2809.Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике

Рис. 5. Диск с испытательной оснасткой (индукторами, световодами и фотодиодами) в разгонной бронекамере

На основе проведенных исследова-			Список литературы
ний бесконтактная система с 5 каналами		1. Кувалдин				А.Б.,		Лепешкин А.Р.
измерений температур, работающая при
индукционном нагреве, была разработа-	Скоростные режимы индукционного на-
на и применена при циклических испы-	грева и термонапряжения в изделиях:
таниях диска турбины ГТД на разгонном	моногр. − Новосибирск: Изд-во Новосиб.
стенде (рис. 5). Разработанная система	.		. -	, 2006. – 286 .
позволила повысить эффективность и	гос техн ун та								с
		2. Пат.		2416869				Рос.		Федерация,
надежность испытаний, сократить сроки	МПК H02N 11/00. Способ получения
и понизить стоимость испытаний без ис-	энергии и устройство для его реализа-
пользования ртутных токосъемников и	ции	/	Кувалдин			.	.,	Лепешкин			. .,
другого дополнительного оборудования.					А Б						А Р
	Лепешкин С.А.; заявитель и патен-
В дальнейшем необходимо продолжить	тообладатель				НИУ				«МЭИ».		–
работы по совершенствованию техноло-	№ 2010117026/07;						заявл.			30.04.2010;
гии бесконтактных измерений более низ-	опубл		. 20.04.2011,				.		11.
						Бюл №

ких температур вращающихся дисков.

281

УДК 621.365

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

А.Б. Кувалдин, М.А. Федин, И.М. Генералов, А.О. Кулешов

Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»

Разработана физическая модель индукционной тигельной печи. Проведено экспериментальное исследование параметров индукционной тигельной печи для плавки ферромагнитной кусковой шихты в непроводящем тигле. Проведено экспериментальное исследование параметров печи для плавки меди и магния в проводящих тиглях. На основании экспериментальных данных проведен синтез систем автоматического управления печи при различных режимах работы.

Ключевые слова: индукционная тигельная печь, проводящий тигель, двухпозиционное регулирование, температура металла, транзисторный преобразователь частоты, физическое моделирование.

EXPERIMENTAL RESEARCH OF PHYSICAL MODEL

OF THE INDUCTION CRUCIBLE FURNACE

A.B. Kuvaldin, M.A. Fedin, I.M. Generalov, A.O. Kuleshov

National Research University "Moscow Power Engineering Institute"

The physical model of the induction crucible furnace was developed. Experimental study of the parameters of an induction crucible furnace for melting lumpy charge in ferromagnetic nonconducting crucible was made. Experimental study of the parameters of the furnace for melting copper and magnesium in conducting crucible was made. Synthesis of automatic control systems for furnaces in various modes on the basis of experimental data was made.

Keywords: induction crucible furnace, conductive crucible melting of copper, two-position control, temperature of the metal, frequency transistor inverter, physical modeling.

Индукционные тигельные печи (ИТП) широко применяются в промышленности для плавки черных и цветных металлов, в частности качественных медных и магниевых сплавов. В зависимости от электрических свойств материала тигля различают ИТП с непроводящим и проводящим тиглем.

К первой группе относятся печи с диэлектрическим керамическим тиглем, предназначенные для плавления металлов. В таких печах загрузка (садка) нагревается индуцированным в ней током, тигель же эквивалентен воздушному зазору.

Ко второй группе относятся печи со стальным, графитовым или графитошамотным тиглем, обладающим большей или меньшей электропроводностью.

Если толщина стенки тигля более чем вдвое превышает глубину проникновения тока в материал тигля, то можно считать, что индуцированный ток сосредоточен в стенке тигля, загрузка же прогревается только путем теплопередачи и может не обладать электропроводностью. При меньшей толщине стенки тиг-

ля	электромагнитное	поле проникает
в	загрузку и энергия	выделяется как

в стенке тигля, так и в самой загрузке, если она электропроводна. Печи с проводящим тиглем имеют теплоизоляцию.

Современные установки ИТП требуют автоматизации проводимого в них технологического процесса, контроля и управления электрических (напряжение, ток, мощность, cosφ) и технологических (температура металла) парамет-

282

ров. Поскольку плавильные ИТП, в частности рассматриваемые ИТП с проводящим тиглем, являются достаточно инерционными в тепловом отношении объектами, практика показывает, что систему регулирования электрическим и тепловым режимом садки в печах мощностью до 100–150 кВт можно строить по двухпозиционному принципу. Источниками питания таких печей, как правило, являются транзисторные преобразователи частоты, работающие как в продолжительном, так и в повторно-крат- ковременном режимах. Для выбора параметров системы регулирования печи необходима идентификация ИТП как объектов системы управления с последующим встраиванием модели печи в структурную модель системы регулирования в MatLab.

