Устройство для управления нагревом электротермической установки Советский патент 1993 года по МПК H05B1/02 

Изобретение относится к электротермии и может применяться в любых технологических процессах, где используется электронагрев. Преимущественной областью использования изобретения являются электропечи и термические установки, применяемые в машиностроении и металлургии.

Цель изобретения прототипа - повышение точности поддержания средней температуры заготовки.

Цель предлагаемого изобретения состоит в повышении эффективности процесса нагрева термообрабатываемых изделий на основе оптимального регулирования подводимой мощности.

Например, нагрев теплотехнически массивных изделий идет более эффективно, если при равных энергозатратах за время нагрева т будет создана более высокая средняя температура в рабочем пространстве установки (фиг. 1)ина поверхности нагреваемого изделия. Регулирование подводимой мощности по закону прямой с отрицательным угловым коэффициентом (см. фиг. 2).

р((1-).

гдеРо «2Р„(1) обеспечивает изменение температуры на поверхности изделия по кривой, близкой к выпуклой параболе

0(г) -2Эм( г-0,5т2 ), (2) что позволяет получить более высокую среднюю температуру

, т„

2a,(r-o,5t2)dr о)

и соответственно более эффективный прогрев теплотехнически массивного изделия, чем при традиционном нагреве с постоянной номинальной мощностью за то же время гн. Правда, при оптимизированном нагреве несколько увеличатся и тепловые потери, зависящие от средней температуры, поэтому температура в конце отрезка

(Л

С

00

ы ю ел

00

времени Тнбудет ниже на 1-2%. Но так как средняя температура при оптимизированном графике увеличивается на десятки процентов, то все равно эффективность нагрева оказывается на 20-25% выше, чем при традиционном способе.i

При нагреве же теплотехнически тонких изделий, наоборот, наибольший эффект дает регулирование подводимой мощности по закону прямой с положительным угловым коэффициентом

Р(г)(4)

При этом температура в рабочем пространстве установки и непосредственно в теплотехнически тонких изделиях изменяется по вогнутой кривой, близкой к параболе (см. фиг. 3)

0(т) а.(5) которой соответствует минимум тепловых потерь за время нагрева, что позволяет повысить производительность при равных энергозатратах, либо добиваться равных температур при экономии энергозатрат.

Для оптимизированного управления нагревом электротермической установки используется устройство, которое, как и прототип содержит:

1) узел регулирования температуры 1, состоящий из датчика температуры 2 и за- датчика 3, соединенных своими выходами с входами сумматора 4, который своим выходом соединен с входом регулятора температуры 5;

2) узел регулирования мощности 6 с датчиком мощности 7 и вторым сумматором 8, один из входов которого соединен с выходом датчика мощности 7, а выход - с входом регулятора мощности 9, соединенного своим выходом с управляющим входом силового тиристорного преобразователя 10, служащего источником питания электронагревательной установки 11.

Существенное отличие заявленного устройства от прототипа состоит в том, что в него введены: переключатель с двумя силовыми входами 12; задатчик мощности 13, имеющий линейную выходную характеристику с отрицательным угловым коэффициентом для управления нагревом теплотехнически массивных изделий или с положительным угловым коэффициентом для управления нагревом теплотехнически тонких изделий; формирователь параметров режима нагрева 14, связанный с задат- чиком мощности, причем второй вход сумматора 8 регулятора мощности соединен через один силовой вход переключатели 12с выходом регулятора температуры 5 и

через второй силовой вход переключателя 12-с выходом введенного задатчика мощности 13, а управляющий вход переключателя 12 связан с выходом первого сумматора 4 регулятора температуры через формирователь параметров режима 14, соединенный с за- датчиком мощности 13.

