Яров В. М. Источники питания электрических печей сопротивления Учебное пособие. Open Library - открытая библиотека учебной информации Электрические печи сопротивления управление регулирование

Управление мощностью печей сопротивления

Существует 2 принципиально различных подхода к управлению мощностью:

1) Непрерывное управление, при котором в печь можно ввести любую требуемую мощность.

2) Ступенчатое управление, при котором в печь можно вводить лишь дискретный ряд мощностей.

Первый требует плавного регулирования напряжения на нагревателях. Такое регулирование может быть осуществлено с помощью любой разновидности силовых усилителœей (генератор, тиристорный выпрямитель, ЭМУ). На практике наиболее распространены тиристорные источники питания, построенные по схеме ТРН. Такие регуляторы основаны на свойствах тиристоры, включенного в цепь переменного тока последовательно с активным сопротивлением нагревателя. Тиристорные источники питания содержат встречно-параллельно соединœенные тиристоры, снабженные СИФУ.

При втором способе изменяют напряжение на нагревателœе, производя переключение в силовых цепях печи. Обычно имеется 2-3 ступени возможного напряжения и мощности нагревателя. Наиболее распространен двухпозиционный способ ступенчатого управления. По этому способу печь либо включают в сеть на ее номинальную мощность, либо полностью отключают от сети. Требуемое значение средней мощности, вводимой в печь обеспечивают, изменяя соотношения времени включенного и отключенного состояния.

Средняя температура в печи соответствует средней мощности вводимой в печь. Резкие изменения мгновенной мощности приводят к колебаниям температуры около среднего уровня. Величина этих колебаний определяется величиной отклонений Р МГНОВ от среднего значения и величиной тепловой инœерции печи. В большинстве общепромышленных печей величина тепловой инœерции настолько велика, что колебание температуры из-за ступенчатого управления не выходит за пределы требуемого значения точности поддержания температуры. Конструктивно двухпозиционное управление может быть обеспечено либо посредством обычного контактора, либо тиристорного переключателя. Тиристорный переключатель содержит встречно-параллельно

Имеются модификации тиристорных переключателœей, вообще не использующих контакты.

Тиристорные переключатели более надежны, чем контакторы, они искро- и взрывобезопасны, бесшумны в работе, немного дороже.

Ступенчатое регулирование имеет КПД близкое к 1, к М »1.

В электрических печах сопротивления в подавляющем большинстве случаев применяется простейший вид регулирования температуры - двухпозиционное регулирование , при котором исполнительный элемент системы регулирования - контактор имеет лишь два крайних положения: «включено» и «выключено».

Во включенном состоянии температура печи растет, так как ее мощность всегда выбирается с запасом, и соответствующая ей установившаяся температура значительно превосходит ее рабочую температуру. В выключенном состоянии температура печи снижается по экспоненциальной кривой.

Для идеализированного случая, когда в системе регулятор - печь отсутствует динамическое запаздывание, работа двухпозиционного регулятора показана на рис. 1, на котором в верхней части дана зависимость температуры печи от времени, а в нижней - соответствующее изменение ее мощности.

Рис. 1. Идеализированная схема работы двухпозиционного регулятора температуры

При разогреве печи вначале ее мощность будет постоянной и равной номинальной, поэтому ее температура будет расти до точки 1, когда она достигнет значения t зад + ∆t1 . В этот момент регулятор сработает, контактор отключит печь и ее мощность упадет до нуля. Вследствие этого температура печи начнет уменьшаться по кривой 1-2 до тех пор, пока не будет достигнута нижняя граница зоны нечувствительности. В этот момент произойдет новое включение печи, и ее температура вновь начнет увеличиваться.

Таким образом, процесс регулирования температуры печи по двухпозиционному принципу заключается в ее изменении по пилообразной кривой около заданного значения в пределах интервалов +∆t1 , -∆t1 определяемых зоной нечувствительности регулятора.

Средняя мощность печи зависит от соотношения интервалов времени ее включенного состояния и выключенного состояния. По мере прогрева печи и загрузки кривая нагрева печи будет идти круче, а кривая остывания печи - положе, поэтому отношение периодов цикла будет уменьшаться, а следовательно, будет падать и средняя мощность Рср.

