Устройство управления работой контейнерной электропечи Советский патент 1993 года по МПК C21D11/00 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при нагреве в электропечах при автоматическом режиме работы по программе в процессах высокотемпературной пайки оборонных единиц и термообработки.

Устройство реализуется при управлении температурными режимами индукционных -печей и печей сопротивления.К контейнерным электропечам относят- ся печи сопротивления, в которых сборочные единицы помещакэтся в металлическую камеру, являющуюся контейнером (иногда называют муфелем).

Чтобы КПД печи был выше, контейнер располагается в непосредственной близости от нагревателя.

Контейнер является одним из силовых элементов в индукционных печах. Он является вто ричi ным витком а первичн ы м - ин- дуктор, если рассматривать печц как броневой трансформатор. Магнитный поток индуктора, пронизывая контейнер, индуцирует в нем ток, который разогревает его.

Излучением от контейнера нагревается сборочная единица. ; , ::

Известно устройство управления работой контейнерной электропечи, состоящее из датчика температуры, установленногр на сборочной единице и подсоединен ногр ко второму входу вычитателя р умножителем напряжения, и ко входу элемента сравнения, к входу которого п одсоединен выход задатчика сигнала, :прЬпорциональйого температуре, а к первому входу вычитателя с умножителем напряжения-выход второго датчика температуры; устан р в ленного на контейнере, выходы вычитателя с умножителем напряжения и элемента сравнения подсоединены eooTBetcTpeHHo на первый и второй, входы дифферёнциальното усилителя, к выходу которого подсоединены после довательно соединенные блок управления, тиристорный преобразователь частоты, нагреватель. ,

Пусть сигнал на входе дифференциального усилителя Vi, а Уз - сигнал задания по температуре, V0 - сигнал термодатчика, установленного на сборочной единице, VH - сигнал Термодатчика на контейнере и k - коэффициент, то

Vi (V3 - V0) - k(VH - V0) где k - коэффициент введения дополнительной обратной связи, учитывающий динамику процесса,

Ввиду теплотехнической инерционности нагрева сборбчной единицы в начальный момент нагрева справедливо следующее выражение.

Vi V3-kVH. .Так как величина k выбирается из условий динамики процесса, то при определенных, особенно малых k, порядка десятых и сотых долей и при возмущениях, уменьшающих VH (напуск, холодного нейтрального газа и др.), величина Vi может возрасти до таких значений, что контейнер разогревается до недопустимой по условиям прочности Температуры.. ; ; . :, V- : .-.

Таким образом, известнее устройство не Может оберпечить йадёж ность управления ра бртой кон те и н е р н о и эл е ктро печи.

Вторым недостатком изве стногб устройства уп ра вл ен ия ра бото й ко нтей не р н р и электропечи является также отсутствие в процессе pa,6bT bj а;вт6 атйч есф:го конТ роля рэвно мернр сУй т;ем;перату рногр. поля по- в рхности ю нтёйнера учет кЬторЬТо/мР- жет Привести к 1 е;етн ым:1перегрЬв ам-и,; как следс гвиеГк ра ру й н;Й1о грТ; у-;: - ::. ;

Оснр; вн:ь1№1; 1ех;н;и;ч«с1 им гтарам:етр6:м контейнера ;к а кн греё а «э л я.; является ра в- нбме ртчбсть тем ер турног г :/: ..-

При появлений /неравномернрсти ператур нЬгр прля рнТе нере;разЬив|Ьт с я л е р е п а д те м п е;р ату ры. н а с бЬ р о ч нЪ и единице;.. .:,-:-- -.-y:-i :n---: :-:-::,- . . :

НеравномернЪсть температурного пр:ля на самЬМ контейнер е п рмв одит .к образованию ивы гора нию (отел аи ва нию) перегретых мест, а в случае тонкостенных (.1,5-2 мм)кон- тейнеро в, применяемых для частоты и ндук- цирнното тока 2400 Гц - к его деформации.

