Меню

Регулировка мощности печей нагрева



Автоматическое регулирование температурного режима в электрических печах

Автоматическое регулирование температурного режима в электрических печахВ 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. 1, на котором в верхней части дана зависимость температуры печи от времени, а в нижней — соответствующее изменение ее мощности.

Идеализированная схема работы двухпозиционного регулятора температуры

Рис. 1. 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 t зад + ∆ t1 . 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 + ∆ t1 , — ∆ t1 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 Рср.

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.

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. Кроме того, амплитуды этих колебаний очень сильно зависят от избытка мощности печи. Чем больше мощность включения печи превышает среднюю мощность, тем больше эти колебания.

Чувствительность современных автоматических потенциометров очень высока и может удовлетворить любые требования. Инерция датчика, наоборот, велика. 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. Это, однако, не всегда возможно ввиду возможных механических повреждений датчика, а также попадания в приборы через термоэлемент токов утечки, вызывающих неправильную их работу.

Можно достичь уменьшения запаса мощности, если печь не включать и выключать, а переключать с одной ступени мощности на другую, причем высшая ступень должна быть лишь ненамного больше потребляемой печью мощности, а низшая — ненамного меньше. В этом случае кривые нагрева печи и ее остывания будут очень пологими и температура почти не будет выходить за пределы зоны нечувствительности прибора.

Для того чтобы осуществить такое переключение с одной ступени мощности на другую, необходимо иметь возможность плавно или ступенями регулировать мощность печи. Такое регулирование может быть осуществлено следующими способами:

1) переключение нагревателей печи, например, с «треугольника» на «звезду». Такое весьма грубое регулирование связано с нарушением равномерности температуры и применяется лишь в бытовых электронагревательных приборах,

2) включение последовательно с печью регулируемого активного или реактивного сопротивления. Этот способ связан с очень большими потерями энергии или снижением коэффициента мощности установки,

Читайте также:  Коэффициент мощности всей системы

3) питание печи через регулировочный трансформатор или автотрансформатор с переключением печи на разные ступени напряжения. Здесь регулирование также ступенчатое и сравнительно грубое, так как регулируется питающее напряжение, а мощность печи пропорциональна квадрату этого напряжения. Кроме того, имеют место дополнительные потери (в трансформаторе) и снижение коэффициента мощности,

4) фазовое регулирование с помощью полупроводниковых приборов. В этом случае питание печи осуществляется через тиристоры, угол включения которых изменяется системой управления. Таким путем можно получить плавное регулирование мощности печи в широких пределах почти без дополнительных потерь, используя непрерывные методы регулирования — пропорциональный, интегральный, пропорционально-интегральный. В соответствии с этими методами для каждого момента времени должно выполняться соответствие поглощаемой печью мощности и мощности, выделяемой в печи.

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

Процесс импульсного регулирования мощности печи представлен на рис. 2. Периодичность работы тиристоров выбирают в зависимости от тепловой инерционности электрической печи сопротивления.

Тиристорный импульсный регулятор температуры электрической печи сопротивления

Рис. 2. Тиристорный импульсный регулятор температуры электрической печи сопротивления

Выделяют три основных способа импульсного регулирования:

— импульсное регулирование при частоте коммутации — f к = 2 f с (где f с — частота тока питающей сети) с изменением момента отпирания тиристора называется фазоимпульсным или фазовым (кривые 1),

— импульсное регулирование с повышенной частотой коммутации f к

— импульсное регулирование с пониженной частотой коммутации f к f с (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.

Электрическая схема непрерывного регулятора температуры

Рис. 3. Электрическая схема непрерывного регулятора температуры

Основные элементы схемы: БТ — блок тиристров, состоит из 6 тиристоров, включенных по два встречно-параллельно в каждую фазу печи, БУТ — блок управления тиристорами, вырабатывает сигнал на управляющие электроды тиристоров, ПТК — прибор теплоконтроля, принимает сигнал от датчика температуры, обрабатывает и выдает рассогласование в БУТ, ПЭ — потенциометрический элемент, имеет движок, перемещаемый ЭД с механической передачей, в зависимости от сигнала ДТ, ДТ — датчик температуры (термопара), ИСН — источник стабилизированного напряжения постоянного тока, КЛ — контактор линейный, ВА1, ВА2 — выключатели автоматические, для защиты цепей от коротких замыканий.

Источник

Регулировка мощности печей нагрева

AVR.RU »/> Новичкам »/> Создание устройств »/> Контроллер печи »/> Нагрев

Нагрев

Итак, самое главное, что должен делать контроллер печи – это управлять нагревательным элементом.
При этом управлять напрямую мощностью нагрева через подачу различного напряжения («чуть-чуть», вполсилы включить) – мы не можем. Точнее, можем, конечно – например, поставить какой-нибудь подстроечный резистор – но вся проблема в том, что вся энергия, которую мы «отберем» у печки, пойдет в тепло на этот самый резистор (смотрим закон Ома, определение мощности и страдаем -_-).
Так что единственное, что мы можем делать – это включать-выключать весь нагревательный элемент.
Попробуем рассмотреть, как это можно сделать:

  1. Включение-выключение

Это самое простое, что можно придумать: печка остыла – включаем нагрев, печка достигла нужной температуры – выключаем нагрев, печка снова остыла – включаем нагрев и так далее.
Результат у нас будет примерно такой:


Рисунок 1. Динамика изменения температуры во времени при включении-выключении нагрева.

