RU2032996C1 - Device for control over temperature of flat billet during induction heating - Google Patents

Device for control over temperature of flat billet during induction heating Download PDF

Info

Publication number
RU2032996C1
RU2032996C1 SU5029886A RU2032996C1 RU 2032996 C1 RU2032996 C1 RU 2032996C1 SU 5029886 A SU5029886 A SU 5029886A RU 2032996 C1 RU2032996 C1 RU 2032996C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
output
controller
input
power
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
А.А. Зезюлинский
А.А. Казаков
Л.Я. Макаровский
А.Г. Подгузов
Э.Я. Рапопорт
В.В. Рыбаков
Original Assignee
Самарский государственный технический университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Самарский государственный технический университет filed Critical Самарский государственный технический университет
Priority to SU5029886 priority Critical patent/RU2032996C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2032996C1 publication Critical patent/RU2032996C1/en

Links

Images

Landscapes

  • General Induction Heating (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: device for control over temperature of flat billet placed between lower and upper mobile inductors during induction heating includes master unit, temperature sensor, pickups of power, speed, armature current, controllers of power, speed, current connected in series, controlled thyristor converter which output is coupled to armature circuit of motor of translation of upper inductor. Shaft of upper inductor is rigidly coupled to shaft of speed pickup and is connected to inductor with the aid of ball-and-screw pair of reduction gear. Inductor is electrically linked to input of power pickup which output is connected to first input of power controller. Second input of current controller is coupled to output of pickup of armature current placed in armature circuit of motor of translation of upper inductor. Output of speed pickup is linked to second input of speed controller. Depending on irregularity of heating device is provided with proportionally integral controllers which inputs are connected to output of model characterizing temperature field of object of heating. EFFECT: enhanced efficiency and reliability of control. 1 dwg

Description

Изобретение относится к средствам автоматизации технологических процессов, и в частности к средствам программного управления температурой при индукционном нагреве. Устройство может найти широкое применение в системах управления технологическими процессами по температуре в металлургической, машиностроительной, станкоинструментальной и других отраслях промышленности. The invention relates to means of automation of technological processes, and in particular to means of programmed temperature control during induction heating. The device can be widely used in temperature control systems of technological processes in the metallurgical, machine-building, machine-tool and other industries.

Известна система управления температурой с программным регулятором [1] Основным недостатком системы является то, что при температуре точки Кюри (700-800oC) резко изменяются теплофизические свойства объекта управления и коэффициент усиления генератора, уменьшаясь, понижает коэффициент усиления всей системы. Это приводит к увеличению ошибки воспроизведения реальной температуры объекта от заданной по программе и невозможности ее полной компенсации системой, т.к. выходное напряжение усилителя программного регулятора имеет ограничение по величине.A known temperature control system with a program controller [1] The main disadvantage of the system is that at the temperature of the Curie point (700-800 o C) the thermophysical properties of the control object change sharply and the gain of the generator decreases, decreasing the gain of the entire system. This leads to an increase in the error in reproducing the real temperature of the object from the one set by the program and the impossibility of its complete compensation by the system, The output voltage of the amplifier of the software controller is limited in magnitude.

Известно устройство для автоматического регулирования температуры индукционной нагревательной установки [2] Это устройство принято авторами за прототип, поскольку оно наиболее близко к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту. Устройство содержит по меньшей мере два датчика измерения температуры по толщине заготовки, каждый из которых связан с одним из входов блока задания конечных температур заготовки и через последовательно включенные блок управления и релейный элемент со входом силового двухпозиционного регулятора мощности. Для повышения производительности установки путем ускорения нагрева заготовки блок управления выполнен в виде нелинейных элементов с параболическими статическими характеристиками в количестве, равном количеству датчиков измерения температуры, и подключенного к их выходам сумматора, причем входом блока управления служат входы нелинейных элементов, а его выходом выход сумматора. Существенным недостатком данного устройства является ограниченная точность воспроизведения реального температурного поля заготовки, нелинейным элементом, которое описывается в общем случае двумя "полуапериодическими" звеньями
WОБ(P)

Figure 00000001
где KОБ=
Figure 00000002
коэффициент передачи объекта,
T1=
Figure 00000003
постоянная времени первого "полуапериодического" звена,
T2=
Figure 00000004
постоянная времени второго "полуапериодического" звена. Представленное соотношение взято из статьи А.В. Нетушила "Объект индукционного или радиационного нагрева как звено системы автоматического регулирования", Известия АН СССР, ОТН, "Энергетика и автоматика", 1962, N 2. Ввиду специфики передаточной функции, представленной двумя "полуапериодическими" звеньями, параболическая статическая характеристика нелинейного элемента описывает переходный процесс по температурному полю приближенно. Другим недостатком является ограниченное быстродействие и склонность к автоколебаниям системы управления из-за наличия в ней нелинейных элементов. Перечисленные недостатки устройства не обеспечивают равномерного нагрева заготовки при индукционном нагреве.A device for automatically controlling the temperature of an induction heating installation [2] This device is taken by the authors as a prototype, because it is closest to the proposed technical essence and the achieved effect. The device contains at least two sensors for measuring temperature over the thickness of the workpiece, each of which is connected to one of the inputs of the unit for setting the final temperatures of the workpiece and through a series-connected control unit and relay element with the input of the power on-off power controller. To increase the productivity of the installation by accelerating the heating of the workpiece, the control unit is made in the form of nonlinear elements with parabolic static characteristics in an amount equal to the number of temperature measuring sensors and an adder connected to their outputs, with the inputs of nonlinear elements serving as the control unit input and the adder output as its output. A significant drawback of this device is the limited accuracy of reproducing the real temperature field of the workpiece, a non-linear element, which is described in the general case by two "semi-periodic" links
W OB (P)
Figure 00000001
where K OB =
Figure 00000002
transmission coefficient of the object
T 1 =
Figure 00000003
the time constant of the first "semi-periodic" link,
T 2 =
Figure 00000004
the time constant of the second "semi-aperiodic" link. The presented ratio is taken from the article by A.V. Netushila, “An object of induction or radiation heating as a part of an automatic control system,” Izvestia AN SSSR, OTN, “Energy and Automation”, 1962, N 2. In view of the specificity of the transfer function represented by two “semi-periodic” links, a parabolic static characteristic of a nonlinear element describes a transition the process in the temperature field is approximately. Another disadvantage is the limited speed and a tendency to self-oscillations of the control system due to the presence of non-linear elements in it. The listed disadvantages of the device do not provide uniform heating of the workpiece during induction heating.

