İndüksiyonlu çelik tav fırınlarında güç ünitelerinin PLC ile denetimi

Abstract

ÖZET İNDÜKSİYONLU ÇELİK TAV FIRINLARINDA GÜÇ ÜNİTELERİNİN PLC İLE DENETİMİ ÜNVER, Halil Murat Kırıkkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Anabilim Dalı, Doktora Tezi Danışman : Prof. Dr. Veli Çelik Ortak Danışman : Yrd. Doç. Dr. Mehmet Timur Aydemir Ocak 2004, 122 Sayfa İndüksiyonlu çelik tav fırınlarında malzeme üzerinde oluşan ısı, manyetik geçirgenlik katsayısının düşmesine, elektriksel direncin ise artmasına neden olmaktadır. Parametrelerdeki bu değişim, elektrik şebekesinden çekilen aktif gücün azalması ve istenmeyen reaktif gücün artması anlamına gelmektedir, ve dolayısıyla malzeme üzerindeki sıcaklık arttıkça enerji transfer oranı düşmektedir. Ayrıca, güç ve frekans ayarlı indüksiyon fırınlarında oluşturulan yapılar, uygun bir veri iletişim alt yapısı sağlamadığından modern kontrol tekniklerinin uygulanması da mümkün olmamaktadır. Yeni kuşak PLC'Ier, indüksiyon fırınlarının mal yükleme, ısı, basınç, akım, gerilim kontrol-kumandasını yapabilecek yeterliliktedirler. Ayrıca, buPLC'Ier indüksiyon fırınlarının güç ünitesi kısmını oluşturan eviricilerin frekans ve güç kontrolünü yapabilecek kapasiteye de sahiptir. Bu tez çalışmasında, yeni kuşak PLC'Ierin bu özellikleri göz önüne alınarak, indüksiyonlu çelik tav fırınlarında kullanımı öngörülmüştür. Böylelikle, indüksiyonlu çelik tav fırınlarında modern kontrol tekniklerinin uygulanması için bir alt yapı oluşturulması amaçlanmıştır. Tasarlanan deney düzeneği ile yapılan deneysel çalışmada, sistem, ısıtılan malzeme üzerinde meydana gelen manyetik iletkenlik ve özdirenç değişimlerini istenilen hassasiyette izlemiş, bu sayede, şebekeden sürekli aktif ve sabit seviyeli enerji çekilmesi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, PLC'nin yeterli düzeyde performans göstermesi sayesinde indüksiyonlu çelik tav fırını üzerinde modem kontrol tekniklerinin uygulanabilmesi için gerekli alt yapı oluşturulmuştur. Sistemin simülasyonu için yapılan çalışmalarda ise, MATLAB® Simulink programı üzerinde, deneysel düzeneğe ilişkin model oluşturulmuş ve simülasyon gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen rezonans frekansı belirleme mantığının, simülasyon ortamında da deneysel çalışmalarda olduğu gibi güvenilir olduğu gözlenmiştir. ORCAD® Pspice programı ile yapılan simülasyonda elde edilen eğrilerle, MATLAB® Simulink'de kurulan modelde elde edilen eğrilerin bir karşılaştırması yapılmış, Simulink'de oluşturulan modelin tamamıyla güvenilir olduğu ortaya konmuştur. Anahtar Kelimeler: PLC, indüksiyonlu ısıtma fırınları, frekans ve güç kontrolü, güç ünitesi, evirici

ABSTRACT The accumulated heat on the material causes a drop on the magnetic permeability and a rise on the electrical resistance, during heating the steel in the induction heating furnaces. The variation of the parameters decreases the active power drawn from the power line and increases the undesired reactive power. Therefore, the energy transfer rate of the induction steel heating furnaces falls as the heat rises on the work piece. Also, it is impossible to apply modern control techniques in induction ovens with adjustable power and frequency since their structures do not provide a proper medium for data communication. New generation PLCs have the capability of material loading, heat, pressure, current and voltage control of induction furnaces. It is also possible to use them in adjusting the power and the frequency of the inverter which is the power unit of the furnaces. By considering all the capabilities, utilizing PLCs in induction steel heating furnaces is decided in this dissertation. In the experimental work, the system successfully observed all the variations of the conductivity and resistivity of the heated material with the desired level of sensitivity. This enabled an continuous and constant level of active power flow from the power line, resulting in the transfer of an optimum level of energy into the material. In addition, a suitable platforms has been constructed to apply modern control techniques on the induction heating furnaces as a result of satisfactory performance of PLC's. A model of the hardware of the system has been built in MATLAB® mSimulink to demonstrate the control logic that determines the resonant frequency. Also, simulation work has been performed by using a simple ORCAD® Pspice model to show the basic operation principles of the power electronics system. All simulation results have been in agreement with the hardware waveforms. Keywords: PLC, induction heating furnaces, frequency and power control, power supply, inverter IV