Automatische Temperaturregelung in Elektroöfen

In elektrischen Widerstandsöfen wird in den meisten Fällen die einfachste Art der Temperaturregelung verwendet – die Zweipunktregelung, bei der das ausführende Element des Regelsystems – der Schütz – nur zwei Endstellungen hat: „Ein“ und „Aus“. .

Im eingeschalteten Zustand steigt die Temperatur des Ofens an, da seine Leistung immer mit einem Spielraum gewählt wird und die entsprechende Dauertemperatur seine Betriebstemperatur deutlich übersteigt. Im ausgeschalteten Zustand sinkt die Temperatur des Ofens exponentiell.

Für den idealisierten Fall, bei dem es keine dynamische Verzögerung im Regler-Ofen-System gibt, ist die Funktionsweise des Ein-Aus-Reglers in Abb. dargestellt. 1, in der im oberen Teil die Abhängigkeit der Ofentemperatur von der Zeit und im unteren Teil die entsprechende Änderung ihrer Leistung angegeben ist.

Reis. 1. Idealisiertes Funktionsschema eines Zweipunkt-Temperaturreglers

Wenn der Ofen aufheizt, ist seine Leistung zu Beginn konstant und gleich der Nennleistung, sodass seine Temperatur auf Punkt 1 ansteigt, wenn sie den Wert Tbutt + ∆t1 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt wird der Regler aktiviert, der Schütz schaltet den Ofen ab und seine Leistung sinkt auf Null. Infolgedessen beginnt die Ofentemperatur entlang der Kurve 1-2 zu sinken, bis die Untergrenze der Totzone erreicht ist. An diesem Punkt schaltet sich der Ofen wieder ein und seine Temperatur beginnt wieder zu steigen.

Der Prozess der Temperaturregelung des Ofens nach dem Zweipunktprinzip besteht also darin, dass er sich entlang einer Sägekurve um den eingestellten Wert in den durch die Totzone des Reglers bestimmten Intervallen +∆t1, -∆t1 ändert.

Die durchschnittliche Leistung des Ofens hängt vom Verhältnis der Zeitintervalle seines Ein- und Ausschaltzustands ab. Wenn sich der Ofen aufheizt und lädt, wird die Heizkurve des Ofens steiler und die Abkühlkurve des Ofens flacher, sodass das Zyklusperiodenverhältnis abnimmt und daher auch die durchschnittliche Leistung Pav sinkt.

Durch die Zweipunktregelung wird die mittlere Leistung des Ofens jederzeit an die Leistung angepasst, die zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur erforderlich ist. Die Totzone moderner Thermostate kann sehr klein gemacht werden und auf 0,1-0,2 °C gebracht werden. Allerdings können die tatsächlichen Schwankungen der Ofentemperatur aufgrund der dynamischen Verzögerung im Regler-Ofen-System um ein Vielfaches größer sein.

Die Hauptursache für diese Verzögerung ist die Trägheit des Thermoelementsensors, insbesondere wenn er mit zwei Schutzhüllen aus Keramik und Metall ausgestattet ist.Je größer diese Verzögerung ist, desto mehr überschreiten die Temperaturschwankungen des Heizgeräts die Totzone des Reglers. Darüber hinaus hängen die Amplituden dieser Schwingungen stark von der Überschussleistung des Ofens ab. Je mehr die Schaltleistung des Ofens die Durchschnittsleistung übersteigt, desto größer sind diese Schwankungen.

Die Empfindlichkeit moderner automatischer Potentiometer ist sehr hoch und kann jeder Anforderung gerecht werden. Im Gegenteil, die Trägheit des Sensors ist groß. So hat ein Standard-Thermoelement in einer Porzellanspitze mit Schutzhülle eine Verzögerung von etwa 20-60 s. Daher werden in Fällen, in denen Temperaturschwankungen nicht akzeptabel sind, ungeschützte Thermoelemente mit offenem Ende als Sensoren verwendet. Dies ist jedoch aufgrund möglicher mechanischer Beschädigungen des Sensors sowie aufgrund von Leckströmen durch das Thermoelement in den Geräten nicht immer möglich, was zu Fehlfunktionen führen kann.

