Yarov V. M. Surse de energie pentru cuptoare cu rezistență electrică Manual. Bibliotecă deschisă - bibliotecă deschisă de informații educaționale Reglementarea controlului cuptoarelor cu rezistență electrică

Controlul puterii cuptorului cu rezistență

Există 2 abordări fundamental diferite ale controlului puterii:

1) Control continuu, la care orice putere necesară poate fi introdusă în cuptor.

2) Controlul în trepte, în care doar o serie discretă de puteri pot fi introduse în cuptor.

Primul necesită o reglare lină a tensiunii pe încălzitoare. O astfel de reglare poate fi efectuată folosind orice tip de amplificatoare de putere (generator, redresor cu tiristoare, EMU). În practică, cele mai comune sunt tiristoarele surse de alimentare, construit conform schemei TRN. Astfel de regulatoare se bazează pe proprietățile unui tiristor conectat într-un circuit de curent alternativ în serie cu rezistența activă a încălzitorului. Sursele de alimentare cu tiristoare conțin tiristoare conectate spate la spate echipate cu SIFU.

În a doua metodă, tensiunea de pe încălzitor este schimbată, făcând o comutare în circuitele de alimentare ale cuptorului. De obicei, există 2-3 trepte de tensiune posibilă și puterea încălzitorului. Cea mai comună metodă de control în două poziții. Conform acestei metode, cuptorul este fie conectat la rețea la puterea sa nominală, fie complet deconectat de la rețea. Valoarea necesară a puterii medii de intrare în cuptor este furnizată prin modificarea raportului dintre timpul stării de pornire și oprire.

Temperatura medie în cuptor corespunde puterii medii introduse în cuptor. Schimbările bruște ale puterii instantanee duc la fluctuații de temperatură în jurul nivelului mediu. Mărimea acestor oscilații este determinată de mărimea abaterilor lui P MGNOV de la valoarea medie și de mărimea inerției termice a cuptorului. În majoritatea cuptoarelor industriale generale, inerția termică este atât de mare încât fluctuațiile de temperatură datorate controlului în trepte nu depășesc precizia necesară pentru menținerea temperaturii. Din punct de vedere structural, controlul pornit-oprit poate fi asigurat fie printr-un contactor convențional, fie printr-un comutator cu tiristor. Comutatorul tiristor conține spate la spate

Există modificări ale comutatoarelor cu tiristoare care nu folosesc deloc contacte.

Comutatoarele cu tiristoare sunt mai fiabile decât contactoarele, sunt rezistente la scântei și explozii, funcționează silențios și puțin mai scumpe.

Controlul pasului are o eficiență apropiată de 1, la M »1.

În cuptoarele cu rezistență electrică, în marea majoritate a cazurilor este utilizat cea mai simpla forma controlul temperaturii - control pornit/oprit, în care elementul executiv al sistemului de comandă - contactorul - are doar două poziții extreme: „pornit” și „oprit”.

Când cuptorul este pornit, temperatura crește, deoarece puterea sa este întotdeauna selectată cu o rezervă, iar temperatura de echilibru corespunzătoare depășește semnificativ temperatura de funcționare. Când este oprit, temperatura cuptorului scade conform unei curbe exponențiale.

Pentru un caz ideal, atunci când nu există o întârziere dinamică în sistemul controler-cuptor, funcționarea unui controler cu două poziții este prezentată în Fig. 1, în care dependența temperaturii cuptorului de timp este dată în partea superioară, iar modificarea corespunzătoare a puterii sale în partea inferioară.

Orez. 1. Schema de funcționare idealizată a unui regulator de temperatură cu două poziții

Când cuptorul este încălzit la început, puterea acestuia va fi constantă și egală cu cea nominală, astfel încât temperatura sa va crește până la punctul 1, când atinge valoarea t setată + ∆ t1.În acest moment, regulatorul va funcționa, contactorul va opri cuptorul și puterea acestuia va scădea la zero. Ca urmare, temperatura cuptorului va începe să scadă de-a lungul curbei 1-2 până când se atinge limita inferioară a zonei moarte. În acest moment, cuptorul se va porni din nou, iar temperatura acestuia va începe să crească din nou.

