Reglarea temperaturii in cuptoarele electrice cu rezistoare

Reglarea temperaturii in cuptoarele electrice cu rezistoare

Controlul temperaturii in cuptoarele electrice cu rezistoare are o influenta deosebita asupra calitatii produselor finale si asupra consumurilor specifice de energie.

In functie de conditiile specifice procesului tehnologic, in primul rand de variatiile admise de temperatura in cuptor si in materialul supus incalzirii, sunt folosite sisteme de reglaj cu actiune intermitenta sau cu actiune continua.

Reglarea intermitenta a temperaturii

Cel mai simplu si cel mai utilizat sistem de reglare discreta a temperaturii este sistemul bipozitional, in care alimentarea cu energie electrica a elementelor incalzitoare este conectata si deconectata succesiv. Functionarea unui sistem bipozitional de reglare a temperaturii este prezentata in fig. 2.12.

In interiorul cuptorului CR (fig. 2.12 - a) este introdus traductorul termometric T care transmite informatiile privind temperatura din cuptor catre blocul de adaptare BA. In comparatorul C, o tensiune proportionala cu valoarea dorita q_d a temperaturii, stabilita pe baza programului impus de procesul tehnologic si controlata de blocul valorilor dorite BVD, este comparata cu o tensiune proportionala cu valoarea reala q_r a temperaturii in cuptor. Daca q_r < q_d, regulatorul bipozitional RBP transmite comanda de anclansare la blocul de reglaj (intreruptorul trifazat de conectare la sursa de alimentare) iar cuptorul absoarbe puterea P. Daca q_r > q_d se transmite comanda de deconectare a intreruptorului. Reglajul se face cu o zona de insensibilitate Dq care este data de caracteristica regulatorului (fig. 2.12 - b).

Pe durata procesului de incalzire (fig. 2.12 - c), puterea absorbita de cuptor este P, curentul pe faza A are valoarea i_A iar tensiunea u _A la bornele cuptorului este egala cu tensiunea u_A la barele de alimentare. La depasirea valorii dorite q_d a temperaturii si a insensibilitatii Dq, are loc deconectarea, curentul electric in circuit este nul iar tensiunea pe barele de alimentare creste, avand in vedere faptul ca pe circuitul de alimentare caderea de tensiune (determinata de curentul de sarcina) devine nula. Consumatorii conectati pe aceleasi bare cu cuptorul pot fi afectati de variatiile tensiunii de alimentare determinate de functionarea regulatorului.

Zona de insensibilitate a regulatoarelor bipozitionale actuale poate fi mai mica de 0,1 0,2 C. In general, variatiile de temperatura din cuptor sunt mult mai mari datorita inertiei termice relativ mari a traductoarelor de temperatura.

Reglajul bipozitional al temperaturii in cuptoarele electrice este specific incalzirii pieselor termic masive, la care, datorita inertiei termice, variatiile de temperatura din cuptor conduc la variatii mult mai mici ale temperaturii materialului incalzit. La incalzirea pieselor termic subtiri, reglajul bipozitional este utilizat numai daca variatiile de temperatura din cuptor, care corespund si variatiei temperaturii materialului, sunt acceptabile din punctul de vedere al procesului tehnologic.

Regulatoarele tripozitionale permit reducerea limitelor de variatie ale temperaturii din cuptor prin utilizarea unei trepte intermediare de putere. In instalatiile reale, cele trei trepte de putere corespund puterii nule (deconectarea de la retea), puterii absorbite de elementele rezistive conectate in stea si respectiv puterii absorbite de elementele incalzitoare conectate in triunghi.

In instalatiile de incalzire cu rezistoare, de putere relativ redusa (pana la cativa kW), mai ales in aparatele electrocasnice, este larg utilizat reglajul temperaturii cu elemente bimetalice. Acestea asigura conectarea si deconectarea datorita deformarii elementului bimetalic prin incalzirea sa la trecerea curentului electric. La temperatura impusa (reglabila), deformarea elementului bimetalic determina deschiderea unui contact, care direct sau indirect (prin intermediul unui contactor), conduce la deconectarea de la sursa.

La racirea elementului bimetalic, contactul se reface si elementul incalzitor este reconectat la sursa de alimentare.

 Reglarea continua a temperaturii

La incalzirea unor piese termic subtiri (benzi, folii) sau daca se impune o variatie redusa a temperaturii pieselor incalzite, sunt utilizate sisteme de reglare continua a temperaturii.

