Yarov V. M. Zdroje energie pro elektrické odporové pece Učebnice. Open Library - otevřená knihovna vzdělávacích informací Regulace řízení elektrických odporových pecí

Řízení výkonu odporové pece

Existují 2 zásadně odlišné přístupy k řízení výkonu:

1) Průběžná kontrola, při kterém může být do pece zaveden jakýkoli požadovaný výkon.

2) Kroková regulace, při které lze do pece zavést pouze diskrétní řadu výkonů.

První vyžaduje plynulou regulaci napětí na topných tělesech. Takovou regulaci lze provést pomocí libovolného typu výkonových zesilovačů (generátor, tyristorový usměrňovač, EMU). V praxi jsou nejběžnější tyristory zásoby energie, postavený podle schématu TRN. Takové regulátory jsou založeny na vlastnostech tyristoru zapojeného do obvodu střídavého proudu v sérii s aktivním odporem ohřívače. Tyristorové zdroje obsahují tyristory propojené zády k sobě vybavené SIFU.

Při druhém způsobu se změní napětí na ohřívači, čímž dojde k přepnutí napájecích obvodů pece. Obvykle existují 2-3 stupně možného napětí a výkonu ohřívače. Nejběžnější dvoupolohový způsob krokového řízení. Podle tohoto způsobu je pec buď připojena k síti při svém jmenovitém výkonu, nebo zcela odpojena od sítě. Požadovaná hodnota průměrného příkonu do pece je zajištěna změnou poměru doby zapnutého a vypnutého stavu.

Průměrná teplota v peci odpovídá průměrnému příkonu do pece. Náhlé změny okamžitého výkonu mají za následek kolísání teploty kolem průměrné úrovně. Velikost těchto kmitů je určena velikostí odchylek P MGNOV od průměrné hodnoty a velikostí tepelné setrvačnosti pece. Ve většině obecných průmyslových pecí je tepelná setrvačnost tak velká, že kolísání teploty v důsledku stupňovité regulace nepřekračuje požadovanou přesnost udržování teploty. Konstrukčně může být ovládání zapnuto-vypnuto zajištěno buď konvenčním stykačem nebo tyristorovým spínačem. Tyristorový spínač obsahuje back-to-back

Existují modifikace tyristorových spínačů, které vůbec nepoužívají kontakty.

Tyristorové spínače jsou spolehlivější než stykače, jsou jiskrové a explozivní, mají tichý provoz a jsou o něco dražší.

Kroková regulace má účinnost blízkou 1, až M »1.

V elektrických odporových pecích se v naprosté většině případů používá nejjednodušší forma regulace teploty - ovládání zapnutí/vypnutí, ve kterém má výkonný prvek řídicího systému - stykač - pouze dvě krajní polohy: „zapnuto“ a „vypnuto“.

Při zapnutí pece se teplota zvýší, protože její výkon je vždy zvolen s rezervou a odpovídající ustálená teplota výrazně převyšuje její provozní teplotu. Po vypnutí se teplota trouby snižuje podle exponenciální křivky.

Pro idealizovaný případ, kdy v systému regulátor-pec není dynamická prodleva, je činnost dvoupolohového regulátoru znázorněna na Obr. 1, na kterém je v horní části uvedena závislost teploty pece na čase a v dolní části příslušná změna jejího výkonu.

Rýže. 1. Idealizované pracovní schéma dvoupolohového regulátoru teploty

Při prvním zahřátí pece bude její výkon konstantní a rovný jmenovitému, takže její teplota vzroste do bodu 1, když dosáhne hodnoty t set + ∆ t1. V tomto okamžiku se spustí regulátor, stykač vypne pec a její výkon klesne na nulu. Výsledkem je, že teplota pece začne klesat podél křivky 1-2, dokud není dosaženo spodní hranice mrtvé zóny. V tuto chvíli se trouba opět zapne a její teplota se opět začne zvyšovat.

Proces regulace teploty pece na dvoupolohovém principu tedy spočívá v její změně po pilové křivce kolem dané hodnoty v intervalech +∆ t1, -∆t1 určeno mrtvou zónou regulátoru.

Průměrný výkon pece závisí na poměru časových intervalů jejího zapnutého stavu a vypnutého stavu. Jak se pec zahřívá a zatěžuje, křivka ohřevu pece bude strmější a křivka ochlazování pece bude plošší, takže poměr period cyklů se sníží a následně se sníží průměrný výkon Pav.

