Методи та пристрої управління тиристорами. Автоматизація управління електричними печами Мікропроцесорні ПІД-контролери температури «Термолюкс»

В. Крилов

В даний час тиристори знаходять широке застосування в різних пристроях автоматичного контролю, сигналізації та керування. Тиристор являє собою керований напівпровідниковий діод, якому властиві два стійкі стани: відкритий, коли прямий опір тиристора дуже мало і струм в його ланцюгу залежить в основному від напруги джерела живлення та опору навантаження, і закритий, коли його прямий опір велике і струм становить одиниці міліампер .

На рис. 1 показана типова вольтамперна характеристика тиристора, де ділянка О відповідає закритому стану тиристора, а ділянка БВ - відкритому.

При негативних напругах тиристор поводиться як звичайний діод (ділянка ОД).

Якщо збільшувати пряму напругу на закритому тиристорі при струмі електрода, що дорівнює нулю, то при досягненні величини Uвкл тиристор відкриється. Таке перемикання тиростора називають перемиканням по аноду. Робота тиристора у своїй аналогічна роботі некерованого напівпровідникового чотиришарового діода - динистора.

Наявність керуючого електрода дозволяє відкривати тиристор при анодній напрузі, меншій за Uвкл. Для цього необхідно по ланцюзі керуючий електрод - катод пропустити струм управління Iу. Вольтамперна характеристика тиристора при цьому випадку показано на рис. 1 пунктир. Мінімальний струм управління, необхідний відкривання тиристора, називається струмом випрямлення Iспр. Струм випрямлення залежить від температури. У довідниках він вказується за певної анодної напруги. Якщо за час дії струму керування анодний струм перевищить значення струму вимикання Iвикл, то тиристор залишиться відкритим і після закінчення дії струму керування; якщо цього не станеться, то тиристор знову закриється.

При негативному напрузі на аноді тиристора подача напруги на його електрод, що управляє, не допускається. Неприпустимо також на керуючому електроді негативне (щодо катода) напруга, при якому зворотний струм електрода, що управляє, перевищує кілька міліампер.

Відкритий тиристор можна перевести в закритий стан, Тільки знизивши його анодний струм до величини, меншої Iвикл. У пристроях постійного струму для цієї мети використовуються спеціальні ланцюжки, що гасять, а в ланцюгу змінного струмутиристор закривається самостійно на момент переходу величини анодного струму через нуль.

Це є причиною найбільш широкого застосування тиристорів у ланцюгах змінного струму. Всі схеми, що розглядаються нижче, мають відношення тільки до тиристорів, включених в ланцюг змінного струму.

Для забезпечення надійної роботи тиристора джерело напруги, що управляє, має задовольняти певним вимогам. На рис. 2 показана еквівалентна схема джерела керуючого напруги, а на рис. 3 - графік, за допомогою якого можна визначити вимоги до його прямої навантаження.

На графіку лінії А і Б обмежують зону розкиду вхідних вольтамперних характеристик тиристора, що становлять залежності напруги на керуючому електроді Uу від струму цього електрода Iу при розімкнутому анодному ланцюзі. Пряма визначає мінімальну напругу Uу, при якому відкривається будь-який тиристор даного типу при мінімальній температурі. Пряма Г визначає мінімальний струм Iу, достатній для відкриття будь-якого тиристора даного типу при мінімальній температурі. Кожен конкретний тиристор відкривається у певній точці своєї вхідної характеристики. Заштрихована зона є геометричним місцем таких точок для всіх тиристорів цього типу, що задовольняють технічним умовам. Прямі Д і Е визначають максимально допустимі значення напруги Uу і струму Iу відповідно, а крива К - максимально допустиме значення потужності, що розсіюється на електроді, що управляє. Напрямна пряма Л джерела керуючого сигналу проведена через точки, що визначають напругу холостого ходу джерела Еу.хх та його струм короткого замикання Iу.кз = Eу.хх/Rвнутр, де Rвнутр- внутрішній опір джерела. Точка S перетину прямої навантажувальної Л з вхідною характеристикою (крива М) обраного тиристора повинна знаходитися в області, що лежить між заштрихованою зоною і лініями А, Д, К, Е і Б.