Другая отличительная особенность предлагаемого устройства состоит в том,

0 Что задатчик мощности 13 содержит управляемый напряжением генератор импульсов 15 с двумя входами, соответствующими различным коэффициентам передачи, выход которого соединен со счетным входом циф5 роаналогового преобразователя 16, подключенного своим выходом через размыкающий контакт релейного элемента 17 к второму силовому входу переключателя 12 и напрямую - к первому входу третьего

0 сумматора 18, второй вход которого через замыкающий контакт релейного элемента 17 связан с регулируемым источником постоянного напряжения 19, выход же сумматора 18 через инвертор 20 связан с вторым

5 силовым входом переключателя 12, а формирователь параметров режима нагрева 14 содержит двухпороговый элемент 21, элемент 22 типа ИЛИ-НЕ и элемент 23 типа И-НЕ, компаратор 24, управляемый напря0 жением генератор импульсов 25, цифроана- логовый преобразователь 26, регулируемый источник постоянного напряжения 27 и переключающие ключи 28 и 29, причем входы генератора импульсов 15 задатчика мощно5 сти через переключающие контакты первого ключа 28 формирователя соединены с выходом цифроаналогового преобразователя 26 формирователя и первым входом компаратора 24, выход которого подключен к

0 входу генератора импульсов 25 формирователя, связанного выходом со счетным входом цифроаналогового преобразователя 26 формирователя, а второй вход компаратора 24 через размыкающий контакт второго

5 ключа 29 соединен с источником регулируемого постоянного напряжения 27 и через замыкающий контакт ключа 29 - с выходом первого сумматора 4 регулятора температуры и входом двухпорогового элемента 21,

0 связанного своим выходом с первым входом элемента ИЛИ-НЕ 22, к второму входу которого подключен выход элемента И-НЕ 23, соединенного своими входами с выходами счетчика цифроаналогового преобразовате5 ля 16 задатчика мощности, а выход элемента ИЛИ-НЕ 22 соединен с входами асинхронного сброса цифроаналоговых преобразователей 16 и 26 и с управляющим входом переключателя 12 на входе регулятора мощности.

Пример конкретного выполнения изобретения - устройство управления нагревом закалочной электропечи в НПО Турбоатом. Структура устройства аналогична изображенной на фиг. 1. Устройство содержит контур автоматического регулирования мощности с сумматором, датчиком мощности, в качестве которого используется перемножитель сигналов тока и напряже- ния, с регулятором на операционном усилителе, соединенном своим входом с выходом сумматора, а выходом - с входом тиристорного преобразователя. К выходу тиристорного преобразователя подключены силитовые электронагреватели печи, Ус- тройство также содержит: контур регулирования температуры, в котором за- датчиком и датчиком температуры служит измерительный прибор серии ДИСК-250 с термопарой на входе, соединенный своими выходами с входами сумматора в регуляторе температуры; задатчик мощности, выполненный на основе цифроаналогового преобразователя; формирователь параметров режима нагрева, своим входом соеди- ненный с выходом сумматора в регуляторе температуры, а выходами - с управляющими входами задатчика мощности и переключателя на входе контура регулирования мощности.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения базируется на повышении производительности печи, экономии электроэнергии, продлении срока службы нагревателей и повышении точности регу- лирования температуры.

Устройство работает следующим образом. Вначале с помощью ключа 29 и реле выбора режимов 17 выбирается вид режима нагрева. Затем с помощью задатчика 3 за- дается температура. Если заданное значе- ние существенно отличается от фактического, то рассогласование на выходе сумматора 4 превысит большую уставку срабатывания двухпорогового элемента 21 и он включится, подав первый разрешающий сигнал на вход логического элемента 2.2, выполненного по схеме ИЛИ-НЕ. Второй разрешающий сигнал на вход элемента 22 поступает с выхода логического элемента 23, если его N входов не заполнены. Включение элемента 22 приводит к поступлению разрешающих сигналов на входы асинхронного сброса обоих цифроаналоговых преобразователей 16 и 26, а также на управляющий вход переключателя 12, который отсоединяет задающий вход сумматора 8 от выхода регулятора температуры 5 и присоединяет его к выходу задатчика мощности 13.

