Тиристорное управление печи сопротивления. Автоматическое регулирование температурного режима в электрических печах. Яров В. М. Источники питания электрических печей сопротивления Учебное пособие

• 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.

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности систем электроснабжения многозонных электрических печей сопротивления с тиристорными регуляторами"

московский овдена ленина и овдена ОКТЯБРЬСКОЙ революции энергетический институт

На правах рукописи РАЗГОНОВ ЕНГШИЙ ЛЬВОВИЧ

повышение эффективности сизтем электроснабжения многозонных электрических печей сопротивления с тиристоршш регуляторами

Специальности: 05.09.03 - Злактротехнические комплексы

и системы, включая их регулирование и управление;

05.09.10 - Эивктрэгердаческяе процессы и установки

Москва - 1991

Работа выполнена на кафедра "Электроснабжения промышленных предприятий" Алыа-Атинсдого энергетического института.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор А.В.БОЛОТОВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор В.В.ШЕВЧЕНКО - кандидат технических наук, ст.науч.сотр. .завлабораторией вшшго ю.с.йОФбВ

Ведущее предприятие - Целиноградский керамический комбинат

Защита диссертации состоится " " ^^ 1991г. в аудитории час. мин. на заседа-

нии специализированного Совета К 053.26.06 Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетического института.

Отзыва (в двух экземплярах, заваренные печатью) просим направлять по адресу: 105835, ГСП, Москва, Б-250, Красноказарменная ул.14, Ученый Совег МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МШ.

Ученый секретарь специализированного Совета К 053.16.06

канд.техн.наук, доцент ^ АсГеУл т.в.ашарова,

" \ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

■Л „ЦП i ®

Арууально^т^ тем^. Современной развитие народного хозяйства связано с возрастанием применения электротермических процессов, обеспечивающих повышенна качества материалов и изделий, появление новых прогрессивных технологий, рост производительности труда, улучшение экологической обстановки. Для современных электротермических установок характерно увеличение единичной мощности, которое способствует увеличению производитальности и снижению себестоимости производства, коэффициента полезного действия.

Однако возрастание мощности и усложнение самих электротермических установок, режимов их работы и регулирования приводит к тому, что как потребитель электроэнергии они представляют собой нелинейную нагрузку, оказывающую значительное вишяниа на систему электроснабжения. Значимость влияния электротермических установок на питающую сеть становится понятной, если учесть, что они потребляют около трети всей производимой электроэнергии.

Это делает весьма актуальным решение задач рациональной организации электроснабжения мощных электротехнологических установок, повышения качества электроэнергии,

В настоящей работе на примере мощных электрических печей сопротивления непрерывного действия о тиристорны-ми регуляторами температуры рассматриваются возможные пути улучшения их электроснабжения за счет уменьшения влияния нелинейности нагрузки, которые обеспечиваются выбором рациональных способов управления. Взализация этих более тонких способов управления многоканальной нелинейной нагрузкой может быть обеспечена на современном этапа с помощью микропроцессорных средств.

Целью работы является разработка цифровых систем управления электроснабжением мощных электрических многозонных печей сопротивления с тиристорными регуляторами температуры, обеспечивающих повышение качества элакгро-

анергии за счет снижения уровня высших гармонических составляющих.

Дяя достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1.Анализ схем электроснабжения мощных многозонных электрических печей сопротивления с тирнсторными регуляторами

и их идентификация как объекта электроснабжения.

2. Разработка математической и физической моделей енотам электроснабжения многоканальной нелинейной нагрузкой и определение энергетических характеристик и уровней высших. гармонических составляющих, генерируемых тиристорными регуляторами температуры многозонных электрических печей сопротивления.

3.Разработка способов синхронизированного управления многоканальной нагрузкой с фазоимпульсным и широтно-импуль-сным регулированием мощности и определение показателей качества электроэнергии при детерминированном и случайном характерах изменения нагрузки.

4.Оптимизация рекимов работы системы электроснабжения многозонных электрических печей сопротивления при синхронизированном управлении.

5. Экспериментальные исследования систем электроснабжения ыногозонными электрическими печами сопротивления при различных способах управления мощностью с целью проверки функционирования разработанных систем управления.

6.Разработка цифровых систем управления электроснабжением многозонных электрических печей сопротивления,алгоритмов управления и аппаратурной реализации.

Методы исследования» В работе использовались методы теории электрических цепей, диффережда&яьного анализа, методы теории автоматического регулирования, численные методы решения уравнений на ЭВМ, методы физического моделирования, методы планирования экспериментов и регрессионного анализа.

Даучрая новика работы состоит в следующем:

Разработана.упрощенная математическая модель системы

электроснабжения многоканальной нелинейной нагрузкой, позволяющая с помощью ЗШ определить состав и уровни высших гармонических составляющих токов и напряжений, а также суммарные мощность и интегральные энергетические показатели.

