DE2501895B2

DE2501895B2 - Verfahren zur Regelung der Heizleistung von induktiv und/oder konduktiv erwärmtem Heizgut

Info

Publication number: DE2501895B2
Application number: DE19752501895
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 6901 Leutershausen Groenewald; Max Dipl.-Ing. 6940 Weinheim Kammereck; Wolfgang Dipl.-Ing. 5804 Herdecke Kaupert
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1975-01-18
Filing date: 1975-01-18
Publication date: 1980-11-27
Also published as: DE2501895A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Heizleistung von induktiv und/oder konduktiv erwärmten Litzen, Drahten oder Bändern, bei dem mindestens eine elektrische Größe des Heizstromkreises als ein Istwert der Regelung dient, eine mit der Heizgut-Geschwindigkeit zusammenhänfende Größe verarbeitet wird und bei dem ein elektronisches Stellglied verwendet wird. Die Erfindung findet bevorzugt Anwendung beim Spannungsfreiglühen von Stahllitzen.

Bei Heizstrecken, d. h. Induktoren bzw. Kontaktstrekken, sind allgemein bekannt und üblich Regelverfahren, die aufgrund eines Temperatur-Soll-Ist-Wert-Vcrgleichs die Leistung und/oder Spannung der Heizstrekke regeln.

Weiterhin wird gelegentlich bei extrem hoher Durchlaufgeschwindigkeit des Heizgutes (lOOm/Sec.) die Leistung in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit gesteuert (DL-AS 17 90 127). In diesem Zusammenhang ist auch ein Verfahren bekannt (DE-AS 12 65 183), bei dem sich der Effektivwert der durch ein Thyristor-Stellglied gestellten Leistung aufgrund entsprechender Regelung proportional mit der Drahtgeschwindigkcit ändert. Dabei wird der Regelung nur eine einzige elektrische Größe des Heizstromkreises als Istwert vorgegeben und eine der Draht- oder Bandgeschwindigkeit proportionale elektrische Größe als Sollwert, -, wobei entweder der Soll- oder der Istwert mit einer Korrektur zur Berücksichtigung des Unterschiedes zwischen Mittel- und Effektivwert der elektrischen Größen versehen wird.

Die bekannten Regel- und Steuerverfahren sind

in jedoch in Anbetracht der in weiten Grenzen variierenden Geschwindigkeiten und wegen der endlichen, aber relativ großen Abmessungen der Heizstrecken nicht immer genau genug, weil die Veränderung der Parameter, wie insbesondere die Totzeiten der Regel-

ii strecke in Abhängigkeit von z. B. der Geschwindigkeit, nicht vernachlässigt werden können und daher die .^.egelparameter diesen Einflußgrößen angepaßt werden und variabel sein müssen. Diese Sachlage ist dadurch gegeben, daß die Heizstrecken ca. I m bis zu mehreren Metern betragen, z. B. bei Induktore.i ca. 3 bis 4 m, bei Konduktoren bis zu 10 m. Die Geschwindigkeit des Erwärmungsgutes variiert zwischen 0 und ca.

150 m/Min, die Heizfrequenz beträgt 0... 10 kHz.

Betrachtet man beispielsweise eine Anlage zum

2> Spannungsfreiglühen von Stahllitzen durch induktive Erwärmung, bestehend aus einer Induktionsspule, einem Mittelfrequenz-Erzeuger mit Hilfseinrichtungen und Kondensatorbatterie und einer Regeleinrichtung, so ist zunächst festzustehen, daß die Mittelfrequenz-Induk-

JO tionsspule in mehrere hintereinanderliegende Einzelspulen geteilt werden muß, die auf einem verfahrbaren Wagen anzuordnen sind. Die Verfahrbarkeit des Wagens ist erforderlich, um ein gleichmäßiges Anlassen der Litzen bei Wiederanfahrt nach Unterbrechungen

ι-, sicherzustellen. Der Spulensatz stellt eine Regelstrecke mit »verteilten« Parametern dar. Unter »verteilten« Parametern versteht man die Abhängigkeit der Parameter sowohl von der Zeit als auch vom Ort. Das häufig angewandte Verfahren zur Vereinfachung der

to Regelstreckenstruktur durch Konzentration der Parameter — in diesem Fall würde es bedeuten, alle Spulen in einem Punkt konzentriert anzunehmen — kann hier nicht angewendet werden, weil diese Annäherung zu grob für eine ausreichend gute Beurteilung des

■n Regelstrecken-Verhaltens ist.

Bei dem zur Erläuterung gewählten Beispiel sind folgende Merkmale d~r Streckenstruktur festzjstellen:

Die Induktionsspulen sind voneinander örtlich durch unbeheizie Zwischenräume getrennt und haben selbst

">n eine endliche Länge. Diese Anordnung, konstruktiv und leistungsmäßig bedingt, verursacht Totzeiten.

