Automatizace řízení elektrických pecí. Open Library - otevřená knihovna vzdělávacích informací Tyristory a bezpečnost
- A) kontinuita regulace. Tyristory spínají proud v zátěži na frekvenci sítě (50x za vteřinu), což umožňuje udržovat teplotu s vysokou přesností a rychle reagovat na změny rušivých vlivů;
- B) absence mechanických kontaktů zvyšuje spolehlivost a snižuje náklady na údržbu a provoz;
- C) možnost omezení rozběhových proudů elektrických topných těles. Mnoho pecí se vyznačuje nízkým odporem topných těles ve studeném stavu, takže rozběhové proudy mohou být 10krát i vícekrát vyšší než jmenovitý proud. Zapínací proudy lze omezit pouze pomocí fázově pulzního řízení tyristorů.
R Tyristorový regulátor výkonu vyvinutý společností Zvezda-Electronics LLC je moderní multifunkční zařízení. Jeho řídicí systém je postaven na výkonném digitálním signálovém procesoru, který nepřetržitě monitoruje v reálném čase velký početřídicí signály. To poskytuje řadu výhod oproti podobným zařízením:
- flexibilní konfigurace pro jakýkoli typ zatížení a technologický postup;
- jasná indikace na displeji z tekutých krystalů;
- rozvinutý komplex ochrany a autodiagnostiky poruch;
- podpora dvou způsobů tyristorového řízení - fázově-pulzní a numerické;
- režimy přesné stabilizace nebo omezení proudu;
- možnost implementace vícezónové regulace;
- snadná integrace do automatizovaných systémů řízení procesů.
Díky tomu bylo možné vyvinout několik hotová řešení pro automatizaci. Vzhledem k tomu, že tato řešení jsou založena na masově vyráběných produktech, bude nákup a implementace tohoto zařízení stát výrazně méně než vývoj automatizačního systému na míru.
Příklad 1. Automatizace elektrické pece.
Pro automatické řízení pece je použit PID regulátor TRM210-Shch1.IR. Na jeho univerzální vstup je připojeno teplotní čidlo, jehož citlivý prvek je umístěn uvnitř elektrické trouby. PID regulátor měří aktuální teplotu a působí na tyristorový regulátor analogovým signálem 4..20 mA. Je tak implementován řídicí systém s uzavřenou smyčkou teplotní zpětné vazby. Reléový výstup PID regulátoru lze použít pro signalizaci alarmu.
Příklad 2. Automatizace sušící komory.
Pomocí softwarového ovladače TRM151-Shch1.IR.09 je realizován proces sušení dřeva. Zařízení působí na řídicí vstup tyristorového regulátoru analogovým signálem 4..20 mA a tím reguluje výkon, a tím i teplotu uvnitř komory, přičemž reléový výstup periodicky zapíná ventilátor, což přispívá k rovnoměrnější sušení. Softwarový ovladač TRM151 umožňuje provádět proces sušení podle různých programů sestavených technologem, např. odlišné typy dřevo - smrk, borovice, dub atd.
Příklad 3. Automatizace vícezónového topného systému.
Zajímavý je například řídicí systém pro infrazářiče, jehož obliba každým rokem roste. K tomuto účelu slouží vícekanálový PID regulátor TRM148. Ohřívače jsou zapojeny do hvězdy se společným neutrálním vodičem, čímž jsou vytvořeny tři nezávislé regulační smyčky. Každá zóna má své čidlo - D1, D2, D3 - odebírající údaje, ze kterých PID regulátor upravuje řídicí signály 4..20 mA pro tyristorový regulátor, který reguluje výkon v každém z topných těles samostatně.
Tyto příklady samozřejmě neomezují rozsah problémů, které lze řešit pomocí tyristorového regulátoru TRM. Je možné např. automatizovat zásobování ventilačních komor, barvicích komor, automatické ovládání elektrické vytápění a bojlery na ohřev vody a mnoho dalšího.