2. Разработана физическая модель системы электроснабжения многозонной электрической пата сопротивления с тирис-торными регуляторами мощности, позволяющая исследовать влияние внутреннего сопротивления системы на показатели ка^-чества электроэнергии.

3.Проведано исследование на моделях состава и уровней высших гармонических составляющих, генерируемых тиристор-кымя регуляторами при фазоимпульсном управлении и получены зависимости, позволяющие определить уровни н состав высших гармоник на шинах питавдей подстанции и прогнозировать их изменение по времени.

4.Получены аналитические зависимости основных энергетических показателей и показателей качества для многоканальной активной нагрузки, управляемой широтно-импульсными регуляторами мощности.

5.Получены аналитические зависимости основных энергетических показателей и показателей качества электроэнергии для синхронизированного управления многоканальной нагрузкой при фазоимпульсном и широтно-импульсном регулировании мощности.

6. Разработаны способы синхронизированного управления многозонными электрическими печами сопротивления, оптимизирующие по критерию минимума дисперсии мощности режим электропотребления печи.

7.Получены зависимости, связывавшие технологические и энергетические показатели электрических печей сопротивления с временными параметрами алгоритма синхронизированного управления, в частности периода дискретности.

Практическая удннорт{> работы состоит в том, что предложены новые способы и алгоритмы синхронизированного управления многозонными электрическими печами сопротивления, разработаны экспериментально проверены и внедрены

на промышленных печах новые системы цифрового управления, снижающие уровень высших гармоник и установленную мощность питавших подстанций.

Реадаацри результатов работы.Разработаны методики расчета энергетических показателей уровня и состава высших гармонических составляющих токов и напряжений на отдельных зонах многозонной печи и питающей подстанции при фазоим* пульсном, широтно-импульсном и синхронизированном управлении, использованные на ЦКК для модернизации питающей подстанции. Разработанная цифровая система синхронизированного управления многозонной электрической печью сопротивления с тиристорными регуляторами мощности внедрена на печи обжига керамической шштки ЦКК. На ЦКК переданы рекомендации по внедрению разработанной на базе ИИСЭ микропроцессорной системы комплексного управления технологическим режимом и энергопотреблением многозонных электрических печей сопротивления для обжига керамических изделий. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов рабогн составляет около 30 тыс.руб. в год на одну установку.

Дрро^ацир работы.Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Республиканских и Всесоюзных научно-технических конференциях: Алма-Ата (1978 + 1988гг.), Павлодар (1989г.). Свепдловск, ОДюсс (1984,1987гг.)»Киев,Чернигов (1985 г.), Рига (1987,1988гг.), Таллин (1981г.), а также на ряде научно-технических семинарах и заседаниях кафедры АЗГУС!Ш (Москва 1991г.).

Публикацииг По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ. Получено положительное решение о ввдаче авторского свидетельства по заявке на изобретем кие.

Ртруутура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы х приложений. Она содержит 193 страниц основного машинописного текста, 36 рисунков и 12 таблиц на 4 6 страницах, список литературы из 7 7 наименований

и приложения на страницах.

ро введении рассмотрено состояние проблемы, обоснована ее актуальность, определены основные направления исследования.

р па ивой ¡глава проводится анализ систем электроснабжения и методов регулирования температуры электрических печей сопротивления непрерывного действия. Исследуются свойства, электрические и технологические режимы работы электрических печей сопротивления непрерывного действия как объектов управления и электроснабжения.

На примере электрических печей сопротивления для обжига керамических изделий Целиноградского керамического комбината (ЦКК) показано, что на учат особенностей технологического процесса работы печей и электрических режимов работы регуляторов является основной причиной, препятствующей рациональной организации электроснабжения, вызывающей снижение качества электроэнергии и приводящей к низкой эффективности использования электрооборудования.

Показано, что организация электроснабжения мощных многозонных электрических печей сопротивления (Я1С) является комплексной оптимизационной задачей, включающей в себя выбор рационального размещения подстанций и уровня напряжения, схемы электроснабжения, способа регулирования мощности, вводимой в печь, и обязательного учета особенностей технологического процесса работы печей. В качестве критериев оптимизации предлагается использовать такие показатели как минимум дисперсии мощности, минимум потерь электроэнергии в система, обеспечение требуемых показателей качества электроэнергии, в частности - минимума уровня " высших гармонических составляющих.

Проведенный анализ работ по организации электроснабжения и регулирования режимов работы ШС, показал, что этим вопросам уделяли большое внимание как ученые, зали-

мающиеся проблемами электроснабжения и качества электроэнергии: Веников В.А., 1едоров A.A., Хежелекко И.В., Шевченко В.В., Кудрин Б.И. и др., гак и ученые в области управления электротермическими установками: Свенчанский А.Д., Альтгаузен А.П., Полищук Я. А. и др., представляющие научные школы МЭИ и ВНИИЗГО. В таких работах не содержатся готовые решения по выбору рациональных схем и способов управления многозонными электрическими печами, обеспечивающих улучшение энергетических характеристик.

