Estudio de los modos de funcionamiento de un horno de resistencia eléctrica y del circuito eléctrico de control. Equipos eléctricos de hornos de calentamiento por resistencia. Los tipos de tiristores se diferencian entre sí.
Control de potencia del horno de resistencia.
Hay dos enfoques fundamentalmente diferentes para el control de potencia:
1) Control continuo, en el que se puede introducir en el horno cualquier potencia necesaria.
2) Control por pasos, en el que sólo se pueden introducir en el horno una serie discreta de potencias.
El primero requiere una regulación suave del voltaje en los calentadores. Dicha regulación se puede realizar utilizando cualquier tipo de amplificador de potencia (generador, rectificador de tiristores, EMU). En la práctica, las más comunes son las fuentes de alimentación de tiristores construidas según el circuito TRN. Dichos reguladores se basan en las propiedades de un tiristor conectado al circuito. corriente alterna en serie con la resistencia activa del calentador. Las fuentes de alimentación de tiristores contienen tiristores conectados espalda con espalda equipados con SIFU.
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En el segundo método, se cambia el voltaje en el calentador realizando un interruptor en los circuitos de alimentación del horno. Por lo general, hay 2-3 etapas de posible voltaje y potencia del calentador. El método de control de pasos de dos posiciones más común. Según este método, el horno se conecta a la red a su potencia nominal o se desconecta completamente de la red. El valor requerido de la potencia promedio de entrada al horno se obtiene cambiando la relación entre el tiempo de encendido y apagado.
La temperatura media en el horno corresponde a la potencia media aportada al horno. Los cambios repentinos en la potencia instantánea dan como resultado fluctuaciones de temperatura alrededor del nivel promedio. La magnitud de estas oscilaciones está determinada por la magnitud de las desviaciones de P MGNOV del valor promedio y la magnitud de la inercia térmica del horno. En la mayoría de los hornos industriales generales, la inercia térmica es tan grande que las fluctuaciones de temperatura debidas al control de pasos no exceden la precisión requerida para el mantenimiento de la temperatura. Estructuralmente, el control de encendido y apagado se puede proporcionar a través de un contactor convencional o un interruptor de tiristor. El interruptor de tiristor contiene dos
También hay interruptores trifásicos. Utilizan dos bloques de tiristores consecutivos conectados en paralelo. Los circuitos de alimentación de dichos interruptores se construyen de acuerdo con el siguiente diagrama:Hay modificaciones de interruptores de tiristores que no utilizan ningún contacto.
Los interruptores de tiristores son más fiables que los contactores, son a prueba de chispas y explosiones, de funcionamiento silencioso y un poco más caros.
El control por pasos tiene una eficiencia cercana a 1, a M»1.
La potencia de los hornos de resistencia eléctrica modernos varía desde cientos de vatios hasta varios megavatios.
Los hornos con una potencia superior a 20 kW se fabrican trifásicos con una distribución uniforme de la carga entre las fases y se conectan a redes de 220, 380, 660 V directamente o mediante transformadores (o autotransformadores) del horno.
Los equipos eléctricos utilizados en los hornos de resistencia eléctrica incluyen 3 grupos: equipos eléctricos de potencia, equipos de control e instrumentación.
El equipo eléctrico de potencia incluye
Transformadores reductores de potencia y autotransformadores de regulación,
Accionamientos eléctricos de potencia de mecanismos auxiliares.
Equipos de protección y conmutación de energía.
El equipo de control incluye estaciones de control completas con equipo de conmutación. En el diseño habitual se utilizan interruptores, botones, relés, interruptores de límite, arrancadores electromagnéticos y relés.
La instrumentación incluye instrumentos (dispositivos) de control, medición y señalización. Generalmente se muestra en un escudo. Cada horno de resistencia deberá estar equipado con materiales pirométricos. Para hornos pequeños no críticos, puede ser un termopar con un dispositivo indicador; en la mayoría de los hornos industriales, el control automático de la temperatura es obligatorio. Esto se lleva a cabo mediante instrumentos que registran la temperatura del horno.
La mayoría de los hornos de resistencia eléctrica no requieren transformadores de potencia.
Los transformadores de regulación y los autotransformadores se utilizan cuando el horno está fabricado con elementos calefactores que cambian su resistencia en función de la temperatura (tungsteno, grafito, molibdeno), para alimentar baños de sal e instalaciones de calentamiento directo.
