Yarov V. M. Zdroje energie pre elektrické odporové pece Učebnica. Open Library - otvorená knižnica vzdelávacích informácií Regulácia riadenia elektrických odporových pecí

Regulácia výkonu odporovej pece

Existujú 2 zásadne odlišné prístupy k regulácii výkonu:

1) Nepretržité ovládanie, pri ktorej je možné do pece zaviesť akýkoľvek požadovaný výkon.

2) Kroková regulácia, pri ktorej je možné do pece zaviesť iba diskrétny rad výkonov.

Prvý vyžaduje hladkú reguláciu napätia na ohrievačoch. Takáto regulácia môže byť vykonaná pomocou akéhokoľvek typu výkonových zosilňovačov (generátor, tyristorový usmerňovač, EMU). V praxi sú najbežnejšie tyristorové napájacie zdroje, postavený podľa schémy TRN. Takéto regulátory sú založené na vlastnostiach tyristora zapojeného do obvodu striedavého prúdu v sérii s aktívnym odporom ohrievača. Tyristorové napájacie zdroje obsahujú tyristory prepojené chrbtom k sebe vybavené SIFU.

Pri druhom spôsobe sa zmení napätie na ohrievači, čím sa prepne na silové obvody pece. Zvyčajne existujú 2-3 stupne možného napätia a výkonu ohrievača. Najbežnejší spôsob dvojpolohového krokového riadenia. Podľa tejto metódy je pec buď pripojená k sieti pri svojom menovitom výkone, alebo úplne odpojená od siete. Požadovanú hodnotu priemerného príkonu do pece zabezpečujeme zmenou pomeru času zapnutého a vypnutého stavu.

Priemerná teplota v peci zodpovedá priemernému príkonu do pece. Náhle zmeny okamžitého výkonu majú za následok kolísanie teploty okolo priemernej úrovne. Veľkosť týchto kmitov je určená veľkosťou odchýlok P MGNOV od priemernej hodnoty a veľkosťou tepelnej zotrvačnosti pece. Vo väčšine všeobecných priemyselných pecí je tepelná zotrvačnosť taká veľká, že kolísanie teploty v dôsledku krokového riadenia neprekračuje požadovanú presnosť udržiavania teploty. Konštrukčne môže byť ovládanie zapnuté-vypnuté buď pomocou bežného stýkača alebo tyristorového spínača. Tyristorový spínač obsahuje back-to-back

Existujú úpravy tyristorových spínačov, ktoré vôbec nepoužívajú kontakty.

Tyristorové spínače sú spoľahlivejšie ako stykače, sú odolné voči iskreniu a výbuchu, majú tichú prevádzku a sú o niečo drahšie.

Kroková regulácia má účinnosť blízku 1, až M »1.

V elektrických odporových peciach sa v drvivej väčšine prípadov používa najjednoduchšia forma ovládanie teploty - ovládanie zapnutia/vypnutia, v ktorom výkonný prvok riadiaceho systému - stýkač - má iba dve krajné polohy: „zapnuté“ a „vypnuté“.

Keď je pec zapnutá, teplota sa zvyšuje, pretože jej výkon je vždy zvolený s rezervou a zodpovedajúca teplota v ustálenom stave výrazne prevyšuje jej prevádzkovú teplotu. Po vypnutí sa teplota rúry znižuje podľa exponenciálnej krivky.

Pre idealizovaný prípad, keď v systéme regulátor-pec nie je dynamické oneskorenie, je činnosť dvojpolohového regulátora znázornená na obr. 1, na ktorom je v hornej časti uvedená závislosť teploty pece od času a v dolnej časti zodpovedajúca zmena jej výkonu.

Ryža. 1. Idealizovaný pracovný diagram dvojpolohového regulátora teploty

Keď sa pec najskôr zahreje, jej výkon bude konštantný a rovný nominálnemu, takže jej teplota sa zvýši na bod 1, keď dosiahne hodnotu t set + ∆ t1. V tomto momente bude regulátor fungovať, stykač vypne pec a jej výkon klesne na nulu. Výsledkom je, že teplota pece začne klesať pozdĺž krivky 1-2, kým sa nedosiahne spodná hranica mŕtvej zóny. V tomto okamihu sa rúra opäť zapne a jej teplota sa opäť začne zvyšovať.

