Автоматичне регулювання температурного режиму в електричних печах

В електронних печах опору в переважній більшості випадків застосовується простий вид регулювання температури - двопозиційне регулювання, при якому виконавчий елемент системи регулювання - контактор має тільки два останніх положення: «включено» і «вимкнено».

У включеному стані температура печі виростає, тому що її потужність завжди вибирається з запасом, і відповідна їй встановилася температура істотно перевершує її робочу температуру. У вимкненому стані температура печі знижується по експоненційної кривої.

Для ідеалізованого варіанту, коли в системі регулятор - піч відсутня динамічне запізнювання, робота двохпозиційного регулятора показана на рис. 1, на якому у верхній частині дана залежність температури печі від часу, а в нижній - відповідне зміна її потужності.

Мал. 1. Ідеалізована схема роботи двохпозиційного регулятора температури

При розігріві печі спочатку її потужність буде незмінною і рівної номінальної, тому її температура буде рости до точки 1, коли вона досягне значення tзад + Δt1. У цей момент регулятор спрацює, контактор відключить піч і її потужність впаде до нуля. Внаслідок цього температура печі почне зменшуватися по кривій 1-2 до того часу, поки не буде досягнута нижня межа зони нечутливості. У цей момент відбудеться нове включення печі, і її температура знову почне зростати.

Таким чином, процес регулювання температури печі по двохпозиційного принципом полягає в її зміні по пилкоподібної кривої близько даного значення в межах інтервалів + Δt1, -Δt1определяемих зоною нечутливості регулятора.

Середня потужність печі залежить від співвідношення інтервалів часу її включеного стану і вимкненого стану. У міру прогріву печі і завантаження крива нагріву печі буде йти крутіше, а крива охолодження печі - положе, тому ставлення періодів циклу буде зменшуватися, а як слід, буде падати і середня потужність Рср.

При двопозиційний регулювання середня потужність печі завжди приводиться у відповідність з потужністю, потрібної для підтримки постійної температури. Зона нечутливості сучасних терморегуляторів може бути виготовлена ​​дуже малою і доведена до 0,1-0,2 ° С. Але дійсні коливання температури печі можуть бути в багато разів більшими через динамічного запізнювання в системі регулятор - піч.

Головним джерелом цього запізнювання є інерція датчика - термопари, особливо якщо вона забезпечена 2-мя захисними чохлами, керамічним і металевим. Чим більше це запізнювання, тим більше коливання температури нагрівача перевершують зону нечутливості регулятора. Крім того, амплітуди цих коливань дуже сильно залежать від надлишку потужності печі. Чим більше потужність включення печі перевершує середню потужність, тим більше ці коливання.

Чутливість сучасних автоматичних потенціометрів дуже висока і може задовольнити будь-які вимоги. Інерція датчика, навпаки, велика. Так, стандартна термопара в фарфоровому наконечнику із захисним чохлом має запізнювання близько 20-60 с. Тому в тих випадках, коли коливання температури неприпустимі, як датчики використовують незахищені термоелементи з відкритим кінцем. Це, однак, не завжди може бути з огляду на ймовірних механічних пошкоджень датчика, також потрапляння в прилади через термоелемент струмів витоку, що викликають некоректну їх роботу.

Можна досягти зменшення запасу потужності, якщо піч не включати і вимикати, а перемикати з одного ступеня потужності на іншу, при цьому найвищий ступінь повинна бути тільки ненабагато більше споживаної піччю потужності, а нижча - ненабагато менше. В даному випадку криві нагріву печі і її охолодження будуть дуже пологими і температура практично не буде виходити за межі зони нечутливості приладу.

Для того щоб виконати таке перемикання з одного ступеня потужності на іншу, потрібно мати можливість плавно або ступенями регулювати потужність печі. Таке регулювання може бути здійснено наступними методами:

1) перемикання нагрівачів печі, наприклад, з «трикутника» на «зірку». Таке дуже грубе регулювання пов`язане з порушенням рівномірності температури і застосовується тільки в побутових електронагрівальних пристроях,

2) включення по черзі з піччю регульованого активного або реактивного опору. Цей метод пов`язаний з дуже великими енерговтратами або зниженням коефіцієнта потужності установки,

3) харчування печі через регулювальний трансформатор або автотрансформатор з перемиканням печі на різні ступені напруги. Тут регулювання також поетапне і порівняно грубе, тому що регулюється напругу живлення, а потужність печі пропорційна квадрату цієї напруги. Крім того, мають місце додаткові втрати (в трансформаторі) і зниження коефіцієнта потужності,

4) фазовий регулювання за допомогою напівпровідникових пристроїв. В даному випадку харчування печі здійснюється через тиристори, кут включення яких змінюється системою управління. Таким методом можна отримати плавне регулювання потужності печі в широких межах практично без додаткових втрат, використовуючи безперервні способи регулювання - пропорційний, інтегральний, пропорційно-інтегральний. Відповідно до цими способами для кожного моменту часу повинно проводитися відповідність поглинається піччю потужності і потужності, що виділяється в печі.

Найкрасивіший з усіх з усіх методів регулювання температурного режиму в електронних печах - імпульсне регулювання з впровадженням тиристорних регуляторів.

Процес імпульсного регулювання потужності печі представлений на рис. 2. Періодичність роботи тиристорів вибирають залежно від термічний інерційності електронної печі опору.

Мал. 2. Тиристорний імпульсний регулятор температури електронної печі опору

Виділяють три основних способи імпульсного регулювання:

- імпульсне регулювання при частоті комутації - fк = 2fс (де fс - частота струму мережі живлення) з конфігурацією моменту відмикання тиристора іменується фазоімпульсним або фазовим (криві 1),

- імпульсне регулювання з підвищеною частотою комутації fк

- імпульсне регулювання зі зниженою частотою комутації fк < 2fс (криві 3).

Методом імпульсного регулювання можна отримати плавне регулювання потужності в широких межах без додаткових втрат, забезпечуючи відповідність споживаної піччю і підводиться з мережі потужностей.

Мал. 3. Електронна схема безперервного регулятора температури

Головні елементи схеми: БТ - блок тірістров, складається з 6 тиристорів, включених по два зустрічно-паралельно в кожну фазу печі, БУТ - блок управління тиристорами, виробляє сигнал на керуючі електроди тиристорів, ПТК - прилад ТЕПЛОКОНТРОЛЬ, сприймає сигнал від датчика температури, обробляє і видає неузгодженість в БУТ, ПЕ - потенциометрический елемент, має движок, переміщуваний ЕД з механічною передачею, залежно від сигналу ДТ, ДТ - датчик температури (термопара), ІСН - джерело стабілізованої напруги незмінно го струму, КЛ - контактор лінійний, Ва1, Ва2 - вимикачі автоматичні, для захисту ланцюгів від коротких замикань.

Школа для електрика