Výkon moderních elektrických odporových pecí se pohybuje od zlomků kilowattu až po několik megawattů. Pece o výkonu nad 20 kW jsou zpravidla třífázové a připojené k sítím o napětí 120, 380, 660 V přímo nebo přes pecní transformátory. Účiník odporových pecí se blíží 1, rozložení zátěže mezi fázemi u třífázových pecí je rovnoměrné.
Používá se v XPS elektrické zařízení dělí na silové, regulační, měřicí a pyrometrické zařízení.
Energetická zařízení zahrnují transformátory, snižovací a regulační autotransformátory, napájecí zdroje pohánějící elektrické pohonné mechanismy, výkonová spínací a ochranná zařízení, spínače, stykače, magnetické spouštěče, jističe a pojistky.
Většina pecí pracuje na síťovém napětí: nevyžadují transformátory ani autotransformátory. Použití stupňovitých pecních transformátorů umožňuje zvýšení provozních proudů a použití vodičů s větším průřezem pro výrobu ohřívačů, což zvyšuje jejich pevnost a spolehlivost,
Všechny průmyslové odporové pece pracují v režimu automatické regulace teploty, což umožňuje aktivovat výkon pece s požadovanými teplotními podmínkami a to zase vede ke snížení měrné spotřeby energie oproti ruční regulaci. Nařízení Provozní teplota v elektrických odporových pecích se vyrábí změnou výkonu dodávaného do pece.
Regulaci výkonu dodávaného do pece je nutné provádět několika způsoby: periodickým vypínáním a připojováním pece k elektrické síti (regulace zapnuto-vypnuto); přepínání pece z hvězdy do trojúhelníku, nebo ze sériového zapojení na paralelní (třípolohová regulace).
Při dvoupolohové regulaci polohy (obr. 4.40) je znázorněno funkční schéma zapínání pece, změny teploty a výkonu), teplota v pracovním prostoru EPS je řízena termočlánky, odporovými teploměry, fotobuňkami. Pec je zapnuta regulátorem teploty odesláním příkazu do cívky HF spínače.
Teplota v troubě stoupne na hodnotu , v okamžiku, kdy termostat troubu vypne.
Rýže. 4,40. Funkční schéma zapnutí trouby, výměna
teplota a výkon s dvoupolohovým ovládáním:
EP - elektrická pec; B - spínač;
RT - regulátor teploty; KV - spínací cívka;
1 - teplota pece; 2 - teplota ohřívaného tělesa;
3 - průměrný výkon spotřebovaný pecí
Vlivem absorpce tepla ohřívaným tělesem a ztrát do okolního prostoru se teplota sníží na , načež RT opět vydá povel k připojení pece k síti.
Hloubka teplotních pulsací závisí na citlivosti RT, setrvačnosti pece a citlivosti teplotního čidla.
U třípolohové regulace se výkon dodávaný do pece mění při přepnutí topných těles z hvězdy na trojúhelník. Regulace teploty pomocí této metody snižuje spotřebu energie ze sítě.
Z energetického hlediska je tato metoda regulace poměrně účinná, protože nezpůsobuje škodlivý vliv do napájecí sítě.
Regulace výkonu pece změnou napájecího napětí by měla být provedena několika způsoby:
Použití řídicích transformátorů a autotransformátorů s plynulou bezkontaktní regulací při zatížení;
Použití potenciálních regulátorů;
Zahrnutí dalších odporů ve formě tlumivek a reostatů do okruhu ohřívače;
Pulzní regulace pomocí tyristorových regulátorů.
Použití transformátorů s plynulou bezkontaktní regulací při zatížení, autotransformátorů a potenciálních regulátorů je spojeno s významnými investičními náklady, přítomností dodatečných ztrát a spotřebou jalového výkonu. Tato metoda se používá zřídka.
Zařazení dodatečného indukčního nebo aktivního odporu do okruhu ohřívače je spojeno s dodatečnými ztrátami a spotřebou jalového výkonu, což také omezuje použití tohoto způsobu regulace.
