Схемы включения и регулирования мощности

Нагревательные элементы электротермических установок и устройств рассчитывают на определенную мощность и определенное напряжение. Чтобы обеспечить номинальный режим, нагревательный элемент подключают к питающей сети соответствующего напряжения. Количество теплоты, выделяемое нагревателем в единицу времени, т.е. мощность, находят по уравнению

где - напряжение, приходящееся на нагреватель длиной 1м, В/м;

- удельная погонная мощность, Вт/м;

- сопротивление провода или кабеля длиной 1м, Ом.

В процессе работы электротермических установок мощность электронагревателей можно регулировать, изменяя напряжение U_н и сопротивление R_н.

Наиболее просто мощность регулируют ступенчато, переключая нагревательные элементы на различные схемы. При этом изменяются либо число подключенных к сети элементов и их общее сопротивление, либо напряжение на каждом из них.

В большинстве элементов электротермических установок применяют стандартное сетевое напряжение. Нагреватели мощностью до 1 кВт обычно выполняют однофазными, большей мощности – трехфазными.

Однофазные установки с регулируемой мощностью имеют два или более нагревательных элемента (секции) (рис.). При использовании двух нагревательных элементов мощность регулируют за счет переключения секций, включаемых параллельно (максимальная мощность) или последовательно (минимальная мощность). Среднюю мощность нагрева получают при включении одной секции.

Если сопротивление одного нагревателя равно R_1н, то при параллельном включении n нагревателей общее сопротивление нагревательного устройства:

R₁ = R_1н / n

При включении одного нагревателя полное сопротивление устройства

R₂ = R_1н

При последовательном включении n секций полное сопротивление нагревательного устройства

R₃ = n R_1н

Для рассмотрения способов включения нагревательных элементов мощность составит соответственно

P₁ = U² / R₁ = U²n / R_1н

P₂ = U² / R₂ = U² / R_1н

P₂₃= U² / R₃ = U² / n R_1н

Если принять мощность P₂ за единицу, то соотношение мощностей

P₁ : P₂: P₃ = n: 1: 1/n

Так, при n =2 соотношение мощностей

P₁: P₂: P₃ = 2: 1: 0,5,

т.е. диапазон регулирования мощности равен 4.

Для равномерной загрузки питающей сети в трехфазных электротермических устройствах число секций кратно трем.

Схемы включения секций трехфазных нагревательных устройств

При включении трехфазных приемников в симметричную звезду или треугольник (рис.)мощность определяют по формуле

Р = 3Р_ф = 3U_ф I_ф cosφ,

где Р_ф – мощность нагревательных элементов одной фазы, Вт;

I_ф – ток фазы, А;

сosφ – коэффициент мощности для нагревательных элементов, обладающих активным сопротивлением (сosφ = 1).

Для трехфазной симметричной системы справедливы следующие соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами:

Для симметричной звезды

I_л = I_ф; U_л = 3 U_ф,

Для симметричного треугольника

U_л = U_ф; I_л = I_ф.

При наличии трех секций, каждая из которых рассчитана на линейное напряжение U_л, нагревательные элементы могут соединены в звезду или треугольник.

При соединении секций звездой мощность нагревательных элементов

Р =3 U_ф I_ф = 3 U_ф²/ R_1н = U_л² / R_1н

При соединении секций треугольником мощность нагревательных элементов

Р = 3 U_ф I_ф =3

Отношение мощностей Р и Р составит

Р: Р = 3 : = 3:1

Т.о., переключение м со звезды на треугольник можно получить общую мощность нагревательных элементов в соотношении 1:3.

Изменяя схему их включения, мощность можно регулировать ступенчато, что приемлемо в тех случаях, когда по условиям технологического процесса не требуется точное поддержание температуры.

При плавном регулировании мощности изменением напряжения, питающего электротермическую установку, можно более точно поддерживать температуру.