автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмов управления тиристорными резонансными инверторами для установок индукционного нагрева

на правах рукописи

Бондаренкв Дмитрий Николаевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМИ РЕЗОНАНСНЫМИ ИНВЕРТОРАМИ ДЛЯ УСТАНОВОК ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Специальность: 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание.ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете им. В.И.Ульянова (Ленина),

Научный руководитель -

Засл. деят. науки и техн. РФ,

доктор технических наук профессор Васильев A.C.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Глазенко Т.А. кандидат технических наук доцент Смородинов В.В.

Ведущее предприятие - ВНИИТВЧ им. В.П.Вологдина

Защита состоится' "22" оМЪд^ .1997 года в_час. на заседании

диссертационного совета К 063.36.08 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "12-" егдЯТК^ 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Балабух А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Электротехнологии и, в частности, индук-дионный нагрев в настоящее время быстро развиваются. Увеличиваются эбъемы применения в промышленности и появляются новые электротех-тологии, такие, например, как высокоинтенсивный индукционный назрев при закалке и сварке.

Большое разнообразие технологических процессов и установок, ис-тользующих индукционный нагрев определяет очень широкий спектр гребований к источникам питания (ИП) - высокочастотным полупровод-тиковым преобразователям. Это и различные законы регулирования, не-)бходимые для достижения нужного технологического эффекта, от простой стабилизации выходных электрических параметров до следящих и жстремальных систем, и требования к автоматизации согласования ИП 1 индукционного нагревателя (ИН) с идентификацией электрических па-таметров технологического устройства.

Выпускаемые в настоящее время отечественные тиристорные преоб-)азователи обладая хорошими адаптационными возможностями, обус-ювленными использованием схем резонансных инверторов (РИ), имеют, сак правило, локальные регуляторы, аипаратно реализующие только >дин закон регулирования с ограниченным!, возможностями его перена-пройки. Это снпжаег конкурентоспособность преобразователей и созда-гг множество проблем при разработке конкретных технологических /станопок, вплоть до необходимости разработки новых узлов системы /правления (СУ) преобразователей и узлов сопряжения с СУ установки.

Кроме того, из-за неоптимального управления и согласования с на-рузкой в действующих установках индукционного нагрева мощность 1сточника, как правило, завышена в 1.5-2 раза, что ведет к удорожанию 'становок и повышению мощности потерь.

Все это делает актуальными проблемы автоматизации ИП и разра-ютки микропроцессорной (МП) СУ , которая может обеспечить гиб-сость настройки и согласование ИП с конкретным технологическим уст-юйством за счет выбора наиболее подходящего алгоритма управления и тгоматизации процедуры согласования ИП и ИН.

В диссертации разработан и исследован ряд алгоритмов управления 1Г1, идентификации ИН и согласования ИП и ИН, ориентированных на ИП реализацию, которые позволят устранить указанные выше недостаг-;и, сократи, сроки и стоимость разработки комплектных технологиче-ких установок, повысить их потребительские свойства и конкурентоспо-'обносгь.

Цель работы. Разработка алгоритмов управления ИII, реализующи законы регулирования, требуемые для различных типов УИН; разрабо! ка методики и алгоритмов согласования ИП с ИН на этапах настройки i эксплуатации технологической установки; разработка математически: моделей системы ИП - ИН для исследования задач регулирования и со гласования.

Методы исследования. Силовая часть ИП и эквивалентная схема на грузки моделируется на схемотехническом уровне путем формирования i численного решения системы дифференциальных уравнений в базисе пе ременных состояний в постановке задачи Коши. Формирование процесс в ключевых моделях выполняется методом припасовывания. Моделиро ванне алгоритмов управления ИП и организация процесса исследовани выполняется на функциональном уровне. Исследования на моделях пе риодическнх режимов проведены методом установления процесса, а ха рактеристики ИП рассчитаны методами медленной и ступенчатой вариа ции параметра. Для моделирования применяется программная систем; ПАКЛС.