U dvoupolohového ovládání se průměrný výkon pece vždy přizpůsobí výkonu potřebnému k udržení konstantní teploty. Mrtvá zóna moderních termostatů může být velmi malá a přivedena na 0,1-0,2°C. Skutečné kolísání teploty pece však může být mnohonásobně větší v důsledku dynamického zpoždění v systému regulátor-pec.

Hlavním zdrojem tohoto zpoždění je setrvačnost snímače - termočlánku, zvláště pokud je vybaven dvěma ochrannými kryty, keramickým a kovovým. Čím větší je toto zpoždění, tím více kolísání teploty ohřívače přesahuje mrtvou zónu regulátoru. Navíc amplitudy těchto oscilací velmi závisí na přebytku výkonu pece. Čím více spínací výkon pece převyšuje průměrný výkon, tím větší jsou tyto výkyvy.

Citlivost moderních automatických potenciometrů je velmi vysoká a dokáže uspokojit jakýkoli požadavek. Setrvačnost snímače je naopak velká. Standardní termočlánek v porcelánové špičce s ochranným krytem má tedy zpoždění cca 20-60s. Proto se v případech, kdy je kolísání teploty nepřijatelné, používají jako snímače nechráněné termočlánky s otevřeným koncem. To však není vždy možné z důvodu možného mechanického poškození snímače a také svodových proudů vstupujících do zařízení přes termočlánek, které způsobují jejich nesprávnou činnost.

Snížení rezervy chodu je možné dosáhnout, pokud se kamna nezapínají a nevypínají, ale přepínají z jednoho stupně výkonu na druhý, přičemž nejvyšší stupeň by měl být jen o málo vyšší, než je výkon spotřebovaný kamny, a nejnižší - ne o moc méně. V tomto případě budou křivky ohřevu pece a její chlazení velmi ploché a teplota téměř nepřekročí mrtvou zónu zařízení.

Aby bylo možné provést takové přepnutí z jedné výkonové úrovně na druhou, je nutné mít možnost regulovat výkon pece plynule nebo v krocích. Takovou regulaci lze provést následujícími způsoby:

1) přepnutí ohřívačů pece například z „trojúhelníku“ na „hvězdu“. Taková velmi hrubá regulace je spojena s porušením rovnoměrnosti teploty a používá se pouze v domácích elektrických topných zařízeních,

2) sériové zapojení s pecí s nastavitelnou aktivitou nebo reaktancí. Tato metoda je spojena s velmi velkými energetickými ztrátami nebo poklesem účiníku zařízení,

3) napájení pece přes řídicí transformátor nebo autotransformátor s přepínáním pece na různé napěťové úrovně. I zde je regulace stupňovitá a poměrně hrubá, protože napájecí napětí je regulováno a výkon pece je úměrný druhé mocnině tohoto napětí. Kromě toho dochází k dalším ztrátám (v transformátoru) a poklesu účiníku,

4) fázové řízení pomocí polovodičových součástek. Pec je v tomto případě napájena přes tyristory, jejichž úhel sepnutí je měněn řídicím systémem. Tímto způsobem je možné získat plynulou regulaci výkonu pece v širokém rozsahu téměř bez dodatečných ztrát pomocí kontinuálních metod regulace - proporcionální, integrální, proporcionálně-integrální. V souladu s těmito metodami musí pro každý časový okamžik existovat shoda mezi výkonem absorbovaným pecí a výkonem uvolněným v peci.

Nejúčinnější ze všech způsobů regulace teplotní režim v elektrických troubách - pulzní regulace pomocí tyristorových regulátorů.

Proces pulzního řízení výkonu pece je znázorněn na Obr. 2. Frekvence provozu tyristorů se volí v závislosti na tepelné setrvačnosti elektrické odporové pece.

Rýže. 2. Tyristorový pulzní regulátor teploty elektrická odporová pec

Existují tři hlavní způsoby regulace pulzu:

Pulzní regulace při spínací frekvenci - f к = 2f с (kde f с je frekvence proudu napájecí sítě) se změnou odblokovacího momentu tyristoru se nazývá fázově pulzní nebo fázová (křivky 1),

Pulzní regulace se zvýšenou spínací frekvencí f až

Pulzní regulace se sníženou spínací frekvencí f až f c (křivky 3).

Výkon moderních elektrických odporových pecí se pohybuje od stovek wattů do několika megawattů.

Pece o výkonu nad 20 kW jsou vyráběny jako třífázové s rovnoměrným rozložením zátěže na fáze a jsou napojeny na sítě 220, 380, 660 V přímo nebo přes pecní transformátory (nebo autotransformátory).