По результатам анализа в работе намечены основные методы управления много зонными <ПС, базирующие на жесткой синхронизации периодов работы каддой зоны. Сформулированы цель и задачи исследования.

Бгдрад г/гава посвящена исследованию схем электроснабжения и качества электроэнергии при питании 31С от тирис-торных преобразователей с фазокмпульскым регулированием. На основании анализа схем электроснабжения многозонными печали сопротивления для обжига керамических изделий применительно к ЦКК показано, что с учетом нелинейного характера переменной нагрузки целесообразен переход от трехуровневой к двухуровневой системе с глубоким вводом ПО/О,4 кВ, с канализацией электроэнергии до тиристорных регуляторов при помощи шшопроводов ъ применением блока "шинопровод-пачь". Как промежуточное решение, может быть рекомендована система электроснабжения на трех уровнях напряжения 110/10/0,4 kB.

Проведено определение и прогнозирование гармонического состава и уровня высших гармонических составляющих тока и напряжения, генерируемых гиристорными регуляторами напряжения, питающими <ПС. Предложена эквивалентная схема замещения многозонной ШС с тиристорными регуляторами и питающей подстанцией, приведенная на рис.1. Показано, что схема рис.1 является инвариантной к способу управления тиристорными регуляторами и определяет многозоннув aiC как объект электроснабжения. Токи и напряжения в элементах схемы рис.1 для любой гармонической составляю-

определяются системой уравнений:

Тс = "Uc/Zc ; 7Р = Uc/Xcj

Zi -- ($> -Щ/^Hi ;

he = им/Ха>;

¿/f = £c-I(Zc~£r ; * /лг + Лс = ,

где.£- ток в г »ой ветви (г »ой зоне печи), создаваемый первой гармонической составляющей, т.е. ЭДС сети Ес i

Ie - первая гармоническая составлявшая тока сети;

1е - первая гармоническая составляющая емкостного тока сети;

Uc - напряжение (потенциал) узла схемы замещения, к которому подключены зоны печи; /л" - ток в L -ой ветви, создаваемый $ -ой гармонической составляющей} J ос - ¡) -я составляющая тока сети;

1/е - i> -я составляющая емкостного тока сети;

Напряжение узла для У - ой гармонической составляющей.

Система (I) допускает "аналитическое решение, опреде-гаощеэ токи и напряжение в любой точке схемы, однако б о- zee целесообразно численное решение ка 2Ш, для которого

разработана программа.

Исследования системы рксЛна ЭШ и с помощью разработанной физической модели, повторяющей реальную систему электроснабжения, показали,что влияние внутреннего сопротивления питающей подстанции для реальных параметров печей мало, не превышает 5 %* Это позволило в дальнейшем проводить анализ на основа упрощенной схемы замещения, в которой питающая подстанция имеет неограниченную мощность.

Определен гармонический состав токов и напряжений в система при фазоишульсном управлении тирисгорными регуляторами. Показано, что в система действуют только нечетные гармонические составляющие,из которых 3-я на проходит в питающую сеть, а наиболее значительными являются 5-я, 7«я и Ц-я. Технологический режим печи сопротивления и установленные мощности нагревателей в каждой зоне таковы, что тиристорныз регуляторы мощности в установившемся режиме длительно работают с утлом регулирования d ь 010 приводит к уровню указанных высших гармонических составляющих в несколько раз превышающих допустимые ГОСТом значения.

В результата исследований, проведенных на физической модели системы, методом планирования эксперимента получено уравнение регрессии вида

* 0,34- + 0,55 XcU - (2)

Пл х» - 0,05 *сХнСС, Xcd Xtf ХМ5 ^S

где в качестве базовых взяты следующие значения: ■

Хс$ = 0,158 Ом, Х„е = 0,282 Ом, иг = 40°. Полученный результат подтверждает аналитические зависимости и

согласуется с результатами экспериментов, проведенных непосредственно на пата.

Нагрузка, которой является многозонная ШС с гирис-торными регуляторами температуры, носяг случайный характер по времени. Поэтому в работе были проведены исследования вероятностных нагрузок и уровней высших гармонических составляющих. Эти исследования также проводились на физической модели методами планирования эксперимента, а результаты представлены в форме уравнений регрессии.

В трогьей главе исследуются основные свойства предложенной системы синхронизированного управления электроснабжением многозонных ШС с гиристорными регуляторами.