Изменение параметров нагрузки ИП, характерное для УИН, моде лнруется двумя способами:

- в режиме стабилизации одного из выходных параметров ИГ (напряжения, тока или мощности индуктора) - с помощью информаци онной модели - годографа вектора сопротивления индуктора, для полу чения которого предварительно проводился расчет на цифровой элек тротепловой модели ИН;

- в режимах, которые невозможно свести к стабилизаци] (поддержание максимально возможной мощности ИП и др.) - с помощь* электротепловой модели ИН, представленной в виде тепловой схемы за метения и аналитической электромагнитной подмодели.

Научная новизна. Разработана цифровая модель системы ИП - ИН позволяющая исследовать изменения режима работы ИП в процессе ин Аукционного нагрева при различных алгоритмах управления и парамет pax согласующих устройств.

Предложен и исследован алгоритм стабилизации выходных пара метров ИП с вычисляемой оценкой частоты, на которой достигаете максимум регулировочной характеристики, объединяющий преимущест ва поисковых и беспоисковых алгоритмов.

Разработаны алгоритмы идентификации параметров нагрузки И1 (индуктора) методами функционального и тестового диагностирован!!? обеспечивающие точность, достаточную для эффективного регулиров;: ния ИП, согласования ИП с ИН и безопасного пуска ИП.

Разработана методика расчета параметров согласующих элементов 1П с ИН на этапе проектирования с учетом особенностей конкретного гхнологического процесса, закона регулирования ИП и возмущений.

Практическая ценность. Разработана мегодика расчета электриче-<их процессов в системе ИГТ - ИН при различных алгоритмах регулиро-зния И П.

Разработан алгоритм локального регулирования тнрнсторного Ш1 ИН, обеспечивающий гибкую настройку на конкретный технологиче-сий процесс.

Разработана методика согласования ИП с ИН, обеспечивающая реа-изацию заданного закона регулирования в течении всего технолог иче-сого процесса, и повышение эффективности использования установлен-эй мощности ИП.

Разработаны алгоритмы автоматизированного согласования для апов настройки и эксплуатации УИН, включающие идентификацию фаметров индуктора, как нагрузки ИГ1, вычисление оптимальных па-тметров согласующих элементов и выбор способа безаварийного пуска ipiiCTopiioro ИП на неизвестную нагрузку.

Разработана структура программных и аппаратных средств МПСУ Г1, позволяющая оптимально реализовать предложенные алгоритмы фавления.

Реализация результатов. Разработанные алгоритмы управления и эедложения по их реализации использованы в ВНИИТВЧ им. П.Вологдина при разработке нового поколения ИП для УИН. Резуль-;ты исследований, построенные модели и программные блоки нсполь-ются в учебном процессе каф. Э'ГПТ СПбГЭТУ.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты дис-ртационной работы докладывались н обсуждались на научных семина-tx и научно-технических конференциях профессорско - нреподавагель-ого состава кафедры ЭТГ1Т СПбГЭТУ (1987 - 1996 гг.), на Всесоюзном [учно-техническом совещании "Организация электроснабжения в усло-:ях перерывов и значительных отклонений напряжения шпающен сети" Саранск, 14 - 16 октября 1987 г), на межреспубликанских и ме*,к ду паяных научных конференциях ' Методы и средава управления iexnojio-ческими процессами" (Саранск, 1989, 1992 и 1995 гг.).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации онубликова-I 8 печатных работ, в том числе 1 авторское свидетельство на изобрсте-¡е, 3 статьи в сборнике ЛЭТИ и 4 статьи в межвузовских сборниках.

Структура и обьем работы. Диссертационная работа состоит из вве-нпя. пяти глав, заключения, списка литературы, рклтчлышдто 95 паи-

менований и приложения. Основная часть работы изложена на 112 страницах машинописного текста. Работа содержит 53 рисунка и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ современного состояния исследуемой проблемы и определены задачи диссертационной работы.

Определены основные законы управления локальным регулятором ИП, необходимые для удовлетворения потребностей широкого спектра индукционных технологических установок сквозного и поверхностного нагрева и плавильных тигельных печей.

В плавильных тигельных печах технологический цикл разделяется на два характерных этапа: на первом (расплавление) от ИП требуется поддержание номинальной гаи максимально возможной мощности, на втором (выдержка) - стабилизация напряжения или мощности на уровне, достаточном для компенсации тепловых потерь.