Ця область носить назву кращої області відкривання. Горизонтальна пряма Н визначає найбільшу напругу на переході, що управляє, при якому не відкривається жоден тиристор даного типу при максимально допустимій температурі. Таким чином, ця величина, що становить десяті частки вольта, визначає максимально допустиму амплітуду напруги перешкоди ланцюга управління тиристором.

Після відкривання тиристора ланцюг управління не впливає на його стан, тому управління тиристором може здійснюватися імпульсами невеликої тривалості (десятки або сотні мікросекунд), що дозволяє спростити схеми управління і знизити потужність, що розсіюється на електроді, що управляє. Тривалість імпульсу, однак, повинна бути достатньою для наростання анодного струму до величини, що перевищує струм вимкнення Iвикл при різному характері навантаження та режимі роботи тиристора.

Порівняльна простота пристроїв управління при роботі тиристорів у ланцюгах змінного струму зумовила широке застосування цих приладів як регулюючих елементів у пристроях стабілізації та регулювання напруги. Середнє значення напруги на навантаженні при цьому регулюють зміною моменту подачі (тобто фази) керуючого сигналу щодо початку напівперіоду напруги живлення. Частота проходження керуючих імпульсів у таких схемах має бути синхронізована з частотою мережі.

Існує кілька методів управління тиристорами, з яких слід відзначити амплітудний, фазовий та фазо-імпульсний.

Амплітудний метод управління полягає в тому, що на керуючий електрод тиристора подають позитивну напругу, що змінюється за величиною. Тиристор відкривається в той момент, коли ця напруга стає достатньою для протікання через керуючий перехід струму випрямлення. Змінюючи напругу на електроді, що управляє, можна змінювати момент відкривання тиристора. Найпростіша схемарегулятора напруги, побудована за цим принципом, наведено на рис. 4.

Як керуюча напруга тут використовується частина анодної напруги тиристора, тобто напруги позитивного напівперіоду мережі. Резистором R2 змінюють момент відкриття тиристора Д1 і, отже, середнє значення напруги на навантаженні. При повністю введеному резистори R2 напруга на навантаженні мінімальна. Діод Д2 захищає керуючий перехід тиристора від зворотної напруги. Слід звернути увагу, що ланцюг управління підключена безпосередньо до мережі, а паралельно тиристору. Зроблено це для того, щоб відкритий тиристоршунтував ланцюг управління, не допускаючи марного розсіювання потужності на його елементах.

Основними недоліками пристрою є сильна залежність напруги на навантаженні від температури і необхідність індивідуального підбору резисторів для кожного екземпляра тиристора. Перше пояснюється температурною залежністю струму випрямлення тиристорів, друге - великим розкидом їх вхідних характеристик. Крім того, пристрій здатний регулювати момент відкривання тиристора лише протягом першої половини позитивного напівперіоду напруги мережі.

Керуючий пристрій, схема якого наведена на рис. 5 дозволяє розширити діапазон регулювання до 180°, а включення тиристора в діагональ випрямного моста - регулювати напругу на навантаженні протягом обох напівперіодів напруги мережі.

Конденсатор С1 заряджається через резистори R1 і R2 до напруги, при якому через керуючий перехід тиристора протікає струм, що дорівнює струму випрямлення. У цьому тиристор відкривається, пропускаючи струм через навантаження. Завдяки наявності конденсатора напруга на навантаженні менше залежить від коливань температури, але тим не менш і цьому пристрою притаманні ті самі недоліки.

При фазовому методі управління тиристорами за допомогою фазообертального моста змінюють фазу напруги, що управляє, відносно напруги на аноді тиристора. На рис. 6 наведена схема однонапівперіодного регулятора напруги, в якому зміна напруги на навантаженні здійснюється резистором R2, включеним в одне з плечей моста, з діагоналі якого напруга надходить на керуючий перехід тиристора.

