【宇电应用85】宇电AI温度控制器在箱式电阻炉的应用

一、概述

       箱式电阻炉适用于科研单位，产品质检中心，工矿企业实验室作产品或材料高温条件下的性能实验。炉壳采用优质钢板折边焊接制成，表明静电喷涂工艺处理。工作室为耐火材料制成的炉膛。数显控温。 
     它的外壳一般是用型钢、钢板焊接而成的，小型电炉由于需保持工作面的一定高度，一般均做成带支架的，在箱型壳体下边，有支持炉体的腿或支架。中型电炉因本身重量大及加入炉内的工件重量也大，所以一般均直接在底盘上焊接炉体及砌砖。大型电炉可以在特定的专用的地基上设计成无钢性底盘的结构，而就地焊接砌砖，但这种电炉在安装后不能吊运及移动。中小型电炉的炉门可用配重及手动装置来开闭，下部一般均有砂封槽，有些炉门上边也设有砂封槽，以保证良好的密封性，炉门关闭时，用压紧装置使炉门紧密的与门框接触，减少漏气。大型电炉可以用电动或气动、液压开闭炉门，电加热元件一般可以在炉膛内左右侧墙上及底面上布置，为了得到良好的热场，最好在护顶上也布置电加热元件，因为炉内工件一般堆放高度不会超过宽度，所以以上下两个方面加热比左右两个方面加更为有效。
     大型及中型箱式电阻炉（马弗炉）可以在护门上及后墙上适当的布置一些电加热元件，以减少炉内的温差，为了保证炉门口的热损失能得到更好的平衡，可以在较大的箱型电炉上靠炉门口的炉膛长度1/3处作为一个控制区。通保护气体的炉子应设有保证安全运行的必要装置及良好曲密封性。

      电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层的干燥等。
自从发现电流的热效应(即楞茨-焦耳定律)以后，电热法首先用于家用电器，后来又用于实验室小电炉。随着镍铬合金的发明，到20世纪20年代，电阻炉已在工业上得到广泛应用。工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等组成。加热功率从不足一千瓦到数千千瓦。工作温度在 650℃以下的为低温炉；650～1000℃为中温炉;1000℃以上为高温炉。在高温和中温炉内主要以辐射方式加热。在低温炉内则以对流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以加强对流传热。

     箱式电阻炉特点：

        1、 数显控温。

        2、炉壳采用优质钢板折边焊接制成，表明静电喷涂工艺处理。

        3、工作室为耐火材料制成的炉膛

 二、可控硅SCR

            可控硅（SCR）国际通用名称为Thyyistoy，中文简称晶闸管。它能在高电压、大电流条件下工作，具有耐压高、容量大、体积小等优点，它是大功率开关型半导体器件，广泛应用在电力、电子线路中。

            可控硅（SCR）是可控硅整流器的简称。可控硅有单向、双向、可关断和光控几种类型它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点，被广泛用于可控整流、调压、逆变以及无触点开关等各种自动控制和大功率的电能转换的场合。

            单向可控硅单向可控硅是一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断，只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断。单向可控硅是由三个PN结PNPN组成的四层三端半导体器件与具有一个PN结的二极管相比，单向可控硅正向导通受控制极电流控制；与具有两个PN结的三极管相比，差别在于可控硅对控制极电流没有放大作用。

            双向可控硅 双向可控硅具有两个方向轮流导通、关断的特性。双向可控硅实质上是两个反并联的单向可控硅，是由NPNPN五层半导体形成四个PN结构成、有三个电极的半导体器件。由于主电极的构造是对称的（都从N层引出），所以它的电极不像单向可控硅那样分别叫阳极和阴极，而是把与控制极相近的叫做第一电极A1，另一个叫做第二电极A2。双向可控硅的主要缺点是承受电压上升率的能力较低。这是因为双向可控硅在一个方向导通结束时，硅片在各层中的载流子还没有回到截止状态的位置，必须采取相应的保护措施。 双向可控硅元件主要用于交流控制电路，如温度控制、灯光控制、防爆交流开关以及直流电机调速和换向等电路。

