Невозможно качественно решить задачу управления мощностью, применяя так называемое «релейное» регулирование, имеющее на предприятиях определенное распространение. Релейный принцип регулирования нагрузки содержит известные «издержки» - невысокая точность, переходные процессы в электрических цепях, высокие эксплуатационные затраты на обслуживание релейно-контакторных схем. Кроме того, современные технологические процессы на предприятиях требуют высокой точности регулирования, то есть непрерывного регулирования параметров технологических процессов. Таким образом, для эффективного управления электрической нагрузкой следует применять непрерывные законы регулирования, воплощенные в бесконтактных устройствах – тиристорных регуляторах напряжения ( ТРН ). Эксплуатационные затраты на такие системы минимизируются за счет надежности основного элемента – тиристора с токовым управлением или оптотиристора. Реальная экономия средств в электроустановках напряжением 0,4 кВ может быть получена при использовании ТРН на базе оптотиристорных модулей с цифровой системой управления и стабилизации.

Область применения данных регуляторов достаточно широка: в эл.печах для сушки различной продукции, для термической обработки изделий и в других аналогичных установках, где требуется устанавливать разный режим по мощности в различных зонах рабочего объема. Статистика посещений соответствующих страниц Интернета говорит о растущем спросе на ТРН и превысило в июне 2010г. 1000 запросов в Яндексе по России.

Применение тиристорного регулятора позволяет осуществлять плавное изменение температуры в заданной зоне, за счет плавного изменения мощности в диапазоне от нуля до максимального значения. В результате этого не происходит перегрева ТЭНов, а, следовательно, и печей, увеличивается срок службы печей, экономится электроэнергия. А главное – четко выдерживается необходимый для техпроцесса режим, что улучшает качество выпускаемой продукции.

Это распространенный способ управления тиристором. Состоит он в выборе момента открытия тиристора относительно начала фазы текущего полупериода питающего напряжения. Этот процесс иллюстрирует рисунок 1.1. В зависимости от выбранной длительности задержки отдаваемая в нагрузку мощность будет различной. Так при малом времени задержки t1 мощность максимальна. При t2 в нагрузку отдается ровно половина возможной мощности, а при t3 мощность минимальна.

Недостатком этого метода является большой уровень электромагнитных помех, излучаемых тиристорным ключом в процессе работы. Большой уровень помех обусловлен тем, что включение тиристора происходит в момент, когда мгновенное значение сетевого напряжения находится вблизи его амплитуды. Крутые фронты достаточно большого уровня напряжения и создают большое количество помех.

Преимущества фазового регулирования заключаются в точности регулирования от 2% до 98% входного напряжения. Этот метод позволяет точное регулирование мощности эл/установки, не достигая пиковых значений рабочего тока в питающей сети.

В методе широтно-импульсной модуляции нагрузка включается на долю периода ШИМ, которая задается пользователем. Среднее значение выводимого напряжения, в процентах от полного напряжения, определяется отношением количества пропускаемых периодов напряжения к периоду ШИМ (см. рисунок 1.2).

Учитывая, что большинство реальных объектов (печи, котлы, пресса) имеют высокую тепловую инерцию, можно говорить не о математически плавном изменении напряжения на нагрузке, а об изменении среднего по величине напряжения. Среднее по времени напряжение может задаваться путем изменения продолжительности его включения.

Период ШИМ можно снизить до 2х секунд, что соответствует 100 периодам изменения синусоид напряжения, что обеспечит приемлемый режим работы для любых ТЭНов и достаточную точность регулирования напряжения с точностью до 1%.

Широтно-импульсный метод очень удобен. Этот метод дает возможность достичь высокой точности регулирования при наименьших затратах. Нагрузка подключается к сети в момент перехода волны через нулевое значение и исключаются высокочастотные помехи.

Недостатком ШИМ управления мощностью является то, что он пригоден только для инерционных объектов, собственные времена нагрева и остывания таких объектов должны быть больше периода ШИМ. Кроме того, при эксплуатации промышленных электропечей, как правило, следует различать характерные времена самой печи и характерные времена электронагревателей - ТЭНов.

