Shema tiristorskega krmiljenja uporovnih peči. Regulacija moči uporovnih peči. Njegovo delovanje pomeni prisotnost dveh stabilnih faz
Jarov V.M.
Napajalniki za električne uporovne peči
Vadnica
Objavljeno s sklepom uredniškega in založniškega sveta Chuvash državna univerza njih, I. I. Ulyanova
Čuvaška državna univerza
1982
Učbenik je namenjen študentom specialnosti "Elektrotermične instalacije". tečajna naloga na predmetu "Avtomatsko krmiljenje elektrotermičnih instalacij" in diplomsko zasnovo s poglobljenim študijem virov energije za električne uporovne peči.
Priročnik analizira značilnosti delovanja tiristorskih regulatorjev izmenične napetosti pri delu na drugačni obremenitvi. Opisan je princip delovanja magnetnih ojačevalnikov in parametričnih tokovnih virov. Podan je opis posameznih krmilnih vezij napajanja.
Rep. urednik: dr. tehn. znanosti; Profesor Yu M. MIRONOV.
Uvod
Poglavje I. Načela regulacije moči električnih uporovnih peči
1.1. Značilnosti električne uporovne peči kot napajalnega bremena
1.2. Metode za regulacijo moči električne uporovne peči
1.2.1. Regulacija napajalne napetosti
1.2.2. Preklop grelnikov pečice
1.23. Regulacija moči peči s spreminjanjem oblike tokovne krivulje
2. poglavje
2.1. Delajte z aktivno obremenitvijo
2.2. Delovanje magnetnega ojačevalnika za aktivno induktivno breme izmenični tok
3. poglavje
3.1. Princip delovanja
3.2. Načini regulacije obremenitvenega toka
4. poglavje
4.1. Načelo delovanja regulatorja
4.2. Aktivni regulator obremenitve
4.3. Analiza z aktivno-induktivno obremenitvijo
4.4. Vir faznega impulza z obremenitvijo transformatorja
4.5. Trifazni regulatorji izmenične napetosti
4.6. Krmilni sistemi za enofazne fazno-impulzne napajalnike
4.6.1. Funkcionalni diagrami krmilnih sistemov
4.6.2. Večkanalni krmilni sistemi
4.6.3. Enokanalni nadzorni sistemi
4.7 Sistem za nadzor trifaznega napajanja
5. poglavje
5.1. Električni način vir z aktivno obremenitvijo
5.2. Procesi v transformatorju med periodičnim vklopom
5.3. Načini vklopa obremenitve transformatorja brez magnetnih tokovnih sunkov
5.4. Značilnosti vklopa trifaznega transformatorja
5.5. Krmilni sistemi stikalnih regulatorjev
5.5.1. Zahteve za krmilne sisteme
5.5.2. Krmilni sistemi za enofazne stikalne regulatorje
5.5.3. Krmilni sistem krmilnika širine impulza s transformatorsko obremenitvijo
5.5.4. Krmilni sistem trifaznega regulatorja
Poglavje 6
6.1. Primerjava metod regulacije izmenične napetosti
6.2. Skupinsko delovanje regulatorjev kot način za izboljšanje energetske učinkovitosti
6.3. Optimizacija krmilnih metod za krmilnike širine impulzov pri skupinski obremenitvi
6.4. Krmilni sistem za skupino krmilnikov impulzne širine z enakointervalnim vključevanjem
6.5. Povečanje koeficienta moči v enem regulatorju izmenične napetosti
Uvod
Da bi ohranili konstantno temperaturo v peči ali jo spreminjali po danem zakonu, je potrebno imeti možnost spreminjanja njene moči v širokem območju. Zahteve za točnost krmiljenja so glede na tehnološki proces, ki se izvaja v peči, zelo različne. Na primer, pri taljenju kovin in segrevanju za plastično deformacijo so nizki - dovoljena so temperaturna nihanja ± 25-50 ° C; med toplotno obdelavo te zahteve postanejo strožje in dosežejo do ±10-±5 ° C. Takšno kakovost regulacije lahko zagotovi dvo- in tristopenjska regulacija.
