Електричні печі опору управління регулювання. Автоматизація керування електричною піччю. Система керування печі

- пристрій, що має властивості напівпровідника, в основі конструкції якого лежить монокристалічний напівпровідник, що має три або більше p-n-переходів.

Його робота має на увазі наявність двох стабільних фаз:

• "закрита" (рівень провідності низький);
• "відкрита" (рівень провідності високі).

Тиристори - пристрої, що виконують функції силових електронних ключів. Інше їх найменування - одноопераційні тиристори. Даний прилад дозволяє здійснювати регулювання впливу потужних навантажень за допомогою незначних імпульсів.

Відповідно до вольт-амперної характеристики тиристора, збільшення сили струму в ньому провокуватиме зниження напруги, тобто з'явиться негативний диференціальний опір.

Крім того, ці напівпровідникові пристрої можуть поєднувати ланцюги з напругою до 5000 Вольт і силою струму до 5000 Ампер (при частоті не більше 1000 Гц).

Тиристори з двома та трьома висновками придатні для роботи як з постійним, так і зі змінним струмом. Найчастіше принцип їх дії порівнюється з роботою діода ректифікації і вважається, що вони є повноцінним аналогом випрямляча, в деякому сенсі навіть більш ефективним.

Різновиди тиристорів відрізняються між собою:

• Методом управління.
• Провідність (одностороння або двостороння).

Загальні принципи управління

У структурі тиристора є 4 напівпровідникові шари в послідовному з'єднанні (p-n-p-n). Контакт, підведений до зовнішнього p-шару - анод, до зовнішнього n-шару - катод. Як результат, при стандартному складанні в тиристорі максимально може бути два керуючі електроди, які кріпляться до внутрішніх шарів. Відповідно до підключеного шару провідники, за типом управління пристрою діляться на катодні та анодні. Найчастіше використовується перший різновид.

Струм у тиристорах тече у бік катода (від анода), тому з'єднання з джерелом струму здійснює між анодом і плюсовим затиском, а також між катодом і мінусовим затиском.

Тиристори з керуючим електродом можуть бути:

• Замикаються;
• Незамикають.

Показовою властивістю приладів, що незапираються, є відсутність у них реакції на сигнал з керуючого електрода. Єдиний спосіб закрити їх - знизити рівень струму, що протікає крізь них, щоб він поступався силі струму утримання.

Керуючи тиристором, слід враховувати деякі моменти. Пристрій даного типу змінює фази роботи з "вимкнений" на "включений" і назад стрибкоподібно і тільки за умови зовнішнього впливу: за допомогою струму (маніпуляції з напругою) або фотонів (у випадках з фототиристором).

Щоб розібратися в даному моментіНеобхідно пам'ятати, що у тиристора переважно є 3 висновки (триністор): анод, катод та керуючий електрод.

Уе (керуючий електрод) якраз і відповідає за те, щоб включати і вимикати тиристор. Відкриття тиристора відбувається за умови, що прикладена напруга між А (анодом) і К (катодом) стає рівною або перевищує обсяг напруги роботи тріністора. Щоправда, у другий випадок знадобиться вплив імпульсу позитивної полярності між Уе і До.

При постійній подачі напруги тиристор може бути відкритий нескінченно довго.

Щоб перевести його в закритий стан, можна:

• Зменшити рівень напруги між А та К до нуля;
• Зменшити значення А-струму таким чином, щоб показники сили струму утримання виявилися більшими;
• Якщо робота ланцюга побудована на дії змінного струму, Вимкнення приладу відбудеться без стороннього втручання, коли рівень струму сам знизиться до нульового показання;
• Подати замикаючу напругу на Уе (актуально тільки щодо різновидів напівпровідникових пристроїв, що замикаються).

Стан закритості теж триває нескінченно довго, поки не виникне імпульс, що запускає.

Конкретні методи управління

• Амплітудний .

Являє собою подачу позитивної напруги величини, що змінюється на Уе. Відкриття тиристора відбувається, коли величини напруги достатньо, щоб пробитися через керуючий перехід струму випрямлення (Iспр.). За допомогою зміни величини напруги на Уе з'являється можливість зміни часу відкриття тиристора.

Основний недолік цього — сильний вплив температурного чинника. Крім того, для кожного різновиду тиристора буде потрібно резистор іншого виду. Цей момент не додає зручності в експлуатації. Крім цього час відкриття тиристора можна коригувати тільки доки триває перша 1/2 позитивного напівперіоду мережі.

• Фазовий.

Полягає у зміні фази Uупр (у співвідношенні з напругою на аноді). При цьому застосовується фазообертальний міст. Головний мінус - мала крутість Uупр, тому стабілізувати момент відкриття тиристора можна лише ненадовго.

• Фазово-імпульсний .

Розрахований подолання недоліків фазового методу. З цією метою на Уе подається імпульс напруги з крутим фронтом. Цей підхід нині найбільш поширений.

Тиристори та безпека

Через імпульсність своєї дії та наявність зворотного відновлювального струму тиристори дуже підвищує ризик перенапруги в роботі приладу. Крім цього, небезпека перенапруги в зоні напівпровідника висока, якщо в інших частинах ланцюга напруги немає зовсім.

Тому, щоб уникнути негативних наслідківприйнято використовувати схеми ЦФТП. Вони перешкоджають появі та утриманню критичний значеньнапруги.

Двотранзисторна модель тиристора

З двох транзисторів цілком можна зібрати диністор (тиристор із двома висновками) або триністор (тиристор із трьома висновками). Для цього один з них повинен мати p-n-p-провідність, інший - n-p-n-провідність. Виконані транзистори можуть бути як із кремнію, так і з германію.

З'єднання між ними здійснюється двома каналами:

• Анод від 2-го транзистора + Керуючий електрод від 1-го транзистора;
• Катод від 1-го транзистора + Керуючий електрод від 2-го транзистора.

Якщо обійтися без використання електродів, що управляють, то на виході вийде диністор.

Сумісність вибраних транзисторів визначається за однаковим обсягом потужності. При цьому показання струму і напруги повинні бути обов'язково більше необхідних для нормального функціонуванняприладу. Дані щодо напруги пробою та струму утримання залежать від конкретних якостей використаних транзисторів.