Идентификация ИТП может проводиться с использованием методов электрического и теплового расчетов [5] или с использованием физического моделирования.

Физическое моделирование позволяет получить наиболее достоверную информацию о натурном объекте. Оно основано на изменении масштаба физических свойств материалов, геометрических размеров системы или параметров, характеризующих режим нагрева, при сохранении физической сущности процессов, происходящих в модели и оригинале [3]. Используя теорию подобия, результаты моделирования можно перенести на печи большей емкости, применяя масштабные коэффициенты.

Для экспериментальных исследований в НИУ «МЭИ» создан лабораторнопромышленный стенд на базе ИТП для плавки меди и магния, а также ферромагнитной стали. Экспериментальные исследования проводились для трех металлов: медь, магний и ферромагнитная сталь.

При нагреве ферромагнитной кусковой шихты было проведено физическое моделирование на масштабной модели ИТП. Для моделирования самой кусковой шихты применялись куски стальной проволоки длиной 25 мм двух разных диаметров (2,9 и 1,1 мм).

Точное воспроизведение в модели численных значений всех определяющих критериев при большом их числе и при условии геометрического подобия практически невозможно.

На практике, как правило, условия полного подобия не выполняются, что вынуждает переходить на приближенное моделирование, при котором в модели воспроизводится тот же физический процесс, что и в реальном объекте, при частичном нарушении некоторых из пяти условий полного моделирования [3].

Работа проводилась на модельной установке ИТП с керамическим тиглем. Печь питается от транзисторного последовательного инвертора максимальной установленной мощностью 2,5 кВт и частотой 16–21 кГц. Преобразователь частоты выполнен с принудительным воздушным охлаждением, охлаждение индуктора водяное [9].

На риc. 1 представлен эскиз моделируемой ИТП. Параметры модельной установки следующие: d1м = 94 мм, d2м = = 67 мм, l1м = 76 мм, l2м = 113 мм, масса загрузки mш.м = 985 г, частота в начальный момент нагрева шихты fм = 16,8 кГц, число витков индуктора – 6.

Параметры модельной установки ИТП можно привести к параметрам большой ИТП согласно теории подобия. Для геометрического подобия имеем

d1п

=

d2п

=

l1п

=

l2п

=

d

d

2м

l

l

2м

1м

1м

(1)

fм

dш.п

mш.п

=

fп

=

dш.м

= 3

mш.м

,

283

где d1п, d2п, l1п, l2п, fп, dш.п, mш.п –	вых потерь ИТП и средней температуры
внутренний диаметр индуктора, диаметр	печи [1, 4, 6]. Для измерения и регистра-
загрузки, высота индуктора, высота за-	ции аналоговых сигналов использовался
грузки, частота питания, диаметр шихты,	ПЛК (программируемый логический
масса шихты соответственно для боль-	контроллер) «Овен ПЛК 150» с 4 встро-
шой печи. Представленную модель мож-	енными	модулями АЦП (аналого-циф-
но сопоставить с ИТП для выплавки ста-	ровых преобразователей) и модуль ана-
ли со следующими характеристиками:	логового	ввода «Овен МВ110-8И» на
d1п = 940 мм, d2п = 670 мм, l1п = 760 мм,	8 каналов, который подключен к ПЛК по
l2п = 1130 мм, частота f = 170 Гц, емкость	последовательному асинхронному кана-

	печи составляет 1	т.	лу связи стандарта RS-485 по протоколу
			Modbus RTU. ПЛК вычисляет среднюю
			температуру по косвенным параметрам и
			регулирует подачу энергии в загрузку
			печи методом двухпозиционного регу-
			лирования.

Рис. 1. Чертеж физической модели ИТП: 1 – индуктор; 2 – кусковая загрузка; 3 – теплоизоляция; 4 – огнеупорный тигель

В ходе эксперимента измерялись значения тока индуктора I, напряжения индуктора U, частоты питающего напряжения f, активной мощности, потребляемой преобразователем частоты P и средней температуры в самой загрузке T (рис. 2). Помимо основных параметров также измерялись дополнительные: температуры воды на входе и выходе из индуктора, расход охлаждающей воды индуктора с помощью ротаметра с импульсным выходом, температуры на стенке тигля, крышке и подине печи. Дополнительные параметры использовались для косвенного определения тепло-

284

Рис. 2. Функциональная схема лабораторной установки

Измеряемые параметры ИТП записывались в файл на персональном компьютере с периодом 1 с при помощи созданной системы автоматизированного сбора данных на базе ПЛК. Полученные значения параметров усреднялись с периодом в 30 с. Далее следует обработка полученного массива экспериментальных данных с последующим анализом результатов.

