Тема работы: "ИДЕНТИФИКАЦИЯ ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ КАК ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ С УЧЕТОМ ПЕРЕМЕННОГО УРОВНЯ РАСПЛАВА В ТИГЛЕ" Ра

Цель исследования
Целью работы является разработка структурной схемы системы регулирования тока и мощности индукционной тигельной печи, в которой будет учитываться изменение уровня расплава в индукционной тигельной печи (ИТП) и индукционном тигельном миксере (ИТМ).
Для достижения поставленной цели необходимо провести анализ электрических режимов работы ИТП (ИТМ) при различном заполнении тигля с использованием программы Overheat . Эти расчеты учтены в модели, реализованной в пакете программ Simulink.

Индукционный нагрев применяется во многих областях обработки металлов: в печах для плавки черных и цветных металлов как на воздухе, так и в вакууме, в установках для нагрева под горячую обработку и т.д.
В настоящее время используются установки емкостью от десятков грамм до десятков тонн. Системы управления индукционными установками существенно различаются в зависимости от решаемых технологических задач. Наиболее сложными с точки зрения задач управления являются индукционные тигельные печи и индукционные тигельные миксеры Основная цель управления индукционными установками – обеспечение максимальной производительности печи.
Управление ИТП (или ИТМ) осуществляется с помощью регулятора мощности (или тока), регулятора коэффициента мощности (cosφ) и регулятора симметрирования.
Общие вопросы управления установками индукционного нагрева

Обзор работ, в которых ранее рассматривались вопросы управления индукционными установками
Проблемы связанные с управлением электрическими параметрами индукционных тигельных печей затронуты в достаточно широком круге работ:
Минеев А. Р., Коробов А.И., Погребисский М.Я. Моделирование электротехнологических процессов и установок // «Компания Спутник+», 2004.
Кувалдин А.Б., Федин М.А. Расчет тепловых и электрических характеристик ИТМ // Электрометаллургия, 2007.
Кувалдин А.Б., Погребисский М.Я., Федин М.А. Разработка системы управления температурой расплава в индукционных тигельных миксерах и ее исследование с использованием компьютерной модели.//Электрометаллургия,2008.
Гитгарц Д.А. Автоматизация плавильных электропечей с применением микро-ЭВМ // Энергоатомиздат, 1984.
Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи // «Энергия», 1967.
Погребисский М.Я. Методическое пособие по курсу «Автоматическое управление электротехнологическими установками» // Издательство МЭИ, 2001.

Индукционная тигельная установка в традиционных моделях регуляторов мощности(тока), регулятора cosφ и симметрирования, рассматривается как безынерционное звено с коэффициентом передачи К=1/R, где R – активное эквивалентное электрическое сопротивление системы «индуктор – загрузка», которое считается постоянной величиной (рис. 1).
Рис. 1. Структурная модель ИТП (ИТМ) в среде Simulink
Упрощенная структурная модель ИТП (ИТМ)

Блок-схема модели регулятора тока ИТП (или ИТМ) в среде Simulink, без учета переменного уровня расплава в тигле
Рис. 2. Блок-схема модели регулятора тока ИТП в среде Simulink
ЗУ
РУ
ИЭ
ДОС
ОУ
ЗУ – задающее устройство
РУ – регулирующее устройство
ИЭ – исполнительный элемент
ОУ – объект управления
ДОС – датчик обратной связи

Элементы входящие в состав блок-схемы модели регулятора тока ИТП (или ИТМ) в среде Simulink без учета переменного уровня расплава в тигле
– блок с зоной нечувствительности Dead Zone
Назначение:
Реализует нелинейную зависимость типа "зона нечувствительности (мертвая зона)".
– пропорционально-интегральный регулятор
Назначение:
Предназначен для регулирования тока в индукторе.
И-составляющая нужна для устранения статической ошибки, которая характерна для пропорционального регулятора. В исследуемой модели статическая ошибка определяется не порядком астатизма, а существующей нелинейностью системы, поэтому И-составляющая равна нулю.
– генератор ступенчатого сигнала
Назначение:
Формирует ступенчатый сигнал. В данной схеме ток уставки.

Элементы входящие в состав блок-схемы модели регулятора тока ИТП (или ИТМ) в среде Simulink без учета переменного уровня расплава в тигле
– Gain – скалярный коэффициент передаточной функции
– Integrator – интегрирующий блок
Назначение:
Блок gain реализует переход от круговой скорости к линейной,а блок integrator реализует переход от линейной скорости к перемещению ползунка электропривода печного трансформатора.
– источник питания. Электропечной трансформатор
– Quantizer – блок квантования по уровню
Назначение:
Блок обеспечивает квантование входного сигнала с одинаковым шагом по уровню
– Saturation – блок ограничения
Назначение:
Выполняет ограничение величины сигнала

Исходные данные для моделирования
Табл.1. Исходные данные
Kp – коэффициент усиления ПСН
Ko – коэффициент усиления ИТП
Umax – ограничение напряжения
Кдт – коэффициент усиления датчика тока
Tдт – постоянная времени датчика тока

Исследование регулятора тока ИТП
Рис. 4.График переходного процесса тока с блоком с зоной нечувствительности
Рис. 3.График переходного процесса тока без блока с зоной нечувствительности

Исследование системы автоматического регулирования тока ИТП с преобразователем частоты в качестве источника питания
Помимо ПСН в качестве источника питания ИТП (ИТМ) используются электромеханические или статические(тиристорные или транзисторные) преобразователи частоты (ПЧ). Это целесообразно для среднечастотных установок. Передаточную функцию ПЧ можно представить в виде инерционного звена 1 порядка. Последовательно к нему ставится звено ограничения, как и для любых источников питания ограниченной мощности.
-преобразователь частоты
Постоянная времени преобразователя зависит от его инерционности и принимается равной 0.1-0.5, в данном случае принимается постоянная времени, равная 0.1.