Пишіть коментарі, доповнення до статті, може, я щось пропустив. Загляньте на , буду радий якщо ви знайдете на моєму ще щось корисне.

Автореферат дисертації на тему "Підвищення ефективності систем електропостачання багатозонних електричних печей опору з тиристорними регуляторами"

московський овдена леніна та овдена Жовтневої революції енергетичний інститут

На правах рукопису РОЗГОНІВ ЯНГШИЙ ЛЬВОВИЧ

підвищення ефективності систем електропостачання багатозонних електричних печей опору з тиристоршш регуляторами

Спеціальності: 05.09.03 - Злактротехнічні комплекси

та системи, включаючи їх регулювання та управління;

05.09.10 - Еївктрегердачеські процеси та установки

Москва - 1991

Робота виконана на кафедра "Електропостачання промислових підприємств" Аліа-Атінсдого енергетичного інституту.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор О.В.БОЛОТОВ

Офіційні опоненти – доктор технічних наук,

професор В.В.ШЕВЧЕНКО – кандидат технічних наук, ст.наук.сотр. .завлабораторією іншого ю.с.йОФБВ

Ведуче підприємство - Цілиноградський керамічний комбінат

Захист дисертації відбудеться ^^ 1991р. в аудиторії годину. хв. на засідання-

ні спеціалізованої Ради До 053.26.06 Московського ордена Леніна та ордена Жовтневої Революції енергетичного інституту.

Відкликання (у двох примірниках, заварені печаткою) просимо надсилати за адресою: 105835, ДСП, Москва, Б-250, Червоноказарменна вул.14, Вчений Совег МЕІ.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці МШ.

Вчений секретар спеціалізованої ради До 053.16.06

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

" \ ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

■Л „ЦП i ®

Арууально^т^ тим^. Сучасний розвитокнародного господарства пов'язано зі зростанням застосування електротермічних процесів, що забезпечують підвищену якість матеріалів і виробів, появу нових прогресивних технологій, зростання продуктивності праці, поліпшення екологічної обстановки. Для сучасних електротермічних установок характерно збільшення одиничної потужності, що сприяє збільшенню продуктивності та зниженню собівартості виробництва, коефіцієнта корисної дії.

Однак зростання потужності та ускладнення самих електротермічних установок, режимів їх роботи та регулювання призводить до того, що як споживач електроенергії вони є нелінійним навантаженням, що надає значне вишення на систему електропостачання. Значимість впливу електротермічних установок на мережу живлення стає зрозумілою, якщо врахувати, що вони споживають близько третини всієї виробленої електроенергії.

Це робить вельми актуальним вирішення завдань раціональної організації електропостачання потужних електротехнологічних установок, підвищення якості електроенергії.

У цій роботі на прикладі потужних електричних печей опору безперервної дії про тиристорними регуляторами температури розглядаються можливі шляхи поліпшення їх електропостачання за рахунок зменшення впливу нелінійності навантаження, які забезпечуються вибором раціональних способів управління. Візалізація цих тонших способів управління багатоканальним нелінійним навантаженням може бути забезпечена сучасному етапіза допомогою мікропроцесорних засобів.

Метою роботи є розробка цифрових систем управління електропостачанням потужних електричних багатозонних печей опору з тиристорними регуляторами температури, що забезпечують підвищення якості елакгро-

анергії за рахунок зниження рівня найвищих гармонійних складових.

Для досягнення зазначеної мети в роботі були поставлені та вирішені наступні завдання:

1.Аналіз схем електропостачання потужних багатозонних електричних печей опору з тирнсторними регуляторами

та їх ідентифікація як об'єкта електропостачання.

2. Розробка математичної та фізичної моделей єнотам електропостачання багатоканальним нелінійним навантаженням та визначення енергетичних характеристик та рівнів вищих. гармонійних складових, що генеруються тиристорними регуляторами температури багатозонних електричних печей опору.

3. Розробка способів синхронізованого управління багатоканальним навантаженням з фазоімпульсним і широтно-імпульсним регулюванням потужності та визначення показників якості електроенергії при детермінованому та випадковому характерах зміни навантаження.

4.Оптимізація рекимов роботи системи електропостачання багатозонних електричних печей опору при синхронізованому управлінні.

5. Експериментальні дослідження систем електропостачання іногозонними електричними печами опору при різних способахкерування потужністю з метою перевірки функціонування розроблених систем керування.

6. Розробка цифрових систем управління електропостачанням багатозонних електричних печей опору, алгоритмів управління та апаратурної реалізації.

Методи дослідження» У роботі використовувалися методи теорії електричних ланцюгів, диференціального аналізу, методи теорії автоматичного регулювання, чисельні методи вирішення рівнянь на ЕОМ, методи фізичного моделювання, методи планування експериментів та регресійного аналізу.

Даучра новика роботи полягає в наступному:

Розроблена спрощена математична модель системи

електропостачання багатоканальним нелінійним навантаженням, що дозволяє за допомогою ЗШ визначити склад та рівні вищих гармонійних складових струмів та напруг, а також сумарні потужність та інтегральні енергетичні показники.

2. Розроблено фізичну модель системи електропостачання багатозонної електричної пати опору з тиристорними регуляторами потужності, що дозволяє дослідити вплив внутрішнього опору системи на показники якості електроенергії.

3.Проведено дослідження на моделях складу та рівнів вищих гармонійних складових, що генеруються тиристор-кими регуляторами при фазоімпульсному управлінні та отримані залежності, що дозволяють визначити рівні н склад вищих гармонік на шинах пітадей підстанції та прогнозувати їх зміну за часом.

4.Отримано аналітичні залежності основних енергетичних показників та показників якості для багатоканального активного навантаження, керованого широтно-імпульсними регуляторами потужності.

5.Отримано аналітичні залежності основних енергетичних показників та показників якості електроенергії для синхронізованого управління багатоканальним навантаженням при фазоімпульсному та широтно-імпульсному регулюванні потужності.

6. Розроблено способи синхронізованого управління багатозонними електричними печами опору, що оптимізують за критерієм мінімуму дисперсії потужності режим електроспоживання печі.

7.Отримано залежності, що пов'язували технологічні та енергетичні показники електричних печей опору з часовими параметрами алгоритму синхронізованого управління, зокрема періоду дискретності.