В установках сквозного нагрева наиболее часто нагрев осуществляется при постоянстве напряжения на индукторе, однако используются так же режимы с постоянной мощностью или температурой поверхности (ускоренный нагрев), а также режимы с изменением мощности по специальной программе (оптимальные режимы нагрева). САР проходных индукционных нагревателей выполняется двухконтурной: внешний контур стабилизирует температуру заготовки на выходе из индуктора с помощью пирометрического термодатчика, а внутренний - локальный контур ИП - стабилизирует напряжение на индукторе при колебаниях напряжения сети в стационарном режиме работы технологической линии и ограничивает выходной ток ИП в переходных режимах.

При поверхностном нагреве задача регулирования - обеспечить повторяемость характера роста температуры в процессе нагрева, что обычно решается косвенным способом за счет стабилизации подводимого напряжения или мощности.

Таким образом, наиболее часто в качестве закона управления локального регулятора ИП используется закон стабилизации одного из выходных параметров ИП (мощности, напряжения или тока индуктора). Нередко для обеспечения работоспособности самого ИП или в нестационарных режимах проходных нагревателей для сквозного нагрева требуется ограничение второго параметра (выходного напряжения или тока). Реже используются более сложные законы управления: поддержание максимально возможной выходной мощности, регулирование по про-

грамме, слежение за уставкой, выраба~ываемой контуром регулирования температуры ИМ.

В ходе технологического процесса происходит значительное изменение эквивалентного электрического сопротивления индуктора, приведенного к выходу ИП, что вызвано изменением теплофизических, а в ряде случаев и геометрических параметров нагреваемых дегалей и изменением выходной частоты ИП, обусловленным работой регулятора. Наибольший диапазон изменения сопротивления (в 2 - 3 раза для активного сопротивления ив 1.5 -2 раза для индуктивности) наблюдается в плавильных тигельных печах, наименьший (1,2 - 1.8 и 1.2 - 1.5 соответственно) - в установках поверхностного нагрева, зато скорость изменения сопротивления наибольшая как раз в установках поверхностного нагрева.

В этих условиях для обеспечения требуемых технологическим устройством режимов необходимо либо иметь существенный запас мощности ИП, либо вводить дополнительные контура согласующего регулирования, компенсирующие изменения параметров нагрузки ИП. Гак как оба подхода имеют недостатки, то эта проблема может быть решена компромиссно - минимизирован запас мощности ИИ, оптимально выбраны параметры согласующих элементов с учетом переменной нагру жи и введено, при необходимости, минимальное число контуров согласующего регулирования. Для достижения положительного эффекта при эксплуатации процедура согласования должна быть автоматизирована, 1ак как в противном случае эффективность работы уаапопкп слишком сильно зависит 01 квалификации, опыта и даже искусава обслуживающего персонала.

Наиболее важными задачами автоматизации ИП УПП являются:

- расширение функциональных возможностей локального регулятора ПИ и разработка средств его перенастройки и информационной связи : СУ УИН (или другого автоматизированного оборудования), что по-шолнт комплектовать автоматизированными ИП широкий спекгр технологических установок с оптимальной настройкой регуляыра на конфетный технологический процесс;

- автоматизация процедуры согласования ИП с индукционной тех-шлогической нагрузкой как для эффективною использования электрооборудования п обеспечения иовюряемостн технологического процесса, гак и для повышения надежности работы ИП в динамических пусковых оежимах.

Для решения поставленных за тач целесообразно пспользовагь мнк-юнроцессорные средства автоматизации, что обеспечит гибкость, иевы-ок>ю стоимость, минимальные сроки и средства на разработку мадер-

низанию и поддержку в эксплуатации автоматизированных ИП.

Разработку и отладку алгоритмов управления, соответствующих указанным задачам автоматизации целесообразно проводить с использованием методов математического моделирования на ЭВМ источника питания, системы управления и индукционного нагревателя.

Вторая глава посвящена разработке математической модели системы ИП - ИН для исследования изменений режима работы ИП в ходе технологического процесса с учетом алгоритмов управления и параметров согласующих элементов.

