авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Разработка системы управления температурным режимом индукционных тигельных миксеров

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ФЕДИН МАКСИМ АНДРЕЕВИЧ

разработка СИСТЕМЫ управления

ТЕМПЕРАТУРНЫМ РЕЖИМОМ

индукционных тигельных миксеров

Специальность 05.09.10 – Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва, 2009

Работа выполнена на кафедре «Физика электротехнических материалов и компонентов и автоматизация электротехнологических комплексов» Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки РФ Кувалдин Александр Борисович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Нгуен Куок Ши

Кандидат технических наук, доцент

Печоркин Валерьян Витольдович

Ведущая организация: ООО «Градиент», г. Истра

Защита диссертации состоится «11» декабря 2009 года в 12 час. 00 мин. в аудитории М-611 на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 Московского энергетического института (технического университета) по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, корп. М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан «10» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02

к.т.н., доцент Цырук С.А.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Индукционные тигельные миксеры (ИТМ) широко ис­пользуются в литейном производстве для термостатирования и выравнивания хи­мического состава расплава различных металлов (чугуны, стали, цветные металлы и сплавы на их основе). При этом характерной особенностью ИТМ является ра­бота с переменным уровнем расплава, изменяющимся в широких пределах (100 – 10% от номинального), что оказывает влияние на параметры электрических (элек­трический КПД, коэффициент мощности), тепловых (тепловые потери) и магни­тогидродинамических (высота мениска) режимов его работы и предъявляет спе­цифические требования к системе управления.

Существующие в нашей стране и за рубежом методы расчета режимов ра­боты и решения задач управления ИТМ, представленные в работах Простякова А.А., Димитрова М.А., Тира Л.Л., Столова М.Я., Гитгарца Д.А., Брокмайера К. и других ученых, базируются в основном на результатах экспериментальных иссле­дований, что ограничивает область их применения. Универсальные численные методы расчета ИТМ, учитывающие работу миксера с переменным уровнем рас­плава, позволяют расширить область применения методик расчета и получить бо­лее точные модели ИТМ для систем управления, что делает актуальной задачу разработки этих методов.

Поскольку непосредственное измерение технологических параметров ИТМ (температура расплава, высота мениска и др.) затруднено, задача построения сис­темы автоматического регулирования технологическими параметрами ИТМ по косвенным параметрам также является весьма актуальной.





В данной работе разработаны математические модели ИТМ, связывающие параметры тепловых, электрических и магнитогидродинамических режимов его работы с уровнем расплава, что позволило создать инженерную методику расчета ИТМ. На основании математических моделей ИТМ разработана система автома­тического управления температурой расплава ИТМ по косвенным параметрам.

Целью работы является разработка системы управления температурным режи­мом индукционного тигельного миксера с учетом переменного уровня расплава в тигле.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

  1. Разработка методики расчета тепловых и электрических характеристик ИТМ с учетом переменного уровня расплава.
  2. Определение и анализ тепловых и электрических характеристик ИТМ с учетом переменного уровня расплава.
  3. Разработка уточненной математической модели состояния расплава в тигле и исследование влияния формы свободной поверхности расплава на электри­ческие и энергетические характеристики индукционных тигельных печей (ИТП) и миксеров.
  4. Идентификация миксера как сложного объекта управления со встроен­ной моделью.
  5. Разработка алгоритма управления температурным режимом миксера по косвенным параметрам на основе модели, учитывающей переменный уровень рас­плава.
  6. Исследование системы управления температурным режимом миксера, ис­пользующей встроенную модель.

Объект исследования электротермические установки с индукционными тигельными миксерами. Основное внимание уделяется исследованию зависимо­стей параметров миксера от изменяемого уровня расплава.

Научная новизна работы:

1. Разработаны уточненные методики определения тепловых и электрических характеристик ИТМ с учетом переменного уровня расплава в тигле. Получены за­висимости, связывающие уровень расплава с тепловыми и электрическими харак­теристиками миксера.

2. Разработана уточненная методика определения формы свободной поверх­ности расплава в ИТМ с учетом переменного уровня металла. Найдены зависимо­сти высоты и формы свободной поверхности расплава от геометрических и элек­трических параметров печи.

3. Установлены зависимости, определяющие влияние формы расплава на энергетические параметры ИТМ.

4. Получена структурная модель ИТМ, устанавливающая связь температуры расплава с электрическими параметрами с учетом переменного уровня расплава.

5. На основании проведенных исследований показана целесообразность по­строения системы управления температурным режимом миксера с использова­нием встроенной модели, определяющей температуру расплава по косвенным пара­метрам.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Разработанные пакеты программ Overheat и Menisk могут быть использованы для расчетов ИТМ и ИТП. Предложены алгоритмы управления и система регули­рования температуры расплава ИТМ по косвенным параметрам. Обоснована воз­можность и целесообразность построения системы управления температурным режимом миксера со встроенной моделью на базе программируемого контрол­лера. Результаты работы также используются в учебном процессе.

