Мощность современных электропечей сопротивления колеблется от долей киловатта до нескольких мегаватт. Печи мощностью более 20 кВт обычно выполняют трехфазными и подключают к сетям напряжением 120, 380, 660 В непосредственно или через печные трансформаторы. Коэффициент мощности печей сопротивления близок к 1, распределœение нагрузки по фазам в трехфазных печах равномерное.

Применяемое в ЭПС электрическое оборудование подразделяется на силовое, аппаратуру управления, измерительную и пирометрическую.

К силовому оборудованию относятся трансформаторы, понижающие и регулировочные автотрансформаторы, блоки питания, приводящие в действие механизмы электроприводов, силовая коммутационная и защитная аппаратура, рубильники, контакторы, магнитные пускатели, автоматические выключатели и плавкие предохранители.

Большинство печей выполняют на напряжение питающей сети: они не нуждаются в трансформаторах и автотрансформаторах. Применение понижающих печных трансформаторов позволяет увеличить рабочие токи и применять для изготовления нагревателœей проводники большего сечения, что повышает их прочность и надежность,

Все промышленные печи сопротивления работают в режиме автоматического регулирования температуры, что позволяет приводить в действие мощность печи с требуемым температурным режимом, а это, в свою очередь, ведет к. снижению удельного расхода электроэнергии по сравнению с ручным регулированием. Регулирование рабочей температуры в электрических печах сопротивления производится изменением поступающей в печь мощности.

Регулирование подводимой к печи мощности должна быть произведено несколькими способами: периодическое отключение и подключение печи к питающей сети (двухпозиционное регулирование); переключение печи со звезды на треугольник, либо с последовательного соединœения на параллельное (трехпозиционное регулирование).

При двухпозиционном позиционном регулировании (рис. 4.40) показаны функциональная схема включения печи, изменение температуры и мощности), температура в рабочем пространстве ЭПС контролируется термопарами, термометрами сопротивления, фотоэлементами. Включение печи производится регулятором температуры посредством подачикоманды на катушку выключателя КВ.

Температура в печи растет до значения , в данный момент терморегулятор отключает печь.

Рис. 4.40. Функциональная схема включения печи, изменение

температуры и мощности при двухпозиционном регулировании:

ЭП - электропечь; В - выключатель;

РТ - регулятор температуры; КВ - катушка выключателя;

1 - температура печи; 2 - температура нагреваемого тела;

3 - средняя потребляемая печью мощность

За счёт поглощения теплоты нагреваемым телом и потерь в окружающее пространство температура снижается до , после чего РТ вновь дает команду на подключение пе­чи к сети.

Глубина пульсаций температуры зависит от чувствительности РТ, инœерционности печи и чувствительности датчика температуры.

При трехпозиционном регулировании подводимая к печи мощность меняется при переключении нагревателœей со звезды на треугольник. Регулирование температуры этим методом позволяет снизить мощность, потребляемую из сети.

С энергетической точки зрения такой метод регулирования достаточно эффективен, так как при нем не оказывается вредного влияния на питающую сеть.

Регулирование мощности печи изменением подводимого напряжения должна быть осуществлено несколькими способами:

Применение регулировочных трансформаторов и автотрансформаторов с плавным бесконтактным регулированием под нагрузкой;

Использование потенциал-регуляторов;

Включение в цепь нагревателœей дополнительных сопротивлений в виде дросселœей и реостатов;

Импульсное регулирование с использованием тиристорных регуляторов.

Использование трансформаторов с плавным бесконтактным регулированием под нагрузкой, автотрансформаторов и потенциал-регуляторов связано со значительными капитальными затратами, наличием дополнительных потерь и потреблением реактивной мощности. Этот способ применяется редко.

Включение в цепь нагревателœей дополнительного индуктивного или активного сопротивления связано с дополнительными потерями и потреблением реактивной мощности, что также ограничивает применение этого способа регулирования.

Импульсное регулирование на базе тиристорных регуляторов осуществляется с помощью полупроводниковых вентилей, периодичность работы которых выбирают исходя из тепловой инœерционности электропечи.

Можно выделить три базовых способа импульсного регулирования мощности, потребляемой от сети переменного тока:

1. Импульсное регулирование при частоте коммутации ( - частота тока питающей сети) с изменением момента отпирания тиристора принято называть фазоимпульсным или фазным (кривые а).

2. Импульсное регулирование с повышенной частотой коммутации (кривые б).

3. Импульсное регулирование с пониженной частотой коммутации (кривые в).

Путем импульсного регулирования можно получить плавное регулирование мощности в широких пределах почти без дополнительных потерь, обеспечивая соответствие мощности, потребляемой печью, и мощности, подводимой из сети.

На рис. 4.41 показана схема импульсного регулирования мощности печи.

Рис. 4.41. Схема импульсного регулирования мощности печи:

ЭП - электропечь; РТ - теплорегулятор; УТ - блок управления тиристорным регулятором; ТР - тиристорный регулятор

Параметров печей сопротивления - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Параметров печей сопротивления" 2017, 2018.

Яров В. М.
Источники питания электрических печей сопротивления
Учебное пособие

Печатается по решению Редакционно-издательского совета Чувашского государственного университета им, И. И. Ульянова

Чувашский государственный университет
1982 г.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности «Электротермические установки», выполняющих курсовую работу по курсу «Автоматическое управление электротермических установок» и дипломное проектирование с углубленной проработкой источников питания для электропечей сопротивления.

