晶闸管交流调功器在某氧气厂加热炉上的应用

　　摘要：
晶闸管交流调功器是国际电工委员会（IEC）命名的“半导体交流功率控制器”（Semiconductor AC Power Controller）的一种，它以晶闸管（可控硅SCR或双向可控硅TRIAC）为开关元件，是一种可以快速、精确地控制合闸时间的无触点开关，是自动控制温度系统高精度及高动态指标必不可少的功率终端控制设备。它用于以镍铬或铁镍铝等电阻材料为发热元件的电加热器的温度自动控制，它与PID温度调节仪或计算机、温度传感器和电加热器组成闭环温控系统，温控精度可达±0.5%～1%.本文介绍说明了晶闸管调功器在某氧气厂加热炉上的应用。

关键词：
晶闸管交流调功器 加热炉 电力电子器件 PID调节 闭环控制

Abstract:
Thyristor AC Power Controller is the one of Semiconductor AC Power Controller as defined by IEC. And it is the switch without contact ,,and can control the time of close quickly and precisely with the thyristor (SCR or TRIAC).And it is indispensable to the power terminal control device in the automatic temperature system with high precision and dynamic. It is used to temperature automatic control in electrical heater which used the Nickel-Throme and Iron-Nickel-Aluminum as heating element. It constitutes the closed-loop temperature control system with PID temperature setting instrument or computer、temperature sensor ,and electrical heater. And its temperature precision can arrive at ±0.5%～1%. This paper introduces application of Thyristor AC Power Controller on the electrical heater in an Oxygen Plant.

Keywords:
Thyristor AC Power Controller electrical heater electrical power electronic part PID setting closed-loop control

概述
　　交流电路中，在电源与负载之间串接入电力电子器件，由电力电子器件及其附件或辅助电路，对交流电力进行控制或开关的电力电子设备，即为半导体交流电力控制器，简称交流控制器。按不同控制方式，交流控制器可分为交流调压器、交流调功器和交流电力电子开关等三种型式。
　　晶闸管交流调功器采用过零触发电路、周波数控制方式，输出0～100%可调节的波形呈正弦波群的电压和电流，使负载从电源吸取功率的平均值连续平滑可调。调功器避免了相位控制时缺角正弦波产生的无线电射频干扰，使晶闸管触发导通时的瞬态浪涌电流和di/dt大为减小。它用于以镍铬或铁镍铝等电阻材料为发热元件的电加热器的温度自动控制，它与PID温度调节仪或计算机、温度传感器和电加热器组成闭环温控系统，温控精度可达±0.5%～1%。本文介绍说明了晶闸管调功器在某氧气厂加热炉上的应用。

一 晶闸管交流调功器与加热炉的系统图
　　某氧气厂，结合工艺要求，电加热炉为：三相电源，380V，Y接法，总功率624KW，电热元件共有78支，每支8KW ，分两组，ABCO组功率为288KW（功率不可调）（图1a），A′B′C′O′组功率为336KW（用晶闸管交流调功器调节）（图1b）.

图1 晶闸管交流调功器与加热炉的系统图

二 晶闸管交流调功器基本原理
晶闸管交流调功器基本原理框图如图2所示。

图2 调功器基本原理框图
　　图中，点画线部分为调功器。快速熔断器FU、反并联晶闸管VT、电流互感器TA等组成调功器主电路。零脉冲电路（1）、导通比电路（2）、过流截止电路（3）、“与”门电路（4）和脉冲变压器（5）组成晶闸管控制电路。电炉负载RL，温度传感器BST及PID调节器通过外控开关S与调功器组成闭环控制，可自动调节电路温度。

　　“与”门电路（4）接受三个信号。首先是电路（1）发出的与电源电压波形过零点同步的触发脉冲，即“零脉冲”信号；其次是电路（2）周期性输出的高电平连续可调的导通比（占空比）信号；第三是过电流截止信号。只要主电路没有出现过电流，电路（3）就输出高电平，“与”门电路与脉冲变压器均输出与电源电压过零点同步的、数目连续可调的触发脉冲，使VT相应导通。所以，调功器输出功率可在零与全功率（导通比为1，既连续导通时的输出功率）输出之间平滑可调。

三 现场所用晶闸管交流调功器原理
　　现场所用晶闸管交流调功器包括周波控制器、温度显示及控制仪表、反并联可控硅、快速熔断器、过电流保护、音响报警、电源电压表、输出功率表及电源输入/输出信号表。其电路方框图如图3。

图3 现场所用晶闸管交流调功器电路方框图
1 三相晶闸管交流调功器主电路联结型式
三相晶闸管交流调功器主电路联结型式有六种：
①带中线星形联结(1型电路) 图4a;
②开三角联结（2型电路）图4b;
③无中线星形联结(3型电路) 图4c;
④三相两线控制联结(4型电路) 图4d;
⑤三相单方向控制联结(5型电路) 图4e;
⑥星形中心控制联结（星点三角形电路）图4f。

图4 三相晶闸管交流调功器主电路联结型式
　　现场所用晶闸管交流调功器是无中线星形联结。该电路的三相晶闸管交流调功器可以接星形负载，也可以接三角形负载。其特点是由两相构成回路，由此可知：该联结型式触发电路必须是双脉冲，或者是宽度大于60°单脉冲。同时，从波形分析可知：该联结电路对晶闸管的耐压和电压上升率的要求都提高了；而且对星形负载，由于中点漂移，负载中点与接地外壳的耐压水平必须按线电压进行考虑。由于该联结型式负载联结方式灵活，既可星形有可三角形，而且不用中线，对图4a所示联结可省去了1/4的敷线投资，因此是一种颇受用户欢迎的三相交流调功器主电路联结型式。
　　晶闸管额定通态电流（有效值）为电路额定电流的二倍，留有充分的余量，其型号为KP 800A/1200V，冷却方式为风冷。