           

               3. Метод ШИМ с изменяющимся периодом

Частота коммутации в ТРН за один период ШИМ для мощности, меньшей 100%, равна единице от общего количества пропускаемых периодов волны. Гораздо логичнее было бы распределить периоды, в течение которых тиристор открыт, равномерно по всей последовательности. В общем случае задачу равномерного распределения решает алгоритм Брезенхема, который обычно используется в растровой графике для построения наклонных отрезков. Это современный метод управления средней мощностью электронагревателей. На рисунке 1.3 показано напряжение одной фазы, подаваемое на нагрузку при работе в этом режиме. При 100% напряжения нагреватель включен постоянно - все периоды являются рабочими. При 50% напряжения нагрузка выключена каждый второй период, при 25% напряжения рабочим является каждый четвертый период. То есть в отличие от ШИМ метода, нагреватели работают в щадящем режиме и не перегреваются. Мощность электронагревателей желательно выбирать таким образом, чтобы в стационарном режиме, после разогрева и выхода на рабочий режим, подводимое напряжение составляло 50-70% от максимального. В этом случае можно снимать показания стрелочного вольтметра.

Недостатком метода является не высокая точность установки напряжения. Например, при данном методе выставить 85% от полного напряжения практически невозможно. Преимущество метода ШИМ с изменяющимся периодом в щадящем режиме работы питающей сети и отсутствии высокочастотных помех.

ЗАО «Энергис» 12 лет выпускает ТРН с применением модульных оптотиристоров и цифровой системой управления на надежных импортных компонентах. За это время нами освоена гибкая конфигурация ТРН, применимость для решения разных задач регулирования и ограничения электрической нагрузки.

Разработанный ТРН предназначен для плавного регулирования действующего напряжения на активной нагрузке в сети напряжением 220/380 В с частотой 50 Гц. Функции, реализованные в ТРН: - регулирование напряжения в каждой фазе раздельно ( или совместно ) в % от номинального входного напряжения. Эта функция реализуется вручную кнопками , ручкой на панели ТРН или дистанционно внешним токовым сигналом. Имеется много решений с дистанционным управлением на измерителях фирмы «Овен» (г. Москва).

На объектах с эл.нагрузками без рабочей нейтрали ТРН отслеживает отклонения напряжения в фазах питающей сети и уравнивает работу нагрузки в фазах. Таким образом представлен не только регулятор отпирания силовых тиристоров, а также следящая система уравновешивания в любой промышленной трехфазной сети.

Практическое применение разработанные регуляторы напряжения ТРН нашли на разных предприятиях России: ОАО«Аврора-ЭЛМА» ( г. Волгоград ) для производства пъезокерамических элементов, ОАО ММЗ «Вперед» (г. Москва), ООО «Эком» (г. Дзержинск), Воткинское КБ «Машиностроитель» (оборудование линий по производству полимерных труб большого диаметра), ЗАО Рудник «Апрелково» (Читинская обл.), НПЗ «MUNAI invest Co» (Казахстан), Костинская и Орловская птицефабрики. В химическом производстве, производстве полимеров ТРН обычно применяются для точного регулирования тепловых характеристик компонентов и готовой продукции, как например, это реализовано на предприятии ОАО «КОМИТЭКС» при производстве полимерных строительных материалов и линолеумов.

Для строительства и горной промышленности применяются специальные ЩУВ-ТРН. Это регулятор для управления интенсивностью вибромашин, необходимых для автоматизации узлов сортировки и разгрузки ГОКов, а также для уплотнения и усадки бетонных смесей при производстве строительных элементов. Отличительной особенностью является индуктивный характер нагрузки на вибромашине. Регулятор ЩУВ-ТРН обеспечивает надежную устойчивость режимов регулирования при эксплуатации на объекте.

В целом на предприятиях России, Южной Осетии, Казахстана, Узбекистана установлено более 1500 регуляторов ТРН различных мощностей и модификаций.

Автор:

И.Я.Симахин, Генеральный директор ЗАО «Энергис».