Устройство для питания электропечи сопротивления с нагревателями из карбида кремния Советский патент 1983 года по МПК H05B1/02 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОПЕЧИ СОПРОТИВЛЕНИЯ С НАГРЕВАТЕЛЯМИ ИЗ КАРБИДА

1

Изобретение относится к электротермии, в частности к устройствам для питания электропечей сопротивления с нагревателями из карбида кремния, а также для регулирования температуры таких печей и управления ими. Изобретение может быть использовано в машиностроении и металлургии.

Одной из особенностей нагревательных элементов из карбида т ремния является постепенное увеличение в процессе эксплуатации их сопротивления, ко.торое за полный срок службы нагревателей может удвоиться i Поэтому для поддержания постоянства установленной мощности печи источник питания: должен предусматривать возможность срответствуюш,его увеличения напряжения, подводимого к нагревателям 1.

Кроме того, во избежание преждевременного выхода из строя нагревателей из карбида кремния при включении холодной печи, источник питания и схема управления долж ны обеспечить условия для плавного подъема температуры нагревателей при пониженной мощности, выдержку; их на промежуточной температуре около 700°С и последующий выход на рабочую температуру при полной мощности.

КРЕМНИЯ

Известно устройство, содержащее электронную схему, управляющую выходным электромагнитным контактным элементом, подключающим нагреватели к сети переменного тока. Электронная схема выполнена таким образом, что устройство работает циклами фиксированной длительности 1ц, состоящими из времени работы tp, в течение которого нагреватели подключены к сети, и времени паузы t, в течение которого нагреватели отключены. Мощность, подводимая к нагревателям, равна установленной мощности устройства, умноженной на отношение tp/tц. Датчиком фактического значения температуры служит терморезистор. Электронный регулятор изменяет время tp в функции