На рис. 3 изображена термограмма теплового поля ИТП со снятой крышкой. В правом верхнем углу полученной термограммы можно увидеть значение максимальной температуры шихты 686 °С в верхней части печи.

Из полученных данных вычисляются параметры Rи и Lи. Определение Lи вместо Хи производится по причине того,

Рис. 3. Термограмма теплового поля в верхней части ИТП

что в процессе нагрева частота источника питания автоматически подстраивается под изменяющуюся нагрузку. Приняв во внимание только первую гармонику напряжения индуктора, получим коэффициент мощности системы

cos ϕ =	ηP	,	(2)
	UI

где η – КПД преобразователя частоты. Полное сопротивление системы ин-

дуктор – загрузка

Z = U	,	(3)
I

откуда получаем искомые значения Rи и Lи:

R = Z cos ϕ,	L	=		Z		1−cos2	ϕ	.	(4)
и	и					2πf
r =	πd1м		ω2		ρ	,
1	l1м				∆
LS = µ0Shω2 / l2м,									(5)

L0 = kµ0S1ω2 / l1м,

где r1 – активное сопротивление самого индуктора на рабочей частоте; L0 – индуктивность «воздушного» индуктора; LS – индуктивность рассеяния; d1м – внутренний диаметр индуктора; ρ – удельное сопротивление меди; l1м – высота индуктора; ω – количество витков; ∆ – глубина проникновения тока в медную шину; µ0 – магнитная постоянная;

Sh – площадь зазора рабочей области индуктора вне загрузки; l2м – высота загрузки; k – коэффициент Нагаока; S1 – площадь загрузки.

Рассчитывая соотношения (5) для индуктора, получим r1 = 5 мОм, LS1 = = 1,3 мкГн, L0 = 2,8 мкГн. Используя формулы расчета комплексных сопротивлений, находим остальные параметры схемы замещения.

Вычисленные зависимости параметров последовательной схемы замещения ИТП представлены в графическом виде на рис. 4, a и б при двух разных диаметрах кусковой шихты из ферромагнитной стали в завалке в виде зависимости от температуры.

На рис. 4 даны в относительных единицах значения параметров Rи* и L*и ,

отнесенные к значениям в начале опыта, последовательной электрической схемы замещения системы индуктор – загрузка, причем в случае а начальные значения Rи = 0,057 Ом, Lи = 4 мкГн; в случае б – Rи = 0,063 Ом, Lи = 4 мкГн. Отношение глубины проникновения поля к диаметру шихты ∆ / dш.м, в начальный момент на-

грева для случая а ∆ / dш.м = 0,17; б – ∆ / dш.м = 0,06 для диаметров шихты 1,1

и 2,9 мм соответственно [2, 7].

Из рис. 4 видно, что в процессе нагрева загрузки сильно изменяются параметры ферромагнитной кусковой шихты. В таких условиях для поддержания постоянства мощности в загрузке в процессе нагрева необходимо регулировать напряжение индуктора, что обычно реализуется при использовании преобразователя частоты с автоподстройкой под параметры ИТП. Используя зависимости изменения параметров загрузки, можно выбрать источник питания необходимой мощности.

285

а

б

Рис. 4. Зависимости относительных значений общих сопротивления R* и индуктивности L* индуктора от температуры для диаметров шихты: а – 2,9 мм; б – 1,1 мм

Полученное в результате экспериментальных исследований математическое описание ИТП используется при синтезе регуляторов мощности и температуры, построенных по двухпозиционному или непрерывному (ПИ-регулятор) принципам.

Для плавки меди и магния в ИТП используются проводящие тигли из графита и ферромагнитной стали соответственно.

При проведении экспериментальных исследований для регулирования величины входного напряжения используется однофазный лабораторный автотрансформатор Fnex мощностью 3 кВА. Для регулирования температуры используется цифровой регулятор температуры OMRON E5CC. В экспериментальных исследованиях использовалось следующее измерительное оборудование: тепловизор FLIR T425 с диапазоном измерения температуры от –20 до 1200 °С, двухканальный цифровой осциллограф

Tektronix TDS 1012B, хромель-алюме-

левые термопары (типа К), стрелочные вольтметр, амперметр, ваттметр, фазо-

метр, цифровые вольтметры, цифровой мультиметр, цифровой трехканальный измеритель-регистратор температуры

Aktakom ATE-9380, трансформаторы то-

ка и напряжения.