Tehnološki proces za proizvodnjo polprevodniških elementov, monokristali različne materiale, toplotna obdelava stekla itd. nalaga stroge zahteve glede kakovosti nadzora temperature. Zagotavljanje tako visokih zahtev (±0,5-±3°С) na ravni 1000-1500°С je mogoče le z uporabo nadzorovanih brezkontaktnih virov na osnovi magnetnih ali tiristorskih ojačevalnikov.
Raznolikost tehnoloških procesov določa raznolikost virov hrane. Magnetne ojačevalnike so praktično izpodrinili tranzistorski ojačevalniki, saj imajo slednji večji izkoristek, boljše dinamične lastnosti ter maso in dimenzije.
V kontaktnih ogrevalnih napravah se uporabljajo parametrični tokovni viri, katerih princip delovanja temelji na pojavu resonance v trifaznem omrežju.
Moč trenutno uporabljenih tiristorskih napajalnikov se giblje od sto vatov do sto kilovatov. Priročnik primerja načine krmiljenja tiristorjev, ocenjuje področja njihove uporabe.
Cheboksary, založba ChuvGU, 1982
Obstajata dva bistveno različna pristopa k nadzoru moči:
1) Neprekinjen nadzor, pri katerem se lahko v peč vnese poljubna zahtevana moč.
2) Stopenjska regulacija, pri kateri je mogoče v peč vnesti samo diskretno območje moči.
Prvi zahteva gladko regulacijo napetosti na grelcih. Takšno regulacijo je mogoče izvesti s kakršnimi koli močnostnimi ojačevalniki (generator, tiristorski usmernik, EMU). V praksi so najpogostejši tiristorski napajalniki, zgrajeni po shemi TRN. Takšni regulatorji temeljijo na lastnostih tiristorja, ki je zaporedno povezan v vezju izmeničnega toka z aktivnim uporom grelnika. Tiristorski napajalniki vsebujejo antiparalelno povezane tiristorje, opremljene s SIFU.
Kontrolni kot a in s tem efektivna napetost na obremenitvi sta odvisna od zunanje napetosti, ki se uporablja za vir. Da bi zmanjšali učinek izpada električne energije na toplotni režim peči, tiristorski napajalniki običajno zagotavljajo negativno povratno informacijo o izhodni napetosti. Tiristorski napajalniki imajo visoko učinkovitost (do 98%). Faktor moči je odvisen od globine regulacije izhodne napetosti linearno, pod kotom a manj kot 0 - do M = 1, pri a = 180° do M = 0. Faktor moči ni določen le s faznim premikom napetosti in prvega harmonika toka, temveč tudi z velikostjo višjih harmonikov toka. Zato uporaba kompenzacijskih kondenzatorjev ne omogoča bistvenega povečanja M.
Pri drugi metodi se napetost na grelniku spremeni s preklapljanjem v napajalnih tokokrogih peči. Običajno obstajajo 2-3 koraki možne napetosti in moči grelnika. Najpogostejši dvopoložajni način krmiljenja korakov. Po tej metodi je peč priključena na omrežje pri nazivni moči ali popolnoma izključena iz omrežja. Zahtevana vrednost povprečne moči, ki se vnese v peč, se zagotovi s spreminjanjem razmerja med časom vklopa in izklopa.
Povprečna temperatura v peči ustreza povprečni moči, dovedeni v peč. Nenadne spremembe trenutne moči povzročijo temperaturna nihanja okoli povprečne ravni. Velikost teh nihanj je določena z velikostjo odstopanj R MGNOV od povprečne vrednosti in velikostjo toplotne vztrajnosti peči. Pri večini splošnih industrijskih pečeh je toplotna vztrajnost tako velika, da temperaturna nihanja zaradi stopenjskega krmiljenja ne presežejo zahtevane vrednosti natančnosti vzdrževanja temperature. Strukturno se krmiljenje vklopa in izklopa lahko zagotovi s pomočjo običajnega kontaktorja ali tiristorskega stikala. Tiristorsko stikalo vsebuje antiparalelno
Obstajajo tudi trifazna stikala. Uporabljajo dva bloka protivzporedno povezanih tiristorjev. Napajalna vezja takšnih stikal so zgrajena po naslednji shemi:
Obstajajo modifikacije tiristorskih stikal, ki sploh ne uporabljajo kontaktov.
