Разработка способов и систем регулирования температуры электропечей сопротивления с улучшенными энергетическими показателями

Самыми распространенными среди всех электротехнологических установок являются электрические печи сопротивления (ЭПС). По количеству они составляют около 90% всех действующих электротермических установок (ЭТУ), и их суммарная потребляемая мощность составляет до 75% мощностей ЭТУ. Печи сопротивления применяются в большинстве отраслей промышленности и в сельском хозяйстве. Примерами технологических процессов, проводимых в ЭПС, могут служить: термическая (закалка, отжиг, отпуск, нормализация) и термохимическая (цементация, азотирование, цианирование) обработка металлических изделий [1], нагрев металлов под пластическую деформацию (ковку, штамповку), спекание из порошков, обжиг керамики, сушка материалов и лакокрасочных покрытий, спекание эмалевых покрытий, полимеризация, плавка металлов и сплавов, выращивание монокристаллов, приготовление пищи и кормов и т. д. Частными случаями ЭПС являются бытовые электроконфорочные плиты, жарочные шкафы.

Основными преимуществами нагрева в ЭПС по сравнению с пламенными печами являются: возможность проведения технологического процесса не только в окислительной среде, но и в вакууме, в защитной или специальной (при термохимической обработке) атмосфереширокие возможности автоматизации и контроля за ходом технологического процессаотсутствие загрязнения обрабатываемых в печи материалов продуктами сгоранияповышенная экологическая безопасность, лучшие условия для работы персонала.

Температуры в ЭПС могут превышать 2500 °C (при использовании высокотемпературных нагревателей из углеграфитовых материалов или тугоплавких карбидов) [2].

Велико значение ЭПС как потребителей электроэнергии. Они потребляют около 30% всей вырабатываемой в мире электроэнергии [3, 4]. При этом единичная мощность установок ЭПС составляет от сотен ватт до десятков мегаватт. Поэтому задачи энергосбережения в установках ЭПС и снижения потерь в системах электроснабжения ЭПС являются весьма актуальными.

Большую часть печей сопротивления составляют нагревательные печи. В нагревательных ЭПС в зависимости от технологического процесса требования к характеру температурного режима и точности его соблюдения могут изменяться в широких пределах. Но, несмотря на разнообразие технологических процессов и конструкций ЭПС, основной контролируемой величиной явжется температура. Все разрабатываемые в настоящее время ЭПС оснащаются системами автоматического регулирования температуры, осуществляющими поддержание температуры печи (или нагреваемого в ней изделия) на заданном уровне или ее программное регулирование, т. е. изменение по заранее заданному графику. Кроме того, в ряде технологических процессов (выращивание монокристаллов, термообработка изделий сложной формы) необходимо решение задач формирования температурного нож печи (заданного распределения температур в рабочем пространстве).

Регулирование температуры в электрических печах сопротивления осуществжется путем изменения мощности, вводимой в печь из питающей сети. Наиболее высоких точности и качества регулирования температуры позвожют достичь непрерывные или близкие к ним методы регулирования, требуюпще плавного изменения вводимой мощности. Наибольшая простота реализации непрерывного регулирования и наибольшая надежность системы регулирования достигаются при использовании в качестве исполнительного устройства тиристорного регужтора напряжения переменного тока. Используемые в настоящее время регужторы температуры с тиристорными исполнительными устройствами всех типов существенно искажают форму кривой тока, потребляемого из сети, т. е. приводят к возникновению в питающей сети несинусоидальных режимов и дефициту реактивной мощности, ухудшая энергетические характеристики.

Использование тиристорных регуляторов с фазоимпульсным управлением приводит к появлению в спектре токов и напряжений высших гармонических составляющих, что ухудшает использование электрооборудования питающей сети и ставит вопрос об электромагнитной совместимости ЭПС с другими приемниками электрической энергии, получающими питание от распределительной сети предприятия. Для уменьшения негативного влияния тиристорных регуляторов, фильтрации высших гармонических составляющих и компенсации реактивной мощности приходится использовать дорогостоящие и сложные в настройке фильтрокомпенсирующие устройства, в том числе активные фильтры [5].