Astfel, procesul de reglare a temperaturii cuptorului folosind principiul celor două poziții constă în modificarea acesteia de-a lungul unei curbe cu dinte de ferăstrău în jurul unei valori date în intervale +∆ t1, -∆t1 determinată de zona moartă a controlerului.

Puterea medie a cuptorului depinde de raportul dintre intervalele de timp dintre starea de pornire și starea oprită. Pe măsură ce cuptorul se încălzește și se încarcă, curba de încălzire a cuptorului va deveni mai abruptă, iar curba de răcire a cuptorului va deveni mai plată, astfel încât raportul perioadelor de ciclu va scădea și, în consecință, puterea medie Pav va scădea.

Cu controlul în două poziții, puterea medie a cuptorului este întotdeauna ajustată la puterea necesară pentru a menține o temperatură constantă. Zona moartă a termostatelor moderne poate fi făcută foarte mică și adusă la 0,1-0,2°C. Cu toate acestea, fluctuațiile reale ale temperaturii cuptorului pot fi de multe ori mai mari din cauza decalajului dinamic din sistemul regulator-cuptor.

Sursa principală a acestei întârzieri este inerția senzorului - termocuplu, mai ales dacă este echipat cu două capace de protecție, ceramică și metalică. Cu cât această întârziere este mai mare, cu atât fluctuațiile temperaturii încălzitorului depășesc zona moartă a controlerului. În plus, amplitudinile acestor oscilații depind foarte mult de puterea în exces a cuptorului. Cu cât puterea de comutare a cuptorului depășește puterea medie, cu atât sunt mai mari aceste fluctuații.

Sensibilitatea potențiometrelor automate moderne este foarte mare și poate satisface orice cerință. Inerția senzorului, dimpotrivă, este mare. Astfel, un termocuplu standard într-un vârf de porțelan cu capac de protecție are o întârziere de aproximativ 20-60 s. Prin urmare, în cazurile în care fluctuațiile de temperatură sunt inacceptabile, ca senzori se folosesc termoelementele neprotejate cu un capăt deschis. Acest lucru, însă, nu este întotdeauna posibil din cauza posibilelor deteriorări mecanice ale senzorului, precum și a curenților de scurgere care intră în dispozitive prin termocuplu, provocând funcționarea lor incorectă.

Este posibil să se obțină o reducere a rezervei de putere dacă aragazul nu este pornit și oprit, ci comutat de la un nivel de putere la altul, iar cel mai înalt nivel ar trebui să fie doar puțin mai mare decât puterea consumată de aragaz și cel mai scăzut - nu cu mult mai putin. În acest caz, curbele de încălzire ale cuptorului și răcirea acestuia vor fi foarte plate, iar temperatura aproape nu va depăși zona moartă a dispozitivului.

Pentru a efectua o astfel de comutare de la un nivel de putere la altul, este necesar să se poată regla puterea cuptorului fără probleme sau în trepte. O astfel de reglementare poate fi efectuată în următoarele moduri:

1) comutarea încălzitoarelor cuptorului, de exemplu, de la „triunghi” la „stea”. O astfel de reglementare foarte aspră este asociată cu o încălcare a uniformității temperaturii și este utilizată numai în dispozitivele de încălzire electrică de uz casnic,

2) conectare în serie cu un cuptor cu activ sau reactanță reglabil. Această metodă este asociată cu pierderi foarte mari de energie sau cu o scădere a factorului de putere al instalației,

3) alimentarea cu energie a cuptorului printr-un transformator de control sau autotransformator cu comutarea cuptorului la diferite niveluri de tensiune. Aici reglarea este, de asemenea, treptat și relativ aspră, deoarece tensiunea de alimentare este reglată, iar puterea cuptorului este proporțională cu pătratul acestei tensiuni. În plus, există pierderi suplimentare (în transformator) și o scădere a factorului de putere,

4) controlul fazei folosind dispozitive semiconductoare. În acest caz, cuptorul este alimentat prin tiristoare, al căror unghi de comutare este modificat de sistemul de control. În acest fel, este posibil să se obțină un control fără probleme a puterii cuptorului pe o gamă largă, aproape fără pierderi suplimentare, folosind metode de control continuu - proporțional, integral, proporțional-integral. În conformitate cu aceste metode, pentru fiecare moment de timp trebuie să existe o corespondență între puterea absorbită de cuptor și puterea eliberată în cuptor.

