淺談電爐常用的三種加熱控制方式

侯 冉，王亞輝

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

1 電加熱爐窯介紹

電加熱窯爐常用在爐內(nèi)需要?dú)夥毡Ｗo(hù)、形成真空、溫度均勻性要求高、溫控精度高等較為苛刻的工藝條件下，相比燃?xì)飧G爐有其不可替代的優(yōu)勢(shì)。常用的電加熱方式有交流接觸器加熱、固態(tài)繼電器加熱、可控硅模塊加熱、磁性調(diào)壓器加熱或可控硅模塊加隔離變壓器等的組合加熱方式。經(jīng)這些器件輸出的電壓作用于電加熱元件上，如電阻帶、硅碳棒、硅鉬棒等，從而完成對(duì)窯爐的加熱。本文介紹了在實(shí)際項(xiàng)目中常用的三種加熱控制方式，并闡述這三種方式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)合。

2 交流接觸器加熱

圖1是交流接觸器加熱控制框圖，控制儀表接收熱電偶的反饋信號(hào)并和設(shè)定值比較，輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)控制交流接觸器線(xiàn)圈的得電或失電，同時(shí)交流接觸器的主觸點(diǎn)吸合或斷開(kāi)，來(lái)控制三相電是否加至電阻帶上，從而實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)調(diào)節(jié)。

圖1 交流接觸器加熱控制框圖

圖2為交流接觸器電氣控制原理圖。電力儀表測(cè)量主回路的電力參數(shù)。控制儀表采用位式控制方式。為避免交流接觸器頻繁吸合斷開(kāi)，溫控儀表需設(shè)置合適的回差值。在實(shí)際項(xiàng)目中，該種加熱控制方式成本低廉、易于實(shí)現(xiàn)，電加熱元件常選用鐵鉻鋁[1]電阻帶，但溫控精度較低，常用在爐內(nèi)最高溫度1 000 ℃以下，總加熱功率在100 kW左右的窯爐中。圖3為交流接觸器控制箱內(nèi)部圖。

圖2 交流接觸器電氣控制原理圖

3 調(diào)功器加熱

調(diào)功器是將觸發(fā)板、可控硅模塊、散熱風(fēng)扇、鋁型材散熱片等元器件組合在一起并用金屬外殼封裝起來(lái)的一種調(diào)功調(diào)壓裝置，其絕緣性、抗干擾性、安全性更好，便于控制柜內(nèi)布置安裝。目前市場(chǎng)上的調(diào)功器有的還配有液晶顯示面板，可通過(guò)液晶面板實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)狀態(tài)并修改參數(shù)。采用調(diào)功器加熱的控制框圖如圖4所示，PLC接收熱電偶反饋回來(lái)的溫度測(cè)量值并和設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)內(nèi)部控制算法運(yùn)算后輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)直接作用于調(diào)功器，調(diào)功器輸出電壓作用于電加熱元件上。

圖3 交流接觸器控制箱內(nèi)部圖

圖4 調(diào)功器加熱控制框圖

調(diào)功器電氣控制原理圖如圖5所示,MEI是數(shù)字式電力儀表，SCRD是調(diào)功器。數(shù)字式電力儀表實(shí)現(xiàn)測(cè)量電壓電流、輸出報(bào)警信號(hào)(通過(guò)中間繼電器KA1線(xiàn)圈)、遠(yuǎn)程通信的功能。三相電經(jīng)空氣斷路器和熔斷器，接至調(diào)功器的主輸入觸點(diǎn)，調(diào)功器的主輸出觸點(diǎn)連接電加熱元件。中間繼電器KA2的常開(kāi)觸點(diǎn)控制調(diào)功器的啟停。調(diào)功器接收PLC控制信號(hào)，如DC 4-20mA、DC 1-5V信號(hào)。負(fù)載為硅碳棒，星形連接。