Die Konstanten 7~„derTotzeitg!ieder der Regelstrekkc sind veränderlich; sie sind von der Litzengeschwindigkeit abhängig: es gilt:

T₁₁-Mv

Die Litzengeschwindigkeit beim gewählten Beispiel variiert betriebsmäßig zwischen etwa 10 bis 120 m pro Minute.

w) Die Streckenverstärkung Kv, ist ebenfalls veränderlich und hängt von der Litzengeschwindigkeit ν ab. Es gilt:

hi Bei einer Anlage von einigen hundert Kilowatt und einer sehr kleinen Litzengeschwindigkeit von ν = 10 m/ Min. ergeben sich für die Totzeitkonstante Werte von einigen hundert Millisck. Bis das Pyrometer nach einer

Veränderung der elektrischen Leistung die neue Endtemperatur eines Teilelements, das alle Spulen durchlaufen hat, erstmals wahrnimmt, wird sogar eine Zeit von nahezu 20 Sek. benötigt. Diese Zeit ergibt sich aus der Addition der einzelnen Totzeiten und den ^r. Anstiegszeiten der Temperatur beim Durchlaufen der einzelnen Spulen.

Während der Anfahrphase sind diese Werte entsprechend der oben beschriebenen Abhängigkeit noch größer. Die Betrachtung des Stillstandes als Grenzfall id ergibt:

Litzengeschwindigkeit v-Totzeitkonstanten T_n--* °

Der Erfindung liegt, ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Gattung, die Aufgabe zugrunde, eine Temperaturregelung zu schaffen, bei der eine möglichst gleichbleibende Regelgüte unabhängig vom Wert der stationären Litzengeschwindigkeit und deren dynamischen Veränderungen erreicht wird. Diese Forderung soll auch für die Anfahrphase der Erwärmungsanlage erfüllt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß eine zweischleifige Kas'.»adenregelung vorgenommen wird, bei der der Regelung der Heizgut-Temperatur eine Regelung der Spannung im Heizstromkreis unterlagen ist, daß die Regelparameter des Temperaturreglers unter Aufschaltung der Heizgut-Geschwindigkeit oder der Relativgeschwindigkeit zwischen Heizeinrichtung und Heizgut oder einer analogen Größe mit den sich ändernden Streckenparametern selbsttätig mitverändert und unabhängig voneinander eingestellt werden und daß das Ausgangssignal des Temperaturreglers über einen Funktionsbildner in die Führungsgröße des unterlagerten Spannungsregelkreises umgeformt wird.

Als zu ändernde Regelparameter werden die Regelverstärkung und die Nachstellzeit eines proportional-integrierend-(PI-)wirkenden Temperaturreglers gewählt. Dabei wird das von der Heizgut-Geschwindigkeit abhängige Signal dem PI-Temperaturregler in seinem integrierenocn Zweig multiplikativ aufgeschaltet.

Weiterhin wird zweckmäßig die mit zunehmender Litzengeschwindigkeit umgekehrt proportional abnehmende Streckenverstärkung durch einen Multiplizierer hinter dem PI-Temperaturregler und die auf den Multiplizierer aufgeschaltete Signalspannung über die Heizgut-Geschwindigkeit bzw. die Kelativgeschwindigkeit zwischen Heizeinrichtung und Heizgut kompensiert.

Das erfindungsgemäße Regelverfahren bringt folgende Vorteile: Es ist eme laufende Anpassung der Regelparameter an die sich stark ändernden Streckenparametet (Totzeitkonstanten und Streckenversiai
kung) möglich.

Die Heizleistung läßt sich direkt in Abhängigkeit der Heizgut-Geschwindigkeit beeinflussen. Ohne diese Möglichkeit könnten die relativ großen Änderungen der Heizgut-Geschwindigkeit aufgrund der Totzeiten vom Temperaturregler nur mit unzulässig hohen dynamischen Temperaturabweichungen geregelt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt ein schematisches gemischtes Geräte- und Blockschaltbild einer Anlage zum Spannungsfreiglühen /on Stahllitzen durch induktive Erwärmung.