С прявл е мй. ем е рр и ровачн йх чдст- KOB HepaBHoWepFiocfb. те 1:йёратурнргр:;по ;я еще болё е врзраст а ёт/ Так,.чёц ближе крн- тейнёр к индуктору,тем :вы ше его температура и,: наоборот, чём;Aa nVuie от индуктора контейнер, тем мень.ше егр температура-при всех;п рбчих постоя н и ых услЬвйях. П рй afoT/i развиваются Теп лофиз йческйе силы, кртр- рые в конце рйзруШ| контейн(ер и вместе с ним р%нь часто сбЬррчйая- еДини- ца выходит в брак по прмчйне Механическр- го по в режД е.н ия от ко н те й не ра: и л;и нарущения време.ннрго .

ВЬ;враЩ идй ся конте йнё,) ет еще ДИнамичес кай нагрузкач возникает она из-за несимметричнргЬ распрлржения контейнера относительно йндуктора . .

Величина теплофизичёских сил меняется по синусоиде, период кр торой равен времени одного оборота.

Возникают циклические нагрузки на контейнер. . . , . ..:.

. Измерением перепада температуры на контейнере можно обнаружить начало разрушения его, тем самым предотвратить аварийную ситуацию.

Таким образом, возникающий перепад температуры на поверхности контейнера является причиной снижения надежности управления работой контейнерной электропечи, сокращения срока службы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство управления контейнерной электропечи, состоящее из контура регулирования температуры на сборочной единице и ограничителя температуры нагревателя, состоящего из стержня, механически связанного с одной стороны с нагревателем, и с другой с ключом, включенным между исполнительным блоком и нагревателем.

Известное устройство имеет низкую надежность управления работой контейнерной электропечи по двум причинам.

Во-первых, ограничитель температуры нагревателя, выполненный в виде стержня, не обеспечивает однозначности направления.возможной деформации тонкостенного контейнера в связи с изменением температурного поля на нем, совсем не несет информации о наличии перепада температуры и физически стержень имеет ограниченный срок службы. Йа практике после серии нагревов в процессах высокотемпературной пайки производится визуальная оценка состояния контейнера, что является субъективным фактором, учесть который при управлении нагревом не представляется возможным.

: Цель изобретения - повышение надежности управления работой контейнерной электропечи.

Указанная цель достигается тем, что устройство управления работой контейнерной электропечи, преимущественно с нагревателем и тиристорным преобразователем частоты, состоящее из датчика тем пера- туры, установленного на сборочной единице и подсоединенного к первому входу вычитателя-умножйтеля и к входу элемента сравнения, к другому входу которого подсоединен выход задатчика, а к второму входу вычитателя-умножйтеля - выход второго датчика температуры, установленного на контейнере, выходы вычитателя-умножйтеля и элемента сравнения подсоединены соответственно на первый и второй входы дифференциального усилителя, к выходу которого подсоединен блок управления, снабжено дополнительно по меньше мере двумя датчиками температуры, установленными на контейнере, двумя блоками селектирования максимального и минимального сигналов датчиков температуры, вторым и третьим вычитателями, вторым задатчиком, вторым

усилителем, промежуточным реле, диодом и контактором, причем все датчики температуры, установленные на контейнере, подсоединены ко входам блоков селектирования, 5 выход блока селектирования максимального сигнала подсоединен на первый вход второго вычитателя, ко второму входу которого подсоединен второй задатчик, а выход второго вычитателя через прямо включенный 10 диод - на первый вход блока управления, ко второму входу которого подсоединен выход дифференциального усилителя, на первый и второй входы третьего вычитателя подсоединены соответственно выходы блоков се- 15 лектирования, а выход третьего вычитателя через второй усилитель и контакт промежуточного реле соединен с контактором, блок управления соединен с нагревателем через последовательно соединенные тиристор0 ный преобразователь частоты и контактор.

Сопоставительный анализ с прототи- . пом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых датчиков и блоков: дополнительных датчиков тёмперату5 ры, установленных в характерных точках

контейнера, блоков селектирования, двух

вычитателей, второго задатчика, второго

усилителя, промежуточного реле, диода.

