Устройство управления работой контейнерной электропечи

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в электротермических цехах. Целью изобретения йвлйётся повышение надежности управления рабо-; - ,. . 2 . . .. .; той контейнерной электропечи. Устройство снабжено по меньш.ей мере двумя датчиками 8 и 9 температуры, установленными на контейнере , двумя блоками 10 и 11 селектирования ма ксимальнбго и минимального сигналов Датчиков температуры, вычитателями 5, 16 и 17, задатчиком 18 максимальной температуры на к о тейнёрё. усилителем 19, прЪмежуточным реле, полупроводниковым диодом, благодаря которым и связям , образованными между этими и из.,., а чинает функционирЪвать более гибкий алгоритм управления работой контейнерной электропечи. 2 ил. - ; : л -. . . . ..

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 21 D 11/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

0с фь.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4859723/02 (22) 14.08.90 (46) 07.01.93. Бюл, hL 1 (71) Научно-исследовательский институт технологии машиностроения (72) Г.Ф.Мурашов, Ю.А.Поляков и П.П.Татаев (56) Авторское свидетельство СССР

N. 953629, кл. С 05 D 23/16, 1980; (54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ РА50ТОЙ КОНТЕЙНЕРНОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ (57) Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в электротермических цехах. Целью изобретенйя является повышение надежности управления рабо-.

Ь0 ы 1786147 А1

2 той контейнерной электропечи. Устройство снабжено по меньшей мере двумя датчиками

8 и 9 температуры,.установленными на контейнере, двумя блоками 10 и 11 селектированйя максимального и минимального сигналов датчиков температуры, вычитателями 5, 16 и 17,"задатчиком 18 максимальной температуры на контейнере. усилителем 19, промежуточным реле, полупроводниковым диодом, благодаря которым и связям. образованными между этими и извеСтными элементами, начинает функционировать более гибкйй алгоритм управления работой контейнерной электропечи. 2 ил.

1786147

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при нагреве в электропечах при автоматическом режиме работы по программе в процессах высокотемпературной пайки сборочных единиц и термообработки.

Устройство реализуется при управле-. нии температурными режимами индукционных.печей и печей сопротивления, К контейнерным электролечам относятся печи сопротивления, в которых сборочные единицы помещаются в.металлическую камеру, являющуюся контейнером (иногда называют муфелем).

Чтобы КПД печи был вйше, контейнер располагается в непосредственной близости от нагревателя.

Контейнер является одйим из силовых элементов в индукциойнйх печах, Он является вторичным витком. а первичным — индуктор, если рассматрив ать печь как броневой трансформатор, Магйитный поток индуктара, пронизывая контейнер, ййдуцирует в нем ток, который разогревает его.

Излучением ат. контейнера нагревается сборочная единица.

Известно устройство "управления рабо-. той контейнерной электропечи, состоящее из датчика температуры, установленного на сборочной единице и подсоединенного ко второму входу вычитателя с умножителем напряжения, и ко входу элемента сравнения, к входу которого подсоединен выход задатчика ситнала,;пропорционального температуре. а к первому входу вычитателя с умножителем напряжения — выход второго датчика температуры, устанавлейнаго на. контейнере,- выходы вычитателя с умножителем напряжения и элемента сравнения подсоединеййсоответственíî íа первый и второй. входы дифференциального усилителя, к выходу которога подсоединены последовательно соединенные блок управления, тиристорный преобразователь частоты, нагреватель.

Пусть сигйал на входе дифференциального усилителя V>, а Чз —.сигнал задания по температуре, Чо — сигнал термодатчика, установленного на сборочной единице, Чн— сигнал термадатчика на контейнере и k— коэффициент, то

V1" (V3 — Чо) . k(Vg Vp) где k — коэффициент введения дополнительной обратной связи, учитывающий динамику процесса.

Ввиду теплотехнической инерционности нагрева сборочной единицы в начальный момент нагрева справедлива следующее выражение

Vl V> — И.

Так как величина k выбирается из уславий динамики процесса, то при определенных, особенно малых К порядка десятых и сотых долей и при возмущениях, уменьшающих VH (напуск,. холодного нейтрального газа и др.), величина Vl может возрасти до таких значений, чта контейнер разогревается до недопустимой rro условиям прочности температуры

10 Таким образом, известное устройства не может обеспечить надежность управле ния работой контейнерной электропечи.

