СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОДНОФАЗНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ УСТАНОВКОЙ ДЛЯ ПАЙКИ ТРУБОПРОВОДОВ МАЛОГО ДИАМЕТРА Российский патент 2000 года по МПК H05B6/06 B23K1/02 B23K1/14 

Изобретение относится к области электротехники, конкретнее к способам управления однофазной индукционной установкой для индукционной пайки трубопроводов малого диаметра до 160 мм.

Оно может быть использовано в автоматизированных системах управления индукционными установками для пайки трубопроводов малого диаметра с целью резкого повышения точности производственного процесса монтажа трубопроводов малого диаметра и обеспечения необходимого качества получаемого шва.

Известен способ управления, осуществляемый в регуляторе мощности типа АРИК, однофазной индукционной установкой при отклонении величины cosϕ от заданных границ изменения, включающий операции измерения тока и напряжения, вычисления cosϕ, сравнения и отработки рассогласования измеренного cosϕ и заданного cosϕ [1].

Недостатком способа управления, реализованного в [1], принятого в качестве аналога, является низкая точность и малые скорости отработки рассогласования по cosϕ.

В значительной степени эти недостатки преодолены в способе управления индукционной установкой по величине tgϕ [2]. Здесь операция регулирования фазового угла осуществляется по импульсному принципу с использованием операции фазовращения в соответствии с выражениями для двух возможных схемных вариантов


(см. стр. 32 источника [2], принятого нами за прототип).

Несмотря на большую разрешающую способность способа управления по прототипу [2] , недостатками остается малая точность, большое количество необходимых измерений и преобразований, и как результат запаздывание с управлением. Если для ряда технологических индукционных процессов с массивной загрузкой и достаточно большой инерционностью процесса такой способ может быть применен, то для индукционной установки пайки трубопроводов малого диаметра, где процессы очень динамичны, а инерционность из-за малой по массе технологической загрузки весьма невелика, с помощью прототипа нельзя обеспечить высокое качество производственного процесса, особенно в случаях малых углов ϕ, часто наблюдаемых в рассматриваемом типе оборудования - установке индукционной пайки трубопроводов малого диаметра до 160 мм.

Целью заявляемого изобретения является упрощение и облегчение операции измерения фазового угла ϕ, повышение быстродействия и точности управления индукционной установки для обеспечения требуемого качества монтажа трубопроводов малого диаметра при снижении непроизводительных затрат энергии, в том числе при малых углах ϕ, где их измерять особенно трудно.

Поставленная цель достигается в способе управления однофазной индукционной установкой для пайки трубопроводов малого диаметра, при котором измеряют величины токов и напряжений, определяют фазовый угол между ними, сравнивают его с аналогичным заданным значением и переключают величину емкости конденсаторной батареи в сторону устранения возникшего рассогласования.

Причем в процессе измерения мгновенных значений токов и напряжений формируют первый электрический сигнал, например по напряжению, равный разности количества измерений до появления нулевых значений тока и нулевых значений напряжения за время измерений 40 - 50 мс с частотой 2х120 мкс, далее по запомненным значениям тока и напряжения до и после их нулевых значений формируют второй и третий электрические сигналы в виде отношений измеренных значений токов и напряжений, предшествующих их нулевым значениям, к сумме предшествующих и непосредственно последующих значений токов и напряжений после их нулевых значений, затем формируют управляющий сигнал в виде

где N - число измерений значений тока и напряжения за один электрический период t = 0,02 с изменения тока и напряжения

- количество измерений до появления нулевых значений тока и нулевых значений напряжения за период измерения 40 - 50 мс,
i - количество нулевых значений напряжения и тока,

где m - количество измерений до измеренных пар значений тока и напряжения, предшествующих и последующих нулевым значениям тока и напряжения;
|I(t-l)|_m,|U(t-l)|_m и |I(t+l)|_m,|U(t+l)|_m - модули соответственно запомненных и измеренных значений тока и напряжения непосредственно до и после нулевых значений токов и напряжений, определенных в процессе измерений, и по сформированному управляющему сигналу, пропорциональному ϕ_упр, после сравнения с заданной аналогичной величиной переключают емкости конденсаторной батареи индукционной установки для пайки трубопроводов малого диаметра в сторону устранения возникшего рассогласования, после чего операции с измеряемыми токами и напряжениями повторяют циклично в интервале 40 - 50 мс.

