叠层控制技术在电阻炉加热控制中的应用

苏宗义，薛煜骞，胡祥龙，周 瑶

（1.中国人民解放军驻石河子大学后备军官选拔培训工作办公室，石河子 832000；2.石河子大学 机电学院，石河子 832000；3.湖南顶立科技有限公司，长沙 410118）

叠层控制技术在电阻炉加热控制中的应用

苏宗义1，薛煜骞2，胡祥龙3，周 瑶3

（1.中国人民解放军驻石河子大学后备军官选拔培训工作办公室，石河子 832000；2.石河子大学 机电学院，石河子 832000；3.湖南顶立科技有限公司，长沙 410118）

在热工装备加热过程中，电阻率随温度增加而降低，高温时的电阻率变化为低温时电阻率的50%～60%。当电阻下降时要保持功率不变则需要增加电流值，高温区工作时，电流已经达到了功率调节器的上限，无法输出更大的功率。叠层控制技术将变压器分为两档电压，通过移相与过零两种调节方式相结合，实现两档电压间的无级调节，自动调节变压器的电流电压，减少谐波污染，提升设备功率因数和功率输出。

电阻率变化；叠层控制技术；无级调节；谐波污染；功率因数

0 引言

热工装备高温加热时，电阻率会随温度变化而变化，加热元件在低温段，功率输出正常，输出的电压电流与加热电源的匹配性很好，但在高温段，功率输出异常，有时输出的功率甚至只有额定功率的30%，造成严重的大马拉小车现象。为了解决这一问题，本文引进叠层控制技术进行改进。

1 叠层控制技术

1.1 控制基本模型

晶闸管是一种常用的电力电子器件，本文论述的电路是采用晶闸管来组成的交流调压电路。如图1所示，把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力，这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。

在这种电路中晶闸管的触发控制方式分为：过零触发和移相触发。由于过零触发电流冲击大，本文主要对移相触发进行研究。

图1 电阻负载的晶闸管交流调压电路模型

1.2 移相触发

在每半个周波内，通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路，晶闸管的触发方式叫移相触发。

图2 不同控制角的移相触发的输出波形

根据有效值的定义，可以计算阻性负载的移相触发的输出电压有效值Uo和功率因数为：

（Ui为输入电压有效值，Uo为输出电压的有效值，为图2中的控制角）由功率因数的计算公式，可以绘制出控制角之间的关系曲线如图3所示。

在移相触发的控制方式下，晶闸管导通时，负载的电流电压波形都是晶闸管移相调整过的波形，所以晶闸管的这种触发方式会对电网造成谐波污染，如图3所示，当电源的移相深度越深（控制角α越大）时，电源系统的功率因数越差，相应地，注入电网的电流谐波含量指标也会变差。

图3 单相晶闸管移相控制功率因数曲线

2 叠层电源

针对上述情况高谐波、低功率因数弊端，引进了叠层控制电源。以叠层单相电源模型为例如图4所示。

图4 原边叠层电源模型

如上图所示为变压器原边两叠层电源模型，进线电源每相采用2组可控硅分别连接到变压器原边的两个抽头。实际运行中，输入到负载端的电压波形为两层电压的叠加，在很大程度上提高功率因数和减小谐波含量。

3 控制原理及应用

以石墨电炉为例，加热器的负载为石墨。石墨的阻值是会随温度变化而变化的，通常高温阶段时其电阻率会降低到冷态时的一半左右。石墨电炉一般采用恒功率运行，由于石墨的电阻率—温度特性，同样功率设定下，低温时需要高电压低电流，而高温时需要低电压高电流。

3.1 低温阶段

图5 低温阶段输出波形

低温阶段时，由于石墨电阻率高。此时要达到额定功率则需要高电压。对于非叠层电源其输出的波形为完整正弦波，此时功率因素高、谐波小。对于叠层电源其高压档输出波形为完整正弦波，此时功率因素高、谐波小。因此在冷态时，两种电源效果一样。

3.2 中温阶段

图6 中温阶段输出波形

中温阶段时，此时负载电阻率较冷态时有小幅下降。此时要达到额定功率则需要的电压较冷态时有所降低。对于非叠层电源，此时晶闸管导通角α角度比叠层电源晶闸管导通角α大。α角度越大，电源产生的谐波越高、功率因素越低。因此在中温阶段时，叠层电源在指标上比非叠层电源指标更优。

3.3 高温阶段

图7 高温阶段输出波形

高温阶段时，石墨电阻率进一步降低，基本达到冷态时的一半。因此要达到额定功率，输出的电压要求更低。如果按电阻率下降一半计算。那么要达到额定功率，此时的电压需要降低到冷态电压的0.7倍。若叠层电源低电压档电压按照高电压档的0.7倍设计。那么在高温时，低电压档为完整正弦波输出及能达到额定功率。此时基本谐波含量极少、功率因素高。而非叠层电源要达到额定功率，晶闸管导通角α角度很大，产生的

【】【】谐波很高、功率因素很低。因此在高温阶段时，叠层电源较非叠层电源优势更加明显。

4 结果检验

以150kW的石墨电阻炉为实例，用单层电源和叠层电源分别对设备进行加热，数据拟合曲线如图8所示。

图8 功率因数对比

5 结论

叠层控制技术主要是通过在电源的运行过程中根据实际使用电压等级的情况实现电压等级的自动切换，从而使晶闸管可以长时间以接近全导通的状态工作。综上图8～图9曲线可以得出，与单层电源方案相比，叠层控制方案的功率因数、谐波等电源指标效果更优。

图9 谐波畸变率对比

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[2] 白美卿,高富强.电阻炉炉温控制中的可控硅触发技术[J].自动化仪表,1996,17(2):28-31.

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[4] 谭兵.电力相控系统谐波分析算法研究[D].长沙:湖南大学,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

苏宗义（1976 -），男，陕西岐山人，教授，硕士，研究方向为国防教育、电气自动化。