Регулирование температуры

В электрических печах сопротивления в подавляющем большинстве случаев применяется простейший вид регулирования температуры – двухпозиционное регулирование, при котором исполнительный элемент системы регулирования – контактор имеет лишь два крайних положения: «включено» и «выключено».

Во включенном состоянии температура печи растет, так как ее мощность всегда выбирается с запасом, и соответствующая ей установившаяся температура значительно превосходит ее рабочую температуру. В выключенном состоянии температура печи снижается по экспоненциальной кривой.

Для идеализированного случая, когда в системе регулятор – печь отсутствует динамическое запаздывание, работа двухпозиционного регулятора показана на рис. 4, на котором в верхней части дана зависимость температуры печи от времени, а в нижней – соответствующее изменение ее мощности.

t_зад

t

-∆t₂

+∆t₁

1

2

τ

Р_ср

Р

Р_ном

∆τ₂

∆τ₁

∆τ₁

∆τ₂

Рис. 4. Идеализированная схема работы двухпозиционного регулятора температуры

При разогреве печи вначале ее мощность будет постоянной и равной номинальной, поэтому ее температура будет расти до точки 1, когда она достигнет значения В этот момент регулятор сработает, контактор отключит печь и ее мощность упадет до нуля. Вследствие этого температура печи начнет уменьшаться по кривой 1-2 до тех пор, пока не будет достигнута нижняя граница зоны нечувствительности. В этот момент произойдет новое включение печи, и ее температура вновь начнет увеличиваться.

Таким образом, процесс регулирования температуры печи по двухпозиционному принципу заключается в ее изменении по пилообразной кривой около заданного значения в пределах интервалов + , - , определяемых зоной нечувствительности регулятора.

Средняя мощность печи зависит от соотношения интервалов времени ее включенного состояния и выключенного состояния. По мере прогрева печи и загрузки кривая нагрева печи будет идти круче, а кривая остывания печи – положе, поэтому отношение периодов цикла будет уменьшаться, а, следовательно, будет падать и средняя мощность _.

При двухпозиционном регулировании средняя мощность печи все время приводится в соответствие с мощностью, необходимой для поддержания постоянной температуры. Зона нечувствительности современных терморегуляторов может быть сделана весьма малой и доведена до 0,1-0,2 °С. Однако действительные колебания температуры печи могут быть во много раз большими из-за динамического запаздывания в системе регулятор-печь.

Самый эффектный из всех способов регулирования температурного режима в электрических печах – импульсное регулирование с использованием тиристорных регуляторов.

Процесс импульсного регулирования мощности печи представлен на рис. 5. Периодичность работы тиристоров выбирают в зависимости от тепловой инерционности электрической печи сопротивления.

+∆Т

–∆Т

Т_зад

Сеть

Т,°С

t

T_ЭПС=F(t)

T_изд=F(t)

Р_нагр=F(t)

Рис. 5. Тиристорный импульсный регулятор температуры

электрической печи сопротивления

Выделяют три основных способа импульсного регулирования (рис. 6):

импульсное регулирование при частоте коммутации – (где – частота тока питающей сети) с изменением момента отпирания тиристора называется фазоимпульсным или фазовым (кривые 1),

импульсное регулирование с повышенной частотой коммутации (кривые 2),

импульсное регулирование с пониженной частотой коммутации (кривые 3).

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

I=F(t)

U, I

Сеть

f_k=2f_c

f_k>2f_c

f_k<2f_c

t

t

t

I=F(t)

I=F(t)

U=F(t)

U=F(t)

U=F(t)

1

2

3

Рис. 6. Электрическая схема непрерывного регулятора

температуры

Задача регулирования температуры объекта при помощи активного управления мощностью нагревателя является достаточно сложной. Успешное решение этой задачи требует учета многих факторов, таких как размеры объекта, теплофизические свойства материала объекта, мощность нагревателя, форма и место расположения нагревателя, место расположения датчиков температуры и т. д. Однако в теории автоматического управления построены достаточно простые математические модели, в которых все перечисленные факторы могут быть учтены при помощи минимально необходимого числа параметров. Опыт показывает, что применение таких простых моделей позволяет вполне удовлетворительно решить задачу поддержания температуры почти любого объекта на заданном уровне.