Достоверность полученных результатов. Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждается корректным использованием при­нятых допущений и численных методов расчета, а также совпадением результатов исследования с литературными данными.

Апробация работы.

Результаты работы доложены на XVI международном конгрессе по примене­нию электричества в современном мире (Краков, 2008); 2-й международной кон­ференции «Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева» APIH-09 (Санкт-Петербург, 2009); 54-м международном научном коллоквиуме «Информационная технология и электротехника – устройства и системы, мате­риалы и технологии для будущего» (Ильменау, 2009); 3-м международном фо­руме по стратегическим технологиям (Новосибирск, 2008); международных на­учно-технических конференциях «Электромеханические преобразователи энер­гии» (Томск, 2007, 2009); XI и XII международных конференциях «Электромеха­ника, электротехнологии, электрические материалы и компоненты» (МЭИ, 2006 – 2007); 12 – 15-й международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ, 2006 – 2009); 5 – 7-й международных научно-практических интернет-конференциях «Энерго- и ресурсосбережение – XXI век» (Орловский ГТУ, 2007 – 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, в том числе 4 публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 1 патент РФ.

Реализация результатов работы: результаты диссертационной работы предполагается использовать на предприятиях, проектирующих и эксплуатирую­щих индукционные тигельные миксеры. Результаты работы используются также в учебном процессе на кафедре ФЭМАЭК МЭИ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Основной текст диссертации изложен на 115 страницах, ра­бота сопровождается 11 таблицами, 43 рисунками и приложением на 7 страни­цах, список литературы включает 69 наименований.

Содержание работы

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, научно-практическая значи­мость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор и анализ литературы по теме диссертации. Рассмотрены конструкции, характеристики, методы расчета тепловых и электри­ческих режимов, регулирование ИТМ. Показано, что на работу ИТМ оказывает существенное влияние изменение уровня расплава, поэтому его необходимо учи­тывать при разработке методики расчета и системы управления ИТМ. С учетом изложенного поставлены цель и задачи работы.

Во второй главе описаны математические модели для расчета тепловых и электрических характеристик ИТМ с учетом переменного уровня расплава в тигле.

При расчете тепловые потери ИТМ разделяются на несколько составляющих: потери через крышку ; потери через часть тигля, не соприкасающуюся с распла­вом ; потери через часть тигля, контактирующую с расплавом, и по­тери через подину миксера (рис. 1).

В тепловом расчете ИТМ используются следующие основные допущения:

1) загрузка (ванна жидкого металла) имеет цилиндрическую форму;

2) температура расплава по объему одинакова и поддерживается постоянной при изменении уровня расплава;

3) теплообмен между крышкой и поверхно­стью тигля, не контактирующей с распла­вом, не учитывается.

Тепловой поток излучением с зеркала ванны расплава на внутреннюю поверхность футеровки миксера:

, (1)

где , и , - степень черноты и абсо­лютная температура расплава и внутренней поверхности крышки () или внутренней поверхности тигля, не соприкасающейся с расплавом () соответственно; Вт/(м2К4) – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; - взаимная поверхность облучения «ванна - крышка» или «ванна - тигель».

Взаимные поверхности облучения рассчитываются численно на основа­нии законов Стефана-Больцмана и Ламберта.

Выражение (1) представляет собой нелинейную функциональную зависи­мость теплового потока излучением от температур и и для сведения ее к линей­ной зависимости вводится эквивалентный коэффициент теплообмена:

, (2)

который используется в качестве граничного условия при теплообмене излуче­нием внутри ИТМ. конвективной составляющей теплообмена пренебрегаем.

С учетом (2) выражение (1) линеаризуется и приводится к виду

(3)

выражение для теплового потока с учетом дополнительного теплового со­противления через футеровку миксера

, (4)

где и - температуры расплава и окружающей среды; , , - внутреннее, наружное тепловые сопротивления и суммарное тепловое сопро­тивление слоёв футеровки соответственно.

При расчете тепло­вых потерь с боковой поверхности ИТМ вводится гранич­ное условие первого рода для наружной поверхности тепловой изоляции. Принято tнар=150 °С.

Разработанный ал­горитм расчета тепловых потерь ИТМ описывает стацио­нарные режимы работы миксера и не учитывает переходные процессы при изме­нении уровня расплава в тигле.

Расчет электриче­ских режимов работы ИТМ при изменении уровня расплава выпол­нен методом индуктивно связанных контуров, при котором индуктор и за­грузка ИТМ разбиваются на концентрические кольца как в радиальном, так и в продольном на­правлениях, что позво­ляет учитывать при рас­чете краевые эф­фекты.

При электрическом расчете ИТМ принима­ются следующие основные допу­щения: при расчете собственных и взаимных ин­дуктивностей колец их сечение принимается равным нулю; система является ли­нейной; загрузка имеет цилинд­рическую форму.

Достаточная для практики точность решения достигается при выборе шага разбиения по осям r и z, не превышающего 0,2 глубины проникновения электро­магнитной волны в материал индуктора или загрузки.

