Источники питания карбидокремниевых нагревателей

В различных отраслях промышленности все чаще используются электропечи. В них обжигают керамику, плавят металл и производят магниты. Но для нагрева до 1300–14000С обычные источники тепла не подходят. Они не выдержат эксплуатацию в сложных условиях, не смогут поддерживать заданную температуру в течение длительного времени. Идеальным решением станут карбидокремниевые нагреватели, характеристики которых соответствуют поставленной задаче.

Их основной компонент — карбид. В качестве метода изготовления используют пластичное формование, а для получения холодных выводов готовые изделия пропитывают сплавами кремния. При этом существенно повышается удельное сопротивление рабочей части.

Среди преимуществ карбид-кремниевых нагревателей необходимо выделить следующие:

• устойчивость к коррозии, окислительным процессам;
• отсутствие деформаций;
• максимальная температура нагрева — 15000С;
• возможность быстро заменить вышедший из строя элемент без длительной остановки печи;
• минимальный расход электроэнергии;
• возможность регулировать температуру нагрева печи.

Необходимо подчеркнуть и то, что карбидокремниевые нагреватели можно устанавливать как вертикально, так и горизонтально. Они способны работать в непрерывном или цилиндрическом режиме. Первый вариант предпочтительней, если требуется рабочая температура от 14000С.

Соединение отдельных нагревателей в единую цепь

В печах большого объема одного нагревательного элемента может быть недостаточно для создания нужных условий. Если же речь идет о подключении одновременно нескольких, они могут располагаться и параллельно, и последовательно.

Первый вариант считается оптимальным. Если меняется сопротивление, общий срок службы от этого только увеличивается. В случае с последовательным соединением отдельных элементов корректировки сопротивления становятся причиной сокращения периода эксплуатации. Если же без последовательного соединения не обойтись, рекомендуется подключать в одну цепь до четырех элементов.

Непреложное условие — согласование величин сопротивления. Если печь работает при температуре свыше 14000С, последовательно подключают не более двух компонентов с созданием соответствующего источника питания карбидокремниевых нагревателей.

Для одновременного подключения множества однотипных элементов комбинируют параллельное и последовательное подключение.

Цепочки из последовательно расположенных изделий соединяют в единую сеть параллельно, чтобы не возникали существенные перегрузки при выходе из строя одной из групп.

При подключении нагревательных элементов необходимо учитывать ряд моментов:

• При последовательном соединении в одной группе должны быть элементы, у которых исходное сопротивление отличается максимум на +5%. Если выбрана параллельная схема, разброс сопротивлений может достигать 10%.
• Если выходит из строя один из компонентов новой сети, его меняют на нагреватель с более высоким чем у остальных сопротивлением.
• Если цепь подключена несколько месяцев назад, постоянно находится в эксплуатации, то при выходе из строя одного элемента, меняют весь участок.

Целые карбидокремниевые нагреватели с одинаковыми характеристиками в части износа по сопротивлению можно использовать в дальнейшем, подключив их в единую сеть. Не рекомендуется использовать совместно изделия от разных производителей. Причина — разная скорость «устаревания». В зависимости от способа подключения будет возникать перегрузка на разных элементах.

Прежде чем переходить к рассмотрению возможных источников питания карбидокремниевых нагревателей, необходимо отметить, что в любом случае требуется запас по напряжению. Он определяется плановыми сроками эксплуатации и скоростью «старения» элементов. Стандартно запас делают не менее 50%. Если печь работает в непрерывном режиме при температуре свыше 14000С, запас делают не менее 100%.

Источники питания для карбидокремниевых нагревателей

Рабочие характеристики не только отдельных элементов и электрических цепей, но и всей печи определяются параметрами выбранного варианта питания. Важно не допустить ошибок, чтобы вся конструкция работала максимально долго.

На текущий момент времени используют следующие типы источников питания:

1. Регулируемые силовые трансформаторы.
2. Блоки тиристоров. Этот вариант делится на фазовое и импульсное включение.
3. Комбинированные схемы.
4. Непосредственное подключение к электрической сети.

Уделим далее внимание каждому варианту.

Регулируемые силовые трансформаторы

Трансформаторные подстанции могут осуществлять регулирование в непрерывном формате либо ступенчато. Первый вариант рекомендован для небольших печей, применяемых в исследовательских целях, в лабораториях вузов. Если выход ступенчатый, то различие между последовательными ступенями должно быть не менее 7%. Этот вариант имеет более широкую сферу применения, считается более экономичным.