Существенным отличием от известных способов управления однофазной индукционной установкой для пайки трубопроводов малого диаметра является то, что ни в одном из известных способов управления аналогичного назначения не сочетаются экономичность и простота технического решения при операциях с измерениями только токов и напряжений, то есть двух параметров, в отличие от прототипа, в реальном масштабе времени, которое позволяет современная элементная база, повышенная точность поддержания рационального режима индукционной установки для пайки трубопроводов малого диаметра путем предоставления возможности адаптационного к быстроменяющимся технологическим условиям скорректированного управления как для больших фазовых углов, так и для малых их величин, чего нет в прототипе и особенно важно для индукционной пайки трубопроводов малого диаметра, при экономии электроэнергии и расходов на эксплуатацию и практически мгновенной реакции управления в реальном масштабе времени, то есть в темпе с процессом индукционной пайки трубопроводов малого диаметра.

Заявляемый способ поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 приведены кривые изменения токов и напряжений при работе индукционной установки для пайки трубопроводов диаметром до 160 мм.

Здесь видны нулевые значения измеряемых величин при переходе через ось времени и фазовый угол ϕ_упр как разность числа замеров n_I и n_U до упомянутых нулевых значений. На фиг. 2 видно, что при измерении значений тока до и после его нулевого значения отношение модулей предшествующего значения тока к сумме модулей предшествующего и последующего значений является tgϕ_корр, а при малых углах tgϕ_корр= ϕ_корр.

Как можно увидеть из приведенных чертежей, назначение способа состоит в определении угла ϕ_изм (фиг. 1), скорректированного значения ϕ_корр и основного сигнала управления ϕ_упр= ϕ_изм+ϕ_корр.

Пример реализации.

Управление однофазной индукционной установкой для пайки трубопроводов малого диаметра происходит следующим образом (фиг. 1 и 2).

1) Через 120 мкс в течение 48 мс (см. фиг. 1) измеряли значения тока I и значения напряжения U, набирая таким образом 48 мс/120 мкс = 400 значений измерений. Такие наборы измерений получали для повышения точности в 2 - 3 раза. Затем определяли моменты, при которых значения напряжения и тока были нулевыми.

2) При этом запоминали количество измерений до появления нулевых значений тока а также количество измерений до появления нулевых значений напряжения i = 6.

