Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энерготехнологические установки. Лабораторный практикум
.pdf
Функциональная схема включает силовое электрооборудование для подачи электрической энергии из внешней сети с
уровнем 6, 10 кВ к нагревательным элементам (НЭ) ЭПС – ЕK.
Трехфазная система электроснабжения ЭПС изображена в однолинейном варианте и включает разъединитель QS, автоматический выключатель QF, силовой трансформатор TV1 с напряжением первичной обмотки 6 (10) кВ и вторичной – 0,4 кВ.
К силовому оборудованию относятся также контактор KМ, обмотка которого запитывается от напряжения 220 В через тиристорный ключ VS. Контактор KМ с силовым контактором
KМ.1, включенным цепь питания ЭПС, является исполнительным органом системы автоматизации ЭПС. Система автоматического регулирования температуры в камере ЭПС включает датчик температуры ВK, измеряющий фактическую q
температуру в камере ЭПС, и двухпозиционный регулятор А1,
представляющий нелинейный элемент, формирующий сигнал
управления, подающийся на ключ VS.
В электрических печах для измерения температуры в качестве датчиков ВK для автоматического управления температурным режимом применяют главным образом термоэлектрические термометры, а в высокотемпературных печах используют
пирометры излучения.
Термоэлектрические термометры состоят из термопары и
измерителя термо-ЭДС и соединительных проводов.
Термопара устанавливается в защитные тепловой (керамическая трубка) и механический (металлическая трубка)
экраны. Экраны расположены соосно. Во внутренней полости керамической трубки размещается термопарный провод.
Термопара представляет собой в сборе стержень диаметром
20–30 мм и длиной 200–800 мм. На верхней части защитного
экрана надета алюминиевая головка с пластмассовой пластинкой, в которую запрессованы выводы. К выводам присоединяются термопарные и соединительные провода, ведущие к регулятору.
В тех случаях, когда измерение температуры объекта путем
непосредственного контакта с ним датчика невозможно из-за
слишком высокой температуры, агрессивного характера среды
или быстрого перемещения объекта, применяют пирометры из-
11
ф
лучения, основанные на связи между температурой тела и количеством излучаемой им энергии.
Для измерения температуры тела можно использовать всю
излучаемую им энергию – в этом случае применяют пирометр
полного излучения (радиационные). Можно использовать лишь
часть спектра монохроматического излучения – это пирометры
частичного излучения (оптические). Можно выделить два монохроматических участка излучения в разных частях спектра
и судить о температуре объекта, сравнивая их интенсивности –
это пирометры спектрального излучения (цветовые).
В радиационных пирометрах полное излучение тела направляется с помощью оптической системы на рабочий конец термоэлемента и нагревает его. Чем выше температура излучающего
тела, тем больше его излучение и тем больше температура рабочего конца термоэлемента и его термо-ЭДС.
Статическая характеристика двухзонного регулятора
(рис. 2.2) – это зависимость его выходного сигнала u от входного, равного фактической температуре в рабочем пространстве печи q
. Согласно характеристике выходной сигнал регу-
ф
лятора может принимать два значения: u = 1 и u = 0.
Рис. 2.2. Статическая характеристика двухзонного
регулятора
Если qз > qф, то рассогласование заданной и фактической
температур Dq = q
– qф > 0, и в этом случае регулятор переходит
з
из состояния u = 0 в состояние u = 1 в соответствии со статической характеристикой – из точки а в точку б (см. рис. 2.2). При
дальнейшем увеличении фактической температуры в рабочем
12
пространстве печи она достигает заданной и затем превышает ее
(точка в). В этом случае рассогласование Dq = q
– qф < 0, и сиг-
з
нал на выходе регулятора изменяется с u = 1 до u = 0 по траектории в–г (см. рис. 2.2). Статическая характеристика регулятора
имеет гистерезис равный 2⋅Dq, обусловленный инерционностью
нагрева камеры печи.