Tiristorska stikala so zanesljivejša od kontaktorjev, lastno in protieksplozijsko varna, tiha pri delovanju in nekoliko dražja.
Stopenjsko krmiljenje ima učinkovitost blizu 1, do M »1.
Električne uporovne peči (komorne, jaščne, zvončaste itd.) se pogosto uporabljajo za toplotno obdelavo izdelkov v različnih panogah: v metalurgiji, energetiki, obdelavi kovin, proizvodnji keramike in stekla. Uporaba avtomatiziranih krmilnih sistemov med toplotno obdelavo izboljša kakovost izdelkov in olajša delo vzdrževalnega osebja.
Sodobna oprema in nove metode avtomatskega krmiljenja omogočajo zmanjšanje stroškov popravil in vzdrževanja opreme, doseganje ekonomskega učinka z racionalno uporabo energetskih virov zaradi optimalnega nadzora tehnološkega procesa.
V tem članku avtor predlaga dve konstrukcijski rešitvi za posodobitev krmilnega sistema električnih peči, ob upoštevanju takšnih tehnoloških potreb, kot je natančen nadzor temperature, možnost hitrega spreminjanja načinov med obdelavo različne vrste izdelkov.
Pri pripravi projektov za posodobitev avtomatiziranega nadzornega sistema predhodni podrobna analiza tehnološki proces toplotne obdelave za razjasnitev glavnih pomanjkljivosti in težav pri delovanju peči. Na primer, med žarjenjem delov in kovinskih konstrukcij lahko celo majhna temperaturna odstopanja od vrednosti, navedenih v tehnološki zemljevid. Kršitev temperaturnega režima lahko povzroči neskladje med mehanskimi lastnostmi izdelkov, ki jih je navedel proizvajalec, kar lahko posledično povzroči nesreče v proizvodnji.
Sistemi za regulacijo temperature v električnih pečeh na osnovi pečic
Kot regulacijska naprava v krmilnem sistemu elektropeči se uporablja dvokanalni programski PID krmilnik OWEN TPM151, katerega dva kanala regulirata temperaturo na grelnih telesih. Pogonska naprava je krmilna enota za triake in tiristorje (BOOST), ki zagotavlja natančnost avtomatskega krmiljenja moči na grelnih elementih peči z metodo faznega nadzora.
Za razširitev vnosov in prejemanje dodatna priložnost merjenje temperature v samem izdelku ali v ognju peči se uporablja vhodni modul OVEN MVA8. Izmenjava podatkov med krmilniki in analognim vhodnim modulom se izvaja z računalnikom, za koordinacijo vmesnikov RS-485 / RS-232 se uporablja pretvornik vmesnikov OWEN AC3-M (slika 1).
riž. 1. Splošno strukturna shema sistemi za avtomatsko regulacijo temperature (ACS) za štiri električne peči
Razvit sistem omogoča izvedbo načina žarjenja katere koli stopnje kompleksnosti. Sprememba nastavitev v sistemu za nadzor temperature se izvede samodejno v skladu s programom, ki ga je razvil tehnolog. Programi tehnologa so izdelani na vrhunskem računalniku in vneseni v vsako napravo TPM151.
Diagram sistema za nadzor temperature v jaščni peči je prikazan na sl. 2.
riž. 2. Funkcionalna shema regulacije v jaščni električni peči
Sistem vam omogoča nastavitev stopnje spremembe temperature (povečanje ali znižanje na nastavljeno vrednost) v vsaki ogrevalni coni po individualnem urniku, kar zagotavlja enakomerno segrevanje izdelka na vseh točkah. Možno je preklopiti iz enega programa v drugega, ko je dosežena določena vrednost katerega od temperaturnih ali časovnih parametrov. Prav tako zbirate podatke iz vsake peči z uporabo sistema OWEN PROCESS MANAGER SCADA.
Predlagani sistem za nadzor temperature je mogoče implementirati v katero koli električno peč z eno ali dvema ogrevalnima conama. Sistem zahteva:
programski dvokanalni regulator (ARIES TPM151);
krmilna enota triak in tiristor (ARIES BOOST);
pretvornik vmesnikov (ARIES AS3-M);
analogni vhodni modul (OSEH МВА8);
Računalnik;
temperaturni senzorji, močnostni triaki.