圖5 調(diào)功器電氣控制原理圖

調(diào)功器內(nèi)部的可控硅模塊為雙向可控硅模塊，可實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓或交流調(diào)功。調(diào)功器工作在移相觸發(fā)調(diào)壓模式和過(guò)零觸發(fā)調(diào)功模式。移相觸發(fā)調(diào)壓模式和過(guò)零觸發(fā)調(diào)功模式的電壓波形示意圖如圖6所示。

圖6 移相觸發(fā)和過(guò)零觸發(fā)電壓波形示意圖

采用移相觸發(fā)，是通過(guò)改變每周波導(dǎo)通的相位，來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。采用過(guò)零觸發(fā)，是通過(guò)改變通態(tài)周波數(shù)和斷態(tài)周波數(shù)，來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率的平均值[2]。

調(diào)功器的進(jìn)線(xiàn)端裝電流互感器，測(cè)量進(jìn)線(xiàn)端電流；出線(xiàn)端取結(jié)點(diǎn)接至數(shù)字電力儀表測(cè)出線(xiàn)端電壓。因?yàn)楫?dāng)調(diào)功器采用移相觸發(fā)模式時(shí)，出線(xiàn)端的電流波形不規(guī)整且諧波嚴(yán)重，用普通的電流互感器測(cè)量誤差大，而進(jìn)線(xiàn)端和出線(xiàn)端電流有效值相等，故采取測(cè)進(jìn)線(xiàn)端電流。采取測(cè)出線(xiàn)端電壓是為了方便觀察輸出電壓有效值的變化。

移相觸發(fā)模式控溫更精確更穩(wěn)定，但會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)周邊模擬量信號(hào)產(chǎn)生干擾，且產(chǎn)生的高次諧波污染電網(wǎng)。過(guò)零觸發(fā)干擾小，但電壓的波動(dòng)較大，對(duì)電加熱元件有沖擊，不利于電加熱元件的長(zhǎng)期使用，且控溫精度低、控溫波動(dòng)大。為有效克服干擾，可采取以下抗干擾措施：

(1)將調(diào)功器單獨(dú)布置在一個(gè)柜內(nèi)，且和其他信號(hào)控制柜相隔較遠(yuǎn)距離；控制柜內(nèi)地排、柜外殼、信號(hào)線(xiàn)屏蔽層需良好接地。

(2)如果功率不大，調(diào)功器前端可加隔離變壓器。或?qū)⒖刂乒竦目刂苹芈芳痈綦x變壓器或EMI電源濾波器。

(3)現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)的加熱電纜和信號(hào)電纜應(yīng)分橋架鋪設(shè)，在同一電纜溝埋設(shè)時(shí)也應(yīng)相隔一定距離。

在實(shí)際項(xiàng)目中采用調(diào)功器加熱常用在加熱總功率在200 kW左右的場(chǎng)合，電加熱元件多為硅碳棒。調(diào)功器柜內(nèi)圖如圖7所示。

4 磁性調(diào)壓器加熱

磁性調(diào)壓器又稱(chēng)可控變壓器，是一種沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)，無(wú)觸點(diǎn)的調(diào)壓器，可平滑無(wú)極調(diào)壓；適用于需要低壓大電流的電加熱元件。磁性調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)類(lèi)似一般變壓器，基本組成是變壓器和飽和電抗器兩部分，通過(guò)調(diào)節(jié)控制端直流電流的大小，改變電抗器的導(dǎo)磁率和電抗值，從而改變電抗器上的壓降，來(lái)調(diào)節(jié)磁性調(diào)壓器輸出端電壓的大小。圖8是磁性調(diào)壓器加熱控制框圖。