Целью изобретения является повышение равномерности нагрева за счет точного воспроизведения реального температурного поля заготовки при одновременном сохранении высокой производительности индукционного нагрева. The aim of the invention is to increase the uniformity of heating due to the exact reproduction of the real temperature field of the workpiece while maintaining high productivity of induction heating.

Для достижения поставленной цели устройство управления температурой индукционного нагрева заготовки, расположенной между нижним неподвижным и верхним подвижным индукторами, содержащее задатчик и датчик температуры заготовки, датчики мощности, скорости, якорного тока, последовательно соединенные регулятор мощности, регулятор скорости, регулятор тока, управляемый тиристорный преобразователь, выход которого подключен к якорной цепи двигателя перемещения верхнего индуктора, вал которого жестко соединен с валом датчика скорости, а также посредством шарико-винтовой пары редуктора соединен с индуктором, электрически связанным с входом датчика мощности, выход которого соединен с первым входом регулятора мощности, вход регулятора тока подключен к выходу датчика якорного тока, включенного в якорную цепь двигателя перемещения верхнего индуктора, выход датчика скорости подключен ко второму входу регулятора скорости, дополнительно снабжено N регуляторами температуры с пропорционально-интегральной зависимостью выходного напряжения от входного, каждый из которых имеет постоянную времени интегрирования равную постоянной времени соответствующего N-апериодического звена, которыми представляется температурное поле объекта, число которых определяется заданной неравномерностью нагрева + εзад, коэффициент усиления каждого регулятора равен частному от деления произведения коэффициента усиления датчика мощности и постоянной времени τNсоответствующего N-апериодического звена на произведение удвоенной малой постоянной времени контура температуры, коэффициента усиления датчика температуры и коэффициента усиления KN cоответствующего N-апериодического звена, первые входы N регуляторов температуры подключены к выходу датчика температуры, вторые входы к выходу задатчика температуры, выходы регуляторов объединены и подключены ко второму входу регулятора мощности, причем постоянные времени звеньев определяются соотношением
τN=

Figure 00000005
где R линейный размер (радиус) нагреваемой заготовки, а температуропроводность, μN π˙N собственное число, а коэффициенты усиления соответствующих N апериодических звеньев объекта управления определяются соотношением
KN=
Figure 00000006
· cosμN
Figure 00000007
где х расстояние от центра заготовки до точки контроля по радиальному сечению. Установлено, что при заданной неравномерности ε зад +20 30oC температурное поле объекта должно быть представлено двумя апериодическими звеньями (N=2), а при ε зад +15oC тремя апериодическими звеньями (N 3).To achieve this goal, a device for controlling the temperature of induction heating of a workpiece located between the lower fixed and upper movable inductors, comprising a master and a temperature sensor of the workpiece, power, speed, and armature current sensors, serially connected power controller, speed controller, current controller, controlled thyristor converter, the output of which is connected to the anchor circuit of the motor moving the upper inductor, the shaft of which is rigidly connected to the shaft of the speed sensor, and e by means of a ball screw pair of the gearbox is connected to an inductor electrically connected to the input of the power sensor, the output of which is connected to the first input of the power regulator, the input of the current regulator is connected to the output of the armature current sensor included in the armature circuit of the upper inductor displacement motor, the output of the speed sensor is connected to the second input of the speed controller, it is additionally equipped with N temperature controllers with a proportional-integral dependence of the output voltage on the input, each of which has toyannuyu integration time equal to the time constant corresponding N-delay element that represents the temperature field of the object, which number is determined by a predetermined uneven heating + ε backside gain of each regulator is the quotient of the product of the gain of the power sensor and the time constant τ N corresponding N-aperiodic link to the product of the doubled small time constant of the temperature circuit, the gain of the temperature sensor and the coefficient Corresponding gain K N N-delay element, first inputs of N temperature controllers connected to the output of the temperature sensor, the second inputs to the output of the temperature setpoint, controller output are combined and connected to the second input of the power controller, wherein the units of time constants determined by the relation
τ N =
Figure 00000005
where R is the linear size (radius) of the heated workpiece, and the thermal diffusivity, μ N π˙N is an eigenvalue, and the gains of the corresponding N aperiodic parts of the control object are determined by the relation
K N =
Figure 00000006
Cosμ N
Figure 00000007
where x is the distance from the center of the workpiece to the control point along the radial section. It was found that for a given non-uniformity of ε ass +20 30 o C, the temperature field of the object should be represented by two aperiodic links (N = 2), and for ε ass +15 o C three aperiodic links (N 3).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: математическим представлением реального температурного поля заготовки в виде параллельно соединенных N апериодических звеньев, N регуляторами температуры с разными передаточными функциями, их связями с остальными элементами устройства. Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение предлагаемого решения с другими техническими решениями показывает, что ПИ-регуляторы широко известны, однако их введение в указанной связи с остальными элементами устройства, а также управление объектом, представленным в виде параллельно соединенных N апериодических звеньев приводит к повышению равномерности нагрева за счет точного воспроизведения реального температурного поля заготовки при одновременном сохранении высокой производительности индукционного нагрева. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия". Comparative analysis with the prototype shows that the claimed device is characterized by the presence of new units: a mathematical representation of the real temperature field of the workpiece in the form of N connected aperiodic units in parallel, N temperature regulators with different transfer functions, their connections with the rest of the device. Thus, the proposed device meets the criteria of the invention of "novelty." Comparison of the proposed solution with other technical solutions shows that PI controllers are widely known, however, their introduction in this connection with the other elements of the device, as well as the control of an object presented in the form of parallel connected N aperiodic links, increases the uniformity of heating due to the exact reproduction of real temperature field of the workpiece while maintaining high productivity of induction heating. This allows us to conclude that the technical solution meets the criterion of "significant differences".