Вторым недостатком известного устройства управления работой контейнерной

15 электропечи является такх<е отсутствие в процессе работы .автоматического контроля равномерности температурного поля поверхностй контейнера, неучет которого, может привести"к местным перегревам и; как

20 следствие, к р а зр шению его, Осно:вны м "г ехнич еским и араметром контейнера как нагревателя является: равномерность температурного паля .

При появлении неравйамерности тем25 пературнаго поля на контейнере развивает- ся перепад тем пературы на сборочной единице; ..::Ё.."--

Неравномерность температурного поля на самом контейнере приводит к обрэзова30 нию и выгоранию(отслаиванию) перегретых мест, а в случае TQHKocTGHHblx(1,5-2 мм) кон- .

: тейнеров, прйменяемых для частоты индукционного тока 2400 Гц - к его деформации.

35 С появленйем деформированных участков неравномерность темйературнога поля еще более aîçðàñòàет. Так, чем блйже контейнер к индуктору, тем:вйше его температура и наоборот, чЕм дальше от индуктора

40 контейнер, тем меньше его температура при, . всех:прочих постоянйых условиях. При этом. развиваются теплафизические силы, которые в конце концов-разрушают контейнер и вместе с ним очень часто сборочная едини45 ца выходит в брак по причине механического повреждения ат. контейнера или нарушения времен його цикла пайки.

Ва враща ющи хс я к онтеййерах возйикает еще динамическая нагрузка. Вазйикает

50 она из-за несимметричного расположения контейнера относительно йндуктора.

Величина теплофизических сил меняется по синусоиде, период которой равен вре мени одного оборота

55 Возникают циклические нагрузки на контейнер.

Измерением перепада температуры на контейнере можно обнаружить начало разрушения ега, тем самым предотвратить аварийную ситуацию.

17861-1 7

Таким об азом, во н к р, з и ающий перепад усилителем, промежуточным реле, диодом и температуры на поверхности контейнера контактором, причем все датчики темпераявляется причиной снижения надежности туры, установленные на контейнере. подсоуправления работой контейнерной электро- единены ко входам блоков селектирования, печи, сокращения с ока сл ж р щ р ужбы. 5 выход блока селектирования максимальноНаиболее близким по технической сущ- го сигнала подсоединен на первый вход втоности к заявляемому устройству является рого вычитателя, Ко второму входу которого выбранное в качестве прототийа устройство подсоединен вто торои задатчик, а выход вторез прямо включенный управления контейнерной электропечи, со- рого вычитателя че ез и ямо вкл стоящее из контура регулирования темпе- 10 диод — на первый вход блока управления, ко ратуры на сборочной единице и второму входу которого подсоединен выход усилителя, на первый и ограничителя температуры нагревателя, со- дифференциального силит ля, стоящего из стержня, механически связан- второй входы третьего вычитателя подсоеного с одной стороны с нагревателем, и с динены соответственно выходы блоков седругой с ключом, включенным между испол- 15 лектирования, а выхо т еть г в нительным лаком и нагревателем, через второй усилитель и контакт промежуИзвестное устройство имеет низкую на- точного реле соединен с контактором, блок дежность управления работой контейнер- управления соединен с нагревателем через ной электропечи подвум причинам. последовательно соединенные тиристорВо-первых, ограничитель температуры 20 ный преобразователь частоты и контактор. нагревателя, выполненный в виде стержня

