Производство нагревателей
и оборудования для нагрева

Управление температурой нагревателей в зависимости от материала

Если вы разрабатываете систему управления для процесса резистивного нагрева, вы не можете игнорировать свойства нагревателя. В  статье будут рассмотрены особенности нагревателя, которые влияют на то, как вы подаете мощность. Это:

  • изменение сопротивления в зависимости от температуры материала и срока службы; 

  • схема подключения многоэлементных нагревателей; 

  • скорость реакции на изменение мощности; 

  • и влияние термоциклирования на жизнь.

Мы рассмотрим четыре наиболее часто используемых материала: никель-хромовые сплавы, карбид кремния, дисилицид молибдена и вольфрам. 

На рисунке 1 показано, как изменяется сопротивление для никель-хрома и карбида кремния - двух материалов, применяемых в изготовлении нагревателей. Обратите внимание, что на рисунке 1 показана температура элемента, а не процесса.

Управление температурой нагревателей в зависимости от материала от компании ТЕРМОЭЛЕМЕНТ

Рис. 1. Изменение сопротивления в зависимости от температуры для нагревателей из никель-хромового сплава и карбида кремния.

Нихромовые сплавы

Никель-хромовые сплавы являются наиболее распространенным - и для контроля, наиболее послушным - классом материалов для резистивных нагревателей. Различные вариации нихрома показывают пригодную для использования в нагревателях температуру до 1300  C. Изменения сопротивления от комнатной температуры в течение рабочего диапазона в нихромах составляет всего около 4 - 6%. 


Управление температурой нагревателей в зависимости от материала от компании ТЕРМОЭЛЕМЕНТ

Кроме того, нихром очень незначительно изменяет свои свойства в течение всего срока службы, что позволяет легко обнаружить частичный отказ нагревателя и заменить его вовремя, просто отслеживая сопротивление. 

Управление нихромовыми нагревателями обычно достигается с помощью недорогих электромагнитных или твердотельных контакторов, работающих в режиме пропорционального распределения по времени.

Скорость ответа. 

Для некоторых нагревателей (например, патронных ТЭНов, ленточных керамических нагревателях и ТЭНов с изоляцией из оксида магния в металлической оболочке с термическими постоянными времени более одной или двух минут) приемлемо время цикла около 10 или 20 секунд. 

Для других типов нагревателей из-за их быстрого отклика (к примеру, для инфракрасных ТЭНов в кварцевых трубках, керамических ик нагревателей или ТЭНах с открытой спиралью) требуется также быстрое переключение или регулировка фазового угла. Медленное переключение может привести к колебаниям температуры процесса в соответствии со временем цикла. В воздухонагревателях рекомендуется отключать питание при потере потока, чтобы избежать перегрева и перегорания проводов.

Карбид кремния

Этот класс материалов имеет допустимую температуру элемента, близкую к 1600 C. Система управления должна выдерживать изменения сопротивления примерно 4: 1 в течение срока службы элемента и примерно до 3: 1 в рабочем диапазоне температур.


Управление температурой нагревателей в зависимости от материала от компании ТЕРМОЭЛЕМЕНТ


Изменение сопротивления со временем. 

Для нового элемента может потребоваться напряжение питания, скажем, 60 В, поэтому цепочка из четырех последовательно соединенных элементов подойдет для источника питания 230 В переменного тока. Модуляция мощности с помощью магнитного или твердотельного контактора является обычным выбором при работе с карбидкремниевыми нагревателями. Термическая усталость управления медленным циклическим магнитным контактором может серьезно ограничить срок службы элементов. Хотя многие такие системы все еще находятся в эксплуатации, вместо них устанавливаются твердотельные реле.

В течение срока службы сопротивление элемента может постепенно увеличиваться до вчетверо большего значения, в сравнении с изначальным. Чтобы сохранить мощность, вам, возможно, придется повторно соединить элементы на два параллельных пути или найти источник более высокого напряжения. Вы можете использовать многоотводный трансформатор и периодически его настраивать. Несмотря на то, что эти механизмы все еще широко используются, их сложно контролировать и настраивать. В случае последовательного соединения элементы с более высоким сопротивлением рассеивают пропорционально больше энергии и демонстрируют ускоренное старение по сравнению с остальными в цепочке.

Изменение сопротивления с температурой. 

Из кривой карбида кремния на рисунке 1 вы можете видеть, что сопротивление карбидкремниевых нагревателей сильно изменяется при нагреве, и эти изменения происходят поминутно по мере того, как температура приближается к рабочей.

Выводы. 

Расположение всех элементов параллельно обеспечивает лучшую самокомпенсирующуюся настройку, потому что элементы с более высоким сопротивлением потребляют пропорционально больше энергии и стареют медленнее, чем другие. Если вы должны соединить элементы последовательно, используйте наименьшее возможное количество и выберите их так, чтобы их разница сопротивления соответствовала 5% или меньше. Хотя вам никогда не понадобится и то, и другое одновременно, ваш источник питания должен обеспечивать достаточное напряжение для максимального сопротивления и достаточный ток для минимального сопротивления.