Cea mai eficientă dintre toate metodele de reglementare regim de temperaturăîn cuptoare electrice - reglarea pulsului folosind regulatoare cu tiristoare.

Procesul de control prin impuls al puterii cuptorului este prezentat în Fig. 2. Frecvența de funcționare a tiristoarelor este selectată în funcție de inerția termică a cuptorului cu rezistență electrică.

Orez. 2. Controler de temperatură puls tiristor cuptor cu rezistență electrică

Există trei metode principale de reglare a pulsului:

Reglarea impulsului la o frecvență de comutare - f к = 2f с (unde f с este frecvența curentului rețelei de alimentare) cu o modificare a momentului de deblocare a tiristorului se numește fază-impuls sau fază (curbele 1),

Reglarea impulsului cu frecvență de comutare crescută f to

Reglarea impulsurilor cu frecvența de comutare redusă de la f la f c (curbele 3).

Puterea cuptoarelor moderne cu rezistență electrică variază de la sute de wați la câțiva megawați.

Cuptoarele cu o putere mai mare de 20 kW sunt realizate trifazate cu o distribuție uniformă a sarcinii între faze și sunt conectate la rețele de 220, 380, 660 V direct sau prin transformatoare de cuptor (sau autotransformatoare).

Echipamentul electric utilizat în cuptoarele cu rezistență electrică include 3 grupe: echipamente electrice de putere, echipamente de control și instrumente.

Echipamentul electric de putere include

Transformatoare reductoare de putere și autotransformatoare de reglare,

Acționări electrice de putere ale mecanismelor auxiliare,

Comutarea puterii și echipament de protecție.

Echipamentul de control include posturi complete de control cu ​​echipament de comutare. Întrerupătoarele, butoanele, releele, întrerupătoarele de limită, demaroare electromagnetice, relee sunt utilizate în designul obișnuit.

Instrumentația include instrumente (dispozitive) pentru control, măsurare și semnalizare. De obicei afișat pe un scut. Fiecare cuptor cu rezistență trebuie să fie echipat cu materiale pirometrice. Pentru cuptoarele mici necritice, acesta poate fi un termocuplu cu un dispozitiv indicator; în majoritatea cuptoarelor industriale, controlul automat al temperaturii este obligatoriu. Acest lucru se realizează folosind instrumente care înregistrează temperatura cuptorului.

Majoritatea cuptoarelor cu rezistență electrică nu necesită transformatoare de putere.

Transformatoarele de reglare și autotransformatoarele se folosesc atunci când cuptorul este realizat cu elemente de încălzire care își modifică rezistența în funcție de temperatură (wolfram, grafit, molibden), pentru a alimenta băile de sare și instalațiile de încălzire directă.

Toate cuptoare industriale Rezistențele funcționează în modul de control automat al temperaturii. Temperatura de funcționare într-un cuptor cu rezistență electrică este controlată prin modificarea puterii de intrare.

Reglarea puterii furnizate cuptorului poate fi discretă și continuă.

La discret Sunt posibile următoarele metode de reglementare:

Conectarea și deconectarea periodică a unui cuptor de încălzire cu rezistență electrică la rețea (reglare on-off);

Comutarea elementelor de încălzire ale cuptorului de la „stea” la „triunghi” sau de la conexiunea în serie la paralelă (control cu ​​trei poziții).

Controlul în două poziții este cel mai răspândit, deoarece metoda este simplă și vă permite să automatizați procesul.

Conform acestei metode, cuptorul este fie conectat la rețea la puterea sa nominală, fie complet deconectat de la rețea. Valoarea necesară a puterii medii de intrare în cuptor este furnizată prin modificarea raportului dintre timpul stării de pornire și oprire.

