RU1817258C - Устройство дл управлени нагревом электротермической установки - Google Patents

Abstract

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

Description

Изобретение относитс  к электротермии и может примен тьс  в любых технологических процессах, где используетс  электронагрев. Преимущественной областью использовани  изобретени   вл ютс  электропечи и термические установки, примен емые в машиностроении и металлургии .

Цель изобретени  прототипа - повышение точности поддержани  средней температуры заготовки.

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

Например, нагрев теплотехнически массивных изделий идет более эффективно, если при равных энергозатратах за врем  нагрева т будет создана более высока  средн   температура в рабочем пространстве установки (фиг. 1)ина поверхности нагреваемого издели . Регулирование подводимой мощности по закону пр мой с отрицательным угловым коэффициентом (см. фиг. 2).

р((1-).

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

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

, т„

2a,(r-o,5t2)dr о)

и соответственно более эффективный прогрев теплотехнически массивного издели , чем при традиционном нагреве с посто нной номинальной мощностью за то же врем  гн. Правда, при оптимизированном нагреве несколько увеличатс  и тепловые потери, завис щие от средней температуры , поэтому температура в конце отрезка

(Л

С

00

ы ю ел

00

времени Тнбудет ниже на 1-2%. Но так как средн   температура при оптимизированном графике увеличиваетс  на дес тки процентов , то все равно эффективность нагрева оказываетс  на 20-25% выше, чем при традиционном способе.i

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

Р(г)(4)

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

0(т) а.(5) которой соответствует минимум тепловых потерь за врем  нагрева, что позвол ет повысить производительность при равных энергозатратах, либо добиватьс  равных температур при экономии энергозатрат.

Дл  оптимизированного управлени  нагревом электротермической установки используетс  устройство, которое, как и прототип содержит:

1) узел регулировани  температуры 1, состо щий из датчика температуры 2 и за- датчика 3, соединенных своими выходами с входами сумматора 4, который своим выходом соединен с входом регул тора температуры 5;

2) узел регулировани  мощности 6 с датчиком мощности 7 и вторым сумматором 8, один из входов которого соединен с выходом датчика мощности 7, а выход - с входом регул тора мощности 9, соединенного своим выходом с управл ющим входом силового тиристорного преобразовател  10, служащего источником питани  электронагревательной установки 11.

Существенное отличие за вленного устройства от прототипа состоит в том, что в него введены: переключатель с двум  силовыми входами 12; задатчик мощности 13, имеющий линейную выходную характеристику с отрицательным угловым коэффициентом дл  управлени  нагревом теплотехнически массивных изделий или с положительным угловым коэффициентом дл  управлени  нагревом теплотехнически тонких изделий; формирователь параметров режима нагрева 14, св занный с задат- чиком мощности, причем второй вход сумматора 8 регул тора мощности соединен через один силовой вход переключатели 12с выходом регул тора температуры 5 и

через второй силовой вход переключател  12-с выходом введенного задатчика мощности 13, а управл ющий вход переключател  12 св зан с выходом первого сумматора 4 регул тора температуры через формирователь параметров режима 14, соединенный с за- датчиком мощности 13.

Друга  отличительна  особенность предлагаемого устройства состоит в том,

0 Что задатчик мощности 13 содержит управл емый напр жением генератор импульсов 15 с двум  входами, соответствующими различным коэффициентам передачи, выход которого соединен со счетным входом циф5 роаналогового преобразовател  16, подключенного своим выходом через размыкающий контакт релейного элемента 17 к второму силовому входу переключател  12 и напр мую - к первому входу третьего

0 сумматора 18, второй вход которого через замыкающий контакт релейного элемента 17 св зан с регулируемым источником посто нного напр жени  19, выход же сумматора 18 через инвертор 20 св зан с вторым

5 силовым входом переключател  12, а формирователь параметров режима нагрева 14 содержит двухпороговый элемент 21, элемент 22 типа ИЛИ-НЕ и элемент 23 типа И-НЕ, компаратор 24, управл емый напр 0 жением генератор импульсов 25, цифроана- логовый преобразователь 26, регулируемый источник посто нного напр жени  27 и переключающие ключи 28 и 29, причем входы генератора импульсов 15 задатчика мощно5 сти через переключающие контакты первого ключа 28 формировател  соединены с выходом цифроаналогового преобразовател  26 формировател  и первым входом компаратора 24, выход которого подключен к

0 входу генератора импульсов 25 формировател , св занного выходом со счетным входом цифроаналогового преобразовател  26 формировател , а второй вход компаратора 24 через размыкающий контакт второго

5 ключа 29 соединен с источником регулируемого посто нного напр жени  27 и через замыкающий контакт ключа 29 - с выходом первого сумматора 4 регул тора температуры и входом двухпорогового элемента 21,

0 св занного 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 л  16 задатчика мощности, а выход элемента ИЛИ-НЕ 22 соединен с входами асинхронного сброса цифроаналоговых преобразователей 16 и 26 и с управл ющим входом переключател  12 на входе регул тора мощности.