В пособии анализируются особенности работы тиристорных регуляторов переменного напряжения при работе на различную нагрузку. Описывается принцип действия магнитных усилителей и параметрических источников тока. Приводится описание конкретных схем управления источников питания.

Отв. редактор: докт. техн. наук; профессор Ю. М. МИРОНОВ.

Введение

Глава I. Принципы регулирования мощности электропечей сопротивления
1.1. Характеристики электропечи сопротивления как нагрузки источника питания
1.2. Способы регулирования мощности электропечи сопротивления
1.2.1. Регулирование питающего напряжения
1.2.2. Переключение нагревателей печи
1.23. Регулировалие мощности печи за счет изменения формы кривой тока

Глава 2. Магнитные усилители с самонасыщением
2.1. Работа на активную нагрузку
2.2. Работа магнитного усилителя на активно-индуктивную нагрузку переменного тока

Глава 3. Параметрический источник тока
3.1. Принцип действия
3.2. Способы регулирования тока нагрузки

Глава 4. Фазоимпульсный регулятор переменного напряжения
4.1. Принцип действия регулятора
4.2. Регулятор с активной нагрузкой
4.3. Анализ при активио-индуктивиой нагрузке
4.4. Фазоимпульсвый источник с трансформаторной нагрузкой
4.5. Трехфазные регуляторы переменного напряжения
4.6. Системы управления однофазных фазоимпульсных источников питания
4.6.1. Функциональные схемы систем управления
4.6.2. Многоканальные системы управлении
4.6.3. Одноканальные системы управлении
4.7 Система управления трехфазного источника питания

Глава 5. Источники питиния с широтно-импульсным управлением
5.1. Электрический режим источника с активной нагрузкой
5.2. Процессы в трансформаторе при периодическом включении
5.3. Способы включения трансформаторной нагрузки без бросков тока намагничивания
5.4. Особенности включения трехфазного трансформатора
5.5. Системы управления импульсных регуляторов
5.5.1. Требования к системам управления
5.5.2. Системы управления однофазных импульсных регуляторов
5.5.3. Система управления широтно-импульсного регулятора с трансформаторной нагрузкой
5.5.4. Система управления трехфазного регулятора

Глава 6. Влияние регулируемых источников переменного напряжения на питающую сеть
6.1. Сравнение способов регулирования переменного напряжения
6.2. Групповой режим работы регуляторов как способ улучшения энергетических показателей
6.3. Оптимизация способов управления широтио-импульсными регуляторами при групповой нагрузке
6.4. Система управления группой широтно-импульсных регулягоров с равноинтервальным включением
6.5. Повышение коэффициента, мощности в одиночном регуляторе переменного напряжения

Введение

Для того чтобы поддерживать температуру в печи постоянной или менять ее по заданному закону, необходимо иметь возможность изменять ее мощность в широких пределах. Требования к точности регулирования в зависимости от проводимого в печи технологического процесса меняются в широких пределах. Например, прн плавке металлов н нагреве под пластическую деформацию они невысоки - колебания температуры ±25-50° С являются допустимыми; при термообработке эти требования ужесточаются, доходя до ±10-±5° С. Такое качество регулирования может быть обеспечено двух- и трехпознционным регулированием.

Технологический процесс производства полупроводниковых приборов, монокристаллов различных материалов, термообработки стекла и т. п. предъявляет жёсткие требования к качеству регулирования температуры. Обеспечение таких высоких требований (±0,5-±3°С) на уровне 1000-1500°С оказывается возможным только с применением управляемых бесконтактных источников на основе магнитных или тиристорных усилителей.

Разнообразие технологических процессов определяет и разнообразие, источников пнтання. Магнитные усилители практически вытеснены тнрнсторными усилителями, так как последние имеют более высокий КПД, лучшие динамические характеристики и массогабаритные показатели.

В установках контактного нагрева находят применение параметрические источники тока, принцип действия которых основан на явлении резонанса в трехфазной сети.

Мощность применяемых в настоящее время тиристорных источников питания находится в пределах от сотен ватт до сотен киловатт. В пособии приводится сравнение способов управления тиристорами, оцениваются области их применения.

Чебоксары, издательство ЧувГУ, 1982

Силовые блоки

Для управления печами мы предлагаем типоряд силовых блоков, интегрированных с микропроцессорным температурным ПИД-контроллером

ТЕРМОЛЮКС-011. Силовые блоки поставляются в полностью готовом для работы виде, требуют только подключения к сети и к печи (нагревателям). Силовые блоки построены на основе оптотиристорных модулей типа МТОТО или тиристорных модулей типа МТТ класса не менее 10. Управление реализуется без каких либо дополнительных устройств типа блоков ФИМ, ФИУ, БУС, БУТ – контролер сразу передает сигнал на исполнительный элемент (тиристор, симистор, оптотиристор, оптосимистор).

Блоки отличаются малыми габаритами и весом, могут быть установлены в любом месте рядом с печью. Блоки окрашиваются порошковой краской, в блоке устанавливается охлаждающий вентилятор.