На чертеже представлена схема, поясняющая работу устройства управления температурой при индукционном нагреве, обозначения на которой соответствуют: I задатчик температуры, 2 первый регулятор температуры, 3 второй регулятор температуры, 4-N-ый регулятор температуры, 5 регулятор мощности, 6 регулятор скорости, 7 регулятор тока, 8 управляемый тиристорный преобразователь, 9 и 10 якорная цепь и механическая часть электродвигателя 11, 12 редуктор, 13 индуктор, 14,15,16 первое, второе, N-ое апериодическое звено температурного поля объекта, 17 датчик якорного тока, 18 датчик скорости, 19 датчик мощности, 20 датчик температуры. Нагреваемое изделие находится между нижним неподвижным и верхним 13 подвижным индукторами. Выход задатчика температуры 1 соединен с вторыми входами первого регулятора 2 температуры, второго регулятора 3 температуры, N-го регулятора 4 температуры. Выходы регуляторов температуры 2-4 объединены и подключены ко второму входу регулятора мощности 5. Последовательно соединены регулятор мощности 5, регулятор скорости 6, регулятор тока 7 и управляемый тиристорный преобразователь 8, выход которого подключен к якорной цепи 9 двигателя 11 перемещения верхнего индуктора 13. Вал двигателя 11 жестко соединен с валом датчика скорости 18, а также посредством шарико-винтовой пары редуктора 12 соединен с индуктором 13. Индуктор 13 электрически связан со входом датчика мощности 19, выход которого соединен с первым входом регулятора мощности 5. Второй вход регулятора тока 7 подключен к выходу датчика якорного тока 17, включенного в якорную цепь 9 двигателя 11. Выход датчика скорости 18 подключен ко второму входу регулятора скорости 16. Первые входы регуляторов температуры 2-4 объединены и подключены к выходу датчика температуры 20. Датчик температуры 20 электрически связан по входу с нагреваемым изделием, которое представлено первым 14, вторым 15 и N-ым апериодическим звеном 16. The drawing shows a diagram explaining the operation of the temperature control device during induction heating, the designations on which correspond to: I temperature controller, 2 first temperature controller, 3 second temperature controller, 4-Nth temperature controller, 5 power controller, 6 speed controller, 7 current regulator, 8 controlled thyristor converter, 9 and 10 anchor circuit and the mechanical part of electric motor 11, 12 gearbox, 13 inductor, 14,15,16 first, second, Nth aperiodic unit of the temperature field of the object, 17 sensor of anchor t OKA, 18 speed sensor, 19 power sensor, 20 temperature sensor. The heated product is located between the lower fixed and upper 13 movable inductors. The output of the temperature setter 1 is connected to the second inputs of the first temperature controller 2, the second temperature controller 3, and the Nth temperature controller 4. The outputs of the temperature controllers 2-4 are combined and connected to the second input of the power controller 5. The power controller 5, the speed controller 6, the current controller 7 and the controlled thyristor converter 8 are connected in series, the output of which is connected to the armature circuit 9 of the motor 11 for moving the upper inductor 13. The shaft the motor 11 is rigidly connected to the shaft of the speed sensor 18, and also through a ball screw pair of the gearbox 12 is connected to the inductor 13. The inductor 13 is electrically connected to the input of the power sensor 19, the output of which is connected to the the input of the power regulator 5. The second input of the current regulator 7 is connected to the output of the anchor current sensor 17 included in the anchor circuit 9 of the motor 11. The output of the speed sensor 18 is connected to the second input of the speed regulator 16. The first inputs of the temperature controllers 2-4 are combined and connected to the output of the temperature sensor 20. The temperature sensor 20 is electrically connected at the input to the heated product, which is represented by the first 14, second 15 and Nth aperiodic link 16.