Красным на рисунке отображено состояние, когда нагрев включен, черным – выключен.
Так, при нагреве мы «перескакиваем» нужное нам значение температуры – даже после отключения печки температура по инерции продолжает повышаться; затем, когда печка начинает остывать и доходит до нужного нам значения, мы снова включаем нагрев – но вот незадача, температура все равно падает, опять же по инерции! Так и приходится работать по синусоиде – получается не очень-то красиво.

Мы определили, что включать нагрев чуть-чуть мы не можем – но у нас есть такая вещь, как ШИМ!
ШИМ – широтно-импульсная модуляция; «это способ кодирования аналогового сигналa путём изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты».
Теперь попробуем объяснить понятней: мы не можем задавать напряжение на ножке микроконтроллера – у нас есть либо вариант «логическая 1» — оно же напряжение питания – либо «логический 0» — подтяжка к земле.
Однако если мы будем в течение не очень большого времени посылать то 1, то 0, то «в среднем» будет уже другая ситуация:

Читайте также:  Реактивная мощность повышение качества электроэнергии


Рисунок 2. Пример ШИМ с различной скважностью.

Посмотрим характеристики ШИМа:


Рисунок 3. Характеристики ШИМ.

Период – это длительность прямоугольного импульса
Скважность – это соотношение длительности логической 1 к периоду.
Квант ШИМа – это минимальная длительность логической 1 в импульсе.
Если говорить об аппаратных ШИМах в avr, то квант ШИМа – один «тик» соответствующего таймера.

Используя ШИМ, мы сможем, оперируя включением-выключением, перейти к работе с мощностью: сделать нагрев 10%, 50%, 90%.
Понятно, что для каждой температуры в пределах разумного мы можем подобрать такое значение мощности, при котором бы эта самая температура оставалась неизменной, то есть Wнагрева = Wрассеивания (как в кухонных духовках).
Теперь основная проблема – а как же сопоставить эти самые мощность (W) и температуру (T)
Мы знаем, как зависит температура в печке от мощности: в идеальных условиях это линейная зависимость T = a * W + b, а вот в реальности – увы, из-за конвекции воздуха зависимость преобретает примерно следующий вид:


Рисунок 4.Зависимость температуры от мощности нагрева.

Сначала, когда разница между температурой печи и температурой окружающей среды небольшая, сохраняется примерно линейная зависимость, однако при возрастании температуры функция зависимости все больше напоминает формулу .

Вроде бы все хорошо, и решение, в принципе, найдено: каким-нибудь образом – например, калибровкой или настройкой – мы сопоставим мощность температуре. будем использовать ШИМ, и тогда у нас практически не будет перевалов через заданную температуру, мы будем спокойно нагревать печку такой силой, чтобы температура не менялась.
Но, к сожалению, реальность разбивает наши мечты.
Вся проблема в том, что частота сети у нас – 50 Гц. То есть, мы не можем включать-выключать питание нагревательного элемента чаще, чем 1/50 с, более того, лучше не делать этого чаще, чем 1/16 – 1/8 с. Это проблема номер раз – таким образом, и квант ШИМа должен быть не быстрее, чем 1/16 секунды.

Таймер/счётчик 0 и таймер/счётчик 2 в асинхронном режиме уже заняты (так, в асинхронном режиме квант ШИМа получается 8/32768 ˜ 0.00024 с – очень мало); попробуем рассчитать квант ШИМа для обычного 16-разрядного таймера с максимальным предделителем 1024: получается 1024/8000000 = 0.000128 c. Слишком быстро! Но можно считать квант ШИМа как два тика таймера, как три… Оптимальным числом будет являться 1000 – тогда квант будет 1024/8000000*1000 = 0.128 с. Неплохо вроде, жить можно… А теперь ещё немного разочарования: тТаймер у нас 16-разрядный, то есть считает до 65535; но если квант ШИМа – это 1000 тиков таймера, то… Получаем 65635/1000 = 65 возможных значений ШИМа. Маловато будет!
Так что аппаратный таймер, похоже, нам не светит. Будем делать программный, сами, тогда сможем задать и длительность кванта ШИМа, и количество «делений» ШИМа.
Едем дальше.
Представим, что мы измеряем температуру от 0 до 300 градусов с точностью 0.5 градуса – то есть, всего 600 возможных значений.
Чтобы точно сопоставить температуре мощность, нужно использовать градацию мощности большую, чем градация температуры, иначе мы получим такую ситуацию: например, нам нужно поддерживать в печке температуру 100 ˚С; при этом при значении ШИМа «1000» поддерживается температура 99.5 ˚С, а при значении «1001» — температура 100.5 ˚С. Проблема? Проблема!
Тогда или мы делаем градаций ШИМа в несколько раз больше, чем градаций температуры – например, раз в 10 – но тогда понятно, что период ШИМа затянется на много секунд, и это будет очень неторопливая печка, или, например, можно использовать ШИМ вместе с выключением – нагрели до 100.5 градусов, выключили, снова нагрели… Тут тоже будет «синусоида», как и в первом варианте – простом включении-выключении, но уже с меньшей амплитудой.