Рассмотрим нагреватели из дисилицида молибдена и вольфрама. На рисунке 2 показано, как изменяется сопротивление для этих типов нагревательных элементов. Обратите внимание, что на рисунке показана температура элемента, а не процесса нагрева.


Защита от чрезмерного тока и мощности

В условиях низкого сопротивления элемента вам необходимо ограничить ток, чтобы защитить проводку и обмотки трансформатора, а также избежать ложного срабатывания предохранителя и срабатывания автоматического выключателя. При всех значениях сопротивления вы должны ограничить мощность до уровня, при котором удельная мощность элементов ниже рекомендованных производителем ватт на квадратный см. Из всех опробованных устройств управления мощностью наиболее успешным оказался тиристор с фазовым управлением и обратной связью по истинной мощности (напряжение нагрузки, умноженное на ток нагрузки).

Контроллер температуры подает управляющий сигнал, представляющий требуемую мощность, в тиристор, который пропорционально подает мощность, независимо от изменений в линейном напряжении и сопротивлении нагрузки. Убедитесь, что у вас также есть функции ограничения тока и мощности на тиристоре, которые могут игнорировать любой чрезмерный уровень управляющего сигнала.

Нагреватели из дисилицида молибдена. 

На рисунке 2 вы можете видеть изменение сопротивления примерно на 14: 1 в диапазоне рабочих температур - намного больше, чем у карбида кремния, но сопротивление дисилицид молибденовых нагревателей подвержено лишь небольшим изменениям со сроком службы. Это означает, что у вас больше свободы в расположении последовательных соединений элементов, и вам потребуется меньше внимания при отслеживании признаков старения.


Управление температурой нагревателей в зависимости от материала от компании ТЕРМОЭЛЕМЕНТ

Характеристики к регулятору мощности SCR, рекомендованные для карбида кремния, в равной степени применимы и к нагревателям из дисилицида молибдена, но требования к ограничению тока более жесткие. Без него ток нагрузки при холодном запуске был бы примерно в 14 раз больше, чем при рабочей температуре.

Вольфрамовые нагреватели. 

В данной статье мы ограничимся рассмотрением вольфрама в лампах накаливания с для коротковолнового инфракрасного обогрева. Изменение сопротивления в рабочем диапазоне составляет около 17: 1. Эффект старения незначителен, и применяются те же методы контроля напряжения SCR, что и для нагревателей из дисилицида молибдена. Трансформаторы нужны редко. Трубчатые лампы галогенные КГТ доступны для стандартных заводских напряжений (115, 230, 400 и т. д.) До примерно 10 кВт. 


Управление температурой нагревателей в зависимости от материала от компании ТЕРМОЭЛЕМЕНТ

Ограничение тока связано с сопротивлением, достигаемым при рабочей температуре.  Автоматическое ограничение тока может быть необходимо только для более медленных галогенных ламп высокой мощности, чтобы избежать перегорания предохранителей высокоскоростного регулятора напряжения SCR.

При нагреве вольфрамовой лампой регулятор температуры часто не используется; мощность (следовательно, тепловой поток) регулируется вручную и поддерживается стабильно с помощью регулятора напряжения SCR в режиме управления истинной мощностью. Обычный переключатель диммера лампы позволяет регулировать напряжение для грубых и готовых к работе систем с низким энергопотреблением, но он не будет стабилизировать мощность от колебаний напряжения в сети. Это даже преувеличивает вариации.

Управление температурой нагревателей в зависимости от материала от компании ТЕРМОЭЛЕМЕНТ


Рис. 2. Изменение сопротивления в зависимости от температуры для нагревателей из дисилицида молибдена и вольфрама.

Мониторинг тока и напряжения

Аналоговые амперметры и вольтметры на ваших нагревателях могут дать ценные подсказки о состоянии нагревательного элемента. В нихромовых нагревателях ток будет следовать за напряжением, и вы можете заметить выход из строя или частичную поломку нагревателя по падению тока. По показаниям вы также можете рассчитать мощность и сопротивление нагревателя.

Со всеми другими материалами нагревателя, о которых здесь говорится, не стоит ожидать, что ток будет строго соответствовать напряжению. Сопротивление нагревателя будет зависеть от температуры (и возраста, в случае карбида кремния). Со стареющим карбидом кремния вы в конечном итоге заметите, что SCR выдает полное линейное напряжение, но недостаточный ток, чтобы поддерживать желаемую температуру. Пришло время поднять еще один ответвитель трансформатора, а затем, наконец, заменить нагревательный элемент. Часто вы можете отказаться от трансформатора и настроить блок тиристора с фазовым возбуждением для первоначального ограничения напряжения нагрузки, а затем повышения предела по мере старения элементов.

Если у вас остались вопросы, обращайтесь к специалистам компании Термоэлемент по телефону или через форму на сайте, мы поможем с выбором нагревательных элементов и средств контроля температуры. Мы производим промышленные нагреватели из нихрома, высокотемпературные ТЭНы для печей из карбида кремния и дисилицид молибдена, а также галогенные лампы с вольфрамовой спиралью, описанные в данной статье. Также у нас на сайте вы найдете регуляторы напряжения SCR, терморегуляторы и прочие элементы управления.


Возврат к списку


Задать вопрос