淺談電爐常用的三種加熱控制方式

侯 冉，王亞輝

(機械工業第六設計研究院有限公司，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勢。常用的電加熱方式有交流接觸器加熱、固態繼電器加熱、可控硅模塊加熱、磁性調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定值比較，輸出開關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，從而實現溫度閉環調節。

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。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，溫控儀表需設置合適的回差值。在實際項目中，該種加熱控制方式成本低廉、易于實現，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部圖。

圖2 交流接觸器電氣控制原理圖

3 調功器加熱

調功器是將觸發板、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功調壓裝置，其絕緣性、抗干擾性、安全性更好，便于控制柜內布置安裝。目前市場上的調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據狀態并修改參數。采用調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定值進行比較，經內部控制算法運算后輸出控制信號，控制信號直接作用于調功器，調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部圖

圖4 調功器加熱控制框圖

調功器電氣控制原理圖如圖5所示,MEI是數字式電力儀表，SCRD是調功器。數字式電力儀表實現測量電壓電流、輸出報警信號(通過中間繼電器KA1線圈)、遠程通信的功能。三相電經空氣斷路器和熔斷器，接至調功器的主輸入觸點，調功器的主輸出觸點連接電加熱元件。中間繼電器KA2的常開觸點控制調功器的啟停。調功器接收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 調功器電氣控制原理圖

調功器內部的可控硅模塊為雙向可控硅模塊，可實現交流調壓或交流調功。調功器工作在移相觸發調壓模式和過零觸發調功模式。移相觸發調壓模式和過零觸發調功模式的電壓波形示意圖如圖6所示。

圖6 移相觸發和過零觸發電壓波形示意圖

采用移相觸發，是通過改變每周波導通的相位，來調節輸出電壓的有效值。采用過零觸發，是通過改變通態周波數和斷態周波數，來調節輸出功率的平均值[2]。

調功器的進線端裝電流互感器，測量進線端電流；出線端取結點接至數字電力儀表測出線端電壓。因為當調功器采用移相觸發模式時，出線端的電流波形不規整且諧波嚴重，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。

移相觸發模式控溫更精確更穩定，但會產生電磁干擾，對周邊模擬量信號產生干擾，且產生的高次諧波污染電網。過零觸發干擾小，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)將調功器單獨布置在一個柜內，且和其他信號控制柜相隔較遠距離；控制柜內地排、柜外殼、信號線屏蔽層需良好接地。

(2)如果功率不大，調功器前端可加隔離變壓器。或將控制柜的控制回路加隔離變壓器或EMI電源濾波器。

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

在實際項目中采用調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。調功器柜內圖如圖7所示。

4 磁性調壓器加熱

磁性調壓器又稱可控變壓器，是一種沒有機械傳動，無觸點的調壓器，可平滑無極調壓；適用于需要低壓大電流的電加熱元件。磁性調壓器的結構類似一般變壓器，基本組成是變壓器和飽和電抗器兩部分，通過調節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，來調節磁性調壓器輸出端電壓的大小。圖8是磁性調壓器加熱控制框圖。

圖7 調功器柜內圖

圖8 磁性調壓器加熱控制框圖

PLC接受熱電偶反饋的溫度測量值，與溫度設定值進行比較，經控制算法運算后輸出調節信號至觸發器，觸發器輸出觸發信號至可控硅整流模塊的觸發端，可控硅整流模塊輸出脈動直流電壓至磁性調壓器的直流控制端，磁性調壓器次級電壓作用于電加熱元件上。

磁性調壓器的電氣控制原理圖[3]如圖9所示。

圖9 磁性調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是磁性調壓器，磁性調壓器的進線端和出線端分別設有電流互感器和數字式電力儀表用來監測初級和次級電壓電流。控制變壓器TM1、觸發器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生影響，所以必須保證可靠接地。磁性調壓器加熱常用在功率較大的加熱場合。圖10所示為磁性調壓器控制電路部分柜內圖。

圖10 磁性調壓器控制電路部分柜內圖

采用磁性調壓器的控制方式，由于磁性調壓器成本較高，且磁性調壓器隨著容量增大體積也在增大，不便在現場布置。但磁性調壓器控制平穩，運行壽命長，對控制信號及回路干擾較小，且磁性調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生，也可以通過線性電源、開關電源的方式。本文所述的是相對成本較低的一種方式。

5 結 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，提高了發熱功率，且不存在中性線，相對節省銅鋁母排，但仍要事先根據電加熱元件的規格、額定負荷等，通過計算選擇合理的負載串并聯方式，并匹配相應大小的調功器或磁性調壓器。