Оптимальный режим нагрева изделия до заданной температуры Тзадобеспечивается устройством управления температурой при индукционном нагреве в один интервал, на протяжении которого подается полная мощность Рпол источника питания на верхний и нижний индукторы, автоматически устанавливается минимально допустимый зазор между заготовкой и верхним индуктором. Каждым регулятором температуры компенсируется заданная постоянная времени соответствующего N-апериодического звена τ N. При достижении реальной неравномерностью нагрева ε значения, близкого к значению заданной неравномерности ε зад нагрева, устройством управления температурой прекращается процесс регулирования температурного поля объекта. Источник питания при этом отключается. Этот момент характеризуется тем, что температуры поверхности заготовки и произвольных внутренних точек по радиальному сечению достигают значения Тзад + ε а температуры внутренних точек по толщине Тзад- ε Таким образом, регулирование температурного поля объекта, представленного в виде параллельно соединенных N апериодических звеньев, N регуляторами температуры позволяет повышать равномерность нагрева за счет точного воспроизведения реального температурного поля заготовки и сохранять высокую производительность индукционного нагрева.The optimal mode of heating the product to a given temperature T back is provided by the temperature control device during induction heating in one interval, during which the full power P floor of the power source is supplied to the upper and lower inductors, the minimum allowable gap between the workpiece and the upper inductor is automatically set. Each temperature controller compensates for a given time constant of the corresponding N-aperiodic link τ N. When the real heating non-uniformity ε reaches a value close to the value of the given non-uniformity ε rear heating, the temperature control device stops the process of controlling the temperature field of the object. The power source is turned off. This point is characterized in that the surface temperature of the preform and arbitrary interior points of the radial section reaches the value T ass + ε and internal temperature points through the thickness T back - ε Thus, regulation of the temperature field of the object represented in the form of parallel-connected N aperiodic links, N temperature regulators allows to increase the uniformity of heating due to the exact reproduction of the real temperature field of the workpiece and maintain high performance induction heating a.

Устройство, реализующее описанный режим индукционного нагрева работает следующим образом. Токовый контур, в составе 7-9, 17, настроен на технический оптиум и компенсирует электромагнитную постоянную времени якорной цепи Тя. Переходный процесс в контуре определяется малой постоянной времени токового контура Тт m. Регулятор тока 7 имеет пропорционально-интегральную зависимость выходного напряжения от входного. Скоростной контур, в составе 6, 10, 18, настраивается на технический оптиум и компенсирует электромеханическую постоянную времени Тм механической инерционной части 10 электродвигателя 11. Переходной процесс в контуре определяется удвоенной малой постоянной времени скоростного контура 2Тс m. Регулятор скорости 6 пропорционального типа стабилизирует скорость электродвигателя 11 на заданном уровне и задает уровень напряжения входного сигнала регулятору тока 7. Контур мощности, в составе 5, 12, 13, 19, настроен на технический оптиум. Переходный процесс в контуре определяется удвоенной малой постоянной времени контура мощности 2Тр m. Регулятор мощности 5 пропорционального типа стабилизирует мощность в контуре верхнего индуктора 13 на заданном уровне и задает уровень напряжения входного сигнала регулятору скорости 6. Контур температуры, в составе 2-4, 14, 15, 16, 20, настроен на технический оптиум и компенсирует постоянные времени N апериодических звеньев τ1 τN. Переходный процесс в контуре определяется удвоенной малой постоянной времени контура температуры 2Тt m. Регуляторы температуры 2-4 пропорционально-интегрального типа стабилизируют температуру в контуре температуры и задают уровень входного напряжения регулятору мощности 5.A device that implements the described induction heating mode operates as follows. The current circuit, consisting of 7-9, 17, is tuned to a technical optium and compensates for the electromagnetic time constant of the anchor circuit T i . The transient in the circuit is determined by the small time constant of the current circuit T t m . The current regulator 7 has a proportional-integral dependence of the output voltage on the input. The high -speed circuit, consisting of 6, 10, 18, is tuned to the technical optium and compensates for the electromechanical time constant T m of the mechanical inertial part 10 of the electric motor 11. The transient in the circuit is determined by the doubled small time constant of the high-speed circuit 2T with m . The proportional-type speed controller 6 stabilizes the speed of the electric motor 11 at a predetermined level and sets the voltage level of the input signal to the current controller 7. The power circuit, comprising 5, 12, 13, 19, is configured for technical optium. The transient in the circuit is determined by the doubled small time constant of the power circuit 2T p m. A proportional type power regulator 5 stabilizes the power in the circuit of the upper inductor 13 at a predetermined level and sets the voltage level of the input signal to the speed regulator 6. The temperature circuit, consisting of 2-4, 14, 15, 16, 20, is set to technical optium and compensates for time constants N aperiodic links τ 1 τ N. The transient in the circuit is determined by the doubled small time constant of the temperature circuit 2T t m . The temperature regulators 2-4 proportional-integral type stabilize the temperature in the temperature circuit and set the input voltage level to the power regulator 5.