Temperatura medie în cuptor corespunde puterii medii introduse în cuptor. Schimbările bruște ale puterii instantanee duc la fluctuații de temperatură în jurul nivelului mediu. Din punct de vedere structural, controlul pornit-oprit poate fi asigurat fie printr-un contactor convențional, fie printr-un comutator cu tiristor. Comutatorul tiristoarelor conține tiristoare spate la spate care funcționează cu a=0.

La continuu reglarea reglează fără probleme tensiunea pe încălzitoare. O astfel de reglare poate fi efectuată folosind orice tip de amplificatoare de putere. În practică, regulatoarele de tensiune tiristoare sunt cele mai comune. Sursele de alimentare cu tiristoare conțin tiristoare conectate spate la spate, echipate cu SIFU.

Sursele de alimentare cu tiristoare au o eficiență ridicată (până la 98%).

Există 2 abordări fundamental diferite ale controlului puterii:

Control continuu, în care orice putere necesară poate fi introdusă în cuptor.

Controlul în trepte, în care doar o gamă discretă de puteri poate fi introdusă în cuptor.

Primul necesită o reglare lină a tensiunii pe încălzitoare. O astfel de reglare poate fi efectuată folosind orice tip de amplificatoare de putere (generator, redresor cu tiristoare, EMU). În practică, cele mai comune sunt sursele de alimentare cu tiristoare construite conform circuitului TRN. Astfel de regulatoare se bazează pe proprietățile unui tiristor conectat într-un circuit de curent alternativ în serie cu rezistența activă a încălzitorului. Sursele de alimentare cu tiristoare conțin tiristoare conectate spate la spate, echipate cu SIFU.

Unghiul de control și, prin urmare, tensiunea efectivă pe sarcină, depinde de tensiunea externă aplicată sursei. Pentru a reduce efectul opririi tensiunii de alimentare asupra condițiilor termice ale cuptorului, sursele de alimentare cu tiristoare oferă de obicei feedback negativ asupra tensiunii de ieșire. Sursele de alimentare cu tiristoare au o eficiență ridicată (până la 98%). Factorul de putere depinde liniar de adâncimea reglării tensiunii de ieșire, la un unghi  mai mic de 0 - la M = 1, la  = 180 la M = 0. Factorul de putere este determinat nu numai de defazajul tensiunii și prima armonică a curentului, dar și prin valoarea armonicilor superioare ale curentului . Prin urmare, utilizarea condensatoarelor compensatoare nu permite nicio creștere semnificativă a M.

În a doua metodă, tensiunea de pe încălzitor este schimbată, făcând o comutare în circuitele de alimentare ale cuptorului. De obicei, există 2-3 trepte de tensiune posibilă și puterea încălzitorului. Cea mai comună metodă de control în două poziții. Conform acestei metode, cuptorul este fie conectat la rețea la puterea sa nominală, fie complet deconectat de la rețea. Valoarea necesară a puterii medii de intrare în cuptor este furnizată prin modificarea raportului dintre timpul stării de pornire și oprire.

Temperatura medie în cuptor corespunde puterii medii introduse în cuptor. Schimbările bruște ale puterii instantanee duc la fluctuații de temperatură în jurul nivelului mediu. Mărimea acestor oscilații este determinată de mărimea abaterilor lui P MGNOV de la valoarea medie și de mărimea inerției termice a cuptorului. În majoritatea cuptoarelor industriale generale, magnitudinea inerției termice este atât de mare încât fluctuațiile de temperatură datorate controlului în trepte nu depășesc precizia necesară pentru menținerea temperaturii. Din punct de vedere structural, controlul pornit-oprit poate fi asigurat fie printr-un contactor convențional, fie printr-un comutator cu tiristor. Comutatorul tiristor conține contra-paralel cu
tiristoare conectate care funcționează cu=0.

