PL211467B1 - Układ regulacji temperatury w procesie termicznej obróbki metali - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ regulacji temperatury w procesie termicznej obróbki metali, przeznaczony do sterowania procesami podgrzewania i/lub wygrzewania i/lub schładzania.

W znanym z amerykań skiego opisu patentowego nr US 5,261,483 ukł adzie do regulacji temperatury, służącym do sterowania konwektorami wentylatorowymi w systemie klimatyzacyjnym, odpowiednie wyjścia zasilacza transformatorowego są połączone: z silnikiem dmuchawy oraz - za pośrednictwem zaworu elektromagnetycznego - z wężownicą konwektora wentylatorowego, natomiast do jednego z wejść zasilacza jest przyłączony czujnik temperatury wody zasilającej wężownicę, przy czym działaniem zasilacza steruje regulator, do którego wejścia jest przyłączony czujnik temperatury otoczenia.

Z kolei w opisie patentowym nr US 6,089,463 został opisany ukł ad chł odzenia testera pół przewodników, w którym wyjścia regulatora temperatury są przyłączone do wejść dwóch urządzeń pomiarowych oraz do wejść przyporządkowanych im dwóch dmuchaw, natomiast do wejść regulatora są przyłączone odpowiednie czujniki temperatury.

W znanych urządzeniach termicznych du ż ej mocy, ukł ad pł ynnej regulacji mocy rezystancyjnych elementów grzejnych oparty jest na trójfazowym sterowniku tyrystorowym lub transduktorowym wzmacniaczu mocy. Sterownik tyrystorowy podłączony do elektrycznej sieci zasilającej poprzez łącznik roboczy reguluje moc na podstawie sygnału sterującego z programowanego regulatora temperatury, poprzez zmianę wartości skutecznej napięcia wyjściowego w wyniku załączania i wyłączania pełnych cykli sinusoidalnego napięcia zasilającego (regulacja proporcjonalno-czasowa lub grupowa, gdzie średnie napięcie wyjściowe U jest proporcjonalne do napięcia zasilającego Un i czasu załączenia Tz oraz odwrotnie proporcjonalne do okresu T; U = UnxTz/T) lub przez obcinanie części sinusoidalnego przebiegu napięcia zasilającego (regulacja fazowa).

Transduktorowy wzmacniacz mocy reguluje moc na podstawie sygnału sterującego z układu regulacji, poprzez zmianę wartości skutecznej prądu wyjściowego w wyniku oddziaływania na prąd uzwojenia podmagnesowania transduktora.

Praca silnika dmuchawy wymuszającej cyrkulację gazu chłodzącego przez wsad, w typowych urządzeniach termicznych, nie podlega regulacji, proces chłodzenia nie jest kontrolowany. Silnik pracuje na standardowych parametrach wynikających z warunków obciążenia i jest bezpośrednio podłączony do elektrycznej sieci zasilającej. W przypadku silników o mocach przekraczających kilkadziesiąt kW w celu ograniczenia prądów rozruchowych (i tylko) stosowane są układy łagodnego rozruchu (soft-start). Niektóre rozwiązania przewidują zastosowanie silnika dwubiegowego o stosunku obrotów znamionowych biegu szybkiego do wolnego około 2:1 i mocy znamionowej odpowiednio 4:1, co pozwala na pracę silnika na dwóch prędkościach obrotowych i mocach oraz na zróżnicowanie szybkości chłodzenia; chłodzenie wolne na biegu wolnym i szybsze na biegu szybkim.

Najnowsze rozwiązania zakładają pełną kontrolę procesu chłodzenia (temperatury) wsadu, na podstawie sygnału wypracowanego przez regulator temperatury poprzez regulację prędkości obrotowej silnika dmuchawy chłodzącej w zakresie od 0 do 100% (lub więcej) prędkości znamionowej.

W tym celu stosowane są przetwornice częstotliwości zwane falownikami, które regulują prędkość obrotową silnika indukcyjnego poprzez modulację wartości skutecznej napięcia i jego częstotliwości lub fazy. Ze względu na charakterystykę pracy silnika obciążonego dmuchawą nie jest możliwa niezależna regulacja prędkości obrotowej, mocy i momentu silnika, gdyż zmiana jednego z parametrów automatycznie pociąga zmianę pozostałych, dlatego sterując prędkością obrotową silnika indukcyjnego, zmianie podlega również jego moc, czy moment. W takim przypadku silnik podłączony jest do wyjścia falownika poprzez stycznik. Falownik pobiera energię z trójfazowej sieci zasilającej i przetwarza ją na trójfazowe zasilanie silnika o odpowiedniej charakterystyce napięciowo-częstotliwościowej, wymuszając tym samym wymaganą jego prędkość obrotową i oddawaną moc, czy moment.

