【正文】 管作為功率控制元件，晶閘管交流調(diào)功器也得到廣泛應(yīng)用 [1]。 ? 移相調(diào)壓是通過改變導(dǎo)通角的大小來調(diào)整輸出電壓，這種觸發(fā)方式連續(xù)性好，輸出電壓平穩(wěn)，無電壓沖擊，能夠限制瞬時電流，適合各種類型的負(fù)載。但是這種觸發(fā)方式會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。過零觸發(fā)方式又稱調(diào)功方式，這種方式是通過改變給定周期內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)來達(dá)到 控制功率的目的。電壓表、電流表的表針只有輕微的抖動，多臺調(diào)整器運行時避免了電流的集中。 由于晶閘管是電力電子元件，而隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力電子設(shè)備已在許多行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。在熱處理加熱爐調(diào)功器的應(yīng)用中也是以晶閘管為開關(guān)元件，對三相功率進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對加熱系統(tǒng)的溫度進(jìn)行控制。采用這種控制方式，負(fù)載上得到的電 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 3 頁 共 56 頁 壓是缺角的正弦波，負(fù)載電流中包含有大量高次諧波，它不但會產(chǎn)生嚴(yán)重的射頻輻射，干擾通訊，還作為諧波源引起電網(wǎng)電壓波形的畸變。因為電網(wǎng)電壓波形的非正弦化，對聯(lián)網(wǎng)的各種用電設(shè)備都會帶來很壞的影響。對此國家有關(guān)部門已經(jīng)制定和試行了嚴(yán)格限制大功率移相調(diào)功設(shè)備投網(wǎng)和限期改造的具體措施。由于對晶閘管的過零觸發(fā)方式比移相觸發(fā)存在種種優(yōu)勢，因此對晶閘管使用過零觸發(fā)控制的調(diào)功電路將被采用。斬割 比愈高，則輸出的平均功率愈高，反之愈小。 調(diào)功器的現(xiàn)實應(yīng)用 晶閘管交流調(diào)功器廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域： ? 電爐工業(yè)： 退火爐 ，烘干爐，淬火爐， 燒結(jié)爐 ， 坩堝爐 ， 隧道爐 ， 熔爐 ，箱式電爐，井式電爐，熔化電爐，滾動電爐，真空電爐，臺車電爐，淬火電爐，時效電爐，罩式電爐，氣氛電爐， 烘箱 實驗電爐， 熱處理 ， 電阻爐 ， 真空爐 ， 網(wǎng)帶爐 ， 高溫爐 ， 窯爐 ， 電爐 ? 機械設(shè)備 ： 包裝機械 ，注塑機械，熱縮機械，擠壓機械， 食品機械 ，回火設(shè)備，塑料加工 ，紅外加熱 ? 玻璃工業(yè)： 玻璃纖維 ，玻璃成型，玻璃融化，玻璃印制，浮法玻璃生產(chǎn)線，退火槽 ? 汽車工業(yè) ：噴涂烘干， 熱成型 ? 節(jié)能照明 ： 隧 道照明 ，路燈照明，攝影照明， 舞臺燈光 ? 化學(xué)工業(yè) ：蒸餾蒸發(fā)，預(yù)熱系統(tǒng)，管道加熱， 石油化工 ，溫度補償 ? 其它行業(yè)： 鹽浴爐 ，工頻感應(yīng)爐，淬火爐溫控， 熱處理爐 溫控，金剛石壓機加熱，大功率 充磁 /退磁 設(shè)備，航空電源調(diào)壓，中央空調(diào)電加熱器溫控， 紡織機械 ， 水晶石 生產(chǎn)， 粉末冶金 機械，彩色顯像管生產(chǎn)設(shè)備，冶金機械設(shè)備，石油化工機械，燈光平滑調(diào)節(jié)， 恒 壓恒流恒功率控制等領(lǐng)域。 調(diào)功器避免了相位控制時缺角正弦波產(chǎn)生的無線電射頻干擾，使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通時的瞬態(tài)浪涌電流 dtdi 大為減少。 % ～ 1%[4]。 主電路主要由低壓斷路器、交流接觸器、反并聯(lián)晶閘管、電流互感器和各種保護(hù)電路等組成。 設(shè)計要求 ? 控制溫度精度 1000℃177。 ? 控制電路設(shè)計中能夠接收溫控調(diào)節(jié)儀表輸出的 0～ 5V、 0～ 10V、 4～ 20mA 的控制信號。 ? 控制電路可以對溫控調(diào)節(jié)儀表輸出的 0～ 10V、 0～ 5V 的模擬量，開關(guān)量控制信號實現(xiàn)自動控制。 ? 控制電路可以實現(xiàn)對外控觸發(fā)脈沖的封鎖。 ? 主電路中各元件的計算與選擇和保護(hù)電路各元件的計算與選擇。 晶閘管交流調(diào)功器的設(shè)計原理及方案 設(shè)計原理 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 5 頁 共 56 頁 自動控溫晶閘管交流調(diào)功器的典型框圖如圖 。圖 為主要環(huán)節(jié)輸出波形圖。零脈沖電路 (1) 、鋸齒波發(fā)生電路（ 2）、導(dǎo)通比電路 (3) 、過流截止電路 (4) 、“與”門電路(5)和脈沖觸發(fā)電路 (6)組成調(diào)功器的控制電路。 溫控調(diào)節(jié)儀表接收來自溫度傳感器輸出的溫度信號，經(jīng)與設(shè)定值比較，輸出直流控制信號與鋸齒波發(fā)生電路輸出的鋸齒波信號綜合后，獲得導(dǎo)通比信號。首先是電路（ 1）觸發(fā)脈沖 ,即“零脈沖”信號 ；其次是電路 (3)周期性輸出的高電平連續(xù)可調(diào)的導(dǎo)通比 (占空比 )信號；第三是電路（ 4）輸出的過流截止信號 。晶閘管的導(dǎo)通時間（周波數(shù)）受導(dǎo)通比控制。 設(shè)計方案 (1) 主電路 主電路采用反并聯(lián)晶閘管對或雙向晶閘管。保護(hù)方式設(shè)計同一般的晶閘管變流裝置。此外，在控制電路中設(shè)置過電流截止環(huán)節(jié)。還應(yīng)指出，晶閘管即使在關(guān)斷時，負(fù)載與電源仍有電的連接，因此在主電路上仍需配置接觸器和斷路器等帶觸頭的開關(guān)電器。擬采用三相四線制接線，反并聯(lián)晶閘管電路[6]。 ? 4～ 20mA/0～ 10V 的轉(zhuǎn)換電路。 ? 導(dǎo) 通比電路使用由運放構(gòu)成的比較器電路。 ? 過零觸發(fā)電路采用 MOC3061 系列光電雙向可控硅驅(qū)動器，這是一種新型的光耦合器件，它可用直流低電壓、小電流來控制交流高電壓、大電流。 (3) 控制方式 由于加熱爐的熱慣性及滯后時間 ? 都較大，溫度調(diào)節(jié)過程只能是一種不斷的振蕩過程，溫差很大，要使溫度平穩(wěn)下來，必須使用輸出大小能 連續(xù)變化的調(diào)節(jié)器，并引入比例 (P)、微分 (D)、積分 (I)調(diào)節(jié)規(guī)律來提高溫度的調(diào)節(jié)質(zhì)量。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 8 頁 共 56 頁 2 晶閘管交流調(diào)功器的主電路設(shè)計 調(diào)功器主電路設(shè)計及各元件的計算和選取 晶閘管交流調(diào)功器主電路聯(lián)結(jié)形式的選擇 晶閘管交流調(diào)功器可以接星形負(fù)載，也可以接三角形負(fù)載。其中 星形聯(lián)結(jié)電路 又 可分為三相三線和三相四線兩種情 況 。 工作 ， 基波和 3 倍次以外的諧波在三相之間流動，不流過零線 。零線有很大 3 倍次諧波電流 ， ? =90176。 A B C N a） A B C b) A B C c) 圖 主電路各連接形式 a)三相四線電路雙向控制 b)三相三角形電路雙向控制 c)三相三線電路雙向控制 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 9 頁 共 56 頁 (2) 三相三線 在 電阻負(fù)載時 ， 任一相導(dǎo)通須和另一相構(gòu)成回路 。其特點是由兩相構(gòu)成回路，電流通路中至少有兩個晶閘管，應(yīng)采用雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā) ， 觸發(fā)脈沖順序和三相橋式全控整流電路一樣 。1(k=1 ， 2， 3， ?) ，和三相全控橋相同 ， 諧波次數(shù)越低，含量越大 。所以大多數(shù)選擇三相四線電路。 變周期晶閘管交流調(diào)功器輸出的正弦波是均勻分布的，又叫間隔式調(diào)功器，其中重復(fù)周期以最小正弦波間隔安排，例如最小周期是輸出功率為 50%的時候，周期為 40 毫秒（ 秒），即導(dǎo)通一個周波，關(guān)斷一個周波，在最大和最小輸出功率時周期最大，如輸出 功率 100% 75% 50% 25% 2% 1% 圖 定周期晶閘管交流調(diào)功器輸出波 形 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 10 頁 共 56 頁 在輸出功率為 %時，周期為 20秒，即導(dǎo)通 999 個周波，關(guān)斷 1個周波，輸出功率為%，周期亦為 20 秒，即導(dǎo)通一個周波，關(guān)斷 999 個周波。 以上兩種改變周期內(nèi)周波數(shù)的連續(xù)控溫方式，精度高，溫度波動小，是一種新型的控溫方式。 晶閘管交流調(diào)功器采取正弦波過零觸發(fā)方式，輸出為完整的正弦波，因而其輻射干擾、傳導(dǎo)干擾和負(fù)載電流的瞬態(tài)浪涌也最小。 主電路各元件的計算 與選擇 晶閘管交流調(diào)功器的主電路如圖 所示 三相電源經(jīng)斷路器 HD 和交流接觸器 Km接到三組反并聯(lián)的晶閘管上，通過晶閘管的通斷來改變阻性負(fù)載上的功率。 RS RS RS3 為快速熔斷器， R R R3為壓敏電阻 ,RC 為阻容吸輸出 功率 100% 75%(T=) 50%(T=) 25%(T=) 10%(T=) 1%(T=2s) %(T=4s) %(T=20s) 圖 波形 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 11 頁 共 56 頁 收回路， LMa、 LMb、 LMc 為電流互感器，通過端子 JP4 JP4 JP45接入控制電路。 選型時，選取額定容量要比電阻爐功率大 20%左右。其中晶閘管的額定電壓級別如表 所示。 2) 低壓斷路器的額定電流應(yīng)不小于它所安裝的脫扣器額定電流 [10]。額定電壓 :380V(AC),額定電流： 20A，無脫扣，極數(shù)： 2 （ 4）交流接觸器的選擇 交流接觸器是廣泛用作電力的開斷和控制電路。主接點一般只有常開接點，而輔助接點常有兩對具有常開和常閉功能的接點，小型的 接觸器 也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。 交流接觸器的選取原則： 1) 交流接觸器的額定電壓應(yīng)大于或等于所在線路的額定電壓。 由公式 ?c o s22 NNN IUmP ? ( 1cos ?? )得到 VU N 3802 ? , AI N ? ，所以選取CJ2040 型交流接觸器。所有這些傳感器均通過檢測某種物理特性的變化來推斷溫度。 ? 熱電偶 由兩個焊接在一起的異金屬導(dǎo)線 (以形成兩個結(jié)點 )所組成。通過將參考結(jié)點保持在已知溫度上并測量該電壓，便可推斷出檢測結(jié)點的溫度。不過，它們也存在著輸出電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺陷。雖然常用的金屬是銅、鎳和鎳鐵合金等，但采用鉑制成的 RTD具有最 佳的線性、可重復(fù)性和穩(wěn)定性。盡管薄膜鉑 RTD提供了性能匹配，但標(biāo)準(zhǔn)等級線繞電阻則在成本、外形尺寸和便利性方面更勝一籌。后來，薄膜隔離和封裝的改進(jìn)消除了這些問題，使得薄膜 RTD一舉超越線繞電阻和 NTC熱敏電阻而成為溫度傳感器之首選。同時，它們也是線性 最差的溫度傳感器，并具有負(fù)溫度系數(shù)。