Синхронизированное управление многозонными печами с тиристорными регуляторами температуры может " быть использовано как при фазоимпульсном, так и при широтно-импуль-сном регулировании напряжения. При таком управлении каналы многоканальной нагрузки подключаются к питающей сети не одновременно, а последовательно определенными группами (рис.2). Возможность такой организации управления многоканальной нагрузкой обусловлена тем, что в печах сопротивления запас по мощности многозонными печами с тиристорными регуляторами позволяет исключить "бостоновые" паузы.в питающей сети и тем самым выровнять график нагрузки и минимизировать уровень высших гармонических составляющих.

При синхронизированном управлении тиристорными регуляторами с фазоимпульсным управлением угол регулирования

оС в установившемс^режиме может быть уменьшен с сА* до = ¿¡г. где У - число тактов, на

Которое разбивается период коммутации каждой зоны печи. Число ^ целесообразно выбирать соизмеримым с числом зон печи, но ке менее 10. В этом случае переход от простого фазоимпульсного управления к синхронизированному приводит к уменьшению угла регулирования до зна-

чения * , при котором коэффициент несинусои- дальности снижается с 22 до 5 % (т.е. не превышает до-

пустимых ГОСТом значений), а коэффициент мощности увеличивается с 0,7 до 0,95. Из приведенного сравнения следует, что переход к синхронизированному управлению многозогаш-ми печами сопротивления с тиристорными регуляторами при фа-зоимпульсном управлении позволяет уменьшить установленную мощность электрооборудования приблизительно на 25 % и отказаться от использования на подстанции фшырокомпенси-рующих устройств.

Кроме того, использование синхронизированного управления позволяет выровнить график потребляемой мощности за счет подбора числа и мощности одновременно включаемых зон печи.

В работе получены зависимости, определяющие основные энергетические характеристики, суммарную мощность, уровень высших гармонических составляющих для детерминированной и случайной нагрузки при синхронизированном управлении многозонными печами сопротивления с тиристорными регуляторами, снабженными фазоимпульсным управлением.

В работе показано, что лучшие энергетические показатели и качество электроэнергии обеспечивает использование синхронизированного управления в сочетании с сщротно-им-пульсным регулирование тиристоров. На основа известных соотношений, определяющих энергетические характеристики одного регулятора переменного тока с широтно-ишульснкы управлением в работе получены зависимости для энергетических характеристик, суммарной потребляемой мощности при детерминированной и случайной нагрузке, создаваемой многозонными печами сопротивления при синхронизированном управлении зонами, в которых используется широтно-импуль-сное регулирование тиристоров.

При широтно-импульсном и синхронизированном управлении печами сопротивления важным является вопрос выбора периода квантования. Он непосредственно связан с анализом технологического процесса, в котором используется печь сопротивления, и с ее динамическими характеристиками как объекта регулирования температуры. В работе:. по-

каз&но, что допустимый период квантования по времени, т.е. период коммутации калдаой зоны печи должен удовлетворять неравенству

" ,еГ s-i-s/г* п t-SJaj * о)

где Тс - постоянная времени печи; 8 - точность регулирования температуры; j> - превышение установленной мощности печи Рноы над средней Рср мощностью, требуемой для поддержания заданного значения температуры. Показано, что период квантования Т для печей рассматриваемого класса составляет на менее 30 мин.

р четвертой рлара рассматриваются вопросы реализации предложенных методов синхронизированного управления многозонными печами сопротивления с тиристорными регуляторами температуры, приводятся методика и результаты экспериментальных исследований систем электроснабжения с фазоимпуль-сным и широтно-импульсным управлением тиристораш на промышленных многозонных печах. Особенностью методики экспериментального определения уровней и состава высших гармонических составляющих токов и напряжений на различных участках системы электроснабжения »шляется осцшюграфа-рование и магнитная запись кривых напряжений и токов. Кроме этих методов, использовались анализаторы, дающие интегральную оценку качества электроэнергии - коэффициент носинусоидальности.

На рис.3 приведены спектрограммы токов и напряжений на пинах подстанции, питающей многозонную печь сопротивления, полученные при работе тиристорных регуляторов в режиме фазоимпульсного управления. На рис. 4 приведены гистограммы коэффициента несинусоидалькости Кнс, снятые при тах же условиях одновременно со спектрограммами. Экспориментальные исследования подтверждают результаты-теоретических исследований и физического моделирования с точностью погрешности измерений, не превышающей 2$. В

о г 4 б г го им

о г 4 б а (о /ъ /з

5£ 7,0 $,2 9,4 ¿0,5 Рис. 4

ко н / е и е р

■частности экспериментально была подтверждена правомерность допущения, принятого в гл.П, о том, что шут ре не о сопротивление питающей подстанции может не приниматься в расчет при анализа качества электроэнергии и мощность системы может приниматься неограниченной.

Экспериментальные исследования подтвердили высокую вероятность появления постоянной составляющей тока в питающей сети при неправильной (несимметричной) настройке системы нмпульсно-фазового управления тиристорами.