При использовании тиристорных регуляторов с широтно-импульсным управлением в спектре тока, потребляемого из питающей сети, возникают субгармонические составляющие, т. е. составляющие частот, не кратных сетевой (50 Гц). Влияние субгармонических составляющих на электрооборудование питающей сети исследовано недостаточно, не существует также эффективных методов учета субгармонических составляющих. Считается, что негативное влияние субгармонических составляющих в сравнении с высшими гармоническими выражено слабее, однако и в этом случае имеет место существенное ухудшение характеристик ЭПС как потребителя электроэнергии. Наличие субгармонических составляющих частот ниже сетевой может привести к колебаниям напряжения сети из-за импульсного характера тока и к динамическим напряжениям в распределительной сети [6]. В большинстве случаев субгармонические колебания можно рассматривать как периодическое изменение нагрузки. Эффективные средства фильтрации субгармонических составляющих низкой частоты до настоящего времени не разработаны.

Исходя из вышесказанного, поиск новых способов регулирования мощности ЭПС, позволяющих улучшить энергетические показатели, и исследование энергетических и тепловых режимов ЭПС с такими регуляторами является актуальной задачей.

Несмотря на широкое распространение ЭПС с широтно-импульсными регуляторами мопщости и актуальность проблемы улучшения их энергетических показателей, исследований в этом направлении относительно мало, и имеющиеся исследования в основном рассматривают проблему улучшения энергетических показателей при широтно-импульсном регулировании применительно к групповому питанию ЭПС, а не к одиночной печи [6, 7, 8, 9, 10]. Улучшение энергетических показателей, снижение энергопотребления в работах [7, 11, 12, 13, 14] достигается сочетанием широтно-импульсного управления с фазоимпульсным [11], синтезом сложных законов управления, решением задач оптимального управления. Такие методы энергосберегающего управления связаны с использованием сложных алгорЕггмов управления, предъявляют достаточно высокие требования к управляющим средствам вычислительной техники, требуют построения сложных моделей объекта. Альтернативой этим методам является разработка таких режимов работы исполнительных устройств в системах автоматического регулирования температуры ЭПС в развитие традиционного широтно-импульсного регулирования, которые позволят улучшить энергетические показатели печной установки без существенного увеличения схемотехнической и алгоритмической сложности. Кроме того, в вышеназванных работах практически не рассматривается влияние импульсного характера подачи мощности при различных способах тиристорного регулирования на температурный режим ЭПС.

Целью данной диссертационной работы является повышение энергетической эффективности систем автоматического регулирования температуры ЭПС путем перехода к многоканальному синхронизированному пшротно-импульсному регулированию мощности.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

— анализ существующих способов тиристорного регулирования мощности ЭПС и отыскание путей повышения энергетической эффективности такого регулирования;

— определение энергетических характеристик многоканального синхронизированного широтно-импульсного регулятора и их анализ в сравнении с традиционными способами регулирования мощности;

— исследование характера колебаний температуры нагревателей, футеровки ЭПС и нагреваемого изделия при импульсном регулировании мощности;

— выявление рациональных способов реализации многоканального синхронизированного широтно-импульсного регулирования мощности, разработка схемотехнических решений, выбор аппаратных и программных средств микропроцессорного управления;

— экспериментальное исследование электрического и теплового режимов ЭПС с различными способами широтно-импульсного регулирования мощности;

— оценка эффективности многоканального синхронизированного широтно-импульсного регулирования для различных технологических процессов в ЭПС и выработка рекомендаций по его использованию.

Основные положения диссертации рассмотрены в следующих разделах:

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен анализ ЭПС как электрической нагрузки, определены требования к точностным и динамическим показателям систем регулирования температуры ЭПС, проведен обзор существующих способов регулирования мощности ЭПС, рассмотрены существующие способы и методы повыщения энергетических показателей импульсных регуляторов как при работе одиночных ЭПС, так и групп ЭПС.

Во второй главе проведено исследование предложенной схемы многоканального синхронизированного широтно-импульсного регулятора мощности ЭПС, проанализированы энергетические характеристики предложенного регулятора в сравнении с традиционными способами регулирования.