        三、箱式电阻炉中AI仪表的选型

              温度测量与控制是热电偶采集信号通过AI温度调节器测量和输出0～10ma或0～20ma控制触发板控制可控硅导通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。主回路是由可控硅，过电流保护快速熔断器、过电压保护rc和电阻炉的加热元件等部分组成。

              控制回路是由直流信号电源、直流工作电源、电流反馈环节、同步信号环节、触发脉冲产生器、温度检测器和AI温度调节器等部分组成。选择优良耐火材料如高级氧化铝、耐火纤维和轻质砖做成的炉体是关键的一环，以硅钼棒、硅碳棒等电加热元件提供热源的温度控制设备采用可控硅温度控制器，炉况稳定，炉温控制效果在实时性和控制精度方面有显著提高。而采用计算机和AIBUS总线控制后，一台计算机可以同时控制多台电阻炉，不但实现了程序自动控制，而且可以多点温度显示记录贮存和报警等功能，系统使触发电路等大部份部件互换，可以使传统的设备得到升级。这样设备管理工作实现自动化，对设备的维护和维修比较简单。一般中低温炉通常选用AI-708的仪表，有带程序升温的选AI-708P，高温炉强烈建议选择AI-808/808P的仪表，输出模块可选：

        G 隔离型固态继电器（SSR）驱动电压输出模块（12V/30mA）

        L2 继电器触点开关输出模块（适合报警控制输出）

        K1 “烧不坏”型单路可控硅过零触发输出模块（100-220VAC范围通用）

        K3 “烧不坏”型三路可控硅过零触发输出模块（100-380VAC范围通用）

        K5/K6 “烧不坏”型单路可控硅移相触发输出模块（分别适用220VAC/380VAC）

        AIJK3型三相移相触发器（三相四线制，适合阻性负载，多种故障检测及报警，软起动及电流反馈输入）

        AIJK6型三相移相触发器（三相三线制，适合阻性及感性负载，缺相检测及报警，软起动及电流反馈输入）

        X3 光电隔离的高精度线性电流输出模块（配合三相移相触发器应用）

        S 光电隔离RS485通讯接口模块（用仪表内部12V隔离电源）

        控制方式的选择：是采用过零还是移相，是根据控制对象的温度范围所选择的加热元件来确定的。高温炉可选AI-808PA（X3+AIJK3）L2

        对于低、中、箱式电阻炉纯电阻丝温度1000oC炉型可采用过零控制，缺点是电流波动比较大，特别是大功率的加热元件；从保护延长电阻丝的寿命的目的出发可采用移相触发控制，缺点是对电网的高频干扰。

        对于高温炉采用硅碳棒、硅钼棒为发热元件，使用温度300～1700℃就一定要采用移相触发控制。以硅碳棒为加热元件的高温电阻炉，其加热元件的冷态与热态时的电阻值相差较大，在长期使用中硅碳棒的电阻值将逐渐变大。

       AI智能温度调节器：

       AI调节器是控温系统的核心部分，AI仪表首创性地采用了平台概念，将非常专业化的数字调节仪表转为平台化设计的产品，采用的是AI人工智能调节算法是采用模糊规则进行PID调节的一种新型算法，在误差大时，运用模糊算法调节，以消除PID饱和积分现象，当误差趋小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。

       自整定方法：由于自整定执行时采用位式调节，经2~3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅度及波型来自动计算出M 5、P、t等控制参数。具有无超调、高精度、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。程序仪表自整定时请吧第一段程序设置为常用温度或最高温度来自整定，在使用过程中AI调节器 结合PID调节、自学习及模糊控制技术，实现了自整定/自适应功能，及无欠调的精确调节，性能远优于传统PID调节器。

        可控硅的选择

        根据负载接线方式的不同：星型三相四线制结构负载采用双向可控硅（只适合300A以下可控硅）或单相可控硅反并联电路（推荐采用MCC系列功率模块）；星型三相三线制或三角型三相三线制结构负载采用单相可控硅＋二极管电路（推荐采用MCD系列功率模块）；

        根据加热元件的特性，合理选择可控硅功率的型号。功率的大小对保护可控硅有着很重要的作用。可控硅的电流简单计算方法：加热元件为电阻丝；三相功率18KW÷3＝每相6KW功率；每相6KW÷220V＝27A≈40A；加热元件为硅碳棒；安全过载电流要乘3倍 ；18KW÷3相＝6KW÷220V＝27A×3倍＝81A≈90A；对于大容量的负载建议乘3.5倍。

