УДК 621.365.4 СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЯМИ ИЗ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ С ОГРАНИЧЕНИЕМ ТОКА

УДК 621.365.4
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НАГРЕВАТЕЛЯМИ ИЗ ТУГОПЛАВКИХ
МЕТАЛЛОВ С ОГРАНИЧЕНИЕМ ТОКА
Рубцов В.П., Митяков Ф.Е.
Россия, Москва, ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ»
В работе проводится сравнение регуляторов температуры печей сопротивления с
различными способами ограничения тока. Анализируется влияние токовой отсечки на
качество переходных процессов и быстродействия системы. Показана область применения
разработанного регулятора температуры.
Comparison of temperature controllers of the furnace resistance with various methods of a
current restriction is spent. Influence of setpoint current on quality of transients and speed of
system is analyzed. The range of application of the developed temperature controller is shown.
В высокотемпературных печах сопротивления (номинальные температуры в печи
свыше 1400 0С) в качестве нагревательных элементов применяются: на воздухе –
дисилицид молибдена; в вакууме – тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, тантал,
ниобий и сплавы на их основе). Представленные материалы обладают характерной
особенностью: высокое значение температурного коэффициента электрического
сопротивления, что приводит к изменению электрического сопротивления за время
нагрева в 10-15 раз (рис.1). Во столько же раз изменяется мощность, выделяемая в
нагревателе. Следует также отметить, что резкие колебания тока уменьшают срок службы
нагревателей. В связи с этим на практике применяют различные способы уменьшения
колебаний мощности, выделяемой в нагревателях, при изменении их температуры [1].
Рис.1. Зависимость удельного электрического сопротивления от
температуры для различных материалов.
Отсутствие контроля тока в стандартном регуляторе температуры приводит к
увеличению установленной мощности тиристоров и регулятора. Кроме того, отсутствие в
стандартных программируемых регуляторах температуры внешних входов для введения
отрицательной обратной связи по току ограничивает их применение для
высокотемпературных печей, требующих контроля тока нагревателей, при включении
«холодной» печи. Для расширения возможностей стандартных программируемых
регуляторов температуры предлагается вводить обратную связь по току в канал обратной
связи температуры [2].
На рис.2 приведена функциональная схема модернизированного регулятора
температуры. Данное устройство отличается от промышленного регулятора, тем, что
между источником питания и силовым входом регулятора напряжения РН установлен
датчик тока ТТ. Датчик тока может быть выполнен в виде трансформаторов тока
вторичными обмотками, подключенными к выпрямителю, связанному своим выходом с
входом порогового элемента. Сигнал тока, снимаемый датчиком тока, через пороговый
элемент ПЭ подается в сумматор Σ совместно с сигналом температуры, снимаемым
датчиком температуры ДТ. Суммированный сигнал тока и температуры подается на
вычислительное устройство ЭС. По данному техническому решению получен патент на
полезную модель № 98602 [2].
Рис.2. Функциональная схема разработанного регулятора температуры.
Исследования системы управления с ограничением тока проводились на
разработанной модели в пакете прикладных программ Simulink Matlab (рис.3).
Рис.3. Модель регулятора температуры с дополнительной обратной связью по току.
Предлагаемая система управления (рис.3) сравнивалась по ряду показателей с
регулятором температуры без ограничения тока, а также с регулятором температуры с
внутренним контуром тока заложено в самом программируемом контроллере. По
результатам сравнения [1], стоит отметить:
- ограничение тока приводит к снижению скорости изменения температуры в
сравнении с регулятором без ограничения тока;
- обе схемы регулятора температуры с обратной связью по току обеспечивают
требуемое качество переходного процесса;
- переходные функции тока и температуры, исследуемых регуляторов, схожи
между собой;
- перерегулирование и точность переходной функции температуры лучше, при
использовании разработанного регулятора с дополнительной обратной связью по току;
- бросок тока на нагревателях (при одинаковом значении токовой отсечки 6000 А)
меньше в разработанном регуляторе, что положительно влияет на срок службы
нагревателя;
- токовая отсечка может быть использована для регулирования скорости нагрева
(рис.4).
Как показали исследования рекомендуемый диапазон «токовой отсечки» для
нагревателей данного класса лежит в пределах 2 < IОТС/IНОМ < 3.
Рис.4. Зависимость быстродействия выхода на режим нагревателя
от отношения тока «отсечки» к номинальному току.
Разработанный регулятор температуры позволяет организовывать плавный пуск
печи, ограничивая бросок тока, что продлевает срок службы нагревателей. Целесообразно
использовать такой регулятор в системах управления высокотемпературными
электрическими печами сопротивления с нагревателями из дисилицида молибдена, а
также в вакуумных печах сопротивления с экранной теплоизоляцией.
Литература
1. Рубцов В.П., Митяков Ф.Е., Горячих Е.В., Кручинин А.М. Влияние ограничения
тока нагревателей на работу регуляторов температуры в высокотемпературных вакуумных
печах сопротивления // Вестник МЭИ. 2012. №2. С. 80-84.
2. Пат. РФ на полезную модель №98602 «Регулятор температуры электропечи
сопротивления» / В.П. Рубцов, Е.В. Горячих, Ф.Е. Митяков. 2010. Бюл.№29.
Рубцов Виктор Петрович, д.т.н., профессор кафедры ФЭМАЭК ФГБОУ ВПО НИУ
«МЭИ», 111250, Москва, ул. Красноказарменная, кафедра ФЭМАЭК.
Митяков Филипп Евгеньевич, ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ», аспирант кафедры
ФЭМАЭК; 111558, г. Москва, ул. Молостовых, д. 15, корп. 5, кв. 17; filych@mail.ru