Экспериментальные исследования системы синхронизированного управления многозонной печью с тиристорными регулятора-ни, управляемыми от фазоимпульсной системы проводились на ЦКК, где регуляторы печи были дополнены специально разработанным блоком. Переход к синхронизированному управлению улучшает энергетические характеристики системы электроснабжения. Так, например, полная мощность, потребляемая печью снизилась с 1660 кВА до 1170 кВА, активная мощность равная 980 кВт практически не изменилась, а коэффициент мощности увеличился с 0,51 до 0,85. Ток высших гармоник уменьшился с 500 А до среднего значения 200.А. Это позволяет отказаться от установки фильтрокоыпексируших устройств и существенно снизить мощность конденсаторных батарей. Эксперименты показывал!, что квантование по времени не оказывает заметного влияния на точность регулирования температуры в зонах печи.

Реализация предложенного в работе способа синхронизированного управления многозонной ЭОС в виде упомянутого выше дополнительного блока, коммутирующего уставки тиристорных регуляторов с фазоимпульсныы управлением, целесообразна лишь для действующих печей, снабженных фазоимпульсныш регуляторами. Для вновь проектируемых печей целесообразно использование, более простых и надежных тиристорных регуляторов с широтко-импульсным синхронизированным управлением. Схема такой системы управления многоканальной электрической печью сопротивления разработана автором и проанализирована г работе.

На основании права данных исследований установлено, что

наиболее полно идея синхронизированного управления многозонной «ПС непрерывного действия может быть реализована в микропроцессорной системе комплексного управления технологическим процессом, в котором используется печь. На рис.5 приведена функциональная схема разработанной системы комплексного управления технологическим процессом обжига керамических изделий.

В работе разработаны алгоритмы управления подсистемами:

Управления электрическим режимом по критерию качества электроэнергии;

Управления скоростью конвейера подачи керамической плитки;

Управления уставками температуры в зонах печи.

На основе анализа вычислительных операций разработанных алгоритмов и необходимого времени для их реализации показано, что система комплексного управления может быть реализована на база комплекса микропроцессорных средств ИИСЭ (информационно-измерительная система электроснабжения), построенного на микропроцессоре К580. Этот комплекс в настоящее время не приспособлен для ращения задач управления электроснабжением и обеспечивает только измерение, промежуточную обработку и регистрацию электрических параметров. Однако, как показано в работе, его функциональные возможности могут быть расширены для решения задач управления

за счет доработки программного обеспечения и аппаратных средств связи с объектом управления.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1.На основании аналитических исследований, физического моделирования и экспериментов показано, что тирис-горные регуляторы мощности с фазоимпульснш управлением в -системах регулирования температуры многозонных электрических печай сопротивления генерируют высшие гармонические составляющие тока и напряжения в питающих подстанциях напряжением 0,4 кВ, при этом коэффициент несшусоидальности

по току составляет не менее 0,25, по напряжению менее 0,1, что приводит к снижению коэффициента мощности до 0,7 и повышению установленной мощности электрооборудования" на 20 + 30 %.

2.Быявлено, что перевод гириоторных регуляторов мощности с фазоимпульсного на шротно-импульсное автономное управление практически исключает возникновение в питающей сети высших гармонических составляющих тока и напряжения, но приводит к появлению субгармонических колебаний и не улучшает энергетических показателей системы электроснабжения.

3.Аналитически и путем эксперимента на промышленной многозонной печи доказана целесообразность применения разработанного способа и системы синхронизированного управления гиристорными регуляторам температуры многозонных электрических печей сопротивления как при фазоимпульсном, так к шротно-ишульском регулировании, причем применительно к последнему можно полностью исключить из питающей сети высшие гармоники тока и напряжения.

4.Определены оптимальные по критерию минимума дисперсии мощности алгоритмы управления многоканальной нелиней-. ной нагрузкой, которой являются шогозонные электрические печи сопротивления, и их временные параметры, зависящие от технологических и энергетических характеристик отдельных зон печей.

5. Разработана на база ИИСЭ микропроцессорная система комплексного управления технологическими процессом обжига керамической плитки и энергопотреблением многозонной электрической печи сопротивления, обеспечивающая повышение качества электроэнергии, снижение энергопотребления и установленной мощности электрооборудования, повышение качества керамической плитки и производительности установки.

6.По результатам работы получено положительное решение.

Основные положения диссэртационной работы отражены в следующих публикациях.

1.Разгонов Е.Л. Составление алгоритма и программы расчета уровней высших гармоник в электрических сетях на базе методов планирования эксперимента // Рабочие процессы и усовершенствование теплотехнических устройств и электрических систем. Алма-Ата: КазПТИ. 1979. Межвуз.сб.науч.тр. С. 16-20.

2.Россман Д.М., Разгонов Е.Л., Трофимов Г.Г.