Todos los hornos de resistencia industriales funcionan en modo de control automático de temperatura. Regulación Temperatura de funcionamiento V horno eléctrico La resistencia se produce cambiando la potencia suministrada.
La regulación de la potencia suministrada al horno puede ser discreto y continuo.
En discreto Son posibles los siguientes métodos de regulación:
Conexión y desconexión periódica de un horno de calentamiento por resistencia eléctrica a la red (regulación on-off);
Cambio de los elementos calefactores del horno de “estrella” a “triángulo”, o de conexión en serie a paralelo (control de tres posiciones).
El control de dos posiciones es el más extendido, ya que el método es sencillo y permite automatizar el proceso.
Según este método, el horno se conecta a la red a su potencia nominal o se desconecta completamente de la red. El valor requerido de la potencia promedio de entrada al horno se obtiene cambiando la relación entre el tiempo de encendido y apagado.
La temperatura media en el horno corresponde a la potencia media aportada al horno. Los cambios repentinos en la potencia instantánea dan como resultado fluctuaciones de temperatura alrededor del nivel promedio. Estructuralmente, el control de encendido y apagado se puede proporcionar a través de un contactor convencional o un interruptor de tiristor. El interruptor de tiristores contiene tiristores consecutivos que funcionan con a=0.
En continuo La regulación regula suavemente el voltaje en los calentadores. Esta regulación se puede realizar utilizando cualquier tipo de amplificador de potencia. En la práctica, los reguladores de voltaje de tiristores son los más comunes. Las fuentes de alimentación de tiristores contienen tiristores conectados en paralelo y equipados con SIFU.
Las fuentes de alimentación de tiristores tienen una alta eficiencia (hasta 98%).
Hay dos enfoques fundamentalmente diferentes para el control de potencia:
1) Control continuo, en el que se puede introducir en el horno cualquier potencia necesaria.
2) Control por pasos, en el que sólo se pueden introducir en el horno una serie discreta de potencias.
El primero requiere una regulación suave del voltaje en los calentadores. Dicha regulación se puede realizar mediante cualquier tipo de amplificador de potencia (generador, rectificador de tiristores, EMU). En la práctica, las más comunes son las fuentes de alimentación de tiristores construidas según el circuito TRN. Dichos reguladores se basan en las propiedades de un tiristor conectado en un circuito de corriente alterna en serie con la resistencia activa del calentador. Las fuentes de alimentación de tiristores contienen tiristores conectados en paralelo y equipados con SIFU.
El ángulo de control a, y por lo tanto el voltaje efectivo a través de la carga, depende del voltaje externo aplicado a la fuente. Para reducir el efecto de apagar el voltaje de suministro en las condiciones térmicas del horno, las fuentes de alimentación de tiristores generalmente proporcionan retroalimentación negativa sobre el voltaje de salida. Las fuentes de alimentación de tiristores tienen una alta eficiencia (hasta 98%). El factor de potencia depende linealmente de la profundidad de la regulación de la tensión de salida, en un ángulo a menor que 0 - a M = 1, en a = 180° a M = 0. El factor de potencia está determinado no sólo por el cambio de fase de la tensión y el primer armónico de la corriente, sino también por el valor de los armónicos superiores de la corriente. Por tanto, el uso de condensadores de compensación no permite ningún aumento significativo de M.
En el segundo método, se cambia el voltaje en el calentador realizando un interruptor en los circuitos de alimentación del horno. Por lo general, hay 2-3 etapas de posible voltaje y potencia del calentador. El método de control de pasos de dos posiciones más común. Según este método, el horno se conecta a la red a su potencia nominal o se desconecta completamente de la red. El valor requerido de la potencia promedio de entrada al horno se obtiene cambiando la relación entre el tiempo de encendido y apagado.
La temperatura media en el horno corresponde a la potencia media aportada al horno. Los cambios repentinos en la potencia instantánea dan como resultado fluctuaciones de temperatura alrededor del nivel promedio. La magnitud de estas oscilaciones está determinada por la magnitud de las desviaciones de P MGNOV del valor promedio y la magnitud de la inercia térmica del horno. En la mayoría de los hornos industriales generales, la magnitud de la inercia térmica es tan grande que las fluctuaciones de temperatura debidas al control de pasos no exceden la precisión requerida para el mantenimiento de la temperatura. Estructuralmente, el control de encendido y apagado se puede proporcionar a través de un contactor convencional o un interruptor de tiristor. El interruptor de tiristor contiene dos
También hay interruptores trifásicos. Utilizan dos bloques de tiristores consecutivos conectados en paralelo. Los circuitos de alimentación de dichos interruptores se construyen de acuerdo con el siguiente diagrama:
Hay modificaciones de interruptores de tiristores que no utilizan ningún contacto.