Pulzní regulace na bázi tyristorových regulátorů se provádí pomocí polovodičových ventilů, jejichž frekvence provozu se volí na základě tepelné setrvačnosti elektrické pece.
Existují tři základní způsoby pulzního řízení výkonu odebíraného ze sítě střídavý proud:
1. Pulzní regulace na spínací frekvenci ( - frekvence proudu napájecí sítě) se změnou odblokovacího momentu tyristoru se obvykle nazývá fázově-pulzní nebo fázová (křivky a).
2. Pulzní regulace se zvýšenou spínací frekvencí (křivky b).
3. Pulzní regulace se sníženou spínací frekvencí (křivky c).
Použitím pulzního řízení je možné dosáhnout plynulé regulace výkonu v širokém rozsahu téměř bez dodatečných ztrát, čímž je zajištěno, že výkon spotřebovaný pecí odpovídá výkonu dodávanému ze sítě.
Na Obr. Obrázek 4.41 ukazuje schéma pulzního řízení výkonu pece.
Rýže. 4.41. Schéma pulzního řízení výkonu pece:
EP - elektrická trouba; RT - regulátor tepla; UT -řídicí jednotka tyristorového regulátoru; TR - tyristorový regulátor
Parametry odporových pecí - koncepce a typy. Klasifikace a vlastnosti kategorie "Parametry odporových pecí" 2017, 2018.
Řízení výkonu odporové pece
Existují 2 zásadně odlišné přístupy k řízení výkonu:
1) Plynulé řízení, při kterém lze do pece zavést libovolný požadovaný výkon.
2) Kroková regulace, při které lze do pece zavést pouze diskrétní řadu výkonů.
První vyžaduje plynulou regulaci napětí na topných tělesech. Takovou regulaci lze provést pomocí libovolného typu výkonových zesilovačů (generátor, tyristorový usměrňovač, EMU). V praxi jsou nejběžnější tyristory zásoby energie, postavená podle schématu TRN. Takové regulátory jsou založeny na vlastnostech tyristoru zapojeného do obvodu střídavého proudu v sérii s aktivním odporem ohřívače. Tyristorové zdroje obsahují tyristory propojené zády k sobě vybavené SIFU.
 |
Při druhém způsobu se změní napětí na ohřívači, čímž dojde k přepnutí napájecích obvodů pece. Obvykle existují 2-3 stupně možného napětí a výkonu ohřívače. Nejběžnější dvoupolohový způsob krokového řízení. Podle tohoto způsobu je pec buď připojena k síti při svém jmenovitém výkonu, nebo zcela odpojena od sítě. Požadovaná hodnota průměrného příkonu do pece je zajištěna změnou poměru doby zapnutého a vypnutého stavu.
Průměrná teplota v peci odpovídá průměrnému příkonu do pece. Náhlé změny okamžitého výkonu mají za následek kolísání teploty kolem průměrné úrovně. Velikost těchto kmitů je určena velikostí odchylek P MGNOV od průměrné hodnoty a velikostí tepelné setrvačnosti pece. Ve většině obecných průmyslových pecí je tepelná setrvačnost tak velká, že kolísání teploty v důsledku stupňovité regulace nepřekračuje požadovanou přesnost udržování teploty. Konstrukčně může být ovládání zapnuto-vypnuto zajištěno buď konvenčním stykačem nebo tyristorovým spínačem. Tyristorový spínač obsahuje back-to-back
Existují také třífázové spínače. Používají dva bloky zády k sobě zapojených tyristorů paralelně. Výkonové obvody takových spínačů jsou konstruovány podle následujícího schématu:Existují modifikace tyristorových spínačů, které vůbec nepoužívají kontakty.
Tyristorové spínače jsou spolehlivější než stykače, jsou jiskrové a explozivní, mají tichý provoz a jsou o něco dražší.
Kroková regulace má účinnost blízkou 1, až M »1.
Existují 2 zásadně odlišné přístupy k řízení výkonu:
Plynulá regulace, při které lze do pece zavést libovolný požadovaný výkon.