Методики расчета тепловых и электрических характеристик реализованы в пакете программ Overheat (полный объем пакета – около 7 МБ). На рис. 2 пред­ставлен фрагмент окна программы Overheat с исходными данными для электри­ческого расчета ИТМ.

В третьей главе производится идентификация ИТМ как объекта управления: приводятся рассчитанные с использованием пакета Overheat тепловые и электри­ческие характеристики различных ИТМ, строится обобщенная структурная мо­дель ИТМ.

В качестве примера принят ИТМ для перегрева и выдержки чугуна емкостью 4 т.

Изменение уровня расплава в ИТМ ока­зывает относительно незначитель­ное влия­ние на параметры теплового режима его ра­боты. Так, при сливе из миксера 70% рас­плава суммарные теп­ловые потери умень­шились менее чем на 10% (с 45,9 кВт до 41,5 кВт). При этом тепловые потери в основном снижаются через боковую поверх­ность тигля.

Было проведено исследование влияния емкости миксера (для 1, 4 и 10 тонн чугуна) на его суммарные тепловые потери Pп при изменении уровня расплава . Результаты в относительных величинах представлены на рис. 3. За базовый уро­вень расплава прини­маем номинальный уровень, соответст­вующий полному мик­серу; за базовые сум­марные тепловые по­тери – сум­марные тепловые потери полного миксера.

Емкость миксера (в исследованном ин­тервале) не оказывает существен­ного влия­ния на изменение суммарных тепловых по­терь миксера при изме­нении количества находящегося в нем расплава.

Для исследования влияния свойств ме­талла (температура плавления и сте­пень черноты) на суммарные тепловые потери при изменении уровня рас­плава проведены расчеты ИТМ с одинаковыми размерами тигля, результаты которых представлены на рис. 4.

Показано, что изменение уровня рас­плава в тигле миксера тем сильнее сказыва­ется на значении суммарных тепловых по­терь, чем меньше сте­пень черноты зеркала ванны, темпе­ратура жидкого металла и чем меньше емкость миксера.

Установлено, что изменение коли­че­ства расплава в миксере значи­тельно влияет на параметры электри­ческого режима его ра­боты: электри­ческий КПД и (рис. 5).

Проведено исследование суммарной ак­тивной мощности в загрузке, а также актив­ных мощностей, выделяющихся в боковой, верхней торцевой и нижней тор­цевой частях загрузки, в зависимости от уровня расплава в тигле миксера (чу­гун, 4 т), см. рис. 6. Доля торцевых об­ластей в суммарной активной мощности увели­чива­ется с уменьшением уровня расплава, достигая 50% в верхней торце­вой об­ласти при заполнении тигля на 30%.

Для построения структурной модели ИТМ использовано уравнение энер­гетиче­ского баланса установки

, (5)

где - активная мощность, потреб­ляемая установкой; - ак­тивная мощность в ин­дукторе (по­тери в индукторе); - суммар­ные тепловые потери; и - удельная теплоемкость и масса расплава в тигле; - элементарный промежу­ток вре­мени; - элементарное изме­нение темпера­туры за время .

Энергетический баланс (5) пре­небрегает потерями в токоподводя­щих эле­ментах, конденсаторной батареи, а также в магнитопроводе, что не­значительно сказывается на точности структурной модели миксера, однако, позволяет сущест­венно её упростить.

Из энергетического баланса (5) с использованием преобразования Лапласа получаем выражение для температуры

, (6)

где t0 – начальная температура расплава (измеряется термопарой).

Расчет мощности тепловых и электрических потерь с использованием пол­ной математической модели ИТМ (глава 2) сопряжен с большими временными затратами и не может быть рекомендован для построения системы управления в реальном времени. Поэтому в работе была перестроена и упрощена с использова­нием методов планирования эксперимента исходная модель применительно к возможностям системы управления.

Для ИТМ для чугуна емкостью 4 т по результатам вычислительного экспе­римента с использованием пакета Overheat получены зависимости сум­мар­ных те­пловых потерь Ph, тока индуктора I1, а также мощности электриче­ских по­терь в индукторе P1:

; (7)

; (8)

; (9)

Влияющими параметрами для выбранных функций цели являются уро­вень металла (по отношению к уровню полностью заполненного миксера) , темпера­тура расплава , напряжение и ток индуктора и I1. При этом значение изменя­ется от 30 до 100%, - от 1200 до 1400 , - от 90 до 500 В и I1 – от 0 до 3000 А.

Уравнение (6) и уравнения регрессии (7 – 9) образуют перестроенную мо­дель ИТМ (рис. 7), являющуюся основой разрабатываемой сис­темы управления.

Данная структурная модель не учитывает влияние формы свободной по­верхности расплава в тигле на электрические и энергетические характери­стики установки с ИТМ, поскольку последние работают с гораздо меньшими, по срав­нению с плавильными печами, удельными поверхностными мощно­стями. Влия­ние мениска на электрические и энергетические характеристики ИТМ рассмот­рено в гл. 4.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.