Изучение режимов работы электрической печи сопротивления и электрической схемы управления. Электрооборудование печей нагрева сопротивлением Разновидности тиристоров отличаются между собой

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 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 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 линейно, 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 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

Существуют 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 электрических печей сопротивления колеблется от сотен ватт до нескольких мегаватт.

Печи мощностью более 20 кВт выполняются трехфазными при равномерном распределении нагрузки по фазам и подключаются к сетям 220, 380, 660 В непосредственно или через печные трансформаторы (или автотрансформаторы).

Применяемое в электрических печах сопротивления электрооборудование включает 3 группы: силовое электрооборудование, аппаратура управления и контрольно-измерительная (КИП).

К силовому электрооборудованию относятся

Силовые понижающие трансформаторы и регулировочные автотрансформаторы,

Силовые электроприводы вспомогательных механизмов,

Силовая коммутационная и защитная аппаратура.

К аппаратуре управления относятся комплектные станции управления с коммутационной аппаратурой. Переключатели, кнопки, реле, конечные выключатели, электромагнитные пускатели, реле применяются обычного исполнения.

К КИП относятся приборы (устройства) контроля, измерения и сигнализации. Обычно вынесены на щит. Каждая печь сопротивления должна быть обязстельно оборудована пирометрическими материалами. Для мелких неответственных печей это может быть термопара с указывающим прибором, в большинстве промышленных печей обязательно автоматическое регулирование температуры. Оно осуществляется с помощью приборов, регистрирующих температуру печи.

Большинство электрических печей сопротивления не нуждаются в силовых трансформаторах.

Регулировочные трансформаторы и автотрансформаторы применяют, когда печь выполнена с нагревательными элементами, меняющими свое сопротивление в зависимости от температуры (вольфрамовые, графитовые, молибденовые), для питания соляных ванн и установок прямого нагрева.

Все промышленные печи сопротивления работают в режиме автоматического регулирования температуры. Регулирование рабочей температуры в электрической печи сопротивления производится изменением подводимой мощности.

Регулирование подводимой к печи мощности может быть дискретным и непрерывным.

При дискретном регулировании возможны следующие способы:

Периодическое подключение и отключение электрической печи нагрева сопротивлением к сети (двухпозиционное регулирование);

Переключение нагревательных элементов печи со «звезды» на «треугольник», либо с последовательного соединения на параллельное (трехпозиционное регулирование).

Наибольшее распространение получило двухпозиционное регулирование, так как способ прост и позволяет автоматизировать процесс.

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. Конструктивно двухпозиционное управление может быть обеспечено либо посредством обычного контактора, либо тиристорного переключателя. Тиристорный переключатель содержит встречно-параллельно соединенные тиристоры, работающие с a=0.

При непрерывном регулировании происходит плавное регулирование напряжения на нагревателях. Такое регулирование может быть осуществлено с помощью любой разновидности силовых усилителей. На практике наиболее распространены тиристорные регуляторы напряжения. Тиристорные источники питания содержат встречно-параллельно соединенные тиристоры, снабженные СИФУ.

Тиристорные источники питания имеют высокий КПД (до 98%).

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.

Угол управления a, 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 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. Поэтому использование компенсирующих конденсаторов не позволяет сколько нибудь значительно повысить к М.

Имеются модификации тиристорных переключателей, вообще не использующих контакты.

Ступенчатое регулирование имеет КПД близкое к 1, к М »1.

А) непрерывность регулирования. Тиристоры коммутируют ток в нагрузке с частотой сети (50 раз в секунду), что позволяет поддерживать температуру с высокой точностью и быстро реагировать на изменение возмущающих воздействий;
Б) отсутствие механических контактов повышает надежность и уменьшает затраты на обслуживание и эксплуатацию;
В) возможность ограничения пусковых токов электронагревательных элементов. Для многих печей характерно низкое сопротивление нагревательных элементов в холодном состоянии, поэтому пусковые токи могут быть в 10 и более раз больше номинальных. Ограничить пусковые токи можно только с помощью фазоимпульсного управления тиристорами.

Разработанный ООО « Звезда-Электроника» тиристорный регулятор мощности является современным многофункциональным устройством. Его система управления построена на мощном цифровом сигнальном процессоре, непрерывно отслеживающем в реальном времени большое количество управляющих сигналов. Это обуславливает ряд преимуществ перед аналогичным оборудованием:

гибкое конфигурирование под любой вид нагрузки и технологического процесса;
наглядная индикация на жидко-кристаллическом дисплее;
развитый комплекс защит и автодиагностики неисправностей;
поддержка двух способов управления тиристорами - фазоимпульсного и числового;
режимы точной стабилизации или ограничения токов;
возможность реализации многозонного регулирования;
легкая интеграция в АСУ ТП.

Благодаря этому удалось разработать несколько готовых решений для автоматизации. Поскольку эти решения основаны на серийно выпускаемой продукции, приобретение и внедрение данного оборудования обойдется существенно дешевле разработки системы автоматизации по индивидуальному заказу.