Dacă contactul de curent scăzut S este deschis, circuitul de control VS1, VS2 este întrerupt, tiristoarele sunt închise și tensiunea pe sarcină este zero. Dacă S este închis, sunt create circuite pentru curgerea curenților de control. Catodul este pozitiv, anodul VS1 este negativ. În acest caz, curentul de control circulă prin catodul circuitului VS1 – VD1 – R – S – electrodul de control VS2 – catodul VS2. VS2 pornește și conduce curentul electric pe toată durata semiciclului. În următoarea jumătate de ciclu, VS1 este pornit în mod similar.

CU
Există și întrerupătoare trifazate. Ele folosesc două blocuri de tiristoare spate în spate conectate în paralel. Circuitele de alimentare ale unor astfel de întrerupătoare sunt construite conform următoarei diagrame:

Există modificări ale comutatoarelor cu tiristoare care nu folosesc deloc contacte.

Comutatoarele cu tiristoare sunt mai fiabile decât contactoarele, sunt rezistente la scântei și explozii, funcționează silențios și puțin mai scumpe.

Controlul pasului are o eficiență apropiată de 1, la M 1.

- un dispozitiv cu proprietățile unui semiconductor, a cărui proiectare se bazează pe un semiconductor monocristal având trei sau mai multe joncțiuni p-n.

Funcționarea sa implică prezența a două faze stabile:

• „închis” (nivelul de conductivitate este scăzut);
• „deschis” (nivelul de conductivitate este ridicat).

Tiristoarele sunt dispozitive care îndeplinesc funcțiile întrerupătoarelor electronice de putere. Un alt nume pentru ei este tiristoare cu o singură operație. Acest dispozitiv vă permite să reglați impactul sarcinilor puternice prin impulsuri minore.

Conform caracteristicii curent-tensiune a tiristorului, o creștere a curentului în acesta va provoca o scădere a tensiunii, adică va apărea o rezistență diferențială negativă.

În plus, aceste dispozitive semiconductoare pot conecta circuite cu tensiuni de până la 5000 Volți și curenți de până la 5000 Amperi (la o frecvență de cel mult 1000 Hz).

Tiristoarele cu două și trei terminale sunt potrivite pentru funcționare atât cu curent continuu, cât și cu curent alternativ. Cel mai adesea, principiul funcționării lor este comparat cu funcționarea unei diode de redresare și se crede că sunt un analog cu drepturi depline al unui redresor, într-un fel și mai eficient.

Tipurile de tiristoare diferă unele de altele:

• Metoda de control.
• Conductivitate (unilaterală sau bilaterală).

Principii generale de management

Structura tiristoarelor are 4 straturi semiconductoare într-o conexiune în serie (p-n-p-n). Contactul conectat la stratul p exterior este anodul, iar contactul conectat la stratul n exterior este catodul. Ca urmare, cu un ansamblu standard, un tiristor poate avea maximum doi electrozi de control, care sunt atașați la straturile interne. În funcție de stratul conectat, conductorii sunt împărțiți în catod și anod în funcție de tipul de control. Primul tip este cel mai des folosit.

Curentul din tiristoare curge spre catod (din anod), deci conexiunea la sursa de curent se face intre anod si borna pozitiva, precum si intre catod si borna negativa.

Tiristoarele cu electrod de control pot fi:

• Blocabil;
• Deblocabil.

O proprietate indicativă a dispozitivelor care nu se blochează este lipsa lor de răspuns la un semnal de la electrodul de control. Singura modalitate de a le închide este reducerea nivelului de curent care curge prin ele, astfel încât să fie inferior curentului de reținere.

Când controlați un tiristor, trebuie luate în considerare unele puncte. Un dispozitiv de acest tip schimbă fazele de funcționare de la „oprit” la „pornit” și înapoi în salturi și limite și numai în condițiile influență externă: folosind curent (manipularea tensiunii) sau fotoni (în cazurile cu un fototiristor).

Pentru a înțelege acest punct, trebuie să rețineți că un tiristor are în principal 3 ieșiri (tiristor): anod, catod și electrod de control.