        晶闸管交流开关模块的过流保护

        晶闸管元件的电压和电流过载能力极差，尤其是耐压能力，瞬时的过压就会造成元件永久性的损坏。为了使元件能长期可靠地运行，必须针对过压和过电流发生的原因采取保护措施。

       过流保护可以采用外接S型快速熔断器 ，快速熔断器的动作时间要求在10ms以内，快速熔断器的选用原则：它的额定电压应略大于电路的正常工作电压，，如380V电压选500V的快熔；它的额定电流应按它所保护器件实际通过的电流（即根据负载的额定功率计算出模块交流 输入端每相的有效电流）来选配，而不是根据器件的标称额定电流值来选配快速熔断器。

        模块过电压保护：

        一般采用阻容吸收和压敏电阻两种方式并用，对于吸收时间短，电压不高的过压，一般采用在器件两端并联阻容吸收回路的方法，吸收电容把过电压的电磁能量变成静电能量存贮，吸收电阻除可防止回路振荡外，还可限制关断的晶闸管在再次导通时，电容向晶闸管放电产生开通损耗和较大di/dt值，对于持续时间较长，产生能量较大的过电压，如雷击引起的过电压，将采用压敏电阻来吸收过电压。

        元器件选择：在选取压敏电阻时，首先要确定它的标称电压（ViMA ）值 ，这是指压敏电阻流过1mA电流时，它两端的电压。在感应到电网波动以及安全系数后，一般380V电源采用1000V；220V电源采用630V的压敏电阻。而压敏电阻的通流容量 应大于电路实际浪涌电流值，一般为3～15KA。常用规格：单相过零40A以上压敏电阻20D751K 750V；移相采用RC阻容模块压敏电阻20D751K,水泥电阻RX27-1/8W/6.8Ω，电容0.22uF/ 275V ～iv高压电容。

        断偶超温报警缺相保护：

        在超温报警时控制交流接触器切断加热器电源。即使万一可控硅被击穿也能保护电炉安全。对于缺相保护建议采用三相缺相保护器独立使用。AI系列控制柜与具备同等功能的电炉控制柜相比，AI系列具有最简单的线路及模块化的结构，从维护到扩充功能都十分方便。

      接线方式与零线：

          每台加热设备的负载的接线方式是不同若负载是加热炉，而且负载有可能不相等时（如硅碳棒炉），三相四线制要比三相三线制有更好的平恒度，并且当某相负载开路时，三相四线制能自动监测并报警(AIJK3)因此采用三线四线制要比三相三线制性能更好些，但必须注意正确选择零线。常规的应用中，若三相负载完全平衡，则零线相互抵消为0，所以习惯上零线用比相线要小得多的线径。但对于三相四线制调相触发，当相移角小于60度时，零线的电流是三条相线电流之和（三相负载轮流导通，电流全部流过零线，且相互完全无法抵消），移相角为60－120度时，零线的电流为相线的3至1倍变化，只有当可控硅完全导通时且三相负载平衡时，零线电流才为0。所以对于普通电阻丝为负载时，零线必须采用与相线相同的线径。而对于电阻会随温度或随老化程度会变的负载，如硅碳棒电炉等，由于常常工作在小移相角，零线应该采用比相线还粗的线，最好是相线安全载流量的2－3倍。不仅柜子到供电变压器的零线也要粗，以保证零线的安全，且避免将电能过多地损耗在零线上。

        高频干扰：

       由于移相触发会带来较强的1－100KHZ频率范围的干扰，移相触发器应安装在离可控硅较进的位置，但应与动力线保持一定的距离，应尽量缩短触发线的长度，并尽量不要将不同相的触发线平行走线。

 四、安装与使用

        电炉不需特殊安装,只需平放在室内地面或台架上。控制器应放在工作台上,工作台面的倾斜度不得超过5度.控制器离电炉最小距离不得少于0.5米.控制器不宜放在电炉上面,以免影响控制器正常工作。

