Устройство для управления индукционным тигельным миксером

Авторы патента:

H05B6/06 - управление, например температурой, мощностью

Предлагаемое техническое решение относится к средствам выдержки расплавов металлов перед разливкой в индукционных тигельных миксерах и может быть использовано в металлургии и машиностроении для управления температурой расплава в индукционных тигельных миксерах.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении точности регулирования (поддержания) температуры расплава в миксере вследствие использования при расчете температуры алгоритма, учитывающего зависимость тепловых и электрических потерь от уровня расплава, увеличении надежности и срока службы оборудования.

Поставленная техническая задача решается тем, что известное устройство, содержащее цифровую ЭВМ, тигель с подогреваемым металлом, индуктор, источник питания с входом задания напряжения, датчик активной мощности, подключенный к первому входу цифровой ЭВМ, согласно полезной модели, дополнительно снабжено датчиком уровня расплава в тигле, включающим блок деления, выход которого подключен ко второму входу цифровой ЭВМ, датчик напряжения, включенный параллельно индуктору и соединенный своим выходом с первым входом блока деления, и датчик тока, подключенный последовательно с индуктором и соединенный своим выходом со вторым входом блока деления и с третьим входом цифровой ЭВМ, при этом текущую температуру расплава t(_i) цифровая ЭВМ рассчитывает по формуле

t₀ - начальная температура расплава; с(t) - удельная теплоемкость расплава; Р(_i), P_l(_i), P_тп(_i) - текущие значения активной мощности, потребляемой установкой, активной мощности в индукторе и мощности тепловых потерь соответственно; m(_i) - текущее значение массы расплава в тигле; - временной шаг, с которым цифровая ЭВМ рассчитывает температуру расплава. 1 илл.

Известно устройство (авторское свидетельство СССР №1095150, кл. G05D 23/19, 1984), содержащее датчик температуры расплава, представляющий собой пирометр излучения, датчик мощности, тензометрический датчик веса печи, трансформатор питания печи и автоматический регулятор температуры расплава, построенный по двухпозиционному принципу и обеспечивающий перегрев и выдержку расплава при температуре перегрева, а также его длительное хранение в миксере. Данное устройство использует косвенную оценку температуры расплава в случае, когда в поле зрения пирометра попадает шлак.

Основными недостатками данного устройства являются недостаточная точность определения температуры расплава, обусловленная как применяемыми датчиками, так и расчетным алгоритмом в случае косвенной оценки температуры (в частности, термический КПД установки с расплавом принимается постоянным и не зависящим от уровня и температуры расплава при регулировании, пренебрегается электрическими потерями в индукторе установки) и надежность работы.

Наиболее близким к предлагаемому авторами решению является устройство (Гитгарц Д.А. Автоматизация плавильных электропечей с применением микро-ЭВМ. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - С.127-128), содержащее тигель с подогреваемым металлом, индуктор, источник питания с входом задания напряжения, датчик активной мощности, погружной

термоэлектрический датчик для периодического измерения температуры и цифровую управляющую ЭВМ, осуществляющую расчет температуры расплава по данным об активной мощности и количестве металла в тигле с коррекцией по результатам периодических измерений температуры.

Данное устройство обладает следующими недостатками:

Определение количества металла в тигле (например, путем взвешивания) представляет собой достаточно сложную и трудоемкую техническую задачу, используемые датчики массы (например, тензодатчики) часто ненадежны.

Срок службы термоэлектрических датчиков температуры, даже при кратковременном их погружении в расплав, невелик вследствие высоких температур и агрессивной среды расплава.

Точность как измерения массы тензодатчиками, так и измерения температуры расплава термоэлектрическими датчиками снижается в условиях достаточно сильного электромагнитного поля в индукционных миксерах.

Точность косвенной оценки температуры может оказаться недостаточной вследствие пренебрежения влиянием уровня расплава в тигле на тепловые и электрические потери.

входу цифровой ЭВМ, датчик напряжения, включенный параллельно индуктору и соединенный своим выходом с первым входом блока деления, и датчик тока, подключенный последовательно с индуктором и соединенный своим выходом со вторым входом блока деления и с третьим входом цифровой ЭВМ, при этом текущую температуру расплава t(_i) цифровая ЭВМ рассчитывает по формуле

t₀ - начальная температура расплава; с(t) - удельная теплоемкость расплава; Р(_i), P_l(_i), P_тп(t_i) - текущие значения активной мощности, потребляемой установкой, активной мощности в индукторе и мощности тепловых потерь соответственно; m(_i) - текущее значение массы расплава в тигле; - временной шаг, с которым цифровая ЭВМ рассчитывает температуру расплава.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит тигель 1 с подогреваемым расплавленным металлом 2, помещенный внутрь индуктора 3. Индуктор 3 подключен к выходу источника питания 4, имеющего вход задания напряжения 5. В качестве источника питания 4 может использоваться трансформатор с переключателем ступеней напряжения, электромеханический или статический преобразователь. Параллельно индуктору 3 подключена конденсаторная батарея 6. Вход задания напряжения 5 источника питания 4 соединен с выходом управляющей цифровой ЭВМ 7. В устройстве предусмотрены датчик активной мощности 8, подключенный своим выходом к первому входу цифровой ЭВМ 7, и датчик уровня 9 расплава в тигле.