Типы силовых блоков

Тип блока	Фазность 1Ф/3Ф	Тип соединения нагрузки	Максимальный ток в фазе
1Ф-25А	1Ф	Y/Δ	25А
1Ф-40А	1Ф	Y/ Δ	40А
1Ф-63А	1Ф	Y/ Δ	63А
1Ф-80А	1Ф	Y/ Δ	80А
1Ф - 125А	1Ф	Y/ Δ	125А
1Ф - 160А	1Ф	Y/ Δ	160А
1Ф - 250А	1Ф	Y/ Δ	250А
1Ф - 400А	1Ф	Y/ Δ	400А
1Ф - 630А	1Ф	Y/ Δ	630А
3Ф-25А	3Ф	Y/ Δ	25А
3Ф-40А	3Ф	Y/ Δ	40А
3Ф-63А	3Ф	Y/ Δ	63А
3Ф-80А	3Ф	Y/ Δ	80А
3Ф - 125А	3Ф	Y/ Δ	125А
3Ф - 160А	3Ф	Y/ Δ	160А
3Ф - 250А	3Ф	Y/ Δ	250А
3Ф - 400А	3Ф	Y/ Δ	400А
3Ф - 630А	3Ф	Y/ Δ	630А

В силовых схемах допускается применение только соединения «разомкнутый треугольник». Также, силовые блоки могут быть изготовлены для двухфазной нагрузки в корпусах как стандартного размера, так и с габаритами по требованию заказчика.

Микропроцессорные ПИД-контроллеры температуры «Термолюкс»

На все наше электротермическое оборудование устанавливается контроллер «Термолюкс»-011 или «Термолюкс»-021, если иное не обговорено с заказчиком оборудования.

Краткие характеристики и основные преимущества контроллера « Термолюкс»- 011:

Основные достоинства контроллера «Термолюкс» определяются тем, что данный контроллер был разработан как специализированный прибор именно для управления печами сопротивления. Прибор предназначен для работы с любыми типами нагревателей – как со статической зависимостью сопротивления от температуры (проволочные и карбид-кремниевые нагреватели), так и убывающей (хромит-лантановые нагреватели) и возрастающей (дисилицид молибдена, молибден, вольфрам). В приборе реализован фазо-импульсный метод управления мощностью (ФИМ), подаваемой на нагреватели печи, что позволяет увеличить ресурс нагревателей на 30% по сравнению с методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) управления мощностью, который реализован во всех остальных ПИД-регуляторах, присутствующих на рынке.

Метод управления ФИМ позволяет добиться плавной подачи мощности, исключая резкие скачки температуры на самом нагревателе, а также позволяет более точно регулировать температуру по сравнению с методом широтно-импульсной модуляции (ШИМом).

Прибор «Термолюкс» подает мощность на нагреватель 100 раз в секунду, благодаря чему нагреватель разогревается плавно, и не успевает остыть до включения очередной подачи тока. При этом нагреватели не испытывают дополнительных напряжений, и работают в очень мягком режиме, что способствует увеличению срока службы.

Практически все остальные программируемые контролеры работают методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой мощность подается по схеме «полностью открыть/полностью закрыть»; при этом на нагреватель поступает сразу 100% мощности. При таком режиме работы нагреватели испытывают редкие мощные удары, соответственно срок службы нагревателя сокращается.

Управление реализуется без каких либо дополнительных устройств типа блоков ФИМ, ФИУ, БУС, БУТ – контроллер сразу передает сигнал на исполнительный элемент (тиристор, семистор, оптотиристор, оптосемистор), вне зависимости от типа нагрузки – одно- или трехфазной, схемы соединения нагрузки “звезда” или “треугольник”. Выбор типа нагрузки производится оператором программно, с экрана контроллера, без каких-либо физических действий и без установки дополнительных устройств.

Приборы имеют выход по шине RS-232 для подключения приборов к компьютеру, что позволяет получить на дисплее график процесса нагрева и остывания в реальном времени.

Прибор позволяет осуществлять управление процессом термообработки через ПК, сохранять данные, как в табличном, так и в графическом виде. Табличные данные при этом могут быть переведены в формат EXCEL с возможностью последующего редактирования.

График технологического процесса в реальном времени

Все приборы имеют возможность задания оператором 16 различных программ нагрева-выдержки-остывания печи, каждая из которых (программ) состоит из 10 произвольных точек в координатах время-температура. Прибор имеет адаптивный алгоритм управления - прибор сам в автоматическом режиме постоянно исследует систему печь+загрузка, и определяет необходимые коэффициенты системы, без участия оператора. Благодаря наличию адаптивного алгоритма, прибор можно без перенастройки использовать на любых печах.

Контроллер тепловых процессов "Термолюкс" имеет следующие характеристики:

• дискретность задания температуры – 1?С;
• дискретность задания времени – 1 минута;
• возможность задания неограниченного времени поддержания конечной температуры;
• разрешающая способность измерения температуры – 0,1 гр С;
• контроль обрыва термопары;
• наличие режима ручного управления мощностью;
• возможность ограничение выходной мощности;
• возможность ограничения максимальной температуры объекта;
• возможность работы с любыми термопарами, в том числе ВР ИР во всем диапазоне рабочих температур термопары. Программируемый переход от одного типа термопары к другому с экрана прибора;
• возможность работы с пирометром вместо термопары;
• расположение датчика термокомпенсации на колодке термопарного шнура прибора, что позволяет уйти от необходимости использования термокомпенсационных проводов;
• возможность записи циклограмм на ПК;
• возможность задания программы и изменения параметров с ПК

Контроллер «Термолюкс» -021

При управлении печами с нагревателями, имеющими возрастающий характер зависимости сопротивления от температуры (дисилицид-молибденовые нагреватели, молибден, вольфрам), то есть имеющих очень низкое сопротивление при комнатных температурах, нагреватели при низких температурах потребляют очень большой ток, существенно превышающий критическое значение тока нагревателя. Если ток не будет ограничен тем или иным способом, это неизбежно приведет к выходу нагревателей из строя. В общем случае ток ограничивают установкой в блок управления печью дополнительных мощных дорогостоящих устройств ограничения тока. Прибор «Термолюкс» -021 позволяет построить систему управления нагревом подобных печей без установки устройств ограничения тока.