Predlagani krmilni sistem povečuje zanesljivost električnih peči z zamenjavo analognih krmilnikov in relejnih aktuatorjev z mikroprocesorskimi krmilnimi elementi in brezkontaktnimi močnostnimi stikali (triaki). Število zunanjih priključkov in priključnih omaric se večkrat zmanjša.
En PID regulator TPM151, vhodni modul OVEN MBA8 in računalnik nadomeščajo tri stare, a zelo drage dvopoložajne regulatorje snemalnikov, natančnost in krmilne zmožnosti pa so bistveno povečane zaradi uporabe PID regulatorjev s samodejnim prilagajanjem koeficienta.
Upoštevajte, da se bodo stroški posodobitve znatno zmanjšali, če bo posodobitev izvedena na več enotah hkrati. Na primer, za štiri pečice boste poleg regulatorjev temperature potrebovali le en modul MBA8 in računalnik.
Podoben sistem za nadzor temperature, ki temelji na regulatorjih OVEN TPM151 in blokih BOOST, je bil uveden v obratu OAO KZ OTsM, Kirov, na raztezni žarilni liniji HEURTEY.
Pečica ima dve neodvisno delujoči grelni coni (predgretje in natančno ogrevanje). Peč ima dva kroga za regulacijo temperature na regulatorjih OVEN TPM151.
Linija je zasnovana za kontinuirano žarjenje in luženje bakrenih in medeninastih trakov debeline 0,15 - 0,8 mm in širine 200 - 630 mm. V procesu obdelave se zvitki odvijajo in vlečejo v peč po nosilnih valjih. Po žarjenju kovina spremeni svojo strukturo in mehanske lastnosti.
Za doseganje natančne regulacije temperature se uporabljata dve krmilni enoti OWEN BOOST, ena za vsak kanal naprav TPM151, ki regulirata moč grelnih elementov po metodi faznega krmiljenja.
Za zahtevnejše sisteme s krmiljenjem treh ali več ogrevalnih con ter delovanjem ventilatorjev in drugih aktuatorjev bo najbolj primeren sistem s krmilno napravo v obliki programabilnega logičnega krmilnika, na primer OWEN PLC. sprejemljivo.
Primer tovrstne namestitve je najpogostejši tip peči v industriji - komorna elektrouporovna peč ali zvonasta elektropeč. V teh pečicah so lahko glede na zasnovo tri ogrevalne cone. Za optimalno regulacijo temperature morajo imeti tri neodvisne regulacijske zanke.
Sistem uravnava temperaturo v vsaki ogrevalni coni: v prvi, v drugi in v tretji coni s prvim, drugim in tretjim regulacijskim kanalom. Vsi tokokrogi so podvrženi nadzoru temperature glavnega tokokroga v dušilki.
Podrejena krmilna vezja so enaka in so sestavljena iz temperaturnega regulatorja, programske opreme, implementirane v krmilniku (OWEN PLC154), aktuatorja (OWEN BOOST in triaki) in krmilnega objekta (grelni elementi). Krmilnik glavne krmilne zanke (slika 3), kot tudi krmilniki podrejenih zank, je programsko implementiran v krmilniku PLC154.
riž. 3. Funkcionalni diagram avtomatskega nadzornega sistema električne peči
Podatki iz vsakega kanala gredo najprej v krmilnik, nato pa v računalnik, kjer se obdelajo in shranijo s pomočjo SCADA sistema, prilagojenega za delo s tem procesom in izbranim krmilnikom.
V razvitem sistemu poleg avtomatska regulacija Temperaturo je mogoče nadzorovati z uporabo ročnih uporov. Ročno upravljanje se uporablja med nastavitvijo oz nujnost. Glavni elementi nadzora in spremljanja zdravljenja v komori SU so:
programabilni logični krmilnik (ARIES PLC154);
krmilne enote za triake in tiristorje (ARIES BOOST);
termočleni ТХА (К) in močnostni triaki;
Računalnik.
Posebnost projekta z uporabo PLC-ja je možnost računalniške vizualizacije procesa regulacije temperature v izbrani električni peči.