При подаче сигнала u = 1 ключ VS открывается, и обмотка
контактора KМ обтекается током, контактор срабатывает, и его
контакт KМ.1 замыкается, подавая электрическую энергию
в НЭ печи. При сигнале u = 0 ключ VS закрывается, и обмотка
контактора KМ обесточена, контакт контактора KМ.1 открыт,
и электрическая энергия не подается в НЭ печи.
Схема регулирования температуры в рабочем пространстве
печи работает следующим образом. Перед началом работы с
помощью программного устройства (ПУ) задается заданная
температура. При первом включении ЭПС фактическая температура q
будет меньше заданной qз, поэтому Dq = qз – qф > 0
ф
и сигнал на выходе регулятора u = 1, ключ VS открывается,
и срабатывает контактор KМ, подавая на НЭ печи напряжения 0,4 кВ, по НЭ печи протекает ток, и в нем выделяется тепловая энергия, нагревающая рабочее пространство печи и
изделие. Фактическая температура q
в камере печи увеличи-
ф
вается по экспоненте, рис. 2.3.
Рис. 2.3. Диаграммы изменения режима работы электропечи
сопротивления
Увеличение температуры происходит до заданной qз, и затем вследствие инерции объекта нагрева увеличение темпе-
13
ратуры qф продолжается до величины qф + Dq. Так как в этом
случае рассогласование Dq = q
– qф < 0, то происходит изме-
з
нение скачком сигнала на выходе регулятора (линия в–г, см.
рис. 2.2) до u = 0.
Ключ VS закрывается, KМ отключается, и электрическая
энергия не поступает в НЭ печи. Происходит охлаждение рабочего пространства печи и изделия, фактическая температу-
снижается по экспоненте до значения qф = qз – Dq. Если
ра q
ф
задание температуры не изменилось, q
того, что q
< qз, происходит переключение регулятора в поло-
ф
= const, то вследствие
з
жение u = 1, и рабочее пространство вновь нагревается и т.д.
Таким образом, температура в рабочем пространстве печи изменяется по пилообразной кривой и поддерживается с точностью ±Dq. Температура изделия q
изменяется также.
и
Мощность, потребляемая ЭПС P(t), изменяется ступенчато
(см. рис. 2.3). При нагреве мощность P = const, а при охлаждении P = 0.
Средняя мощность печи P
зависит от соотношения интер-
ср
валов времени ее включенного и выключенного состояний. По
мере прогрева печи и загрузки кривая нагрева печи будет идти
круче, а кривая остывания печи – положе, поэтому отношение
периодов цикла будет уменьшаться, следовательно, будет падать и средняя мощность.
Зона нечувствительности Dq современных терморегуляторов может быть 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».
Основным источником этого запаздывания является инерция датчика-термопары, особенно если она снабжена двумя
защитными чехлами, керамическим и металлическим. Чем
больше это запаздывание, тем больше колебания температуры
нагревателя превышают зону нечувствительности регулятора.
Так, стандартная термопара в фарфоровом наконечнике с защитным чехлом имеет запаздывание около 20–60 с. Поэтому
в тех случаях, когда колебания температуры недопустимы, в
качестве датчиков применяют незащищенные термоэлементы
с открытым концом.
14
В случае необходимости формирования сложных температурных циклов нагрева изделий ПУ изменяет величину заданной
температуры q
, подаваемой на двухпозиционный регулятор.
з
Схема двухпозиционного регулятора может быть упрощена путем устранения в схеме контактора и включения тиристорного ключа вместо контакта KМ.1.
Наиболее простая схема регулирования температуры в сушильном шкафу (рис. 2.4) включает только два элемента –
нагревательный элемент ЕK и биметаллическое реле ВK (термомеханический датчик), выполняющее одновременно две
функции: датчика температуры и переключателя нагрузки.