Рассмотрим работу устройства управления температурой в процессе индукционного нагрева. Задатчик температуры 1 задает сигнал входного напряжения регуляторам температуры 2-4, соответствующий заданной температуре Тзад. Появляется напряжение на выходах 5-8, и электродвигатель 11, вращаясь, приближает верхний индуктор 13 к нагреваемой заготовке до заданного значения мощности в контуре мощности. При равенстве заданной температуры 1 и фактической 20 выходное напряжение регуляторов 2-4 равно нулю, что приводит к нулевому выходному напряжению 5-8, при этом электродвигатель 11 останавливается и устанавливает индуктор 13 в положение, соответствующее необходимой мощности нагрева до заданной температуры. Далее осуществляется рабочий процесс нагрева изделия. Если в процессе нагрева изделия происходит отклонение ее температуры от заданной, то появляется выходное напряжение 2-8, и электродвигатель 11, включаясь, компенсирует ошибку по температуре соответствующей установкой индуктора относительно изделия, приближая или удаляя индуктор. В процессе нагрева изделия каждый регулятор 2, 3, 4 компенсирует соответствующие постоянные времени τ1 τN апериодических звеньев 14-16, описывающих реальное температурное поле изделия, воспроизводимое устройством с точностью до +εзад.Consider the operation of the temperature control device in the process of induction heating. The temperature controller 1 sets the input voltage signal to the temperature controllers 2-4, corresponding to a given temperature T ass . The voltage appears at the outputs 5-8, and the motor 11, rotating, brings the upper inductor 13 closer to the heated workpiece to a predetermined power value in the power circuit. If the set temperature 1 and the actual 20 are equal, the output voltage of the regulators 2-4 is equal to zero, which leads to a zero output voltage of 5-8, while the electric motor 11 stops and sets the inductor 13 to the position corresponding to the required heating power to the set temperature. Next, the working process of heating the product. If in the process of heating the product there is a deviation of its temperature from the set, an output voltage of 2-8 appears, and the electric motor 11, turning on, compensates for the temperature error by the corresponding installation of the inductor relative to the product, bringing the inductor closer or removed. In the process of heating the product, each controller 2, 3, 4 compensates for the corresponding time constants τ 1 τ N of aperiodic links 14-16 describing the actual temperature field of the product reproduced by the device with an accuracy of + ε back .

Проведем синтез устройства управления температуры для осуществления описанного режима индукционного нагрева. Разомкнутая передаточная функция токового контура, настроенного на оптиум по модулю будет
W то тж (P)

Figure 00000008
где Тт m Тутп + Тдт малая постоянная времени токового контура;
Tутп постоянная времени управляемого тиристорного преобразователя;
Тдт постоянная времени датчика тока.Let us synthesize a temperature control device for implementing the described induction heating mode. The open transfer function of the current loop tuned to the optium modulo will
W then tj (P)
Figure 00000008
where T t m T utp + T dt small time constant of the current circuit;
T utp time constant of the controlled thyristor converter;
T dt is the time constant of the current sensor.

Разомкнутая передаточная функция токового контура (действительная):
Wтд(P)

Figure 00000009
·
Figure 00000010
·
Figure 00000011
Тогда передаточная функция регулятора тока 7 будет
Wрт(P)
Figure 00000012
Figure 00000013

Figure 00000014
·
Figure 00000015
Figure 00000016
Figure 00000017
· βрег
Отсюда следует, что регулятор тока 7 имеет пропорционально-интегральную зависимость выходного напряжения от входного, а коэффициент усиления пропорциональной части будет
βрег=
Figure 00000018

Замкнутая передаточная функция токового контура, настроенного на оптиум по модулю
W то зт (P)
Figure 00000019
Figure 00000020
Figure 00000021

Разомкнутая передаточная функция скоростного контура, настроенного на оптиум по модулю
Figure 00000022
=
Figure 00000023
где Тс mт m + Тдс малая постоянная времени скоростного контура;
Тдс постоянная времени датчика скорости.Open transfer function of the current loop (valid):
W td (P)
Figure 00000009
·
Figure 00000010
·
Figure 00000011
Then the transfer function of the current regulator 7 will be
W rt (P)
Figure 00000012
Figure 00000013

Figure 00000014
·
Figure 00000015
Figure 00000016
Figure 00000017
Β reg
It follows that the current regulator 7 has a proportional-integral dependence of the output voltage on the input, and the gain of the proportional part will be
β reg =
Figure 00000018

Closed transfer function of a current loop tuned to optium modulo
W then ht (P)
Figure 00000019
Figure 00000020
Figure 00000021

Open-loop transfer function of a speed loop tuned to optium modulo
Figure 00000022
=
Figure 00000023
where T s m 2T t m + T ds is a small time constant of the velocity loop;
T ds the time constant of the speed sensor.

Разомкнутая передаточная функция скоростного контура имеет вид
Wсд(P) W то зт (P) ·

Figure 00000024
·
Figure 00000025

Figure 00000026
·
Figure 00000027
·
Figure 00000028
Тогда передаточная функция регулятора скорости 6 будет
Wpc(P)
Figure 00000029
Figure 00000030

Figure 00000031
βрег
Следовательно, регулятор скорости 6 является пропорциональным регулятором. Замкнутая передаточная функция скоростного контура, настроенная на оптиум по модулю
Figure 00000032
=
Figure 00000033
=
Figure 00000034
Figure 00000035