UE (electrodul de control) este tocmai responsabil pentru pornirea și oprirea tiristorului. Deschiderea tiristorului are loc cu condiția ca tensiunea aplicată între A (anod) și K (catod) să devină egală cu sau să depășească tensiunea de funcționare a tiristorului. Adevărat, în al doilea caz, va fi necesară expunerea la un impuls de polaritate pozitivă între Ue și K.

Cu o alimentare constantă a tensiunii de alimentare, tiristorul poate fi deschis la nesfârșit.

Pentru a-l comuta într-o stare închisă, puteți:

• Reduceți nivelul de tensiune între A și K la zero;
• Reduceți valoarea curentului A, astfel încât puterea curentului de menținere să fie mai mare;
• Dacă funcționarea circuitului se bazează pe acțiunea curentului alternativ, dispozitivul se va opri fără intervenție externă atunci când nivelul curentului în sine scade la citirea zero;
• Aplicați o tensiune de blocare UE (relevant numai pentru tipurile de dispozitive semiconductoare blocabile).

Starea închisă durează și ea la nesfârșit până când apare un impuls de declanșare.

Metode specifice de control

• Amplitudine .

Reprezintă furnizarea unei tensiuni pozitive de mărime variabilă către Ue. Deschiderea tiristorului are loc atunci când valoarea tensiunii este suficientă pentru a întrerupe tranziția de control a curentului de redresare (Irect). Prin schimbarea tensiunii pe UE, devine posibilă modificarea timpului de deschidere al tiristorului.

Principalul dezavantaj al acestei metode este influența puternică a factorului de temperatură. În plus, fiecare tip de tiristor va necesita un tip diferit de rezistor. Acest punct nu adaugă ușurință în utilizare. În plus, timpul de deschidere al tiristorului poate fi reglat numai cât durează prima jumătate din semiciclul pozitiv al rețelei.

• Fază.

Constă în schimbarea fazei Ucontrol (în raport cu tensiunea la anod). În acest caz, se utilizează o punte de schimbare de fază. Principalul dezavantaj este panta scăzută a Ucontrolului, astfel încât este posibilă stabilizarea momentului de deschidere al tiristorului doar pentru o perioadă scurtă de timp.

• Fază de impuls .

Conceput pentru a depăși deficiențele metodei fazei. În acest scop, la Ue se aplică un impuls de tensiune cu o margine abruptă. Această abordare este în prezent cea mai comună.

Tiristoare și siguranță

Datorită naturii de impuls a acțiunii lor și a prezenței curentului de recuperare inversă, tiristoarele cresc foarte mult riscul de supratensiune în funcționarea dispozitivului. În plus, pericolul de supratensiune în zona semiconductoare este mare dacă nu există deloc tensiune în alte părți ale circuitului.

Prin urmare, pentru a evita consecințele negative, se obișnuiește să se utilizeze scheme CFTP. Ele previn apariția și reținerea valorilor critice ale tensiunii.

Model tiristor cu două tranzistoare

Din două tranzistoare este foarte posibil să se asambla un dinistor (tiristor cu două terminale) sau un triistor (tiristor cu trei terminale). Pentru a face acest lucru, unul dintre ele trebuie să aibă conductivitate p-n-p, celălalt - conductivitate n-p-n. Tranzistoarele pot fi fabricate fie din siliciu, fie din germaniu.

Conexiunea dintre ele se realizează prin două canale:

• Anod de la al 2-lea tranzistor + Electrod de control de la primul tranzistor;
• Catod de la primul tranzistor + Electrod de control de la al 2-lea tranzistor.

Dacă nu folosiți electrozi de control, atunci ieșirea va fi un dinistor.

Compatibilitatea tranzistoarelor selectate este determinată de aceeași cantitate de putere. În acest caz, citirile de curent și tensiune trebuie neapărat să fie mai mari decât cele necesare pentru funcționarea normală a dispozitivului. Datele privind tensiunea de defectare și curentul de menținere depind de calitățile specifice ale tranzistorilor utilizați.

Scrie comentarii, completări la articol, poate am omis ceva. Uită-te la, mă voi bucura dacă vei găsi altceva util la al meu.