Дополнительно ко всем функциям контроллера «Термолюкс» -011 в контроллере «Термолюкс» -021 реализована возможность постоянного измерения тока, подаваемого в нагрузку (организована обратная связь по току). Это позволяет программно ограничить максимальный ток через нагреватели. Контроллер “учитывает” данное ограничение при подаче мощности на нагреватели и не позволяет току превышать заданное оператором значение, тем самым обеспечивая функционирование нагревателей в безопасном режиме. При этом часто прибор «Термолюкс» -021 позволяет отказаться от использования трансформаторов с переключаемыми вручную обмотками, а иногда и вовсе отказаться от использования трансформаторов, что приводит к существенному снижению стоимости оборудования.

Приборы « Термолюкс»- 011 и «Термолюкс» -021 сертифицированы Федеральным Агентством по Техническому Контролю и Метрологии как “ИЗМЕРИТЕЛЬ-РЕГУЛЯТОР” температуры, сертификат RU.C.32.010.A N 22994, зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под N 30932-06.

Система управления печи

Все управление технологическим процессом осуществляется оператором с сенсорного экрана промышленного компьютера.Все управление печью осуществляется автоматической системой управления, построенной на базе промышленного компьютера. Промышленный компьютер снабжен 17-ти дюймовым сенсорным экраном (Типа Тач-Пэд), на который выводится вся информация о техпроцессе. В основном режиме на экране изображена мнемосхема управления печью.

Управление нагревом осуществляется при помощи микропроцессорного ПИД-регулятора «Термолюкс-021»

Контроллеры « ТЕРМОДАТ»

К основным достоинствам данного прибора следует отнести:

• наличие большого экрана;
• наглядное представление информации и техпроцессе;
• наличие встроенной памяти для архивации данных о техпроцессах;
• многоканальность – возможность управления несколькими независимыми зонами печи используя один прибор.

К недостаткам прибора можно отнести:

• метод управления мощностью – релейный или ШИМ (широтно-импульсная модуляция);
• необходимость установки в силовой блок дополнительных устройств:
• для управления печью методом ФИМ, необходимо устанавливать дорогостоящие тиристорные регуляторы типа «Звел»;
• для управления методом ШИМ необходимо устанавливать промежуточный блок управления тиристорами типа «БУТ-3».
• необходимость установки в силовой блок дополнительного устройства ограничения тока, при работе с печами с нагревателями из дисилицид- молибдена, молибдена, вольфрама.

« Термодат-16Е5» - одноканальный программный ПИД-регулятор температуры и электронный самописец с графическим 3,5" дисплеем. Прибор имеет универсальный вход, предназначенный для подключения термопар или термосопротивлений, а также датчиков с токовым выходом. Разрешение 1°С или 0,1°С задается пользователем. Может управлять как нагревателем, так и охладителем. Интуитивно понятное управление обеспечивается 4 кнопками внизу экрана.

Характеристики:

• ПИД-регулятор
• Электронный самописец
• Графический дисплей
• Регулирование по программе
• ПИД-закон регулирования, автоматическая настройка коэффициентов
• Универсальный вход
• Логический (дискретный) вход
• Выходы: релейный, симисторный, транзисторный, аналоговый
• Интерфейс для связи с компьютером RS485
• Аварийная сигнализация
• Прочный металлический корпус, размер 1/4 DIN (96х96х82мм)

Предназначен для:

• Замены устаревших самописцев
• Регулирования температуры по заданной программе
• Измерения и регистрации температуры
• Аварийной сигнализации

Кроме вышеописанных приборов управления по заданию заказчика мы установим любой требуемый Вам прибор.

Пирометры

Это идеальный прибор для бесконтактного измерения температуры в промышленности, на транспорте и ЖКХ. Пирометры «Кельвин» обеспечивают высокоточный оперативный контроль температуры, а так же возможность управления печами по данному сигналу в диапазоне от -40 до 2200 о С в местах, где установка термопары по каким-либо причинам затруднена, а также в области температур, выходящих за пределы измерения термопар, труднодоступных местах.

Технические характеристики:

• Диапазон измерения температуры: -40…+2200°С
• Диапазон рабочих температур: -40°…+70°С
• Погрешность измерения: 1%+1°С
• Время измерения: 0,15 сек
• Разрешение: 1°С
• Показатель визирования: 1:200
• Диапазон установки излучательной способности: 0,01 … 1,00
• Спектральный диапазон: 1,0 - 1,6 мкм
• Выходной цифровой интерфейс: RS232 9600 бод
• Стандартная длина линии связи датчик-пульт: 3 м (максимальная длина: 20 м)
• Габаритные размеры пульта: 120x120x60мм
• Степень защиты от пыли и влаги: IP65

Амперметры « OMIX»

Серия однофазных/трехфазных амперметров Omix выполнена в корпусах из высококачественного пластика, с одним или тремя светодиодным индикаторами для отображения измеренных значений силы тока.

Характеристики прибора:

Прямое включение – 0…10 А

Через стандартный ТТ – 0…1 МА

• Точность измерения

0.5%+1 е.м.р.

• Скорость измерения

3 изм/с.