При двухпозиционном регулировании средняя мощность печи все время приводится в соответствие с мощностью, необходимой для поддержания постоянной температуры. Зона нечувствительности современных терморегуляторов может быть сделана весьма малой и доведена до 0,1-0,2°С. Однако действительные колебания температуры печи могут быть во много раз большими из-за динамического запаздывания в системе регулятор - печь.

Основным источником этого запаздывания является инерция датчика - термопары, особенно если она снабжена двумя защитными чехлами, керамическим и металлическим. Чем больше это запаздывание, тем больше колебания температуры нагревателя превышают зону нечувствительности регулятора. Кроме того, амплитуды этих колебаний очень сильно зависят от избытка мощности печи. Чем больше мощность включения печи превышает среднюю мощность, тем больше эти колебания.

Чувствительность современных автоматических потенциометров очень высока и может удовлетворить любые требования. Инерция датчика, наоборот, велика. Так, стандартная термопара в фарфоровом наконечнике с защитным чехлом имеет запаздывание около 20-60 с. Поэтому в тех случаях, когда колебания температуры недопустимы, в качестве датчиков применяют незащищенные термоэлементы с открытым концом. Это, однако, не всегда возможно ввиду возможных механических повреждений датчика, а также попадания в приборы через термоэлемент токов утечки, вызывающих неправильную их работу.

Можно достичь уменьшения запаса мощности, если печь не включать и выключать, а переключать с одной ступени мощности на другую, причем высшая ступень должна быть лишь ненамного больше потребляемой печью мощности, а низшая - ненамного меньше. В этом случае кривые нагрева печи и ее остывания будут очень пологими и температура почти не будет выходить за пределы зоны нечувствительности прибора.

Для того чтобы осуществить такое переключение с одной ступени мощности на другую, необходимо иметь возможность плавно или ступенями регулировать мощность печи. Такое регулирование может быть осуществлено следующими способами:

1) переключение нагревателей печи, например, с «треугольника» на «звезду». Такое весьма грубое регулирование связано с нарушением равномерности температуры и применяется лишь в бытовых электронагревательных приборах,

2) включение последовательно с печью регулируемого активного или реактивного сопротивления. Этот способ связан с очень большими потерями энергии или снижением коэффициента мощности установки,

3) питание печи через регулировочный трансформатор или автотрансформатор с переключением печи на разные ступени напряжения. Здесь регулирование также ступенчатое и сравнительно грубое, так как регулируется питающее напряжение, а мощность печи пропорциональна квадрату этого напряжения. Кроме того, имеют место дополнительные потери (в трансформаторе) и снижение коэффициента мощности,

4) фазовое регулирование с помощью полупроводниковых приборов. В этом случае питание печи осуществляется через тиристоры, угол включения которых изменяется системой управления. Таким путем можно получить плавное регулирование мощности печи в широких пределах почти без дополнительных потерь, используя непрерывные методы регулирования - пропорциональный, интегральный, пропорционально-интегральный. В соответствии с этими методами для каждого момента времени должно выполняться соответствие поглощаемой печью мощности и мощности, выделяемой в печи.

Самый эффектный из всех из всех способов регулирования температурного режима в электрических печах - импульсное регулирование с использованием тиристорных регуляторов .

Процесс импульсного регулирования мощности печи представлен на рис. 2. Периодичность работы тиристоров выбирают в зависимости от тепловой инерционности электрической печи сопротивления.

Рис. 2. Тиристорный импульсный регулятор температуры электрической печи сопротивления

Выделяют три основных способа импульсного регулирования:

Импульсное регулирование при частоте коммутации - f к = 2f с (где f с - частота тока питающей сети) с изменением момента отпирания тиристора называется фазоимпульсным или фазовым (кривые 1),

Импульсное регулирование с повышенной частотой коммутации f к

Импульсное регулирование с пониженной частотой коммутации f к f с (кривые 3).

Мощность современных электрических печей сопротивления колеблется от сотен ватт до нескольких мегаватт.

Печи мощностью более 20 кВт выполняются трехфазными при равно­мерном распределении нагрузки по фазам и подключаются к сетям 220, 380, 660 В непосредственно или через печные трансформаторы (или автотранс­форматоры).