通常將兩個熱敏電阻組合起來使用，以使輸出具有較好的線性。雖然可提供 1%的精確互換性，但花費的成本往往要高于鉑 RTD。 綜上所述，并根據(jù)電阻爐的實際加熱情況選擇熱 電偶溫度傳感器。分度號： S，測量范圍（℃）： 0℃～ 1300℃，保護(hù)管材料：高鋁質(zhì)。停電后無須重新設(shè)置設(shè)定點；少量的操作 按鈕 ,面板整潔。 主電路各保護(hù)元件的計算與選取 晶閘管對于熱、瞬態(tài)峰值電壓、瞬態(tài)峰值電流是很敏感的，所以調(diào)功器保護(hù)電路的設(shè)計應(yīng)針對上述三個方面進(jìn)行。 晶閘管過電壓保護(hù) （ 1） 壓敏電阻過電壓保護(hù) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 第 16 頁 共 56 頁 壓敏電阻器簡稱 VSR，是一種對電壓敏感的非線性過電壓保護(hù)半導(dǎo)體元件。 圖 壓敏電阻器是一種具有瞬態(tài)電壓抑制功能的元件，可以用來代替瞬態(tài)抑制二極管、齊納二極管和電容器的組合。使用時只需將壓敏電阻器并接于被保護(hù)的 IC 或設(shè)備電路上，當(dāng)電壓瞬間高于某一數(shù)值時，壓敏電阻器阻值迅速下降，導(dǎo)通大電流，從而保護(hù) IC 或電器設(shè)備；當(dāng)電壓低于壓敏電阻器工作電壓值時，壓敏電阻器阻值極高，近乎開路，因而不會影響器件或電器設(shè)備的 正常工作。利用該特性，將壓敏電阻并聯(lián)在調(diào)功器電源電壓的輸入端，就能把電源的尖峰電壓鉗制在壓敏電阻擊穿電壓值之內(nèi)。表 。由此可見壓敏電阻器的電 阻值對外加電壓的變化是非?！懊舾小钡摹? （ 2）阻容吸收過電壓保護(hù) 在實際晶閘管電路中，常在其兩端并聯(lián) RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)常稱為 RC阻容吸收電路。它表明晶閘管在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率。即使此時加于晶閘管的正向電壓低于其陽極峰值電壓，也可能發(fā)生這種情況。 在晶閘管 處于阻斷狀態(tài)下，因各層相距很近，其 J2 結(jié)結(jié)面相當(dāng)于一個電容 C0。如果晶閘管在關(guān)斷時，陽極電壓上升速度太快，則 C0的充電電流越大，就有可能造成門極在沒有觸發(fā)信號的情況下，晶閘管誤導(dǎo)通現(xiàn)象，即常說的硬開通，這是不允許的。 為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管安全運行，常在晶閘管兩端并聯(lián) RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。同時，避免電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。 RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)就是常用的保護(hù)方法之一。 圖 晶閘管兩端阻容保護(hù)電路接法 由于電容兩端電壓不會突變，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)瞬時過電壓的 dtdu 時， RC 電路可旁路過電壓，又能抑制 dtdu 。大多數(shù)情況下阻容保護(hù)的數(shù)值一般根據(jù)經(jīng)驗選定，如下表 所示。 表 與晶閘管并聯(lián)的阻容經(jīng)驗數(shù)據(jù) 晶閘管額定電流（ A） 10 20 50 100 200 500 1000 電容（ uF） 1 5 電阻（Ω ） 100 80 40 20 10 5 2 根據(jù)晶閘管的額定電流，查上表可知選取 C=， R=80Ω 電容耐壓可選加在晶閘管兩端工作電壓峰值 mU 的 ～ 倍。標(biāo)稱容量： ,額定電壓： 400V，耐壓：600V。 RJ20 70℃額定功率： 3W，阻值范圍：