Proces regulácie teploty pece na princípe dvoch polôh teda pozostáva z jej zmeny pozdĺž pílovej krivky okolo danej hodnoty v intervaloch +∆ t1, -∆t1 určená mŕtvou zónou regulátora.

Priemerný výkon pece závisí od pomeru časových intervalov jej zapnutého a vypnutého stavu. Ako sa pec zahrieva a zaťažuje, krivka ohrevu pece bude strmšia a krivka chladenia pece bude plochejšia, takže pomer periód cyklu sa zníži a následne sa zníži priemerný výkon Pav.

Pri dvojpolohovej regulácii sa priemerný výkon pece vždy prispôsobí výkonu potrebnému na udržanie konštantnej teploty. Mŕtva zóna moderných termostatov môže byť veľmi malá a upravená na 0,1-0,2°C. Avšak skutočné kolísanie teploty pece môže byť mnohonásobne väčšie v dôsledku dynamického oneskorenia v systéme regulátor-pec.

Hlavným zdrojom tohto oneskorenia je zotrvačnosť snímača - termočlánku, najmä ak je vybavený dvoma ochrannými krytmi, keramickým a kovovým. Čím väčšie je toto oneskorenie, tým viac kolísanie teploty ohrievača presahuje mŕtvu zónu regulátora. Okrem toho amplitúdy týchto oscilácií veľmi závisia od nadmerného výkonu pece. Čím viac spínací výkon pece prevyšuje priemerný výkon, tým väčšie sú tieto výkyvy.

Citlivosť moderných automatických potenciometrov je veľmi vysoká a dokáže uspokojiť akúkoľvek požiadavku. Naopak, zotrvačnosť snímača je veľká. Štandardný termočlánok v porcelánovom hrote s ochranným krytom má teda oneskorenie cca 20-60s. Preto v prípadoch, keď sú teplotné výkyvy neprijateľné, sa ako snímače používajú nechránené termočlánky s otvoreným koncom. To však nie je vždy možné z dôvodu možného mechanického poškodenia snímača, ako aj zvodových prúdov vstupujúcich do zariadení cez termočlánok, čo spôsobuje ich nesprávnu činnosť.

Zníženie výkonovej rezervy je možné dosiahnuť, ak sa kachle nezapínajú a nevypínajú, ale prepínajú z jedného výkonového stupňa na druhý, pričom najvyšší výkon by mal byť len o niečo vyšší ako výkon spotrebovaný sporákom a najnižší - nie oveľa menej. V tomto prípade budú vykurovacie krivky pece a jej chladenie veľmi ploché a teplota takmer neprekročí mŕtvu zónu zariadenia.

Na uskutočnenie takéhoto prepínania z jednej úrovne výkonu na druhú je potrebné, aby bolo možné regulovať výkon pece plynulo alebo v krokoch. Takáto regulácia sa môže uskutočniť nasledujúcimi spôsobmi:

1) prepnutie ohrievačov pece, napríklad z „trojuholníka“ na „hviezdu“. Takáto veľmi hrubá regulácia je spojená s porušením rovnomernosti teploty a používa sa iba v elektrických vykurovacích zariadeniach pre domácnosť,

2) zapojenie do série s pecou s nastaviteľnou aktivitou alebo reaktanciou. Táto metóda je spojená s veľmi veľkými stratami energie alebo znížením účinníka zariadenia,

3) napájanie pece cez riadiaci transformátor alebo autotransformátor s prepínaním pece na rôzne napäťové úrovne. Aj tu je regulácia stupňovitá a pomerne hrubá, keďže napájacie napätie je regulované a výkon pece je úmerný druhej mocnine tohto napätia. Okrem toho dochádza k ďalším stratám (v transformátore) a zníženiu účinníka,

4) fázové riadenie pomocou polovodičových zariadení. V tomto prípade je pec napájaná cez tyristory, ktorých uhol spínania mení riadiaci systém. Týmto spôsobom je možné získať plynulé riadenie výkonu pece v širokom rozsahu takmer bez dodatočných strát, pomocou metód kontinuálnej regulácie - proporcionálne, integrálne, proporcionálne-integrálne. V súlade s týmito metódami musí pre každý časový okamih existovať súlad medzi výkonom absorbovaným pecou a výkonom uvoľneným v peci.