Auf einem schienengeführten Wagen I befinden sich vier hintereinanderliegende Einzelspulen 2 der Mittclfrequenz-Induktionsspule. Vor und hinter der Induktionsspule sind je eine Umlenkrolle angeordnet, die über eine gemeinsame Welle angetrieben werden und während der Erwärmung der Litze eine bestimmte Reckkraft erzeugen. Die Mittelfrequenz-lnduktionsspu-Ie wird von einem Mittelfrequenz-Generator (z. B. Monoblock-Maschine) 3 mit Hilfseinrichtungen und Kondensatorbatterie gespeist. An der Speiseleitung befinden sich ein Meßwertgeber 4 für den Istwert des Speisestroms und ein Meßwertgeber 5 für den Ir.twert der Speisespannung. Zu dem an sich bekannten Spannungsregelkreis gehören weiterhin ein Spannungsregler 6 und ein Thyristor-Stellglied 7, welches den Feldstrom für den Mittelfrequenz-Generator 3 liefert. Das Stellglied 7 besitzt Begrenzungseinrichtungen, die es gestatten, Grenzwerte für die Mittelfrequenz-Spannung und den Mittelfrequenzstrom einzustellen und automatisch einzuhalten.

Im Temperaturregelkreis sind ein Tachodynamo 8 zur Erfassung der absoluten Litzenge.^ iiwindigkeit ν und Pyrometer 9 als Meßwertgeber für den Istwert der Regelgröße, der Temperatur ό», angeordnet. Weiterhin sind zwei Potentiometer 10 und 11 vorgesehen.

Ein durch einen strichlinierten Block gekennzeichneter Temperaturregler 12 besteht aus einem Proportionalteil 13 im oberen Zweig und einem Integrierglied 14 im unteren Zweig, dem ein Multiplizierer 15 und ein Potentiometer 16 vorgeschaltet sind. Auf eine Additionsstelle 17 für das Signal im oberen Zweig und das Signal im unteren Zweig folgen ein Multiplizierer 18 und ein Funktionsbildner 19.

Nachfolgend wird die Regelung näher erläutert.

Die Führungsgröße für den Temperaturregelkreis liefert das Potentiometer 10, das sinnvollerweise im Steuerpult zur Einstellung des Temperatursollwertes öso« eingebaut ist. Die Regelgröße wird von dem Pyrometer 9 geliefert. Die Differenz aus Soll- und Istwert der Temperatur, ö_so//—ό«,, wird dem Temperaturregler 12 zugeführt. Dieser hat Pl-Verhalten und ist aus zwei parallel geschalteten Teilfunktionen aufgebaut: der Proportionalteil 13 wird fest eingestellt, während die Nachstellzeitkonstante Tn durch die Gestaltung des unteren Zweiges steuerbar ist. Die der Relavivgeschwindigkcit v_rci zwischen Litze 20 und Induktionsspule 2 proportionale Signalspannung U (v_rc/j wird wie die Regelabweichung aus dem Temperaturvergleich auf den Multiplizierer 15 geführt.

Zwischen der Nachstellzeitkonstanten T/vdes Temperaturreglers 12 und der relativen Litzengeschwindigkeit i're/ergibt ergibt sich daraus der Zusammenhang:

T,\~\/v_rci, womit die gesteuerte Adaption der Nachstellzeitkonstanten realisiert ist. Die Signalspannung L'fvrci) ergibt sich aus der Addition der beiden Signalspannungen U(v) und U(v_w). Die Signalspannung U(V₁) wird vom Tachodynamo 8 erzeugt. Sie ist proportional der absoluten Litzengeschwindigkeit. Die am Potentiometer 11 eingestellte Signalspannung U(vw) entspricht der absoluten Geschwindigkeit des Wagens 1. Das .Otentiometer 11 wird über einen Hilfskoniaki 20 während der Wagenbewegung versorgt.

Das Ausgangssignal des Temperaturreglers 12 wird dem Multiplizierer 18 zugeführt, dessen zweiter Eingang ebenfalls mit der Signalspannung U(v_rci) gespeist wird.

Das Ausgangssignal dieses Multiplizierers wird im

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nachgeschalteten Funktionsbildner 19 in die Führungs größe des unterlagerten Spannungsregelkreises umgeformt. Der Funktionsbildner 19 mit seiner wurzeiförmigen Kennlinie berücksichtigt den quadratischen Zusammenhang zwischen elektrischer Leistung P„,n und elektrischer Spannung ίΛ,,/Α Mittels des unterlagerten Spannungsregelkreises und vorgeschalteten Funktionsbildners 19 wird indirekt die elektrische Leistung des Mittelfrequenz-Generators 3 bzw. die Erwärmerleistung geregelt. Der Leistungssollwert P„n wächst durch die über den Multiplizierer 18 aufgeschaltete Signalspannung U(vrci)direkt proportional mit der Relativgeschwindigkeit zwischen Litze 20 und Induktionsspule 2.