Но при этом трансформаторы остаются наиболее затратным источником электроэнергии. Если отказаться от совместной работы с тиристорами, агрегат со ступенчатым выходом будет контролировать только процессы включения/отключения печи.

Тиристорное подключение

Основное преимущество — возможность регулировать мощность в непрерывном режиме. Температурный контроль получается пропорционально-интегрально-дифференциальным. Но есть и недостаток — повышенная мощность. Если на предприятии отсутствует собственная подстанция, общие электросети будут работать с перегрузкой.

Если в соответствии с техдокументацией, требуется задел по напряжению свыше 50%, применение только тиристорного контроля для питания карбидокремниевых нагревателей нецелесообразно. Его лучше использовать совместно с трансформаторами. Самостоятельно его применяют только для регулирования работы низкотемпературных печей, в том числе лабораторных. Главное условие — сопротивление отдельных компонентов должно меняться с небольшой скоростью.

Нельзя забывать и о том, что тиристоры проводят ток только в одном направлении. Если требуется двухсторонняя передача, тиристоры разной направленности монтируют попарно. Для включения элементов на них с каскадов усилителей мощности подают особые импульсы. Как вариант, инициатором включения может быть температурный контроллер.

Компенсировать перепады напряжения и нагрузку в тиристорах помогает закрытый обратный контур. Он может осуществлять контроль по току, напряжению или активной мощности. Для карбид-кремниевых нагревателей рекомендуется использовать контроль по напряжению. При контроле по току или напряжению велика вероятность повредить отдельные компоненты, если в определенный момент времени будет расти сопротивление.

Выбирая источники питания карбидокремниевых нагревателей, необходимо помнить, что для включения тиристорных регуляторов используют фазовое или импульсное регулирование. В первом случае каждый тиристор включается не чаще одного раза в полцикла питания. Как только подходит середина цикла, прекращается подача питания на тиристоры. Это приводит к разбитию синусоиды подачи. Соответственно, нагрузка получает только некоторую долю напряжения. Если необходимо контролировать и регулировать напряжение на входе нагревательных элементов, меняют угол «зажигания» тиристоров. Это позволяет в некоторой степени минимизировать воздействие естественного износа компонентов сети.

Чтобы тиристоры не выходили из строя при перегрузках, устанавливают ограничители тока. Их задача — поддержание силы тока в определенных пределах. Важно понимать, что эту же систему защиты нельзя устанавливать на входе элементов для контроля мощности из-за существенного риска перегрева.

Отдельно стоит сказать о недостатках фазового включения. С одной стороны, оно позволяет регулировать напряжение без перепадов и скачков. С другой стороны, оно становится причиной радиопомех. В ряде стран фазовое регулирование питания карбидокремниевых нагревателей либо запрещено вообще, либо используется со значительными ограничениями.

Импульсное регулирование предполагает, что резисторы открываются не на половину цикла, а на несколько циклов. Потом еще несколько интервалов они остаются в закрытом положении. В конечном счете это приводит к тому, что ограничивается вход мощности к нагревательным компонентам.

Комбинированные схемы

Так как применение только тиристорных схем ограничено множеством условий, их сочетают с трансформаторами, имеющими 2 или 3 ступени. Промежуточные переходы обеспечиваются тиристорами. Цель — создание задела по напряжению. Тиристоры настраивают на один из контуров трансформатора: основной или вспомогательный.

В конечном счете это позволяет увеличить срок эксплуатации нагревательных элементов.

Важный момент! Перевести на комбинированную схему печь, находящуюся в эксплуатации, не получится. Этот вариант закладывают в проект изначально на стадии идеи.

Подключение нагревательных элементов напрямую к электросети

Существующие нормативные документы не запрещают подключать карбид-кремниевые нагреватели напрямую в электрическую сеть. Основное требование — наличие запаса по сопротивлению. Перепады напряжения не должны приводить к росту нагрузки на нагревательные элементы.

Еще одно требование касается выхода начальной мощности. Она должна быть выше, чем заложено в характеристиках электрической печи. Это необходимо, чтобы компенсировать износ отдельных компонентов. Но при этом возникает другая проблема. Чтобы распределить излишки по мощности, приходится увеличивать количество нагревателей. В ряде ситуаций цепи из компонентов переформируют уже после фиксации износа деталей. Но этот способ достаточно затратен. Как следствие, прямое подключение к электрической сети в качестве источника питания карбидокремниевых нагревателей практически не применяется. Исключение — печи, работающие при температуре не выше 11000С.