Пример конкретного выполнени  изобретени  - устройство управлени  нагревом закалочной электропечи в НПО Турбоатом. Структура устройства аналогична изображенной на фиг. 1. Устройство содержит контур автоматического регулировани  мощности с сумматором, датчиком мощности, в качестве которого используетс  перемножитель сигналов тока и напр же- ни , с регул тором на операционном усилителе, соединенном своим входом с выходом сумматора, а выходом - с входом тиристорного преобразовател . К выходу тиристорного преобразовател  подключены силитовые электронагреватели печи, Ус- тройство также содержит: контур регулировани  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 регул торе температуры; задатчик мощности, выполненный на основе цифроаналогового преобразовател ; формирователь параметров режима нагрева, своим входом соеди- ненный с выходом сумматора в регул торе температуры, а выходами - с управл ющими входами задатчика мощности и переключател  на входе контура регулировани  мощности.

Ожидаемый экономический эффект от внедрени  базируетс  на повышении производительности печи, экономии электроэнергии , продлении срока службы нагревателей и повышении точности регу- лировани  температуры.

Устройство работает следующим образом . Вначале с помощью ключа 29 и реле выбора режимов 17 выбираетс  вид режима нагрева. Затем с помощью задатчика 3 за- даетс  температура. Если заданное значе- ние существенно отличаетс  от фактического, то рассогласование на выходе сумматора 4 превысит большую уставку срабатывани  двухпорогового элемента 21 и он включитс , 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 управл ющий вход переключател  12, который отсоедин ет задающий вход сумматора 8 от выхода регул тора температуры 5 и присоедин ет его к выходу задатчика мощности 13.

Рассмотрим работу устройства в режиме оптимального нагрева теплотехнически тонких изделий, В этом режиме ключ 29 соедин ет вход компаратора 24 с выходом сумматора 4, выход цифрозналогового преобразовател  26 через ключ 28 соединен с тем входом управл емого напр жением генератора 15, которому соответствует больша  частота импульсов генератора, релейный элемент 17 своим размыкающим контактом св зывает выход цифроаналогового преобразовател  16с выходом эадат- чика мощности. Задатчик мощности при этом формирует линейно возрастающий во времени график, врем  развертки которого определ етс  следующим образом. Как только цифроаналоговые преобразователи получат разрешение от логического элемента 22, они начнут считать импульсы генераторов 25 и 15. При этом благодар  высокой частоте генератора 25 график на выходе цифроаналогового преобразовател  26 формируетс  практически мгновенно. Как только возрастающий сигнал на входе компаратора 24 сравн етс  по величине с напр жением рассогласовани  по температуре , присутствующим на втором входе компаратора , компаратор сработает и прекратит работу генератора импульсов 25. При этом то напр жение, которое будет достигнуто на выходе элемента 26, будет зафиксировано как управл ющее напр жение на входе генератора 15. Таким образом, длительность импульсов генератора 15 и, соответственно, длительность развертки задающего напр жени  регул тору мощности однозначно определ ютс  величиной рассогласовани  между заданной и фактической температурой, измеренной в момент установки задани . Поскольку частота импульсов генератора 15 относительно мала, а число разр дов N счетчика в цифроаналого- вом преобразователе 16 может быть достаточно большим, то процесс развертки задани  по мощности достигает при необходимости многих часов.

Благодар  наличию непрерывной отрицательной обратной св зи по фактическому значению мощности, задаваемый график отслеживаетс  контуром регулировани  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 составл ющей мощности. Такой график температуры в рабочем пространстве печи соответствует минимуму тепловых потерь мощности, поэтому данный режим нагрева позвол ет при

равных общих энергозатратах за одинаковое врем  нагреть термообрабатываемые издели  до более высокой температуры, чем при посто нной мощности, либо достигать такой же температуры, как и при подведении посто нной мощности, но с меньшими энергозатратами.

Во врем  нагрева выход регул тора температуры 5 отсоединен от входа контура регулировани  мощности, но в сумматоре 4 идет непрерывное сравнение сигналов, пропорциональных заданной и фактической температуре, и как только величина рассогласовани  станет меньше, чем нижний порог срабатывани  двухпорогового элемента 21, он запретс  и снимет разрешающий сигнал со входа логического элемента 22, что приведет к его отключению. В итоге цифро- аналоговые преобразователи 16 и 26 прекрат т работу и сброс т накопленную информацию, а управл емый переключатель 12 отключит задатчик мощности и подключит выход регул тора температуры 5 к задающему входу сумматора 8. При этом образуетс  двухконтурна  система подчиненного регулировани  параметров с внутренним контуром автоматического регулировани  мощности и главным контуром автоматического регулировани  температуры . Така  схема обеспечивает высокоточное регулирование температуры при одновременном ограничении мощности , подводимой к нагревател м, на желаемом уровне. Поэтому устройство позвол ет использовать любые нагреватели, сопротивление которых измен етс  во врем  работы в широких пределах.