Krokové řízení, při kterém lze do pece zavádět pouze diskrétní rozsah výkonů.
První vyžaduje plynulou regulaci napětí na topných tělesech. Takovou regulaci lze provést pomocí libovolného typu výkonových zesilovačů (generátor, tyristorový usměrňovač, EMU). V praxi jsou nejrozšířenější tyristorové zdroje stavěné podle obvodu TRN. Takové regulátory jsou založeny na vlastnostech tyristoru zapojeného do obvodu střídavého proudu v sérii s aktivním odporem ohřívače. Tyristorové zdroje obsahují tyristory zapojené zády k sobě paralelně vybavené SIFU.
Řídicí úhel, a tedy efektivní napětí na zátěži, závisí na externím napětí přivedeném ke zdroji. Aby se snížil vliv vypnutí napájecího napětí na tepelné podmínky pece, tyristorové napájecí zdroje obvykle poskytují negativní zpětnou vazbu na výstupní napětí. Tyristorové zdroje mají vysokou účinnost (až 98 %). Účiník závisí lineárně na hloubce regulace výstupního napětí, při úhlu menším než 0 - až M = 1, při = 180 až M = 0. Účiník je určen nejen fázovým posunem napětí a první harmonickou proudu, ale také hodnotou vyšších harmonických proudu . Proto použití kompenzačních kondenzátorů neumožňuje žádné výrazné zvýšení M.
Při druhém způsobu se změní napětí na ohřívači, čímž dojde k přepnutí napájecích obvodů pece. Obvykle existují 2-3 stupně možného napětí a výkonu ohřívače. Nejběžnější dvoupolohový způsob krokového řízení. Podle tohoto způsobu je pec buď připojena k síti při svém jmenovitém výkonu, nebo zcela odpojena od sítě. Požadovaná hodnota průměrného příkonu do pece je zajištěna změnou poměru doby zapnutého a vypnutého stavu.
Průměrná teplota v peci odpovídá průměrnému příkonu do pece. Náhlé změny okamžitého výkonu mají za následek kolísání teploty kolem průměrné úrovně. Velikost těchto kmitů je určena velikostí odchylek P MGNOV od průměrné hodnoty a velikostí tepelné setrvačnosti pece. Ve většině obecných průmyslových pecí je velikost tepelné setrvačnosti tak velká, že kolísání teploty v důsledku stupňovité regulace nepřekračuje požadovanou přesnost udržování teploty. Konstrukčně může být ovládání zapnuto-vypnuto zajištěno buď konvenčním stykačem nebo tyristorovým spínačem. Tyristorový spínač obsahuje protiparalelní s 
připojené tyristory pracující s=0.
Je-li nízkoproudý kontakt S rozpojen, řídicí obvod VS1, VS2 je přerušený, tyristory jsou uzavřeny a napětí na zátěži je nulové. Pokud je S uzavřeno, vznikají obvody pro tok řídicích proudů. Katoda je kladná, anoda VS1 záporná. Řídící proud v tomto případě protéká obvodem katoda VS1 – VD1 – R – S – řídící elektroda VS2 – katoda VS2. VS2 se zapíná a vede elektrický proud během celého půlcyklu. V dalším půlcyklu se podobně zapne VS1.
S 
Existují také třífázové spínače. Používají dva bloky zády k sobě zapojených tyristorů paralelně. Výkonové obvody takových spínačů jsou konstruovány podle následujícího schématu:
Existují modifikace tyristorových spínačů, které vůbec nepoužívají kontakty.
Tyristorové spínače jsou spolehlivější než stykače, jsou jiskrové a explozivní, mají tichý provoz a jsou o něco dražší.
Kroková regulace má účinnost blízkou 1, až M 1.
1 Účel práce
1.1 Seznamte se se strukturou elektrické odporové pece, elektrické ohřívače, provozní režim elektrické pece a elektrický řídicí obvod.