I т вительныи анализ с прототи- ., что заявляемое устройство не обеспечивает однозначности направле- пом показывает, что заявля ния возможной деформации тонкостенного отличается наличием новых датчиков и блоконтейнера в связи с изменением темпера- ков: дополнительных датчиков. температутурного поля на нем, совсем не несет ин- 25 ры, установленных в характерных точках формации о наличии перепада температуры контейнера, блоков селектирования, двух и физически стержень имеет ограниченный вычитателе и, второго задатчика, второго срок службы, Иа практике после серии на- усилителя, промежуточного реле, диода. гревов в процессах высокотемпературной Таким образом заявляемое пайки и ои р зводится.визуальная оценка со- 30 соответствует критерию изобретения "ностояния контейнера, что является субьек- визна". тивным фактором, учесть который при Сравнение заявляемого решения с д управлении наг евом не и р редставляется гими техническими решениями показывает, Ару возможным. что датчики, блоки селектирования, два выЦель иЗобретения — повышение надеж- 35 читателя, второй задатчик сигнала, пропорности .управления работой контейнерной ционального максимальной температуре, электропечи. второй усилитель, промежуточное реле и указанная цель достигается тем, что ус- полупроводниковый диод известны, тройство управления работой контейнер- Однако при их введении в указанной ной электропечи, преимущественно с 40 связи с остальными элементами схемы в нагревателем и тиристорным преобразовате- заявляемое ус р являемое устройство для управления ралем частоты, состоящее йз датчика темпера- ботой контейнер н рнои электропечи указантуры, установленного на сборочной ные датчики и блоки проявляют новые единице и подсоединенного к первому вхо- свойства, что приводит к повышению наду вычитателя-умножителя и к входу эле- 45 дежности управления работой контейнемента сравнения, к другому входу которого ной электропечи. Это позволяет сделать подсоединен выхо за ат д д чика, а к второму вывод о соответствии технического р вхо вы ду читателя-умножителя — выход вто- ния критерию "существенные отличия". решерого датчика температуры, установленного На.фиг. 1 представлена структурная схена контейнере, выходы вычитателя-умножи- 50 ма устройства управления работой контейтеля и элемента сравнения подсоединены нерной электропечи; на фиг. 2 соответственно на первый и второй входы расположение а дифференциального усилителя, к.выходу ко- бочем пространстве той же электропечи. торого подсоединен блок управления. снабженодополнительно поменьше мере двумя 55 туры, установленный на сборочной единице датчиками температуры, установленными на и подсоединенный к вхо л 2 диненный к входу элемента 2 сравконтейнере, двумя блоками селектирования нения, к другому входу которого подсоедимаксимального и минимального сигналов нен выхо выход задатчика 3 сигнала, датчиков температуры, вторым и третьим пропорционального температуре То на сбовычитателями, вто ым за р датчиком, вторым рочной единице, а выход элемента 2 сравне-.

1786147 ния подсоединен к второму входу дифференциального усилителя 4.

На первый вход дифференциального усилителя 4 подсоединен выход вычитателя

5 с умножителем напряжения 6. На первый и второй входы вычитателя 5 с умножителем

6 подсоединены соответственно датчик 7,, установленный на контейнере, и датчик 1 температуры — на сборочной единице, Одновременно выход датчика 7 температуры, а также выходы установленных на контейнере датчиков 8 и 9 температуры подсоединены соответственно на входы 1,2 и 3 блоков 10 и 11 селектирования.

Выход дифференциального усилителя 4 подсоединен к второму входу блока 12 управления, к выходу которого подсоединены последовательно соединенные тиристорный преобразователь частоты 13, контактор

14 и нагреватель 15. В выходу блока.10 селектйрования подсоединяются первые входы вычитателей 16 и 17, Выход вычитателя 16 через прямовкл1оченный полупроводниковый диод подключен к первому входу блока 12 управления.

К выходу вычитателя 17 подсоединены последовательно соединенные второй усилитель 19 и промежуточное реле 20, контакт которого включен к цепь катушки контактора 14.

В блоке 5 производится вычитание сигнала Vp датчика 1, измеряющего температуру То на сборочной единице, из сигнала V1 датчика 7 температуры и умножение на по. стоянный коэффициент в устройстве 6, а именно

V2 = k(V1 — Vp) где k — коэффициент введения дополнитель.ной обратной связи.

В. элементе 2 сравнения производится вычитание из сигнала Нз д задания сигнала Чо датчика 1 и на вход 2 дифференциального усилителя поступает сигнал Чз = Чзад — Vo.

При этом выходное напряжение V4 блока 4 равно

V4 =, фзад Vp) k(V1 Vp)

На трех входах блоков 10 и 11 присутствуют сигналы f1(T1) f2(T2) 13(Тз), пропорциональные соответствующим температурам на контейнере.

