蘇宗義，薛煜騫，胡祥龍，周 瑤

（1.中國(guó)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(jī)電學(xué)院，石河子 832000；3.湖南頂立科技有限公司，長(zhǎng)沙 410118）

疊層控制技術(shù)在電阻爐加熱控制中的應(yīng)用

蘇宗義1，薛煜騫2，胡祥龍3，周 瑤3

（1.中國(guó)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(jī)電學(xué)院，石河子 832000；3.湖南頂立科技有限公司，長(zhǎng)沙 410118）

在熱工裝備加熱過(guò)程中，電阻率隨溫度增加而降低，高溫時(shí)的電阻率變化為低溫時(shí)電阻率的50%～60%。當(dāng)電阻下降時(shí)要保持功率不變則需要增加電流值，高溫區(qū)工作時(shí)，電流已經(jīng)達(dá)到了功率調(diào)節(jié)器的上限，無(wú)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(guò)移相與過(guò)零兩種調(diào)節(jié)方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兩檔電壓間的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，自動(dòng)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。

電阻率變化；疊層控制技術(shù)；無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)；諧波污染；功率因數(shù)

0 引言

熱工裝備高溫加熱時(shí)，電阻率會(huì)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(shí)輸出的功率甚至只有額定功率的30%，造成嚴(yán)重的大馬拉小車現(xiàn)象。為了解決這一問(wèn)題，本文引進(jìn)疊層控制技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

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(lái)組成的交流調(diào)壓電路。如圖1所示，把兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過(guò)對(duì)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(guò)零觸發(fā)和移相觸發(fā)。由于過(guò)零觸發(fā)電流沖擊大，本文主要對(duì)移相觸發(fā)進(jìn)行研究。

圖1 電阻負(fù)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(gè)周波內(nèi)，通過(guò)對(duì)晶閘管開(kāi)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(jì)算阻性負(fù)載的移相觸發(fā)的輸出電壓有效值Uo和功率因數(shù)為：

（Ui為輸入電壓有效值，Uo為輸出電壓的有效值，為圖2中的控制角）由功率因數(shù)的計(jì)算公式，可以繪制出控制角之間的關(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(shí)，負(fù)載的電流電壓波形都是晶閘管移相調(diào)整過(guò)的波形，所以晶閘管的這種觸發(fā)方式會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，如圖3所示，當(dāng)電源的移相深度越深（控制角α越大）時(shí)，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(biāo)也會(huì)變差。

圖3 單相晶閘管移相控制功率因數(shù)曲線

2 疊層電源

針對(duì)上述情況高諧波、低功率因數(shù)弊端，引進(jìn)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(jìn)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(gè)抽頭。實(shí)際運(yùn)行中，輸入到負(fù)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(fù)載為石墨。石墨的阻值是會(huì)隨溫度變化而變化的，通常高溫階段時(shí)其電阻率會(huì)降低到冷態(tài)時(shí)的一半左右。石墨電爐一般采用恒功率運(yùn)行，由于石墨的電阻率—溫度特性，同樣功率設(shè)定下，低溫時(shí)需要高電壓低電流，而高溫時(shí)需要低電壓高電流。

3.1 低溫階段

圖5 低溫階段輸出波形

低溫階段時(shí)，由于石墨電阻率高。此時(shí)要達(dá)到額定功率則需要高電壓。對(duì)于非疊層電源其輸出的波形為完整正弦波，此時(shí)功率因素高、諧波小。對(duì)于疊層電源其高壓檔輸出波形為完整正弦波，此時(shí)功率因素高、諧波小。因此在冷態(tài)時(shí)，兩種電源效果一樣。

3.2 中溫階段

圖6 中溫階段輸出波形

中溫階段時(shí)，此時(shí)負(fù)載電阻率較冷態(tài)時(shí)有小幅下降。此時(shí)要達(dá)到額定功率則需要的電壓較冷態(tài)時(shí)有所降低。對(duì)于非疊層電源，此時(shí)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(shí)，疊層電源在指標(biāo)上比非疊層電源指標(biāo)更優(yōu)。

3.3 高溫階段

圖7 高溫階段輸出波形

高溫階段時(shí)，石墨電阻率進(jìn)一步降低，基本達(dá)到冷態(tài)時(shí)的一半。因此要達(dá)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(jì)算。那么要達(dá)到額定功率，此時(shí)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(jì)。那么在高溫時(shí)，低電壓檔為完整正弦波輸出及能達(dá)到額定功率。此時(shí)基本諧波含量極少、功率因素高。而非疊層電源要達(dá)到額定功率，晶閘管導(dǎo)通角α角度很大，產(chǎn)生的

【】【】諧波很高、功率因素很低。因此在高溫階段時(shí)，疊層電源較非疊層電源優(yōu)勢(shì)更加明顯。

4 結(jié)果檢驗(yàn)

以150kW的石墨電阻爐為實(shí)例，用單層電源和疊層電源分別對(duì)設(shè)備進(jìn)行加熱，數(shù)據(jù)擬合曲線如圖8所示。

圖8 功率因數(shù)對(duì)比

5 結(jié)論

疊層控制技術(shù)主要是通過(guò)在電源的運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)實(shí)際使用電壓等級(jí)的情況實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的自動(dòng)切換，從而使晶閘管可以長(zhǎng)時(shí)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(biāo)效果更優(yōu)。

圖9 諧波畸變率對(duì)比

[1] 劉美慧,胡仰棟.高溫電加熱下電阻率與導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的傳熱過(guò)程模擬[J].工業(yè)加熱,2008,37(4):24-26.

[2] 白美卿,高富強(qiáng).電阻爐爐溫控制中的可控硅觸發(fā)技術(shù)[J].自動(dòng)化儀表,1996,17(2):28-31.

[3] 葛玻.可控硅溫控系統(tǒng)中的諧波分析與導(dǎo)線選擇[J].洛陽(yáng)工業(yè)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),1996-3(1).

[4] 譚兵.電力相控系統(tǒng)諧波分析算法研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2002.

Application of stack control technology in heating control of resistance furnace

SU Zong-yi1, XUE Yu-qian2, HU Xiang-long3, ZHOU Yao3

TP29

：A

1009-0134(2017)06-0043-02

2017-04-25

蘇宗義（1976 -），男，陜西岐山人，教授，碩士，研究方向?yàn)閲?guó)防教育、電氣自動(dòng)化。