Практична удннорт(> роботи полягає в тому, що запропоновані нові способи та алгоритми синхронізованого управління багатозонними електричними печами опору, розроблені експериментально перевірені та впроваджені

на промислових печах нові системи цифрового управління, що знижують рівень вищих гармонік і встановлену потужність підстанцій, що живили.

Реадаацри результатів роботи. Розроблено методики розрахунку енергетичних показників рівня та складу вищих гармонійних складових струмів і напруг на окремих зонах багатозонної печі та живильної підстанції при фазоім* пульсному, широтно-імпульсному та синхронізованому управлінні, використані на ЦКК для модернізації піта. Розроблена цифрова система синхронізованого управління багатозонною електричною піччюопору з тиристорними регуляторами потужності впроваджено на печі випалу керамічної штки ЦКК. На ЦКК передані рекомендації щодо впровадження розробленої на базі ІІСЕ мікропроцесорної системи комплексного управління технологічним режимом та енергоспоживанням багатозонних електричних печей опору для випалу керамічних виробів. Очікуваний економічний ефект від застосування результатів робіт становить близько 30 тис.руб. на рік на одну установку.

Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на Республіканських та Всесоюзних науково-технічних конференціях: Алма-Ата (1978 + 1988рр.), Павлодар (1989р.). Свепдловськ, ОДюсс (1984,1987гг.)»Київ,Чернігів (1985р.), Рига (1987,1988рр.), Таллінн (1981р.), а також на ряді науково-технічних семінарах і засіданнях кафедри АЗГУС19 .).

Публікації За темою дисертаційної роботи опубліковано 12 друкованих праць. Отримано позитивне рішення про вдачу авторського свідоцтва за заявкою на винахідні.

Ртруутура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літературних додатків. Вона містить 193 сторінок основного машинописного тексту, 36 малюнків та 12 таблиць на 4 6 сторінках, список літератури з 7 7 найменувань

та програми на сторінках.

ро введенні розглянуто стан проблеми, обґрунтовано її актуальність, визначено основні напрями дослідження.

р па івой ¡глава проводиться аналіз систем електропостачання та методів регулювання температури електричних печей опору безперервної дії. Досліджуються властивості, електричні та технологічні режими роботи електричних печей опору безперервної дії як об'єктів керування та електропостачання.

На прикладі електричних печей опору для випалу керамічних виробів Целиноградського керамічного комбінату (ЦКК) показано, що на навчання особливостей технологічного процесу роботи печей та електричних режимів роботи регуляторів є основною причиною, що перешкоджає раціональній організації електропостачання, що викликає зниження якості електроенергії та призводить до низької ефективності використання електроустаткування .

Показано, що організація електропостачання потужних багатозонних електричних печей опору (Я1С) є комплексним оптимізаційним завданням, що включає вибір раціонального розміщення підстанцій і рівня напруги, схеми електропостачання, способу регулювання потужності, що вводиться в піч, і обов'язкового обліку особливостей технологічного процесу роботи печей. Як критерії оптимізації пропонується використовувати такі показники як мінімум дисперсії потужності, мінімум втрат електроенергії в система, забезпечення необхідних показників якості електроенергії, зокрема - мінімуму рівня "вищих гармонійних складових".

Проведений аналіз робіт з організації електропостачання та регулювання режимів роботи ШС показав, що цим питанням приділяли велику увагу як вчені, залі-

проблеми електропостачання та якості електроенергії: Вініков В.А., 1едоров A.A., Хежелекко І.В., Шевченко В.В., Кудрін Б.І. та ін, гак та науковці в галузі управління електротермічними установками: Свєнчанський А.Д., Альтгаузен А.П., Поліщук Я. А. та ін., що представляють наукові школи МЕІ та ВНДІЗГО. У таких роботах не міститься готові рішенняна вибір раціональних схем і способів управління багатозонними електричними печами, що забезпечують поліпшення енергетичних характеристик.

За результатами аналізу у роботі намічені основні методи управління багатозонними<ПС, базирующие на жесткой синхронизации периодов работы каддой зоны. Сформулированы цель и задачи исследования.

Бгдрад г/гава присвячена дослідженню схем електропостачання та якості електроенергії при живленні 31С від тиристорних перетворювачів з фазокмпульським регулюванням. На підставі аналізу схем електропостачання багатозонного смутку опору для випалу керамічних виробів стосовно ЦКК показано, що з урахуванням нелінійного характеру змінного навантаження доцільний перехід від трирівневої до дворівневої системи з глибоким введенням ПЗ/О,4 кВ, з каналізацією електроенергій до ъ застосуванням блоку "шинопровод-пач". Як проміжне рішення може бути рекомендована система електропостачання на трьох рівнях напруги 110/10/0,4 kB.

Проведено визначення та прогнозування гармонійного складу та рівня вищих гармонічних складових струму та напруги, що генеруються гіристорними регуляторами напруги, що живлять<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-

визначаються системою рівнянь:

Тс = "Uc/Zc; 7Р = Uc/Xcj

Zi - ($> -Щ/^Hi;

he = їм/Ха>;

¿/f = £c-I(Zc~£r ; * /лг + Лс = ,

де. £ - струм у г »і гілки (г »ой зоні печі), створюваний першої гармонійної складової, тобто. ЕРС мережі Ес i

Ie - перша гармонійна струму мережі;

1е - перша гармонійна складова ємнісного струму мережі;

Uc - напруга (потенціал) вузла схеми заміщення, якого підключені зони печі; /л" - струм в L - ї гілки, створюваний $ -ой гармонійної складової) J ос - ¡) -я складова струму мережі;

1/е - i> -я складова ємнісного струму мережі;

Напруга вузла для У - ой гармонійної складової.

Система (I) допускає "аналітичне рішення, опреде-гаощее струми і напруга в будь-якій точці схеми, проте б-zee доцільно чисельне рішення ка 2Ш, для якого

розроблено програму.

Дослідження системи РКСЛна ЕШ і за допомогою розробленої фізичної моделі, що повторює реальну систему електропостачання, показали, що вплив внутрішнього опору підстанції живильної для реальних параметрів печей мало, не перевищує 5% * Це дозволило надалі проводити аналіз на основа спрощеної схеми заміщення, в якій живить підстанція має необмежену потужність.