Najúčinnejšia zo všetkých metód regulácie teplotný režim v elektrických rúrach - pulzná regulácia pomocou tyristorových regulátorov.

Proces pulzného riadenia výkonu pece je znázornený na obr. 2. Frekvencia prevádzky tyristorov sa volí v závislosti od tepelnej zotrvačnosti elektrickej odporovej pece.

Ryža. 2. Tyristorový pulzný regulátor teploty elektrická odporová pec

Existujú tri hlavné spôsoby regulácie pulzu:

Impulzná regulácia pri spínacej frekvencii - f к = 2f с (kde f с je frekvencia prúdu napájacej siete) so zmenou odblokovacieho momentu tyristora sa nazýva fázovo-pulzná alebo fáza (krivky 1),

Impulzná regulácia so zvýšenou spínacou frekvenciou f až

Impulzná regulácia so zníženou spínacou frekvenciou f až f c (krivky 3).

Výkon moderných elektrických odporových pecí sa pohybuje od stoviek wattov až po niekoľko megawattov.

Pece s výkonom nad 20 kW sú vyrobené ako trojfázové s rovnomerným rozložením záťaže na fázy a sú napojené na siete 220, 380, 660 V priamo alebo cez pecné transformátory (alebo autotransformátory).

Elektrické zariadenia používané v elektrických odporových peciach zahŕňajú 3 skupiny: silové elektrické zariadenia, riadiace zariadenia a prístrojové vybavenie.

Silnoprúdové elektrické vybavenie zahŕňa

Znižovacie transformátory a regulačné autotransformátory,

Výkonové elektrické pohony pomocných mechanizmov,

Spínacie a ochranné zariadenia.

Riadiace zariadenie zahŕňa kompletné riadiace stanice so spínacím zariadením. V obvyklom prevedení sa používajú spínače, tlačidlá, relé, koncové spínače, elektromagnetické štartéry, relé.

Prístrojové vybavenie zahŕňa prístroje (zariadenia) na riadenie, meranie a signalizáciu. Zvyčajne sa zobrazuje na štíte. Každá odporová pec musí byť vybavená pyrometrickými materiálmi. Pre malé nekritické pece to môže byť termočlánok s indikačným zariadením, vo väčšine priemyselných pecí je automatická regulácia teploty povinná. Toto sa vykonáva pomocou prístrojov, ktoré zaznamenávajú teplotu pece.

Väčšina elektrických odporových pecí nevyžaduje výkonové transformátory.

Regulačné transformátory a autotransformátory sa používajú, keď je pec vyrobená s vykurovacími prvkami, ktoré menia svoj odpor v závislosti od teploty (volfrám, grafit, molybdén), na napájanie soľných kúpeľov a zariadení s priamym ohrevom.

Všetky priemyselné pece Odpory pracujú v režime automatickej regulácie teploty. Prevádzková teplota v elektrickej odporovej peci sa riadi zmenou príkonu.

Regulácia výkonu dodávaného do pece môže byť diskrétne a spojité.

O diskrétne Možné sú tieto spôsoby regulácie:

Periodické pripojenie a odpojenie elektrickej odporovej vykurovacej pece k sieti (regulácia zapnutia-vypnutia);

Prepínanie vykurovacích telies pece z „hviezdy“ na „trojuholník“ alebo zo sériového zapojenia na paralelné (trojpolohové ovládanie).

Dvojpolohové riadenie je najrozšírenejšie, pretože metóda je jednoduchá a umožňuje automatizáciu procesu.

Podľa tejto metódy je pec buď pripojená k sieti pri svojom menovitom výkone, alebo úplne odpojená od siete. Požadovanú hodnotu priemerného príkonu do pece zabezpečujeme zmenou pomeru času zapnutého a vypnutého stavu.