Eine Reduzierung der Leistungsreserve kann erreicht werden, wenn der Ofen nicht ein- und ausgeschaltet wird, sondern von einer Leistungsstufe auf eine andere umgeschaltet wird und die höhere Stufe nur geringfügig höher sein sollte als die vom Ofen aufgenommene Leistung niedriger – nicht viel weniger. In diesem Fall verlaufen die Aufheiz- und Abkühlkurven des Ofens sehr flach und die Temperatur überschreitet kaum die Totzone des Geräts.

Um einen solchen Wechsel von einer Leistungsstufe zur anderen durchführen zu können, ist es notwendig, die Ofenleistung stufenlos oder stufenweise regeln zu können. Eine solche Regulierung kann auf folgende Weise erfolgen:

1) Umstellung der Ofenheizungen, zum Beispiel von „Dreieck“ auf „Stern“.Eine solche sehr grobe Regelung ist mit einer Verletzung der Temperaturgleichmäßigkeit verbunden und wird nur bei elektrischen Haushaltsheizgeräten angewendet.

2) Reihenschaltung mit dem Ofen mit einstellbarem Wirk- oder Blindwiderstand. Diese Methode ist mit sehr großen Energieverlusten oder einer Verringerung des Leistungsfaktors der Anlage verbunden.

3) Stromversorgung des Ofens über einen Regeltransformator oder einen Spartransformator mit Ofenumschaltung auf verschiedenen Spannungsniveaus. Auch hier erfolgt die Regelung schrittweise und relativ grob, da die Versorgungsspannung geregelt wird und die Ofenleistung proportional zum Quadrat dieser Spannung ist. Darüber hinaus gibt es zusätzliche Verluste (im Transformator) und eine Verringerung des Leistungsfaktors.

4) Phasensteuerung mit Halbleiterbauelementen. In diesem Fall wird der Ofen von Thyristoren gespeist, deren Schaltwinkel durch die Steuerung verändert wird. Auf diese Weise ist eine stufenlose Regelung der Ofenleistung über einen weiten Bereich nahezu ohne zusätzliche Verluste mit kontinuierlichen Regelungsmethoden – Proportional, Integral, Proportional-Integral – möglich. Nach diesen Methoden muss für jeden Zeitpunkt die Entsprechung zwischen der vom Ofen aufgenommenen Leistung und der im Ofen abgegebenen Leistung erfüllt sein.

Die effektivste aller Methoden zur Temperaturregelung in Elektroöfen ist die Impulsregelung mit Thyristorreglern.

Der Pulssteuerungsprozess der Ofenleistung ist in Abb. dargestellt. 2. Die Betriebsfrequenz der Thyristoren wird in Abhängigkeit von der thermischen Trägheit des elektrischen Widerstandsofens gewählt.

Reis. 2.Elektrischer Widerstandsofen mit Thyristor-Impulstemperaturregler

Es gibt drei Hauptmethoden zur Herzfrequenzregulierung:

— Impulssteuerung bei Schaltfrequenz — ek = 2ev (wobei ek die Frequenz des Versorgungsnetzstroms ist) mit einer Änderung des Zündzeitpunkts des Thyristors wird als Phasenimpuls oder Phase bezeichnet (Kurven 1),

— Impulsregelung mit erhöhter Schaltfrequenz ist möglich

— Impulsregelung mit reduzierter Schaltfrequenz (Kurven 3).

Durch die Impulssteuerung ist es möglich, eine gleichmäßige Leistungsregelung über einen weiten Bereich ohne zusätzliche Verluste zu erreichen und so die Einhaltung des verbrauchten Ofens und der Stromversorgung aus dem Netz sicherzustellen.

Reis. 3. Anschlussplan des kontinuierlichen Temperaturreglers

Die Hauptelemente der Schaltung: BT – Thyristorblock, bestehend aus 6 Thyristoren, zwei parallel geschaltet in jeder Phase des Ofens, ABER – Thyristorsteuerblock, erzeugt ein Signal an die Thyristorsteuerelektroden, PTC – Wärmesteuergerät, empfängt ein Signal vom Temperatursensor, verarbeitet und gibt eine Abweichung in NO aus, PE – Potentiometerelement, verfügt über einen Schieber, der von ED mit mechanischer Übertragung bewegt wird, abhängig vom DT-Signal, DT – Temperatursensor (Thermoelement), ISN – stabilisierte Gleichspannungsquelle, KL – Linearschütz, VA1, VA2 – automatische Schalter zum Schutz von Stromkreisen vor Kurzschlüssen.