На рис. 5 показан чертеж системы индуктор – загрузка печи с проводящим тиглем с геометрическими размерами.

Рис. 5. Чертеж системы индуктор – загрузка печи с футеровкой: 1 – индуктор; 2 – проводящий тигель; 3 – металл; 4 – керамическая вставка; 5 – подина; 6 – крышка

286

Рис. 6. Структурная модель двухпозиционной системы регулирования температуры ИТП в режиме нагрева, расплавления и выдержки расплава меди

	а	б
Рис. 7. Фотография (а) и тепловизионное изображение тигля с жидким расплавом (б)
С использованием полученного экс-		грева – 1120 °С. После полного расплав-
периментально	математического описа-	ления наблюдался выпуклый мениск
ния ИТП для плавки меди авторами в		высотой 3–4 мм.
пакете MatLab разработана структурная		На рис. 8 приведена кривая измене-
модель двухпозиционной системы регу-		ния температуры с учетом добавления
лирования температуры садки в печи для		медной шихты в расплавленный металл
режима нагрева, расплавления и вы-		и величины размаха колебаний. Размах
держки меди в печи (рис. 6) [10–12]		колебаний температуры в квазиустано-
На рис. 7 приведены фотография и		вившемся режиме в процессе регулиро-
тепловизионное	изображение тигля с	вания – от 1190 до 1200 °С. Система
жидкой медью (а, б). Рис. 7, а соответст-		полностью отрабатывает все возмуще-
вует моменту, предшествующему сливу		ния, основным из которых является до-
металла. Первоначальная загрузка мед-		бавление шихты в расплавленный ме-
ной шихты производилась в холодный		талл. Полученные данные с точностью
тигель, затем через некоторое время по		не менее 5 % совпадают с теоретической
мере расплавления и осаживания шихты		кривой.
были произведены две дозагрузки. Сум-		Для ИТП для плавки магния была
марная масса расплавленной меди соста-		разработана аналогичная структурная
вила около 1 кг, общее время расплавле-		модель и получены переходные процес-
ния – около 19 мин, температура пере-		сы изменения температуры и мощности.
		287

Рис. 8. График зависимости температуры от времени

	Рис. 9. Кривая расплавления алюминиевого цилиндра
Экспериментальное исследование регу-				Список литературы
лятора заключалось в снятии кривой из-
менения температуры металла в печи.			1. Kuvaldin A.B., Fedin M.A. Deve-
В ходе экспериментов магний был заме-			lopment of a system of regulation induction
нен алюминием, так как магний на от-			melting installations with indirect estimates
крытом воздухе окисляется и возгорает-			of the temperature load // Workshop
ся. В результате в качестве загрузки печи			Elektroprozesstechnik.			–	Tagungsband,
использовался алюминиевый		цилиндр,	Ilmenau, 2013.
помещенный в стальной тигель.			2. Kuvaldin A., Fedin M., Generalov I.
На рис. 9 представлена кривая изме-			Determination electrical parameters lumpy
нения температуры расплавления алю-			ferromagnetic charge when heated to the
миниевого цилиндра. Размах колебаний			Curie point // Advanced Methods of the
температуры в процессе регулирования			Theory	of	Electrical		Engineering
составил 640–650 °С.			AMTEE’15. – Czech Republic. – Р. 1–2.
Полученные данные с точностью не			3. Архипов В.А., Березиков А.П. Ос-
менее 5 % совпадают с теоретической			новы теории инженерно-физического
кривой. С использованием разработан-			эксперимента: учеб. пособие. – Томск:
ных методик и модели системы регули-			Изд-во Том. политехн. ун-та, 2008. –
рования	можно проводить	настройку	206 с.
системы	регулирования температуры		4. Гитгарц Д.А. Автоматизация пла-
садки ИТП, работающей в двухпозици-			вильных	электропечей		с	применением
онном режиме, в зависимости от емкости			микро-ЭВМ. – М.: Энергоатомиздат, 1984.
печи, мощности источника питания,			5. Кувалдин А.Б. Индукционный на-
уровня задающего воздействия, измене-			грев ферромагнитной стали. – М.: Энер-
ния возмущающих воздействий и др.			гия, 1988. – 200 с.