Рассмотрим работу устройства в режиме оптимального нагрева теплотехнически тонких изделий, В этом режиме ключ 29 соединяет вход компаратора 24 с выходом сумматора 4, выход цифрозналогового преобразователя 26 через ключ 28 соединен с тем входом управляемого напряжением генератора 15, которому соответствует большая частота импульсов генератора, релейный элемент 17 своим размыкающим контактом связывает выход цифроаналогового преобразователя 16с выходом эадат- чика мощности. Задатчик мощности при этом формирует линейно возрастающий во времени график, время развертки которого определяется следующим образом. Как только цифроаналоговые преобразователи получат разрешение от логического элемента 22, они начнут считать импульсы генераторов 25 и 15. При этом благодаря высокой частоте генератора 25 график на выходе цифроаналогового преобразователя 26 формируется практически мгновенно. Как только возрастающий сигнал на входе компаратора 24 сравняется по величине с напряжением рассогласования по температуре, присутствующим на втором входе компаратора, компаратор сработает и прекратит работу генератора импульсов 25. При этом то напряжение, которое будет достигнуто на выходе элемента 26, будет зафиксировано как управляющее напряжение на входе генератора 15. Таким образом, длительность импульсов генератора 15 и, соответственно, длительность развертки задающего напряжения регулятору мощности однозначно определяются величиной рассогласования между заданной и фактической температурой, измеренной в момент установки задания. Поскольку частота импульсов генератора 15 относительно мала, а число разрядов N счетчика в цифроаналого- вом преобразователе 16 может быть достаточно большим, то процесс развертки задания по мощности достигает при необходимости многих часов.

Благодаря наличию непрерывной отрицательной обратной связи по фактическому значению мощности, задаваемый график отслеживается контуром регулирования мощности автоматически. При линейно возрастающем графике мощности (см, фиг. 3) температура в рабочем пространстве печи возрастает по вогнутой кривой, близкой к параболе, поскольку температура пропорциональна интегралу от полезной составляющей мощности. Такой график температуры в рабочем пространстве печи соответствует минимуму тепловых потерь мощности, поэтому данный режим нагрева позволяет при

равных общих энергозатратах за одинаковое время нагреть термообрабатываемые изделия до более высокой температуры, чем при постоянной мощности, либо достигать такой же температуры, как и при подведении постоянной мощности, но с меньшими энергозатратами.

Во время нагрева выход регулятора температуры 5 отсоединен от входа контура регулирования мощности, но в сумматоре 4 идет непрерывное сравнение сигналов, пропорциональных заданной и фактической температуре, и как только величина рассогласования станет меньше, чем нижний порог срабатывания двухпорогового элемента 21, он запрется и снимет разрешающий сигнал со входа логического элемента 22, что приведет к его отключению. В итоге цифро- аналоговые преобразователи 16 и 26 прекратят работу и сбросят накопленную информацию, а управляемый переключатель 12 отключит задатчик мощности и подключит выход регулятора температуры 5 к задающему входу сумматора 8. При этом образуется двухконтурная система подчиненного регулирования параметров с внутренним контуром автоматического регулирования мощности и главным контуром автоматического регулирования температуры. Такая схема обеспечивает высокоточное регулирование температуры при одновременном ограничении мощности, подводимой к нагревателям, на желаемом уровне. Поэтому устройство позволяет использовать любые нагреватели, сопротивление которых изменяется во время работы в широких пределах.

Логический элемент 23 предназначен для исправления возможных ошибок при настройке развертки сигнала задания по мощности. Например, если заполнятся все N разрядов счетчика в элементе 16, но заданная температура не будет достигнута, то это приведет к срабатыванию логического элемента 23, кратковременному отключению логического элемента 22 и сбросу информации циф- роаналоговыми преобразователями 16 и 26, после чего они сразу же включатся. Нотак как рассогласование по температуре еще существует, то его величина будет измерена схемой так, как это было описано, а затем будет сформировано новое задание по мощности с вре- мейем развертки, пропорциональным оставшемуся рассогласованию, и нагрев будет доведен до заданной температуры.