Оценка погрешности прогнозирования уровней высших гармоник в электрических сетях // Рабочие процессы и усоверценство-вание теплотехнических устройств и электрических систем. Алма-Ата: КазПТИ. 1979. Межвуз.сб.науч.тр. С. 20-26.

3.Разгонов E.JI., Трофимов Г.Г. Изменение схемы тирис-торного регулятора напряжения с целью минимизации высших гармоник и улучшения технико-экономических показателей // Электрофизика, электромеханика и прикладная электротехника. Алма-Ата: КазПТИ. 1980. Межвуз.сб.науч.тр. С. 173179.

4.Трофимов Г.Г., Вагонов В.Л. Метод расчета и прогнозирования уровней высших гармоник в электрических сетях с вентильными преобразователями // Уменьшение искажений в цепях с силовыми полупроводниковыми преобразователями. Таллин: Ин-т теплофизики и эл.физики. 2981. С. 33-40,

5.Кац А.М., Разгонов Е.Л., Гаценко H.A. Повышение надежности и качества электроэнергии в системе электроснабжения керамического комбината // Повышение надежности и качества электро- и теплоснабжения/ М. :ЩШП. IS83.

6.Применение теории планирования эксперимента для решения вопросов повышения качества электроэнергии / Трофимов Г.Г., Разгонов Е.Л., Маркус A.C. и др. // Алма-Ата: КазПТИ. 1964. Межвуз.сб.науч.тр. С. 89-92.

7.Трофимов Г.Г., Разгонов Е.Л» Прогнозирование уровней высших гармоник в электрических сетях с векткльшшЕ преобразователями. М.г МЭИ. .¿985. Тр. МЭИ. Вып.59 С. 8895.

8.Разгонов Е.Л. Опыт привязки, внедрения и эксплуа-

гадии автоматизированных систем учета потребления электроэнергии на промышленных предприятиях // Качество и потери электроэнергии в алектрических сетях. / Алма-Ата: КазПТИ. 1986. Межвуз.сб.науч.тр. С. 12-17.

Э.Вазгонов Е.Л. .Гаденко H.A. Автоматизация учета и контроля потребления электроэнергии // Стекло и керамика. 1986. № 8. С. 25.

Ю.Дворников Н.И., Кручинин С.Н., Разгонов Е.Д. Комплекс ИИСЭ - Электроника для моделирования режимов элек-т pono г ре бдения // Моделирование электроэнергетических систем. Рига: Тр. IX Всесоюзной науч.конференции. 1987. С. 405-406.

П.Джапарова Р.К., Маркус A.C., Разгонов E.JI. Автоматизация режимов электропогребления и управления технологическими процессами на базе комплекса ИИСЭ-ЭВМ. // Актуальные проблемы машиностроения. Алма-Ата: Наука. 1989. С. 16-17.

12.Использование комплекса ШЗЭ-8ВМ для управления электротермическими установками / Джапарова Р.К., Маркус A.C., Разгонов Е.Л. и др.// Тр.Моск.экергин-т. 1991. Вып. 634. С. 104-109.

Подписали к лечат Л - "

Н.ч л /Jó Тираж /СО 3at¡u Ü9Q

Тя№*г}т4>ми M/>il, Xf)4rMoha.Mß.cHHa..

• Похожие работы
  

  • Повышение эффективностисистем электроснабжения керамических предприятий промышленности стойматериалов
  • Повышение эффективности систем электроснабжения керамических предприятий промышленности стройматериалов
  • Электрофизические установки и сверхпроводящие электротехнические устройства

— устройство, обладающее свойствами полупроводника, в основе конструкции которого лежит монокристаллический полупроводник, имеющий три или больше p-n-переходов.

Его работа подразумевает наличие двух стабильных фаз:

• «закрытая» (уровень проводимости низкий);
• «открытая» (уровень проводимости высоки).

Тиристоры — устройства, выполняющие функции силовых электронных ключей. Другое их наименование — однооперационные тиристоры. Данный прибор позволяет осуществлять регуляцию воздействия мощных нагрузок посредством незначительных импульсов.

Согласно вольт-амперной характеристике тиристора, увеличение силы тока в нём будет провоцировать снижение напряжения, то есть появится отрицательное дифференциальное сопротивление.

Кроме того, эти полупроводниковые устройства могут объединять цепи с напряжением до 5000 Вольт и силой тока до 5000 Ампер (при частоте не более 1000 Гц).

Тиристоры с двумя и тремя выводами пригодны для работы как с постоянным, так и с переменным током. Наиболее часто принцип их действия сравнивается с работой ректификационного диода и считается, что они являются полноценным аналогом выпрямителя, в некотором смысле даже более эффективным.

Разновидности тиристоров отличаются между собой:

• Способом управления.
• Проводимостью (односторонняя или двусторонняя).