Таким образом, заявляемое устройство

0 соответствует критерию изобретения новизна..

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что датчики, блоки селектирования, два вы5 читателя, второй задатчик сигнала, пропорционального максимальной температуре, второй усилитель, промежуточное реле и полупроводниковый диод известны.

Однако при их введении в указанной

0 связи с остальными элементами схемы в заявляемое устройство для управления работой контейнерной электропечи указанные датчики и блоки проявляют новые свойства, что приводит к повышению на5 дежности управления работой контейнерной электропечи. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию существенные отличия. На.фиг. 1 представлена структурнаясхе0 ма устройства управления работой контейнерной электропечи; на фиг. 2 - расположение датчиков, температуры в рабочем пространстве той же электропечи. Устройство содержит датчик 1 темпера5 туры, установленный на сборочной единице и подсоединенный к входу элемента 2 сравнения, к другому входу которого подсоединен выход задатчика 3 сигнала, пропорционального температуре Т0 на сборочной единице, а выход элемента 2 сравне-.

ния подсоединен к второму входу дифференциального усилителя 4.

На первый вход дифференциального усилителя 4 подсоединен выход вычитателя

5 с умножителем напряжения 6. На первый и второй входы вычитателя 5 с умножителем

6 подсоединены соответственно датчик 7., установленный на контейнере, и датчик 1 температуры - на сборочной единице.

Одновременно выход датчика 7 температуры, а также выходы установленных на контейнере датчиков 8 и 9 температуры подсоединены соответственно на входы 1,2 и 3 блоков 10 и 11 селектирования.

Выход дифференциального усилителя 4 подсоединен-к второмувходу блока 12 управления, к выходу которого подсоединены последовательно соединенные тиристор- ный преобразователь частоты 13, контактор 14 и нагреватель 15. В выходу блока J0 селектирования подсоединяются первые входы вычитдтелей 16 и 17,

Выход вычитателя 16 через прямовкл1о- чённый полупроводниковый диод подключен к первому входу блока 12 управления.

К выходу вычитателя 17 подсоединены последовательно соединенные второй усилитель 19 и промежуточное реле 20, контакт которого включен к цепь катушки контактора 14. ;/.. ;;.- . , -;/ .,,.

В блоке 5 производится вычитание сигнала V0 датчика 1, измеряющего температуру То на сборочной единице, из сигнала Vi датчика 7 температуры и умножение на постоянный коэффициент в устройстве 6, а именно . .

. V2-k(Vi-Vo) ..где k - коэффициент введения дополнительной обратной связи.

В элементе 2 сравнения производится

вычитание из сигнала /зад задания сигнала

Vo датчика 1 и на вход 2 дифференциального

усилителя поступает сигнал Vs Узэд - V0.

При этом выходное напряжение V4 блока 4 равно

V4()--k(Vi-Vo)

На трех входах блоков 10 и 11 присутствуют сигналы fi(Ti), f2(T2), faCTa), пропорциональные соответствующим температурам на контейнере.

Обозначим это множество сигналов через

{fl(Tr),),f3(T3)}

Блоки 10 и 11 селектирования производят выделение максимального сигнала мах { fi(Ti), f2(T2), faCTa)} и минимального min {fi(Ti), ). f3(T3)}, вычитатель 17 определяет перепад температуры на контейнере,а именно

max { fi(Ti), f2fT2), f3(T3)} - mln {fifTi),

f2(T2), fa(T3)} .

Одновременно максимальный сигнал поступает на вход 1 вычитателя 16, а на вход

2 приложено напряжение второго задатчика 18. В результате производится вычитание из сигнала, поступающего на первый вход, сигнала второго входа. Если первый сигнал превышает сигнал задания, пропорциональный максимальной температуре, то результирующийс игнал через прямовключенный полупроводниковый диод 21 поступает на первый вход блока 12, уменьшая тем самым сигнал второго входа

этого же блока. При определенной величине разностного сигнала, пропорционального перепаду температур вычитателя 17 и усиленного в блоке 19, срабатывает реле 20, размыкающий контакт которого соединен

.последовательно с катушкой контактора, обесточивает катушку питания контактора, и последний, отключаясь, разъединяет цепь между тиристорным преобразователем частоты и нагревателем.-.;

На фиг, 2 показаны точки на контейнере - места установки термодатчиков.