Priemerná teplota v peci zodpovedá priemernému príkonu do pece. Náhle zmeny okamžitého výkonu majú za následok kolísanie teploty okolo priemernej úrovne. Konštrukčne môže byť ovládanie zapnuté-vypnuté buď pomocou bežného stýkača alebo tyristorového spínača. Tyristorový spínač obsahuje spätné tyristory pracujúce s a=0.

O nepretržitý regulácia plynulo reguluje napätie na ohrievačoch. Takáto regulácia môže byť vykonaná pomocou akéhokoľvek typu výkonových zosilňovačov. V praxi sú najbežnejšie tyristorové regulátory napätia. Tyristorové napájacie zdroje obsahujú spätne paralelne zapojené tyristory vybavené SIFU.

Tyristorové zdroje majú vysokú účinnosť (až 98%).

Existujú 2 zásadne odlišné prístupy k regulácii výkonu:

Plynulé riadenie, pri ktorom je možné do pece zaviesť akýkoľvek požadovaný výkon.

Krokové riadenie, pri ktorom je možné do pece zaviesť iba diskrétny rozsah výkonov.

Prvý vyžaduje hladkú reguláciu napätia na ohrievačoch. Takáto regulácia môže byť vykonaná pomocou akéhokoľvek typu výkonových zosilňovačov (generátor, tyristorový usmerňovač, EMU). V praxi sú najbežnejšie tyristorové zdroje postavené podľa obvodu TRN. Takéto regulátory sú založené na vlastnostiach tyristora zapojeného do obvodu striedavého prúdu v sérii s aktívnym odporom ohrievača. Tyristorové napájacie zdroje obsahujú spätne paralelne zapojené tyristory vybavené SIFU.

Riadiaci uhol, a teda efektívne napätie na záťaži, závisí od externého napätia aplikovaného na zdroj. Aby sa znížil vplyv vypnutia napájacieho napätia na tepelné podmienky pece, tyristorové napájacie zdroje zvyčajne poskytujú negatívnu spätnú väzbu na výstupné napätie. Tyristorové zdroje majú vysokú účinnosť (až 98%). Účiník závisí lineárne od hĺbky regulácie výstupného napätia, pri uhle  menšom ako 0 - až M = 1, pri  = 180 až M = 0. Účiník je určený nielen fázovým posunom napätia. a prvej harmonickej prúdu, ale aj o hodnotu vyšších harmonických prúdu . Preto použitie kompenzačných kondenzátorov neumožňuje žiadne výrazné zvýšenie M.

Pri druhom spôsobe sa zmení napätie na ohrievači, čím sa prepne na silové obvody pece. Zvyčajne existujú 2-3 stupne možného napätia a výkonu ohrievača. Najbežnejší spôsob dvojpolohového krokového riadenia. Podľa tejto metódy je pec buď pripojená k sieti pri svojom menovitom výkone, alebo úplne odpojená od siete. Požadovanú hodnotu priemerného príkonu do pece zabezpečujeme zmenou pomeru času zapnutého a vypnutého stavu.

Priemerná teplota v peci zodpovedá priemernému príkonu do pece. Náhle zmeny okamžitého výkonu majú za následok kolísanie teploty okolo priemernej úrovne. Veľkosť týchto kmitov je určená veľkosťou odchýlok P MGNOV od priemernej hodnoty a veľkosťou tepelnej zotrvačnosti pece. Vo väčšine všeobecných priemyselných pecí je veľkosť tepelnej zotrvačnosti taká veľká, že kolísanie teploty v dôsledku stupňovitej regulácie neprekračuje požadovanú presnosť udržiavania teploty. Konštrukčne môže byť ovládanie zapnuté-vypnuté buď pomocou bežného stýkača alebo tyristorového spínača. Tyristorový spínač obsahuje protiparalelu s
pripojené tyristory pracujúce s=0.

Ak je nízkoprúdový kontakt S otvorený, riadiaci obvod VS1, VS2 je prerušený, tyristory sú zatvorené a napätie na záťaži je nulové. Ak je S uzavretý, vytvárajú sa obvody pre tok riadiacich prúdov. Katóda je kladná, anóda VS1 záporná. V tomto prípade riadiaci prúd preteká obvodovou katódou VS1 – VD1 – R – S – riadiacou elektródou VS2 – katódou VS2. VS2 sa zapína a vedie elektrický prúd počas celého polcyklu. V ďalšom polcykle sa podobne zapne VS1.