Применяемое в электрических печах сопротивления электрооборудование включает 3 группы: силовое электрооборудование, аппаратура управления и контрольно-измерительная (КИП).

К силовому электрооборудованию относятся

Силовые понижающие трансформаторы и регулировочные авто­трансформаторы,

Силовые электроприводы вспомогательных механизмов,

Силовая коммутационная и защитная аппаратура.

К аппаратуре управления относятся комплектные станции управления с коммутационной аппаратурой. Переключатели, кнопки, реле, конечные выключатели, электромагнитные пускатели, реле применяются обычного исполнения.

К КИП относятся приборы (устройства) контроля, измерения и сигна­лизации. Обычно вынесены на щит. Каждая печь сопротивления должна быть обязстельно оборудована пирометрическими материалами. Для мелких неответственных печей это может быть термопара с указывающим прибором, в большинстве промышленных печей обязательно автоматическое регулирование температуры. Оно осуществляется с помощью приборов, регистрирующих температуру печи.

Большинство электрических печей сопротивления не ну­ждаются в силовых трансформаторах.

Регулировочные трансформаторы и автотрансформаторы применяют, когда печь выполнена с нагревательными элементами, меняющими свое сопротивление в зависимости от температуры (вольфрамовые, графитовые, молибденовые), для питания со­ляных ванн и установок прямого нагрева.

Все промышленные печи сопротивления работают в режиме автомати­ческого регулирования температуры. Регулирование рабочей температуры в электрической печи сопротивления производится изменением подводимой мощности.

Регулирование подводимой к печи мощности может быть дискретным и непрерывным.

При дискретном регулировании возможны следующие способы:

Периодическое подключение и отключение электрической печи нагрева сопротивлением к сети (двухпозиционное регулирование);

Переключение нагревательных элементов печи со «звезды» на «треугольник», либо с последо­вательного соединения на параллельное (трехпозиционное регулиро­вание).

Наибольшее распространение получило двухпозиционное регулирова­ние, так как способ прост и позволяет автоматизировать процесс.

По этому способу печь либо включают в сеть на ее номинальную мощность, либо полностью отключают от сети. Требуемое значение средней мощности, вводимой в печь обеспечивают, изменяя соотношения времени включенного и отключенного состояния.

Средняя температура в печи соответствует средней мощности вводимой в печь. Резкие изменения мгновенной мощности приводят к колебаниям температуры около среднего уровня. Конструктивно двухпозиционное управление может быть обеспечено либо посредством обычного контактора, либо тиристорного переключателя. Тиристорный переключатель содержит встречно-параллельно соединенные тиристоры, работающие с a=0.

При непрерывном регулировании происходит плавное регулирование напряжения на нагревателях. Такое регулирование может быть осуществлено с помощью любой разновидности силовых усилителей. На практике наиболее распространены тиристорные регуляторы напряжения. Тиристорные источники питания содержат встречно-параллельно соединенные тиристоры, снабженные СИФУ.

Тиристорные источники питания имеют высокий КПД (до 98%).

Существует 2 принципиально различных подхода к управлению мощностью:

Непрерывное управление, при котором в печь можно ввести любую требуемую мощность.

Ступенчатое управление, при котором в печь можно вводить лишь дискретный ряд мощностей.

Первый требует плавного регулирования напряжения на нагревателях. Такое регулирование может быть осуществлено с помощью любой разновидности силовых усилителей (генератор, тиристорный выпрямитель, ЭМУ). На практике наиболее распространены тиристорные источники питания, построенные по схеме ТРН. Такие регуляторы основаны на свойствах тиристоры, включенного в цепь переменного тока последовательно с активным сопротивлением нагревателя. Тиристорные источники питания содержат встречно-параллельно соединенные тиристоры, снабженные СИФУ.

Угол управления, а следовательно, и эффективное напряжение на нагрузке зависит от внешнего напряжения, подаваемого на источник. Для снижения влияния отключения питающего напряжения на тепловой режим печи тиристорных источников питания обычно предусматривают отрицательную обратную связь по выходному напряжению. Тиристорные источники питания имеют высокий КПД (до 98%). Коэффициент мощности зависит от глубины регулирования выходного напряжения линейно, при угле  меньше 0 – к М =1, при  = 180 к М = 0. Коэффициент мощности определяется не только сдвигом фаз напряжения и первой гармоники тока, но и величиной высших гармоник тока. Поэтому использование компенсирующих конденсаторов не позволяет сколько нибудь значительно повысить к М.