2 Pracovní příkaz
2.1 Zapište si technické (pasové) údaje elektrické pece a elektro měřící nástroje.
2.2 Seznamte se s konstrukcí elektrické odporové pece a účelem jejích jednotlivých částí.
2.3 Seznamte se s elektrickým obvodem pro ovládání provozních režimů elektrické odporové pece.
2.4 Sbírejte elektrické schéma provést experiment.
2.5 Proveďte experiment k určení ukazatelů energetické náročnosti elektrické odporové pece.
2.6 Vypracujte zprávu o provedené práci.
3 Popis uspořádání laboratoře
Laboratorní zařízení pro seznámení se strukturou, principem činnosti a účelem jednotlivých částí elektrické odporové pece by se mělo skládat z komorové elektrické odporové pece, model OKB-194A nebo model N-15, s nichromovými ohřívači určenými pro tepelné zpracování. kovů v individuální a malovýrobě. Kromě toho musí existovat výchozí materiál pro tepelné zpracování; K tomu se doporučuje připravit díly, které takové zpracování vyžadují. Musí být známy základní parametry teplotních podmínek.
Termočlánky jsou instalovány v elektrické peci pro řízení teploty. Instalace musí mít zařízení pro automatickou regulaci teploty a mít sadu měřicích přístrojů a regulátorů teploty pro ohřev výchozího materiálu.
V místnosti, kde se provádějí džemy, by měly být zavěšeny plakáty s obrázky elektrických pecí různé typy a návrhy, schémata elektrických obvodů pro ovládání elektrických odporových topných instalací elektrických pecí.
4 Stručné teoretické informace
Elektrické odporové pece, kde se elektrická energie přeměňuje na teplo prostřednictvím kapalných popř pevné látky, existují přímé a nepřímé akce. V přímé pece působením je ohřívané těleso přímo připojeno k síti (obr. 1) a je ohříváno proudem, který jím protéká.
Obrázek 1 - Schematický diagram instalace pro přímý ohřev kovového obrobku: 1 – ohřívaný obrobek; 2 - transformátor
V nepřímé pece působením se teplo uvolňuje ve speciálních topných tělesech a předává ohřívanému tělesu sáláním, tepelnou vodivostí nebo konvekcí. K ohřevu válcových výrobků (tyče, trubky) se používají odporové pece a přímotopná zařízení. nepřímé vytápění pro tepelné zpracování výrobků a materiálů, jakož i pro ohřev obrobků pro kování a lisování.
Výchozí materiál se zahřívá v elektrických odporových pecích zpravidla na určitou (nastavenou) teplotu. Po zahřívací periodě následuje prodleva nutná k vyrovnání teploty. Měření teploty ohřevu a sledování průběhu procesu ohřevu lze provádět vizuálně i automaticky pomocí automatických regulátorů dvoupolohovou metodou (periodické zapínání a vypínání pece).
Na obr. 2 je schéma zapojení pro ovládání elektrické pece s dvoupolohovou regulací.
Obrázek 2 - Schematické schéma pece s on-off ovládáním
Schéma umožňuje ruční a automatické ovládání. Pokud spínač P dát do pozice 1 , pak bude obvod nakonfigurován pro ruční ovládání a polohu 2 spínač přepne okruh do automatického řízení. Zapínání a vypínání topných těles NE vytvořený termostatem TP, jehož kontakty v závislosti na teplotě v peci uzavírají nebo otevírají obvod cívky stykače L přímo nebo přes mezilehlé relé RP. Teplotu ohřevu lze regulovat změnou výkonu pece - přepnutím topidel z trojúhelníku na hvězdu (obr. 3, a), přičemž výkon pece se sníží třikrát a u jednofázových pecí přepnutím z a paralelní zapojení ohřívačů do sériového (obr. 3, b) .
Obrázek 3 - Elektrický obvod pro spínání ohřívačů pece: a – z trojúhelníku do hvězdy; b – od paralelního k sériovému
V elektrických odporových pecích se jako topné články používají materiály s vysokým měrným odporem. Tyto materiály by neměly oxidovat a oxidy vytvořené na povrchu by neměly praskat nebo se odrážet při kolísání teploty.