Обозначим это множество сигналов через

{ f1(T1 ), f2(T2) f3(T3) }

Блоки 10 и 11 селектирования производят выделение максимального. сигнала мах

{ f1(T1), f2(T2), f3(T3)} и минимального т!и

{f1(T1), f2(T2), 13(ТЗ) }, вычитатель 17 определяет перепад температуры.на контейнере, а именно

55 ка 4 сигнал равен К1е, а при ПИД алгоритме управления на выходе блока 12 будет

О(т) =k1(e+ — 3 ddt+ 41 -@- )

1 бе

Ã1 где г1 — время интегрирования;

i д — время дифференцирования.

При этом сигнал на входе 1 блока 12 равен нулю.

С увеличением сигнала на выходе блока

12 растет и напряжение на нагревателе 14.

max { 11(Т1), f2(T2), 13(Тз) } — mto {11(Т1), . f2(T2) тз(ТЭ)} .

Одновременно максимальный сигнал поступает на вход 1 вычитателя 16, а на вход

5 2 приложено напряжение второго задатчика

18. В результате производится вычитание из сигнала, поступающего на первый вход, сигнала второго входа. Если первый сигнал превышает сигнал задания, пропорцио-.

10 нальный максимальной температуре, то результирующий сигнал через прямовключенный полупроводниковый диод 21 поступает на первый вход блока 12, уменьшая тем самым сигнал второго входа

15 этого же блока. При определенной величине разностното сигнала, пропорционального перепаду температур вычитателя 17 и усиленного в блоке 19, срабатывает реле 20, размыкающий контакт которого соединен

20 .последовательно с катушкой контактора, обесточивает катушку питания контактора, и последний, отключаясь, разъединяет цепь между тиристорным преобразователем частоты и нагревателем.25 На,фиг, 2 показаны точки на контейнере — места установки термодатчиков.

- В индукционной (индуктор 22) электропечи 23 располагается контейнер 24 с изделием 25, на котором установлена термопара

30 То.

На контейнере устанавливаются три термопары Т1...Тз, из которых Т1 расположена в середине равномерно нагретой поверхности контейнера, а другие две — на одной

35 окружности поверхности все той же равномерно нагретой эоны контейнера через 180 в месте наиболее подверженном деформации.

Устройство работает следующим обра40 зом.

При включении нагрева увеличивается сигнал, задатчика 3. Ввиду теплотехнической инерционности какое-то время (запаздывание) температура То.на сборочной

45 единице остается неизменной и равна окружающей. Сигнал рассогласования на выходе элемента сравнения увеличивается. Если на контейнере температура тоже не изменяется и равна окружающей, то на выходе бло1786147

Начинает расти температура на контей- температуры контейнера и непредвиденнонере, поскольку он ближе к нагревателю и го разрушейия контейнеров был ликвидироменее металлоемкий, ван полностьЮ.

На входе блока 5 сравнения появляются Ресурс контейнера увеличился вдвое. два сигнала, а результирующий — V -я .— 5 Предлагаемое устройство управления

-k(f

Нагрев начинает уменьшаться, как бы быть реализовано на любой индукционной ожидая подьема температуры на сборочной печи или печй conpoòèâëåíèÿ ñî"ñòàöéîíàðединице, тем самым улучшая динамику про- ным или вращающимся, а" также с тонкоцесса разогрева.: 10 стенным или с утолщейным контейнером .

Если же контейнер разогреется выше Использование устройства наиболее максимально допустимой температуры, то в зффективйо для мощных печей с тонкостенблоке 12 производится (помимо формирова- ным контейнером из-за большого настйла ния управляющего сигнала) вычитание из мощйости на единйцу поверхности контейвыходного сигнала блока 4, пропорциональ- 15 нера. ного e — k(f>(T1) — f<>(Tp); сигнала с учетом .. Устройство может бйть выполнено на нелинейной характерйстики диода, посту- стандарТных измерйтельных, вычислитель- пающего на вход 1 блока 12, а именно ". ных и силовых блоках. птах {Й(11), 8(Ta), з(Тз) — U""зад), - Использованйе предлагаемого устройгде 0 ад-напряжениезадания, пропорци- 20 ства управления работой контейнерной ональное максимальной температуре....... электропечи обеспечивает по cpавнению с