Биметаллическое реле представляет собой две сваренные пластины из металлов, имеющих различное тепловое расширение, при этом один конец пластин закреплен, а другой конец
свободен. На свободных концах находятся контакты, один из
которых при прохождении по цепи тока перемещается и при
определенной температуре размыкается со вторым неподвижным контактом. Подбирая разные металлы и геометрические
параметры пластин, получают необходимую температуру размыкания контактов (срабатывания реле). При подключении
схемы к сети 220 В биметаллическое реле ВK замкнуто и нагревательный элемент ЕK подключен к сети. Происходит нагрев элемента ЕK, и температура в камере повышается до
определенной заданной величины q
, при которой контакты
з
ВK размыкаются и нагревательный элемент отключается.
Температура в камере снижается, и затем ВK снова включается. Биметаллическое реле имеет зону нечувствительности по
температуре, и график изменения температуры в рабочем пространстве шкафа имеет вид пилообразной кривой, как показано на рис. 2.3.
Двухпозиционные регуляторы просты по конструкции, имеют низкую стоимость и поэтому нашли широкое применение в
промышленности и бытовой технике.
Для контроля режима работы ЭПС в схеме электрооборудования и автоматики (см. рис. 2.1) включены контрольно-измерительные приборы (КИП): амперметры РА, вольтметры PV,
измерители активной мощности PW и счетчики электрической
энергии Wh.
15
Рис. 2.4. Принципиальная схема электрического двухпози-
H
1
,u k dt
T
= ⋅∆θ+ ∆θ ⋅
∫
ционного регулятора температуры в сушильном шкафу
2.1.2. Электрооборудование и автоматика
электрической печи сопротивления
с непрерывным регулированием температуры
Функциональная схема электрооборудования и автоматики
ЭПС с непрерывным регулированием температуры представлена на рис. 2.5.
Электроснабжение ЭПС (ЕK) осуществляется от трехфазной
сети переменного тока 0,4 кВ через автоматический выключатель QF и тиристорный регулятор напряжения VS с системой
импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами. Система автоматики включает датчик фактической температуры
ВK, регулятор А1 и ПУ. Регулятор А1 состоит из элемента сравнения (ЭС) и блока формирования закона управления (БФЗ).
В ЭС сравнивается заданное значение температуры в рабочем
пространстве печи q
температуры q
ф
ние температуры Dq = q
На выходе БФЗ формируется сигнал управления
, выдаваемое ПУ и фактическое значение
з
, измеряемое датчиком ВK – qф. Рассогласова-
– qф подается на вход БФЗ регулятора.
з
где k – коэффициент пропорциональности регулятора;
T
Н
(2.1)
– постоянная интегрирования регулятора.
16
Рис. 2.5. Функциональная схема электрооборудования
и автоматики электропечи сопротивления с непрерывным
регулированием температуры
Таким образом, сигнал управления содержит пропорциональную составляющую (первый член уравнения) и интегральную составляющую (второй член уравнения). Так реализуется
пропорционально-интегральный закон управления (ПИ-регулятор). Система регулирования температуры в этом случае является астатической, поддерживающей в установившемся режиме
Dq = 0, и поэтому более точной по сравнению с двухпозиционным регулированием. Сигнал управления u через блок СИФУ
изменяет угол управления α тиристорами тиристорного регулятора напряжения VS и напряжение, приложенное к НЭ печи u
нэ
(рис. 2.6).
17
Рассмотрим принципы действия однофазного тиристорного
(симисторного) регулятора напряжения. Схема питания синусоидальным напряжением НЭ печи представлена на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Схема (а) и диаграммы работ (б, в, г) однофазного
регулятора напряжения
Напомним, что тиристор VS открывается при наличии положительного напряжения на тиристоре (симисторе) и подаче
управляющего сигнала на управляющий электрод. Закрывается тиристор при отрицательном напряжении между анодом
и катодом. Регулятор применяется для регулирования действующего значения напряжения U
на нагревательном эле-
нэ
менте, а значит, и регулирования электрической и тепловой
мощности, отдаваемой НЭ в камеру печи.
В регуляторах напряжения применяют фазовый способ регулирования, основанный на изменении длительности открытого состояния l одного из тиристоров, включенных встречно-параллельно. Такое регулирование аналогично принципу
работы управляемых выпрямителей. Отличие заключается
в том, что в управляемых выпрямителях к нагрузке (НЭ) прикладываются однополярные участки синусоид питающего на-
18
пряжения, а в регуляторах переменного напряжения – двухполярные.