Danes obstaja več aplikacij, ki vam omogočajo, da izberete potrebno programsko opremo za APCS. Takšne zmožnosti omogoča izdelek TraceMode, ki združuje programske standarde z večino orodij za industrijsko avtomatizacijo svetovnih proizvajalcev, vključno z OWEN. Zato je ta izdelek kot noben drug primeren kot glavna sistemska programska oprema pri izdelavi avtomatskega krmilnega sistema za električno peč.
To je tudi posledica dejstva, da ima program Trace Mode široko funkcionalnost in priročno razvojno okolje ter da so gonilniki za izbrani PLC krmilnik OWEN priloženi brezplačno.
Zaslonske oblike krmiljenja in regulacije močno poenostavijo delovanje peči in olajšajo delo operaterja. Njim videz in strukturo lahko izdelamo individualno za vsako danost tehnološki proces in namestitev.
Opisani projekti v celoti upoštevajo zahteve in zahteve za toplotno obdelavo izdelkov v elektrotermičnih napravah. Projekti zahtevajo minimalne ekonomske stroške za namestitev instrumentacijske opreme in njeno vzdrževanje. Uvedba teh rešitev bo izboljšala kakovost izdelkov, zmanjšala število napak, zmanjšala porabo surovin, zmanjšala okvare in izpade opreme ter s tem povečala obseg proizvodnje ter povečala produktivnost z izboljšanjem delovnih pogojev vzdrževalnega osebja. .
Sergey Mokrushin, vodja oddelka za avtomatizacijo, Alfa-Prom, Kirov
Članek "Avtomatizacija krmiljenja električnih peči" v reviji "Avtomatizacija in proizvodnja":
Regulacija moči uporovnih peči
Obstajata dva bistveno različna pristopa k nadzoru moči:
1) Neprekinjen nadzor, pri katerem se lahko v peč vnese poljubna zahtevana moč.
2) Stopenjska regulacija, pri kateri je mogoče v peč vnesti samo diskretno območje moči.
Prvi zahteva gladko regulacijo napetosti na grelcih. Takšno regulacijo je mogoče izvesti s kakršnimi koli močnostnimi ojačevalniki (generator, tiristorski usmernik, EMU). V praksi so najpogostejši tiristorski napajalniki, zgrajeni po shemi TRN. Takšni regulatorji temeljijo na lastnostih tiristorja, ki je zaporedno povezan v vezju izmeničnega toka z aktivnim uporom grelnika. Tiristorski napajalniki vsebujejo antiparalelno povezane tiristorje, opremljene s SIFU.
 |
Pri drugi metodi se napetost na grelniku spremeni s preklapljanjem v napajalnih tokokrogih peči. Običajno obstajajo 2-3 koraki možne napetosti in moči grelnika. Najpogostejši dvopoložajni način krmiljenja korakov. Po tej metodi je peč priključena na omrežje pri nazivni moči ali popolnoma izključena iz omrežja. Zahtevana vrednost povprečne moči, ki se vnese v peč, se zagotovi s spreminjanjem razmerja med časom vklopa in izklopa.
Povprečna temperatura v peči ustreza povprečni moči, dovedeni v peč. Nenadne spremembe trenutne moči povzročijo temperaturna nihanja okoli povprečne ravni. Velikost teh nihanj je določena z velikostjo odstopanj P MGOV od povprečne vrednosti in velikostjo toplotne vztrajnosti peči. Pri večini splošnih industrijskih pečeh je toplotna vztrajnost tako velika, da temperaturna nihanja zaradi stopenjskega nadzora ne presegajo zahtevane natančnosti vzdrževanja temperature. Strukturno se krmiljenje vklopa in izklopa lahko zagotovi s pomočjo običajnega kontaktorja ali tiristorskega stikala. Tiristorsko stikalo vsebuje antiparalelno
Obstajajo tudi trifazna stikala. Uporabljajo dva bloka protivzporedno povezanih tiristorjev. Napajalna vezja takšnih stikal so zgrajena po naslednji shemi:Obstajajo modifikacije tiristorskih stikal, ki sploh ne uporabljajo kontaktov.
