Регулирование мощности электротепловых аппаратов

При приготовлении кулинарных изделий в тепловых аппаратах возникает необходимость регулирования мощности электронагревателей обусловленной технологическим процессом. Кроме того, регулирование мощности позволяет экономить значительное количество электрической энергии затрачиваемой на тепловую обработку.

Количество теплоты, выделяемой электронагревателями, определяется по формуле:

Q = Pּτ = , (4.62)

где P – мощность нагревателей;

τ – время нагрева.

Из этого выражения видно, что количество выделяемой электронагревателями теплоты можно регулировать изменением подаваемого напряжения U, общего сопротивления R, а также за счет продолжительности их включения τ.

Безусловно, наиболее эффективно регулировать количество выделяемой теплоты меняя напряжение, так как оно в квадрате. В этом случае незначительное изменение напряжения приведет к резкому изменению мощности нагревателей и, соответственно, количества теплоты. Однако в этом случае необходимо иметь либо трансформатор по мощности равный мощности аппарата либо включать в цепь нагревателей дополнительное сопротивление.

Оба эти способа с экономической точки зрения не приемлемы. Использование трансформатора не целесообразно, так как его стоимость обычно значительно больше стоимости аппарата. Введение же дополнительного сопротивления приведет к значительным потерям энергии на этом сопротивлении.

Наиболее простым способом регулирования нагрева является способ изменения мощности нагревателей за счет изменения общего сопротивления нескольких нагревательных элементов путем их различного соединения. При этом изменяется либо количество подключенных к сети нагревательных элементов, либо напряжение на каждом из них. Такое переключение обеспечивает ступенчатое изменение мощности нагревателей и может осуществляться вручную или автоматически.

Регулирование количества выделяемой нагревателями теплоты за счет изменения времени осуществляется путем периодического их включения и выключения в процессе тепловой обработки.

Регулирование мощности однофазных тепловых аппаратов

Большинство однофазных аппаратов с регулированием мощности имеют два или более нагревательных элементов. В случае если количество нагревательных элементов больше двух, то их соединяют параллельно в две секции. Обычно нагревательные элементы в аппарате имеют одинаковую мощность (сопротивление). При использовании двух нагревательных элементов (секций) регулирование мощности осуществляют за счет переключения секций, включаемых последовательно (слабый нагрев) или параллельно (сильный нагрев). Среднюю мощность нагрева получают включением одной секции (рис.4.17).

Если принять сопротивление одного нагревательного элемента (секции) за r, а полное сопротивление за R, то при последовательном включении двух нагревательных элементов (секций) общее сопротивление будет равно сумме сопротивлений соединенных последовательно

R_слаб = 2r. (4.63)

При среднем нагреве теплового аппарата включают одну секцию. В этом случае полное сопротивление составит

R_ср = r. (4.64)

Наконец, при сильном нагреве сопротивления (секции) включают параллельно. В этом случае полное сопротивление будет равно сопротивлению одного нагревательного элемента деленному на количество нагревательных элементов соединенных в параллельную группу и составит

R_сил = . (4.65)

Мощность нагревательных элементов P (Вт), определяемая как U²/r, для рассмотренных выше способов включения составит:

P_слаб = = ; (4.66)

P_ср = = ; (4.67)

P_сил = = . (4.68)

Отношение мощностей нагревательных элементов

P_слаб: P_ср: P_сил = : : = : 1: 2 = 1: 2: 4. (4.69)

Включение и переключение секций производятся четырехпозиционным трехступенчатым кулачковым или пакетным переключателем. Одно положение соответствует выключенному состоянию схемы, а три остальных – рассмотренным ступеням регулирования мощности.

Регулирование мощности трехфазных тепловых аппаратов

По сравнению с однофазными аппаратами трехфазные обеспечивают более равномерную нагрузку питающей сети. При этом число секций нагревательных элементов, как правило, кратно трем.

При включении трех нагревательных элементов (секций) в симметричный треугольник или звезду (рис. 4 18) мощность определяют по формуле

P_∆ = , (4.70)

= ; (4.71)

где U_ф – фазное напряжение, В;

U_л = U_ф – линейное напряжение, В.

Отношение мощностей P_∆ к составит

P_∆: = : = 3: 1. (4.72)

Таким образом, переключением со звезды на треугольник можно увеличить мощности трех секций нагревательных элементов в соотношении 1: 3. Сильный нагрев получается при соединении нагревательных элементов втреугольник, слабый – в звезду. Такое регулирование мощности возможно, если номинальное напряжение нагревателей соответствует линейному напряжению сети.

Если с тремя нагревателями требуется расширить соотношение мощностей, применяют другие способы соединения. Например, при необходимости получения соотношения мощностей 6: 1 используют; на высшей ступени нагрева при напряжении 3N ~ 220 В соединение в треугольник (рис. 3.18, а), а на низшей ступени нагрева последовательное соединение двух нагревателей на линейное напряжение. При напряжении 3N ~ 380 В используют соединение в звезду (рис. 3.18, б), а на низшей ступени нагрева последовательное соединение двух нагревателей на фазное напряжение.