S
Existujú aj trojfázové spínače. Používajú dva paralelne zapojené bloky back-to-back tyristorov. Výkonové obvody takýchto spínačov sú konštruované podľa nasledujúcej schémy:

Existujú úpravy tyristorových spínačov, ktoré vôbec nepoužívajú kontakty.

Tyristorové spínače sú spoľahlivejšie ako stykače, sú odolné voči iskreniu a výbuchu, majú tichú prevádzku a sú o niečo drahšie.

Kroková regulácia má účinnosť blízku 1, až M 1.

- zariadenie s vlastnosťami polovodiča, ktorého konštrukcia je založená na monokryštálovom polovodiči s tromi alebo viacerými p-n prechodmi.

Jeho činnosť predpokladá prítomnosť dvoch stabilných fáz:

• „uzavreté“ (úroveň vodivosti je nízka);
• „otvorený“ (úroveň vodivosti je vysoká).

Tyristory sú zariadenia, ktoré vykonávajú funkcie výkonových elektronických spínačov. Ďalším názvom pre nich sú jednooperačné tyristory. Toto zariadenie vám umožňuje regulovať vplyv silných záťaží pomocou menších impulzov.

Podľa charakteristiky prúdového napätia tyristora zvýšenie prúdu v ňom vyvolá zníženie napätia, to znamená, že sa objaví negatívny diferenciálny odpor.

Okrem toho môžu tieto polovodičové zariadenia spájať obvody s napätím do 5000 voltov a prúdmi do 5000 ampérov (pri frekvencii maximálne 1000 Hz).

Tyristory s dvomi a tromi vývodmi sú vhodné pre prevádzku s jednosmerným aj striedavým prúdom. Princíp ich činnosti sa najčastejšie porovnáva s činnosťou usmerňovacej diódy a predpokladá sa, že sú plnohodnotným analógom usmerňovača, v istom zmysle ešte efektívnejším.

Typy tyristorov sa navzájom líšia:

• Spôsob kontroly.
• Vodivosť (jednostranná alebo obojstranná).

Všeobecné princípy riadenia

Tyristorová štruktúra má 4 polovodičové vrstvy v sériovom zapojení (p-n-p-n). Kontakt pripojený k vonkajšej p-vrstve je anóda a kontakt pripojený k vonkajšej n-vrstve je katóda. Výsledkom je, že pri štandardnej zostave môže mať tyristor maximálne dve riadiace elektródy, ktoré sú pripevnené k vnútorným vrstvám. Podľa pripájanej vrstvy sa vodiče delia na katódu a anódu podľa typu ovládania. Najčastejšie sa používa prvý typ.

Prúd v tyristoroch tečie smerom ku katóde (z anódy), takže spojenie so zdrojom prúdu je vytvorené medzi anódou a kladným pólom, ako aj medzi katódou a záporným pólom.

Tyristory s riadiacou elektródou môžu byť:

• Uzamykateľné;
• Odomykateľné.

Charakteristickou vlastnosťou neblokovacích zariadení je ich nedostatočná odozva na signál z riadiacej elektródy. Jediný spôsob, ako ich uzavrieť, je znížiť úroveň prúdu, ktorý cez ne preteká, aby bol nižší ako prídržný prúd.

Pri ovládaní tyristora je potrebné vziať do úvahy niektoré body. Zariadenie tohto typu mení prevádzkové fázy z „vypnuté“ na „zapnuté“ a späť skokovo a len pod podmienkou vonkajší vplyv: pomocou prúdu (manipulácia s napätím) alebo fotónov (v prípadoch s fototyristorom).

Aby ste pochopili tento bod, musíte si uvedomiť, že tyristor má hlavne 3 výstupy (tyristor): anóda, katóda a riadiaca elektróda.