Работа устройства в режиме нагрева теплотехнически массивных изделий протекает сходным образом. Однако в этом режиме на вход компаратора 24 через ключ 29 поступает напряжение, величина которого

определяется положением движка потенциометра 27 и соответствует максимальному времени развертки сигнала задания задат- чика мощности 13. Это напряжение автоматически измеряется схемой, как это было описано выше, и используется для формирования задания регулятору мощности. Кроме того, в этом режиме используется тот вход генератора импульсов 15, которому соответствует меньший коэффициент передачи от напряжения к частоте, что увеличивает время развертки, а контакт реле выбора режимов 17 соединяет источник напряжения 19 с входом сумматора 18, благодаря чему сигнал задания по мощности после суммирования и инвертирования элементом 20 изменяется по закону прямой с минимальным отрицательным угловым коэффициентом. При этом реализуется предельно

допустимый график мощности, эквивалентный по энергозатратам, если его довести до конца, наиболее энергоемкому режиму нагрева из предусмотренных паспортом установки. Вначале нагрева, когда изделие

холодное и интенсивно поглощает тепло, к нагревателям подводится максимальная мощность Р0(см. фиг. 2), но это не приводит к перегреву нагревателей. По мере возрастания температуры поглощение тепла снижается, но в это время и подводимая мощность уменьшается. Поэтому режим ускоренного нагрева с таким оптимизированным графиком мощности безопасен для нагревателей, дает высокую среднюю температуру за время нагрева, что существенно повышает производительность процесса нагрева в термоустановке.

Как только достигается заданная температура, срабатывает двухлороговый элемент 21 и элемент ИЛЙ-НЕ, что приводит к переключению переключателя 12. В результате схема управления перестраивается в двухконтурную систему подчиненного регулирования, которая в дальнейшем поддерживает заданную температуру с высокой точностью, присущей таким схемам. Формула изобретения 1. Устройство для управления нагревом электротермической установки содержащее датчик и задатчик температуры, выходы которых подключены к входам первого сумматора, соединенного выходом с регулятором температуры/датчик мощности, выход которого подключен к первому входу второ5 го сумматора, связанного выходом с управляющим входом регулятора мощности установки, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности нагрева изделий, выход регулятора температуры соЛдинен с вторым входом второго сумматора

через первый силовой вход введенного переключателя, к второму силовому входу которого подключен выход введенного задатчика мощности с линейной выходной характеристикой с отрицательным угловым коэффициентом для теплотехнически маесивных изделий или положительным угловым коэффициентом для теплотехнически тонких изделий, а управляющий вход переключателя соединен с выходом первого сум- маторз через введенный формирователь параметров режима нагрева, связанный с задатчиком мощности.

2. Устройство поп. 1,отличающее- с я тем, что задатчик мощности содержит управляемый напряжением генератор импульсов с двумя входами с различными коэффициентами передачи, выход которого соединен со счетным входом цифроаналого- вого преобразователя, подключенного вы- ходом через размыкающий контакт релейного элемента к второму силовому входу переключателя и к первому входу третьего сумматора, второй вход которого через замыкающий контакт релейного эле- мента связан с регулируемым источником постоянного напряжения, выход через инвертор - с вторым силовым входом переключателя, а формирователь параметров нагрева содержит двухпороговый

элемент, элементы ИЛИ-НЕ и И- НЕ, компаратор, управляемый напряжением генератор импульсов, цифроаналоговый преобразователь, регулируемый источник постоянного напряжения и два переключающих ключа, входы генератора импульсов задатчика мощности через переключающие контакты первого ключа формирователя соединены с выходом цифроаналогового преобразователя формирователя и первым входом компаратора, выход которого подключен к входу генератора импульсов формирователя, связанного выходом со счетным входом цифроаналогового преобразователя формирователя, а второй вход компаратора через размыкающий контакт второго ключа соединен с регулируемым источником пос тоянного напряжения формирователя, а через замыкающий контакт - с выходом первого сумматора и входом двух- порогового элемента, связанного выходом с первым входом элемента ИЛИ-НЕ, к второму входу которого подключен выход элемента И-НЕ, соединенного своими входами с выходами счетчика цифроаналогового преобразователя задатчика мощности, а выход элемента ИЛИ-НЕ соединен с входами асинхронного сброса обоих цифроаналого- вых преобразователей и управляющим входом переключателя.

Устройство для управления нагревом электротермической установки. Использование: электронагрев в резистивных печах металлургии и машиностроения. Сущность изобретения: управление по двухконтурной схеме подчиненного регулирования с внутренним контуром по мощности, внешним по температуре. Задатчик мощности с наклонной линейной выходной характеристикой, угловой коэффициент отрицателен для теплотехнически массивных изделий и положителен для теплотехнически тонких изделий. 3 ил.

ъ