Индукционные установки как объекты управления

Классификация индукционных установок

Ниже индукционные электротермические установки ИЭТУ рассматриваются с учетом особенностей задач управления для каждой группы установок.

Плавильные ИЭТУ составляют большую группу. По конструктивному исполнению их можно разделить на канальные, тигельные и. Канальные и тигельные печи, применяемые в литейном производстве для расплавления черных и цветных металлов, характеризуются большой установленной мощностью. Задача управления ими состоит в поддержании максимальной мощности в период расплавления и заданной температуры металла в период выдержки перед разливкой. Тигельным печам с непроводящим тиглем свойственно специальные изменение активного и индуктивного сопротивлений системы индукторзагрузка по мере расплавления кусковой шихты и заполнения тигля расплавом. Для поддержания постоянной мощности нужно регулировать напряжение индуктора при постоянном напряжении источника питания. Необходимо также стабилизировать коэффициент мощности цепи нагрузки путем регулирования емкости компенсирующей конденсаторной батареи.

Задача управления плавильными установками специального назначения (для бестигельной зонной плавки, выращивания монокристаллов из расплава, капельного переплава с направленной кристаллизацией и т. д.) определяется требованием получить продукт заданных размеров и качества. В установившихся режимах работы эта задача может быть сведена к поддержанию постоянного положения в пространстве границы раздела фаз (фронта кристаллизации), что, как правило, осуществляется регулированием по косвенным параметрам, например по эквивалентным параметрам контура. Более сложно управление установками в переходных режимах. Для автоматического регулирования процесса в этих режимах необходимо использовать дополнительные датчики, например, массы растущего кристалла, размеров расплавленной зоны и др.

Отличительной особенностью группы ИЭТУ для термообработки является законченный характер технологического процесса в пределах самой установки, т.е. нагретая деталь не передается для последующей горячей обработки. Поэтому задачи управления здесь могут быть поставлены и решены в наиболее полном и определенном виде. При нагреве под термообработку результат процесса определяется как конечным температурным полем детали, так и временем пребывания металла в некоторой области температур, где происходят фазовые и рекристаллизационные превращения, протекающие с конечной скоростью. Поэтому задача регулирования - обеспечить повторяемость характера роста температуры в процессе нагрева.

Отличия в требованиях к системам управления универсальными и специальными установками для термообработки заключаются в том, что последние обычно используются в массовом машиностроительном производстве и отлаженный алгоритм управления ими, как правило, в процессе работы не меняется. Универсальные установки применяются в мелкосерийном производстве при частой смене технологических операций.

Кузнечные индукционные нагреватели составляют наиболее крупную по суммарной мощности группу ИЭТУ. Нагреватели периодического действия используются, как правило, в мелкосерийном производстве. В индукторе такого нагревателя находится одна заготовка. Управление тепловым режимом сводится к достижению за минимальное время заданного теплосодержания заготовки при ограничении максимального и минимального значений температуры по объему. Управление нагревателями периодического действия заключается в реализации ограничений на режим нагрева и электрические параметры установки и определении момента окончания нагрева при достижении заданного распределения температуры по объему заготовки. Часто эта задача решается с помощью системы стабилизации напряжения и фиксации времени нагрева. При нагреве стальных заготовок необходимо также регулирование емкости конденсаторной батареи в целях стабилизации коэффициента мощности питающей сети.

Наибольшее распространение в кузнечном производстве получили индукционные нагреватели полунепрерывного и непрерывного действия. Первые имеют толкательный механизм перемещения мерных заготовок внутри индуктора. Шаг проталкивания равен длине одной заготовки, поэтому при заталкивании холодной заготовки из индуктора выдается очередная нагретая.

Универсальными являются нагреватели непрерывного действия с однородным магнитным полем, однородность которого достигается при равномерном шаге витков индуктора. Из-за постоянства настила тока по длине индуктора в них реализуется нагрев с постоянной удельной мощностью, расходуемой на поверхность заготовок.

