Schéma tyristorového riadenia odporových pecí. Regulácia výkonu odporových pecí. Jeho činnosť predpokladá prítomnosť dvoch stabilných fáz
Yarov V. M.
Napájacie zdroje pre elektrické odporové pece
Návod
Publikované rozhodnutím Redakčnej a vydavateľskej rady Čuvash štátna univerzita oni, I. I. Ulyanova
Čuvašská štátna univerzita
1982
Učebnica je určená pre študentov odboru "Elektrotermické inštalácie" vykonávajúcich ročníková práca na predmete "Automatické riadenie elektrotepelných inštalácií" a diplomový projekt s hĺbkovým štúdiom zdrojov energie pre elektrické odporové pece.
Príručka analyzuje vlastnosti činnosti tyristorových regulátorov striedavého napätia pri práci s inou záťažou. Je popísaný princíp činnosti magnetických zosilňovačov a parametrických zdrojov prúdu. Je uvedený popis konkrétnych riadiacich obvodov napájania.
Rep. redaktor: dr. tech. vedy; Profesor Yu.M. MIRONOV.
Úvod
Kapitola I. Zásady regulácie výkonu elektrických odporových pecí
1.1. Charakteristika elektrickej odporovej pece ako napájacej záťaže
1.2. Spôsoby regulácie výkonu elektrickej odporovej pece
1.2.1. Regulácia napájacieho napätia
1.2.2. Spínanie ohrievačov rúry
1.23. Regulácia výkonu pece zmenou tvaru krivky prúdu
Kapitola 2
2.1. Pracujte pri aktívnom zaťažení
2.2. Činnosť magnetického zosilňovača pre aktívno-indukčnú záťaž striedavý prúd
Kapitola 3
3.1. Princíp fungovania
3.2. Spôsoby regulácie záťažového prúdu
Kapitola 4
4.1. Princíp činnosti regulátora
4.2. Aktívny regulátor zaťaženia
4.3. Analýza s aktívnym indukčným zaťažením
4.4. Zdroj fázových impulzov so záťažou transformátora
4.5. Trojfázové regulátory striedavého napätia
4.6. Riadiace systémy pre jednofázové napájacie zdroje s fázovým impulzom
4.6.1. Funkčné schémy riadiacich systémov
4.6.2. Viackanálové riadiace systémy
4.6.3. Jednokanálové riadiace systémy
4.7 Systém riadenia trojfázového napájania
Kapitola 5
5.1. Elektrický režim zdroj s aktívnou záťažou
5.2. Procesy v transformátore pri periodickom zapínaní
5.3. Spôsoby zapnutia záťaže transformátora bez magnetizačných prúdových rázov
5.4. Vlastnosti zapnutia trojfázového transformátora
5.5. Riadiace systémy spínacích regulátorov
5.5.1. Požiadavky na riadiace systémy
5.5.2. Riadiace systémy pre jednofázové spínacie regulátory
5.5.3. Riadiaci systém pulznej šírky so záťažou transformátora
5.5.4. Riadiaci systém trojfázového regulátora
Kapitola 6
6.1. Porovnanie metód regulácie striedavého napätia
6.2. Skupinová prevádzka regulátorov ako spôsob zlepšenia energetickej hospodárnosti
6.3. Optimalizácia metód riadenia pre pulzne-šírkové regulátory pri skupinovej záťaži
6.4. Riadiaci systém pre skupinu pulzno-šírkových regulátorov s rovnomerným intervalovým zaradením
6.5. Zvýšenie koeficientu, výkonu v jednom regulátore striedavého napätia
Úvod
Aby sa teplota v peci udržala konštantná alebo sa menila podľa daného zákona, je potrebné mať možnosť meniť jej výkon v širokom rozsahu. Požiadavky na presnosť regulácie sa v závislosti od technologického procesu vykonávaného v peci značne líšia. Napríklad pri tavení kovov a zahrievaní na plastickú deformáciu sú nízke - prípustné sú teplotné výkyvy ± 25-50 ° C; pri tepelnom spracovaní sa tieto požiadavky sprísňujú, dosahujú až ±10-±5°C. Takúto kvalitu regulácie je možné zabezpečiť dvoj- a trojpolohovou reguláciou.
