СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УСТРОЙСТВ В ПРОИЗВОДСТВЕ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ

АННОТАЦИЯ

Все предшествующие детальные исследования процессов, которые могут происходить в едином поле, а также представительный объём работ по обработке ряда природных материалов в этом поле натолкнуло на создании универсальной установки, нацеленной на работу в промышленности и проведение дальнейших научных исследований [1-6]. В статье последовательно представлен целый спектр требований, которые должны быть предъявлены к установке единого электромагнитного поля (УЕЭП) для её безопасной и эффективной работы.

ABSTRACT

All previous detailed studies of the processes that can occur in a single field, as well as a representative amount of work on the processing of a number of natural materials in this field, prompted the creation of a universal installation aimed at working in industry and carrying out further scientific research. The article consistently presents a whole range of requirements that must be presented to the installation of a single electromagnetic field for its safe and efficient operation.

Ключевые слова: устройство единим электромагнитного поля (УЕЭП),  асбестоцементный отход, цемент, кристаллическая решетка, сыпучий материал, энергия связи

Keywords: device by a single electromagnetic field, asbestos-cement waste, cement, crystal lattice, bulk material, energy connection

Основная часть. В мультивибраторах и триггерах установки УЕЭП использовались тиристоры и симисторы [3-6]. Однако, для устройства единого поля, назначение которого заключается в измельчение материалов типа металлов и сплавов, требуется получать большой ток (до 500А) при малых напряжениях питания (до 120В) и низкой частоте от (5Гц до 50Гц), то есть этих элементов явно недостаточно.  В связи с этим потребовалось подобрать систему управления для гарантированного включения силовых элементов. Наиболее подходящими элементами для данного устройства являются биполярные транзисторы с изолированными затворами (БТИЗ) фирм и компаний, таких, как Hitachi, Semikron, Макро Тим, Garret, IR, Semitrans.

Для уменьшения прямых потерь и улучшения шумовых характеристик были выбраны БТИЗ модули фирмы Hitachi. Это связано со свойствами самого модуля, обладающим эффективным теплоотводом. В связи с этим повысилась долговечность и термическая прочность устройства управления. Этот модуль обладает высокой скоростью переключения и возможностью управления напряжением. Также он имеет низкий уровень насыщения и, поэтому он имеет способность управлять большой мощностью. Низкий уровень насыщения достигается за счет повышения плотности каналов и нетрадиционным расположением (вертикальным) структуры затвора.

Для управления устройством на основе пространственного электромагнитного поля [3-5], где необходимо получать на выходе сигнал нужной формы, в системе управления используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), при которой силовой ключ открывается на определенное время, пропорциональное нужному выходному напряжению. Далее формируется сигнал, состоящий из импульсов разной ширины. На выходе ШИМ получается практически идеальный сигнал нужной формы. Для управления силовыми транзисторами применяются драйверы. Драйверы обеспечивают гальваническую развязку, накачку заряда в затвор БТИЗ транзистора и функцию контроля. Использование БТИЗ драйверов позволяет упростить схемное решение, повысить надежность устройства, а также уменьшить его габаритные размеры. Блок схема преобразователя показана на рис. 1.

Рисунок 1. Блок схема преобразователя

Разработанная система управления позволяет получать положительный импульс выходного сигнала и регулировать его амплитуду, фазу и длительность [6]. Принципиальная схема управления показана на (рис. 2.). В затворах силовых ключей форма сигналов должна быть чисто прямоугольной (рис. 3.).

Для переключения на частоту 30 кГц необходим занос по частоте не менее чем в три раза, поэтому выбираем транзисторы типа БТИЗ фирмы IR типа IRG4PC50UD – на 600В и 1200А. Для резонансных преобразователей устройства работают на частотах в 4-5 раз выше, чем предельно допустимые. Для IGBT транзисторов пауза между открытием и закрытием составляет 1,2 мксек, а для полевых транзисторов 0,5мксек. Для этих преобразователей  использовались параллельно  соединенные полевые транзисторы типа IRFPS37N50A,  IRFPS40N50 и т.д.

Рисунок 2. Принципиальная схема управления высокочастотными сигналами УЕЭП

Рисунок 3. Форма сигналов в затворах силовых ключей

Наибольшее распространение получили преобразователи частоты с промежуточным звеном переменного тока, построенные по схеме автоматического управления. Существует несколько различных схем преобразователей частоты. По принципу действия они могут быть разделены на три группы: управляемые, полууправляемые и неуправляемые.

Наибольшее распространение получили неуправляемые преобразователи частоты. Они характеризуются максимальной простотой и надежностью, высоким КПД, а также достаточно высоким качеством выходного (выпрямленного) напряжения и гармонического состава тока, потребляемого из сети. Однако неуправляе­мость процесса преобразования энергии не позволяет реализовать режимы рекупера­ции, необходимые во многих случаях.