15 отклонения фактической температуры от за-, данной, причем, чем больше рассогласование, тем большую долю в общем времени цикла 1ц составляет tp. Поэтому мощность, подводимая к нагревателям вначале велика и определяется минимальным временем зы (уставку ожно изменять), а по мере приближения к заданной температуре подводимая мощность уменьшается до минимально необходимого значения. Устройство обладает высокой экономичностью 2. Недостатками устройства являются наличие контактного коммутирующего элемента в силовой цепи, ограничивающего срок службы устройства и его надежность при использовании в промыщленных электропечах, и, кроме того, график предварительного npoi-рева, необходимый при использовании нагревателей из карбида кремния, можно осуществлять только при ручном управлении изменяя уставку. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для питания электропечи сопротивления с нагревателями из карбида кремния, содержащее силовой тиристорный регулятор, снабженный блоком управления с пороговым элементом на входе, связанным с аналоговым ВЫХОДОМ блока сравнения, первый вход которого подключен к датчику температуры, а второй - кзадатчику температуры 3. Пороговая схема пропускает только такие сигналы управления, которые меньще сигнала, установленного на задатчике уровня. Тем самым после включения печи разрещается работа только при определенной пониженной мощности, подводимой к нагревателям. Устройство в силовой части является бесконтактным и обеспечивает глубокое регулирование мощности за счет изменения среднего значения напряжения на нагревателях печи. Устройство позволяет получить требуемый график разогрева нагревателей из карбида кремния только путем соответствующего изменения вручную установки регулятора температурь т.е. требует многочасового участия оператора в процессе разогрева. Все это приводит к снижению срока службы нагревателей. Цель изобретения - увеличение срока службы нагревателей. Для достижения указанной цели в устройстве для питания электропечи сопротивления с нагревателями из карбида кремния, содержащем силовой тиристорный регулятор, снабженный блоком управления с пороговым элементом на входе, связанным с аналоговым выходом блока сравнения, первый вход которого подключен к датчику температуры, а второй - к задатчику температуры, указанная связь аналогового выхода блока сравнения с пороговым элементом выполнена через последовательно соединенные усилитель с насыщением, делитель напряжения и ключ с блоком управления, связанным выходом с первым входом блока управления коммутатора, а входом через блок выдержки времени - с выходом блока управления коммутатором, второй вход которого связан с дискретным выходом блока сравнения, причем вход коммутатора соединен с выходом задатчика предварительного нагрева, а выход - с пороговым элементом. Кроме того, с целью улучшения энергетических характеристик печи, блок управления силовый тиристорным регулятором содержит усилитель тока, выход которого подключен к первому входу щиротно-импульсного преобразователя соединенного вторым входом с выходом генератора инфранизкой частоты, а выходом через усилитель-формирователь - с первым входом модулятора, связанного вторьш входом с выходом генератора повыщенной частоты, а. выходом - с входом импульсного усилителя с размножителем сигнала на выходе, причем входом блока управления служит вход усилителя тока, а выходом - выход импульсного усилителя. На фиг. 1 изображена блок-схе.ма предлагаемого устройства, на фиг. 2 - блок-схема блока управления силовым тиристорным регулятором; на фиг. 3 - эпюры напряжений на элементах устройства. Электропечь 1 питается от сети через силовой тиристорный регулятор 2 с блоI OM 3 управления и пороговым элементом 4 «а входе. Коммутатор 5 с задатчиком 6 предварительного нагрева и блоком 7 управления коммутатора, блок 8 выдержки времени и ключ 9 с блоком 10 управления ключом образуют программный блок И. Контрольно-измерительный блок 12 содержит блок 13 сравнения, задатчик 14 температуры, формирователь 15 дискретного сигнала и датчик 16 температуры. Связь ключа 9 с блоком 13 сравнения выполнена через делитель 17 напряжения и усилитель 18 с насыщением. Блок 3 управления тиристорным регулятором 2 содержит усилитель 19 тока, широтно-импульсный преобразователь 20, генератор 21 инфранизкой частоты, усилительформирователь 22, модулятор 23, генератор 24 повыщенной частоты и импульсный усилитель 25 для потенциального разделе™я и размножения выходного сигнала управления тиристорами. Устройство работает следующим образом. Электропечь 1 сопротивления получает питание от сети переменного тока через силовой тиристорный регулятор 2, управляемый выходными сигналами блока 3 управления, который представляет собой одноканальный щиротно-импульсный преобразователь с потенциальным разделением и размножением выходного сигнала в соответствии с числом управляемых тиристоров. Сигнал, поступающий от порогового устройства, поступает на вход усилителя 19 тока, усиливается по току и поступает на вход щиротно-импульсного преобразователя 20, длительность импульсов на выходе которого if пропорциональна входному напряжению Uyorf , а частота f следования постоянна и определяется частотой генератора 21 инфранизкой частоты, причем f 1Дц, где ty tp-f tn (фиг. За и б). Выходной сигнал щиротно-импульсного преобразователя 20 поступает на вход модулятора 23 после формирования усилителемформирователем 22. На другой вход модулятора 23 подается выходной сигнал генератора 24 повыщенной частоты. Выходной сирнал модулятора 23 представляет собой пачку импульсов повыщенной частоты (фиг. 3,в), длительность которой равна tp, а частота импульсов в печке задается генератором 24. Импульсным усилителем 25 выходной сигнал модулятора 23 усиливается по мощности, размножается в