2 控制器
　　晶闸管按导通间隔是连续的或间歇的，分为连续式（又称定周期式）和间歇式（又称变周期式），本调功器为变周期周波控制器，其输出的正弦波是均匀分布的，其中重复周期以最小正弦波间隔安排。例如最小周期是输出功率为50%的时候，周期为40毫秒（0.04秒），即导通一个周波，关断一个周波。在最大和最小输出功率时周期最大，如在输出功率为99.9%时，周期为20秒，即导通999个周波，关断1个周波；在输出功率为0.1%时，周期亦为20秒，即导通一个周波，关断999个周波。其输出波形如图5。

图5 变周期晶闸管交流调功器输出波形
　　现场所用晶闸管交流调功器控制器接受温度控制仪表输入信号，控制触发脉冲是否输出和输出的时间，也就是控制输出功率的大小。控制器还接受继电器送来的保护信号迅速截止触发脉冲，使晶闸管立即关断，而不受过载或短路电流的损害。另外其通过转换开关，还可以手动控制。

3 保护及报警
　　快速熔断器FU担任短路及过载保护。
　　温度控制器设有超温保护，当温度超过设定温度上限时，其内部无触点开关迅速闭合，使TG-G周波控制器的P+P-端子短接，触发脉冲立即停止输出，使晶闸管迅速关断。
所有保护动作，均发出报警声响和闪光信号，以引起值班人员的注意。

4 指示及测量
　　电源输入端各相有信号灯指示。输出端各相也有信号灯指示。
　　在电源两相间有交流电压表PV测量线电压。调功器输出各相有积分功率表PW测量输出功率百分值。
　　积分功率表PW用电位器RP在额定功率时调至满度（出厂前已调好）。

5 温度自动控制
　　温度的自动控制由温度控制仪完成，现代温度控制仪具有下述功能：
--实测温度和设定温度的数字显示；
--温度上限和下限报警的设置；
--输出控制功率执行器信号，模拟信号或逻辑信号；
--使温度上升不过冲和很快稳定的P、I、D控制参数，P、I、D参数在宽的范围可调。
--停电后无须重新设置设定点；
--少量的操作按钮，面板简洁。
　　对于本加热炉控制，控温精度为：0.5% --数字式控制仪，有可调P、I、D参数，直流或逻辑输出。

6 零线和接地
　　机柜内接入零线（N）及相线（L），以供给仪表220V电源，消耗功率不大于220VA，零线及相线均接于端子排上。机柜下部备有接地螺栓，专用于机柜保护接地，不得当作零线输入220V电源。

四 现场所用晶闸管交流调功器操作
做完相应整机检查后，可以开机。
1 接通电源，合上自动空气开关，电压表应指示电源电压为380V±10%，三个电源指示灯发光。系统中温控仪表指示灯发光。
2 按下启动按扭打开机柜后门检查每个晶闸管上的冷却风扇是否转动，晶闸管散热器带电，严禁用手触及。
3 经过上述检查开始工作，将系统中TG周波控制器面板右下侧开关按至“手动”（MAN），再将中间手动调节旋钮反时针旋到底，然后将左侧电源开关按至“开”，绿色指示灯发光。
4 手动调节加热功率：顺时针旋转手动调节旋钮，系统中TG上的红色指示灯即按1秒左右周期闪光，同时槽型表头上的指针指出加热功率的百分比，加热功率越大，输出端各相信号灯发光的时间越长；当旋钮旋至最大时，输出端各相信号灯长亮，加热功率为100%，在机柜上部的积分功率表也同时指出功率的百分比，并且三个输出指示灯也闪烁发光。
5 自动控制温度：将转换开关按至“自动”（AUT）处，此时调功器即由温控仪自动控制。一般控制时，如实际炉温远离设定值，将全功率加热，直至炉温接近设定值，然后加热功率将按P、I、D曲线，自动将炉温稳定在设定值。
6 当负载短路、过载，系统面板上相应的灯光发亮，系统中扬声器发出报警声，此时按下系统中停止按钮，拉开电源输入开关关闭电源，检查并排除故障后，再次启动。
7 停机时将系统中TG“手动调节”旋钮反时针旋到底，按下停止按钮，断开自动空气开关。

结束语
　　晶闸管交流调功器不能平滑调节电压，不能用普通电压表，电流表测量，在晶闸管断续通断时，电源变压器和负载受到电流通--断冲击，且负载电流中存在次谐波（频率低于基波的谐波）分量，所以调功器的应用范围受到一定的限制。
　　但晶闸管交流调功器，以改变周期内周波数连续控温，精度高，温度波动小，是一种新型的控温方式；其采取正弦波过零触发方式；输出为完整的正弦波，因而其辐射干扰、传导干扰和负载电流的瞬态浪涌也最小；其运行时无噪音，寿命长，效率比电磁装置高（达99%），功率因数也（cosΦ=1）,有利于节约电能。

参考文献：
⑴ 电力电子设备设计和应用手册（第2版） 中国电工技术学会电力电子学会 组编 王兆安 张明勋 主编 北京：机械工业出版社 2002
⑵ 晶闸管交流调功器--自动控制温度晶闸管功率调功器--说明书 苏州市友明科技有限公司 2003