Elektrické zařízení používané v elektrických odporových pecích zahrnuje 3 skupiny: silové elektrické zařízení, řídicí zařízení a přístrojové vybavení.

Silnoproudé elektrické zařízení zahrnuje

Snižovací transformátory výkonu a regulační autotransformátory,

silové elektrické pohony pomocných mechanismů,

Spínací a ochranná zařízení.

Ovládací zařízení zahrnuje kompletní ovládací stanice se spínacími zařízeními. V obvyklém provedení se používají spínače, tlačítka, relé, koncové spínače, elektromagnetické spouštěče, relé.

Instrumentace zahrnuje přístroje (přístroje) pro řízení, měření a signalizaci. Obvykle se zobrazuje na štítu. Každá odporová pec musí být vybavena pyrometrickými materiály. U malých nekritických pecí to může být termočlánek s indikačním zařízením, u většiny průmyslových pecí je automatická regulace teploty povinná. To se provádí pomocí přístrojů, které zaznamenávají teplotu pece.

Většina elektrických odporových pecí nevyžaduje výkonové transformátory.

Regulační transformátory a autotransformátory se používají, když je pec vyrobena s topnými články, které mění svůj odpor v závislosti na teplotě (wolfram, grafit, molybden), k napájení solných lázní a přímotopných zařízení.

Všechno průmyslové pece Odpory pracují v režimu automatické regulace teploty. Provozní teplota v elektrické odporové peci je řízena změnou příkonu.

Regulace výkonu dodávaného do pece může být diskrétní a spojité.

Na oddělený Jsou možné následující způsoby regulace:

Periodické připojování a odpojování elektrické odporové topné pece k síti (regulace zapnuto-vypnuto);

Přepínání topných těles pece z „hvězdy“ na „trojúhelník“ nebo ze sériového zapojení na paralelní (třípolohové ovládání).

Dvoupolohové řízení je nejrozšířenější, protože metoda je jednoduchá a umožňuje automatizovat proces.

Podle tohoto způsobu je pec buď připojena k síti při svém jmenovitém výkonu, nebo zcela odpojena od sítě. Požadovaná hodnota průměrného příkonu do pece je zajištěna změnou poměru doby zapnutého a vypnutého stavu.

Průměrná teplota v peci odpovídá průměrnému příkonu do pece. Náhlé změny okamžitého výkonu mají za následek kolísání teploty kolem průměrné úrovně. Konstrukčně může být ovládání zapnuto-vypnuto zajištěno buď konvenčním stykačem nebo tyristorovým spínačem. Tyristorový spínač obsahuje tyristory typu back-to-back pracující s a=0.

Na kontinuální regulace plynule reguluje napětí na topných tělesech. Takovou regulaci lze provést pomocí jakéhokoli typu výkonových zesilovačů. V praxi jsou nejrozšířenější tyristorové regulátory napětí. Tyristorové zdroje obsahují tyristory zapojené zády k sobě paralelně vybavené SIFU.

Tyristorové zdroje mají vysokou účinnost (až 98 %).

Existují 2 zásadně odlišné přístupy k řízení výkonu:

Plynulá regulace, při které lze do pece zavést libovolný požadovaný výkon.

Krokové řízení, při kterém lze do pece zavádět pouze diskrétní rozsah výkonů.

První vyžaduje plynulou regulaci napětí na topných tělesech. Takovou regulaci lze provést pomocí libovolného typu výkonových zesilovačů (generátor, tyristorový usměrňovač, EMU). V praxi jsou nejrozšířenější tyristorové zdroje stavěné podle obvodu TRN. Takové regulátory jsou založeny na vlastnostech tyristoru zapojeného do obvodu střídavého proudu v sérii s aktivním odporem ohřívače. Tyristorové zdroje obsahují tyristory zapojené zády k sobě paralelně vybavené SIFU.

Řídicí úhel, a tedy efektivní napětí na zátěži, závisí na externím napětí přivedeném ke zdroji. Aby se snížil vliv vypnutí napájecího napětí na tepelné podmínky pece, tyristorové napájecí zdroje obvykle poskytují negativní zpětnou vazbu na výstupní napětí. Tyristorové zdroje mají vysokou účinnost (až 98 %). Účiník závisí lineárně na hloubce regulace výstupního napětí, při úhlu  menším než 0 - až M = 1, při  = 180 až M = 0. Účiník je určen nejen fázovým posunem napětí a první harmonickou proudu, ale také hodnotou vyšších harmonických proudu . Proto použití kompenzačních kondenzátorů neumožňuje žádné výrazné zvýšení M.