Напруга на кожній половині обмотки III управління має бути приблизно 10 ст. Інші параметри трансформатора визначаються напругою та потужністю навантаження. Основним недоліком фазового методу управління є мала крутість керуючого напруги, через що стабільність моменту відкривання тиристора виходить невисокою.

Фазо-імпульсний метод управління тиристорами відрізняється від попереднього тим, що з метою підвищення точності та стабільності моменту відкривання тиристора на його електрод, що управляє, подають імпульс напруги з крутим фронтом. Цей метод набув у час найбільшого поширення. Схеми, що реалізують цей метод, відрізняються великою різноманітністю.

На рис. 7 наведена схема одного з найпростіших пристроїв, що використовують фазоімпульсний метод управління тиристором.

При позитивному напрузі на аноді тиристора Д3 конденсатор С1 заряджається через діод Д1 змінний резистор R1. Коли напруга на конденсаторі досягне напруги включення диністора Д2, він відкривається і розряджається конденсатор через керуючий перехід тиристора. Цей імпульс розрядного струму відкриває тиристор Д3 і через навантаження починає протікати струм. Змінюючи резистором R1 струм заряду конденсатора, можна змінювати момент відкриття тиристора в межах напівперіоду напруги мережі. Резистор R2 виключає самовідкриття тиристора Д3 за рахунок струмів витоку при підвищеній температурі. За технічними умовами при роботі тиристорів у режимі очікування установка цього резистора обов'язкова. Наведена на рис. 7 схема не знайшла широкого застосування через великий розкид величини напруги включення диністорів, що доходить до 200%, і значної залежності напруги включення від температури.

Однією з різновидів фазо-импульеного методу управління тиристорами є що у час найбільше поширення так зване вертикальне управління. Воно полягає в тому, що на вході генератора імпульсів проводиться порівняння (рис. 8) постійної напруги (1) та напруги, що змінюється за величиною (2). У момент рівності цих напруг генерується імпульс (3) керування тиристором. Змінна за величиною напруга може мати синосоїдальну, трикутну або пилкоподібну (як показано на рис. 8) форму.

Як видно з малюнка, зміна моменту виникнення керуючого імпульсу, тобто зсув його фази, може проводитися трьома способами:

зміною швидкості наростання змінної напруги (2а),

зміною його початкового рівня (2б) та

зміною величини постійної напруги (1а).

На рис. 9 показано структурна схемапристрої, що реалізує вертикальний метод керування тиристорами.

Як і будь-який інший пристрій фазо-імпульсного управління, воно складається з фазозсувного пристрою ФСУ та генератора імпульсів ГІ. Фазозсувний пристрій, у свою чергу, містить вхідний пристрій ВУ, що сприймає напругу управління Uу, генератор змінної (за величиною) напруги ГПН і порівнюючий пристрій СУ. Як названі елементи можуть бути використані різні пристрої.

На рис. 10 наведена принципова схемапристрої керування тиристором (Д5), включеним послідовно з мостовим випрямлячем (Д1 - Д4).

Пристрій складається з генератора пилкоподібної напруги з транзисторним комутатором (Т1), тригера Шмітта (Т2, Т3) та вихідного ключового підсилювача (Т4). Під дією напруги, що знімається з синхронізуючої обмотки III трансформатора Тр1, транзистор Т1 закритий. При цьому конденсатор С1 заряджається через резистори R3 та R4. Напруга на конденсаторі зростає по експоненційній кривій, початкова ділянка якої з деяким наближенням можна вважати прямолінійною (2, див. рис. 8).

