蘇宗義，薛煜騫，胡祥龍，周 瑤

（1.中國人民解放軍駐石河子大學后備軍官選拔培訓工作辦公室，石河子 832000；2.石河子大學 機電學院，石河子 832000；3.湖南頂立科技有限公司，長沙 410118）

疊層控制技術在電阻爐加熱控制中的應用

蘇宗義1，薛煜騫2，胡祥龍3，周 瑤3

（1.中國人民解放軍駐石河子大學后備軍官選拔培訓工作辦公室，石河子 832000；2.石河子大學 機電學院，石河子 832000；3.湖南頂立科技有限公司，長沙 410118）

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，高溫區工作時，電流已經達到了功率調節器的上限，無法輸出更大的功率。疊層控制技術將變壓器分為兩檔電壓，通過移相與過零兩種調節方式相結合，實現兩檔電壓間的無級調節，自動調節變壓器的電流電壓，減少諧波污染，提升設備功率因數和功率輸出。

電阻率變化；疊層控制技術；無級調節；諧波污染；功率因數

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象。為了解決這一問題，本文引進疊層控制技術進行改進。

1 疊層控制技術

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壓電路。如圖1所示，把兩個晶閘管反并聯后串聯在交流電路中，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控制方式分為：過零觸發和移相觸發。由于過零觸發電流沖擊大，本文主要對移相觸發進行研究。

圖1 電阻負載的晶閘管交流調壓電路模型

1.2 移相觸發

在每半個周波內，通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調節輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調壓電路，晶閘管的觸發方式叫移相觸發。

圖2 不同控制角的移相觸發的輸出波形

根據有效值的定義，可以計算阻性負載的移相觸發的輸出電壓有效值Uo和功率因數為：

（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）由功率因數的計算公式，可以繪制出控制角之間的關系曲線如圖3所示。

在移相觸發的控制方式下，晶閘管導通時，負載的電流電壓波形都是晶閘管移相調整過的波形，所以晶閘管的這種觸發方式會對電網造成諧波污染，如圖3所示，當電源的移相深度越深（控制角α越大）時，電源系統的功率因數越差，相應地，注入電網的電流諧波含量指標也會變差。

圖3 單相晶閘管移相控制功率因數曲線

2 疊層電源

針對上述情況高諧波、低功率因數弊端，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和減小諧波含量。

3 控制原理及應用

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

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。因此在冷態時，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，此時負載電阻率較冷態時有小幅下降。此時要達到額定功率則需要的電壓較冷態時有所降低。對于非疊層電源，此時晶閘管導通角α角度比疊層電源晶閘管導通角α大。α角度越大，電源產生的諧波越高、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。

3.3 高溫階段

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，晶閘管導通角α角度很大，產生的

【】【】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勢更加明顯。

4 結果檢驗

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備進行加熱，數據擬合曲線如圖8所示。

圖8 功率因數對比

5 結論

疊層控制技術主要是通過在電源的運行過程中根據實際使用電壓等級的情況實現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通的狀態工作。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、諧波等電源指標效果更優。

圖9 諧波畸變率對比

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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，研究方向為國防教育、電氣自動化。