Пример 1. Автоматизация электрической печи.

Для автоматического управления печью применен ПИД-регулятор ТРМ210-Щ1.ИР. К его универсальному входу подключен датчик температуры, чувствительный элемент которого размещен внутри электрической печи. ПИД-регулятор измеряет текущую температуру и воздействует на тиристорный регулятор аналоговым сигналом 4..20 мА. Таким образом, реализуется система управления с замкнутой петлей обратной связи по температуре. Релейный выход ПИД-регулятора может быть задействован для аварийной сигнализации.

Пример 2. Автоматизация сушильной камеры.

С помощью программного задатчика ТРМ151-Щ1.ИР.09 реализуется процесса сушки древесины. Прибор воздействует на управляющий вход тиристорного регулятора аналоговым сигналом 4..20 мА и, тем самым, регулирует мощность, а значит и температуру внутри камеры, при этом релейный выход периодически включает вентилятор, что способствует более равномерной сушке. Программный задатчик ТРМ151 позволяет осуществить процесс сушки по различным программам, составленным технологом, например, для разных видов древесины - ели, сосны, дуба и т.д.

Пример 3. Автоматизация системы многозонного обогрева.

Интересным примером может послужить система управления инфракрасными обогревателями, популярность которых растет с каждым годом. Для этого применен многоканальный ПИД-регулятор ТРМ148. Обогреватели соединены по схеме « звезда» с общим нулевым проводом, благодаря чему создаются три независимых контура регулирования. В каждой зоне установлен свой датчик - Д1, Д2, Д3 - снимая показания с которых ПИД-регулятор корректирует управляющие сигналы 4..20 мА для тиристорного регулятора, который регулирует мощность раздельно в каждом из нагревательных элементов.

Разумеется, этими примерами не ограничивается круг задач, которых можно решить с помощью тиристорного регулятора ТРМ. Возможно, например, автоматизация приточных вентиляционных камер, красильных камер, автоматическое управление электрокотлами отопления и горячего водоснабжения и многое другое.

1 Цель работы

1.1 Ознакомиться с устройством электрической печи сопротивления, электрическими нагревателями, режимом работы электропечи и электрической схемой управления.

2 Порядок выполнения работы

2.1 Записать технические (паспортные) данные электрической печи и электроизмерительных приборов.

2.2 Ознакомиться с устройством электрической печи сопротивления и назначением отдельных ее частей.

2.3 Ознакомиться с электрической схемой управления режимами работы электрической печи сопротивления.

2.4 Собрать электрическую схему для проведения опыта.

2.5 Провести опыт по определению энергетических показателей работы электрической печи сопротивления.

2.6 Составить отчет о проделанной работе.

3 Описание лабораторной установки

Лабораторная установка для ознакомления с устройством, принципом действия и назначением отдельных частей электрической печи сопротивления должна состоять из электрической печи сопротивления камерного типа модели ОКБ-194А или модели Н-15 с нихромовыми нагревателями, предназначенными для термической обработки металлов при индивидуальном и мелкосерийном производствах. Кроме того, должен быть исходный материал для термической обработки; для этого рекомендуется заготовить детали, требующие такой обработки. Должны быть известны основные параметры температурных режимов.

В электрическую печь закладываются термопары для контроля температуры. Установка должна иметь устройство для автоматического регулирования температуры и располагать набором измерительных приборов и регуляторов температуры нагрева исходного материала.

В помещении, где проводятся замятия, должны быть развешены плакаты с изображением электропечей различных типов и конструкций, электрических принципиальных схем управления электропечными установками электронагрева сопротивлением.

4 Краткие теоретические сведения

Электрические печи сопротивления, где электрическая энергия превращается в тепловую через жидкие или твердые тела, бывают прямого и косвенного действия. В печах прямого действия нагреваемое тело непосредственно включается в сеть (рис.1) и нагревается протекающим через него током.

Рисунок 1 - Принципиальная схема установки прямого нагрева металлической заготовки: 1 – нагреваемая заготовка; 2 - трансформатор

В печах косвенного действия тепло выделяется в специальных нагревательных элементах и передается нагреваемому телу лучеиспусканием, теплопроводностью или конвекцией. Печи сопротивления и аппараты прямого нагрева применяются для нагрева цилиндрических изделий (прутков, труб), а косвенного нагрева для термической обработки изделий и материалов, а также для нагрева заготовок под ковку и штамповку.

Нагрев исходного материала в электрических печах сопротивления, как правило, производится до определенной (заданной) температуры. После периода нагрева следует период выдержки, необходимый для выравнивания температуры. Измерение температуры нагрева и контроль за ходом технологического процесса нагрева может производиться визуально и автоматически при помощи автоматических регуляторов по двухпозиционному методу (периодическое включение и отключение печи).

