РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРОПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники, в частности к устройствам для управления температурным режимом электрической печи сопротивления.
Известен регулятор температуры печи сопротивления, содержащий задатчик температуры, соединенный выходом с суммирующим входом регулирующего устройства, подключенного ко входу регулятора напряжения, включающего в себя трансформатор и связывающий обмотку трансформатора с источником питания переменного тока блок тиристоров регулятора напряжения с фазоимпульсным управлением, выход которого соединен с нагревателями электропечи сопротивления, снабженной датчиком температуры, подключенным выходом к вычитающему входу регулирующего устройства (А.Д. Свенчанский, К.Д. Гуттерман, Автоматическое регулирование электрических печей, М.: Энергия, 1965, с. 169-175).
Использование трансформаторов в регуляторах напряжения позволяет улучшить энергетические характеристики системы электропитания печи сопротивления и является обязательным для вакуумных электропечей, на нагреватели которых необходимо подавать пониженное напряжение. Однако в известном устройстве используется контактное регулирование напряжения, что приводит к снижению надежности, быстродействия и точности регулятора напряжения, т.е. является его недостатком.
Техническая задача заключается в создании бесконтактного трансформаторного регулятора напряжения, что обеспечивает повышение надежности, быстродействия и точности регулятора температуры. Технический эффект достигается путем введения дополнительного блока тиристоров регулятора напряжения, аналогичного основному, и выполнения трансформатора с двумя первичными и одной вторичной обмоткой.
Поставленная задача решается тем, что в известный регулятор температуры электропечи сопротивления, содержащий задатчик температуры, соединенный выходом с суммирующем входом регулирующего устройства, подключенного ко входу регулятора напряжения, включающего в себя трансформатор и связывающий обмотку трансформатора с источником питания переменного тока блок тиристоров регулятора напряжения, выход которого соединен с нагревателями электропечи сопротивления, снабженной датчиком температуры, подключенным выходом к вычитающему входу регулирующего устройства, введены задатчик низкого напряжения, дополнительный блок тиристоров регулятора напряжения, аналогичный основному, а трансформатор выполнен с двумя первичными и одной вторичной обмоткой, подключенной к нагревателям электропечи, причем первичные обмотки трансформатора соединены последовательно согласно между собой, один конец первичной обмотки трансформатора подключен к одному зажиму источника питания непосредственно, общая точка соединения обмоток трансформатора подключена ко второму зажиму источника питания через основной блок тиристоров регулятора напряжения, вход которого соединен с выходом задатчика низкого напряжения, а второй конец первичной обмотки трансформатора связан со вторым зажимом источника питания через дополнительный блок тиристоров регулятора напряжения, подключенный входом к выходу регулирующего устройства.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема регулятора температуры электропечи сопротивления, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжения на нагревателях печи в прототипе предлагаемого устройства, на фиг. 3 - временные диаграммы низкого напряжения на нагревателях печи в предлагаемом устройстве, а на фиг. 4 - временные диаграммы среднего напряжения на нагревателях печи в предлагаемом устройстве.
Устройство для управления электропечью сопротивления 1 состоит из регулятора напряжения 2, включающего в себя трехобмоточный трансформатор 3 с соединенными последовательно согласно первичными обмотками 4, 5 и вторичной обмоткой 6, подключенной к нагревателям 7 электропечи 1. Один конец обмотки 4 трансформатора соединен с первым зажимом источника питания переменного напряжения 8 непосредственно, точка соединения обмоток 4, 5 подключена ко второму зажиму источника питания 8 через дополнительный блок тиристоров регулятора напряжения 9, соединенный своим входом с выходом задатчика низкого напряжения 10, а второй конец обмотки 5 трансформатора подключен ко второму зажиму источника питания 8 через дополнительный блок тиристоров регулятора напряжения 11, соединенный входом с выходом регулирующего устройства 12. Суммирующий вход регулирующего устройства 12 связан с выходом задатчика температуры 13, а вычитающий вход - с выходом датчика температуры 14.
Тиристорные регуляторы напряжения 9, 11 с фазоимпульсным управлением являются известными выпускаемыми промышленностью устройствами, используемыми в предлагаемом регуляторе температуры по своему прямому назначению. Также выпускается промышленностью и регулирующее устройство, реализуемое в виде программируемого микропроцессорного контроллера.