У цьому транзистор Т2 закритий, а Т3 відкритий. Струм емітера транзистора Т3 створює на резисторі R6 падіння напруги, яке визначає рівень спрацьовування тригера Шмітта (1 на рис. 8). Сума напруги на резисторі R6 і відкритому транзисторі Т3 менше, ніж напруга на стабілітроні Д10, тому транзистор Т4 закритий. Коли напруга на конденсаторі С1 досягає рівня спрацьовування тригера Шмітт, транзистор Т2 відкривається, а Т3 закривається. Транзистор T4 при цьому відкривається і на резистори R10 з'являється імпульс напруги, що відкриває тиристор Д5 (імпульс 3 на рис. 8). Наприкінці кожного напівперіоду напруги мережі транзистор T1 відкривається струмом, що протікає через резистор R2. Конденсатор С1 при цьому розряджається практично до нуля та пристрій керування повертається у вихідний стан. Тиристор закривається в момент переходу амплітуди анодного струму через нуль. З початком наступного напівперіод цикл роботи пристрою повторюється.

Змінюючи опір резистора R3, можна змінювати струм заряду конденсатора С1, тобто швидкість наростання напруги на ньому, а значить, і мрій появи тиристор імпульсу, що відкриває. Замінивши резистор R3 на транзистор, можна автоматично регулювати напругу на навантаженні. Таким чином, у цьому пристрої використаний перший з названих вище способів зсуву фази імпульсів, що управляють.

Невелика зміна схеми показана на рис. 11, дозволяє отримати регулювання другого способу. В цьому випадку конденсатор С1 заряджається через постійний резистор R4 і швидкість наростання пилкоподібної напруги у всіх випадках однакова. Але при відкритті транзистора T1 конденсатор розряджається не до нуля, як у попередньому пристрої, а до напруги управління Uу.
Отже, і заряд конденсатора черговому циклі почнеться з цього рівня. Змінюючи напругу Uу, регулюють момент відкриття тиристора. Діод Д11 відключає джерело напруги керування від конденсатора під час його заряду.

Вихідний каскад на транзисторі T4 забезпечує необхідне посилення струму. Використовуючи як навантаження імпульсний трансформатор, можна одночасно керувати кількома тиристорами.

У пристроях управління до керуючого переходу тиристора напруга прикладена протягом відрізка часу від моменту рівності постійної і пилкоподібної напруги до закінчення напівперіоду напруги мережі, тобто до моменту розряду конденсатора C1. Зменшити тривалість імпульсу, що управляє, можна включенням диференціюючого ланцюжка на вході підсилювача струму, виконаного на транзисторі Т4 (див. рис. 10).

Одним із варіантів вертикального методу управління тиристорами є число-імпульсний метод. Його особливість полягає в тому, що на електрод керуючого тиристора подають не один імпульс, а пачку коротких імпульсів. Тривалість пачки дорівнює тривалості керуючого імпульсу, показаного на рис. 8.

Частота проходження імпульсів у пачці визначається параметрами генератора імпульсів. Число-імпульсний метод управління забезпечує надійне відкривання тиристора при будь-якому характері навантаження і дозволяє зменшити потужність, що розсіюється на переході тиристора, що управляє. Крім того, якщо на виході пристрою включений імпульсний трансформатор, можна зменшити його розміри і спростити конструкцію.

На рис. 12 наведена схема керуючого пристрою, що використовує число-імпульсний метод.

Як вузл порівняння та генератора імпульсів тут застосований балансний діодно-регенеративний компаратор, що складається зі схеми порівняння на діодах Д10, Д11 і власне блокінг-генератора, зібраного на транзисторі Т2. Діоди Д10, Д11 керують роботою ланцюга зворотного зв'язку блокінг-генератора.

Як і попередніх випадках, при закритому транзисторі Т1 починається заряд конденсатора С1 через резистор R3. Діод Д11 відкритий напругою Uу, а діод Д10 закритий. Таким чином, ланцюг обмотки IIa позитивного зворотного зв'язку блокінг-генератора розімкнена, а ланцюг обмотки IIб негативного зворотного зв'язку замкнута і транзистор Т2 закритий. Коли напруга на конденсаторі С1 досягне напруги Uу, діод Д11 закриється, а Д10 відкриється. Ланцюг позитивного зворотного зв'язку виявиться замкненим, і блокінг-генератор почне виробляти імпульси, які з обмотки I трансформатора Тр2 надходитимуть на керуючий перехід тиристора. Генерація імпульсів продовжуватиметься до кінця напівперіоду напруги мережі, коли відкриється транзистор T1 і конденсатор С1 розрядиться. Діод Д10 при цьому закриється, а Д11 відкриється, блокінг-процес припиниться, і пристрій повернеться у вихідний стан. Змінюючи напругу управління Uу, можна змінювати момент початку генерації щодо початку напівперіоду і, отже, момент відкривання тиристора. Отже, у разі використовується третій спосіб зсуву фази управляючих імпульсів.