  1. Комбинированный ШИМ
Читайте также:  Духовой шкаф электролюкс мощность квт

Как же реализовать ШИМ, который будет точно подходить к заданному значению температуры, и при этом у него будет не очень большой период?
А вот как – через «чередование»: можно сделать так, чтобы значение ШИМа было то 1000, то 1001 – если смотреть предыдущий пример.


Рисунок 5.Схема комбинированного ШИМ.

Таким образом, в зависимости от доли того или иного значения ШИМа мы будем ближе к той или иной температуре (так, если будем каждый раз чередовать 1000 и 1001 значение, то получим среднее – 100 ˚С; если будем 3 раза пускать ШИМ со значением 1000, а на четвертый делать значение 1001, то получим температуру 99.75 ˚С и т.д.)
При этом, если бы мы могли работать с аппаратным ШИМом, нужно было бы переключать значения не очень часто (уж точно не каждый цикл).
По сути своей, комбинированный ШИМ – это ШИМ в ШИМе).
Итак, попробуем сперва реализовать программный ШИМ, который будет включать-выключать нагревательный элемент с заданной частотой.

Получаем следующий заголовочный файл:

Добавляем в основном файле функцию прерывания в прерывание часового таймера, и пишем основную функцию:


Рисунок 6. Пример работы ШИМ.

Период ШИМ – 8 секунд, как и планировалось.

Обратите внимание, в функции выключения машины нагрева помимо снятия флага IsOn мы принудительно выключаем физический элемент — на всякий случай!

Теперь задача посложнее: научиться выбирать подходящий уровень ШИМ.
Поразмыслив, мы решили реализовать ПИД-регулятор.
Если кратко, то на вход ПИД-регулятор в нашем случае получает разницу между заданной и текущей температурами, а на выход выдаётся уровень ШИМ-а для нагревательного элемента.
ПИД-регулятор включает в себя, соответственно, пропорциональную (P), интегральную (I) и дифференциальную (D) составляющую.
В общем случае формула ПИД-регулятора выглядит так:


Рисунок 7. Формула ПИД-регулятора.

Где e(t) – текущее значение ошибки, то есть разница между заданной и текущей температурой, а Kp, Ki , Kd – соответственно, коэффициенты ПИД-регулятора. Выглядит жутко, да.
Для программной реализации мы будем использовать дискретные формулы:

u(t) = P (t) + I (t) + D (t)

I(t) = I (t — 1) + Ki * e (t)

Таким образом, пропорциональная составляющая зависит исключительно от разницы между текущей и заданной температуры, интегральная – накапливает ошибку, и постепенно её влияние возрастает (работает как бы «с запаздыванием»), а дифференциальная составляющая пропорциональна темпу изменений («придает ускорение»). Отметим сразу, что коэффициент интегральной составляющей обычно меньше единицы; при этом получение данных и, соответственно, регулирование уровня ШИМ должно производиться через равные промежутки времени – поэтому машина контроля за уровнем нагрева будет выглядеть примерно так же, как и машина отображения кухонного таймера или машина отображения текущей температуры – в прерывании будет некоторый счётчик, и по достижению максимума в основной программе будет запускаться функция регулировки уровня ШИМ нагрева печи.

Добавим в библиотеку ADCTemperature переменную, хранящую заданную температуру.

Так выглядит заголовочный файл:

Вот проект. Для того, чтобы проверить его работу, в функцию машины PID-регулятора можно добавить отображение значения текущего уровня ШИМ нагрева на дисплее, и попробовать нагреть конец термопары — тогда уровень ШИМ будет постепенно снижаться; прошивка такой программы лежит тут.

Основная проблема – настроить коэффициенты ПИД-регулятора. Есть несколько способов: самый простой и горячо любимый – метод научного тыка. О нём хорошо рассказано у наших товарищей.
Также есть метод Циглера-Никольса – он требует экспериментальных данных на реальном объекте: сначала используем P-регулятор (убираем I- и D-составляющие), P-коэффициент увеличиваем до тех пор, пока на выходе системы (это показания текущей температуры) не установятся колебания с постоянной амплитудой. Тогда текущее значение P-коэффициента фиксируется (Kp * ), также измеряется период установившихся колебаний (T).
Значения коэффициентов ПИД-регулятора будут рассчитываться по следующим формулам:

Источник