Управляемые преобразователи частоты были выполнены на низкочастотных и высокочастотных транзисторах, лишенных недостатков. Они обладают высоким КПД и свойст­вом обратимости по направлению преобра­зования энергии и обычно используются совместно с согласующими платами драйверов то­ка для регулирования величины выходного тока, длительности импульсов и их частоты. Недостатки управля­емых выпрямителей заключаются в повы­шенном уровне пульсаций выпрямленного напряжения, в пониженном значении коэф­фициента мощности, который уменьшается пропорционально выходному напряжению, и в одностороннем направлении выходного тока. При необходимости они могут обеспечить про­текание тока в обоих направлениях.

Разработанное устройство выполнено со стабилизированным напряжением, температурой и автоматическим приёмом и подачей сырья в бункер [3, 5, 6]. Нагрузкой системы автоматического управления устройством единого пространственного поля являются индуктивные катушки с большой напряженностью поля.

Управление транзисторами преобразователя осуществляется драйверами, которые обеспечивает большие показатели выходных токов прямоугольного импульса.

Низкие потери мощности в ключевых режимах, большие значения рабочих напряжений и токов, малые времена включения и отключения дают возможность использовать силовые транзисторы в параллельных режимах, управляя при этом работой четырех катушек индуктивности, двух медных стержней, двух электромагнитов. Это даёт возможность в больших пределах менять индукцию пространственного электромагнитного поля, а, следовательно, и менять режимы измельчения, извлечения, обогащения минералов, управлять устройством размагничивания металлов.    

 Основным элементом системы управления является специализированный микроконтроллер ATMega8 или цифровой сигнальный процессор. Это устройство производит большой объем сложных вычислений в режиме реального времени для реализации современных алгоритмов управления. В наибольшей степени это необходимо, когда требуется управлять сложными технологическими процессами с множеством сенсорных датчиков (весовых датчиков, датчиков скоростей, температурных и гидравлических датчиков, такими как устройства единого пространственного поля).

Система управления технологическими процессами построена на двухпроцессорной ос­нове. Первый процессор выполняет основные функции преобразователя частоты (реализация алгоритмов управления, опрос датчиков и т.д.), второй обеспечивает работу пульта управления, связь с системой верхнего уровня и другие технологические  функции. Следует отметить, что распределе­ние функций между микроконтроллерами может быть произведено и другим способом.

Достоинства двухпроцессорной системы является возможность применения единого интер­фейса для связи центрального контроллера с пультом управления и с системой автоматизации верхнего уровня. Значительно упрощается разработка программного обеспечения для каждого из контроллеров.

Управление драйверами устройства осуществляется посредством формирования шестиканального ШИМ ˗ сигнала с автоматическим добавлением «мертвого времени».  Для получения формы выходного напряжения, близкой к прямоугольному, исполь­зовалась программная пли аппаратная коррекция «мертвого времени». В системе управления используется аппаратная блокировка сигналов ШИМ в случае аварии. Преобразователь построен по модульному принципу, позволяющему включать дополнительные функцио­нальные модули, которые в сочетании со встроенными программными средствами, позволяют получать различные значения параметров устройства пространственного электромагнитного поля [6].

Выводы. Разработанное устройство системы управления технологическими процессами и экспериментальные характеристики полученных композиционных материалов из АЦО дали возможность определиться с выводами: управления УЕЭП отвечает всем требованиям, предъявляемым к подобным устройствам, надежна в работе с активно-реактивной нагрузкой, какой фактически является устройство пространственного поля; разработана универсальная система управления, которая позволяет применить ее без тиристорного преобразователя; в разработанных системах управления уменьшаются потери, увеличивается КПД, снижается уровень электромагнитных потерь.

Список литературы:

1. Колесников И.К. и др. Влияние электромагнитного поля на свойства жидких и твердых тел // Наука. Образование. Техника. – 2007. №.4. – С. 104.
2. Михалева З.А., Коптев А.А., Таров В.П. Методы и оборудования для переработки сыпучих материалов и твердых отходов: учеб. пособие. - Тамбов: Тамбовский ГТУ, 2002. - 64 с.
3. Халиков А.А., Колесников И.К., Курбанов Ж.Ф. Исследование и разработка единого пространственного электромагнитного поля и устройств на их основе: монография. – Ташкент: Фан ва технология, 2019. – С. 238.
4. Kolesnikov I.K., Kurbanov J.F. The dynamics of the process of separation of minerals by united spatial field // WCIS-2014, «Eighth World Conference on Intelligent Systems for Industrial Automation», -November. – 2014. – Р.25-27.
5. Kolesnikov I.K., Kurbanov J.F. The control system and the hardware implementation of a single unit of the spatial field // International Conference «Perspectives for the development of information technologies», –Tashkent. – 2015. – Р.4-5.
6. Kurbanov J.F. Management and hardware implementation of a single spatial field // International Journal «International Review of Education and Science. – 2015.  №. 1. – Р.8.