Датчик уровня 9 выполнен в виде датчика 10 тока, потребляемого индуктором 3, датчика 11 напряжения на индукторе 3 и блока деления 12, соединенного своим первым входом с выходом датчика 11 напряжения U,

вторым входом - с выходом датчика 10 тока I, а выходом, который является выходом блока деления 12, - со вторым входом цифровой ЭВМ 7. При этом датчик тока 10 подключен последовательно с индуктором 3, а датчик напряжения 11 - параллельно.

Датчик тока 10 своим выходом соединен также с третьим входом цифровой ЭВМ 7.

Устройство работает следующим образом.

Подогрев металла 2 в тигле 1 осуществляется за счет токов проводимости, возникающих при проникновении в металл электромагнитной волны, сформированной индуктором 3. Компенсацию реактивной мощности миксера осуществляет конденсаторная батарея 6.

Управляющая цифровая ЭВМ 7 осуществляет расчет температуры расплава на основании энергетического баланса [1] миксера с шагом по времени

t₀ - начальная температура расплава; с(t) - удельная теплоемкость расплава; Р(_i), P_l(_i), P_тп(_i) - текущие значения активной мощности, потребляемой установкой, активной мощности в индукторе и мощности тепловых потерь соответственно; m(_i) - текущее значение массы расплава в тигле; - временной шаг, с которым ЭВМ рассчитывает температуру расплава.

Активная мощность Р, потребляемая установкой, измеряется датчиком активной мощности 8. Активная мощность в индукторе P₁ зависит от тока индуктора, а мощность тепловых потерь Р_тп - от температуры и количества (уровня) металла в тигле. Цифровая ЭВМ 7 осуществляет расчет мощности потерь в индукторе и мощности тепловых потерь на основе полученных экспериментальным путем функциональных зависимостей этих величин от уровня металла и тока индуктора с учетом температуры, рассчитанной на предыдущем шаге. Цифровая ЭВМ 7 осуществляет расчет

уровня металла по значению электрического сопротивления, получаемому с выхода блока деления 12, на основе полученной экспериментальным путем функциональной зависимости уровня металла от сопротивления. Масса расплава m рассчитывается исходя из уровня металла с учетом геометрии миксера.

При превышении значением температуры расплава, рассчитанным цифровой ЭВМ 7, заданного значения цифровая ЭВМ 7 уменьшает сигнал задания напряжения источника питания 4, что приводит к уменьшению потребляемой мощности и, следовательно, температуры расплава. При значении температуры расплава, рассчитанном цифровой ЭВМ 7, меньшем, чем заданное значение, цифровая ЭВМ 7 увеличивает сигнал задания напряжения источника питания 4, что приводит к увеличению потребляемой мощности и, следовательно, температуры расплава. Таким образом осуществляется стабилизация температуры расплава во времени.

Использованные технические решения позволяют уточнить определение температуры расплава, отказаться от взвешивания расплава и от использования термоэлектрических датчиков температуры, увеличить надежность и срок службы оборудования, повысить качество регулирования.

Источники, принятые во внимание:

1) Электрооборудование и автоматика электротермических установок/ Под ред. А.П.Альтгаузена, М.Д.Бершицкого, М.Я.Смелянского, В.М.Эдемского. - М.: Энергия, 1978. - С.214.

Устройство для управления индукционным тигельным миксером, содержащее цифровую ЭВМ, тигель с подогреваемым металлом, индуктор, источник питания с входом задания напряжения, датчик активной мощности, подключенный к первому входу цифровой ЭВМ, отличающееся тем, что введен датчик уровня расплава в тигле, включающий блок деления, выход которого подключен ко второму входу цифровой ЭВМ, датчик напряжения, включенный параллельно индуктору и соединенный своим выходом с первым входом блока деления, и датчик тока, подключенный последовательно с индуктором и соединенный своим выходом со вторым входом блока деления и с третьим входом цифровой ЭВМ, при этом текущую температуру расплава t(_i) цифровая ЭВМ рассчитывает по формуле

где t₀ - начальная температура расплава; c(t) - удельная теплоемкость расплава; Р(_i), P_l(_i), Р_тп(_i) - текущие значения активной мощности, потребляемой установкой, активной мощности в индукторе и мощности тепловых потерь соответственно; m(_i) - текущее значение массы расплава в тигле; - временной шаг, с которым цифровая ЭВМ рассчитывает температуру расплава.