Логический элемент 23 предназначен дл  исправлени  возможных ошибок при настройке развертки сигнала задани  по мощности . Например, если заполн тс  все N разр дов счетчика в элементе 16, но заданна  температура не будет достигнута, то это приведет к срабатыванию логического элемента 23, кратковременному отключению логического элемента 22 и сбросу информации циф- роаналоговыми преобразовател ми 16 и 26, после чего они сразу же включатс . 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 оставшемус  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 напр жение, величина которого

определ етс  положением движка потенциометра 27 и соответствует максимальному времени развертки сигнала задани  задат- чика мощности 13. Это напр жение автоматически измер етс  схемой, как это было описано выше, и используетс  дл  формировани  задани  регул тору мощности. Кроме того, в этом режиме используетс  тот вход генератора импульсов 15, которому соответствует меньший коэффициент передачи от напр жени  к частоте, что увеличивает врем  развертки, а контакт реле выбора режимов 17 соедин ет источник напр жени  19 с входом сумматора 18, благодар  чему сигнал задани  по мощности после суммировани  и инвертировани  элементом 20 измен етс  по закону пр мой с минимальным отрицательным угловым коэффициентом . При этом реализуетс  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 нагревател м подводитс  максимальна  мощность Р0(см. фиг. 2), но это не приводит к перегреву нагревателей. По мере возрастани  температуры поглощение тепла снижаетс , но в это врем  и подводима  мощность уменьшаетс . Поэтому режим ускоренного нагрева с таким оптимизированным графиком мощности безопасен дл  нагревателей, дает высокую среднюю температуру за врем  нагрева, что существенно повышает производительность процесса нагрева в термоустановке.

Claims (2)

1. Как только достигаетс  заданна  температура , срабатывает двухлороговый элемент 21 и элемент ИЛЙ-НЕ, что приводит к переключению переключател  12. В результате схема управлени  перестраиваетс  в двухконтурную систему подчиненного регулировани , котора  в дальнейшем поддерживает заданную температуру с высокой точностью, присущей таким схемам. Формула изобретени  1. Устройство дл  управлени  нагревом электротермической установки содержащее датчик и задатчик температуры, выходы которых подключены к входам первого сумматора , соединенного выходом с регул тором температуры/датчик мощности, выход которого подключен к первому входу второ5 го сумматора, св занного выходом с управл ющим входом регул тора мощности установки, отличающеес  тем, что, с целью повышени  эффективности нагрева изделий, выход регул тора температуры соЛдинен с вторым входом второго сумматора

   через первый силовой вход введенного переключател , к второму силовому входу которого подключен выход введенного задатчика мощности с линейной выходной характеристикой с отрицательным угловым коэффициентом дл  теплотехнически маесивных изделий или положительным угловым коэффициентом дл  теплотехнически тонких изделий, а управл ющий вход переключател  соединен с выходом первого сум- маторз через введенный формирователь параметров режима нагрева, св занный с задатчиком мощности.
2. 2. Устройство поп. 1,отличающее- с   тем, что задатчик мощности содержит управл емый напр жением генератор импульсов с двум  входами с различными коэффициентами передачи, выход которого соединен со счетным входом цифроаналого- вого преобразовател , подключенного вы- ходом через размыкающий контакт релейного элемента к второму силовому входу переключател  и к первому входу третьего сумматора, второй вход которого через замыкающий контакт релейного эле- мента св зан с регулируемым источником посто нного напр жени , выход через инвертор - с вторым силовым входом переключател , а формирователь параметров нагрева содержит двухпороговый

   элемент, элементы ИЛИ-НЕ и И- НЕ, компаратор , управл емый напр жением генератор импульсов, цифроаналоговый преобразователь, регулируемый источник посто нного напр жени  и два переключающих ключа, входы генератора импульсов задатчика мощности через переключающие контакты первого ключа формировател  соединены с выходом цифроаналогового преобразовател  формировател  и первым входом компаратора, выход которого подключен к входу генератора импульсов формировател , св занного выходом со счетным входом цифроаналогового преобразовател  формировател , а второй вход компаратора через размыкающий контакт второго ключа соединен с регулируемым источником пос то нного напр жени  формировател , а через замыкающий контакт - с выходом первого сумматора и входом двух- порогового элемента, св занного выходом с первым входом элемента ИЛИ-НЕ, к второму входу которого подключен выход элемента И-НЕ, соединенного своими входами с выходами счетчика цифроаналогового преобразовател  задатчика мощности, а выход элемента ИЛИ-НЕ соединен с входами асинхронного сброса обоих цифроаналого- вых преобразователей и управл ющим входом переключател .

   ъ