Система ИП - ИН представляет собой взаимосвязанную многозвенную нелинейную систему (резонансный инвертор, индуктор с загрузкой, согласующие элементы, регулятор), в то же время традиционно при анализе эгой системы применяется декомпозиция и раздельное моделирование частей, что не всегда позволяет решать задачи согласования и регулирования с необходимой точностью и эффективностью.

Существуют достаточно точные цифровые модели частей системы ИП - ИН: ИП с СУ (например в программах ПАКЛС или PSPICE) и ИН (одно-, двух- н трехмерные электротепловые модели, например в программах HIT, RISK и др.).

Объединение этих моделей встречает ряд трудностей:

- значительное время расчета, вызванное как различием постоянных времени подмоделей ШТ и ИН, так и большой размерноегью системы дифференциальных уравнений электротепловой подмодели и необходимое! ыо решать нелинейную электромагнитную задачу при ферромагнитной загрузке;

- отсутствие достоверной экспериментальной информации об изменении параметров ИН и ИН в реальном процессе.

Сформулируем требования к подмоделям системы (рис. 1), необходимые для решения поставленных в работе задач согласования и регулирования:

- подмодель источника питания должна адекватно отражать внутренние процессы в преобразователе и выходные .переменные (ток индуктора 1„, выходная частота f,) при изменении параметров нагрузки, управляющих воздействий и возмущений со стороны питающей сети;

- подмодель индуктора с загрузкой должна адекватно отражать ш-менения электрических параметров схемы замещения (активного сопротивления Rh, индуктивности Lh) в зависимости от графика ввода мощности от источника, в то время как характер изменения и распределения температуры Т(х) и удельной мощности pv(x) внутри заготовки не имеет решающего значения;

- подмодель системы управления должна адекватно отражать алгоритм регулирования.

: Модель ИН (индуктор и загрузка)

Модель ИП

Т

1и, Гу

Ян, 1-й!

Электромагнитная подмодель

Параметры силовой схемы и алгоритм управления

Электрические, параметры материала загрузки

ру(х)

Т(х)

Тепловая подмодель

еометричес кие параметры загрузки

Тепловые параметры материала загрузки

Рис. 1. Структурная схема модели системы ИП - ПН

При исследовании режимов стабилизации одного из выходных параметров ИГ1 УИН (напряжения и«, мощности Р„ или тока 1„ индуктора) допустимо использование принципа декомпозиции и раздельного (поочередного) моделирования ввиду отсутствия изменения воздействия ИП на И И, при более сложных законах управления ИП необходим системный подход.

В работе использованы математические подмодели, реализованные в программе численного моделирования ключевых схем Г1АКЛС:

- "традиционная" цифровая модель ИП (модель силовой схемы ПИ реализуется на схемотехническом уровне, алгоритмы управления НИ и хода исследования - на функциональном уровне);

- модель ПН представлена параллельной активно-индуктивной схемой замещения с постоянными или переменными параметрами.

Моделируемая схема ИП соответствует промышлепно выпускаемым преобразователям СЧГ-100/10 и СЧГ-500/10, выполненным по схеме двухмостового РИ с удвоением частоты и обратными диодами.

Изменение параметров нагрузки ПГ1, характерное для УИН, моделируется двумя способами:

- в режиме стабилизации - с помощью информационной модели - годографа вектора сопротивления индуктора, для получения которого предварительно проводился расчет на цифровой элекгротенловон модели ПН (программа Н1Т_1);

- в режимах, которые невозможно свести к стабилизации, (поддержание максимально возможной мощности 11П и др.) - с помощью электротеилоиой модели ПН, представленной в пиле тепловой схемы замещения I! аналитической элекчромагнишой подмодели.

Третья глава посвящена расчету и анализу характеристик ИП на базе двухмостового тиристорного РИ и разработке алгоритма локального регулирования выходных парамегров ИП.