Застосування балансної схеми вузла порівняння забезпечує температурну стабільність роботи. Кремнієві діоди Д10 і Д11 з малим зворотним струмом дозволяють отримати високу вхідний опірпорівнюючого вузла (близько 1 Мом). Тому він не робить ніякого впливу на процес заряду конденсатора С1. Чутливість вузла дуже висока і становить кілька мілівольт. Резистори R6, R8, R9 та конденсатор С3 визначають температурну стабільність робочої точки транзистора Т2. Резистор R7 служить обмеження колекторного струму цього транзистора і поліпшення форми імпульсу блокинг-генератора. Діод Д13 обмежує викид напруги на колекторній обмотці III трансформатора Тр2, що виникає при закриванні транзистора. Імпульсний трансформатор Тр2 можна виконати на феритовому кільці 1000НН типорозміру К15Х6Х4,5. Обмотки I та III містять по 75, а обмотки II а та II б - по 50 витків дроту ПЕВ-2 0,1.

Недоліком цього пристрою керування є порівняно низька частотапрямування імпульсів (приблизно 2 кгц при тривалості імпульсу 15 мксек). Збільшити частоту можна, наприклад, зменшивши опір резистора R4 через який розряджається конденсатор С2, але при цьому дещо погіршується температурна стабільність чутливості порівнюючого вузла.

Число-імпульсний метод керування тиристорами можна використовувати і в розглянутих вище (рис. 10 і 11) пристроях, оскільки при певному виборі номіналів елементів (С1, R4-R10, див. рис. 10) тригер Шмітта при напрузі на конденсаторі С1, що перевищує рівень спрацьовування тригера, що генерує не одиночний імпульс, а послідовність імпульсів. Їх тривалість і частота слідування визначаються параметрами та режимом тригера. Такий пристрій отримав назву "мультивібратор з розрядним тригером".

На закінчення слід зазначити, що значне схемне спрощення пристроїв керування тиристорами за збереження високих якісних показників може бути досягнуто за допомогою одноперехідних транзисторів.

- 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 моменті необхідно пам'ятати, що у тиристора переважно є 3 висновки (триністор): анод, катод і електрод, що управляє.

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 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. Розроблену цифрову систему синхронізованого управління багатозонною електричною піччю опору з тиристорними регуляторами потужності впроваджено на печі випалу керамічної шштки 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 містяться готові рішення щодо вибору раціональних схем та способів управління багатозонними електричними печами, що забезпечують покращення 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 нині не пристосований для обертання завдань управління електропостачанням та 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 процесамина 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

Потужність сучасних електропечей опору коливається від часток кіловату до кількох мегават. Печі потужністю понад 20 кВт зазвичай виконують трифазними і підключають до мереж напругою 120, 380, 660 безпосередньо або через пічні трансформатори. Коефіцієнт потужності печей опору близький до 1, розподіл навантаження по фазах у трифазних печах рівномірний.

Електронне обладнання, що застосовується в ЕПС, підрозділяється на силове, апаратуру управління, вимірювальну і пірометричну.

До силового обладнання відносяться трансформатори, понижувальні та регулювальні автотрансформатори, блоки живлення, що приводять у дію механізми електроприводів, силова комутаційна та захисна апаратура, рубильники, контактори, магнітні пускачі, автоматичні вимикачіта плавкі запобіжники.