В индукционной (индуктор 22) электропечи 23 располагается контейнер 24 с изделием 25, на котором установлена термопара

т°- ;: . -,,....:..-;,.-,. .; .,v-..

На контейнере устанавливаются три термопары Т1...Тз, из которых Ti расположена в середине равномерно нагретой поверхности контейнера, а другие две - на одной

окружности поверхности все той же равномерно нагретой зоны контейнера через 180° в месте наиболее подверженном деформации.

Устройство работает следующим образом.

При включении нагрева увеличивается сигнал, задатчика 3. Ввиду теплотехнической инерционности какое-то время (запаздывание) температура Т0 .на сборочной

единице остается неизменной и равна окружающей. Сигнал рассогласования на выходе элемента сравнения увеличивается. Если на контейнере температура тоже не изменяется и равна окружающей, то на выходе блока 4 сигнал равен Kie , а при ПИД алгоритме управления на выходе блока 12 будет

Q(tj ki(E+l/edH-id-- f )

где г 1-время интегрирования,1 ТА- время дифференцирования.

При этом сигнал на входе 1 блока 12 равен нулю.

С увеличением сигнала на выходе блока 12 растет и напряжение на нагревателе 14.

Начинает расти температура на контей- . нере, поскольку он ближе к нагревателю и

менее металлоемкий. . ,

На входе блока 5 сравнения появляются два сигнала, а результирующий - -

-k(fiTi)Tfo(To). ;; :, .

. Нагрев начинает уменьшаться, как бы ожидая подъема температуры ка с 6Ър6чн ой единице, тем самым улучшая динамику процесса разогрева,, -

Если же контейнер разогреется выше максимально допустимой температуры, то в блоке 12 производится (помимо формирования управляющего сигнала) вычитание из выходного сигнала блока 4, пропорциональ- ного Ј. - k(f i(Ti) - fo(To), сигнала с учетом нелинейной характеристики диода, поступающего на вход 1 блока 12, а именно

max {fi(Ti), f2(T2), тз(Тз) итзад}, 7:; . где итзад -напряжение знания., пропорци- ональ ное;ма№ималь Шй т емпера;туре.:.;,.:.,: ; Нап ряжен ие на нагрёвателе устан авли- вается на таком уровне, что температура на контейнере не превышает м акСИ маЛЬНО ДОПУСТИМОЙ. /. ;, . :..;. V :-:. /(: -

.С разогревом сборочной единицы сигнал рассогласования на выходе элемента 2 сравнения уменьшается. Сигнал на входе 1 блока 5 присутствует, изменяясь и воздёй- ствуя на е , внося предварение. Система регулирования температуры входит в режим малых колебаний.

Сигнал на первом входе блока управления 1.2 при max {fi(Ti), f2(T2), тз(Т3)} У итзад равен нулю.; .:; г Регулирование напряжения на нагрева- теле производится в.соответствии с управ- ляющи м сигналом на выходе блока 12.

. При выработке ресурса работоспособ- .ности контейнера - перепад температуры на нем возрастает до такой величины, что разностн.ый сигнал,на выходе блока 17 и 1 уси лекн ый в блоке 1 § Ьказывается достаточным для срабатывания реле 20. Размыкающий контакт его в цепи катуШки контактора 13 разрывает цепь питания ее, тем сайым разъединяет ТПЧ (блок 13) от нагреватели :14. . ....;. .-. ; .; .-. . . При охлаждении сборочной единицы совместно с печью причина, связанная р превышением максимальной температуры на контейнере, отсутствует. ..

Использование предлагаемого устрой- ства на индукционной контейнерной печи ИКП-400 на одном из предприятий отрасли позволило повысив надежность управл ё ния работой контейнерной электропечи.