Tiristorska stikala so zanesljivejša od kontaktorjev, lastno in protieksplozijsko varna, tiha pri delovanju in nekoliko dražja.
Stopenjsko krmiljenje ima učinkovitost blizu 1, do M »1.
- A) kontinuiteta regulacije. Tiristorji preklopijo tok v obremenitvi na omrežno frekvenco (50-krat na sekundo), kar vam omogoča vzdrževanje temperature z visoko natančnostjo in hiter odziv na spremembe motečih vplivov;
- B) odsotnost mehanskih kontaktov poveča zanesljivost in zmanjša stroške vzdrževanja in delovanja;
- C) možnost omejevanja začetnih tokov električnih grelnih elementov. Številne peči imajo grelne elemente z nizko odpornostjo proti mrazu, zato so lahko zagonski tokovi 10 ali večkrat večji od nazivnega toka. Začetne tokove je mogoče omejiti le s pomočjo fazno-impulznega krmiljenja tiristorjev.
R Tiristorski regulator moči, ki ga je razvilo podjetje Zvezda-Elektronika LLC, je sodobna večnamenska naprava. Njegov nadzorni sistem temelji na zmogljivem procesorju digitalnih signalov, ki neprekinjeno spremlja veliko število krmilnih signalov v realnem času. To povzroča številne prednosti pred podobno opremo:
- prilagodljiva konfiguracija za katero koli vrsto obremenitve in tehnološkega procesa;
- vizualni prikaz na zaslonu s tekočimi kristali;
- razvit kompleks zaščit in samodiagnostika napak;
- podpora za dva načina krmiljenja tiristorjev - fazno-impulzni in numerični;
- načini natančne stabilizacije ali tokovne omejitve;
- možnost izvedbe večconske regulacije;
- enostavna integracija v sisteme za nadzor procesov.
Kot rezultat, več že pripravljene rešitve za avtomatizacijo. Ker te rešitve temeljijo na izdelkih serijske proizvodnje, bosta nakup in implementacija te opreme stala bistveno manj kot razvoj sistema avtomatizacije po meri.
Primer 1. Avtomatizacija električne peči.
PID krmilnik TRM210-Shch1.IR se uporablja za avtomatsko krmiljenje peči. Na njegov univerzalni vhod je priključen temperaturni senzor, katerega občutljivi element se nahaja v notranjosti električne peči. PID regulator meri trenutno temperaturo in deluje na tiristorski regulator z analognim signalom 4..20 mA. Tako je implementiran krmilni sistem z zaprto temperaturno povratno zanko. Relejni izhod PID regulatorja se lahko uporablja za alarme.
Primer 2. Avtomatizacija sušilne komore.
S pomočjo programatorja TRM151-Sch1.IR.09 se izvaja proces sušenja lesa. Naprava deluje na krmilni vhod tiristorskega krmilnika z analognim signalom 4..20 mA in s tem uravnava moč in s tem temperaturo v komori, medtem ko relejni izhod občasno vklopi ventilator, kar prispeva k enakomernejše sušenje. Programski krmilnik TPM151 vam omogoča izvajanje postopka sušenja v skladu z različnimi programi, ki jih sestavi tehnolog, na primer za različni tipi les - smreka, bor, hrast itd.
Primer 3. Avtomatizacija večconskega ogrevalnega sistema.
Zanimiv primer je nadzorni sistem infrardeči grelci katerih priljubljenost vsako leto narašča. Za to je bil uporabljen večkanalni PID regulator TRM148. Grelniki so povezani po shemi "zvezda" s skupno nevtralno žico, zaradi česar se ustvarijo tri neodvisne krmilne zanke. Vsaka cona ima svoj senzor - D1, D2, D3 - odčitava odčitke iz katerih PID regulator popravlja krmilne signale 4..20 mA za tiristorski regulator, ki regulira moč posebej v vsakem od grelnih elementov.
Ti primeri seveda niso omejeni na obseg nalog, ki jih je mogoče rešiti s pomočjo tiristorskega krmilnika TPM. Morda na primer avtomatizacija dovodnih prezračevalnih komor, komor za barvanje, avtomatsko krmiljenje električnih kotlov za ogrevanje in oskrbo s toplo vodo in še veliko več.