圖7 調(diào)功器柜內(nèi)圖

圖8 磁性調(diào)壓器加熱控制框圖

PLC接受熱電偶反饋的溫度測(cè)量值，與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)控制算法運(yùn)算后輸出調(diào)節(jié)信號(hào)至觸發(fā)器，觸發(fā)器輸出觸發(fā)信號(hào)至可控硅整流模塊的觸發(fā)端，可控硅整流模塊輸出脈動(dòng)直流電壓至磁性調(diào)壓器的直流控制端，磁性調(diào)壓器次級(jí)電壓作用于電加熱元件上。

磁性調(diào)壓器的電氣控制原理圖[3]如圖9所示。

圖9 磁性調(diào)壓器電氣控制原理圖

KM1為萬(wàn)能式斷路器主觸點(diǎn)，選用萬(wàn)能式斷路器而不是普通的交流接觸器，是利用萬(wàn)能式斷路器的多重保護(hù)功能以及良好的滅弧功能。TM2是磁性調(diào)壓器，磁性調(diào)壓器的進(jìn)線(xiàn)端和出線(xiàn)端分別設(shè)有電流互感器和數(shù)字式電力儀表用來(lái)監(jiān)測(cè)初級(jí)和次級(jí)電壓電流。控制變壓器TM1、觸發(fā)器TR、可控硅整流模塊SC提供直流脈動(dòng)電壓，SC為單相半控橋式整流模塊。為和磁性調(diào)壓器直流繞組阻抗、最大控制電流匹配，選用電源變壓器TM1進(jìn)行降壓，同時(shí)也起到隔離的作用。R為分流器用來(lái)測(cè)量直流電流的大小。KM2為交流接觸器主觸點(diǎn)，用來(lái)通斷控制電流。FAN為散熱風(fēng)扇，主要為SC散熱。觸發(fā)器TR接收來(lái)自PLC的控制信號(hào)。負(fù)載為硅鉬棒，三角形連接。

在實(shí)際項(xiàng)目中，磁性調(diào)壓器的直流控制端的任意一端需接地處理，因?yàn)榭刂评@組會(huì)感生出高電壓[4]，為了不對(duì)其他電氣回路產(chǎn)生影響，所以必須保證可靠接地。磁性調(diào)壓器加熱常用在功率較大的加熱場(chǎng)合。圖10所示為磁性調(diào)壓器控制電路部分柜內(nèi)圖。

圖10 磁性調(diào)壓器控制電路部分柜內(nèi)圖

采用磁性調(diào)壓器的控制方式，由于磁性調(diào)壓器成本較高，且磁性調(diào)壓器隨著容量增大體積也在增大，不便在現(xiàn)場(chǎng)布置。但磁性調(diào)壓器控制平穩(wěn)，運(yùn)行壽命長(zhǎng)，對(duì)控制信號(hào)及回路干擾較小，且磁性調(diào)壓器的輸出有限流作用和較好的下墜外特性。作用于磁性調(diào)壓器直流控制端的直流電可通過(guò)變壓器加可控硅模塊的方式產(chǎn)生，也可以通過(guò)線(xiàn)性電源、開(kāi)關(guān)電源的方式。本文所述的是相對(duì)成本較低的一種方式。

5 結(jié) 語(yǔ)

不論是哪種加熱方式，負(fù)載均需接成三角形或星形。當(dāng)負(fù)載接成星形，因有中性線(xiàn)，當(dāng)某相出現(xiàn)個(gè)別加熱元件損壞或三相的加熱元件沒(méi)有事先按阻值進(jìn)行匹配時(shí)，會(huì)導(dǎo)致三相不平衡，中性線(xiàn)帶電流。負(fù)載接成三角形，由于三角形連接提高了加熱元件兩端電壓，提高了發(fā)熱功率，且不存在中性線(xiàn)，相對(duì)節(jié)省銅鋁母排，但仍要事先根據(jù)電加熱元件的規(guī)格、額定負(fù)荷等，通過(guò)計(jì)算選擇合理的負(fù)載串并聯(lián)方式，并匹配相應(yīng)大小的調(diào)功器或磁性調(diào)壓器。