Визначено гармонійний склад струмів і напруг у система при фазошульсному управлінні тирисгорними регуляторами. Показано, що в система діють лише непарні гармонічні складові,з яких 3-та проходить в мережу живлення, а найбільш значними є 5-а, 7«я і Ц-я. Технологічний режим печі опору і встановлені потужності нагрівачів у кожній зоні такі, що тиристорниз регулятори потужності в режимі, що встановився, тривало працюють з утлом регулювання d '010 призводить до рівня зазначених вищих гармонійних складових у кілька разів перевищують допустимі ГОСТом значення.

В результаті досліджень, проведених на фізичній моделі системи, методом планування експерименту отримано рівняння регресії виду

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

Пл х» - 0,05 * сХнСС, Xcd Xtf ХМ5 ^S

де в якості базових взято такі значення: ■

Хс$ = 0,158 Ом, Х„е = 0,282 Ом, іг = 40 °. Отриманий результат підтверджує аналітичні залежності та

узгоджується з результатами експериментів, проведених безпосередньо на пату.

Навантаження, якою є багатозонна ШС з гиристорними регуляторами температури, носив випадковий характер за часом. Тому в роботі було проведено дослідження ймовірнісних навантажень та рівнів вищих гармонійних складових. Ці дослідження проводилися на фізичної моделі методами планування експерименту, а результати представлені у формі рівнянь регресії.

У трогій главі досліджуються основні властивості запропонованої системи синхронізованого керування електропостачанням багатозонних ШС з гіристорними регуляторами.

Синхронізоване управління багатозонними печами з тиристорними регуляторами температури може бути використане як при фазоімпульсному, так і при широтно-імпульсному регулюванні напруги. При такому управлінні канали багатоканального навантаження підключаються до мережі живлення не одночасно, а послідовно певними групами (рис.2). Можливість такої організації управління багатоканальним навантаженням обумовлена ​​тим, що в печах опору запас по потужності багатозонними печами з тиристорними регуляторами дозволяє виключити "бостонові" паузи.

При синхронізованому керуванні тиристорними регуляторами з фазоімпульсним керуванням кут регулювання

оС в встановленому режимі може бути зменшений з сА* до = ¿г. де У - число тактів, на

Який розбивається період комутації кожної зони печі. Число ^ доцільно вибирати порівнянним з числом зон печі, але не менше 10. У цьому випадку перехід від простого фазоімпульсного управління до синхронізованого призводить до зменшення кута регулювання до зна-

чення * , при якому коефіцієнт несинусоїдальності знижується з 22 до 5 % (тобто не перевищує до-

пустимих ГОСТом значень), а коефіцієнт потужності збільшується з 0,7 до 0,95. З наведеного порівняння слід, що перехід до синхронізованого управління багатозогаш-ми печами опору з тиристорними регуляторами при фа-зоімпульсному управлінні дозволяє зменшити встановлену потужність електрообладнання приблизно на 25% і відмовитися від використання на підстанції фширокомпенсуючих пристроїв.

Крім того, використання синхронізованого управління дозволяє вирівнити графік споживаної потужності за рахунок підбору числа і потужності зон печі, що одночасно включаються.

У роботі отримано залежності, що визначають основні енергетичні характеристики, сумарну потужність, рівень вищих гармонійних складових для детермінованого та випадкового навантаження при синхронізованому управлінні багатозонними печами опору з тиристорними регуляторами, з фазоімпульсним управлінням.

У роботі показано, що найкращі енергетичні показники та якість електроенергії забезпечує використання синхронізованого управління у поєднанні зі сщротно-им-пульсним регулюванням тиристорів. На основу відомих співвідношень, що визначають енергетичні характеристики одного регулятора змінного струму з широтно-ішульським управлінням у роботі отримані залежності для енергетичних характеристик, сумарної споживаної потужності при детермінованій і випадковому навантаженні, створюваної багатозонними печами опору при синхронізованому керуванні зонами, в яких використовується сне регулювання тиристорів.

При широтно-імпульсному та синхронізованому управлінні печами опору важливим є питання вибору періоду квантування. Він безпосередньо пов'язаний з аналізом технологічного процесу, в якому використовується піч опору, та з її динамічними характеристиками як об'єкта регулювання температури. В роботі:. по-

каз&но, що допустимий період квантування в часі, тобто. період комутації калдаой зони печі має задовольняти нерівності

" ,еГ s-i-s/г* п t-SJaj * о)

де Тс – постійна часу печі; 8 – точність регулювання температури; j> - перевищення встановленої потужності печі Рної над середньою Рср потужністю, необхідної підтримки заданого значення температури. Показано, що період квантування Т для печей класу, що розглядається, становить на менше 30 хв.

р четвертої рлара розглядаються питання реалізації запропонованих методів синхронізованого управління багатозонними печами опору з тиристорними регуляторами температури, наводяться методика та результати експериментальних досліджень систем електропостачання з фазоімпульсним та широтно-імпульсним управлінням тиристораш на промислових багатозонних печах. Особливістю методики експериментального визначення рівнів та складу вищих гармонійних складових струмів і напруг на різних ділянках системи електропостачання» вештається осцшюграфа-рування та магнітний запис кривих напруг і струмів. Крім цих методів, використовувалися аналізатори, що дають інтегральну оцінку якості електроенергії - коефіцієнт носінусоідальності.

На рис.3 наведені спектрограми струмів та напруг на пінах підстанції, що живить багатозонну піч опору, отримані при роботі тиристорних регуляторів у режимі фазоімпульсного керування. На рис. 4 наведені гістограми коефіцієнта несинусоїдлькості Кнс, зняті при тих же умовах одночасно зі спектрограмами. Експориментальні дослідження підтверджують результати-теоретичних досліджень та фізичного моделювання з точністю похибки вимірювань, що не перевищує 2$. У

о г 4 б г го їм

о г 4 б а (о / ' / з

5£ 7,0 $,2 9,4 ¿0,5 Мал. 4

к н / е і е р

■ Зокрема експериментально була підтверджена правомірність припущення, прийнятого в гл.П, про те, що жартома не опір живильної підстанції може не братися до уваги при аналізу якості електроенергії і потужність системи може прийматися необмеженою.