Більшість печей виконують на напругу мережі живлення: вони не потребують трансформаторів і автотрансформаторів. Застосування понижуючих пічних трансформаторів дозволяє збільшити робочі струми і застосовувати для виготовлення нагрівачів провідники більшого перерізу, що підвищує їх міцність і надійність,

Всі промислові печі опору працюють у режимі автоматичного регулювання температури, що дозволяє приводити в дію потужність печі з необхідним температурним режимом, а це, у свою чергу, веде до зниження питомої витрати електроенергії в порівнянні з ручним регулюванням. Регулювання робочої температури в електричних печахопору проводиться зміною потужності, що надходить у піч.

Регулювання потужності, що підводиться до печі, повинна бути проведена декількома способами: періодичне відключення та підключення печі до мережі живлення (двопозиційне регулювання); перемикання печі з зірки на трикутник, або з послідовного з'єднання на паралельне (трипозиційне регулювання).

При двопозиційному позиційному регулюванні (рис. 4.40) показано функціональну схему включення печі, зміну температури та потужності), температура в робочому просторі ЕПС контролюється термопарами, термометрами опору, фотоелементами. Вмикання печі проводиться регулятором температури за допомогою подачі команди на котушку вимикача КВ.

Температура в печі зростає до значення , Наразітерморегулятор вимикає піч.

Мал. 4.40. Функціональна схема включення печі, зміна

температури та потужності при двопозиційному регулюванні:

ЕП – електропіч; В – вимикач;

РТ – регулятор температури; КВ – котушка вимикача;

1 – температура печі; 2 - температура тіла, що нагрівається;

3 - середня споживана піччю потужність

За рахунок поглинання теплоти тілом, що нагрівається, і втрат в навколишній простір температура знижується до , після чого РТ знову дає команду на підключення печі до мережі.

Глибина пульсацій температури залежить від чутливості РТ, інєрційності печі та чутливості датчика температури.

При трипозиційному регулюванні потужність, що підводиться до печі, змінюється при перемиканні нагрівачів із зірки на трикутник. Регулювання температури цим методом дозволяє знизити потужність споживаної з мережі.

З енергетичної точки зору такий метод регулювання досить ефективний, так як при ньому не виявляється шкідливого впливу на мережу живлення.

Регулювання потужності печі зміною напруги, що підводиться, повинна бути здійснена декількома способами:

Застосування регулювальних трансформаторів та автотрансформаторів з плавним безконтактним регулюванням під навантаженням;

використання потенціал-регуляторів;

Включення в ланцюг нагрівачем додаткових опорів у вигляді дроселів та реостатів;

Імпульсне регулювання з використанням тиристорних регуляторів.

Використання трансформаторів з плавним безконтактним регулюванням під навантаженням, автотрансформаторів та потенціал-регуляторів пов'язане зі значними капітальними витратами, наявністю додаткових втрат та споживанням реактивної потужності. Цей метод застосовується рідко.

Включення в ланцюг нагрівачів додаткового індуктивного або активного опору пов'язане з додатковими втратами та споживанням реактивної потужності, що також обмежує застосування цього способу регулювання.

Імпульсне регулювання на базі тиристорних регуляторів здійснюється за допомогою напівпровідникових вентилів, періодичність роботи яких вибирають виходячи з теплової ін рційності електропечі.

Можна виділити три базові способи імпульсного регулювання потужності, що споживається від мережі змінного струму:

1. Імпульсне регулювання при частоті комутації (- частота струму мережі живлення) зі зміною моменту відмикання тиристора прийнято називати фазоімпульсним або фазним (криві а).

2. Імпульсне регулювання із підвищеною частотою комутації (криві б).

3. Імпульсне регулювання зі зниженою частотою комутації (криві).

Шляхом імпульсного регулювання можна отримати плавне регулювання потужності в широких межах майже без додаткових втрат, забезпечуючи відповідність потужності, що споживається піччю, і потужності, що підводиться з мережі.

На рис. 4.41 показано схему імпульсного регулювання потужності печі.