При втором способе изменяют напряжение на нагревателе, производя переключение в силовых цепях печи. Обычно имеется 2-3 ступени возможного напряжения и мощности нагревателя. Наиболее распространен двухпозиционный способ ступенчатого управления. По этому способу печь либо включают в сеть на ее номинальную мощность, либо полностью отключают от сети. Требуемое значение средней мощности, вводимой в печь обеспечивают, изменяя соотношения времени включенного и отключенного состояния.

Средняя температура в печи соответствует средней мощности вводимой в печь. Резкие изменения мгновенной мощности приводят к колебаниям температуры около среднего уровня. Величина этих колебаний определяется величиной отклонений Р МГНОВ от среднего значения и величиной тепловой инерции печи. В большинстве общепромышленных печей величина тепловой инерции настолько велика, что колебание температуры из-за ступенчатого управления не выходит за пределы требуемого значения точности поддержания температуры. Конструктивно двухпозиционное управление может быть обеспечено либо посредством обычного контактора, либо тиристорного переключателя. Тиристорный переключатель содержит встречно-параллельно с
оединенные тиристоры, работающие с=0.

В том случае, если слаботочный контакт S разомкнут, цепь управления VS1, VS2 разорвана, тиристоры закрыты, напряжение на нагрузке равно нулю. В том случае, если S замкнут, создаются цепи для протекания токов управления. Катод положителен, анод VS1 – отрицателен. В этом случае ток управления течет по цепи катод VS1 – VD1 – R – S – управляющий электрод VS2 – катод VS2. VS2 включается и весь полупериод проводит электрический ток. В следующий полупериод аналогично включается VS1.

С
уществуют также трехфазные переключатели. В них используют два блока из встречно-параллельно соединенных тиристоров. Силовые цепи таких переключателей построены по следующей схеме:

Имеются модификации тиристорных переключателей, вообще не использующих контакты.

Тиристорные переключатели более надежны, чем контакторы, они искро- и взрывобезопасны, бесшумны в работе, немного дороже.

Ступенчатое регулирование имеет КПД близкое к 1, к М 1.

— устройство, обладающее свойствами полупроводника, в основе конструкции которого лежит монокристаллический полупроводник, имеющий три или больше p-n-переходов.

Его работа подразумевает наличие двух стабильных фаз:

• «закрытая» (уровень проводимости низкий);
• «открытая» (уровень проводимости высоки).

Тиристоры — устройства, выполняющие функции силовых электронных ключей. Другое их наименование — однооперационные тиристоры. Данный прибор позволяет осуществлять регуляцию воздействия мощных нагрузок посредством незначительных импульсов.

Согласно вольт-амперной характеристике тиристора, увеличение силы тока в нём будет провоцировать снижение напряжения, то есть появится отрицательное дифференциальное сопротивление.

Кроме того, эти полупроводниковые устройства могут объединять цепи с напряжением до 5000 Вольт и силой тока до 5000 Ампер (при частоте не более 1000 Гц).

Тиристоры с двумя и тремя выводами пригодны для работы как с постоянным, так и с переменным током. Наиболее часто принцип их действия сравнивается с работой ректификационного диода и считается, что они являются полноценным аналогом выпрямителя, в некотором смысле даже более эффективным.

Разновидности тиристоров отличаются между собой:

• Способом управления.
• Проводимостью (односторонняя или двусторонняя).

Общие принципы управление

В структуре тиристора имеется 4 полупроводниковых слоя в последовательном соединении (p-n-p-n). Контакт, подведённый к наружному p-слою — анод, к наружному n-слою — катод. Как результат, при стандартной сборке в тиристоре максимально может быть два управляющих электрода, которые крепятся к внутренним слоям. Соответственно подключённому слою проводники, по типу управления устройства делятся на катодные и анодные. Чаще используется первая разновидность.

Ток в тиристорах течёт в сторону катода (от анода), поэтому соединение с источником тока осуществляет между анодом и плюсовым зажимом, а также между катодом и минусовым зажимом.