Technologický postup výroby polovodičových súčiastok, monokryštálov rôzne materiály, tepelné spracovanie skla atď. kladie prísne požiadavky na kvalitu kontroly teploty. Zabezpečenie tak vysokých požiadaviek (±0,5-±3°С) na úrovni 1000-1500°С je možné len s použitím riadených bezkontaktných zdrojov na báze magnetických alebo tyristorových zosilňovačov.
Rôznorodosť technologických postupov určuje rozmanitosť zdrojov potravy. Magnetické zosilňovače boli prakticky nahradené tranzistorovými zosilňovačmi, pretože tieto majú vyššiu účinnosť, lepšie dynamické vlastnosti a ukazovatele hmotnosti a veľkosti.
V kontaktných vykurovacích zariadeniach sa používajú parametrické zdroje prúdu, ktorých princíp činnosti je založený na fenoméne rezonancie v trojfázovej sieti.
Výkon v súčasnosti používaných tyristorových zdrojov sa pohybuje od stoviek wattov až po stovky kilowattov. Príručka porovnáva spôsoby ovládania tyristorov, hodnotí oblasti ich použitia.
Cheboksary, vydavateľstvo ChuvGU, 1982
Existujú 2 zásadne odlišné prístupy k regulácii výkonu:
1) Nepretržité riadenie, pri ktorom je možné do pece zaviesť akýkoľvek požadovaný výkon.
2) Kroková regulácia, pri ktorej je možné do pece zaviesť iba diskrétny rozsah výkonov.
Prvý vyžaduje plynulú reguláciu napätia na ohrievačoch. Takáto regulácia môže byť vykonaná pomocou akéhokoľvek druhu výkonových zosilňovačov (generátor, tyristorový usmerňovač, EMU). V praxi sú najbežnejšie tyristorové napájacie zdroje postavené podľa schémy TRN. Takéto regulátory sú založené na vlastnostiach tyristora zapojeného do obvodu striedavého prúdu v sérii s aktívnym odporom ohrievača. Tyristorové zdroje obsahujú antiparalelne zapojené tyristory vybavené SIFU.
Riadiaci uhol a, a teda aj efektívne napätie na záťaži, závisí od externého napätia aplikovaného na zdroj. Aby sa znížil vplyv výpadku prúdu na tepelný režim pece, tyristorové napájacie zdroje zvyčajne poskytujú negatívnu spätnú väzbu na výstupné napätie. Tyristorové napájacie zdroje majú vysokú účinnosť (až 98%). Účiník závisí od hĺbky regulácie výstupného napätia lineárne, pod uhlom a menším ako 0 - až M = 1, pri a = 180° až M = 0. Účiník je určený nielen fázovým posunom napätia a prvej harmonickej prúdu, ale aj o veľkosť vyšších harmonických prúdu . Preto použitie kompenzačných kondenzátorov neumožňuje žiadne výrazné zvýšenie M.
Pri druhom spôsobe sa napätie na ohrievači mení zapínaním napájacích obvodov pece. Zvyčajne existujú 2-3 kroky možného napätia a výkonu ohrievača. Najbežnejší dvojpolohový spôsob krokového riadenia. Podľa tejto metódy je pec buď pripojená k sieti pri svojom menovitom výkone, alebo úplne odpojená od siete. Požadovaná hodnota priemerného výkonu zavedeného do pece je zabezpečená zmenou pomeru časov zapnutia a vypnutia.
Priemerná teplota v peci zodpovedá priemernému výkonu zavedenému do pece. Náhle zmeny okamžitého výkonu vedú k teplotným výkyvom okolo priemernej úrovne. Veľkosť týchto výkyvov je určená veľkosťou odchýlok R MGNOV od priemernej hodnoty a veľkosťou tepelnej zotrvačnosti pece. Vo väčšine všeobecných priemyselných pecí je tepelná zotrvačnosť taká veľká, že kolísanie teploty v dôsledku krokového riadenia nepresiahne požadovanú hodnotu presnosti udržiavania teploty. Konštrukčne môže byť ovládanie zapnuté-vypnuté buď pomocou bežného stýkača alebo tyristorového spínača. Tyristorový spínač obsahuje antiparalelný
Existujú aj trojfázové spínače. Používajú dva bloky antiparalelne zapojených tyristorov. Výkonové obvody takýchto spínačov sú zostavené podľa nasledujúcej schémy:
Existujú úpravy tyristorových spínačov, ktoré vôbec nepoužívajú kontakty.