Разомкнутая передаточная функция контура мощности, настроенного на оптиум по модулю
Figure 00000036
=
Figure 00000037
где Тp mс m + Тдм малая постоянная времени контура мощности;
Тдм постоянная времени датчика мощности. Разомкнутая передаточная функция контура мощности
Wдm(P)
Figure 00000038
· W то зс (P)
Figure 00000039
Kи=
Figure 00000040
Figure 00000041
Figure 00000042
Kи
Тогда передаточная функция регулятора мощности 5 будет
Wрm(P)
Figure 00000043
Figure 00000044

Figure 00000045
= βрег
Таким образом, регулятор мощности 5 пропорциональный регулятор. Замкнутая передаточная функция контура мощности, настроенного на оптиум по модулю, имеет вид
Figure 00000046
=
Figure 00000047
=
Figure 00000048

Figure 00000049

Разомкнутая передаточная функция контура температуры, настроенного на оптиум по модулю
Figure 00000050
=
Figure 00000051
где Тt mр m + Тдt малая постоянная времени контура температуры;
Тдt постоянная времени датчика температуры. Разомкнутая передаточная функция контура температуры имеет вид
W(P) W то зр (P)
Figure 00000052
Figure 00000053
Figure 00000054
Figure 00000055
Figure 00000056

Тогда передаточная функция регулятора температуры 2-4 примет вид
Wpt(P)
Figure 00000057
Figure 00000058
=
Figure 00000059
Figure 00000060
Figure 00000061
Figure 00000062

Cледовательно, регуляторы температуры 2-4 являются ПИ-регуляторами, настроенными на постоянные времени соответствующих N-апериодических звеньев с коэффициентами усиления пропорциональной части
Figure 00000063
Figure 00000064
Интервал нагрева цилиндрической стальной заготовки с диаметром 850 мм и высотой 145 мм до 1000oC характеризуется следующими параметрами. Температурное поле объекта представлено тремя параллельно-соединенными апериодическими звеньями. Заданная неравномерность нагрева при этом составляет +15oC. В качестве источника питания верхнего и нижнего индукторов используется индукционная установка УПИ2-500/1Н c преобразователем частоты ППЧВ-500-1,0-6000 с управлением по цепи возбуждения. Расстояние от центра заготовки до точки контроля по радиальному сечению составляет 212,5 мм. В начальный момент интервала нагрева в контуры индукторов подается полная мощность Pпол=
Figure 00000065
Три регулятора температуры на протяжении всего интервала нагрева компенсируют заданные постоянные времени первого, второго, третьего апериодических звеньев объекта, которым соответствуют значения 52,3 мин; 13,1 мин; 5,8 мин. В конце интервала нагрева температуры поверхности заготовки и произвольных внутренних точек по радиальному сечению равны 1015oC, а температуры внутренних точек по толщине 975oC. Равномерность нагрева за счет точности воспроизведения реального температурного поля заготовки по сравнению с передовой технологией ускоренного индукционного нагрева повышается при этом на 30% при достаточно высокой производительности индукционного нагрева. В качества привода перемещения верхнего индуктора использовано устройство воспроизведения УВЗ-21, изготавливаемое Новосибирским электромеха- ническим заводом с приводом типа IЭМ8-012, имеющим усилие на штоке при заторможенном роторе 8КН. Приводной электродвигатель имеет мощность Р1,3 кВт, номинальный ток Iном 23 А, напряжение питания Uп 45,5 В. В качестве регуляторов 2-4 используется серийный регулятор Ф5173, выпускаемый отечественной промышленностью. Этот блок входит в комплекс средств Государственной системы промышленных приборов, например на суперблоках СУПС (Комплекс технических средств для локальных информационно-управляющих систем (КТС ЛИУС)). Средства управления с переменной структурой. Том 4, вып. 2, М. ЦНИИТЭИприборостроения, 1980). Годовой экономический эффект от внедрения устройства управления температуры при индукционном нагреве будет окончательно определен при внедрении устройства за счет уменьшения угара металла, а также уменьшения бракованных заготовок по качеству нагрева.The open transfer function of the speed loop has the form
W sd (P) W then ht (P)
Figure 00000024
·
Figure 00000025

Figure 00000026
·
Figure 00000027
·
Figure 00000028
Then the transfer function of the speed controller 6 will be
W pc (P)
Figure 00000029
Figure 00000030

Figure 00000031
β reg
Therefore, the speed controller 6 is a proportional controller. Closed speed loop transfer function tuned to optium modulo
Figure 00000032
=
Figure 00000033
=
Figure 00000034
Figure 00000035

Open transfer function of a power circuit tuned to optium modulo
Figure 00000036
=
Figure 00000037
where T p m 2T with m + T dm is a small time constant of the power circuit;
T dm time constant of the power sensor. Open loop power transfer function
W dm (P)
Figure 00000038
W then ss (P)
Figure 00000039
K and =
Figure 00000040
Figure 00000041
Figure 00000042
K and
Then the transfer function of the power regulator 5 will be
W pm (P)
Figure 00000043
Figure 00000044

Figure 00000045
= β reg
Thus, the power controller 5 is a proportional controller. The closed transfer function of the power circuit tuned to the optium modulo has the form
Figure 00000046
=
Figure 00000047
=
Figure 00000048

Figure 00000049

Open transfer function of a temperature loop tuned to optium modulo
Figure 00000050
=
Figure 00000051
where T t m 2T p m + T dt is a small time constant of the temperature circuit;
T dt is the time constant of the temperature sensor. The open transfer function of the temperature circuit has the form
W td (P) W then sp (P)
Figure 00000052
Figure 00000053
Figure 00000054
Figure 00000055
Figure 00000056