Při druhém způsobu se změní napětí na ohřívači, čímž dojde k přepnutí napájecích obvodů pece. Obvykle existují 2-3 stupně možného napětí a výkonu ohřívače. Nejběžnější dvoupolohový způsob krokového řízení. Podle tohoto způsobu je pec buď připojena k síti při svém jmenovitém výkonu, nebo zcela odpojena od sítě. Požadovaná hodnota průměrného příkonu do pece je zajištěna změnou poměru doby zapnutého a vypnutého stavu.

Průměrná teplota v peci odpovídá průměrnému příkonu do pece. Náhlé změny okamžitého výkonu mají za následek kolísání teploty kolem průměrné úrovně. Velikost těchto kmitů je určena velikostí odchylek P MGNOV od průměrné hodnoty a velikostí tepelné setrvačnosti pece. Ve většině obecných průmyslových pecí je velikost tepelné setrvačnosti tak velká, že kolísání teploty v důsledku stupňovité regulace nepřekračuje požadovanou přesnost udržování teploty. Konstrukčně může být ovládání zapnuto-vypnuto zajištěno buď konvenčním stykačem nebo tyristorovým spínačem. Tyristorový spínač obsahuje protiparalelní s
připojené tyristory pracující s=0.

Je-li nízkoproudý kontakt S rozpojen, řídicí obvod VS1, VS2 je přerušený, tyristory jsou uzavřeny a napětí na zátěži je nulové. Pokud je S uzavřeno, vznikají obvody pro tok řídicích proudů. Katoda je kladná, anoda VS1 záporná. Řídící proud v tomto případě protéká obvodem katoda VS1 – VD1 – R – S – řídící elektroda VS2 – katoda VS2. VS2 se zapíná a vede elektrický proud během celého půlcyklu. V dalším půlcyklu se podobně zapne VS1.

S
Existují také třífázové spínače. Používají dva bloky zády k sobě zapojených tyristorů paralelně. Výkonové obvody takových spínačů jsou konstruovány podle následujícího schématu:

Existují modifikace tyristorových spínačů, které vůbec nepoužívají kontakty.

Tyristorové spínače jsou spolehlivější než stykače, jsou jiskrové a explozivní, mají tichý provoz a jsou o něco dražší.

Kroková regulace má účinnost blízkou 1, až M 1.

- zařízení s vlastnostmi polovodiče, jehož konstrukce je založena na monokrystalovém polovodiči majícím tři a více p-n přechodů.

Jeho provoz předpokládá přítomnost dvou stabilních fází:

• „zavřeno“ (úroveň vodivosti je nízká);
• „otevřený“ (úroveň vodivosti je vysoká).

Tyristory jsou zařízení, která plní funkce výkonových elektronických spínačů. Dalším názvem pro ně jsou jednočinné tyristory. Toto zařízení umožňuje regulovat dopad silných zátěží pomocí drobných impulsů.

Podle charakteristiky proudového napětí tyristoru vyvolá zvýšení proudu v něm pokles napětí, to znamená, že se objeví negativní diferenciální odpor.

Kromě toho mohou tato polovodičová zařízení propojovat obvody s napětím do 5000 voltů a proudem do 5000 ampér (při frekvenci nepřesahující 1000 Hz).

Tyristory se dvěma a třemi vývody jsou vhodné pro provoz se stejnosměrným i střídavým proudem. Nejčastěji je princip jejich činnosti srovnáván s provozem usměrňovací diody a má se za to, že jsou plnohodnotným analogem usměrňovače, v určitém smyslu ještě účinnějším.

Typy tyristorů se od sebe liší:

• Způsob ovládání.
• Vodivost (jednostranná nebo oboustranná).

Obecné principy řízení

Tyristorová struktura má 4 polovodičové vrstvy v sériovém zapojení (p-n-p-n). Kontaktem připojeným k vnější vrstvě p je anoda a kontaktem připojeným k vnější n vrstvě je katoda. Díky tomu může mít tyristor u standardní sestavy maximálně dvě řídicí elektrody, které jsou připevněny k vnitřním vrstvám. Podle připojené vrstvy se vodiče dělí na katodu a anodu podle typu ovládání. Nejčastěji se používá první typ.

Proud v tyristorech teče směrem ke katodě (z anody), takže připojení ke zdroji proudu je provedeno mezi anodou a kladným pólem a také mezi katodou a záporným pólem.

Tyristory s řídicí elektrodou mohou být:

• Uzamykatelné;
• Odemykatelné.