Zadaniem wynalazku jest stworzenie jednego układu naprzemiennie sterującego procesem nagrzewania i procesem chłodzenia, który będzie sterowany jednym sygnałem regulacyjnym.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że wyjście falownika jest równocześnie połączone poprzez stycznik z co najmniej jednym układem grzania z rezystancyjnymi elementami grzejnymi i poprzez drugi stycznik z co najmniej jednym układem chłodzenia z silnikiem dmuchawy, zaś działaniem styczników układu steruje regulator temperatury, przy czym korzystnie pomiędzy stycznik układu grzania a rezystancyjne elementy grzejne i/lub pomiędzy stycznik dmuchawy a silnik dmuchawy są włączone transformatory regulacyjne.

PL 211 467 B1

Korzystnym jest gdy stosunek wartości prądów znamionowych układu grzejnego i układu chłodzenia mieści się w przedziale od 0,33 do 3,00.

Korzystnym jest także gdy stosunek wartości napięć znamionowych zasilania układu grzejnego i ukł adu chłodzenia mieś ci się w przedziale od 0,33 do 3,00.

Zastosowanie jednego falownika pozwala na przemienne sterowanie układem grzania i układem chłodzenia podczas regulacji temperatury. Tym samym znacznie upraszcza się sterowanie procesem grzania i chłodzenia a także redukuje ilość elementów niezbędnych do wykonania takiego układu. Układ ten poprawia wyraźnie własności użytkowe i eksploatacyjne pieca.

Wynalazek zostanie bliżej opisany na podstawie przykładu wykonania pokazanego na rysunku, który przedstawia schemat blokowy układu.

W tym przykładzie urządzeniem termicznym UT jest piec próżniowy wyposażony w rezystancyjne elementy grzejne R o mocy 300 kW oraz chłodzącą dmuchawę MD napędzaną silnikiem 250 kW.

Układ grzejny z transformatorem TR i elementami grzejnymi R zasilany jest napięciem znamionowym 3 x 400 V, 50 Hz, przy prądzie znamionowym 456 A.

Układ chłodzenia z transformatorem TRD i silnikiem dmuchawy MD zasilany jest napięciem znamionowym 3 x 400 V, 50 Hz, przy prądzie znamionowym 464 A.

Oba te układy, poprzez styczniki SG i SD podłączone są do falownika F o wyjściowym napięciu znamionowym 3 x 400 V i prądzie 480 A oraz o konfiguracji charakterystyki roboczej U/f = 8 V/Hz (400V/50Hz) i analogowym sygnale regulacyjnym 4 - 20 mA, odpowiadającym częstotliwości zadanej 0 - 50 Hz.

Styczniki SG i SD są sterowane regulatorem temperatury RT.

Cały układ regulacji temperatury zasilany jest przez elektryczną sieć zasilającą ESZ 3 x 400 V, 50 Hz i ma łącznik ŁR oraz styczniki dobrane do prądu 630 A.

W układzie tym proces regulacji temperatury odbywa się według przebiegu czasowo-temperaturowego. Proces termiczny zaprogramowano według następującego przebiegu czasowo-temperaturowego:

• Rozgrzewanie od temperatury otoczenia do 800°C z szybkością 15°C/min • Wytrzymanie w temp. 800°C przez czas 2 godz.

• Rozgrzewanie do 1050°C z szybkością 10°C/min • Wytrzymanie w temperaturze 1050°C przez czas 1 godz.

• Chłodzenie do temperatury 300°C z szybkością 30°C/min • Chłodzenie do temperatury 70°C z szybkością 20°C/min

Po rozpoczęciu procesu następuje włączenie układu regulacji grzania. Regulator temperatury RT włącza stycznik grzania SG oraz wysyła sygnał regulacyjny do falownika. Sygnał regulacyjny jest wynikiem kalkulacji algorytmu PID powstającej na podstawie wielkości i zmiany uchybu regulacji, czyli różnicy pomiędzy pomiarem temperatury z czujnika CT oraz programowej, chwilowej wartości zadanej.

Jeżeli temperatura z czujnika CT wykazuje zbyt małą dynamikę wzrostu w porównaniu do chwilowej wartości zadanej, to wartość sygnału regulacyjnego zasilającego elementy grzejne R przez transformator TR rośnie, co powoduje wzrost częstotliwości i napięcia wychodzącego z falownika F.