На рис.2 приведена принципиальная электрическая схема управления электрической печью при двухпозиционном регулировании.

Рисунок 2 - Принципиальная электрическая схема печи при двухпозиционном управлении

Схема предусматривает ручное и автоматическое управление. Если переключатель П поставить в положение 1 , то схема будет настроена на ручное управление, а положение 2 переключателя переводит схему на автоматическое управление. Включение и отключение нагревательных элементов НЭ производится терморегулятором TP , контакты которого в зависимости от температуры в печи замыкают или размыкают цепь катушки контактора Л непосредственно или через промежуточное реле РП . Регулирование температуры нагрева может осуществляться изменением мощности печи – переключением нагревателей с треугольника на звезду (рис. 3, а), при этом мощность печи уменьшается в три раза, а для однофазных печей переключением с параллельного соединения нагревателей на последовательное (рис. 3, б).

Рисунок 3 - Электрическая схема переключения нагревателей печи: а – с треугольника на звезду; б – с параллельного на последовательное

В электрических печах сопротивления в качестве нагревательных элементов применяются материалы с большим удельным сопротивлением. Эти материалы не должны окисляться, а образовавшиеся на поверхности окислы не должны лопаться и отскакивать при колебаниях температуры.

Наибольшее распространение при нагревании исходных материалов получили камерные печи благодаря их универсальности, они выполняются в виде прямоугольной камеры с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, перекрытые подом и заключенные в металлический кожух. Печи серии Н выполняются с ленточными или проволочными нагревателями, уложенными на керамические полочки. Печи типа ОКБ-194 (рис. 4 и рис. 5) изготовляются двухкамерными, верхняя камера оборудована карборундовыми нагревателями, а нижняя- нихромовыми.

Рисунок 4 - Камерная электропечь типа ОКБ-194: 1 – механизм подъема дверцы верхней камеры; 2 – ролики дверцы нижней камеры; 3 – теплоизоляция; 4 – верхняя камера; 5 – нижняя камера; 6 – подовая плита

Методические указания

Технические (паспортные) данные электрической печи, аппаратуры управления, контроля и электроизмерительных приборов записываются по табличным данным оборудования. В дальнейшем эти сведения должны быть отражены в отчете по работе. Технические данные оборудования являются их номинальными параметрами, поэтому во время работы необходимо придерживаться указанных в паспортах значений тока, напряжений, мощностей и других величин.

При ознакомлении с электрической печью сопротивления следует обратить внимание на ее конструкцию и устройство нагревательных элементов и их расположение в печи. Рекомендуется измерить сопротивление нагревательных элементов с помощью тестера. Снять эскиз загрузочного устройства, обратить внимание на его привод. Выяснить, какие температурные режимы должны соблюдаться при термической обработке исходного материала (деталей) во время проведения опыта. Уточнить, какими приборами будет измеряться температура нагрева, где будут устанавливаться термопары. Электрическая схема соединений электропечи и измерительных приборов для проведения опыта приведена на рис. 5.

Учащиеся должны подобрать электроизмерительные приборы, аппаратуру управления, выполнить необходимые соединения и, перед тем как включить схему в работу, дать руководителю занятия для проверки.

Рисунок 5 - Принципиальная электрическая схема печи типа ОКБ-194: а – электрическая схема; б – диаграмма работы универсального переключателя УП

После проверки электрической схемы соединений и получения разрешения и задания от руководителя занятия на термическую обработку исходного материала учащиеся закладывают в загрузочное устройство исходный материал (детали) и включают печь работу. Во время проведения опыта надо внимательно наблюдать за показаниями электроизмерительных и теплоизмерительных приборов (амперметром, вольтметром, ваттметром, вторичным прибором термопары) и фиксировать их показания через равные промежутки времени. Данные наблюдений и последующих расчетов занести в таблицу 1. При достижении предельной температуры (согласно заданию) и наличии регулятора будет осуществлено регулирование температуры. Необходимо проследить, как работает регулятор, и заметить время перерыва подачи электроэнергии. По окончании опыта определить расход электроэнергии и коэффициент мощности установки.

Потребление А электрической энергии определяется по показанию счетчика, а в том случае, когда он в схеме отсутствует, можно воспользоваться величинами мощности Р (по показанию ваттметра) и продолжительности t работы:

А = Pt. (1)

Коэффициент мощности установки:

cosφ = Р/( UI). (2)

Таблица 1 – Данные опытов

Отчет по работе составляется по форме, указанной в приложении 1. В отчете необходимо привести паспортные данные машины аппаратов и измерительных приборов, кратко описать конструкцию электрической печи сопротивления, режим термообработки исходного материала, привести эскиз загрузочного устройства, расположения электронагревательных элементов, электрическую схему соединений приборов и аппаратов, которая использовалась при проведении опыта. Записать результаты наблюдений и расчетов. Описать способы регулирования температурных режимов в процессе термообработки. Ответить на контрольные вопросы.