Мал. 4.41. Схема імпульсного регулювання потужності печі:

ЕП -електропіч; РТ -теплорегулятор; УТ -блок керування тиристорним регулятором; ТР -тиристорний регулятор

Параметрів печей опору – поняття та види. Класифікація та особливості категорії "Параметрів печей опору" 2017, 2018.

• а) безперервність регулювання. Тиристори комутують струм у навантаженні з частотою мережі (50 разів на секунду), що дозволяє підтримувати температуру з високою точністю і швидко реагувати на зміну впливів, що обурюють;
• Б) відсутність механічних контактів підвищує надійність та зменшує витрати на обслуговування та експлуатацію;
• В) можливість обмеження пускових струмів електронагрівальних елементів. Для багатьох печей характерно низький опір нагрівальних елементів у холодному стані, тому пускові струми можуть бути в 10 і більше разів більшими за номінальні. Обмежити пускові струми можна лише за допомогою фазоімпульсного керування тиристорами.

Р Розроблений ТОВ «Зірка-Електроніка» тиристорний регулятор потужності є сучасним багатофункціональним пристроєм. Його система управління побудована на потужному цифровому сигнальному процесорі, що безперервно відстежує в реальному часі велика кількість сигналів, що управляють. Це зумовлює низку переваг перед аналогічним обладнанням:

• гнучке конфігурування під будь-який вид навантаження та технологічного процесу;
• наочна індикація на рідкокристалічному дисплеї;
• розвинений комплекс захисту та автодіагностики несправностей;
• підтримка двох способів управління тиристорами - фазоімпульсного та числового;
• режими точної стабілізації чи обмеження струмів;
• можливість реалізації багатозонного регулювання;
• легка інтеграція до АСУ ТП.

Завдяки цьому вдалося розробити декілька готових рішеньдля автоматизації. Оскільки ці рішення засновані на серійно випускається, придбання та впровадження даного обладнання обійдеться суттєво дешевше за розробку системи автоматизації за індивідуальним замовленням.

Приклад 1. Автоматизація електронної печі.

Для автоматичного керування піччю застосований ПІД-регулятор ТРМ210-Щ1.ІР. До універсального входу підключений датчик температури, чутливий елемент якого розміщений всередині електричної печі. ПІД-регулятор вимірює поточну температуру та впливає на тиристорний регулятор аналоговим сигналом 4..20 мА. Таким чином, реалізується система управління із замкненою петлею зворотного зв'язку за температурою. Релейний вихід ПІД-регулятора може бути використаний для аварійної сигналізації.

Приклад 2. Автоматизація сушильної камери.

За допомогою програмного задатчика ТРМ151-Щ1.ІР.09 реалізується процес сушіння деревини. Прилад впливає на вхід тиристорного регулятора, що управляє, аналоговим сигналом 4..20 мА і, тим самим, регулює потужність, а значить і температуру всередині камери, при цьому релейний вихід періодично включає вентилятор, що сприяє більш рівномірному сушінню. Програмний задатчик ТРМ151 дозволяє здійснити процес сушіння за різними програмами, складеними технологом, наприклад, різних видівдеревини - ялини, сосни, дуба і т.д.

Приклад 3. Автоматизація багатозонного обігріву.

Цікавим прикладом може стати система управління інфрачервоними обігрівачами, популярність яких зростає з кожним роком Для цього застосовано багатоканальний ПІД-регулятор ТРМ148. Обігрівачі з'єднані за схемою «зірка» із загальним нульовим проводом, завдяки чому створюються три незалежні контури регулювання. У кожній зоні встановлений свій датчик - Д1, Д2, Д3 - знімаючи показання з яких ПІД-регулятор коригує сигнали керування 4..20 мА для тиристорного регулятора, який регулює потужність окремо в кожному з нагрівальних елементів.

Зрозуміло, цими прикладами не обмежується коло завдань, які можна вирішити з допомогою тиристорного регулятора ТРМ. Можливо, наприклад, автоматизація припливних вентиляційних камер, фарбувальних камер, автоматичне керування електрокотлами опалення та гарячого водопостачання та багато іншого.