Експериментальні дослідження підтвердили високу ймовірність появи постійної складової струму в мережі живлення при неправильному (несиметричному) налаштуванні системи нмпульсно-фазового управління тиристорами.

Експериментальні дослідження системи синхронізованого управління багатозонною піччю з тиристорними регуляторами, керованими від фазоімпульсної системи проводилися на ЦКК, де регулятори печі були доповнені спеціально розробленим блоком. Перехід до синхронізованого керування покращує енергетичні характеристики системи електропостачання. Так наприклад, повна потужність, споживана піччю знизилася з 1660 кВА до 1170 кВА, активна потужність рівна 980 кВт практично не змінилася, а коефіцієнт потужності збільшився з 0,51 до 0,85. Струм вищих гармонік зменшився з 500 А до середнього значення 200.А. Це дозволяє відмовитися від установки фільтро-печірушчих пристроїв і істотно знизити потужність конденсаторних батарей. Експерименти показував, що квантування за часом не надає помітного впливу на точність регулювання температури в зонах печі.

Реалізація запропонованого в роботі способу синхронізованого управління багатозонної ЕОС у вигляді згаданого вище додаткового блоку, що комутує уставки тиристорних регуляторів з фазоімпульсним управлінням, доцільна лише для діючих печей, забезпечених фазоімпульсними регуляторами. Для новопроектованих печей доцільно використання, більш простих та надійних тиристорних регуляторів із широтко-імпульсним синхронізованим управлінням. Схема такої системи управління багатоканальною електричною піччю опору розроблена автором та проаналізована в роботі.

На підставі права даних досліджень встановлено, що

найповніше ідея синхронізованого управління багатозонної «ПС безперервної дії може бути реалізована в мікропроцесорній системі комплексного управління технологічним процесом, в якому використовується піч. На рис.5 наведено функціональну схему розробленої системи комплексного управління технологічним процесом випалу керамічних виробів.

У роботі розроблено алгоритми управління підсистемами:

управління електричним режимом за критерієм якості електроенергії;

Управління швидкістю конвеєра подачі керамічної плитки;

Управління уставками температури у зонах печі.

На основі аналізу обчислювальних операцій розроблених алгоритмів та необхідного часу для їх реалізації показано, що система комплексного управління може бути реалізована на базу комплексу мікропроцесорних засобів ІІСЕ (інформаційно-вимірювальна система електропостачання), побудованого на мікропроцесорі К580. Цей комплекс в даний час не пристосований для обертання задач управління електропостачанням і забезпечує лише вимірювання, проміжну обробку та реєстрацію електричних параметрів. Однак, як показано в роботі, його функціональні можливості можуть бути розширені для вирішення завдань управління

за рахунок доопрацювання програмного забезпечення та апаратних засобів зв'язку з об'єктом управління.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ З РОБОТИ

1.На підставі аналітичних досліджень, фізичного моделювання та експериментів показано, що тирис-гірні регулятори потужності з фазоімпульсним управлінням в -системах регулювання температури багатозонних електричних печей опору генерують вищі гармонічні складові струму і напруги в підстанціях живлення напругою 0,4 кВ, при цьому коефіцієнт несшусоідальності

за струмом становить не менше 0,25, за напругою менше 0,1, що призводить до зниження коефіцієнта потужності до 0,7 та підвищення встановленої потужності електрообладнання на 20 + 30 %.

2. Виявлено, що переведення гіріоторних регуляторів потужності з фазоімпульсного на шротно-імпульсне автономне управління практично виключає виникнення в мережі живлення вищих гармонійних складових струму і напруги, але призводить до появи субгармонічних коливань і не покращує енергетичних показників системи електропостачання.

3.Аналітично і шляхом експерименту на промисловій багатозонній печі доведено доцільність застосування розробленого способу і системи синхронізованого управління гіристорними регуляторами температури багатозонних електричних печей опору як при фазоімпульсному, так до шротно-ішульському регулюванні, причому стосовно останнього можна повністю виключити з та напруги.

4.Визначено оптимальні за критерієм мінімуму дисперсії потужності алгоритми управління багатоканальною нелінею. ним навантаженням, яким є шогозонні електричні печі опору, та їх часові параметри, що залежать від технологічних та енергетичних характеристик окремих зон печей.

5. Розроблено на базі ІІСЕ мікропроцесорну систему комплексного управління технологічними процесом випалу керамічної плитки та енергоспоживанням багатозонної електричної печі опору, що забезпечує підвищення якості електроенергії, зниження енергоспоживання та встановленої потужності електрообладнання, підвищення якості керамічної плитки та продуктивності установки.

6. За результатами роботи одержано позитивне рішення.

Основні положення дисертаційної роботи відображені у наступних публікаціях.

1.Розгонов Є.Л. Складання алгоритму та програми розрахунку рівнів вищих гармонік електричних мережахна базі методів планування експерименту // Робочі процеси та удосконалення теплотехнічних пристроїв та електричних систем. Алма-Ата: КазПТІ. 1979. Міжвуз.сб.наук.тр. З. 16-20.

2. Россман Д.М., Разгонов Є.Л., Трофімов Г.Г.

Оцінка похибки прогнозування рівнів вищих гармонік в електричних мережах // Робочі процеси та удосконалення теплотехнічних пристроїв та електричних систем. Алма-Ата: КазПТІ. 1979. Міжвуз.сб.наук.тр. З. 20-26.

3. Розгонів E.JI., Трофімов Г.Г. Зміна схеми тиристорного регулятора напруги з метою мінімізації вищих гармонік та поліпшення техніко-економічних показників // Електрофізика, електромеханіка та прикладна електротехніка. Алма-Ата: КазПТІ. 1980. Міжвуз.сб.наук.тр. З. 173179.

4.Трофімов Г.Г., Вагонов В.Л. Метод розрахунку та прогнозування рівнів вищих гармонік в електричних мережах з вентильними перетворювачами // Зменшення спотворень у ланцюгах із силовими напівпровідниковими перетворювачами. Таллінн: Ін-т теплофізики та ел.фізики. 2981. С. 33-40,

5. Кац А.М., Разгонов Є.Л., Гаценко H.A. Підвищення надійності та якості електроенергії в системі електропостачання керамічного комбінату // Підвищення надійності та якості електро- та теплопостачання / М.: ЩШП. IS83.