Then the transfer function of the temperature controller 2-4 takes the form
W pt (P)
Figure 00000057
Figure 00000058
=
Figure 00000059
Figure 00000060
Figure 00000061
Figure 00000062

Consequently, temperature controllers 2-4 are PI controllers tuned to the time constants of the corresponding N-aperiodic links with gain factors of the proportional part
Figure 00000063
Figure 00000064
The heating interval of a cylindrical steel billet with a diameter of 850 mm and a height of 145 mm to 1000 o C is characterized by the following parameters. The temperature field of the object is represented by three parallel-connected aperiodic links. The specified unevenness of heating in this case is +15 o C. As the power source of the upper and lower inductors, the UPI2-500 / 1N induction unit with a frequency converter ППЧВ-500-1,0-6-6000 with control along the excitation circuit is used. The distance from the center of the workpiece to the control point along the radial section is 212.5 mm. At the initial moment of the heating interval, the total power P floor =
Figure 00000065
Three temperature controllers throughout the heating interval compensate for the set time constants of the first, second, third aperiodic parts of the object, which correspond to values of 52.3 min; 13.1 min; 5.8 minutes At the end of the heating interval, the temperatures of the surface of the workpiece and arbitrary internal points along the radial section are 1015 o C, and the temperature of the internal points along the thickness of 975 o C. The uniformity of heating due to the accuracy of reproducing the real temperature field of the workpiece in comparison with the advanced technology of accelerated induction heating increases 30% with a sufficiently high productivity of induction heating. As a drive for moving the upper inductor, a UVZ-21 playback device was used, manufactured by the Novosibirsk Electromechanical Plant with an IEM8-012 type drive having a rod force with a locked rotor 8KN. The drive electric motor has a power of P1.3 kW, rated current I nom 23 A, supply voltage U p 45.5 V. As regulators 2-4, the serial regulator F5173 manufactured by the domestic industry is used. This unit is included in the complex of tools of the State Industrial Instrumentation System, for example, on the super-blocks of EMSS (Complex of hardware for local information and control systems (KTS LIUS)). Variable structure controls. Volume 4, no. 2, M. TsNIITEIPriborostroeniya, 1980). The annual economic effect of the introduction of a temperature control device during induction heating will be finally determined during the implementation of the device by reducing the waste of metal, as well as reducing defective billets for heating quality.

Claims (1)

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ПЛОСКОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ, расположенной между нижним неподвижным и верхним подвижным идукторами, содержащее задатчик и датчик температуры заготовки, датчик мощности, скорости якорного тока, последовательно соединенные регулятор мощности, регулятор скорости, регулятор тока, управляемый тиристорный преобразователь, выход которого подключен к якорной цепи двигателя перемещения верхнего индуктора, вал которого жестко соединен с валом датчика скорости, а также посредством шариковинтовой пары редуктора соединен с индуктором, электрически связанным с входом датчика мощности, выход которого соединен с первым входом регулятора мощности, второй вход регулятора тока подключен к выходу датчика якорного тока, включенного в якорную цепь двигателя перемещения верхнего индуктора, выход датчика скорости подключен к второму входу регулятора скорости, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено N-регуляторами температуры с пропорционально-интегральной зависимостью выходного напряжения от входного, каждый из которых имеет постоянную времени интегрирования, равную постоянной времени соответствующего N-апериодического звена, которыми представляется температурное поле объекта, число которых определяется заданной неравномерностью нагрева ± εзад, коэффициент усиления каждого регулятора равен частному от деления произведения коэффициента усиления датчика мощности и постоянной времени τN соответствующего N-апериодического звена на произведение удвоенной постоянной времени контура температуры, коэффициента усиления датчика температуры и коэффициента усиления kN соответствующего N-апериодического звена, первые входы N-регуляторов температуры подключены к выходу датчика температуры, вторые входы к выходу задатчика температуры, выходы регуляторов объединены и подключены к второму входу регулятора мощности, причем при εзад= ± (20-30)°C число апериодических звеньев равно N 2, а при εзад= ± 15°C число апериодических звеньев соответствует N 3, постоянные времени τN и коэффициент усиления KN апериодических звеньев определяются по соотношениям
Figure 00000066

Figure 00000067

где R линейный размер (радиус) нагреваемой заготовки;
a температуропроводность;
μN= πN собственное число;
X расстояние от центра заготовки до точки контроля по радиальному сечению.
DEVICE FOR CONTROLLING A TEMPERATURE OF A FLAT BID FOR INDUCTION HEATING, located between the lower fixed and upper movable inductors, comprising a master and a temperature sensor for the workpiece, a power sensor, speed of the armature current, serially connected power controller, speed controller, current controller, controlled thyristor converter, the output of which connected to the anchor chain of the motor for moving the upper inductor, the shaft of which is rigidly connected to the shaft of the speed sensor, and also by means of a ball the reducer pair is connected to an inductor electrically connected to the input of the power sensor, the output of which is connected to the first input of the power regulator, the second input of the current regulator is connected to the output of the armature current sensor included in the armature circuit of the upper inductor displacement motor, the output of the speed sensor is connected to the second input a speed controller, characterized in that the device is additionally equipped with N-temperature controllers with a proportional-integral dependence of the output voltage on the input, each of which has an integration time constant equal to the time constant of the corresponding N-aperiodic link, which represents the temperature field of the object, the number of which is determined by the given heating unevenness ± ε ass , the gain of each controller is equal to the quotient of the product of the gain of the power sensor and the time constant τ N of the corresponding N-aperiodic link to the product of the doubled time constant of the temperature circuit, the gain of the temperature sensor and oeffitsienta gain k N N-corresponding delay element, first inputs of N-temperature regulators are connected to the output of the temperature sensor, the second inputs to the output of the temperature setpoint, controller output are combined and connected to the second input of the power controller, wherein when ε ass = ± (20-30 ) ° C the number of aperiodic links is N 2, and for ε ass = ± 15 ° C the number of aperiodic links corresponds to N 3, time constants τ N and gain K N of aperiodic links are determined by the relations
Figure 00000066