Los interruptores de tiristores son más fiables que los contactores, son a prueba de chispas y explosiones, de funcionamiento silencioso y un poco más caros.
El control por pasos tiene una eficiencia cercana a 1, a M»1.
- A) continuidad de la regulación. Los tiristores conmutan la corriente en la carga a la frecuencia de la red (50 veces por segundo), lo que le permite mantener la temperatura con alta precisión y responder rápidamente a cambios en influencias perturbadoras;
- B) la ausencia de contactos mecánicos aumenta la confiabilidad y reduce los costos de mantenimiento y operación;
- C) la posibilidad de limitar las corrientes de arranque de los elementos calefactores eléctricos. Muchos hornos se caracterizan por la baja resistencia de los elementos calefactores en estado frío, por lo que las corrientes de arranque pueden ser 10 o más veces mayores que la corriente nominal. Las corrientes de irrupción sólo se pueden limitar mediante el control de tiristores por impulsos de fase.
R El regulador de potencia de tiristores desarrollado por Zvezda-Electronics LLC es un dispositivo multifuncional moderno. Su sistema de control está construido sobre un potente procesador de señal digital que monitorea continuamente en tiempo real. un gran número de señales de control. Esto proporciona una serie de ventajas sobre equipos similares:
- Configuración flexible para cualquier tipo de carga y proceso tecnológico;
- indicación clara en la pantalla de cristal líquido;
- un complejo desarrollado de protección y autodiagnóstico de averías;
- soporte para dos métodos de control de tiristores: fase-pulso y numérico;
- modos de estabilización precisa o limitación de corriente;
- posibilidad de implementar regulación multizona;
- Fácil integración en sistemas automatizados de control de procesos.
Gracias a esto, fue posible desarrollar varios soluciones listas para usar para la automatización. Dado que estas soluciones se basan en productos producidos en masa, comprar e implementar este equipo costará significativamente menos que desarrollar un sistema de automatización hecho a medida.
Ejemplo 1. Automatización de un horno eléctrico.
Para el control automático del horno se utiliza el controlador PID TRM210-Shch1.IR. A su entrada universal se conecta un sensor de temperatura, cuyo elemento sensible se encuentra dentro del horno eléctrico. El controlador PID mide la temperatura actual y actúa sobre el controlador de tiristores con una señal analógica de 4..20 mA. De este modo, se implementa un sistema de control con un circuito cerrado de retroalimentación de temperatura. La salida de relé del controlador PID se puede utilizar para señalización de alarmas.
Ejemplo 2. Automatización de la cámara de secado.
Utilizando el controlador de software TRM151-Shch1.IR.09 se implementa el proceso de secado de la madera. El dispositivo actúa sobre la entrada de control del regulador de tiristores con una señal analógica de 4..20 mA y, de este modo, regula la potencia y, por tanto, la temperatura dentro de la cámara, mientras que la salida del relé enciende periódicamente el ventilador, lo que contribuye a secado más uniforme. El controlador de software TRM151 le permite realizar el proceso de secado de acuerdo con varios programas compilados por el tecnólogo, por ejemplo, para diferentes tipos madera: abeto, pino, roble, etc.
Ejemplo 3. Automatización de un sistema de calefacción multizona.
Un ejemplo interesante sería un sistema de control. calentadores infrarrojos, cuya popularidad crece cada año. Para ello se utiliza un controlador PID multicanal TRM148. Los calentadores están conectados en configuración de estrella con un cable neutro común, creando así tres bucles de control independientes. Cada zona tiene su propio sensor (D1, D2, D3) que toma lecturas a partir de las cuales el controlador PID ajusta las señales de control de 4..20 mA para el controlador de tiristores, que regula la potencia por separado en cada uno de los elementos calefactores.
Por supuesto, estos ejemplos no limitan la variedad de problemas que se pueden resolver utilizando el regulador de tiristores TRM. Es posible, por ejemplo, automatizar cámaras de ventilación de suministro, cámaras de teñido, Control automático calefacción eléctrica y calderas de agua caliente y mucho más.
