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疊層控制技術(shù)在電阻爐加熱控制中的應(yīng)用
Application of stack control technology in heating control of resistance furnace
蘇宗義1，薛煜騫2，胡祥龍3，周 瑤3
SU Zong-yi 1, XUE Yu-qian 2, HU Xiang-long 3, ZHOU Yao 3
（1.中國人民解放軍駐石河子大學(xué)后備軍官選拔培訓(xùn)工作辦公室，石河子 832000；2.石河子大學(xué) 機電學(xué)院，石河子 832000；3.湖南頂立科技有限公司，長沙 410118）
摘 要：在熱工裝備加熱過程中，電阻率隨溫度增加而降低，高溫時的電阻率變化為低溫時電阻率的50%～60%。當電阻下降時要保持功率不變則需要增加電流值，高溫區(qū)工作時，電流已經(jīng)達
到了功率調(diào)節(jié)器的上限，無法輸出更大的功率。疊層控制技術(shù)將變壓器分為兩檔電壓，通過移相與過零
兩種調(diào)節(jié)方式相結(jié)合，實現(xiàn)兩檔電壓間的無級調(diào)節(jié)，自動調(diào)節(jié)變壓器的電流電壓，減少諧波污染，提升設(shè)備功率因數(shù)和功率輸出。
關(guān)鍵詞：電阻率變化；疊層控制技術(shù)；無級調(diào)節(jié)；諧波污染；功率因數(shù)中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1009-0134(2017)06-0043-02
收稿日期：2017-04-25
作者簡介：蘇宗義（1976 -），男，陜西岐山人，教授，碩士，研究方向為國防教育、電氣自動化。
0 引言
熱工裝備高溫加熱時，電阻率會隨溫度變化而變化，加熱元件在低溫段，功率輸出正常，輸出的電壓電流與加熱電源的匹配性很好，但在高溫段，功率輸出異常，有時輸出的功率甚至只有額定功率的30%，造成嚴重的大馬拉小車現(xiàn)象。為了解決這一問題，本文引進疊層控制技術(shù)進行改進。
1 疊層控制技術(shù)
1.1 控制基本模型
晶閘管是一種常用的電力電子器件，本文論述的電路是采用晶閘管來組成的交流調(diào)壓電路。如圖1所示，把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流電力，這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流電力控制電路。
在這種電路中晶閘管的觸發(fā)控制方式分為：過零觸發(fā)和移相觸發(fā)。由于過零觸發(fā)電流沖擊大，本文主要對移相觸發(fā)進行研究。
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i 圖1 電阻負載的晶閘管交流調(diào)壓電路模型
1.2 移相觸發(fā)
在每半個周波內(nèi)，通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流
調(diào)壓電路，晶閘管的觸發(fā)方式叫移相觸發(fā)。
圖2 不同控制角的移相觸發(fā)的輸出波形
根據(jù)有效值的定義，可以計算阻性負載的移相觸發(fā)的輸出電壓有效值U o 和功率因數(shù)η為：
（U i 為輸入電壓有效值，U o 為輸出電壓的有效值，
α為圖2中的控制角）由功率因數(shù)η的計算公式，可以繪制出控制角α與η之間的關(guān)系曲線如圖3所示。
在移相觸發(fā)的控制方式下，晶閘管導(dǎo)通時，負載
的電流電壓波形都是晶閘管移相調(diào)整過的波形，所以晶
閘管的這種觸發(fā)方式會對電網(wǎng)造成諧波污染，如圖3所示，當電源的移相深度越深（控制角α越大）時，電源系統(tǒng)的功率因數(shù)越差，相應(yīng)地，注入電網(wǎng)的電流諧波含
量指標也會變差。
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2 疊層電源
針對上述情況高諧波、低功率因數(shù)弊端，引進了疊層控制電源。以疊層單相電源模型為例如圖4
所示。
圖4 原邊疊層電源模型
如上圖所示為變壓器原邊兩疊層電源模型，進線電源每相采用2組可控硅分別連接到變壓器原邊的兩個抽頭。實際運行中，輸入到負載端的電壓波形為兩層電壓的疊加，在很大程度上提高功率因數(shù)和減小諧波含量。
3 控制原理及應(yīng)用
以石墨電爐為例，加熱器的負載為石墨。石墨的阻值是會隨溫度變化而變化的，通常高溫階段時其電阻率會降低到冷態(tài)時的一半左右。石墨電爐一般采用恒功率運行，由于石墨的電阻率—溫度特性，同樣功率設(shè)定下，低溫時需要高電壓低電流，而高溫時需要低電壓高電流。3.1
低溫階段
疊層波形
非疊層波形
圖5 低溫階段輸出波形