• Напряжение питания

U пит. = 220 В

Условия эксплуатации -15…+50 о С

Вольтметры « OMIX»

Серия однофазных/трехфазных вольтметров Omix выполнена в корпусах из высококачественного пластика, с одним или тремя светодиодным индикаторами для отображения измеренных значений напряжения.

Характеристики прибора:

• Диапазон измерения напряжения

Прямое включение – 0…500 В

Через стандартный ТН – 0…380 кВ

• Точность измерения

0.5%+1 е.м.р.

• Скорость измерения

3 изм/с

• Напряжение питания

U пит. = 220 В

• Условия эксплуатации

15…+50 о С

Тиристорные регуляторы напряжения «ZVEL»

предназначены для установки внутрь электромонтажных шкафов. Линейка регуляторов рассчитана на трехфазную нагрузку с током до 1000 А. Имеет однофазное/трехфазное исполнение.

Функциональность регуляторов ZVEL характеризуется наличием сервисных функций:

• жидко-кристаллический дисплей с индикацией токов нагрузки, задающего сигнала и кодов ошибок;
• функция ограничения тока;
• кнопочная панель для программирования уставок;
• электронные защиты от короткого замыкания, перегрузки и перегрева;
• автодиагностика пробоя тиристоров;
• контроль подключения нагрузки;
• защита от повреждения в нагрузке (несимметрия токов);
• потеря фазы или “слипание” фаз;
• способы управления мощностью – фазо-импульсный или пропуском периодов(программируется);

Усилитель «У13М»

Предназначены для управления мощностью электрической нагрузки в однофазных цепях переменного тока (для трехфазной нагрузки необходимо три прибора) за счет фазо-импульсной модуляции (ФИМ) от аналоговых входных сигналов. Прибор имеет обратную связь по сетевому напряжению, что позволяет осуществлять особо точную регулировку мощности на нагрузке.

Характеристика:

• Преобразование входного сигнала постоянного тока (напряжения постоянного тока) в выходную мощность (фазоимпульсное управление);
• Формирование режима запрета включения тиристоров;
• Обеспечение линейной зависимости величины выходной мощности, выделяемой на нагрузке, от величины входного сигнала. Для управления большой мощностью предусмотрена возможность подключения внешнего блока мощных тиристоров;
• Гальваническая развязка входных и выходных сигналов

Термопары

Термоэлектрические преобразователи (термопары) – устройство для измерения температуры в камере печи. Представляет собой 2 спаянных между собой с одного конца проволоки различного химического состава. При этом не спаянные концы должны находиться вне камеры (в холодной зон е), а спай в камере (в горячей зоне).

Компания «Термокерамика» изготавливает термопары различных длин следующих типов:

• ТХА – хромель алюмель
• ТВР – вольфрам-рений
• ТПП – платина-платинародий
• ТПР – платинародий-платинародий

Марка	Тип	Материал 1	Материал 2	Температура применения, о С	Примечание
ТХА 0292	К	Сплав Хромель (Ni-90.5, Cr-9.5%)	Сплав Алюмель (Ni-94.5, Al-5.5,Si, Mn, Co)	0-1300
ТПП 0392	S	Сплав Платина-Родий (Pt-87%, Rh-13%)	Платина (Pt)	0-1400
ТПР 0392	В	Сплав Платина-Родий (Pt-70%, Rh-30%)	Сплав Платина-Родий (Pt-94%, Rh-6%)	600-1800
ТВР 0392	А1	Сплав Вольфрам-Рений (W-95%, Re-5%)	Сплав Вольфрам-Рений (W-80%, Re-20%)	0-2200 в неокислительных средах Компенсационные провода (термопарные провода, термоэлектродные провода) используются для подключения термоэлектрических преобразователей (термопар) к измерительным приборам и преобразователям в целях уменьшения погрешности измерения. Так как термоэлектродные провода используются для удлинения выводов термоэлектрических преобразователей (термопар), их называют термоэлектродными удлинительными проводами. Токопроводящие многопроволочные жилы из сплава "ХА" - хромель-алюмель Изоляция из ПВХ пластиката И40-13А Оболочка из ПВХ пластиката И40-13А Экран

В. Крылов

В настоящее время тиристоры находят широкое применение в различных устройствах автоматического контроля, сигнализации и управления. Тиристор представляет собой управляемый полупроводниковый диод, которому свойственны два устойчивых состояния: открытое, когда прямое сопротивление тиристора весьма мало и ток в его цепи зависит в основном от напряжения источника питания и сопротивления нагрузки, и закрытое, когда его прямое сопротивление велико и ток составляет единицы миллиампер.

На рис. 1 показана типовая вольтамперная характеристика тиристора, где участок О А соответствует закрытому состоянию тиристора, а участок БВ - открытому.

При отрицательных напряжениях тиристор ведет себя как обычный диод (участок ОД).

Если увеличивать прямое напряжение на закрытом тиристоре при токе управляющего электрода, равном нулю, то при достижении величины Uвкл тиристор откроется. Такое переключение тиростора называют переключением по аноду. Работа тиристора при этом аналогична работе неуправляемого полупроводникового четырехслойного диода - динистора.

