Тиристорне управління печі опору. Яров В. М. Джерела живлення електричних печей опору Навчальний посібник. Двотранзисторна модель тиристора
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.
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 схема системи 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 вигляді структура може бути виконана індивідуально під кожен заданий технологічний процес та 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":
- 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 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.
Управління потужністю печей опору
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, ЕМУ). 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.
 |
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 і величиною теплової ін'єрції печі. У більшості загальнопромислових печей величина теплової ін'єрції 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 курсова роботапо курсу " Автоматичне керуванняелектротермічних 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 процесіввизначає та 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