Komorové pece jsou pro svou univerzálnost nejpoužívanější při ohřevu surovin, jsou vyrobeny ve formě obdélníkové komory se žáruvzdornou vyzdívkou a tepelnou izolací, zakryté dnem a uzavřené v kovovém plášti. Pece řady H jsou vyráběny s páskovými nebo drátěnými topidly umístěnými na keramických policích. Pece typu OKB-194 (obr. 4 a obr. 5) jsou dvoukomorové, horní komora je vybavena karborundovými ohřívači a spodní komora nichromovými.
Obrázek 4 - Komorová elektrická pec typ OKB-194: 1 – mechanismus pro zvedání dvířek horní komory; 2 – válečky dvířek spodní komory; 3 – tepelná izolace; 4 – horní komora; 5 – spodní komora; 6 – deska topeniště
Technické (certifikátní) údaje elektrické pece, řídicího a monitorovacího zařízení a elektrických měřicích přístrojů jsou evidovány podle tabulkových údajů zařízení. V budoucnu by se tato informace měla promítnout do pracovní zprávy. Technické údaje zařízení jsou jejich jmenovité parametry, proto je nutné při provozu dodržovat hodnoty proudu, napětí, výkonu a další hodnoty uvedené v pasech.
Při seznamování s elektrickou odporovou pecí byste měli věnovat pozornost jejímu provedení a uspořádání topných těles a jejich umístění v peci. Doporučuje se změřit odpor topných těles pomocí testeru. Udělejte si náčrt spouštěcího zařízení, věnujte pozornost jeho jednotce. Zjistěte, jaké teplotní podmínky je nutné dodržet při tepelném zpracování výchozího materiálu (dílů) během experimentu. Určete, jaké přístroje budou měřit teplotu ohřevu a kde budou instalovány termočlánky. Elektrické schéma zapojení elektrické pece a měřicích přístrojů pro provádění experimentu je na Obr. 5.
Studenti musí vybrat elektrické měřicí přístroje, ovládací zařízení, provést potřebná zapojení a před uvedením obvodu do provozu předat vedoucímu lekce k ověření.
Obrázek 5 - Schematické elektrické schéma pece typu OKB-194: a – elektrické schéma; b – schéma činnosti univerzálního spínače UP
Po kontrole schématu elektrického zapojení a obdržení povolení a zadání od vedoucího lekce k tepelnému zpracování výchozího materiálu žáci vloží výchozí materiál (díly) do nakládacího zařízení a zapnou pec. Při experimentu je nutné pečlivě sledovat odečty elektrických a teploměrných přístrojů (ampérmetr, voltmetr, wattmetr, sekundární termočlánkový přístroj) a jejich odečty v pravidelných intervalech zaznamenávat. Údaje z pozorování a následných výpočtů zapište do tabulky 1. Při dosažení mezní teploty (dle specifikace) a přítomnosti regulátoru dojde k regulaci teploty. Je nutné sledovat, jak regulátor pracuje a všímat si doby, kdy dojde k přerušení napájení. Na konci experimentu určete spotřebu elektrické energie a účiník instalace.
Spotřeba A elektrická energie je určena odečtem elektroměru a v případě, že není v okruhu, můžete použít hodnoty výkonu R(podle odečítání wattmetru) a trvání t funguje:
A = Pt.(1)
Účiník instalace:
cosφ = Р/( UI).(2)
Tabulka 1 - Experimentální data
Protokol o práci se vyhotovuje ve formě uvedené v příloze 1. Protokol musí obsahovat pasportní údaje stroje, přístroje a měřicích přístrojů, stručně popsat konstrukci elektrické odporové pece, režim tepelného zpracování výchozího materiálu , poskytněte náčrt nakládacího zařízení, umístění elektrických topných těles, elektrické schéma zapojení zařízení a zařízení, které bylo použito během experimentu. Zaznamenejte výsledky pozorování a výpočtů. Popište způsoby regulace teplotní podmínky při tepelném zpracování. Odpověz na bezpečnostní otázky.