UE (riadiaca elektróda) ​​je presne zodpovedná za zapnutie a vypnutie tyristora. K otvoreniu tyristora dochádza za podmienky, že aplikované napätie medzi A (anóda) a K (katóda) sa rovná alebo prekračuje prevádzkové napätie tyristora. Je pravda, že v druhom prípade bude potrebné vystavenie impulzu s kladnou polaritou medzi Ue a K.

Pri konštantnom prívode napájacieho napätia môže byť tyristor otvorený donekonečna.

Ak ho chcete prepnúť do zatvoreného stavu, môžete:

• Znížte úroveň napätia medzi A a K na nulu;
• Znížte hodnotu A-prúdu tak, aby bola sila prídržného prúdu väčšia;
• Ak je činnosť obvodu založená na pôsobení striedavého prúdu, zariadenie sa vypne bez vonkajšieho zásahu, keď úroveň samotného prúdu klesne na nulovú hodnotu;
• Použite blokovacie napätie na UE (relevantné len pre uzamykateľné typy polovodičových zariadení).

Uzavretý stav tiež trvá nekonečne dlho, kým sa neobjaví spúšťací impulz.

Špecifické metódy kontroly

• Amplitúda .

Predstavuje dodávanie kladného napätia rôznej veľkosti do Ue. K otvoreniu tyristora dochádza vtedy, keď je hodnota napätia dostatočná na prelomenie riadiaceho prechodu usmerňovacieho prúdu (Irect). Zmenou napätia na UE je možné zmeniť čas otvorenia tyristora.

Hlavnou nevýhodou tejto metódy je silný vplyv teplotného faktora. Okrem toho každý typ tyristora bude vyžadovať iný typ odporu. Tento bod nepridáva jednoduchosť používania. Okrem toho je možné nastaviť čas otvorenia tyristora iba počas prvej 1/2 kladného polcyklu siete.

• Fáza.

Pozostáva zo zmeny fázy Ucontrol (vo vzťahu k napätiu na anóde). V tomto prípade sa používa mostík fázového posunu. Hlavnou nevýhodou je nízky sklon Ucontrolu, takže je možné len krátkodobo stabilizovať otvárací moment tyristora.

• Pulz-fáza .

Navrhnuté na prekonanie nedostatkov fázovej metódy. Na tento účel sa na Ue aplikuje napäťový impulz so strmým okrajom. Tento prístup je v súčasnosti najbežnejší.

Tyristory a bezpečnosť

Vzhľadom na impulzný charakter ich činnosti a prítomnosť spätného zotavovacieho prúdu, tyristory výrazne zvyšujú riziko prepätia pri prevádzke zariadenia. Okrem toho je nebezpečenstvo prepätia v polovodičovej zóne vysoké, ak v iných častiach obvodu nie je žiadne napätie.

Preto, aby sa predišlo negatívnym dôsledkom, je obvyklé používať schémy CFTP. Zabraňujú výskytu a uchovávaniu kritických hodnôt napätia.

Dvojtranzistorový tyristorový model

Z dvoch tranzistorov je celkom možné zostaviť dinistor (tyristor s dvoma svorkami) alebo trinistor (tyristor s tromi svorkami). Aby to bolo možné, jeden z nich musí mať vodivosť p-n-p, druhý - n-p-n vodivosť. Tranzistory môžu byť vyrobené buď z kremíka alebo germánia.

Spojenie medzi nimi sa vykonáva cez dva kanály:

• Anóda z 2. tranzistora + Riadiaca elektróda z 1. tranzistora;
• Katóda z 1. tranzistora + Riadiaca elektróda z 2. tranzistora.

Ak sa zaobídete bez použitia riadiacich elektród, výstupom bude dinistor.

Kompatibilita vybraných tranzistorov je určená rovnakým množstvom výkonu. V tomto prípade musia byť hodnoty prúdu a napätia nevyhnutne väčšie ako hodnoty potrebné na normálne fungovanie zariadenia. Údaje o prieraznom napätí a prídržnom prúde závisia od špecifických vlastností použitých tranzistorov.

Píšte komentáre, doplnky k článku, možno mi niečo uniklo. Pozri sa, budem rád, ak nájdeš na mojom ešte niečo užitočné.