3) Полученные электрические сигналы, пропорциональные замеренным и запомненным значениям и после вычитания усредняли, т. е. суммировали и уменьшали в i = 6 раз по числу проведенных наборов измерений: (17+19+18+20+16+20)/6= 18,333. Для корректировки точности измерений при малых углах ϕ (см. фиг. 2):
4) Измеряли предшествующие нулевым значениям модули токов
|I(t-l)|₁= 127A;|I(t-l)|₂= 121A; |I(t-l)|₃= 126A;|I(t-l)|₄= 128A; |I(t-l)|₅= 120A;|I(t-l)|₆= 110A; |I(t-l)|₇= 130A;|I(t-l)|₈= 112A; |I(t-l)|₉= 131A; |I(t-l)|₁₀= 142A;.....|I(t-l)|_m
5) и модули напряжений
|U(t-l)|₁= 400B;|U(t-l)|₂= 350B; |U(t-l)|₃= 380B; |U(t-l)|₄ = 290B; |U(t-l)|₅ = 410B; |U(t-l)|₆= 420B;|U(t-l)|₇= 360B; |U(t-l)|₈= 300B;|U(t-l)|₉= 420B; |U(t-l)|₁₀= 390B;.....|U(t-l)|_m.
6) Соответственно замеряли последующие после нулевых значений I (t), U (t) модули токов (см. фиг. 2):
|I(t+l)|₁= 142A;|I(t+l)|₂= 112A; |I(t+l)|₃= 131A;|I(t+l)|₄= 130A; |I(t+l)|₅= 110A;|I(t+l)|₆= 120A; |I(t+l)|₇= 121A;|I(t+l)|₈= 126A; |I(t+l)|₉= 127A; |I(t+l)|₁₀= 128A;.....|I(t+l)|_m
7) и напряжений
|U(t+l)|₁= 360B;|U(t+l)|₂= 300B; |U(t+l)|₃= 420B;|U(t+l)|₄= 290B; |U(t+l)|₅= 310B;|U(t+l)|₆= 410B; |U(t+l)|₇= 400B;|U(t+l)|₈= 350B; |U(t+l)|₁₀= 290B;.....|U(t+l)|_m.
8) Последовательно складывали модули измеренных электрических сигналов в операциях 4), 6) с токами |I(t-l)|_m+|I(t+1)|_m для m = 1: 269 A; для m=2: 233 A; для m=3: 275 A; для m=4: 258 A; для m=5: 230 A; для m=6: 230 A; для m=7: 251 A; для m=8: 238 A; для m=9: 258 A; для m=10: 270 A,
9) и операциях 5), 7) с напряжениями |U(t-l)|_m+|U(t+1)|_m для m=1: 760 B; для m=2: 650 B; для m=3: 800 B; для m=4: 580 B; для m=5: 720 B; для m=6: 830 B; для m=7: 760 B; для m=8: 650 B; для m=9: 800 B; для m=10: 680 В ....

10) формировали электрические сигналы, пропорциональные отношениям полученных в операции 4) модулей измеренных значений токов, предшествующих их нулевым значениям, к сумме модулей, предшествующих нулевым значениям и непосредственно последующих значений токов, полученных в операциях 8)

для m=1: 0,472; для m=2: 0,519; для m=3: 0,490; для m=4: 0,496; для m=5: 0,522; для m=6: 0,478; для m=7: 0,518; для m=8: 0,471; для m=9: 0,508; для m=10: 0,526; ....

11) Аналогично 10) для отношений полученных в операции 5) модулей измеренных значений напряжений, предшествующих их нулевым значениям, к сумме модулей предшествующих значений и непосредственно последующих значений напряжений, полученных в операции 9)

для m=1: 0,526; для m=2: 0,538; для m=3: 0,475; для m=4: 0,500; для m=5: 0,569; для m=6: 0,506; для m=7: 0,474; для m=8: 0,462; для m=9: 0,525; для m=10: 0,574; ....

12) Проводили операцию вычитания и формировали электрические сигналы, пропорциональные модулям, полученным в результате вычитания показателей для m= 1: 0,054; для m=2: 0,019; для m=3: 0,015; для m=4: 0,004; для m=5: 0,047; для m= 6: 0,028; для m=7: 0,044; для m=8: 0,009; для m=9: 0,017; для m=10: 0,048; ....

13) Усредняли полученные в операции 12) электрические сигналы, суммируя и разделив на число выборки измерений токов и напряжений m, получив электрический сигнал =0,029.

14) Электрические сигналы, пропорциональные , складывали, получили 18,362 и далее масштабировали в пропорции 360/N 1,745•10^-2, где N= 20000 мкс/120 мкс. Получили электрический сигнал с весом, пропорциональным контролируемому углу управления ϕ_упр=0,622 рад.

15) Сравнивали с аналогичным заданным ϕ_{упр.зад}=0,55 рад, получили отклонение от заданного 0,142 рад или 25% и переключали с помощью тиристорных ключей конденсаторную батарею индукционной установки для пайки трубопроводов малого диаметра в сторону увеличения емкости на 25%.

Изложенную последовательность операций с токами и напряжениями циклически повторяли.

Реализуемость патентуемого способа не вызывает сомнений, так как вопросы измерения токов и напряжений на индукционных установках для пайки трубопроводов малого диаметра отработаны, определение нулевых их значений реализуется с помощью нуль-компараторов, а операции логического сложения, вычитания, деления, сравнения, запоминания и др. осуществляются на серийных элементах современной микроэлектронной техники огромного быстродействия.