Наибольшее влияние на статические и динамические свойства ИП оказывают параметры нагрузочного контура (НК), а их изменение связано с нестационарностью сопротивления индуктора в ходе технологического процесса. Это приводит, во-первых, к нестационарности регулировочных характеристик (изменяется положение максимума и наибольший наклон), во-вторых, к изменению ограничений по диапазонам частотного и фазового управления, связанных с перегрузками тиристоров инвертора и другого электрооборудования.

Поэтому для построения алгоритма регулирования целесообразно применить адаптивные (самонастраивающиеся) законы управления, причем коррекция управления (самонастройка) должна опираться на результатам измерения полного сопротивления ИН, приведенного к выходу ' ИП(11„иЬ„).

С целью уточнения численных значений были проведены исследования статических и динамических нагрузочных и регулировочных характеристик численной модели ИП на базе тиристорного РИ (разработанной во второй главе) в диапазонах, характерных для УИН. Наиболее важные результаты проведенных исследований:

1) Положение максимума частотной регулировочной характеристики при значительной добоотносги НК (С2>5) определяется параметрами НК по следующей формуле

Гм=Го + Ш2, (1)

где Л) = 1/(2-л (Ь„-Сн)1/2) ■ частота резонанса, С? = ЯиДЬи/Сп)"2 - добротность НК, С« - компенсирующая емкость НК, Б - постоянный коэффициент; при низкой добротности (С?<5) резонансные свойства выражены слабо, характеристика монотонно возрастающая, коэффициент передачи невелик, что требует использования фазового управления при необходимости глубокого снижения выходной мощности.

2) Получены выражения, аппроксимирующие статическую зависимость выходных параметров ИП от частоты управления Гу и параметров нагрузочного контура Я,,, Ь„, Сн, например, для выходной мощности Рвы*:

Рвых=(А-Гу-В)[1+(С-1ёК„/К„ом)2]-1-[1+(Ед-(Гу/Гм-Гм/Гу))2]05, (2) где Р„ом*и„о 2/Рном - номинальное сопротивление нагрузки, А, В, С, Б,- постоянные коэффициенты. Погрешность полученных выражений не превышает 15% , что позволяет использовать их в качестве модели ИП при идентификации в процессе управления.

3) При глубоком фазовом регулировании возможен резонанс эквивалентной емкости НК с эквивалентной индуктивностью РП на второй гармонике выходной частоты, если номинальная мощность нагрузки составляет не более 20 % от номинальной мощности ИП, что приводит к недопустимым перегрузкам конденсаторного оборудования.

4) Максимальная длительность переходного процесса с учетом ограничений на приращения управлений не превышает 3 мс, то есть близка к периоду пульсаций выпрямленного напряжения на входе инвертора.

В работе предложен и исследован алгоритм локального регулирования выходных параметров ИП, структура которого (рис. 2} содержит двухканальный астатический стабилизатор (первый канал для стабилизации выбранного параметра Р| на уровне Рту, второй, при необходимости, для ограничения параметра Рг на уровне Ргогр) с элементами самонастройки в виде вычисляемых ограничений частоты и фазы управления и коррекцией коэффициента усиления. Цикл работы и измерение стабилизируемого параметра синхронизированы с пульсациями выпрямленного напряжения на входе инвертора, что снижает воздействие динамики РИ на качество регулирования при минимальной задержке в контуре управления.

Блок вычисления ограничений частоты управления Гу_тт, Гу_та* обеспечивает стабилизацию или находит экстремум, если уставка регулятора выше текущего положения максимума. Блок вычисления ограничений фазы управления фу_тш, Фу_тал обеспечивает безопасность работы ИП при низкой номинальной мощности ИН. Коррекция коэффициента усиления интегрирующего звена к„ использует оценку наклона регулировочной характеристики по аналитическому выражению (2) и обеспечивает приемлемое быстродействие алгоритма регулирования*- при низкой добротности НК.

