность между максимально-достигнутым в данный момент времени значениемполезной мощности и текущим ее значением, йоступающим в установку.Это можно проиллюстрировать на фиг. 3.При наличии оптимального режима в силовом контуре установки, т. е. при согласованности нагрузки и источника питания,в печь поступает максимальная полезнаямощность, равная Рпях. При этом входныесигналы, пропорциональные напряжению итоку в силовом контуре, устанавливаютсятакой величиной, чтобы в- колебательномконтуре 17 модели наблюдалось одинаковоеизменение его резонансной частоты и частоты генерации. Поэтому в процессе изменения обеих частот контур 7 остается. настроенным в резонанс, и амплитуда выходного напряжения модели будет максималь-.ной и равной К,д,При нарушении оптимальности режимапроизойдут, в общем случае, амплитудныеи фазовые изменения в сигналах, поступающих на входы. Допустим, что в результатеэтих изменений отклонение от оптимального режима по мощности стало равным ЬР.При этом в колебательном контуре 17 будет наблюдаться неодинаковое изменениеего резонансной частоты и частоты генерации. Это проявится в изменении амплитуды выходного сигнала модели на величину ЛК и частоты на величину ЬМ. Так какток в контуре модели и индуктивность этого контура изменяется по ходу процесса,то для выходного напряжения К моделиможно записатьй Ы.Р ЗТ Игде 1. - индуктивность колебательного контура модели;1 -ток в колебательном контуре модели;- производные от вышеотмеченных веП. йличин по времени.Поскольку изменения тока 1 пропорциональны 1, аамплитудные изменения - пропорциональны частотным изменениям управляемого генератора, которые в своюочередь пропорциональны изменениям.то выходной сигнал модели характеризуетмощность. Тогда ЬКр будет характеризовать разность между Рп и фактическипотребляемой от источника питания мощностью в данный момент времени 1,.Как уже отмечалось, траектория, образованная значениями Р х, дрейфует в фазовой области. В предлагаемом решенииучет смещений положения максимума основан на том, что колебательный контур модели работает при резонансном режиме или вблизи от него, когда величины 1, К и другие являются функциями собственной частоты. А последняя, как известно из радиотехники, характериз ется зависимостью1фса = йо 1 ра)2гдето - резонансная частота контура модели;6-добротность контура модели.Поскольку Я изменяется из-за изменений параметров контура модели, то и Я будет изменяться по ходу плавки. Необходимо только настраивать контур 17 на процесс так, чтобы уходы оптимального фазового угла установки Ьы, 1 были пропорциональны уходам оптимального фазового угла Ьс . Поскольку в реальных условияхоптиндуктивность силового контура установки изменяется практически монотонно, то настраивать модель на процесс целесообразно по совпадению максимумов мощности, поступающей в установку, с максимумами напряжения на выходе модели. Причем совпадение необходимо проверять в нескольких точках плавки. Как показала проверка на индукционной плавильной печи ИСТМ такой метод идентификации легко осуществляется, поскольку природа уходов Ь м , и Ьу, одна и та же.В предлагаемом решении дополнительно контролируется мощность потерь по изменению собственной частоты контура модели, а также достигается более высокое быстродействие системы регулирования из-за синхронного функционирования модели с процессом, Благодаря этому увеличивается производительность печи за счет более полного использования мощности источникапитания. Формула изобретения5 Способ автоматического регулированияэлектрического режима индукционной термической установки, при котором измеряютток и напряжение силового колебательногоконтура, преобразуют их в сигналы, пропорциональные измеренным параметрам, иподают на модель силового контура, содержащую емкость и индуктивность, после чегоизмеряют на модели сигнал, пропорциональный мощности, сравнивают его с заданными при наличии рассогласования изменяютемкость силового контура до устранениярассогласования, отличающийся тем, что,с целью повышения производительности установки путем повышения коэффициента использования мощности, сигнал, пропорциональный току, преобразуют в частотно-модулированныйй, изменяют индуктивность модели по сигналу, пропорциональному напряжению, а сигнал, пропорциональныймощности модели, детектируют, дополнительно сравнивают с сигналом тока или25напряжения, измеренным на установке, ипо сигналу рассогласования дополнительноизменяют емкость силового контура до устранения рассогласования.Источники информации,принятые во внимание при экспертизезо 1. Гитгарц Д. А., Полищук Я. А. Автоматическое регулирование индукционныхплавильных установок. М., Энергия, 1965,с, 24.2. Авторское свидетельство СССР849557, кл, Н 05 В 606, 1979.Составитель О. ТТехред И. ВересТираж 843Государственного коелам изобретений исква, Ж - 35, РаушскПатент, г. Ужгород,урпак Корректор Ю. Макареик Подписное митета СССРоткрытийая наб., д. 4/ул. Проектна