Мощность (P_сил) при соединении трех нагревателей в треугольник определяется по формуле (4.70), а для соединения звездой (4.71). При последовательном соединении двух нагревателей (P_слаб) определится как U /2r и U /2r соответственно. Соотношение ступеней мощностей при напряжении 3N ~ 220 В

Р_сил: Р_слаб = : = 6: 1,

и при напряжении 3N ~ 380 В

Р_сил: Р_слаб = : = 6: 1.

Таким образом получают одинаковое соотношение мощностей при различных напряжениях (3N ~ 220 В и 3N ~ 380 В).

Для получения соотношения 9: 1 на сильной ступени мощности нагреватели включаются аналогично предыдущему, а на слабой ступени мощности включаются три нагревателя последовательно. Соответственно при последовательном соединении трех нагревателей (P_слаб) определится как U /3r и U /3r.

Регулирования мощности с помощью бесконтактных коммутирующих и регулирующих полупроводниковых устройств (БКРПУ).

Интенсивное развитие полупроводниковой техники и промышленное освоение выпуска мощных тиристоров на различные значения тока и напряжения создают реальные возможности производства принципиально новых силовых БКРПУ.

Применение тиристоров в роли бесконтактных прерывателей позволяет создавать различные типы БКРПУ, способные выполнять функции автоматических и неавтоматических регуляторов мощности, недоступные контактному регулирующему электрооборудованию.

В бесконтактном полупроводниковом электрооборудовании на силовых тиристорах исключены недостатки контактного способа регулирования. Кроме того, оно имеет и ряд других более существенных преимуществ:

· быстродействие системы и хорошую управляемость;

· безынерционность;

· увеличение срока службы и повышение надежности;

· практически неограниченную частоту включений;

· возможность использования при частотах 1000 Гц и выше;

· возможность регулирования выходных параметров в широких пределах, в том числе и плавное изменение мощности;

· возможность использования однотипных устройств в сетях различного напряжения путем замены тиристоров аналогичными приборами другого класса;

· возможность работы в сложных климатических условиях.

Бесконтактные полупроводниковые устройства имеют исполнительные органы в виде управляемых полупроводниковых приборов – вентилей (тиристоров), соединенных в различных комбинациях. Основные варианты силовых схем БКРПУ, выполняющих в цепях переменного тока роль однофазных регулирующих устройств электронагревателей, приведены на рис. 4.19, трехфазных – на рис. 4.20.

Включение управляемых вентилей всех схем осуществляется соответствующим сигналом, подаваемым на управляющий электрод силовых тиристоров. Управляющие сигналы должны следовать с частотой напряжения питающей сети и обеспечивать надежное включение тиристоров каждый раз после прохождения током нулевого значения.

Наиболее распространенной однофазной схемой является схема, приведенная на рис. 4.19, а. В схеме на рис. 4.19, б два встречно включенных тиристора заменены одним симметричным.

В трехфазных сетях с нулевым проводом (рис. 4.20, а) тиристоры работают как однофазные, в сетях без нулевого провода (рис. 4.20, б) – включаются между линейными проводами.

Для регулирования подводимого к нагревателю напряжения и тока существуют два основных метода: фазное и широтно-импульсное регулирование.

Наибольшее распространение в промышленности, особенно в электронной, получило фазное регулирование, при котором сигнал на управляющий электрод тиристора подается в течение полупериода питающего напряжения. При этом смена открытого (включенного) изакрытого (выключенного) состояний БКРПУ происходит на протяжении одного полупериода питающего напряжения путем измененияугла управления, который при включении тиристоров отсчитывается от момента прохождения фазового напряжения через нуль, и угла выключения.

Однако это регулирование из-за сложности схем принудительной коммутации, их дороговизны и отсутствия полностью управляемых тиристоров на большие токи не нашло применения в тепловых аппаратах предприятий общественного питания.

При широтно-импульсном регулировании изменение напряжения и тока осуществляется путем изменения числа полупериодов для открытого и закрытого состояний тиристоров. Продолжительность открытого (τ_откр) и закрытого (τ_закр) состояний должна быть больше одного периода или кратна ему (рис. 4.21).

Соответственно будет иметь место повторно кратковременный режим работы нагревателей. При этом режиме периоды нагрева чередуются с периодами пауз, во время которых ток не протекает по нагревателям. Такой режим характеризуется относительной продолжительностью включения ПВ

ПВ = , (4.73)

где τ_р – продолжительность периода нагрева;

τ_о – продолжительность паузы.

В этом случае можно заменить циклическую мощность эквивалентной (P_экв) постоянной, при которой выделяется то же количество теплоты

P_экв = P ּ ПВ = P ּ , (4.74)

где P – мощность управляемого нагревателя или нагревателей.

Из приведенного уравнения (4.74) видно, что, меняя продолжительности периодов нагрева и паузы, можно регулировать эквивалентную мощность от 0 до 100%.

Дата добавления: 2015-06-30