3
3
3
Устройство работает следующим образом. С помощью задатчика температуры 13 формируется (ручным или автоматическим способом) заданное значение регулируемой температуры θ. Данный сигнал θ поступает на суммирующий вход регулирующего устройства 12, где сравнивается с сигналом, пропорциональным температуре θ, измеряемой датчиком температуры 14. Регулирующее устройство 12 в зависимости от значения сигнала рассогласования Δθ=θ-θ и знака его отклонения формирует регулирующее воздействие на исполнительное устройство (регулятор напряжения 2), которое непосредственно воздействует на объект управления 1, изменяя вводимую в электропечь мощность.
В сравнении с прототипом в предлагаемом устройстве регулятор напряжения 2 обеспечивает лучшую форму кривой напряжения на нагревателях печи, что улучшает энергетические показатели системы управления за счет уменьшения высших гармонических составляющих напряжения, вызывающих дополнительные потери в источнике питания и приводящих к необходимости увеличения его установленной мощности.
На временной диаграмме фиг. 2 приведена кривая напряжения U=f(ωt) на нагревателях печи, которая имеет место в прототипе предлагаемого устройства. По оси абсцисс на диаграмме фиг. 2 обозначено произведение круговой частоты со источника питания на время t, пропорциональное, так называемому электрическому углу. Такие диаграммы широко используются для удобства рассмотрения работы тиристорных регуляторов напряжения. Как следует из рассмотрения диаграммы на фиг. 2, форма напряжения на нагревателях печи сильно искажена и содержит большой процент высших гармонических составляющих, значительно ухудшающих энергетическую эффективность работы печи. Требуемое значение напряжения на нагревателях печи (показано на диаграмме фиг. 2 сплошной линией) формируется из синусоидального напряжения источника питания путем задержки момента включения тиристоров. Отсекаемая при регулировании часть напряжения показана на фиг. 2 штриховой линией.
min
ном
ном
min
min
Предлагаемое устройство направлено на улучшение энергетической эффективности работы печи за счет снижения искажений напряжения на нагревателях. Для достижения поставленной цели трансформатор 3 снабжен двумя первичными обмотками, а регулятор напряжения 2 - двумя блоками тиристоров 9 и 11, работающими раздельно или совместно. В установившемся режиме работы печи на нагреватели 7 подается низкое напряжение U=IR, где I - номинальный ток нагревателей; R - активное сопротивление нагревателей. Такой режим работы регулятора напряжения 2 обеспечивается подачей управляющего сигнала от задатчика низкого напряжения 10 на тиристорный регулятор 9. Блок тиристоров 11 в таком режиме работы устройства закрыт. В результате на нагреватели печи поступает напряжение синусоидальной формы (неискаженное напряжение) U, форма кривой которого приведена на фиг. 3. Очевидно, что подача на нагреватели печи неискаженного напряжения U обеспечивает наилучшую энергетическую эффективность ее работы. При работе одного блока тиристоров 9 первичные обмотки 4 и 5 трансформатора 3 включаются последовательно согласно, что обеспечивает большой коэффициент трансформации и минимальное напряжение на нагревателях печи.
min
max
В переходные периоды работы печи, которые имеют место при разогреве печи или отработке возмущающих воздействий, работают оба блока тиристоров регулятора напряжения 9 и 11, что обеспечивает увеличение напряжения на нагревателях. При этом обеспечивается последовательность работы блоков тиристоров 9, 11, которая иллюстрируется диаграммой на фиг. 4. На начальном участке полупериода питающего напряжения включается блок тиристоров 9 и обмотки 4, 5 трансформатора 3 включаются последовательно, обеспечивает подачу на нагреватели низкого напряжения U (см. начальный участок кривой напряжения, изображенный сплошной линией). Затем, по сигналу регулирующего устройства 12 включается блок тиристоров 11, что обеспечивает отключение обмотки 5 трансформатора и подключение к источнику питания 8 только одной обмотки 4. Это приводит к запиранию блока тиристоров 9 и увеличению напряжения на нагревателях печи до уровня U. Диаграмма на фиг. 4 иллюстрирует совместную работу блоков тиристоров 9, 11, обеспечивающих ступенчатое изменение напряжения на нагревателях в каждом полупериоде питающего напряжения. При совместной работе блоков тиристоров 9, 11 кривая напряжения на нагревателях также искажается, но эти искажения будут существенно меньшими в сравнении с искажениями, имеющими место в прототипе предлагаемого устройства. Кроме того, эти искажения будут иметь место только в переходных режимах работы электропечи, составляющих существенно меньшее время по сравнению с установившимся режимом.