Механизм самонастройки алгоритма регулирования требует идентификация сопротивления нагрузки ИП в ходе процесса нагрева. После сравнения различных способов идентификации на цифровой модели (по мгновенным и интегральным значениям тока и напряжения на выходе ИП и на индукторе) установлено, что наименьшая погрешность достигается при измерениях по интегральным значениям тока и напряжения ин-ауктора

Л^к^-иЛР,,, Ьн= кпЛил^-тг-Гу-С у.и„2-Р„2)0 5), (3)

где 1„, ии и Ри - соответственно действующие и средние значения напряжения, тока и активной мощности индуктора, к,г коэффициент трансформации согласующего трансформатора. Это обеспечивает по-

Рис. 2. Структурная схема алгоритма регулирования выходных параметров ИП

грешность идентификации активного сопротивления индуктора на уровне 1 - 10 % (погрешность прямо пропорциональна добротности индуктора) и индуктивности на уровне ±0.5 %, при этом погрешность определения частоты максимума регулировочной характеристики составляет ±0.25 %, что обеспечиьаег эффективное использование энергетических возможностей И П.,

Четвертая глава посвящена вопросам согласования ИП и ИН на этапах проектирования, настройки и эксплуатации УИН.

Необходимым условием согласования ИП с ИН являегся обеспечение возможности реализовать выбранный закон регулирования выходных параметров ИП при ограниченной мощности последнего. Оптимальным является выбор значений параметров согласующих элементов (Си, кФ), при котором максимизирован запас мощности в ходе технологического процесса и, при значительной добротности (<3>5), индуктивный склон частотной регулировочной характеристики находится внутри разрешенного диапазона частоты управления {у.

В результате сравнения годографов электрического сопротивления ИН, полученных на цифровой одномерной электротепловой модели ИП в режиме стабилизации одною из параметров (тока, напряжения или мощноеш индуктора) при различных значениях стабилизируемого параметра усшновлено:

- для немагнитной загрузки годограф сопротивления имеет вид прямой линии (пропорциональное изменение L„ и R,() при различных видах и уровне стабилизируемого параметра, диапазон изменения определяется только начальным и конечным значениями теплосодержания активного слоя;

- для ферромагнитной загрузки годограф сопротивления почти ire зависит от вида стабилизируемого параметра (In, U„, Рн), но в значительной степени зависит от уровня стабилизации вследствие нелинейной зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля ц(Не), причем с ростом уровня напряженности магнитного поля (от 250 А/см до 8000 А/см) относительное изменение активного сопротивления и индуктивности индукционной системы уменьшается (с 3,21 до 1.16 ДЛЯ Rii_Ha4/R.H_KOH И С 1.6 ДО 1.04 ДЛЯ Ьи_пач/Ьи_кон).

Уточнение параметров согласующих элементов целесообразно осуществлять с помощью геометрического построения в координатах R, I. годографа индуктора R,„ L» и линии, ограничивающей облаем, сопротивлений нагрузки ИП RH, Lh (приведенную ко вторичной обмотке coi ла-сующего трансформатора), в которой при максималшой разрешенной частоте управления и постоянной емкости С» гарантируется заданный уровень стабилизации (рис. 3). Оптимальному согласованию будет соответствовать положение годографа индуктора внутри области с гарантированным уровнем стабилизируемого параметра, причем зазор между этими линиями должен быть максимальным. Для обеспечения работы регулятора на индуктивном склоне частотной характеристики дополнительным ограничением выступает прямая Ln=const=l/((2-7i-fy_ma02'Cn).

Для согласования в режимах, которые невозможно свести к стабилизации, целесообразно ориентировочный выбор параметров согласующих элементов вести по методике для режима стабилизации (представив ход технологического процесса в виде участков стабилизации), а для оценки качества согласования провести расчетный эксперимент на полной модели системы ИП - ИН с учетом используемого закона регулирования.

Для автоматизации согласования на этапе пуско-наладочных работ телесообразно использовать алгоритм идентификации (измерения) со-тротивления индуктора, что позволит выбрать безопасный режим пуска ЦП и уточнить годограф нагрузки, полученный на этапе проектирования тля оптимизации параметров согласующих элементов. -

Идентификацию перед пуском целесообразно проводить автомати-1ески путем подачи тестового воздействия на ПК от И И и вычисления тараметров индукционной нагрузки по результатам этого эксперимента. При таком способе идентификации энергии тестового воздействия недо-

L„, Ги 6.0E-8

5.5E-8

5.0E-8

4.5E-8

4.0E-8

3.5E-8 0.