соответствии с числом силовых тиристоров блока 2 с потенциальным разделением силовой, цепи и электронной схемы блока 3 управления. Датчик 16 температуры подает сигнал., пропорциональный температуре печи в узел 13 сравнения и формирования аналогового сигнала, на другой вход которого подается сигнал задания температуры печи. На выходах узла 13 сравнения выделяются сигналы, пропорциональные рассогласованию между заданной температурой и текущей температурой печи. Эти сигналы подаются на входы усилителя 18 с насыщением и формирователя 15 дискретного сигнал а. Усиленный и ограниченный по амплитуде сигнал с выхода усилителя 18 поступает на делитель 17, который позволяет изменять значение максимальной подводимой к нагревателям мощности в процессе эксплуатации печи в зависимости от степени старения нагревателей. Выходной сигнал делителя поступает на один из входов программного блока 11. Другой вход соединен с выходом формирователя 15 дискретного сигнала, который осуществляет управление блоком 7 при программном разогреве печи. При помощи блока 11 осуществляется выход электропечи с нагревателями из карбида кремния на рабочий режим по оптимальному графику, включающему промежуточную выдержку при температуре рекристаллизации карбида кремния. При включении холодной печи на вход формирователя 15 дискретного сигнала с выхода узла 13 сравнения поступает сигнал максимального уровня. При этом на выходе формирователя 15 выделяется сигнал, включающий блок 7 управления коммутатором 5. При этом коммутатор 5 подключает задатчик 6 предварительного нагрева к входу порогового элемента 4. Печь начинает прогреваться с подводимой к нагревателям мощностью, установленной задатчиком 6. Цепь аналогового сигнала отключена от входа порогового элемента ключо.м 9. При достижении печью температуры промежуточной выдержки выходной сигнал блока 13 сравнения достигает величины, при которой происходит изменение уровня сигнала на выходе формирователя 15. В результате блок 7 управления выключает коммутатор 5 и включает блок 8 выдержки времени. Дальнейшая работа программного блока в течение выдерж ки времени представляет собой двухпозиционное регулирование температуры по командам от формирователя 15. По окончании выдержки времени блоком 8 выдается команда на блок 10 управления. При этом выходным сигналом блока 10 выключается и блокируется блок 7 управл.ения, в результате чего коммутатором 5 отключается задатчик 6 от входного порогового элемента 4. Сигналом с другого выхода блока 10 управления включается ключ 9, которые включает цепь прохождения аналогового сигнала от делителя 17 к входу порогового элемента 4. Дальнейщий подъем и регулирование заданной температуры печи осуществляется аналоговой системой регулирования, в состав которой входят задатчик 14 температуры, узел 13 сравнения, усилитель 18 с насыицением, делитель 17, ключ 9, пороговый эле7 мент 4, блоки 3 и 2, датчик 16. В начальный момент после переключения на аналоговую схему регулирования усилитель 18 насыщен и сигнал управления, поступающий через делитель 17, ключ 9 и пороговый элемент на блок 3, имеет максимальную величину, ограниченную только уставкой делителя 17, поэтому на тиристоры силового регулятора поступают сигналы управления, обеспечивающие включенное состояние тиристоров в течение времени tp, соответствующего полной мощности на нагревателях. По мере приближения температуры печи к заданной, сигнал рассогласования, вырабатываемый узлом 13, уменьшается и усилитель 18 выходит из режима насыщения. После этого сигнал управления, поступающий на вход широтно-импульсного преобразователя, имеет такую величину, которая определяет минимально необходимое значение мощности, подводимой к нагревателям для поддержания заданной температуры. Наличие программного блока позволяет автоматически, по заданной программе выводить на рабочий режим электропечь с карбидкремниевыми нагревателями, что продляет срок их службы. Формула изобретения 1.Устройство для питания электропечи сопротивления с нагревателями из карбида кремния, содержащее силовой тиристорный регулятор, снабженный блоком управлен11я с пороговым элементом на входе, связанным с аналоговым выходом блока сравнения, первый вход которого подключен к датчику температуры, а второй - к задатчику темпера- туры, отличающееся тем, что, с целью увеличения срока службы нагревателей, указанная связь аналогового выхода блока сравнения с пороговым элементом выполнена через последовательно соединенные усилитель с насыщением, делитель напряжения и ключ с блоком управления, связанным выходом с первым входом блока управления коммутатором, а входом через блок выдержки времени - с выходом блока управления коммутатором, второй вход которого связан с дискретным выходом блока сравнения, причем вход коммутатора соединен с выходом задатчика предварительного нагрева, а выход - с пороговым элементом. 2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью улучщения энергетических характеристик печи, блок управления силовым тиристорным регулятором содержит усилитель тока, выход которого подключен

к первому входу широтно-импульсного преобразователя, соединенного вторым входом с выходом генератора инфранизкой частоты, а выходом через усилитель-формирователь - с первым входом модулятора, связанного вторым входом с выходом генератора повышенной частоты, а выходом - с входом импульсного усилителя с размножителем сигнала на выходе, причем входом блока управления служит вход усилителя тока, а выходом - выход импульсного усилителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Рубинчик Л. Е. Электропечи с нагревателями из карбида кремния. М., «Энергия, 1975, с. 8-9.

2.Патент ФРГ № 2608295, кл. Н 05 В 1/02, 1977.

.3. Авторское свидетельство СССР № 646472, кл. Н 05 В 1/02, 1979.

//

ff

гг

J

//

/

Фе/г.