        由于可控硅温度控制器的主回路电流都比较大，因此选择合适的线路电缆直径线路是十分重要的，并且要确保线路的可靠连接，防止负载短路击穿可控硅；考虑到可控硅电流突变时较易损坏，开炉时要手动调节使电流缓慢上升，关炉时要关小电流。例：控制4KW电炉，其电源进线及电炉控制导线应选用不小于6mm2的铜芯导线，行程开关的导线应选用不小于1 mm2的铜芯导线。（无行程开关的电炉，不应将控制器端子上的行程开关两点连接导线断开，否则，电炉不工作）；并且在温度控制器与电阻炉的外壳上做可靠的保护接地或保护接零。以保证人身及设备的安全。应定期检查各仪表显示是否正常，各连接点的接线是否完好可靠，定期检查各接点螺丝是否松动，如有松动应重新紧固，应保持各电气接点接触良好；
      接线时,首先转松控制器外壳左右两侧的螺钉，然后将罩壳上翻，按图示接好电源线.控制器与电炉的连线及热电偶与温度控制器的导线应选用专用的补偿导线，并应注意热电偶、补偿导线的正负极性不能接反：即补偿导线内的红色导线接电偶的正极，蓝色导线接电偶的负极。将热电偶从热电偶固定座的小孔中插入炉膛，孔与热电之间间隙用石棉绳堵塞，然后固定【注意:电源的相-与中线不可接反】，为了操作安全，控制器和电炉均需可靠接地；

      检查接线无误后即可通电，首先合上电源开关，然后将控制器面板上的钮子开关拔向开的位置，调节设定按钮,把温度设定到您所需要的度数上，如果把设定开关拔向测量位置上，红灯灭(NO)，亦有接触器的吸合声响，温控仪表的OUT 指示灯亮→电炉开始工作→炉膛开始升温→温控仪表的OUT指示灯交替亮灭，进入位式P I D控制阶段→直到恒温。此状态过后进入常规的测量值/设定值显示，并投入控制运行。用户根据工作温度进行温度的设定；电炉通电，电流表指示加热电流值，温度随炉内温度升高而徐徐上升，说明工作正常。当温度上升至设定的所需要温度时,红灯灭(NO)，绿灯亮(YES),电炉自动断电，停止升温。稍后，当炉内温度稍微下降，绿灯灭,红灯亮，电炉又自动通电。周而复始，达到自动控制炉内温度的目的；实验工作结束后，关闭电源开关，切断设备电源；

      为了检查断偶保护装置是否正常工作，其方法是:松开热电偶一端，此时测温指示迅速上升到最高点亦自动切断加热电源,则断偶装置良好，重新接好的热电偶后，可正常工作；

      烘炉,当电炉第一次使用或长期停用后再次使用时，必须进行烘炉。其过程如下：使用完毕,首先将控制面板上的钮子开关拔向关的位置，然后切断总电源开关；

      宇电AI系列可控硅控制柜的各项技术指标出厂前均经过实际运行检验，电炉温度控制器工作中发生异常现象，应及时检查、维修，定期检查各部分接线是否有松动，交流接触器的触头是否良好，出现故障应及时如果不能准确判断故障可与本公司技术部门联系；

      控制器应放在干子通风良好，无腐蚀性气体的地方，工作环境温度为-10-50℃，相对湿度不大于85%；为保证测量准确,每年应用直流电位差计校对AI温度控制仪的测温表,以免引起较大误差；

        五、结速语

      使用宇电AI高性能温度控制器，不仅环保，而且节能，对于大功率的箱式电阻炉，控制效果的好坏对炉内发热元件的使用寿命有着直接的影响，AI系列仪表不仅故障率低，使用宇电AI仪表一年的节电量也是一笔很可观的费用，例如当某客户设备加热产品处于200℃～220℃度范围内均基本可以正常作业，采用低精度仪表温度设定为210℃，漂移为±10℃，虽然也可以勉强符合生产要求，但由于温度设定值偏高而白白消耗电能，而宇电高性能仪表可以将温度区间稳定在201℃漂移±1℃，从而使平均加热温度由210℃降低为201℃，这个例子中可以节约6～10％的电能。帮客户降低成本产出高质量的产品，是宇电一直以来的努力方向。