6. Застосування теорії планування експерименту на вирішення питань підвищення якості електроенергії / Трофимов Г.Г., Разгонов Е.Л., Маркус A.C. та ін // Алма-Ата: КазПТІ. 1964. Міжвуз.сб.наук.тр. З. 89-92.

7.Трофімов Г.Г., Разгонов Е.Л» Прогнозування рівнів вищих гармонік в електричних мережах з векткльшими перетворювачами. М.г МЕІ. .¿985. Тр. МЕІ. Вип.59 З. 8895.

8.Розгонов Є.Л. Досвід прив'язки, впровадження та експлуа-

гадії автоматизованих систем обліку споживання електроенергії на промислових підприємствах // Якість та втрати електроенергії в електричних мережах. / Алма-Ата: КазПТІ. 1986. Міжвуз.сб.наук.тр. З. 12-17.

Е.Вазгонов Є.Л. . Гаденко H.A. Автоматизація обліку та контролю споживання електроенергії // Скло та кераміка. 1986. № 8. С. 25.

Ю.Дворніков Н.І., Кручинін С.М., Разгонов О.Д. Комплекс ІІСЕ - Електроніка для моделювання режимів елек-т pono гребіння // Моделювання електроенергетичних систем. Рига: Тр. IX Всесоюзної наук.конференції. 1987. С. 405-406.

П.Джапарова Р.К., Маркус A.C., Розгонов E.JI. Автоматизація режимів електропоховання та управління технологічними процесами на базі комплексу ІІСЕ-ЕОМ. // Актуальні проблемимашинобудування. Алма-Ата: Наука. 1989. С. 16-17.

12.Використання комплексу ШЗЕ-8ВМ для керування електротермічними установками / Джапарова Р.К., Маркус А.С., Разгонов О.Л. та ін// Тр.Моск.екергін-т. 1991. Вип. 634. С. 104-109.

Підписали до лікують Л - "

Н.ч л /Jó Тираж /СО 3at¡u Ü9Q

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

• Схожі роботи
  

  • Підвищення ефективності систем електропостачання керамічних підприємств промисловості.
  • Підвищення ефективності систем електропостачання керамічних підприємств промисловості будматеріалів
  • Електрофізичні установки та надпровідні електротехнічні пристрої

Існує два принципово різних підходи до управління потужністю:

1) Безперервне керування, при якому в піч можна ввести будь-яку необхідну потужність.

2) Ступінчасте управління, при якому в піч можна вводити лише дискретний ряд потужностей.

Перший потребує плавного регулювання напруги на нагрівачах. Таке регулювання може бути здійснено за допомогою будь-якого різновиду силових підсилювачів (генератор, тиристорний випрямляч, ЕМП). Насправді найбільш поширені тиристорні джерела харчування, побудовані за схемою ТРН. Такі регулятори засновані на властивостях тиристори, що включені в ланцюг змінного струму послідовно з активним опором нагрівача. Тиристорні джерела живлення містять зустрічно-паралельно з'єднані тиристори, забезпечені СІФУ.

Кут управління a, а отже, і ефективна напруга на навантаженні залежить від зовнішньої напруги, що подається на джерело. Для зниження впливу відключення напруги живлення на тепловий режим печі тиристорних джерел живлення зазвичай передбачають негативний зворотний зв'язок по вихідній напругі. Тиристорні джерела живлення мають високий ККД (до 98%). Коефіцієнт потужності залежить від глибини регулювання вихідної напруги лінійно, при вугіллі a менше 0 – до М =1, при a = 180° до М = 0. Коефіцієнт потужності визначається не тільки зсувом фаз напруги та першої гармоніки струму, а й величиною вищих гармонік струму . Тому використання компенсуючих конденсаторів не дозволяє скільки значно підвищити до М.

При другому способі змінюють напругу на нагрівачі, перемикаючи в силових ланцюгах печі. Зазвичай є 2-3 ступені можливої ​​напруги та потужності нагрівача. Найбільш поширений двопозиційний спосіб ступінчастого керування. За цим способом піч або включають до мережі на її номінальну потужність, або повністю відключають від мережі. Необхідне значення середньої потужності, що вводиться в піч забезпечують, змінюючи співвідношення часу включеного та відключеного стану.

Середня температура в печі відповідає середньої потужності печі, що вводиться. Різкі зміни миттєвої потужності призводять до коливань температури близько середнього рівня. Величина цих коливань визначається величиною відхилень Р МГНОВ від середнього значення та величиною теплової інерції печі. У більшості загальнопромислових печей величина теплової інерції настільки велика, що коливання температури через ступінчасте управління не виходить за межі необхідного значення точності підтримки температури. Конструктивно двопозиційне управління може бути забезпечене або за допомогою звичайного контактора або тиристорного перемикача. Тиристорний перемикач містить зустрічно-паралельно

Існують також трифазні перемикачі. У них використовують два блоки із зустрічно-паралельно з'єднаних тиристорів. Силові ланцюги таких перемикачів побудовані за такою схемою:

Є модифікації тиристорних перемикачів, які взагалі не використовують контакти.

Тиристорні перемикачі надійніші, ніж контактори, вони іскро-і вибухобезпечні, безшумні в роботі, трохи дорожчі.

Ступінчасте регулювання має ККД близьке до 1, до М»1.

Яров Ст М.
Джерела живлення електричних печей опору
Навчальний посібник

Друкується за рішенням Редакційно-видавничої ради Чуваської державного університетуїм, І. І. Ульянова

Чуваський державний університет
1982 р.

Навчальний посібник призначений для студентів спеціальності «Електротермічні установки», які виконують курсову роботуза курсом «Автоматичне управління електротермічних установок» та дипломне проектування з поглибленим опрацюванням джерел живлення для електропечей опору.

У посібнику аналізуються особливості роботи тиристорних регуляторів змінної напруги під час роботи на різне навантаження. Описується принцип дії магнітних підсилювачів та параметричних джерел струму. Наводиться опис конкретних схем керування джерелами живлення.

Відп. редактор: докт. техн. наук; професор Ю. М. МИРОНОВ.