Tyristorové spínače sú spoľahlivejšie ako stykače, sú vo svojej podstate odolné voči výbuchu, sú tiché v prevádzke a sú o niečo drahšie.
Kroková regulácia má účinnosť blízku 1, až M »1.
Elektrické odporové pece (komorové, šachtové, zvonové a pod.) majú široké využitie na tepelné spracovanie výrobkov v rôznych priemyselných odvetviach: v hutníctve, energetike, kovoobrábaní, keramickej a sklárskej výrobe. Použitie automatizovaných riadiacich systémov pri tepelnom spracovaní zlepšuje kvalitu produktu a uľahčuje prácu personálu údržby.
Moderné zariadenia a nové metódy automatického riadenia umožňujú znížiť náklady na opravy a údržbu zariadení, získať ekonomický efekt z racionálneho využívania energetických zdrojov vďaka optimálnemu riadeniu technologického procesu.
V tomto článku autor navrhuje dve konštrukčné riešenia modernizácie riadiaceho systému elektrických pecí, pričom zohľadňuje také technologické potreby, ako je presná regulácia teploty, schopnosť rýchlej zmeny režimov počas spracovania rôzne druhy Produkty.
Pri príprave projektov modernizácie automatizovaného riadiaceho systému sa predbežne podrobná analýza technologický postup tepelného spracovania na objasnenie hlavných nedostatkov a problémov pri prevádzke pecí. Napríklad pri žíhaní dielov a kovových konštrukcií sa môžu objaviť aj malé teplotné odchýlky od hodnôt uvedených v technologická mapa. Porušenie teplotného režimu môže viesť k nesúladu medzi mechanickými vlastnosťami výrobkov deklarovaných výrobcom, čo môže viesť k nehodám vo výrobe.
Systémy regulácie teploty v elektrických peciach na báze zariadení na pečenie
Ako regulačné zariadenie v riadiacom systéme elektrickej pece je použitý dvojkanálový softvérový PID regulátor OWEN TPM151, ktorého dva kanály regulujú teplotu na vykurovacích telesách. Akčným zariadením je riadiaca jednotka pre triaky a tyristory (BOOST), ktorá zabezpečuje presnosť automatickej regulácie výkonu na vykurovacích telesách pece metódou fázového riadenia.
Na rozšírenie vstupov a príjem dodatočná príležitosť meranie teploty v samotnom výrobku alebo v mufle pece, využíva sa vstupný modul RÚRA MVA8. Výmena dát medzi ovládačmi a analógovým vstupným modulom prebieha pomocou počítača, na koordináciu rozhraní RS-485 / RS-232 sa používa prevodník rozhrania OWEN AC3-M (obr. 1).
Ryža. 1. Všeobecné štrukturálna schéma teplotné automatické riadiace systémy (ACS) pre štyri elektrické pece
Vyvinutý systém umožňuje vykonávať režim žíhania akéhokoľvek stupňa zložitosti. Zmena nastavení v systéme regulácie teploty sa vykonáva automaticky podľa programu vyvinutého technológom. Programy technológa sa vytvárajú na počítači najvyššej úrovne a zadávajú sa do každého zariadenia TPM151.
Schéma systému regulácie teploty v šachtovej peci je na obr. 2.
Ryža. 2. Funkčná schéma regulácie v šachtovej elektrickej peci
Systém umožňuje nastaviť rýchlosť zmeny teploty (zvýšenie alebo zníženie na nastavenú hodnotu) v každej vykurovacej zóne podľa individuálneho harmonogramu, čo zaisťuje rovnomerný ohrev produktu vo všetkých bodoch. Z jedného programu do druhého je možné prechádzať pri dosiahnutí určitej hodnoty niektorého z teplotných alebo časových parametrov. Údaje z každej pece zbierate aj pomocou SCADA systému OWEN PROCESS MANAGER.
Navrhovaný systém regulácie teploty môže byť implementovaný v akejkoľvek elektrickej peci s jednou alebo dvoma vykurovacími zónami. Systém vyžaduje:
softvérový dvojkanálový regulátor (ARIES TPM151);
triaková a tyristorová riadiaca jednotka (ARIES BOOST);
prevodník rozhrania (ARIES AS3-M);
analógový vstupný modul (OSEH МВА8);
počítač;
snímače teploty, výkonové triaky.
