Как изменить температуру тэна

За последний месяц меня двенадцать раз спросили, где я брал свой регулятор мощности для ТЭНа. Действительно, вещь эта довольно востребована и раз возникают подобные вопросы, я решил написать этот пост. Тем более мне мой обошелся всего в 1000 рублей, с хвостиком.

Необходимость в регулировании мощности нагрева появилась у меня после приобретения тарельчатой колонны. Если читали статью о моем оборудовании , то знаете, что у меня в перегонном кубе установлены два электронагревателя общей мощностью 2 кВт. Этой мощности слишком много для работы на имеющейся колонне, не говоря уже о ее некоторых режимах.

Итак, начал я искать регулятор напряжения. Самый бюджетный вариант, который я нашел стоил в районе 3000 рублей. Дороговато.

На помощь вновь пришли китайцы. Вот такой бюджетный регулятор на 220 вольт я нашел на алиэкспресс:

При стоимости в 880 рублей он рассчитан на целых 10 кВт.

Осталось только уместить его в корпус и подвести провод и розетку.

Корпус обошелся в 100 рублей (КМПн 2/4 фирмы IEK), к нему розетка на 16 ампер (60 р), провод ПВСн 3×2,5 по 80 рублей за метр и вилка на 16 ампер (40 р).

В конечном итоге все выглядит вот так:

А вот регулятор в работе:

На экране цифра в процентах от номинального напряжения. Шаг равен 1 проценту. Очень удобно. Прошел уже более 10 перегонок. Никаких проблем не обнаружил.

Другие полезные товары с Алиэкспресс можно посмотреть в этой статье

Терморегулятор предназначен для поддержания заданной температуры путём управления нагревательными (охладительными) элементами.

Данные устройства бывают нескольких видов, начиная простыми механическими и заканчивая электронными многофункциональными и даже интеллектуальными устройствами.

Принцип работы состоит в том, что в устройстве есть выносной термодатчик, который сообщает устройству температуру окружающей среды. Для поддержания и регулировки заданного предела как раз и используется терморегулятор. Применяются для поддержания в различных устройствах, таких как: холодильник, тёплый пол, водяное отопление или нагреватели, инкубатор, теплицы и т.п.

Подключение ТЭНа с терморегулятором

Рассмотрим принцип работы и схему включения.

Они используются для бойлеров и котлов отопления. Берём универсальный на 220В и 2-4,5кВт, обычный, с чувствительным элементом в виде трубочки, помещается он внутрь ТЭНа, в котором есть специальное отверстие.

Тут видим 3 пары нагревательных элементов, итого шесть, подключать нужно следующим образом: на три садим ноль и на другие 3 – фазу. В разрыв цепи вставляем как раз наше устройство. Он имеет три контакта, на фото ниже видно один по центру сверху и два снизу. Верхний используется для включения к нулю, а какой из нижних к фазе надо проверить тестером.

Ставим регулятор на минимум – звоним тестером в левый нижний с верхним – есть звуковой сигнал, а на втором нет, теперь увеличим градус и тестер звонит уже правый нижний с нулём. Значит питание приходит на ноль (верхний) и с него идёт на ТЭНы, т.е. запитываются. А левый нижний вывод можно использовать для индикатора, чтобы индицировалось, когда отключён ТЭН.

1. Термостатом. В этом случае ТЭНы выключаются при достижении заданной температуры и включаются при падении температуры ниже заданного предела.
2. Регулятором. В этом случае происходит плавная регулировка мощности.

Термостатов на рынке великое множество, регуляторов тоже. Для этого используют симмисторные регуляторы мощности (аналогичные диммерам для регулирования яркости ламп). Вам нужно выбрать с запасом по мощности. Т.е. если у вас ТЭНы суммарно потебляют 3000 Ватт, то нужно регулятор 4000 Ватт и больше, лучше 5000. Также на регуляторе должен быть радиатор, обратите на это внимание, чем больше радиатор — тем лучше (в магазинах пишут «3500 Ватт» и они без радиатора и держут по факту всего 300 ватт).