1 Propósito del trabajo
1.1 Familiarícese con la estructura del horno de resistencia eléctrica, calentadores eléctricos, modo de funcionamiento del horno eléctrico y circuito de control eléctrico.
2 orden de trabajo
2.1 Anote los datos técnicos (pasaporte) del horno eléctrico y los datos eléctricos. instrumentos de medición.
2.2 Familiarícese con la estructura de un horno de resistencia eléctrica y el propósito de sus partes individuales.
2.3 Familiarícese con el circuito eléctrico para controlar los modos de funcionamiento de un horno de resistencia eléctrica.
2.4 Armar un circuito eléctrico para el experimento.
2.5 Realizar un experimento para determinar los indicadores de desempeño energético de un horno de resistencia eléctrica.
2.6 Elaborar un informe sobre el trabajo realizado.
3 Descripción de la configuración del laboratorio
Una instalación de laboratorio para familiarizarse con la estructura, el principio de funcionamiento y el propósito de las partes individuales de un horno de resistencia eléctrica debe consistir en un horno de resistencia eléctrica de cámara, modelo OKB-194A o modelo N-15, con calentadores de nicromo destinados al tratamiento térmico. de metales en producción individual y en pequeña escala. Además, debe existir un material de partida para el tratamiento térmico; Para ello, se recomienda preparar piezas que requieran dicho procesamiento. Se deben conocer los parámetros básicos de las condiciones de temperatura.
Se instalan termopares en un horno eléctrico para controlar la temperatura. La instalación deberá disponer de un dispositivo de control automático de temperatura y disponer de un conjunto de instrumentos de medida y reguladores de temperatura para el calentamiento del material fuente.
En la sala donde se realizan las mermeladas se deben colgar carteles con imágenes de hornos eléctricos. varios tipos y diseños, esquemas de circuitos eléctricos para el control de instalaciones de calefacción por resistencia eléctrica de hornos eléctricos.
4 Breve informacion teorica
Hornos de resistencia eléctrica, donde la energía eléctrica se convierte en calor a través de líquido o sólidos, hay acciones directas e indirectas. EN hornos directos En esta acción, el cuerpo calentado se conecta directamente a la red (Fig. 1) y se calienta mediante la corriente que fluye a través de él.
Foto 1 - Diagrama esquemático instalaciones para calentamiento directo de una pieza de metal: 1 – pieza de trabajo calentada; 2 - transformador
EN hornos indirectos En esta acción, el calor se libera en elementos calefactores especiales y se transfiere al cuerpo calentado mediante radiación, conductividad térmica o convección. Los hornos de resistencia y los dispositivos de calentamiento directo se utilizan para calentar productos cilíndricos (barras, tubos) y calentamiento indirecto para el tratamiento térmico de productos y materiales, así como para calentar piezas de trabajo para forja y estampado.
El material de partida se calienta en hornos de resistencia eléctrica, por regla general, hasta una temperatura determinada (establecida). Después del período de calentamiento, es necesario un período de mantenimiento para igualar la temperatura. La medición de la temperatura de calentamiento y el seguimiento del progreso del proceso de calentamiento se pueden realizar de forma visual y automática mediante controladores automáticos que utilizan el método de dos posiciones (encendiendo y apagando periódicamente el horno).
La Figura 2 muestra un diagrama de circuito para controlar un horno eléctrico con control de dos posiciones.
Figura 2 - Diagrama esquemático del horno con control on-off
El esquema prevé control manual y automático. Si el interruptor PAG poner en posición 1 , entonces el circuito se configurará para control manual y la posición 2 El interruptor cambia el circuito al control automático. Encendido y apagado de elementos calefactores nordeste producido por un termostato TP, cuyos contactos, dependiendo de la temperatura en el horno, cierran o abren el circuito de la bobina del contactor l directamente o mediante relé intermedio PR. La temperatura de calentamiento se puede regular cambiando la potencia del horno: cambiando los calentadores de triángulo a estrella (Fig.3, a), mientras que la potencia del horno se reduce tres veces, y para hornos monofásicos cambiando de coneccion paralela calentadores en serie (Fig. 3, b).