Рис. 3. Проверка согласования в режиме стабилизации мощности:

годограф сопротивления индуктора р0=640 Вт/смЛ2 а=12.4 см ............Рвых_ип = 100 кВт (kTpmin=7.5, Сншах=77мкФ)

—......Рвых_ип = 100 кВт(ктршах=8.6, Снпнп=98мкФ)

-.....--- Рвых_ии = 100 кВт (kTps=8., Сш=84.мкФ)

сгагочно для получения уровня сигнала, подобного рабочему. Это не снижает достоверности результатов идентификации при немагнитной загрузке. При ферромагнитной загрузке это приводит к появлению погрешности, связанной с нелинейной зависимостью магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля на поверхности детали. Установлено, что величина погрешности незначительна при Rb>=RHom и возрастает при R„«RnoM. Поэтому, если алг оритм предпусковой идентификации ферромагнитной загрузки показывает значение R,.<0.5Rhom, то этот результат следует воспринимать как оценочный для выбора параметров согласующих элементов, но достаточный для выбора безопасного режима п}скз. Для выбора параметров согласующих элементов в этом случае необходимо воспользоваться результатами идентификации гю интегральным значениям тока и напряжения индуктора в ходе технологическою процесса (используемою также для самонастройки регулятора).

т' A"v ! v ! \ \

--•----------

: \ \ .1 .]---l -i-- - l.-l- -i- - A.rrU.A, 1-

__________

:.••'. 1 , 1 ........................ ... -1 . l ! . .1.

01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.0&н, Ом

Автоматизация управления согласующими элементами п длительных технологических процессах с большим диапазоном изменения сопротивления индуктора (плавка) также должна опираться па результаты идентификации и сигналы от регулятора ИП при достижении ограничения по частоте и недостаточном уровне регулируемого параметра.

Пятая глава посвящена вопросам реализации предложенных алгоритмов управления на базе современных микропроцессорных средств управления.

Рассматриваются основные типы современных средств программного управления. Для получения конкурентоспособного ИП УИН признано целесообразным использовать при разработке его СУ программируемый логический контроллер (ПЛК), доукомплектовывая его при необходимости узлами на базе БИС программируемых логических матриц и однокристальных микроконтроллеров, что обеспечит оптимальное сочетание сроков и стоимости разработки с гибкостью СУ при ограничении на стоимость изготовления и эксплуатации.

Рис. 4. Взаимодействие алгоритмов управления тирчеторного ИП УИН

В основу разделения функций между программными и аппаратными средствами (рис. 4) положен принцип минимизации стоимости и сроков разработки СУ, обеспечение требуемой гибкости СУ. Части алгоритмов, реализуемые программно, представлены на рис. 4 рамками с закругленными углами, реализуемые аппаратно - прямоугольными.

Функции устройства управления УУ реализует программный мон. тор, поддерживающий интерфейс с оператором и СУ верхнего по отношению к СУ ИП уровня (СУ УИН).

В результате анализа различных технических решений принято следующее разделение функций.

Алгоритм локального регулирования выходных параметров ИП; аппаратная реализация - измерение выходных параметров и генерация импульсов управления тиристорами (ИУТ) заданной частоты и фазы; программная реализация - идентификация параметров нагрузки и вычисление управляющего воздействия.

Алгоритмы предпусковой идентификации и пуска: аппаратная реализация - формирование ИУТ для организации предпускового тестового диагностирования НК, формирование ИУТ для осуществления выбранного способа пуска; программная реализация - идентификация параметров индуктора по результатам тестового диагностирования, выбор безаварийного способа пуска.

Алгоритм согласования: чисто программная реализация - накопление информации об изменениях параметров индукционной нагрузки и вычисление параметров оптимальных согласующих элементов.

Аппаратные средства ПЛК должны быть дополнены специальными аппаратными средствами на базе ПЛМ, реализующими специфические функции управления - генерация ИУТ инвертора' и сигналов защиты. Число таких блоков минимизировано ввиду значительной стоимости и сроков их разработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты работы могут быть сформулированы следующим образом:

1.. Предложен способ модельрования системы ИГ1 - ИН в режимах стабилизации напряжения, тока или мощности индуктора, основанный на декомпозиции системы и раздельном моделировании электрических процессов в 11Г1 и электромагнитных и тепловых процессов в ИН на соответствующих цифровых моделях.