Вступ

Глава I. Принципи регулювання потужності електропечей опору
1.1. Характеристики електропечі опору як навантаження джерела живлення
1.2. Способи регулювання потужності електропечі опору
1.2.1. Регулювання напруги живлення
1.2.2. Перемикання нагрівачів печі
1.23. Регулювання потужності печі за рахунок зміни форми кривої струму

Розділ 2. Магнітні підсилювачі із самонасиченням
2.1. Робота на активне навантаження
2.2. Робота магнітного підсилювача на активно-індуктивне навантаження змінного струму

Розділ 3. Параметричне джерело струму
3.1. Принцип дії
3.2. Способи регулювання струму навантаження

Глава 4. Фазоімпульсний регулятор змінної напруги
4.1. Принцип дії регулятора
4.2. Регулятор з активним навантаженням
4.3. Аналіз при активіо-індуктивному навантаженні
4.4. Фазоімпульсне джерело з трансформаторним навантаженням
4.5. Трифазні регулятори змінної напруги
4.6. Системи керування однофазних фазоімпульсних джерел живлення
4.6.1. Функціональні схеми систем керування
4.6.2. Багатоканальні системи управління
4.6.3. Одноканальні системи управління
4.7 Система керування трифазного джерела живлення

Глава 5. Джерела питво з широтно-імпульсним управлінням
5.1. Електричний режим джерела з активним навантаженням
5.2. Процеси в трансформаторі під час періодичного включення
5.3. Способи вмикання трансформаторного навантаження без кидків струму намагнічування
5.4. Особливості включення трифазного трансформатора
5.5. Системи керування імпульсних регуляторів
5.5.1. Вимоги до систем управління
5.5.2. Системи керування однофазних імпульсних регуляторів
5.5.3. Система керування широтно-імпульсного регулятора з трансформаторним навантаженням
5.5.4. Система керування трифазного регулятора

Глава 6. Вплив регульованих джерел змінної напруги на мережу живлення
6.1. Порівняння способів регулювання змінної напруги
6.2. Груповий режим роботи регуляторів як спосіб покращення енергетичних показників
6.3. Оптимізація способів керування широтіо-імпульсними регуляторами при груповому навантаженні
6.4. Система управління групою широтно-імпульсних регулягор з рівноінтервальним включенням
6.5. Підвищення коефіцієнта, потужності в одиночному регуляторі змінної напруги

Вступ

Для того щоб підтримувати температуру в постійної печі або змінювати її за заданим законом, необхідно мати можливість змінювати її потужність в широких межах. Вимоги до точності регулювання залежно від технологічного процесу, що проводиться в печі, змінюються в широких межах. Наприклад, прн плавці металів н нагріванні під пластичну деформацію вони невисокі - коливання температури ±25-50° є допустимими; при термообробці ці вимоги посилюються, доходячи до ±10-±5° С. Така якість регулювання може бути забезпечена дво- та трипозційним регулюванням.

Технологічний процес виробництва напівпровідникових приладів, монокристалів різних матеріалів, термообробки скла тощо пред'являє жорсткі вимоги до якості регулювання температури. Забезпечення таких високих вимог (±0,5-±3°С) лише на рівні 1000-1500°С виявляється можливим лише із застосуванням керованих безконтактних джерел з урахуванням магнітних чи тиристорних підсилювачів.

Різноманітність технологічних процесів визначає і різноманітність джерел пнтання. Магнітні підсилювачі практично витіснені тнрнсторними підсилювачами, так як останні мають вищий ККД, кращі динамічні характеристики та масогабаритні показники.

В установках контактного нагрівання знаходять застосування параметричні джерела струму, принцип дії яких заснований на явище резонансу трифазної мережі.

Потужність тиристорних джерел живлення, що застосовуються в даний час, знаходиться в межах від сотень ват до сотень кіловат. У посібнику наводиться порівняння способів управління тиристорами, оцінюються сфери їх застосування.

Чебоксари, видавництво ЧувДУ, 1982

Електричні печі опору (камерні, шахтні, ковпакові та ін.) широко застосовуються для термообробки виробів у різних галузях промисловості: у металургії, енергетичному машинобудуванні, металообробці, керамічному та скляному виробництві. Використання автоматизованих систем управління при термічній обробці підвищує якість продукції та полегшує працю обслуговуючого персоналу.

Сучасне обладнання та нові методи автоматичного управління дозволяють знизити витрати на ремонт та обслуговування обладнання, отримати економічний ефект від раціонального використання енергоресурсів внаслідок оптимального управління технологічним процесом.

У цій статті автор пропонує два проектні рішення модернізації системи управлінь електропечами з урахуванням таких технологічних потреб, як точне регулювання температури, можливість швидкої зміни режимів при обробці різних видіввиробів.

Під час підготовки проектів модернізації АСУ попередньо було проведено докладний аналізтехнологічного процесу термообробки для з'ясування основних недоліків та проблем у роботі печей. Наприклад, під час відпалу деталей та металоконструкцій неприпустимі навіть незначні відхилення температури від значень, зазначених у технологічної карті. Порушення температурного режимуможуть призвести до невідповідності механічних властивостей виробів, заявлених виробником, що, своєю чергою, може спричинити аварії з виробництва.

Системи регулювання температури а електропечах на основі приладів овен

Як регулюючий пристрій у системі керування електропіччю використовується двоканальний програмний ПІД-регулятор ОВЕН TPM151, два канали якого регулюють температуру на нагрівальних елементах. Виконавчим пристроєм служить блок керування симісторами та тиристорами (БУСТ), який забезпечує точність автоматичного регулювання потужності на нагрівальних елементах печі методом фазового керування.

Для розширення входів та отримання додаткової можливостіВимірювання температури в самому виробі або в муфелі печі застосовується модуль введення ОВЕН МВА8. Обмін даними між регуляторами і модулем аналогове введення здійснюється за допомогою комп'ютера, для узгодження інтерфейсів RS-485/RS-232 використовується перетворювач інтерфейсу ОВЕН АС3-М (рис. 1).

Рис. 1. Загальна структурна схемасистеми автоматичного керування(САУ) температури для чотирьох електропечей

Розроблена система дозволяє виконувати режим відпалу будь-якого ступеня складності. Зміна уставок у системі регулювання температури здійснюється автоматично за розробленою технологом програмою. Програми технолога створюються на комп'ютері верхньою рівнем і заносяться в кожен прилад ТРМ151.

Схема системи регулювання температури шахтної печі показано на рис. 2.