Общие принципы управление

В структуре тиристора имеется 4 полупроводниковых слоя в последовательном соединении (p-n-p-n). Контакт, подведённый к наружному p-слою — анод, к наружному n-слою — катод. Как результат, при стандартной сборке в тиристоре максимально может быть два управляющих электрода, которые крепятся к внутренним слоям. Соответственно подключённому слою проводники, по типу управления устройства делятся на катодные и анодные. Чаще используется первая разновидность.

Ток в тиристорах течёт в сторону катода (от анода), поэтому соединение с источником тока осуществляет между анодом и плюсовым зажимом, а также между катодом и минусовым зажимом.

Тиристоры с управляющим электродом могут быть:

• Запираемыми;
• Незапираемыми.

Показательным свойством незапираемых приборов является отсутствие у них реакции на сигнал с управляющего электрода. Единственный способ закрыть их — снизить уровень протекающего сквозь них тока так, чтобы он уступал силе тока удержания.

Управляя тиристором следует учитывать некоторые моменты. Устройство данного типа сменяет фазы работы с «выключен» на «включён» и обратно скачкообразно и только при условии внешнего воздействия: при помощи тока (манипуляции с напряжением) или фотонов (в случаях с фототиристором).

Чтобы разобраться в данном моменте необходимо помнить, что у тиристора преимущественно имеется 3 вывода (тринистор): анод, катод и управляющий электрод.

Уэ (управляющий электрод) как раз таки и отвечает за то, чтобы включать и выключать тиристор. Открытие тиристора происходит при условии, что приложенное напряжение между А (анодом) и К (катодом) становится равным или превосходит объём напряжения работы тринистора. Правда, во втором случае потребуется воздействие импульса положительной полярности между Уэ и К.

При постоянной подаче питающего напряжения тиристор может быть открыт бесконечно долго.

Чтобы перевести его в закрытое состояние, можно:

• Снизить уровень напряжения между А и К до нуля;
• Понизить значение А-тока таким образом, чтобы показатели силы тока удержания оказались больше;
• Если работа цепи построена на действии переменного тока, выключение прибора произойдёт без постороннего вмешательства, когда уровень тока сам снизится до нулевого показания;
• Подать запирающее напряжение на Уэ (актуально только в отношении запираемых разновидностей полупроводниковых устройств).

Состояние закрытости тоже длится бесконечно долго, пока не возникнет запускающий импульс.

Конкретные способы управления

• Амплитудный .

Представляет собой подачу положительного напряжения изменяющейся величины на Уэ. Открытие тиристора происходит, когда величины напряжения довольно, чтобы пробиться через управляющий переход тока спрямления (Iспр.). При помощи изменения величины напряжения на Уэ, появляется возможность изменения времени открытия тиристора.

Главный недочёт этого метода — сильное влияние температурного фактора. Кроме того, для каждой разновидности тиристора потребуется резистор другого вида. Этот момент не добавляет удобства в эксплуатации. Помимо этого время открытия тиристора возможно корректировать лишь пока длится первая 1/2 положительного полупериода сети.

• Фазовый.

Заключается в смене фазы Uупр (в соотношении с напряжением на аноде). При этом применяется фазовращательный мост. Главный минус — малая крутизна Uупр, поэтому стабилизировать момент открытия тиристора можно лишь ненадолго.

• Фазово-импульсный .

Рассчитан на преодоление недостатков фазового метода. С этой целью на Уэ подаётся импульс напряжения с крутым фронтом. Данный подход в настоящее время наиболее распространён.

Тиристоры и безопасность

Из-за импульсности своего действия и наличия обратного восстановительного тока тиристоры очень сильно повышает риск перенапряжения в работе прибора. Помимо этого опасность перенапряжения в зоне полупроводника высока, если в других частях цепи напряжения нет вовсе.

Поэтому во избежание негативных последствий принято использовать схемы ЦФТП. Они препятствуют появлению и удержанию критический значений напряжения.

Двухтранзисторная модель тиристора

Из двух транзисторов вполне можно собрать динистор (тиристор с двумя выводами) или тринистор (тиристор с тремя выводами). Для этого один из них должен иметь p-n-p-проводимость, другой — n-p-n-проводимость. Выполнены транзисторы могут быть как из кремния, так и из германия.

Соединение между ними осуществляется по двум каналам:

• Анод от 2-го транзистора + Управляющий электрод от 1-го транзистора;
• Катод от 1-го транзистора + Управляющий электрод от 2-го транзистора.

Если обойтись без использования управляющих электродов, то на выходе получится динистор.

Совместимость выбранных транзисторов определяется по одинаковому объёму мощности. При этом показания тока и напряжения должны быть обязательно больше требуемых для нормального функционирования прибора. Данные по напряжению пробоя и току удержания зависят от конкретных качеств использованных транзисторов.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.