Navrhovaný riadiaci systém zvyšuje spoľahlivosť elektrických pecí nahradením analógových ovládačov a reléových ovládačov mikroprocesorovými ovládacími prvkami a bezkontaktnými vypínačmi (triaky). Počet externých prípojok a svorkovníc sa niekoľkonásobne zníži.
Napríklad jeden PID regulátor TPM151, vstupný modul OVEN MBA8 a počítač nahrádzajú tri staré, ale veľmi drahé dvojpolohové regulátory zapisovača, pričom presnosť a možnosti riadenia sa výrazne zvyšujú vďaka použitiu PID regulátorov s automatickým nastavovaním koeficientov.
Upozorňujeme, že náklady na modernizáciu sa výrazne znížia, ak sa modernizácia vykoná na niekoľkých jednotkách naraz. Napríklad pre štyri pece budete okrem regulátorov teploty potrebovať len jeden modul MBA8 a počítač.
Podobný systém regulácie teploty na báze regulátorov OVEN TPM151 a BOOST blokov bol zavedený v závode OAO KZ OTsM, Kirov, na ťahovej žíhacej linke HEURTEY.
Rúra má dve nezávisle fungujúce zóny ohrevu (predohrev a presný ohrev). Pec má dva okruhy regulácie teploty na regulátoroch RÚRY TPM151.
Linka je určená na kontinuálne žíhanie a morenie medených a mosadzných pásov s hrúbkou 0,15 - 0,8 mm a šírkou 200 - 630 mm. V procese spracovania sa rolky odvíjajú a ťahajú v peci pozdĺž nosných valcov. Po žíhaní kov mení svoju štruktúru a mechanické vlastnosti.
Na dosiahnutie presnej regulácie teploty sa používajú dve riadiace jednotky OWEN BOOST, jedna pre každý kanál zariadení TPM151, ktoré regulujú výkon vykurovacích telies pomocou metódy fázového riadenia.
Pre zložitejšie systémy s riadením troch a viacerých vykurovacích zón, ako aj s prevádzkou ventilátorov a iných pohonov bude najvhodnejší systém s riadiacim zariadením vo forme programovateľného logického regulátora, napríklad OWEN PLC. prijateľné.
Príkladom tohto typu inštalácie je najbežnejší typ pece v priemysle - komorová elektrická odporová pec, alebo zvonová elektrická pec. V týchto peciach môžu byť v závislosti od konštrukcie tri vykurovacie zóny. Pre optimálnu reguláciu teploty musia mať tri nezávislé regulačné slučky.
Systém reguluje teplotu v každej vykurovacej zóne: v prvej, v druhej a v tretej zóne pomocou prvého, druhého a tretieho riadiaceho kanálu. Všetky okruhy podliehajú regulácii teploty hlavného okruhu v mufle.
Podriadené riadiace obvody sú identické a pozostávajú z regulátora teploty, softvéru implementovaného v regulátore (OWEN PLC154), aktuátora (OWEN BOOST a triaky) a ovládacieho objektu (vykurovacie telesá). Regulátor hlavnej regulačnej slučky (obr. 3), ako aj regulátory slave slučky, je softvérovo implementovaný v regulátore PLC154.
Ryža. 3. Funkčná schéma automatického riadiaceho systému elektrickej pece
Údaje z každého kanála idú najskôr do kontroléra a potom do počítača, kde sa spracujú a uložia pomocou SCADA systému prispôsobeného na prácu s týmto procesom a vybraným kontrolérom.
Vo vyvinutom systéme sa okrem automatická regulácia Teplotu je možné regulovať pomocou manuálnych rezistorov. Manuálne ovládanie sa používa pri nastavovaní resp núdzový. Hlavnými ovládacími a monitorovacími prvkami liečby SU komorou sú:
programovateľný logický automat (ARIES PLC154);
riadiace jednotky pre triaky a tyristory (ARIES BOOST);
termočlánky ТХА (К) a výkonové triaky;
počítač.
Charakteristickým rysom projektu pomocou PLC je možnosť vizualizácie procesu regulácie teploty vo vybranej elektrickej peci na počítači.