Применение патентуемого способа за счет простоты, повышения точности, быстродействия и качества швов трубопроводов малого диаметра в расчете на одну однофазную индукционную установку позволяет получить экономический эффект 1,284 млн. руб. в год снижении расхода энергии на 2,8% и увеличении производительности на 1,4%.

Литература
1. Электрооборудование и автоматика электротермических установок. Справочник под ред. А.П. Альтгаузена и др. - М.: Энергия, 1978, с. 207.

2. Гитгард Д.А., Иоффе Ю.С. Новые источники питания и автоматика индукционных установок для нагрева и плавки. - М.: Энергия, 1972, с. 31.

Изобретение может быть использовано в электротехнике и нефтегазодобывающей промышленности при монтаже трубопроводов малого диаметра до 160 мм. Техническим результатом является упрощение и облегчение операции измерения фазового угла ϕ, повышение быстродействия и точности управления индукционной установкой для обеспечения требуемого качества монтажа трубопроводов малого диаметра при снижении непроизводительных затрат энергии, в том числе при малых углах ϕ, где их измерять особенно трудно и что характерно при индукционном соединении трубопроводов малого диаметра, т.е. с динамичной при малой инерционности активной нагрузкой. В процессе управления измеряют мгновенные значения токов и напряжений, формируют первый электрический сигнал, пропорциональный разности количества измерений, до появления нулевых значений тока и нулевых значений напряжения за время измерения 40 - 50 мс с частотой 1 - 2 • 120 мкс, по запомненным значениям тока и напряжения до и после их нулевых значений формируют второй и третий электрические сигналы в виде отношений измеренных значений токов и напряжений, предшествующих их нулевым значениям, к сумме предшествующих и непосредственно последующих значений токов и напряжений после их нулевых значений, затем формируют управляющий сигнал и по сформированному управляющему сигналу после сравнения с заданной аналогичной величиной переключают емкости конденсаторной батареи индукционной установки для пайки трубопроводов малого диаметра в сторону устранения возникшего рассогласования, после чего операции с измеряемыми токами и напряжениями повторяют циклично в интервале 40 - 50 мс. 2 ил.

Способ управления однофазной индукционной установкой для пайки трубопровода малого диаметра, при котором измеряют величины токов и напряжений, определяют фазовый угол между ними, сравнивают его с аналогичным заданным значением и переключают величину емкости конденсаторной батареи в сторону устранения возникшего рассогласования, отличающийся тем, что в процессе измерения мгновенных значений токов и напряжений формируют первый электрический сигнал по напряжению, равный разности количества измерений до появления нулевых значений тока и количества измерений до появления нулевых значений напряжения за отрезок времени измерения 40 - 50 мс с частотой 1 - 2 х 120 мкс, далее по запомненным значениям тока и напряжения до и после их нулевых значений формируют второй и третий электрические сигналы в виде отношений измеренных значений токов и напряжений, предшествующих их нулевым значениям, к суммам предшествующих и непосредственно последующих значений токов и напряжений после их нулевых значений, затем формируют управляющий сигнал в виде

где N - число измерений значений тока и напряжения за один период изменения тока и напряжения;

- количество измерений до появления нулевых значений напряжения и до появления нулевых значений тока;
i - количество нулевых значений напряжения и тока,

m - количество измерений пар значений токов и напряжений, предшествующих и последующих нулевым значениям тока и напряжения;
I(t - 1), U(t - 1) и I(t + 1), U(t + 1) - соответственно измеренные и запомненные токи и напряжения непосредственно до и после нулевых значений токов и напряжений, определенных в процессе измерений,
и по сформированному управляющему сигналу после сравнения с заданной аналогичной величиной переключают элементы конденсаторной батареи до устранения возникшего рассогласования, после чего операции с измеряемыми токами и напряжениями повторяют циклично с интервалом 40 - 50 мс.