288

6. Кувалдин	А.Б., Федин	М.А.	10. Разработка регулятора темпера-
Идентификация	индукционных	тигель-	туры	индукционной	тигельной	печи
ных миксеров как объектов параметри-			с проводящим тиглем / М.А. Федин,
ческой системы управления // Индукци-			А.Б. Кувалдин, А.О. Кулешов, И.М. Ге-
онный нагрев. – 2013. – № 1(23). –			нералов // Электромеханика, электротех-
С. 19–24.			нологии, электротехнические материа-
7. Кувалдин А.Б., Федин М.А., Ге-			лы и компоненты: тр.		XV Междунар.
нералов И.М. Физическая модель для			конф. – Алушта, 2014. – С. 248–249.
определения характеристик индукцион-			11. Федин М.А., Кулешов А.О. Рас-
ной тигельной печи при нагреве ферро-			чет электрических характеристик индук-
магнитной кусковой шихты // Индукци-			ционных тигельных печей с проводящим
онный нагрев. – 2015. – № 1(28). – С. 3–8.			тиглем // Наука. Техника. Технологии
8. Автоматическое управление элек-			(политехн. вестник). – 2014. – № 4. –
тротермическими установками: учебник			С. 87–90.
для вузов / А.М. Кручинин, К.М. Мах-			12. Федин М.А.,		Кулешов	А.О.
мудов, Ю.М. Миронов [и др.]; под ред.			Разработка автоматизированной			уста-
А.Д. Свенчанского. – М.: Энергоатомиз-			новки	индукционной	тигельной	печи
дат, 1990.			с проводящим тиглем для плавки метал-
9. Федин М.А. Выбор принципа ре-			лов // Проблемы разработки месторож-
гулирования и разработка системы управ-			дений углеводородных и рудных по-
ления индукционных тигельных		печей	лезных ископаемых. – 2014. – № 1. –
с проводящим тиглем // Индукционный			С. 586–589.
нагрев. – 2014. – № 1(27). – С. 24–28.

289

УДК 621.365

ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ПЛАВКОЙ В ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ

М.А. Федин

Национальный исследовательский университет «Московский энергетический институт»

Рассмотрены различные варианты управления плавкой в индукционных тигельных печах. Приводится сравнение схем источников питания индукционных тигельных печей средней и высокой частоты. Даны рекомендации по выбору способа управления в зависимости от типа индукционной плавильной печи.

Ключевые слова: индукционная тигельная печь, система управления, управление по косвенным параметрам, параметрическое управление, источник питания, нечеткая логика, нейронные сети.

CONTROL OPTIONS FOR MELTING IN INDUCTION CRUCIBLE FURNACES

M.A. Fedin

National Research University "Moscow Power Engineering Institute"

Various control options are melting in induction crucible furnaces were considered. Comparison of schemes of power sources for induction crucible furnace of medium and high frequency was produced. The article provides guidelines for choosing a control method depending on the type induction melting furnace.

Keywords: induction crucible furnace, control system, control using indirect parameters, parameter control, power supply, fuzzy logic, neural networks.

Индукционный нагрев широко ис-		обеспечивать небольшой перегрев ме-
пользуется для плавки различных метал-		талла и расплавление легирующих доба-
лов и сплавов. Современные установки		вок. Вторые являются собственно мик-
индукционной плавки требуют автома-		серами в классическом понимании, а по-
тизации проводимого в них технологи-		следние представляют собой печь-
ческого процесса, контроля и управле-		миксер или копильник, встроенный в
ния электрических (напряжение, ток,		технологическую литейную линию.
мощность, cosφ) и	технологических	Основной особенностью		индукци-
(температура металла) параметров.		онных миксеров от печей является их
По назначению установки индукци-		работа с переменным уровнем расплава,
онной плавки разделяются на плавиль-		изменяющимся в широких пределах (10–
ные печи и миксеры, хотя это разделение		100 % от номинального), что оказывает
зачастую носит весьма условный харак-		существенное влияние на электрические,
тер. Миксеры в классическом понима-		энергетические	и тепловые	параметры
нии должны обеспечить только поддер-		установки, особенно в случае тигельных
жание температуры заливаемого в них		миксеров [5, 12]. Источниками питания
жидкого металла и его гомогенизацию		для тигельных миксеров являются элек-
(равномерность температурного поля и		тропечные трансформаторы или стати-
химического состава). Индукционные		ческие тиристорные или транзисторные
миксеры, в свою очередь, можно разде-		преобразователи	частоты.	Последние
лить на печи-миксеры, копильники и		используются в качестве источников пи-
раздаточные печи. Первые, помимо соб-		тания для тигельных миксеров, хотя пе-
ственно миксерных	функций, могут	реход для них на средние частоты обыч-
290