Dnes existuje množstvo aplikácií, ktoré umožňujú vybrať potrebný softvér pre APCS. Takéto možnosti poskytuje produkt TraceMode, ktorý kombinuje softvérové štandardy s väčšinou nástrojov priemyselnej automatizácie od svetových výrobcov, vrátane OWEN. Preto je tento produkt, ako žiadny iný, vhodný ako hlavný systémový softvér pri vytváraní automatického riadiaceho systému pre elektrickú pec.
Je to spôsobené aj tým, že program Trace Mode má širokú funkcionalitu a pohodlné vývojové prostredie, ako aj to, že sú k nemu bezplatne dodávané ovládače pre vybraný ovládač OWEN PLC.
Obrazové formy ovládania a regulácie výrazne zjednodušujú obsluhu pecí a uľahčujú prácu operátorovi. ich vzhľad a štruktúra môže byť vyrobená individuálne pre každý daný technologický postup a inštaláciu.
Popísané projekty plne zohľadňujú požiadavky a požiadavky na tepelné spracovanie výrobkov v elektrotermických inštaláciách. Projekty vyžadujú minimálne ekonomické náklady na inštaláciu prístrojového vybavenia a jeho údržbu. Implementácia týchto riešení zlepší kvalitu výrobkov, zníži počet chýb, zníži spotrebu surovín, zníži poruchovosť a prestoje zariadení a tým zvýši objem výroby, ako aj zvýši produktivitu zlepšením pracovných podmienok personálu údržby. .
Sergey Mokrushin, vedúci oddelenia automatizácie, Alfa-Prom, Kirov
Článok „Automatizácia riadenia elektrických pecí“ v časopise „Automatizácia a výroba“:
Regulácia výkonu odporových pecí
Existujú 2 zásadne odlišné prístupy k regulácii výkonu:
1) Nepretržité riadenie, pri ktorom je možné do pece zaviesť akýkoľvek požadovaný výkon.
2) Kroková regulácia, pri ktorej je možné do pece zaviesť iba diskrétny rozsah výkonov.
Prvý vyžaduje plynulú reguláciu napätia na ohrievačoch. Takáto regulácia môže byť vykonaná pomocou akéhokoľvek druhu výkonových zosilňovačov (generátor, tyristorový usmerňovač, EMU). V praxi sú najbežnejšie tyristorové napájacie zdroje postavené podľa schémy TRN. Takéto regulátory sú založené na vlastnostiach tyristora zapojeného do obvodu striedavého prúdu v sérii s aktívnym odporom ohrievača. Tyristorové zdroje obsahujú antiparalelne zapojené tyristory vybavené SIFU.
 |
Pri druhom spôsobe sa napätie na ohrievači mení zapínaním napájacích obvodov pece. Zvyčajne existujú 2-3 kroky možného napätia a výkonu ohrievača. Najbežnejší dvojpolohový spôsob krokového riadenia. Podľa tejto metódy je pec buď pripojená k sieti pri svojom menovitom výkone, alebo úplne odpojená od siete. Požadovaná hodnota priemerného výkonu zavedeného do pece je zabezpečená zmenou pomeru časov zapnutia a vypnutia.
Priemerná teplota v peci zodpovedá priemernému výkonu zavedenému do pece. Náhle zmeny okamžitého výkonu vedú k teplotným výkyvom okolo priemernej úrovne. Veľkosť týchto výkyvov je určená veľkosťou odchýlok R MGNOV od priemernej hodnoty a veľkosťou tepelnej zotrvačnosti pece. Vo väčšine všeobecných priemyselných pecí je hodnota tepelnej zotrvačnosti taká veľká, že kolísanie teploty v dôsledku krokového riadenia nepresiahne požadovanú hodnotu presnosti udržiavania teploty. Konštrukčne môže byť ovládanie zapnuté-vypnuté buď pomocou bežného stýkača alebo tyristorového spínača. Tyristorový spínač obsahuje antiparalelný
Existujú aj trojfázové spínače. Používajú dva bloky antiparalelne zapojených tyristorov. Výkonové obvody takýchto spínačov sú zostavené podľa nasledujúcej schémy:Existujú úpravy tyristorových spínačov, ktoré vôbec nepoužívajú kontakty.
Tyristorové spínače sú spoľahlivejšie ako stykače, sú vo svojej podstate odolné voči výbuchu, sú tiché v prevádzke a sú o niečo drahšie.