Рис. 2. Функціональна схема регулювання у шахтній електропечі

Система дозволяє задавати швидкість зміни температури (збільшення і зменшення до заданого значення) в кожній нагрівальній зоні за індивідуальним графіком, що забезпечує рівномірний нагрівання виробу у всіх точках. Можливий перехід з однієї програми на іншу після досягнення певного значення будь-якого параметра температури або часу. Збір даних з кожної печі здійснюєте за допомогою SCADA-системи OWEN PROCESS MANAGER.

Запропонована система регулювання температури може бути реалізована в будь-яких електропечах з однією або двома нагрівальними зонами. Для системи потрібно:

програмний двоканальний регулятор (ОВЕН TPM151);

блок управління симисторами та тиристорами (ОВЕН БУСТ);

перетворювач інтерфейсу (ОВЕН АС3-М);

модуль аналогового введення (OSEH МВА8);

комп'ютер;

датчики температури, силові симістори.

Пропонована система управління збільшує надійність роботи електропечей за рахунок заміни аналогових регуляторів та релейних виконавчих механізмів на мікропроцесорні регулюючі елементи та безконтактні силові ключі (симістори). Кількість зовнішніх з'єднань та клемних коробок при цьому зменшується у декілька разів.

Наприклад, один ПІД-регулятор ТРМ151, модуль введення ОВЕН МВА8 і комп'ютер замінюють три старі, але дуже дорогі двопозиційні регулятори-самописці, при цьому точність і можливості регулювання значно збільшуються за рахунок застосування ПІД-регуляторів з автоматичним підстроюванням коефіцієнтів.

Зазначимо, що витрати на проведення модернізації суттєво скоротяться, якщо модернізація проводитиметься на кількох установках одразу. Наприклад, для чотирьох печей крім регуляторів температури знадобиться лише один модуль МВА8 і комп'ютер.

Подібна система регулювання температури на базі регуляторів ОВЕН TPM151 та блоків БУСТ була впроваджена на заводі ВАТ "КЗ ОЦМ" м. Кіров на лінії протяжного відпалу "HEURTEY".

Пекти має дві незалежно працюючі зони нагріву (попереднього і точного нагріву). У печі організовано два контури регулювання температури на регуляторах ОВЕН ТРМ151.

Лінія призначена для безперервного відпалу та травлення мідних та латунних стрічок завтовшки 0,15 - 0,8 їм та шириною 200 - 630 мм. У процесі обробки рулони розмотують і простягають у печі по опорних роликах. Після відпалу метал змінює свою структуру та механічні властивості.

Для досягнення точного регулювання температури застосовують два блоки управління ОВЕН БУСТ по одному на кожен канал приладів TPM151, які регулюють потужність нагрівальних елементів методом фазового управління.

Для більш складних систем з керуванням трьома та більш нагрівальними зонами, а також роботою вентиляторів та інших виконавчих механізмів найбільш прийнятною стане система з керуючим пристроєм у вигляді програмованого логічного контролера, наприклад, ОВЕН ПЛК.

Прикладом такого типу установок може бути найпоширеніший у промисловості тип печей - камерна електрична піч опору, або ковпакова електропіч. У цих печах, залежно від конструкції, може бути три зони нагріву. Для оптимального регулювання температури в них необхідно мати три незалежні контури управління.

Система регулює температуру в кожній зоні нагріву: у першій, другій та третій зонах використовуючи, відповідно, перший, другий і третій канали регулювання. Усі контури підпорядковуються головному контуру керування температурою в муфелі.

Контури підпорядкованого регулювання ідентичні і складаються з регулятора температури, програмно реалізованого в контролері (ОВЕН ПЛК154), виконавчого пристрою (ОВЕН БУСТ та симісторів) та об'єкта керування (нагрівальних елементів). Регулятор головного контуру регулювання (рис. 3), як і і регулятори підлеглих контурів, програмно реалізований у контролері ПЛК154.

Рис. 3. Функціональна схема САУ електричної печі

Дані з кожного каналу надходить спочатку на контролер, а на комп'ютер, де обробляються і зберігаються за допомогою SCADA-системи, пристосованої для роботи з даний технологічним процесом і обраним контролером.

У розробленій системі крім автоматичного регулювання температури можливе регулювання за допомогою резисторів ручного керування. Ручне керування використовується під час налагодження або аварійної ситуації. Основними керуючими та контролюючими елементами СУ камерного лікування є:

програмований логічний контролер (ОВЕН ПЛК154);

блоки управління симисторами та тиристорами (ОВЕН БУСТ);

термопари ТХА (К) та силові симістори;

комп'ютер.

Відмінною особливістю проекту з використанням ПЛК є можливість візуалізації на комп'ютері процесу регулювання температури обраної електропечі.

Сьогодні існує ціла низка програм, що дозволяють вибирати необхідне програмне забезпечення для ACУ ТП. Такі можливості мають продукт TraceMode, який поєднує програмні стандарти з більшістю засобів промислової автоматики від світових виробників, у тому числі виробництва ОВЕН. Тому даний продукт, як ніякий інший, підходить як основне системне програмне забезпечення при створенні АСУ електричної печі.

Це зумовлено ще й тим, що програма Trace Mode має широкі функціональні можливості та зручне середовище розробки, а також тим, що з нею безкоштовно поставляються драйвери для обраного контролера ОВЕН ПЛК.

Екранні форми контролю та регулювання значно спрощують експлуатацію печей та полегшують роботу оператора. Їх зовнішній виглядта структура може бути виконана індивідуально під кожен заданий технологічний процеста встановлення.

Описані проекти повною мірою враховують запити та вимоги до термообробки виробів в електротермічних установках. Проекти вимагають мінімальних економічних витрат на встановлення обладнання КВП та його обслуговування. Впровадження цих рішень дозволить підвищити якість продукції, зменшити кількість шлюбу, знизити витрату сировини, скоротити поломки та простої обладнання і тим самим збільшити обсяг випуску продукції, а також підвищити продуктивність за рахунок покращення умов праці обслуговуючого персоналу.

Сергій Мокрушин, начальник відділу автоматизації компанії "Альфа-Пром" м. Кіров

Стаття "Автоматизація управління електричними печами" у журналі "Автоматизація та виробництво":