Мощность современных электропечей сопротивления колеблется от долей киловатта до нескольких мегаватт. Печи мощностью более 20 кВт обычно выполняют трехфазными и подключают к сетям напряжением 120, 380, 660 В непосредственно или через печные трансформаторы. Коэффициент мощности печей сопротивления близок к 1, распределœение нагрузки по фазам в трехфазных печах равномерное.

Применяемое в ЭПС электрическое оборудование подразделяется на силовое, аппаратуру управления, измерительную и пирометрическую.

К силовому оборудованию относятся трансформаторы, понижающие и регулировочные автотрансформаторы, блоки питания, приводящие в действие механизмы электроприводов, силовая коммутационная и защитная аппаратура, рубильники, контакторы, магнитные пускатели, автоматические выключатели и плавкие предохранители.

Большинство печей выполняют на напряжение питающей сети: они не нуждаются в трансформаторах и автотрансформаторах. Применение понижающих печных трансформаторов позволяет увеличить рабочие токи и применять для изготовления нагревателœей проводники большего сечения, что повышает их прочность и надежность,

Все промышленные печи сопротивления работают в режиме автоматического регулирования температуры, что позволяет приводить в действие мощность печи с требуемым температурным режимом, а это, в свою очередь, ведет к. снижению удельного расхода электроэнергии по сравнению с ручным регулированием. Регулирование рабочей температуры в электрических печах сопротивления производится изменением поступающей в печь мощности.

Регулирование подводимой к печи мощности должна быть произведено несколькими способами: периодическое отключение и подключение печи к питающей сети (двухпозиционное регулирование); переключение печи со звезды на треугольник, либо с последовательного соединœения на параллельное (трехпозиционное регулирование).

При двухпозиционном позиционном регулировании (рис. 4.40) показаны функциональная схема включения печи, изменение температуры и мощности), температура в рабочем пространстве ЭПС контролируется термопарами, термометрами сопротивления, фотоэлементами. Включение печи производится регулятором температуры посредством подачикоманды на катушку выключателя КВ.

Температура в печи растет до значения , в данный момент терморегулятор отключает печь.

Рис. 4.40. Функциональная схема включения печи, изменение

температуры и мощности при двухпозиционном регулировании:

ЭП - электропечь; В - выключатель;

РТ - регулятор температуры; КВ - катушка выключателя;

1 - температура печи; 2 - температура нагреваемого тела;

3 - средняя потребляемая печью мощность

За счёт поглощения теплоты нагреваемым телом и потерь в окружающее пространство температура снижается до , после чего РТ вновь дает команду на подключение пе­чи к сети.

Глубина пульсаций температуры зависит от чувствительности РТ, инœерционности печи и чувствительности датчика температуры.

При трехпозиционном регулировании подводимая к печи мощность меняется при переключении нагревателœей со звезды на треугольник. Регулирование температуры этим методом позволяет снизить мощность, потребляемую из сети.

С энергетической точки зрения такой метод регулирования достаточно эффективен, так как при нем не оказывается вредного влияния на питающую сеть.

Регулирование мощности печи изменением подводимого напряжения должна быть осуществлено несколькими способами:

Применение регулировочных трансформаторов и автотрансформаторов с плавным бесконтактным регулированием под нагрузкой;

Использование потенциал-регуляторов;

Включение в цепь нагревателœей дополнительных сопротивлений в виде дросселœей и реостатов;

Импульсное регулирование с использованием тиристорных регуляторов.

Использование трансформаторов с плавным бесконтактным регулированием под нагрузкой, автотрансформаторов и потенциал-регуляторов связано со значительными капитальными затратами, наличием дополнительных потерь и потреблением реактивной мощности. Этот способ применяется редко.

Включение в цепь нагревателœей дополнительного индуктивного или активного сопротивления связано с дополнительными потерями и потреблением реактивной мощности, что также ограничивает применение этого способа регулирования.

Импульсное регулирование на базе тиристорных регуляторов осуществляется с помощью полупроводниковых вентилей, периодичность работы которых выбирают исходя из тепловой инœерционности электропечи.

Можно выделить три базовых способа импульсного регулирования мощности, потребляемой от сети переменного тока:

1. Импульсное регулирование при частоте коммутации ( - частота тока питающей сети) с изменением момента отпирания тиристора принято называть фазоимпульсным или фазным (кривые а).

2. Импульсное регулирование с повышенной частотой коммутации (кривые б).

3. Импульсное регулирование с пониженной частотой коммутации (кривые в).

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

На рис. 4.41 показана схема импульсного регулирования мощности печи.

Рис. 4.41. Схема импульсного регулирования мощности печи:

ЭП - электропечь; РТ - теплорегулятор; УТ - блок управления тиристорным регулятором; ТР - тиристорный регулятор

Параметров печей сопротивления - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Параметров печей сопротивления" 2017, 2018.