В третьей главе рассмотрено влияние многоканального синхронизированного широтно-импульсного регулирования мопщости на температурный режим ЭПС, проанализирован характер колебакгий температуры футеровки, нагревателей и загрузки в установившемся режиме в сравнении с традиционными способами регулирования.

В четвертой главе рассмотрены вопросы технической реализации нового способа управления и экспериментального исследования характеристж системы автоматического регулирования температуры с двухканальным синхронизированным широтно-импульсным регулятором мощности.

В Заключении обобщены основные результаты работы.

В Приложении приведены разработанная программа спектрального анализа тока при широтно-импульсном регулировании на языке Турбо-Паскаль, рабочие программы для микропроцессорного контроллера.

Результаты работы применимы к управлению многозонными ЭПС, группами ЭПС, а также к улучшению энергетических показателей при управлении другими электротехнологическими установками, для которых эффективно широтно-импульсное регулирование мощности (установки электрошлакового переплава, дуговые плазмотроны и т. д.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной диссертационной работе проведен анализ предложенного алгоритма управления и регулятора температуры, обеспечивающего улучшение энергетических показателей установок электропечей сопротивления при переходе к двухканальному синхронизированному широтно-импульсному регулированию мощности, и проведены исследования энергетических и точностных показателей системы регулирования температуры ЭПС при использовании в качестве исполнительного устройства предложенного регулятора. Предложенный способ регулирования защищен свидетельством о полезной модели [39 ].

Основнью результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. На основе проведенного сравнительного анализа показано, что широтно-импульсное регулирование мопщости, потребляемой ЭПС, является предпочтительным по соображениям влияния на питающую сеть в сравнении с фазоимпульсным и при этом не приводит к существенному снижению точностных показателей регулятора температуры, однако необходимо дальнейшее улучшение энергетических показателей за счет уменьшения бестоковых пауз.

2. Показано, что предложенный способ многоканального синхронизированного широтно-импульсного регулирования мопщости ЭПС уменьшает в сравнении с одноканальным регулированием величину бестоковых пауз при работе регулятора, уменьшает неравномерность нагрузки, улучшает энергетические показатели, снижает потребляемую полную мощность во всем диапазоне регулирования, повышает точность регулирования температуры.

Показано, что наиболее эффективно использование предложенного способа в режиме работы ЭПС, соответствующем средней мощности 50% от номинальной, при этом сводятся к нулю искажения формы кривой потребляемого тока, значение коэффициента мощности в сравнении с традиционными способами регулирования повышается от 0,7 до 1, потребляемая полная мопщость снижается на 30%.

3. Установлено, что использование предложенного способа регулирования особенно целесообразно для крупных ЭПС, в регуляторах мощности которых при традиционных способах управлекшя используется параллельное соединение тиристоров, поскольку в этом случае возможен переход к многоканальному регулированию без увеличения количества тиристоров и изменения силовой электрической схемы питания ЭПС.

4. На основе анадиза энергетических характеристик при двухканальном синхронизированном широтно-импульсном регулировании с неравномерным разделением нагревателей ЭПС по мощности показано, что улучшекме энергетических показателей в сравнении с традиционными способами регулирования имеет место и при разделении мощности нагревателей на неравные секции, однако наилучшие результаты достигаются в случае секций одинаковой мощности.

5. На основе анализа энергетических характеристик при двухканальном синхронизированном широтно-импульсном регулировании дж случая трехфазного питания нагревателей установлено, что предложенный способ позвожет улучшить энергетические показатели регужтора температуры ЭПС и в случае трехфазного питания с различными схемами подключения.

6. В результате исследований методами математического и физического моделирования показано, что переход от одноканадьного к двухканальному синхронизированному широтно-импульсному регулированию мощности снижает амплитуду колебаний температуры в ЭПС, т. е. улучшает точностные характеристики регужтора температуры, приближая их к характеристикам при фазоимпульсном управлении.

7. Показано, что использование предложенного способа позволяет существенно снизить расход полной энергии на проведение технологического процесса в ЭПС. В зависимости от технологического процесса такое снижение достигает 30%.

8. Разработаны аппаратные и программные решения, позволяющие технически реализовать предлагаемый способ как на основе дискретных элементов, так и микропроцессорных средств управления.