Переходные процессы САУ при ПЧ в качестве источника питания
Рис 5. Переходной процесс тока при ПЧ в качестве источника питания.

Влияние зоны нечувствительности(ЗН) на точность САУ
Табл.2. Зависимость статической ошибки от величины ЗН. Из табл.1 следует, что введение ЗН улучшает устойчивость системы, но вносит
статическую ошибку.

В процессе работы ИТМ, уровень расплава изменяется в широком диапазоне(от 100% до 20%). Это оказывает влияние на параметры тепловых и электрических режимов его работы(изменение эквивалентных активного и индуктивного сопротивлений системы «индуктор – загрузка», потребляемой и полезной мощности).
Для реализации структурной схемы системы регулирования, которая будет учитывать изменения R (рис. 9), получим функциональную зависимость R от высоты расплава в тигле l. Для этого проведем анализ электрических режимов работы ИТМ при различном заполнении тигля с использованием программы Overheat.
Идентификация ИТП (или ИТМ) как объекта управления с учетом переменного уровня расплава с тигле

Использование программы Overheat для получения значений электрических параметров ИТМ (с использованием аналитического метода Слухоцкого А.Е.)
Рис. 6.Окно с исходными данными для расчета ИТМ (с использованием аналитического метода Слухоцкого А.Е.)

Использование программы Overheat для получения значений электрических параметров ИТМ (с использованием численного метода индуктивно-связанных контуров)
Рис. 7.Окно с исходными данными для расчета ИТМ (с использованием численного метода индуктивно-связанных контуров)

Результаты серии вычислительных экспериментов (аналитический расчет)
Табл. 3. Зависимость R(l) для ИТМ емкостью 1т.
В результате аппроксимации результатов получены зависимости R от l и Z от l:
R = 0,024·ln(l) – 0,028 и Z= -0,21· ln(l) +1,83
Величина достоверности аппроксимации: R² = 0,98
Табл. 4. Зависимость R(l) для ИТМ емкостью 2,5т.
В результате аппроксимации результатов получена зависимость R от l и Z от l :
R = 0,0074·ln(l) – 0,0087 и Z= -0,025·ln(l)+0,23
Величина достоверности аппроксимации: R² = 0,98

Результаты серии вычислительных экспериментов (аналитический расчет)
Табл. 4. Зависимость R(l) для ИТМ емкостью 6т.
В результате аппроксимации результатов получена зависимость R от l и Z от l :
R = 0,0076·ln(l) - 0,0070 и Z= -0,038·ln(l)+0,30
Величина достоверности аппроксимации: R² = 0,97
Табл. 5. Зависимость R(l) для ИТМ емкостью 10т.
В результате аппроксимации результатов получена зависимость R от l и Z от l :
R = 0,0082·ln(l) – 0,0064 и Z= -0,048·ln(l)+0,35
Величина достоверности аппроксимации: R² = 0,99

Реализация структурной схемы системы регулирования, учитывающая изменение уровня расплава в тигле
Рис. 8. Структурная модель ИТП (ИТМ) в среде Simulink

Блок-схема модели регулятора тока ИТП (или ИТМ) в среде Simulink с учетом переменного уровня расплава в тигле
Рис. 9. Блок-схема модели регулятора тока ИТП (или ИТМ) в среде Simulink с учетом переменного уровня расплава в тигле
ЗУ
РУ
ИЭ
ДОС
ОУ
ЗУ – задающее устройство
РУ – регулирующее устройство
ИЭ – исполнительный элемент
ОУ – объект управления
ДОС – датчик обратной связи

Для исследования переходных процессов полученной модели рассмотрим тигельный миксер для выдержки и перегрева чугуна перед разливкой ИЧТМ-6М1 и подберем для него электропечной трансформатор.
Исходные данные для моделирования
Исходные данные для моделирования

Уровень расплава в тигле изменяется от 100% до 75%
Уровень расплава в тигле изменяется от 100% до 50%
Уровень расплава в тигле изменяется от 100% до 25%
Переходные процессы САУ, изменение тока при ПСН в качестве источника питания. Для ИТМ ёмкость 6 тонн

Определение числового значения статической ошибки при различном уровне расплава в тигле
Δст= -2,4·l + 215
R² = 1
Зависимость Δст.от l

Выводы по работе
1.Система автоматического регулирования тока ИТП (ИТМ) является системой второго порядка.
2.Применение ПЧ в качестве источника питания избавляет систему от автоколебаний.
3. Корректировать переходные процессы системы можно введением зоны нечувствительности. При этом в систему вносится статическая ошибка.
4. В процессе работы ИТМ при снижении уровня расплава в тигле уменьшается эквивалентное активное сопротивление системы «индуктор-загрузка», но при этом увеличивается полное эквивалентное сопротивление за счет роста его индуктивной составляющей.
5. При усилении возмущающего воздействия увеличивается значение статической ошибки.

Планы на будущее
Полученные зависимости активного и полного сопротивлений от высоты уровня расплава в тигле планируется использовать при разработке усовершенствованной модели регулирования ИТП для плавки драгоценных металлов, с которой в настоящее время на нашей кафедре проводятся эксперименты. Основные параметры ИТП для плавки драгоценных металлов