Вариант структуры системы управления процессом индукционного нагрева

Полный текст

Применение индукционных установок для нагрева токопроводящих сред является в настоящее время одним из самых перспективных технических решений. Достоинством технологических схем, использующих технологию индукционного нагрева является, например, возможность реализации непосредственно, перед обработкой давлением (прессованием), или, как в установках нагрева нефти - совмещение нагрева с транспортировкой перемешиванием, другим достоинством является хорошая управляемость процесса и реализация многокритериальной оптимизации - достижение высоких результатов для совокупности выходных параметров (быстродействие, расход энергии, распределение температуры и ряда других). Разработке алгоритмов и аппаратуры управления для индукционного нагрева посвящено большое количество работ [1, 2]. Полученные результаты позволяют удовлетворить самые высокие требования. Но, даже в такой ситуации, узким местом остается реализация измерительной части установки, особенно для установок крупносерийного производства. Измерение температур порядка нескольких сотен градусов чаще всего предполагает применение в качестве датчиков термопар, зачеканиваемых на деталь, либо пирометров, обеспечивающих бесконтактное измерение, но предъявляющих дополнительные требования к базированию датчика и качеству атмосферы. Конфигурация электрической схемы замещения технологического процесса индукционного нагрева, отражающей основные энергетические процессы, чаще всего, представляется в виде Г-образной, широко используемой при рассмотрении энергетических процессов в электроустройствах, принцип действия которых связан с взаимными преобразованиями энергии электрической и магнитной составляющих поля. К таким устройствам относятся электрические трансформаторы и асинхронные электрические машины. Общим для всех этих установок является наличие реверсивного преобразования электрической энергии и энергии магнитного поля [3]. При этом выделяется цепь намагничивания, обладающая импедансом Zµ, параметры, моделирующие поток рассеяния и потерь в элементах конструкции установки - Zs, и цепь преобразования (использования) энергии - Zr. Рис. 1. Схема замещения Тогда имеем: где Rv - нагрузка вторичной (выходной) цепи, аналог физических процессов преобразования электрической энергии в иные - тепло в индукционной нагревательной установке, механическое движение в асинхронном двигателе, нагрузка (в рассматриваемом примере - активная) трансформатора, а остальные реактивные и активные компоненты - соответствующие модельные представления магнитных потоков и потерь в магнитной цепи и обмотке индуктора. Для одного из представителей рассмотренного семейства - асинхронной машины разработаны эффективные алгоритмы параметрической идентификации на основании измерения мгновенных значений тока и напряжения на входе установки [3, 4]. Точность идентификации параметров модели, в том числе - активного сопротивления ротора, достигает 10-4, что в дальнейшем позволяет реализовать системы управления, обеспечивающие в диапазоне регулирования порядка 1000 статическую ошибку не более 5…10%. Для получения таких результатов, например, используется структура системы управления с наблюдателем состояния Матсусе [4]. Применение подобного подхода к синтезу структуры системы управления процессом индукционного нагрева позволяет реализовать её как систему с наблюдателем состояния, восстанавливающим неконтролируемую координату - температуру в зоне нагрева. Учитывая, что контур вихревых токов при индукционном нагреве моделируется Zr, а тепловыделение моделируется активным сопротивлением Rv, для рассматриваемой ситуации представляется возможным, используя методику [2], восстанавливать действительное значение активного сопротивления контура вихревых токов, моделируемого некоторым короткозамкнутым витком. Так как температурная зависимость его известна заранее - то не представляет сложности получить (восстановить) значение температуры в зоне тепловыделения. Дальнейшая процедура расчета картины температурного распределения по глубине является классической и её решению посвящено большое количество работ, например [1, 2]. Применение рассматриваемёой структуры системы управления обеспечивает бесконтактное получение высокоточной информации о температуре в зоне тепловыделения индукционной установки и наиболее целесообразно для процессов термической обработки маломерных деталей либо для крупносерийного производства, когда применение термопар неудобно по технологическим соображениям, а радиационные методы не подходят по точностным показателям.

Об авторах

Владимир Георгиевич Щетинин

Самарский государственный технический университет

Email: schetinin_v@mail.ru
(к.т.н., доц.), доцент кафедры «Автоматика и управление в технических системах» Россия, 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы