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摘 要晶闸管功调器代替接触器,来控制海绵钛还蒸炉的温度,使产品质量提高,电阻丝消耗降低,炉子事故率降低,工人劳动强度降低,成本下降。
关键词晶闸管功调器;接触器;还蒸炉;控制
中图分类号TQ文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)102-0145-02
海绵钛生产四十多年来,一直都用接触器来控制还蒸炉电阻丝的加热,当温度高于上限设定值时,温度控制仪表控制接触器断电,使电阻丝供电停止。当温度低于下限设定值时,温控表控制接触器合闸,给电阻丝送电加热,即所谓继电-接触器式的控制方法。
还蒸炉有多段加热,每一段加热过程均为两点式控制,即起动时全功率硬起动,停电时全功率停电。使接触器带着全负荷频繁地起动-停止-再起动-再停止,如此返复循环,造成电网冲击电流较大,温度波动也较大,影响产品质量。同时接触器工作时不仅噪声大,工作频率低(响应慢),而且触点容易拉弧损坏,因而造成控制系统噪声污染大、控制精度差、温度控制波幅大、故障率高、工人维修强度大等。另外只要电阻丝送电,电阻丝的表面负荷始终为最大表面负荷,增加了电阻丝的老化,降低了电阻丝的使用寿命,使电阻丝的消耗量增加,从而增加了产品的成本。
为了认真贯彻落实国家节能减排的要求,不断扩大我公司海绵钛的产能,提高生存能力。需降低公司的生产成本。降低消耗,提高资源和能源的利用率。海绵钛能源消耗80%以上是还原蒸馏电耗。所以采取改变还原蒸馏炉加热控制方式,实现降低电耗,提高电热丝的使用寿命,最大限度的减少电热丝停、送电和加热过程中对电网的冲击,改善供电质量,是非常必要的。
随着电子、微电子和晶闸管等技术的发展和日益成熟,新型工业控制类产品-电力电子产品,可以替代传统的接触器控制方式。所以我们采用了“晶闸管功率控制器”替代了接触器控制方式。其特点是:无触点闭合和断开,工作无噪声;晶闸管工作频率高,对指令响应速度快,控制精度高,温度控制平稳;故障率低,可靠性高;具备恒流、恒压、恒功率等多种控制方式,可满足不同控制要求;具有联机分配功率功能,可有效提高变压器的利用率,降低变压器等供电系统的投入;智能化,能作为供电电源,同时对内部运行情况,及负载损坏情况进行监测、报警和保护;操作和维护方便,对使用人的要求简单;节能、噪声环保综合效益高。其控制原理如下:
我们采用的是全数字三相晶闸管功调器,其控制原理框图如图1。
图1控制原理框图
全数字三相晶闸管功率控制器,主回路采用晶闸管反并联机构,控制核心采用单片机,具有开环,恒定输出电压,恒定输出电流,恒定输出功率,调功(过零)、LZ等控制方式,通过键盘开关进行选择。
我们是采用LZ控制方式,所以对于恒压控制、恒流控制、恒功率控制等方式不作介绍。
LZ控制,对于电阻负载,其冷态与热态时电阻值变化较大,如果在冷态时直接采用调功控制,因调功控制无电流限制,可能造成过电流而损坏控制器。针对这种冷态时电阻值小,热态时电阻值大的负载,可以采用LZ控制方式(连续/调功综合控制)。开始工作时(冷态)采用移相触发方式,恒定输出电流,当负载达到热态其电阻值稳定时转为调功控制方式。LZ控制逻辑框图如图2。
图2LZ控制逻辑
外部开关切换,LZ控制由连续控制转换到调功控制,由LZ控制输入连接的开关量连接器状态来决定。冷态时输入端口的X4与输出端口M断开,相当于输入开关量为0,控制方式为闭环移相触发。热态时X4于M短接,输入开关量由0转为1,控制方式由闭环移相触发转为调功过零触发,见图3。采用调功(过零)控制是为了减少对电网的波形污染。
图3LZ控制-开关量切换
时间切换,连续控制转换到调功控制,由LZ控制时间(0-600min可调)的设定值来决定,运行开始时,控制器按闭环移相触发控制运行,当运行时间大于设定的时间时,自动转换为调功过零触发,见图4。
图4LZ控制-内部切换
闭环控制能够恒定输出电压(电流、功率)的大小,并且具有修正由扰动而产生偏离希望值的能力,但存在着对电网的谐波污染。针对这种情况,特别是在作纯加热使用时,可以采用调功(过零)控制,消除对电网的谐波污染。
定周期/变周期选择,当斜坡输出为0时,为定周期,斜坡输出为1时为变周期,定周期为在一个工作周期TC内,输出的是连续的整周波,如图5。变周期时在一个工作周期内,输出波形均匀分布,如图6。
图5定周期给定50.0%输出波形示意
图6变周期给定50.0%输出波形示意
调节加热炉的温度,是通过在设定周期(Tc)范围内,将电路接通几个周波,然后断开几个周波,改变晶闸管在设定周期内通、断时间的比例,来调节负载两端交流平均电压即负载功率。调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的。所以负载上得到的是完整的正弦波,调节的只是设定周期Tc内导通的电压周波,如图5,图6,设定周期Tc内导通的周期数为n,每个周波的周期为T,则调功器的输出功率为P=n×T×Pn/Tc,Pn为设定周期Tc内电压全通过时装置的输出功率。这就是调功器调功的基本原理。
我们的还蒸炉有多个加热段,要分别进行控制,像这种需要多台控制器调功并列运行时,随时可能出现同时输出同时关断的情况,造成供电电流的大幅度波动,如果供电电源的容量有限,会使供电电压产生较大的瞬时跌落,使供电变压器或机组产生较大的噪音,甚至使其它用电设备或机组无法正常工作,针对这种情况可以采用控制器的“联机功率分配”功能。
联机功率分配,是将多台控制器通过通讯接口连接起来,设置其中一台为主机,其余的为从机,主机根据从机的输出要求合理安排主机、从机的输出时间段,使对供电电源的冲击减小到最小程度。
联机功率分配时,例如主机的地址设为1,从机的地址分别为2、3、4,最多可到12.联机功率分别的设置为:调功过零控制(调功控制信号来源于斜坡输出),设定定周期时为0,设定变周期时为1,联机通讯模式设定为联机功率分配为1,主机地址设为1#通讯口,从机地址设为2-4通讯口。联动功率分配的接线和输出波形示意图如图7、图8。
图7联动功率分配接线示意
图8四台控制器联机功率分配输出波形图
从波形图可以看出,输出的都是完整的正弦波对电网没有波形污染。每台调功器的输出都是有规律的进行分配,没有同时输出,给电网造成电流冲击的现象。
功率控制器主回路为三相晶闸管反并联形式,负载接成Y形接线(当然也可以接成△形),如图9。
图9主回路控制接线
采用本控制系统之后,电热丝的停、送电为无触点的软起动。控制过程为根据温度的变化,自动调节输入功率,保持加热段温度恒定。同时,每台还原蒸馏炉的各加热段实现联机功率分配,避免负荷大起大落,最大限度的减少对电网的冲击。由于是实行按温度的变化自动调节输入功率,因此当温度达到设定温度时,输入功率仅仅是维持恒温的一个较小的功率(随温度的变化而变化),因此电热丝的表面负荷将减小到最小,大大的提高了电热丝的使用寿命,减少了电热丝的消耗,也降低了成本。尤其是在还原蒸馏炉生产中途,因电器设备和电热丝故障引起的停炉事件大幅度减少,使生产更加稳定。同时也大大降低了维修工人的劳动强度。
由生产实践证明,实现了本控制系统后,使产品的等级率提高了,从统计的数据看到,用老控制系统的炉子,一级品以上品级率为77.63%,应用新控制系统达到了93.76%,提高了16.13%。用老控制系统平均每吨电耗为8060.8KWh,采用调功器控制系统平均每吨电耗为7967.77KWh,每吨节约电耗93.03KWh。
电炉丝用老系统平均每炉断3-4根,使用调功器平均使用七炉断炉丝不到一根,提高了炉丝的使用寿命。有利于生产的连续性,有利于节能和提高产品质量。
提高了品级率就等于提高了产值,增加了效益,也使能源的利用率提高了。
本工程的改造,也是海绵钛还原蒸馏工序的全部加热段,包括过道加热段在内的“晶闸管调功器”的自动控制。是还蒸炉控制技术的一大进步。在国内同行业中具有先進水平。
参考文献
[1]全数字三相晶闸管功率控制器用户手册,资料编号:M1100501.
关键词晶闸管功调器;接触器;还蒸炉;控制
中图分类号TQ文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)102-0145-02
海绵钛生产四十多年来,一直都用接触器来控制还蒸炉电阻丝的加热,当温度高于上限设定值时,温度控制仪表控制接触器断电,使电阻丝供电停止。当温度低于下限设定值时,温控表控制接触器合闸,给电阻丝送电加热,即所谓继电-接触器式的控制方法。
还蒸炉有多段加热,每一段加热过程均为两点式控制,即起动时全功率硬起动,停电时全功率停电。使接触器带着全负荷频繁地起动-停止-再起动-再停止,如此返复循环,造成电网冲击电流较大,温度波动也较大,影响产品质量。同时接触器工作时不仅噪声大,工作频率低(响应慢),而且触点容易拉弧损坏,因而造成控制系统噪声污染大、控制精度差、温度控制波幅大、故障率高、工人维修强度大等。另外只要电阻丝送电,电阻丝的表面负荷始终为最大表面负荷,增加了电阻丝的老化,降低了电阻丝的使用寿命,使电阻丝的消耗量增加,从而增加了产品的成本。
为了认真贯彻落实国家节能减排的要求,不断扩大我公司海绵钛的产能,提高生存能力。需降低公司的生产成本。降低消耗,提高资源和能源的利用率。海绵钛能源消耗80%以上是还原蒸馏电耗。所以采取改变还原蒸馏炉加热控制方式,实现降低电耗,提高电热丝的使用寿命,最大限度的减少电热丝停、送电和加热过程中对电网的冲击,改善供电质量,是非常必要的。
随着电子、微电子和晶闸管等技术的发展和日益成熟,新型工业控制类产品-电力电子产品,可以替代传统的接触器控制方式。所以我们采用了“晶闸管功率控制器”替代了接触器控制方式。其特点是:无触点闭合和断开,工作无噪声;晶闸管工作频率高,对指令响应速度快,控制精度高,温度控制平稳;故障率低,可靠性高;具备恒流、恒压、恒功率等多种控制方式,可满足不同控制要求;具有联机分配功率功能,可有效提高变压器的利用率,降低变压器等供电系统的投入;智能化,能作为供电电源,同时对内部运行情况,及负载损坏情况进行监测、报警和保护;操作和维护方便,对使用人的要求简单;节能、噪声环保综合效益高。其控制原理如下:
我们采用的是全数字三相晶闸管功调器,其控制原理框图如图1。
图1控制原理框图
全数字三相晶闸管功率控制器,主回路采用晶闸管反并联机构,控制核心采用单片机,具有开环,恒定输出电压,恒定输出电流,恒定输出功率,调功(过零)、LZ等控制方式,通过键盘开关进行选择。
我们是采用LZ控制方式,所以对于恒压控制、恒流控制、恒功率控制等方式不作介绍。
LZ控制,对于电阻负载,其冷态与热态时电阻值变化较大,如果在冷态时直接采用调功控制,因调功控制无电流限制,可能造成过电流而损坏控制器。针对这种冷态时电阻值小,热态时电阻值大的负载,可以采用LZ控制方式(连续/调功综合控制)。开始工作时(冷态)采用移相触发方式,恒定输出电流,当负载达到热态其电阻值稳定时转为调功控制方式。LZ控制逻辑框图如图2。
图2LZ控制逻辑
外部开关切换,LZ控制由连续控制转换到调功控制,由LZ控制输入连接的开关量连接器状态来决定。冷态时输入端口的X4与输出端口M断开,相当于输入开关量为0,控制方式为闭环移相触发。热态时X4于M短接,输入开关量由0转为1,控制方式由闭环移相触发转为调功过零触发,见图3。采用调功(过零)控制是为了减少对电网的波形污染。
图3LZ控制-开关量切换
时间切换,连续控制转换到调功控制,由LZ控制时间(0-600min可调)的设定值来决定,运行开始时,控制器按闭环移相触发控制运行,当运行时间大于设定的时间时,自动转换为调功过零触发,见图4。
图4LZ控制-内部切换
闭环控制能够恒定输出电压(电流、功率)的大小,并且具有修正由扰动而产生偏离希望值的能力,但存在着对电网的谐波污染。针对这种情况,特别是在作纯加热使用时,可以采用调功(过零)控制,消除对电网的谐波污染。
定周期/变周期选择,当斜坡输出为0时,为定周期,斜坡输出为1时为变周期,定周期为在一个工作周期TC内,输出的是连续的整周波,如图5。变周期时在一个工作周期内,输出波形均匀分布,如图6。
图5定周期给定50.0%输出波形示意
图6变周期给定50.0%输出波形示意
调节加热炉的温度,是通过在设定周期(Tc)范围内,将电路接通几个周波,然后断开几个周波,改变晶闸管在设定周期内通、断时间的比例,来调节负载两端交流平均电压即负载功率。调功器是在电源电压过零时触发晶闸管导通的。所以负载上得到的是完整的正弦波,调节的只是设定周期Tc内导通的电压周波,如图5,图6,设定周期Tc内导通的周期数为n,每个周波的周期为T,则调功器的输出功率为P=n×T×Pn/Tc,Pn为设定周期Tc内电压全通过时装置的输出功率。这就是调功器调功的基本原理。
我们的还蒸炉有多个加热段,要分别进行控制,像这种需要多台控制器调功并列运行时,随时可能出现同时输出同时关断的情况,造成供电电流的大幅度波动,如果供电电源的容量有限,会使供电电压产生较大的瞬时跌落,使供电变压器或机组产生较大的噪音,甚至使其它用电设备或机组无法正常工作,针对这种情况可以采用控制器的“联机功率分配”功能。
联机功率分配,是将多台控制器通过通讯接口连接起来,设置其中一台为主机,其余的为从机,主机根据从机的输出要求合理安排主机、从机的输出时间段,使对供电电源的冲击减小到最小程度。
联机功率分配时,例如主机的地址设为1,从机的地址分别为2、3、4,最多可到12.联机功率分别的设置为:调功过零控制(调功控制信号来源于斜坡输出),设定定周期时为0,设定变周期时为1,联机通讯模式设定为联机功率分配为1,主机地址设为1#通讯口,从机地址设为2-4通讯口。联动功率分配的接线和输出波形示意图如图7、图8。
图7联动功率分配接线示意
图8四台控制器联机功率分配输出波形图
从波形图可以看出,输出的都是完整的正弦波对电网没有波形污染。每台调功器的输出都是有规律的进行分配,没有同时输出,给电网造成电流冲击的现象。
功率控制器主回路为三相晶闸管反并联形式,负载接成Y形接线(当然也可以接成△形),如图9。
图9主回路控制接线
采用本控制系统之后,电热丝的停、送电为无触点的软起动。控制过程为根据温度的变化,自动调节输入功率,保持加热段温度恒定。同时,每台还原蒸馏炉的各加热段实现联机功率分配,避免负荷大起大落,最大限度的减少对电网的冲击。由于是实行按温度的变化自动调节输入功率,因此当温度达到设定温度时,输入功率仅仅是维持恒温的一个较小的功率(随温度的变化而变化),因此电热丝的表面负荷将减小到最小,大大的提高了电热丝的使用寿命,减少了电热丝的消耗,也降低了成本。尤其是在还原蒸馏炉生产中途,因电器设备和电热丝故障引起的停炉事件大幅度减少,使生产更加稳定。同时也大大降低了维修工人的劳动强度。
由生产实践证明,实现了本控制系统后,使产品的等级率提高了,从统计的数据看到,用老控制系统的炉子,一级品以上品级率为77.63%,应用新控制系统达到了93.76%,提高了16.13%。用老控制系统平均每吨电耗为8060.8KWh,采用调功器控制系统平均每吨电耗为7967.77KWh,每吨节约电耗93.03KWh。
电炉丝用老系统平均每炉断3-4根,使用调功器平均使用七炉断炉丝不到一根,提高了炉丝的使用寿命。有利于生产的连续性,有利于节能和提高产品质量。
提高了品级率就等于提高了产值,增加了效益,也使能源的利用率提高了。
本工程的改造,也是海绵钛还原蒸馏工序的全部加热段,包括过道加热段在内的“晶闸管调功器”的自动控制。是还蒸炉控制技术的一大进步。在国内同行业中具有先進水平。
参考文献
[1]全数字三相晶闸管功率控制器用户手册,资料编号:M1100501.