С.1. Описание исследуемой системы

Источником тепла в электрической печи сопротивления (ЭПС) являются электронагреватели. При прохождении через них электрического тока выделяется значительное количество тепла (закон Джоуля-Ленца). Применение для нагрева металла электрической энергии улучшает технологию нагрева: в рабочей камере может быть создана любая атмосфера, а также вакуум; окружающая среда при загрузке и выгрузке не загрязняется; исключается местный перегрев изделий вследствие равномерного расположения нагревателей.

Задача управления ЭПС заключается в обеспечении заданных температурного и теплового режимов нагрева изделий.

ЭПС – это объект с самовыравниванием, который можно представить в виде последовательного соединения инерционного звена и звена запаздывания

где K _O – коэффициент передачи объекта, °С/Вт; T _O и t _O – постоянная времени и запаздывание соответственно.

Отношение времени запаздывания t _Oк постоянной времени T _O, как правило, меньше 0,2. Для таких объектов обычно применяют системы позиционного регулирования температуры.

Основными возмущениями являются изменение характеристик источника электрического тока, величины вакуума, изменение расхода защитной атмосферы.

В качестве регулирующего воздействия используют изменение мощности, выделяемой нагревателями, обеспечивающее стабилизацию температуры в печи или её изменение по заданному закону. Чаще всего применяют двухпозиционное или трехпозиционное регулирование.

На рис. С.1 и рис. С.2 приведены релейно-контакторные схемы двух- и трехпозиционного регулирования температуры. Регулирующие контакты встроены в регистрирующий прибор. В качестве датчика температуры применен термоэлектрический термометр (термопара).

Рис. С.1. Схема двухпозиционного регулирования температуры в ЭПС:

РC – регистрирующий прибор со встроенным контактом «минимум»; BK – термоэлектрический термометр; EK – нагревательный элемент печи; SA – универсальный переключатель; QF – автоматический выключатель; FU1 и FU1 – плавкие предохранители; К1 – промежуточное реле; КМ – контактор

Рис. С.2. Схема трехпозиционного регулирования температуры в ЭПС

Принципиальная схема АСР температуры трехпозиционным регулятором (рис. С.2) включает регистрирующий прибор со встроенными контактами «норма», «минимум»; остальные элементы такие же, как на схеме двухпозиционного регулирования.

В качестве релейных регуляторов могут использоваться НЭ с различными статическими характеристиками (рис. С.3). Входной величиной регулятора является отклонение e = Q ₀ – Q управляемой величины (температуры Q) от заданного значения Q ₀, a выходной – уровень подводимой к печи мощности.

а) б) в)

Рис. С.3. Статические характеристики релейных регуляторов

При двухпозиционном регулировании (рис. С.3, а, б) регулирующий орган может занимать одно из двух положений. В первом положении силовые контакты замкнуты и на печь подается максимальная мощность P_MAX; во втором – силовые контакты разомкнуты и на печь подается минимальная мощность P_MIN (обычно P_MIN = 0).

При идеальной характеристике реле (рис. С.3, а) при e > 0 (т. е. при Q < Q ₀) подается максимальная мощность P_MAX и происходит прогрев печи. При достижении Q < Q ₀ (e = 0) силовые контакты размыкаются и нагревательный элемент обесточивается. Вследствие инерционности объекта управления температура в печи некоторое время будет продолжать увеличиваться до значения выше заданного (e < 0), а затем начнёт уменьшаться. Новое замыкание силовых контактов произойдёт при уменьшении температуры печи до Q ₀ (e = 0). В результате установятся незатухающие колебания (автоколебания) температуры около заданного значения.

Если характеристика двухпозиционного регулятора неоднозначна (рис. С.3, б), то при разогреве печи (уменьшении e) отключение нагревателя произойдёт не в точке достижения выходом заданного значения, а при более высокой температуре, соответствующей отклонению e = – В. (Отметим, что отклонение e < 0 соответствует температуре Q > Q ₀, а отклонение e > 0 – температуре Q < Q ₀). В результате установятся автоколебания с большей температурой, чем в первом случае.

При симметричном режиме работы автоколебания происходят вокруг заданного значения Q ₀. Такой режим возникает в случае равенства скорости нагрева и охлаждения печи в области заданного значения температуры. Если режим несимметричен, то автоколебания возникают около среднего значения температуры Q_СР, отличного от Q ₀. Возникает как бы статическая ошибка.

При трехпозиционном регулировании статическая характеристика регулятора имеет вид, показанный на рис. С.3, в. При e > + В (Q < Q ₀ – В) подается полная мощность P_MAX. При + В > e > – В (температура Q находится в заданных пределах) подводится средняя мощность Р_СР. При e < – В (температура выше заданного предела Q > Q ₀ + В) нагреватель отключается и подается Р_MIN = 0.