Брак сборочных единиц из-за отсутствия превышения допустимой максимальной

температуры контейнера и непредвиденного разрушения контейнеров был ликвидирован полностью. , .. .

Ресурс контейнера увеличился вдвое.

Предлагаемое устройство управления работой контейнерной электропечи может быть реализовано vra любой индукционной печи или печи Сопрйтивлени я:со стаЦйоЯар- ным или вращающимся4, Ж также с TOWKO- стённым или с утолщен ньш контейнером:

Использование устройчства .наиболее эффективно для мощных печеи с тонкостенным контёйнвротм большего настила мощн ости ffa: единицу поверхности йрнте й- н ера. .-л;;- ;. - - , 4f; у.. ;

- Устройство может быть выполне но на стандар кых 113мерите),: вычислитеЛьных и силовыхЪпока С- --: : - - - Использование п едлагае мрго устройства управл ёния раВотрЙ контейнерной эле ктрбп ё чй рбесгтечижаёг по сравнению с сущес у бтдййй siHa ifpraMVi; ..- .... ; / пр вы шение н адежно:сти упра вленйя работой контейнернойэлектропечи; , :; .; исключение брака сборочны;х единиц; э1сонб м 11 гр% ар6п р6 й на 1 т в год Шнуэлектропечь,, ;: ;...; , . Форму л а и зV6 р е т е н ,и я Устройство управления работой контейнерной. электроггечи, п рёймуществен:нЬ с нйтрё в атедем и .т :р истбрным преоБразова- тел ем частоты, сос тр я щёё из даҐч:и;ка температуры, уста ов ленногр на сборочной еди н и це. и подсо Ди Ценного к первому входу вычитател я-умно жителя и;ХХРДУ эяем ен-1 та сравнения; к другому. входу ХЪтр рЪг Ь подсЬёдинен въгхрд, зада тч йка, а к/втйрому входу вычитате;ля-умШжйт;ёл я .- выхр д второго датчика .температурь ; у танЬвл е нногО; на контейнере, Btikpflii в 1Чй татёля умн65 ки- теля и элемента с(эавнёнйя п6дсрёдинёны соответственно на первый и второй вхоДы дифференциаль нрго усилители , к вЫхЪду которого под сдедййей блок управле ни я. о т л и чаю щ е е с я тем, что, с целью повышенйя надежнЬсти упра.вленйя работой контейнернойэлектропечи, оно снабже .но дополнительно пВ меньшей мере двумя датчиками тем пера ту рьи установленньгми на контейнере, двумя блока селектирования максимальногр и минимального сигналов датчиков температуры вторым и третьим вычитателями, вторым задатчиком, вторым усилителем, промежуточным реле, диодом и, контактором, причем все датчики температуры, установленные на контейнере, подсоединены к входам блоков селектирования, выход блока селектирования максимального сигнала подсоединен на первый вход второго вычитэтеля, к второму входу которого

подсоединен второй задатчик, а выход второго вычитателя через прямо включенный диод - на первый вход блока-управления, к второму входу которого подсоединен выход дифференциального усилителя, на первый и второй входы третьего выч итателя подсоединены соответственно выходы блоков сет

лектирования, а выход третьего вычитателя через второй усилитель и контакт промежуточного реле соединен с контактором, блок управления соединен с нагревателем через последовательно соединенные тирмсторный преобразователь частоты и крмтактор. ..,

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в электротермических цехах. Целью изобретения йвлйётся повышение надежности управления рабо-; - ,. . 2 . . .. .; той контейнерной электропечи. Устройство снабжено по меньш.ей мере двумя датчиками 8 и 9 температуры, установленными на контейнере, двумя блоками 10 и 11 селектиро- вания ма ксимальнбго и минимального сигналов Датчиков температуры, вычитате- лями 5, 16 и 17, задатчиком 18 максималь- ной температуры на к о тейнёрё. усилителем 19, прЪмежуточным реле, полупроводниковым диодом, благодаря которым и связям , образованными между этими и из.,., а чинает функ- ционирЪвать более гибкий алгоритм управления работой контейнерной электропечи. 2 ил. - ; : л -. . . . ..