Наличие управляющего электрода позволяет открывать тиристор при анодном напряжении, меньшем Uвкл. Для этого необходимо по цепи управляющий электрод - катод пропустить ток управления Iу. Вольтамперная характеристика тиристора для этого случая показана на рис. 1 пунктиром. Минимальный ток управления, необходимый для открывания тиристора, называется током спрямления Iспр. Ток спрямления сильно зависит от температуры. В справочниках он указывается при определенном анодном напряжении. Если за время действия тока управления анодный ток превысит значение тока выключения Iвыкл, то тиристор останется открытым и по окончании действия тока управления; если же этого не произойдет, то тиристор снова закроется.

При отрицательном напряжении на аноде тиристора подача напряжения на его управляющий электрод не допускается. Недопустимо также на управляющем электроде отрицательное (относительно катода) напряжение, при котором обратный ток управляющего электрода превышает несколько миллиампер.

Открытый тиристор можно перевести в закрытое состояние, только снизив его анодный ток до величины, меньшей Iвыкл. В устройствах постоянного тока для этой цели используются специальные гасящие цепочки, а в цепи переменного тока тиристор закрывается самостоятельно в момент перехода величины анодного тока через нуль.

Это является причиной наиболее широкого применения тиристоров в цепях переменного тока. Все рассматриваемые ниже схемы имеют отношение только к тиристорам, включенным в цепь переменного тока.

Для обеспечения надежной работы тиристора источник управляющего напряжения должен удовлетворять определенным требованиям. На рис. 2 показана эквивалентная схема источника управляющего напряжения, а на рис. 3 - график, с помощью которого можно определить требования к его нагрузочной прямой.

На графике линии А и Б ограничивают зону разброса входных вольтамперных характеристик тиристора, представляющих собой зависимости напряжения на управляющем электроде Uу от тока этого электрода Iу при разомкнутой анодной цепи. Прямая В определяет минимальное напряжение Uу, при котором открывается любой тиристор данного типа при минимальной температуре. Прямая Г определяет минимальный ток Iу, достаточный для открывания любого тиристора данного типа при минимальной температуре. Каждый конкретный тиристор открывается в определенной точке своей входной характеристики. Заштрихованная зона является геометрическим местом таких точек для всех тиристоров данного типа, удовлетворяющих техническим условиям. Прямые Д и Е определяют максимально допустимые значения напряжения Uу и тока Iу соответственно, а кривая К - максимально допустимое значение мощности, рассеиваемой на управляющем электроде. Нагрузочная прямая Л источника управляющего сигнала проведена через точки, определяющие напряжение холостого хода источника Еу.хх и его ток короткого замыкания Iу.кз= Eу.хх/Rвнутр, где Rвнутр- внутреннее сопротивление источника. Точка S пересечения нагрузочной прямой Л с входной характеристикой (кривая М) выбранного тиристора должна находиться в области, лежащей между заштрихованной зоной и линиями А, Д, К, Е и Б.

Эта область носит название предпочтительной области открывания. Горизонтальная прямая Н определяет наибольшее напряжение на управляющем переходе, при котором не открывается ни один тиристор данного типа при максимально допустимой температуре. Таким образом, эта величина, составляющая десятые доли вольта, определяет максимально допустимую амплитуду напряжения помехи в цепи управления тиристором.

После открывания тиристора цепь управления не влияет на его состояние, поэтому управление тиристором может осуществляться импульсами небольшой длительности (десятки или сотни микросекунд), что позволяет упростить схемы управления и снизить мощность, рассеиваемую на управляющем электроде. Длительность импульса, однако, должна быть достаточной для нарастания анодного тока до величины, превышающей ток выключения Iвыкл при различном характере нагрузки и режиме работы тиристора.

Сравнительная простота устройств управления при работе тиристоров в цепях переменного тока обусловила широкое применение этих приборов в качестве регулирующих элементов в устройствах стабилизации и регулирования напряжения. Среднее значение напряжения на нагрузке при этом регулируют изменением момента подачи (то есть фазы) управляющего сигнала относительно начала полупериода питающего напряжения. Частота следования управляющих импульсов в таких схемах должна быть синхронизирована с частотой сети.

Существует несколько методов управления тиристорами, из которых следует отметить амплитудный, фазовый и фазо-импульсный.

Амплитудный метод управления заключается в том, что на управляющий электрод тиристора подают положительное напряжение, изменяющееся по величине. Тиристор открывается в тот момент, когда это напряжение становится достаточным для протекания через управляющий переход тока спрямления. Изменяя напряжение на управляющем электроде, можно изменять момент открывания тиристора. Простейшая схема регулятора напряжения, построенная по этому принципу, приведена на рис. 4.

В качестве управляющего напряжения здесь используется часть анодного напряжения тиристора, то есть напряжения положительного полупериода сети. Резистором R2 изменяют момент открывания тиристора Д1 и, следовательно, среднее значение напряжения на нагрузке. При полностью введенном резисторе R2 напряжение на нагрузке минимально. Диод Д2 защищает управляющий переход тиристора от обратного напряжения. Следует обратить внимание на то, что цепь управления подключена не непосредственно к сети, а параллельно тиристору. Сделано это для того, чтобы открытый тиристор шунтировал цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на ее элементах.

Основными недостатками рассматриваемого устройства являются сильная зависимость напряжения на нагрузке от температуры и необходимость индивидуального подбора резисторов для каждого экземпляра тиристора. Первое объясняется температурной зависимостью тока спрямления тиристоров, второе - большим разбросом их входных характеристик. Кроме того, устройство способно регулировать момент открывания тиристора только в течение первой половины положительного полупериода напряжения сети.

Управляющее устройство, схема которого приведена на рис. 5, позволяет расширить диапазон регулирования до 180°, а включение тиристора в диагональ выпрямительного моста - регулировать напряжение на нагрузке в течение обоих полупериодов напряжения сети.

Конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2 до напряжения, при котором через управляющий переход тиристора протекает ток, равный току спрямления. При этом тиристор открывается, пропуская ток через нагрузку. Благодаря наличию конденсатора напряжение на нагрузке меньше зависит от колебаний температуры, но тем не менее и этому устройству присущи те же недостатки.

При фазовом методе управления тиристорами с помощью фазовращательного моста изменяют фазу управляющего напряжения относительно напряжения на аноде тиристора. На рис. 6 приведена схема однополупериодного регулятора напряжения, в котором изменение напряжения на нагрузке осуществляется резистором R2, включенным в одно из плеч моста, с диагонали которого напряжение поступает на управляющий переход тиристора.

Напряжение на каждой половине обмотки III управления должно быть приблизительно 10 в. Остальные параметры трансформатора определяются напряжением и мощностью нагрузки. Основным недостатком фазового метода управления является малая крутизна управляющего напряжения, из-за чего стабильность момента открывания тиристора получается невысокой.

Фазо-импульсный метод управления тиристорами отличается от предыдущего тем, что с целью повышения точности и стабильности момента открывания тиристора на его управляющий электрод подают импульс напряжения с крутым фронтом. Этот метод получил в настоящее время наибольшее распространение. Схемы, реализующие этот метод, отличаются большим разнообразием.

На рис. 7 приведена схема одного из самых простых устройств, использующих фазо-импульсный метод управления тиристором.

При положительном напряжении на аноде тиристора Д3 конденсатор С1 заряжается через диод Д1 и переменный резистор R1. Когда напряжение на конденсаторе достигнет напряжения включения динистора Д2, он открывается и конденсатор разряжается через управляющий переход тиристора. Этот импульс разрядного тока открывает тиристор Д3 и через нагрузку начинает протекать ток. Изменяя резистором R1 ток заряда конденсатора, можно изменять момент открывания тиристора в пределах полупериода напряжения сети. Резистор R2 исключает самооткрывание тиристора Д3 за счет токов утечки при повышенной температуре. По техническим условиям при работе тиристоров в ждущем режиме установка этого резистора обязательна. Приведенная на рис. 7 схема не нашла широкого применения из-за большого разброса величины напряжения включения динисторов, доходящего до 200%, и значительной зависимости напряжения включения от температуры.

Одной из разновидностей фазо-импульеного метода управления тиристорами является получившее в настоящее время наибольшее распространение так называемое вертикальное управление. Оно заключается в том, что на входе генератора импульсов производится сравнение (рис. 8) постоянного напряжения (1) и напряжения, изменяющегося по величине (2). В момент равенства этих напряжений генерируется импульс (3) управления тиристором. Переменное по величине напряжение может иметь синосоидальную, треугольную или пилообразную (как показано на рис. 8) форму.

Как видно из рисунка, изменение момента возникновения управляющего импульса, то есть сдвиг его фазы, может производиться тремя различными способами:

изменением скорости нарастания переменного напряжения (2а),

изменением его начального уровня (2б) и

изменением величины постоянного напряжения (1а).

На рис. 9 показана структурная схема устройства, реализующего вертикальный метод управления тиристорами.

Как и любое другое устройство фазо-импульсного управления, оно состоит из фазосдвигающего устройства ФСУ и генератора импульсов ГИ. Фазосдвигающее устройство, в свою очередь, содержит входное устройство ВУ, воспринимающее напряжение управления Uу, генератор переменного (по величине) напряжения ГПН и сравнивающее устройство СУ. В качестве названных элементов могут быть использованы самые различные устройства.

На рис. 10 приведена принципиальная схема устройства управления тиристором (Д5), включенным последовательно с мостовым выпрямителем (Д1 - Д4).

Устройство состоит из генератора пилообразного напряжения с транзисторным коммутатором (Т1), триггера Шмитта (Т2, Т3) и выходного ключевого усилителя (Т4). Под действием напряжения, снимаемого с синхронизирующей обмотки III трансформатора Тр1, транзистор Т1 закрыт. При этом конденсатор С1 заряжается через резисторы R3 и R4. Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненциальной кривой, начальный участок которой с некоторым приближением можно считать прямолинейным (2, см. рис. 8).

При этом транзистор Т2 закрыт, а Т3 открыт. Ток эмиттера транзистора Т3 создает на резисторе R6 падение напряжения, которое определяет уровень срабатывания триггера Шмитта (1 на рис. 8). Сумма напряжений на резисторе R6 и открытом транзисторе Т3 меньше, чем напряжение на стабилитроне Д10, поэтому транзистор Т4 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигает уровня срабатывания триггера Шмитта, транзистор Т2 открывается, а Т3 закрывается. Транзистор T4 при этом открывается и на резисторе R10 появляется импульс напряжения, открывающий тиристор Д5 (импульс 3 на рис. 8). В конце каждого полупериода напряжения сети транзистор T1 открывается током, протекающим через резистор R2. Конденсатор С1 при этом разряжается практически до нуля и устройство управления возвращается в исходное состояние. Тиристор закрывается в момент перехода амплитуды анодного тока через нуль. С началом следующего полупериода цикл работы устройства повторяется.

Изменяя сопротивление резистора R3, можно изменять ток заряда конденсатора С1, то есть скорость нарастания напряжения на нем, а значит, и момечт появления открывающего тиристор импульса. Заменив резистор R3 транзистором, можно автоматически регулировать напряжение на нагрузке. Таким образом, в этом устройстве использован первый из названных выше способов сдвига фазы управляющих импульсов.

