Автоматическое регулирование температурного режима в электрических печах

9 апреля 2012 в 10:00

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.

При разогреве печи вначале ее мощность будет постоянной и равной номинальной, поэтому ее температура будет расти до точки 1, когда она достигнет значения tзад + ∆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, -∆t1определяемых 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.

Выделяют три основных способа импульсного регулирования:

• импульсное регулирование при частоте коммутации - fк = 2fс (где fс - частота тока питающей сети) с изменением момента отпирания тиристора называется фазоимпульсным или фазовым (кривые 1),
• импульсное регулирование с повышенной частотой коммутации fк
• импульсное регулирование с пониженной частотой коммутации fк < 2fс (кривые 3).

Путем импульсного регулирования можно получить плавное регулирование мощности в широких пределах без дополнительных потерь, обеспечивая соответствие потребляемой печью и подводимой из сети мощностей.

Основные элементы схемы: БТ - блок тиристров, состоит из 6 тиристоров, включенных по два встречно-параллельно в каждую фазу печи, БУТ - блок управления тиристорами, вырабатывает сигнал на управляющие электроды тиристоров, ПТК - прибор теплоконтроля, принимает сигнал от датчика температуры, обрабатывает и выдает рассогласование в БУТ, ПЭ - потенциометрический элемент, имеет движок, перемещаемый ЭД с механической передачей, в зависимости от сигнала ДТ, ДТ - датчик температуры (термопара), ИСН - источник стабилизированного напряжения постоянного тока, КЛ - контактор линейный, ВА1, ВА2 - выключатели автоматические, для защиты цепей от коротких замыканий.