Z kolei wzrost napięcia zasilającego elementy grzejne powoduje zwiększenie wydzielonej na nich mocy co powoduje zwiększenie dynamiki wzrostu temperatury.

Jeżeli temperatura z czujnika CT wykazuje zbyt dużą dynamikę wzrostu w porównaniu do chwilowej wartości zadanej to wartość sygnału regulacyjnego maleje, co powoduje spadek częstotliwości i napięcia wychodzącego z falownika F.

Z kolei obniżenie napięcia zasilającego elementy grzejne powoduje zmniejszenie wydzielonej na nich mocy, co powoduje spadek dynamiki wzrostu lub wręcz obniżenie temperatury.

Na powyższych zasadach regulator temperatury RT przeprowadza rozgrzewanie pieca według zaprogramowanego procesu dochodząc do temperatury 1050°C.

Po jednej godzinie wytrzymania przy temperaturze 1050°C następuje przełączenie układu regulacji z grzania na chłodzenie. Regulator temperatury RT zeruje sygnał regulacyjny, wyłącza stycznik grzania [SG] oraz załącza stycznik układu chłodzenia SD. Następnie wysyła sygnał regulacyjny będący wynikiem kalkulacji algorytmu PID, powstającej na podstawie wielkości i zmiany uchybu regulacji, czyli odwrotnie niż poprzednio; różnicy pomiędzy programową, chwilową wartością zadaną, a pomiarem temperatury z czujnika CT do falownika.

Jeżeli temperatura z czujnika CT wykazuje zbyt małą dynamikę spadku w porównaniu do chwilowej wartości zadanej to wartość sygnału regulacyjnego rośnie, co powoduje wzrost częstotliwości

PL 211 467 B1 i napięcia wychodzącego z falownika F. Z kolei podwyższenie częstotliwości i napięcia zasilającego silnik dmuchawy MD poprzez transformator TRD, powoduje zwiększenie jego prędkości obrotowej, a tym samym wydzielonej mocy dmuchawy chłodzącej i wtedy następuje zwiększenie dynamiki spadku temperatury.

Jeżeli temperatura z czujnika CT wykazuje zbyt dużą dynamikę spadku w porównaniu do chwilowej wartości zadanej, to wartość sygnału regulacyjnego maleje, co powoduje spadek częstotliwości i napięcia wychodzącego z falownika F. Z kolei obniżenie częstotliwości i napięcia zasilającego silnik dmuchawy MD poprzez transformator TRD powoduje zmniejszenie jego prędkości obrotowej, a tym samym wydzielonej mocy dmuchawy chłodzącej, co powoduje zmniejszenie dynamiki spadku temperatury.

Według powyższych reguł, regulator temperatury RT przeprowadza chłodzenie pieca według zaprogramowanego procesu dochodząc do temperatury 70°C, kiedy to następuje wyłączenie układu regulacji temperatury i zakończenie procesu termicznego.

Claims (3)

1. Układ regulacji temperatury w procesie termicznej obróbki metali, współpracujący z urządzeniem grzewczym, a zwłaszcza z piecem próżniowym, wyposażonym w czujnik temperatur oraz rezystancyjne elementy grzejne i dmuchawę, napędzaną silnikiem, podłączonymi poprzez styczniki do wyjścia falownika zasilanego poprzez łącznik z elektrycznej sieci zasilającej, natomiast przebieg temperatur w urządzeniu tym jest zaprogramowany w regulatorze temperatury sterującym falownikiem, znamienny tym, że wyjście falownika (F) jest równocześnie połączone poprzez stycznik (SG) z co najmniej jednym układem grzania z rezystancyjnymi elementami grzejnymi (R) i poprzez drugi stycznik (SD) z co najmniej jednym układem chłodzenia z silnikiem dmuchawy (MD), zaś działaniem styczników układu (SG i Sd) steruje regulator temperatury (RT), przy czym korzystnie pomiędzy stycznik (SG) układu grzania a rezystancyjne elementy grzejne (R) i/lub pomiędzy stycznik (SD) dmuchawy a silnik dmuchawy (MD) są włączone transformatory regulacyjne odpowiednio (TR) i (TRD).

2. Układ według, zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek wartości prądów znamionowych układu grzejnego i układu chłodzenia mieści się w przedziale od 0,33 do 3,00.

3. Układ według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosunek wartości napięć znamionowych zasilania układu grzejnego i układu chłodzenia mieści się w przedziale od 0,33 do 3,00.