低溫階段時，由于石墨電阻率高。此時要達到額定功率則需要高電壓。對于非疊層電源其輸出的波形為完整正弦波，此時功率因素高、諧波小。對于疊層電源其高壓檔輸出波形為完整正弦波，此時功率因素高、諧波小。因此在冷態(tài)時，兩種電源效果一樣。3.2 中溫階段
疊層波形
非疊層波形
圖6 中溫階段輸出波形
中溫階段時，此時負載電阻率較冷態(tài)時有小幅下降。此時要達到額定功率則需要的電壓較冷態(tài)時有所降低。對于非疊層電源，此時晶閘管導(dǎo)通角α角度比疊層電源晶閘管導(dǎo)通角α大。α角度越大，電源產(chǎn)生的諧波越高、功率因素越低。因此在中溫階段時，疊層電源在
指標上比非疊層電源指標更優(yōu)。3.3
高溫階段
疊層波形
非疊層波形
圖7 高溫階段輸出波形
高溫階段時，石墨電阻率進一步降低，基本達到冷態(tài)時的一半。因此要達到額定功率，輸出的電壓要求更低。如果按電阻率下降一半計算。那么要達到額定功率，此時的電壓需要降低到冷態(tài)電壓的0.7倍。若疊層電源低電壓檔電壓按照高電壓檔的0.7倍設(shè)計。那么在高溫時，低電壓檔為完整正弦波輸出及能達到額定功率。此時基本諧波含量極少、功率因素高。而非疊層電
源要達到額定功率，晶閘管導(dǎo)通角α角度很大，產(chǎn)生的
圖3 單相晶閘管移相控制功率因數(shù)曲線
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【51】
入液位控制畫面，畫面有調(diào)節(jié)閥B 開度和液位高低設(shè)定對話框，有調(diào)節(jié)閥B 開度和液位反饋的實時顯示數(shù)據(jù)，畫面還有PI （比例積分）的自學(xué)習(xí)功能按鈕，啟動自學(xué)習(xí)功能，系統(tǒng)會根據(jù)工況自動尋找最佳的PI （比例積分）參數(shù)，減少人為干預(yù)，達到自動精確控制。并且，自學(xué)習(xí)完成后，PI 參數(shù)自動顯示在屏幕上，方便控制。如果需要手動，則點擊畫面上的PI 按鈕即可。
完成自學(xué)習(xí)功能后，設(shè)定好所需液位，有效PI 功能，超聲波液位變送器A 會檢測液位數(shù)值，并將數(shù)值實時傳送給控制器PLC ，控制器將實時數(shù)據(jù)和設(shè)定液位數(shù)值進行比較，當實時液位大于設(shè)定值，控制器發(fā)出指令將調(diào)節(jié)閥B 減小開度或關(guān)閉，當實時液位小于設(shè)定值，（圖1），控制器發(fā)出指令，調(diào)節(jié)閥B 開度增大，補充上漿液到液位槽，維持恒定液位高度。
4 結(jié)論
本系統(tǒng)為一種改進的碳纖維上漿工藝，是PI （比例積分）控制，屬于智能型的控制功能。PLC 控制器
會根據(jù)實際液位數(shù)值與設(shè)定值之間差值大小來控制調(diào)節(jié)閥B 開度的大小，當實際數(shù)值遠低于設(shè)定值時，調(diào)節(jié)閥B 會
被控制全開，當實際數(shù)值逐漸接近設(shè)定值時，調(diào)節(jié)閥B 開度也會跟隨逐漸變小，直至實際值與設(shè)定值相等時，調(diào)節(jié)閥B 也會完全關(guān)閉。環(huán)境溫度的變化會影響上漿液的穩(wěn)定性，因此上漿槽設(shè)計加裝夾層（如圖1所示），夾層中通入恒溫水，溫度控制在25°C ±2范圍內(nèi)，位于恒溫水槽中的水，夏天通過冷凍機冷卻，冬天通過流體加熱器加熱，保證液位槽內(nèi)的漿液溫度維持恒定，不超過25°C ±2范圍。
此上漿系統(tǒng)，系統(tǒng)解決了碳纖維上漿工藝問題，保證碳纖維的質(zhì)量，為碳纖維的應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)，產(chǎn)品合格率提升了30%。
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諧波很高、功率因素很低。因此在高溫階段時，疊層電源較非疊層電源優(yōu)勢更加明顯。
4 結(jié)果檢驗
以150kW 的石墨電阻爐為實例，用單層電源和疊層電源分別對設(shè)備進行加熱，數(shù)據(jù)擬合曲線如圖8所示。
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圖8 功率因數(shù)對比
5 結(jié)論
疊層控制技術(shù)主要是通過在電源的運行過程中根據(jù)實際使用電壓等級的情況實現(xiàn)電壓等級的自動切換，從而使晶閘管可以長時間以接近全導(dǎo)通的狀態(tài)工作。綜上
圖8～圖9曲線可以得出，與單層電源方案相比，疊層控制方案的功率因數(shù)、諧波等電源指標效果更優(yōu)。
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圖9 諧波畸變率對比
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