При фазовом регулировании различают два способа управления:
• одностороннее фазовое регулирование (с отстающим углом
управления тиристорами), рис. 2.6, в;
• двустороннее фазовое регулирование, рис. 2.6, г.
При указанных способах регулирования для активной нагрузки при угле управления тиристорами равном нулю (α = 0) кривые
тока, протекающего через нагрузку и потребляемого из сети, будут повторять форму напряжения на нагрузке (см. рис. 2.16, б),
а при α ≠ 0. отличаться от синусоиды (см. рис. 2.6, в, г).
Так, при одностороннем регулировании (см. рис. 2.6, в) с
увеличением угла управления α будет искажаться и сдвигаться
первая гармоника тока, потребляемого из сети, относительно
питающего напряжения, что приведет к уменьшению коэффициента мощности: cosj < 1. При двустороннем регулировании
(см. рис. 2.6, г) первая гармоника тока не будет смещаться относительно питающего напряжения, но наличие высших гармоник в кривой тока приведет к увеличению коэффициента
искажений с увеличением углов α
и α2, что также приведет
1
к уменьшению коэффициента мощности, но меньше, чем в случае одностороннего регулирования. Тиристорный регулятор характеризуется регулировочными характеристиками – зависимостью отношения действующих значений U
/ Uс в функции
нэ
угла управления тиристорами α.
Регулировочные характеристики при одностороннем и двустороннем регулировании показаны на рис. 2.7.
Из анализа графиков рис. 2.7 следует, что если угол управления α = 0, то действующее значение напряжения на НЭ равно
напряжению сети (U
= Uс), а при α = 180° (при одностороннем
нэ
регулировании) или α = 90° (при двухстороннем регулировании), напряжение на нагревательном элементе U
= 0. С увели-
нэ
чением угла управления тиристорами α регулятора напряжения
на НЭ (U
) будет уменьшаться, а значит, и уменьшаться тепло-
нэ
вая мощность элемента, отдаваемая в камеру печи. Любому углу
управления тиристорами α в соответствии с графиками рис. 2.7
соответствует конкретное значение U
19
на НЭ.
нэ
Рис. 2.7. Регулировочные характеристики тиристорного
регулятора напряжения: 1 – одностороннее регулирование;
2 – двустороннее регулирование
Трехфазный регулятор напряжения VS в схеме на рис.
2.5 состоит из трех симметричных однофазных регуляторов
и управляется СИФУ, выдающей импульсы управления тиристорами каждой фазы со сдвигом по фазе на 120°. Регулировочные характеристики трехфазного регулятора соответствуют рис. 2.7.
В соответствии с рассмотренными принципами работы элементов схемы рис. 2.5 система плавного регулирования температуры в камере ЭПС работает следующим образом. При пуске
ЭПС с начальной температурой в камере, равной температуре
окружающей среды, и заданной температуре q
ного значения q
нал рассогласования Dq = q
, на выходе ЭС регулятора А1 появляется сиг-
ф
– qф > 0.
з
больше началь-
з
В соответствии с уравнением (2.1) сигнал на выходе регулятора является максимальным u
, СИФУ подает на тири-
max
сторы VS импульсы управления с углом управления тиристорами α минимальным, близким к нулю. Напряжение сети,
равное номинальному, приложено к НЭ, U
@ Uс. Нагрева-
нэ
тельный элемент получает из сети максимальную электрическую мощность и отдает камере ЭПС максимальную теплоту.
Камера ЭПС интенсивно нагревается, температура q
тает по экспоненте, приближаясь к q
гласования Dq = q
режиме работы ЭПС Dq = 0, а q
– qф стремится к нулю. В установившемся
з
= qф, напряжение на НЭ – Uнэ
з
, при этом сигнал рассо-
з
возрас-
ф
принимает конкретное значение, при котором мощность, по-
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]