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).

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.

Угол управления a, а следовательно, и эффективное напряжение на нагрузке зависит от внешнего напряжения, подаваемого на источник. Важно заметить, что 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 линœейно, при угле a меньше 0 – к М =1, при a = 180° к М = 0. Коэффициент мощности определяется не только сдвигом фаз напряжения и первой гармоники тока, но и величиной высших гармоник тока. По этой причине использование компенсирующих конденсаторов не позволяет сколько нибудь значительно повысить к М.

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

Существуют также трехфазные переключатели. В них используют два блока из встречно-параллельно соединœенных тиристоров. Силовые цепи таких переключателœей построены по следующей схеме:

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.

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.

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