Небольшое изменение схемы, показанное на рис. 11, позволяет получить регулирование по второму способу. В этом случае конденсатор С1 заряжается через постоянный резистор R4 и скорость нарастания пилообразного напряжения во всех случаях одинакова. Но при открывании транзистора T1 конденсатор разряжается не до нуля, как в предыдущем устройстве, а до напряжения управления Uу.
Следовательно, и заряд конденсатора в очередном цикле начнется с этого уровня. Изменяя напряжение Uу, регулируют момент открывания тиристора. Диод Д11 отключает источник напряжения управления от конденсатора во время его заряда.

Выходной каскад на транзисторе T4 обеспечивает необходимое усиление по току. Используя в качестве нагрузки импульсный трансформатор, можно одновременно управлять несколькими тиристорами.

В рассматриваемых устройствах управления к управляющему переходу тиристора напряжение приложено в течение отрезка времени от момента равенства постоянного и пилообразного напряжений до окончания полупериода напряжения сети, то есть до момента разряда конденсатора C1. Уменьшить длительность управляющего импульса можно включением дифференцирующей цепочки на входе усилителя тока, выполненного на транзисторе Т4 (см. рис. 10).

Одним из вариантов вертикального метода управления тиристорами является число-импульсный метод. Его особенность состоит в том, что на управляющий электрод тиристора подают не один импульс, а пачку коротких импульсов. Длительность пачки равна длительности управляющего импульса, показанного на рис. 8.

Частота следования импульсов в пачке определяется параметрами генератора импульсов. Число-импульсный метод управления обеспечивает надежное открывание тиристора при любом характере нагрузки и позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую на управляющем переходе тиристора. Кроме этого, если на выходе устройства включен импульсный трансформатор, возможно уменьшить его размеры и упростить конструкцию.

На рис. 12 приведена схема управляющего устройства, использующего число-импульсный метод.

В качестве узла сравнения и генератора импульсов здесь применен балансный диодно-регенеративный компаратор, состоящий из схемы сравнения на диодах Д10, Д11 и собственно блокинг-генератора, собранного на транзисторе Т2. Диоды Д10, Д11 управляют работой цепи обратной связи блокинг-генератора.

Как и в предыдущих случаях, при закрытом транзисторе Т1 начинается заряд конденсатора С1 через резистор R3. Диод Д11 открыт напряжением Uу, а диод Д10 закрыт. Таким образом, цепь обмотки IIa положительной обратной связи блокинг-генератора разомкнута, а цепь обмотки IIб отрицательной обратной связи замкнута и транзистор Т2 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет напряжения Uу, диод Д11 закроется, а Д10 откроется. Цепь положительной обратной связи окажется замкнутой, и блокинг-генератор начнет вырабатывать импульсы, которые с обмотки I трансформатора Тр2 будут поступать на управляющий переход тиристора. Генерация импульсов будет продолжаться до конца полупериода напряжения сети, когда откроется транзистор T1 и конденсатор С1 разрядится. Диод Д10 при этом закроется, а Д11 откроется, блокинг-процесс прекратится, и устройство вернется в исходное состояние. Изменяя напряжение управления Uу, можно изменять момент начала генерации относительно начала полупериода и, следовательно, момент открывания тиристора. Таким образом, в данном случае используется третий способ сдвига фазы управляющих импульсов.

Применение балансной схемы узла сравнения обеспечивает температурную стабильность его работы. Кремниевые диоды Д10 и Д11 с малым обратным током позволяют получить высокое входное сопротивление сравнивающего узла (около 1 Мом). Поэтому он не оказывает практически никакого влияния на процесс заряда конденсатора С1. Чувствительность узла весьма высока и составляет несколько милливольт. Резисторы R6, R8, R9 и конденсатор С3 определяют температурную стабильность рабочей точки транзистора Т2. Резистор R7 служит для ограничения коллекторного тока этого транзистора и улучшения формы импульса блокинг-генератора. Диод Д13 ограничивает выброс напряжения на коллекторной обмотке III трансформатора Тр2, возникающий при закрывании транзистора. Импульсный трансформатор Тр2 можно выполнить на ферритовом кольце 1000НН типоразмера К15Х6Х4,5. Обмотки I и III содержат по 75, а обмотки II а и II б - по 50 витков провода ПЭВ-2 0,1.

Недостатком этого устройства управления является сравнительно низкая частота следования импульсов (примерно 2 кгц при длительности импульса 15 мксек). Увеличить частоту можно, например, уменьшив сопротивление резистора R4, через который разряжается конденсатор С2, но при этом несколько ухудшается температурная стабильность чувствительности сравнивающего узла.

Число-импульсный метод управления тиристорами можно использовать и в рассмотренных выше (рис. 10 и 11) устройствах, поскольку при определенном выборе номиналов элементов (С1, R4- R10, см. рис. 10) триггер Шмитта при напряжении на конденсаторе С1, превышающем уровень срабатывания триггера, генерирует не одиночный импульс, а последовательность импульсов. Их длительность и частота следования определяются параметрами и режимом триггера. Такое устройство получило название «мультивибратор с разрядным триггером».

В заключение следует отметить, что значительное схемное упрощение устройств управления тиристорами при сохранении высоких качественных показателей может быть достигнуто с помощью однопереходных транзисторов.

— 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.