Reglarea poate fi realizata in acest caz utilizand:

transformator de alimentare cu prize, comutabile sub sarcina;

autotransformator;

amplificator magnetic;

variator de tensiune alternativa (VTA).

Fig. 2.13. Reglajul de temperatura cu ajutorul variatoarelor de tensiune alternativa

Tensiunea de alimentare poate varia prin:

schimbarea raportului de transformare al transformatorului cu ajutorul unui comutator de prize sub sarcinǎ;

comutarea conexiunii primare a transformatorului din triunghi in stea;

utilizarea autotransformatorului cu contacte alunecǎtoare;

- utilizarea reactantelor saturabile sau a amplificatoarelor magnetice conectate in serie cu cuptorul;

utilizarea tiristoarelor in scheme de variatoare de tensiune alternativǎ.

Variatoarele de tensiune alternativǎ utilizate pentru comanda si reglarea puterii cuptoarelor cu rezistoare, pot fi: cu intreruperea periodicǎ a alimentǎrii si cu comanda unghiului de conductie a tiristoarelor.

Solutiile moderne folosesc de cele mai multe ori reglajul de temperatura cu ajutorul variatoarelor de tensiune alternativa (fig. 2.13).

Traductorul termometric T (fig. 2.13 - a ) masoara temperatura din interiorul cuptorului CR si prin intermediul blocului de adaptare BA transmite aceasta informatie la comparatorul C sub forma unei tensiuni U_qr proportionala cu temperatura reala q_r. Valoarea U_qr se compara cu tensiunea U_qd care corespunde temperaturii dorite q_d rezultata din necesitatile procesului tehnologic. Diferenta celor doua tensiuni se transmite regulatorului Rq (de tip P, PI sau PID). 

La iesirea acestuia se obtine semnalul pentru comanda blocului BC care asigura modificarea unghiului a de intrare in conductie a tiristoarelor din schema variatorului de tensiune alternativa.

Reglajul asimetric (fig. 2.13 - b) desi prezinta o schema de comanda simpla, este limitat pana la puteri de 10 kW (in constructia trifazata a cuptorului) avand in vedere spectrul important al armonicilor de curent electric si deci costul ridicat al instalatiilor de limitare a perturbatiilor transmise in reteaua electrica de alimentare. Analiza curbelor de variatie a nivelului armonicilor principale in functie de unghiul a de intrare in conductie a tiristoarelor pune in evidenta faptul ca acest sistem de reglare este insotit de perturbatii reduse ale retelei electrice numai in zona unghiurilor mici de reglaj (pana la circa p/12). De asemenea, se observa ca armonica fundamentala i₁ a curentului electric i_A este defazata cu un unghi j a 2 fata de tensiunea aplicata, practic sinusoidala u_A.

Valoarea efectiva I a curentului electric (valoare care determina puterea disipata in elementele de incalzire si deci temperatura acestora) rezulta din relatia:

I = = (

Din relatia (2.11) rezulta:

I = ,

sau

I = (2.13)

Variatia valorii efective a curentului electric I in circuit, raportata la valoarea maxima I_max, in functie de unghiul de intrare in conductie a, determinata din relatia (2.13), este indicata in fig. 2.14.

Pentru puteri instalate in cuptor peste 10 kW, se foloseste reglajul simetric (fig. 2.13 - c) caracterizat prin faptul ca armo­nica fundamentala a curentului electric i₁ este in faza cu tensiunea aplicata in fig. 2.13 - c marimile electrice se refera la faza A). In domeniul de reglaj al unghiului de intrare in conductie pana la 30 , armonicile de curent au un nivel relativ redus.

Pentru limitarea in con­tinuare a continutului de armonici al curentului electric absorbit, se foloseste reglajul cu durata variabila a pulsurilor  PWM (Pulse Width Modulation) in care valoarea efectiva a curentului electric este reglata prin modificarea duratei Dt in care tiristoarele din schema sunt in conductie (fig. 2.15).

Componenta fundamentala i₁ a curentului electric i_A este in faza cu tensiunea aplicata u_A iar armonicile superioare au o pondere redusa, practic independent de valoarea efectiva a curentului electric in circuit. Desi mai scumpa decat schemele cu reglaj nesimetric si simetric, schema de reglaj PWM are o pondere importanta in sistemele de reglare a temperaturii in cuptoarele electrice moderne.