Der Funktionsbildner 19 dient außerdem dazu. Nichtlinearitäten in der Regelstrecke auszugleichen Damit wird erreicht, daß zwischen der Regelgröße und dem Ausgangssignal des Temperaturreglers ein linearer Zusammenhang besteht, d. h.. die Temperatur wächst proportional der aufgebrachten Leistung bei konstanter Litzengeschwindigkeit. Die mit zunehmender Litzengeschwindigkeit umgekehrt proportional abnehmende Streckenverstärkung wird durch den Multiplizierer 18 hinter dem Temperaturregler 12 und die aufgcscha.'tete Signalspannung LJ(\_n-i)kompensiert.

Der Spannungsregler 6 besitzt PIVerhalten mit fest eingestellten Parametern. Das Ausgangssignal des Spannungsreglers 6 wirkt wie bereits beschrieben über das Stellglied 7 auf den Generator 3.

Nachfolgend werden die einzelnen Betricbszuständc erläutert.

Im Stillstand, d.h.. Litzen- und Spulenwagen-Geschwindigkeit sind gleich Null, wird dem Spannungsregler 6 die Führungsgröße Null vorgegeben. Der Mittelfrequenz-Generator liefert keine Erwärmungsenergic. der Istwert der Regelgröße beträgt Λ,,, = Null. Beim Anfahren wird indirekt die elektrische Leistung geregelt, und der Wert der Leistung wächst praktisch proportional mit der Litzengeschwindigkeit ι-.

Aus dem leistungsgeregelten Anfahrvorgang heraus erfolgt der Übergang zum temperaturgcregelten Betrieb, sobald die Soll-Temperatur <5„ erreicht ist. Beim normalen Betrieb tritt als Hauptstörgröße die Litzengeschwindigkeitsänderung auf. Solche Änderungen können betrieblich bedingt sein (Änderungen der Produktionsgeschwindigkeit) oder kurzzeitig aufgrund von anderen Störungen auftreten. Da die Regelstrecke — wie bereits beschrieben — Totzeitgliedcr mit großen Zeitkonstanten aufweist, würde der Temperaturregler 12 allein größere dynamische Abweichungen nicht vermeiden können.

Der Finfluß der Signalspannung /'(Y-,J wirkt sich dagegen sofort auf den Leistungssollwert und damit auf den unterlagerten Spanntingsregelkrcis mit den relativ kleinen Zeitkonstanten aus. Andere Störgrößen, wie z. B. Schwankungen der Umgebungstemperatur, der Netzspannung, der Kühiwassertemperauir (i.itzeneingangs-Temperatur) usw.. werden vom Temperaturregler bzw. bereits vom unterlagerten Spannungsregler ausgercgelt.

Der normale Betrieb ist gekennzeichnet durch Temperaturregelung mit Störgrößenaufschaltung zur Elimiration der Hauptstörgröße Litzengeschwindigkeitsänderung.

Das Stillsetzen der Erwärmungsanlage erfolgt durch Absenkung der Anlriebe. Einfallende Bremsen lassen die l.itzengeschwindigkeit schnell zu Null werden. Diese große Geschwindigkeitsänderung wirkt sich ebenfalls durch sofortige Änderung des Leistungssollwertes aus. so daß die Erwärmerleistung bis zum völligen Stillstand proportional der Litzengeschwindigkeit schließlich auf den Wert Null verringert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Regelung der Heizleistung von induktiv und/oder konduktiv erwärmten Litzen, Drähteit oder Bändern, bei dem mindestens eine elektrische Größe des Heizstromkreises als ein Istwert der Regelung dient, eine mit der Heizgut-Geschwindigkeit zusammenhängende Größe verarbeitet wird und bei dem ein elektronisches Stellglied verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweischleifige Kaskadenregelung vorgenommen wird, bei der der Regelung der Heizgut-Temperatur eine Regelung der Spannung im Heizstromkreis unterlagen ist, daß die Regelparameter des Temperaturreglers unter Aufschaltung der Heizgut-Geschwindigkeit oder der Relativgeschwindigkeit zwischen Heizeinrichtung und Heizgut oder einer analogen Größe mit den sich ändernden Streckenparametern selbsttätig mitverändert und unabhängig voneinander eingestellt werden uru daß das Ausgangssignal des Temperaturreglers über einen Funkiionsbi'dner in die Führungsgröße des unterlagerten Spannungsregelkreises umgeformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelparameter die Regeiverstärkung und die Nachstellzeit des proportional-integrierend-(PI-)wirkenden Temperaturreglers adaptiv gesteuert werden, wobei das von der Heizgut-Geschwindigkeit abhängige Signal dem Pl-Temperaturregler in seii.em integrierenden Zweig multiplikativ aufgeschaut wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensierung der mit einer Änderung der Heizgut-G^schwindigkeit sich ändernden Streckenverstärkung das von der Heizgut-Geschwindigkeit abhängige Signal zusätzlich dem Ausgangssignal des Temperaturreglers vor dem Funktionsbildner multiplikativ aufgeschaltet wird.