Figura 3 - Circuito eléctrico para cambiar los calentadores del horno: a – de triángulo a estrella; b – de paralelo a serie
En los hornos de resistencia eléctrica se utilizan materiales con alta resistividad como elementos calefactores. Estos materiales no deben oxidarse y los óxidos formados en la superficie no deben explotar ni rebotar con las fluctuaciones de temperatura.
Los hornos de cámara son los más utilizados para calentar materias primas debido a su versatilidad; se fabrican en forma de cámara rectangular con revestimiento refractario y aislamiento térmico, recubierta con un fondo y encerrada en una carcasa metálica. Los hornos de la serie H se fabrican con calentadores de cinta o alambre colocados sobre estantes de cerámica. Los hornos del tipo OKB-194 (Fig. 4 y Fig. 5) están hechos con dos cámaras, la cámara superior está equipada con calentadores de carborundo y la cámara inferior con calentadores de nicromo.
Figura 4 - Horno eléctrico de cámara tipo OKB-194: 1 – mecanismo para levantar la puerta de la cámara superior; 2 – rodillos de la puerta de la cámara inferior; 3 – aislamiento térmico; 4 – cámara superior; 5 – cámara inferior; 6 – placa de hogar
Los datos técnicos (certificados) del horno eléctrico, el equipo de control y monitoreo y los instrumentos de medición eléctricos se registran de acuerdo con los datos tabulares del equipo. En el futuro, esta información debería reflejarse en el informe de trabajo. Los datos técnicos del equipo son sus parámetros nominales, por lo que durante el funcionamiento es necesario respetar los valores de corriente, voltaje, potencia y otros valores indicados en los pasaportes.
Al familiarizarse con un horno de resistencia eléctrica, debe prestar atención a su diseño y disposición de los elementos calefactores y su ubicación en el horno. Se recomienda medir la resistencia de los elementos calefactores con un probador. Tome un boceto del dispositivo de arranque, preste atención a su unidad. Descubra qué condiciones de temperatura se deben observar durante el tratamiento térmico del material de partida (piezas) durante el experimento. Determine qué instrumentos medirán la temperatura de calentamiento y dónde se instalarán los termopares. El diagrama eléctrico de las conexiones del horno eléctrico y los instrumentos de medición para realizar el experimento se muestra en la Fig. 5.
Los estudiantes deben seleccionar instrumentos de medición eléctricos, controlar equipos, realizar las conexiones necesarias y, antes de poner el circuito en funcionamiento, entregarlo al director de la lección para su verificación.
Figura 5 - Diagrama eléctrico esquemático del horno tipo OKB-194: a – diagrama eléctrico; b – diagrama de funcionamiento del interruptor universal UP
Después de revisar diagrama eléctrico conexiones y obteniendo el permiso y las asignaciones del líder de la lección para el tratamiento térmico del material de partida, los estudiantes colocan el material de partida (piezas) en el dispositivo de carga y encienden el horno. Durante el experimento, es necesario observar cuidadosamente las lecturas de los instrumentos de medición eléctrica y térmica (amperímetro, voltímetro, vatímetro, dispositivo termopar secundario) y registrar sus lecturas a intervalos regulares. Los datos de las observaciones y cálculos posteriores deben ingresarse en la Tabla 1. Cuando se alcanza la temperatura límite (según la especificación) y hay un regulador, se regulará la temperatura. Es necesario controlar cómo funciona el regulador y anotar el momento en que se interrumpe el suministro de energía. Al final del experimento, determine el consumo eléctrico y el factor de potencia de la instalación.
Consumo A energía eléctrica está determinado por la lectura del medidor, y en el caso de que no esté en el circuito, puede usar los valores de potencia R(según lectura del vatímetro) y duración t obras:
A = pto.(1)
Factor de potencia de instalación:
cosφ = Р/( interfaz de usuario).(2)
Tabla 1 - Datos experimentales
El informe de trabajo se redacta en el formulario especificado en el Apéndice 1. El informe debe contener los datos del pasaporte de la máquina, aparatos e instrumentos de medición, describir brevemente el diseño del horno de resistencia eléctrica, el modo de tratamiento térmico del material de origen. , proporcione un boceto del dispositivo de carga, la ubicación de los elementos calefactores eléctricos, el diagrama eléctrico de las conexiones de los dispositivos y aparatos que se utilizaron durante el experimento. Registre los resultados de las observaciones y cálculos. Describir los métodos de regulación. condiciones de temperatura durante el tratamiento térmico. Responder preguntas de seguridad.