Kroková regulácia má účinnosť blízku 1, až M »1.
- A) kontinuita regulácie. Tyristory spínajú prúd v záťaži na sieťovej frekvencii (50-krát za sekundu), čo umožňuje udržiavať teplotu s vysokou presnosťou a rýchlo reagovať na zmeny rušivých vplyvov;
- B) absencia mechanických kontaktov zvyšuje spoľahlivosť a znižuje náklady na údržbu a prevádzku;
- C) možnosť obmedzenia štartovacích prúdov elektrických vykurovacích telies. Mnohé pece sa vyznačujú nízkym odporom vykurovacích telies v studenom stave, takže štartovacie prúdy môžu byť 10 alebo viackrát vyššie ako nominálne. Nábehové prúdy je možné obmedziť len pomocou fázovo-pulzného riadenia tyristorov.
R Tyristorový regulátor výkonu vyvinutý spoločnosťou Zvezda-Elektronika LLC je moderné multifunkčné zariadenie. Jeho riadiaci systém je založený na výkonnom digitálnom signálovom procesore, ktorý nepretržite monitoruje veľké množstvo riadiacich signálov v reálnom čase. To prináša množstvo výhod oproti podobným zariadeniam:
- flexibilná konfigurácia pre akýkoľvek typ zaťaženia a technologický proces;
- vizuálna indikácia na displeji z tekutých kryštálov;
- vyvinutý komplex ochrán a autodiagnostiky porúch;
- podpora dvoch spôsobov ovládania tyristorov - fázovo-pulzné a numerické;
- režimy presnej stabilizácie alebo obmedzenia prúdu;
- možnosť implementácie viaczónovej regulácie;
- jednoduchá integrácia do systémov riadenia procesov.
V dôsledku toho niekoľko hotové riešenia pre automatizáciu. Keďže tieto riešenia sú založené na masovo vyrábaných produktoch, nákup a implementácia tohto zariadenia bude stáť podstatne menej ako vývoj vlastného automatizačného systému.
Príklad 1. Automatizácia elektrickej pece.
Pre automatické riadenie pece slúži PID regulátor TRM210-Shch1.IR. Na jeho univerzálny vstup je pripojený snímač teploty, ktorého citlivý prvok je umiestnený vo vnútri elektrickej pece. PID regulátor meria aktuálnu teplotu a pôsobí na tyristorový regulátor analógovým signálom 4..20 mA. Takto je implementovaný riadiaci systém s uzavretou slučkou teplotnej spätnej väzby. Reléový výstup PID regulátora je možné použiť pre alarmy.
Príklad 2. Automatizácia sušiacej komory.
Pomocou programátora TPM151-Shch1.IR.09 sa realizuje proces sušenia dreva. Zariadenie pôsobí na riadiaci vstup tyristorového regulátora analógovým signálom 4..20 mA a tým reguluje výkon, a tým aj teplotu v komore, pričom reléový výstup periodicky zapína ventilátor, čo prispieva k rovnomernejšie sušenie. Programový ovládač TPM151 umožňuje realizovať proces sušenia podľa rôznych programov zostavených technológom, napr. odlišné typy drevo - smrek, borovica, dub atď.
Príklad 3. Automatizácia viaczónového vykurovacieho systému.
Zaujímavým príkladom je riadiaci systém infračervené ohrievače ktorých popularita každým rokom rastie. Na tento účel bol použitý viackanálový PID regulátor TRM148. Ohrievače sú pripojené podľa schémy "hviezda" so spoločným neutrálnym vodičom, vďaka čomu sú vytvorené tri nezávislé regulačné slučky. Každá zóna má vlastný snímač - D1, D2, D3 - snímajúci hodnoty, z ktorých PID regulátor koriguje riadiace signály 4..20 mA pre tyristorový regulátor, ktorý reguluje výkon samostatne v každom z vykurovacích telies.
Tieto príklady sa samozrejme neobmedzujú len na rozsah úloh, ktoré je možné vyriešiť pomocou tyristorového regulátora TPM. Možno napríklad automatizácia prívodných ventilačných komôr, farbiacich komôr, automatické ovládanie elektrických kotlov na vykurovanie a zásobovanie teplou vodou a oveľa viac.