Также вы можете понижать мощность ТЭНов другими способами — установив выключатель и отключать один из ТЭНов. Дополнительно можно поставить диод — он заставит ТЭН работать в половине от мощности. Т.е. схема такая:

1. Устанавливаем на каждый из ТЭНов выключатель.
2. Параллельно выключателю одного из ТЭНов ставим диод.
3. Ставим общий выключатель (автомат, например) на оба ТЭНа.

Тогда работает это так:

1. Включены оба выключателя — максимальная мощность двух тэнов (100%).
2. Выключен выключатель (тот который без диода) — работает 1 ТЭН на полную мощностью (50%).
3. Выключен выключатель параллельно которому диод установлен, а второй выключатель включен — работает 1 ТЭН на полную мощность, а второй на половину, итого 75% от всей мощности (полтора ТЭНа).
4. Выключены оба выключателя — работает только 1 ТЭН на половину мощности (25% от всей мощности).

Вот еще идея как сделать регулятор:

Есть готовое решение, например, gt10000w, обычно это безымянные приборы китайского производства, лучше выбирайте сами в интернете, по запросу в поиске «Регулятор мощности для ТЭНа 5000 кВт» (ну или какая у вас мощность указывайте).

Всем добрый день. Спасибо за советы, они очень пригодились. 

Что я для себя выбрал?

1. Диод 10А10. 1000 В, 10 а, не требует радиатора, стоимость от 10 до 50 руб в разных точках. Прекрасно разместится в поддоне чайника, рядом с контактной группой.

2. Диммер, нашел, где купить в пределах 150 руб. Здесь есть одно «но»: по «тех.заданию» установка «водяной бани» не должна обрастать снаружи различным навесным оборудованием, единственное вынужденное допущение — закрепленное на корпусе термореле, 2,1х2,1х6,4. Внутрь диммер не впихнуть, габариты всё же великоваты, поэтому он будет собран отдельным устройством, включающим в себя вилку, сам диммер, и розетку, и будет включаться как промежуточный блок для любого потребителя, требующего регулировки мощности. При этом удобство использования учтено, так как основная розетка находится тут же, под рукой, и габариты установки не нарушаются.

3. Предложение «включить последовательно два чайника» я тоже рассматривал, ранее мне приходилось применять подобную схему, но не так радикально, в качестве балластного сопротивления я использовал галогеновую лампу 1 кВт, работало нормально. В данном случае, как уже говорил, схема не подходит, в силу разрастания габаритов, балластное сопротивление всё же само по себе требует значительных площадей теплоотвода…

4. Предложения по включению в конструкцию разного рода электроники хороши, но есть ряд препятствий к их использованию: 1. опять же увеличение громоздкости конструкции; 2. более высокая стоимость, по сравнению с иными вариантами. 3. относительная сложность, а, следовательно, и меньшая надежность (требует, как минимум, влагозащищенного, термостойкого кожуха). Кроме того, настолько высокая точность поддержания температуры просто не требуется, достаточно плюс-минус 5 град.

10 часов назад, limir62 сказал:

Надо повысить чувствительность теморегулятора(уменьшить время отклика), расположив термочувствительный элемент как можно ближе к нагревателю.

Да, была (и остается) мысль спаять водонепроницаемый корпус для термореле, и врезать его в корпус самого чайника, тем самым снизив время отклика. Остановило то, что чайник — китайский на 201%, что означает непредсказуемость его корпуса к пайке. Припаивал ободок к горловине (для жесткости), так весь изматерился, где-то припой ложится как масло на хлеб, а рядом не ложится вообще. Так и пришлось пока оставить, с пробелами по пайке. Жесткость есть, но исполнение… не люблю такого.

Тем не менее, этот вариант остается актуальным, будущее покажет, нужен ли он будет. Теоретически ведь с помощью диммера можно подобрать такой ток, что охлаждение будет компенсировать нагрев, система будет в равновесии. 

Ещё раз спасибо всем за участие.

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.

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%. 

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 ^o C. Система управления должна выдерживать изменения сопротивления примерно 4: 1 в течение срока службы элемента и примерно до 3: 1 в рабочем диапазоне температур.

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.

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. 

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.

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.