В крупносерийном и массовом производстве целесообразно использовать нагреватели ускоренного действия (с неоднородным магнитным полем). В данном случае индуктор состоит из двух или трех секций с разными настилами тока, благодаря чему реализуется режим, близкий к нагреву, с постоянной температурой поверхности самый быстрый в условиях жесткого ограничения максимальной температуры.

Наиболее высокопроизводительными являются кузнечные нагреватели с непрерывным перемещением заготовок по рольганам (проходные нагреватели). В них легко достигается режим ускоренного нагрева. Практически всегда индукторы проходных нагревателей выполняются секционированными. Между секциями индуктора расположены приводные и опорные ролики. Секции индуктора могут питаться от одного или нескольких соединенных параллельно источников. Однако для удобства управления желательно раздельное питание секций или групп секций от управляемых источников.

Установки для нагрева под пластическую обработку имеют особенности. Во-первых, они являются частью технологического комплекса, поэтому режим их работы должен быть строго согласован с режимом работы последующего по технологической цепи кузнечного оборудования. Во-вторых, в отличие от нагрева под термообработку здесь большое значение имеет конечное распределение температуры по объему заготовки, а требование к температуре сводится лишь к ограничению ее максимального верхнего значения.

При работе технологической линии часто возникает необходимость кратковременных остановок для выдачи заготовок из индуктора. Из опыта работы кузнечных цехов выявлено следующее типовое распределение остановок нагревателя по длительностям в течение рабочей смены: одна на обед в течение 30 мин, одна на 20 мин, две по 10 мин и четыре по 5 мин для чистки, шлифовки и регулирования штампов и осмотра зажимного инструмента.

Незапланированные простои кузнечного оборудования приводят к снижению экономических показателей работы, поэтому при разработке систем управления кузнечными нагревателями необходимо уделять большое внимание обеспечению постоянной готовности к выдаче качественно нагретой заготовки. Это особенно важно в первом и повторном (после термо-статирования) режимах включения нагревателя. Продолжительность выхода нагревателя на установившийся режим существенно зависит от алгоритма управления.

Можно сформулировать следующие задачи управления кузнечными индукционными нагревателями:

управление загрузкой, перемещением внутри установки и выгрузкой заготовок;

регулирование электрического режима нагревателя в целях поддержания эксплуатационных параметров силовой цепи в допустимых диапазонах;

регулирование теплового режима нагревателя с целью обеспечить заданную динамику роста температуры в процессе нагрева и распределения температуры по объему заготовки в конце нагрева;

обеспечение режима термостатирования с возможностью быстрого выхода на номинальный режим при повторном пуске нагревателя;

автоматизированная настройка системы при изменении типоразмера нагреваемых заготовок.

Лучшие образцы отечественных и зарубежных индукционных нагревателей имеют системы управления, обеспечивающие термостатирование в течение 15-20 мин с последующим быстрым выходом на стационарный режим.

Высокочастотные установки для сварки и пайки составляют особую группу ИЭТУ. Установки периодического действия используются для неразъемного соединения сравнительно небольших поверхностей: сварки и пайки труб встык, пайки твердосплавных режущих головок к державкам инструмента и т. д. Задача управления этими установками сводится к обеспечению качества соединений с помощью регулирования режима нагрева по температуре или электрическому параметру, а также к реализации заданной программы работы механизмов установки.

Задача управления установками непрерывного действия для продольной сварки труб, профилей и кабельных оболочек сводится к получению качественного шва с минимальным равномерным по длине гратом. Наибольшую сложность в решении этой задачи представляет определение параметра, адекватно отражающего качество процесса. Используются системы регулирования по косвенным параметрам температуре кромок и очага сварки, электрическим сопротивлениям индуктора, магнитному потоку в зоне сварки и т. д.

Дата добавления: 2014-01-05