Разработка системы управления температурным режимом индукционных тигельных миксеров

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.