2. Разработана полная модель системы ИП - ИН, состоящая из цифровой подмодели ИП, цифровой тепловой и аналитической электромагнитной подмоделей системы "индуктор - загрузка", позволяющая исследовать электрические процессы в ИП и производить оценку эффективности согласования с И И при различных алгоритмах регулирования ПП.

3. Разработан и проверен на цифровой модели алгоритм локального регулирования выходных параметров ИП, обеспечивающий стабилизацию или поддержание максимально возможного уровня одного параметра и ограничение второго для широкого спектра индукционных технологических установок за счет механизма самонастройки.

4. В результате исследования статических характеристик тиристор-ного РИ по схеме удвоения частоты с обратными диодами впервые получены аналитические выражения, аппроксимирующие зависимость установившихся значений выходных параметров ИП от параметров FIK и частоты управления, которые используются в качестве модели при коррекции коэффициента усиления локального регулятора ИП.

5. Предложена методика согласования ИП с УИН, обеспечивающая эффективное использование установленной мощности ИП и высокую повторяемость технологического процесса в условиях значительных изменений напряжения питающей сети и сопротивления нагреваемых изделий.

6. Разработан алгоритм автоматического выбора способа пуска ти-ристорного РИ на неизвестную индукционную нагрузку, включающий предпусковую идентификацию сопротивления нагрузки.

7. Разработан алгоритм автоматизированного согласования (определения оптимальных значений параметров согласующих элементов) на этапах пуско-наладочных работ и эксплуатации УИII.

' 8. Разработана оптимальная структура программных и аппаратных средств МПСУ ИП, реализующая предложенные алгоритмы управления и позволяющая гибко настраивать серийный ИП на работу в составе конкретной УИН.

ПУБЛИКАЦИИ НО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Применение микроЭВМ для оптимального управления гиристор-ным преобразователем/ Бондаренко Д.Н., Васильев Д.С., Дзлиев C.B., Езерский С.Н.// Изв. Ленингр. электротехн. ин-та. - 1986. - Вып.373. -С.57-61.

Бондаренко Д.Н., Дзлиеп C.B., Силкин Е.М. Автоматизация ти-ристорных источников питания электротехнологических установок// Изв. Ленингр. электротехн. ин-та. - 1987. - Выи.382. - С.81-86:

3. Силкин Е.М., Бондаренко Д.Н. Цифровые алгоритмы управления системами централизованного питания // Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода: Межвуз. науч. сб. - Саратов, 1987. - С.64-71.

4. Бондаренко Д.Н., Васильев A.C., Дзлиев C.B. Согласование ти-рисгорного преобразователя частоты с электротермической нагрузкой// Изв. Ленингр. электротехн. ин-та. - 1989. - Вып.417. - С.20-24.

5. Бондаренко Д.Н. Принципы построения программного регулятора статического преобразователя частоты для электротермии// Расчет и конструирование преобразовательных устройств: Межвуз. сб. науч. тр-Саранск, 1989. - С.99-103.

6. Бондаренко Д.Н., Дзлиев C.B. Контроль и диагностика аварийных процессов инвертора// Полупроводниковые системы преобразования, управления и автоматизации технологических процессов: Межвуз. сб. науч. тр. - Саранск, 1990. - С.31.-37.

7. Бондаренко Д.Н. Аппаратные и программные средства микропроцессорной системы управления тиристорным генератором для индукционного нагрева// Полупроводниковые системы преобразования, управления и авншаттации технологических процессов: Межвуз. сб. науч. тр. ■ Саранск, 1990.-С.85-92.

8. A.c. N1753563 СССР, МКИ5 H 02 Р 13/30. Способ управления мно тоячейковым последовательным инвертором/ Бондаренко Д.Н,, Дзлиев C.B., Сплкин Е.М. - N 4709879/07; Заявл. 26.6.89; Опубл. 11.7.92. Бюл N29.