Figure 00000067

where R is the linear size (radius) of the heated workpiece;
a thermal diffusivity;
μ N = πN is an eigenvalue;
X is the distance from the center of the workpiece to the control point along the radial section.
SU5029886 1991-07-03 1991-07-03 Device for control over temperature of flat billet during induction heating RU2032996C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5029886 RU2032996C1 (en) 1991-07-03 1991-07-03 Device for control over temperature of flat billet during induction heating

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5029886 RU2032996C1 (en) 1991-07-03 1991-07-03 Device for control over temperature of flat billet during induction heating

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2032996C1 true RU2032996C1 (en) 1995-04-10

Family

ID=21598156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5029886 RU2032996C1 (en) 1991-07-03 1991-07-03 Device for control over temperature of flat billet during induction heating

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2032996C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2510163C2 (en) * 2009-12-14 2014-03-20 Ниппон Стил Корпорейшн Control unit of induction heating unit, system of induction heating and method to control unit of induction heating
RU2779350C1 (en) * 2019-03-29 2022-09-06 Прайметалз Текнолоджиз Аустриа ГмбХ Heating apparatus for induction heating of a flat steel strip in a hot rolling mill
US12090535B2 (en) 2019-03-29 2024-09-17 Primetals Technologies Austria GmbH Heating device for the inductive heating of a flat steel strip in a hot rolling mill

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Коломейцева М.Б. и др. Программные регуляторы индукционного нагрева, М.: Энергия, 1972, с.9. *
2. Авторское свидетельство СССР N 759036, кл. H 05B 6/06, 1973. *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2510163C2 (en) * 2009-12-14 2014-03-20 Ниппон Стил Корпорейшн Control unit of induction heating unit, system of induction heating and method to control unit of induction heating
US9247590B2 (en) 2009-12-14 2016-01-26 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Control unit of induction heating unit, induction heating system, and method of controlling induction heating unit
US9907120B2 (en) 2009-12-14 2018-02-27 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Control unit of induction heating unit, induction heating system, and method of controlling induction heating unit
US9942949B2 (en) 2009-12-14 2018-04-10 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation Control unit of induction heating unit, induction heating system, and method of controlling induction heating unit
RU2779350C1 (en) * 2019-03-29 2022-09-06 Прайметалз Текнолоджиз Аустриа ГмбХ Heating apparatus for induction heating of a flat steel strip in a hot rolling mill
US12090535B2 (en) 2019-03-29 2024-09-17 Primetals Technologies Austria GmbH Heating device for the inductive heating of a flat steel strip in a hot rolling mill

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Davis et al. Observer-based adaptive robust control of friction stir welding axial force
EP0426350A2 (en) Induction heating
Lu et al. Design of a perturbation estimator using the theory of variable-structure systems and its application to magnetic levitation systems
AU3589893A (en) Apparatus and method for deforming a workpiece
Achour et al. Permanent magnet synchronous motor PMSM control by combining vector and PI controller
RU2032996C1 (en) Device for control over temperature of flat billet during induction heating
Aware et al. Application of adaptive neuro-fuzzy controller (ANFIS) for voltage source inverter fed induction motor drive
RU2076465C1 (en) Temperature controller used at induction heating
Gulpanich et al. PLC-based industrial temperature controller with different response times
JP2001265408A (en) Device and method for controlling temperature of heat system plant
US3534574A (en) Process for the hot forming of metal
SU1594709A2 (en) Device for automatic control of induction heating unit temperature
RU2039420C1 (en) Method for induction heating of flat metal products
SU1429347A1 (en) Intermittent-action unit for induction heating of metal bodies
SU1178782A1 (en) Device for controlling the heating of ferromagnetic blanks in continuous heating unit
EP1006757B1 (en) Magnetic heating system
SU1586857A1 (en) Apparatus for high-frequency heating of metal when cutting
SU847528A1 (en) Method of heat treatment of metallic articles in inductor
SU1064482A1 (en) Plant for induction heating of articles
SU706836A1 (en) Proportional temperature regulator
SU1107347A2 (en) Device for adjusting heat mode of methodical induction plant
SU1198768A1 (en) Method of controlling article heating for hot deformation in induction periodic heater
ES8407264A1 (en) Method and circuit arrangement for controlling the speed of an asynchronous motor
SU840837A1 (en) Temperature regulating device
Al Tahtawi et al. Speed Control of 3 Phase 1.5 kW Induction Motor using VSD LS SV015IG5A-2 with Proportional Integral Anti-Windup Method