Напряжение на нагревателе устанаали-.". существующими аналогами; вается на таком уровне, что *гемпература на повышение йадейности"управлейия раконтейнере не превышает максимально до- ботой контейнерйой"электропечи; пустимой.,; ..., ..: 25 исключение брака сборочных единиц;

С разогревом сборочной единицы сиг- экономию жаропрбчноro-металла на 1 т нал рассогласования на выходе элемента 2 -в год на одйу электропечь, сравнения Уменьшается. Сигнал на входе 1 Ф о р м у л а и з об р е т е й,и я блока 5 присутствует, изменяясь и воздей- Устройство управления работой контей-, ствуя íà 8, внося предварение, - 30 йерной электропечи, преимущественно с

Система регулирования температуры нагревателем и тиристорным прео5разовавходит в режим малых колебаний. телем частоты, eoctoящее из даника темпе-

Сигнал на первом входе блока управле- . ратуры, установленного на сборочной ния 12 при птах {f<(T>), fz(Tz), 1з(Тз)) < U „ä единице и поДсоеДиненного к первому вхоравен нулю.. " .. 35 ду вычитателя-умножителя и входу элеменРегулирование напряжения на нагрева- та сравнения, к другому входу "которого теле производится в соответствии с управ- подсоединен выход задатчика, а к:второму ляющим сигналом на выходе блока 12. входу вычитателя-умножителя .— .выход втоПри выработке ресурса работоспособ- рого датчика температуры, -установленйого ности контейнера — перепад температуры 40- на контейнере, выходы въиитателя умножи- . на нем возрастает до такой величины, что теля и элемента сравнения подсоединены разностный сигнал на выходе блока 17 и соответственно на первый и второй входы усиленныйвблоке 19оказываетсядостаточ- дифференциального усилителя, к выходу ным для срабатывания реле 20. Размыкаю- которого подсоединен блок управления; щий контакт его в цепи катушки контактора 45 o T л и ч à l0 щ е е с"я тем, что, с целью

13 разрывает цепь питания ее, тем самым повь1шения надежности управления рабо разьединяет ТПЧ (блок 13) от нагревателя той контейнерной электропечи,оносйабже.14.:..: ... но дополнительно по меньшей мере двумя

При охлаждении сборочной единицы датчиками температуры", установленными совместно с печью причина, связанная с 50 на контейнере, двумя блока селектирования превышением максимальной температуры максимального и минимального сигналов на контейнере, отсутствует. датчиков температуры, вторым" и третьим

Использование предлагаемого устрой- вычитателями, вторым задатчиком, вторым ства на индукционной контейнерной печи усилителем, промежуточным реле; диодом и

ИКП-400 на одном из предприятий отрасли 55 контактором, причем все датчики темперапозволило повысить надежность "управле- туры, установленные на контейнере, подсония работой контейнерной электропечи, единены к входам блоков селектирования, Брак сборочных единиц из-за отсутст- выход блока селектирования максимальновия превышения допустимой максимальной го сигнала подсоединен на первый вход второго вычитателя, к второму входу которого

1786147

Составитель Г:Мурашев

Техред M.Mîðãåíòàë, Корректор Л.Филь:

Редактор

Заказ 231 -: Тираж .. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета no изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР . 113035; Москва, Ж-35, Раушская наб„.4!5 4

Производственно-издательский ко ..б«<н:<т"Патент",г.ужгород,ул. Гагарина,1Q1 подсоединен второй задатчик, а выход второго вычитателя через прямо включейный диод — на первый вход блока-управления, к второму входу которого подсоединен выход дифференциальногоусилителя, на первый и второй входы третьего вычитателя подсоединены соответственно выходы блоков ce-.

:лектирования, Q выход третьего вычитателя через второй усилитель и контакт промежуточного реле соединен с контактором, блок управления соединен с

5 нагревателем через последовательно соеди ненн ые тиристорн ый и реоб разо вател ь частоты и контактор..