Тиристоры с управляющим электродом могут быть:

• Запираемыми;
• Незапираемыми.

Показательным свойством незапираемых приборов является отсутствие у них реакции на сигнал с управляющего электрода. Единственный способ закрыть их — снизить уровень протекающего сквозь них тока так, чтобы он уступал силе тока удержания.

Управляя тиристором следует учитывать некоторые моменты. Устройство данного типа сменяет фазы работы с «выключен» на «включён» и обратно скачкообразно и только при условии внешнего воздействия: при помощи тока (манипуляции с напряжением) или фотонов (в случаях с фототиристором).

Чтобы разобраться в данном моменте необходимо помнить, что у тиристора преимущественно имеется 3 вывода (тринистор): анод, катод и управляющий электрод.

Уэ (управляющий электрод) как раз таки и отвечает за то, чтобы включать и выключать тиристор. Открытие тиристора происходит при условии, что приложенное напряжение между А (анодом) и К (катодом) становится равным или превосходит объём напряжения работы тринистора. Правда, во втором случае потребуется воздействие импульса положительной полярности между Уэ и К.

При постоянной подаче питающего напряжения тиристор может быть открыт бесконечно долго.

Чтобы перевести его в закрытое состояние, можно:

• Снизить уровень напряжения между А и К до нуля;
• Понизить значение А-тока таким образом, чтобы показатели силы тока удержания оказались больше;
• Если работа цепи построена на действии переменного тока, выключение прибора произойдёт без постороннего вмешательства, когда уровень тока сам снизится до нулевого показания;
• Подать запирающее напряжение на Уэ (актуально только в отношении запираемых разновидностей полупроводниковых устройств).

Состояние закрытости тоже длится бесконечно долго, пока не возникнет запускающий импульс.

Конкретные способы управления

• Амплитудный .

Представляет собой подачу положительного напряжения изменяющейся величины на Уэ. Открытие тиристора происходит, когда величины напряжения довольно, чтобы пробиться через управляющий переход тока спрямления (Iспр.). При помощи изменения величины напряжения на Уэ, появляется возможность изменения времени открытия тиристора.

Главный недочёт этого метода — сильное влияние температурного фактора. Кроме того, для каждой разновидности тиристора потребуется резистор другого вида. Этот момент не добавляет удобства в эксплуатации. Помимо этого время открытия тиристора возможно корректировать лишь пока длится первая 1/2 положительного полупериода сети.

• Фазовый.

Заключается в смене фазы Uупр (в соотношении с напряжением на аноде). При этом применяется фазовращательный мост. Главный минус — малая крутизна Uупр, поэтому стабилизировать момент открытия тиристора можно лишь ненадолго.

• Фазово-импульсный .

Рассчитан на преодоление недостатков фазового метода. С этой целью на Уэ подаётся импульс напряжения с крутым фронтом. Данный подход в настоящее время наиболее распространён.

Тиристоры и безопасность

Из-за импульсности своего действия и наличия обратного восстановительного тока тиристоры очень сильно повышает риск перенапряжения в работе прибора. Помимо этого опасность перенапряжения в зоне полупроводника высока, если в других частях цепи напряжения нет вовсе.

Поэтому во избежание негативных последствий принято использовать схемы ЦФТП. Они препятствуют появлению и удержанию критический значений напряжения.

Двухтранзисторная модель тиристора

Из двух транзисторов вполне можно собрать динистор (тиристор с двумя выводами) или тринистор (тиристор с тремя выводами). Для этого один из них должен иметь p-n-p-проводимость, другой — n-p-n-проводимость. Выполнены транзисторы могут быть как из кремния, так и из германия.

Соединение между ними осуществляется по двум каналам:

• Анод от 2-го транзистора + Управляющий электрод от 1-го транзистора;
• Катод от 1-го транзистора + Управляющий электрод от 2-го транзистора.

Если обойтись без использования управляющих электродов, то на выходе получится динистор.

Совместимость выбранных транзисторов определяется по одинаковому объёму мощности. При этом показания тока и напряжения должны быть обязательно больше требуемых для нормального функционирования прибора. Данные по напряжению пробоя и току удержания зависят от конкретных качеств использованных транзисторов.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.