Studium provozních režimů elektrické odporové pece a elektrického řídicího obvodu. Elektrická zařízení odporových topných pecí Typy tyristorů se navzájem liší
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) Krokové řízení, při kterém 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 nejrozšířenější tyristorové zdroje stavěné podle obvodu TRN. Takové regulátory jsou založeny na vlastnostech tyristoru připojeného k obvodu střídavý proud 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 nevýbušné, mají tichý provoz a jsou o něco dražší.
Kroková regulace má účinnost blízkou 1, až M »1.
Výkon moderních elektrických odporových pecí se pohybuje od stovek wattů do několika megawattů.
Pece o výkonu nad 20 kW jsou vyráběny jako třífázové s rovnoměrným rozložením zátěže na fáze a jsou napojeny na sítě 220, 380, 660 V přímo nebo přes pecní transformátory (nebo autotransformátory).
Elektrické zařízení používané v elektrických odporových pecích zahrnuje 3 skupiny: silové elektrické zařízení, řídicí zařízení a přístrojové vybavení.
Součástí silnoproudé elektrické výzbroje
Snižovací transformátory výkonu a regulační autotransformátory,
silové elektrické pohony pomocných mechanismů,
Spínací a ochranná zařízení.
Ovládací zařízení zahrnuje kompletní ovládací stanice se spínacími zařízeními. V obvyklém provedení se používají spínače, tlačítka, relé, koncové spínače, elektromagnetické spouštěče, relé.
Instrumentace zahrnuje přístroje (přístroje) pro řízení, měření a signalizaci. Obvykle se zobrazuje na štítu. Každá odporová pec musí být vybavena pyrometrickými materiály. U malých nekritických pecí to může být termočlánek s indikačním zařízením ve většině průmyslových pecí je automatická regulace teploty povinná. To se provádí pomocí přístrojů, které zaznamenávají teplotu pece.
Většina elektrických odporových pecí nevyžaduje výkonové transformátory.
Regulační transformátory a autotransformátory se používají, když je pec vyrobena s topnými články, které mění svůj odpor v závislosti na teplotě (wolfram, grafit, molybden), k napájení solných lázní a přímotopných zařízení.
Všechny průmyslové odporové pece pracují v režimu automatické regulace teploty. Nařízení Provozní teplota PROTI elektrická trouba odpor vzniká změnou dodávaného výkonu.
Regulace výkonu dodávaného do pece může být diskrétní a spojité.
Na oddělený Jsou možné následující způsoby regulace:
Periodické připojování a odpojování elektrické odporové topné pece k síti (regulace zapnuto-vypnuto);
Přepínání topných těles pece z „hvězdy“ na „trojúhelník“ nebo ze sériového zapojení na paralelní (třípolohové ovládání).
Dvoupolohové řízení je nejrozšířenější, protože metoda je jednoduchá a umožňuje automatizovat proces.
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. Konstrukčně může být ovládání zapnuto-vypnuto zajištěno buď konvenčním stykačem nebo tyristorovým spínačem. Tyristorový spínač obsahuje tyristory zapojené paralelně, pracující s a=0.
Na kontinuální regulace plynule reguluje napětí na topných tělesech. Takovou regulaci lze provést pomocí jakéhokoli typu výkonových zesilovačů. V praxi jsou nejrozšířenější tyristorové regulátory napětí. Tyristorové zdroje obsahují tyristory zapojené zády k sobě paralelně vybavené SIFU.
Tyristorové zdroje mají vysokou účinnost (až 98 %).
Existují 2 zásadně odlišné přístupy k řízení výkonu:
1) Plynulé řízení, při kterém lze do pece zavést libovolný požadovaný výkon.
2) Krokové řízení, při kterém 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 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, a tedy efektivní napětí na zátěži, závisí na vnějším 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 na hloubce regulace výstupního napětí lineárně, pod úhlem a menším než 0 - až M = 1, při a = 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 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 nevýbušné, mají tichý provoz a jsou o něco dražší.
Kroková regulace má účinnost blízkou 1, až M »1.
- A) kontinuita regulace. Tyristory spínají proud v zátěži na síťové frekvenci (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 startovací 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;
- vyvinutý 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.
Zajímavým příkladem může být řídicí systém infračervené ohřívače, 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.
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 Sestavte elektrický obvod pro experiment.
2.5 Proveďte experiment k určení 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 Stručně 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).
Obrázek 2 ukazuje schematické elektrické schéma ovládání elektrické pece s dvoupolohovým ovládáním.
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 paralelní připojení ohřívače v sérii (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 prvky 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 všestrannost nejrozšířenější 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 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 – dolní 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 elektrické schéma připojení a získání povolení a zadání od vedoucího lekce k tepelnému zpracování výchozího materiálu žáci vloží výchozí materiál (díly) do nakládacího zařízení a zapnou pec. Při pokusu je nutné pečlivě sledovat odečty elektrických a teploměrných přístrojů (ampérmetr, voltmetr, wattmetr, sekundární termočlánkový přístroj) a v pravidelných intervalech zaznamenávat jejich odečty. 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 určeno odečtem měřiče a v případě, že není v obvodu, 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.