侯 冉，王亞輝

(機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450000)

1 電加熱爐窯介紹

電加熱窯爐常用在爐內(nèi)需要氣氛保護、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，相比燃氣窯爐有其不可替代的優(yōu)勢。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，從而完成對窯爐的加熱。本文介紹了在實際項目中常用的三種加熱控制方式，并闡述這三種方式的優(yōu)缺點及適用場合。

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并和設(shè)定值比較，輸出開關(guān)量信號控制交流接觸器線圈的得電或失電，同時交流接觸器的主觸點吸合或斷開，來控制三相電是否加至電阻帶上，從而實現(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。電力儀表測量主回路的電力參數(shù)?？刂苾x表采用位式控制方式。為避免交流接觸器頻繁吸合斷開，溫控儀表需設(shè)置合適的回差值。在實際項目中，該種加熱控制方式成本低廉、易于實現(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。目前市場上的調(diào)功器有的還配有液晶顯示面板，可通過液晶面板實時查看數(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的溫度測量值并和設(shè)定值進行比較，經(jīng)內(nèi)部控制算法運算后輸出控制信號，控制信號直接作用于調(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)字式電力儀表實現(xiàn)測量電壓電流、輸出報警信號(通過中間繼電器KA1線圈)、遠程通信的功能。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，調(diào)功器的主輸出觸點連接電加熱元件。中間繼電器KA2的常開觸點控制調(diào)功器的啟停。調(diào)功器接收PLC控制信號，如DC 4-20mA、DC 1-5V信號。負載為硅碳棒，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)壓模式和過零觸發(fā)調(diào)功模式。移相觸發(fā)調(diào)壓模式和過零觸發(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)和過零觸發(fā)電壓波形示意圖

采用移相觸發(fā)，是通過改變每周波導通的相位，來調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值。采用過零觸發(fā)，是通過改變通態(tài)周波數(shù)和斷態(tài)周波數(shù)，來調(diào)節(jié)輸出功率的平均值[2]。

調(diào)功器的進線端裝電流互感器，測量進線端電流；出線端取結(jié)點接至數(shù)字電力儀表測出線端電壓。因為當調(diào)功器采用移相觸發(fā)模式時，出線端的電流波形不規(guī)整且諧波嚴重，用普通的電流互感器測量誤差大，而進線端和出線端電流有效值相等，故采取測進線端電流。采取測出線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，但會產(chǎn)生電磁干擾，對周邊模擬量信號產(chǎn)生干擾，且產(chǎn)生的高次諧波污染電網(wǎng)。過零觸發(fā)干擾小，但電壓的波動較大，對電加熱元件有沖擊，不利于電加熱元件的長期使用，且控溫精度低、控溫波動大。為有效克服干擾，可采取以下抗干擾措施：

(1)將調(diào)功器單獨布置在一個柜內(nèi)，且和其他信號控制柜相隔較遠距離；控制柜內(nèi)地排、柜外殼、信號線屏蔽層需良好接地。

(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)場敷設(shè)的加熱電纜和信號電纜應分橋架鋪設(shè)，在同一電纜溝埋設(shè)時也應相隔一定距離。

在實際項目中采用調(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)壓器又稱可控變壓器，是一種沒有機械傳動，無觸點的調(diào)壓器，可平滑無極調(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，通過調(diào)節(jié)控制端直流電流的大小，改變電抗器的導磁率和電抗值，從而改變電抗器上的壓降，來調(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量值，與溫度設(shè)定值進行比較，經(jīng)控制算法運算后輸出調(diào)節(jié)信號至觸發(fā)器，觸發(fā)器輸出觸發(fā)信號至可控硅整流模塊的觸發(fā)端，可控硅整流模塊輸出脈動直流電壓至磁性調(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為萬能式斷路器主觸點，選用萬能式斷路器而不是普通的交流接觸器，是利用萬能式斷路器的多重保護功能以及良好的滅弧功能。TM2是磁性調(diào)壓器，磁性調(diào)壓器的進線端和出線端分別設(shè)有電流互感器和數(shù)字式電力儀表用來監(jiān)測初級和次級電壓電流?？刂谱儔浩鱐M1、觸發(fā)器TR、可控硅整流模塊SC提供直流脈動電壓，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進行降壓，同時也起到隔離的作用。R為分流器用來測量直流電流的大小。KM2為交流接觸器主觸點，用來通斷控制電流。FAN為散熱風扇，主要為SC散熱。觸發(fā)器TR接收來自PLC的控制信號。負載為硅鉬棒，三角形連接。

在實際項目中，磁性調(diào)壓器的直流控制端的任意一端需接地處理，因為控制繞組會感生出高電壓[4]，為了不對其他電氣回路產(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)場布置。但磁性調(diào)壓器控制平穩(wěn)，運行壽命長，對控制信號及回路干擾較小，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變壓器加可控硅模塊的方式產(chǎn)生，也可以通過線性電源、開關(guān)電源的方式。本文所述的是相對成本較低的一種方式。

5 結(jié) 語

不論是哪種加熱方式，負載均需接成三角形或星形。當負載接成星形，因有中性線，當某相出現(xiàn)個別加熱元件損壞或三相的加熱元件沒有事先按阻值進行匹配時，會導致三相不平衡，中性線帶電流。負載接成三角形，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，相對節(jié)省銅鋁母排，但仍要事先根據(jù)電加熱元件的規(guī)格、額定負荷等，通過計算選擇合理的負載串并聯(lián)方式，并匹配相應大小的調(diào)功器或磁性調(diào)壓器。