Indikativní vlastností neblokovacích zařízení je jejich nedostatečná odezva na signál z řídicí elektrody. Jediným způsobem, jak je uzavřít, je snížit úroveň proudu, který jimi protéká, tak, aby byl nižší než přídržný proud.

Při ovládání tyristoru je třeba vzít v úvahu některé body. Zařízení tohoto typu mění provozní fáze z „vypnuto“ na „zapnuto“ a zpět skokově a pouze za podmínky vnější vliv: pomocí proudu (manipulace napětí) nebo fotonů (v případech s fototyristorem).

Pro pochopení tohoto bodu si musíte pamatovat, že tyristor má hlavně 3 výstupy (tyristor): anodu, katodu a řídicí elektrodu.

UE (řídící elektroda) je přesně zodpovědná za zapínání a vypínání tyristoru. K otevření tyristoru dochází za podmínky, že přivedené napětí mezi A (anoda) a K (katoda) se rovná nebo překračuje provozní napětí tyristoru. Je pravda, že ve druhém případě bude vyžadováno vystavení pulzu s kladnou polaritou mezi Ue a K.

Při stálém přívodu napájecího napětí může být tyristor otevřen neomezeně dlouho.

Chcete-li jej přepnout do zavřeného stavu, můžete:

• Snižte úroveň napětí mezi A a K na nulu;
• Snižte hodnotu A-proudu tak, aby byla síla přídržného proudu větší;
• Pokud je činnost obvodu založena na působení střídavého proudu, zařízení se vypne bez vnějšího zásahu, když úroveň proudu sama klesne na nulovou hodnotu;
• Přiveďte na UE blokovací napětí (relevantní pouze pro uzamykatelné typy polovodičových zařízení).

Uzavřený stav také trvá neomezeně dlouho, dokud se neobjeví spouštěcí impuls.

Specifické metody řízení

• Amplituda .

Představuje dodávku kladného napětí různé velikosti do Ue. K otevření tyristoru dochází, když je hodnota napětí dostatečná k proražení řídicího přechodu usměrňovacího proudu (Irect). Změnou napětí na UE je možné změnit dobu otevření tyristoru.

Hlavní nevýhodou této metody je silný vliv teplotního faktoru. Kromě toho bude každý typ tyristoru vyžadovat jiný typ odporu. Tento bod nepřidává snadnost použití. Navíc dobu otevření tyristoru lze nastavit pouze po dobu první 1/2 kladného půlcyklu sítě.

• Fáze.

Spočívá ve změně fáze Ucontrol (ve vztahu k napětí na anodě). V tomto případě se používá můstek fázového posuvu. Hlavní nevýhodou je nízká strmost Ucontrolu, takže je možné stabilizovat otevírací moment tyristoru jen krátkodobě.

• Pulzní fáze .

Navrženo k překonání nedostatků fázové metody. Za tímto účelem je na Ue přiveden napěťový impuls se strmou hranou. Tento přístup je v současnosti nejrozšířenější.

Tyristory a bezpečnost

Vzhledem k impulsní povaze jejich působení a přítomnosti zpětného zotavovacího proudu tyristory značně zvyšují riziko přepětí při provozu zařízení. Kromě toho je nebezpečí přepětí v polovodičové zóně vysoké, pokud v ostatních částech obvodu není žádné napětí.

Proto, aby se předešlo negativním důsledkům, je obvyklé používat schémata CFTP. Zabraňují vzniku a zachování kritických hodnot napětí.

Dvoutranzistorový tyristorový model

Ze dvou tranzistorů je docela možné sestavit dinistor (tyristor se dvěma svorkami) nebo trinistor (tyristor se třemi svorkami). K tomu musí mít jeden z nich vodivost p-n-p, druhý - vodivost n-p-n. Tranzistory mohou být vyrobeny buď z křemíku nebo germania.

Spojení mezi nimi se provádí dvěma kanály:

• Anoda z 2. tranzistoru + Řídící elektroda z 1. tranzistoru;
• Katoda z 1. tranzistoru + Řídící elektroda z 2. tranzistoru.

Pokud se obejdete bez použití řídicích elektrod, pak bude výstup dinistor.

Kompatibilita vybraných tranzistorů je dána stejným výkonem. V tomto případě musí být hodnoty proudu a napětí nutně vyšší než hodnoty potřebné pro normální fungování zařízení. Údaje o průrazném napětí a přídržném proudu závisí na konkrétních vlastnostech použitých tranzistorů.

Pište komentáře, doplnění článku, možná mi něco uniklo. Mrkněte na to, budu rád, když na tom mém najdete ještě něco užitečného.