交流调功器调压器在钒制品推板窑中的应用设计
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【摘 要】 本文针对攀钢钒制品厂推板窑工程，分析交流调功器、交流调压器的特点、适用范围及工作原理，设计了推板窑加热元器件中采用交流调功器、交流调压器和PLC控制的方案。实现了推板窑生产的节能省电、高可靠性的要求。
【关键词】 交流调功器 交流调压器 PLC 干燥窑 推板窑 控制
1 概述
攀钢钒氮生产线，采用推板窑生产工艺，原料经粉碎后，加工成合格粒度的粉料，充分混匀后进入干燥窑进行干燥，干燥后推入推板窑内进行还原及渗氮反应，最后得到钒氮合金成品。
推板窑采用单道结构形式。窑体总长31米，分为预热区、高温区和冷却区，尾部采用密封方式设计，有内外两道密封门。预热区共设计6个温区，加热元件布置在窑腔底部，每温区加热元件由12根硅碳棒组成，加热功率6×25kW。高温区共设计8个温区，每温区加热元件由12根硅钼棒组成，加热功率8×25kW。冷却区共设计2个温区，每温区加热元件由2根硅钼棒组成，加热功率2×25kW。单台推板窑功率总计约400kW。
干燥窑采用二孔隧道干燥窑。窑体为长方体，干燥窑采用电阻加热，加热器选用波形电阻带，共计12组，分组安装。每孔6组，功率约400kW。推板窑采用单道式推板窑，推板窑加热元件采用8组硅碳棒电阻加24组硅钼棒加热，两侧分组安装。单侧16组，双侧32组，单台干燥窑功率总计约400kW。
交流电路中，在电源与负载之间串接入如晶闸管（可控硅）等电力电子器件，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、交流调功器两种型式。
交流调功器，通过调节给定时间周期内负载与电源接通的占空比，来调节负载的电功率。由于采用了整周波输出的方式，所以调功器比交流调压器谐波分量小、效率高，特别适用于以镍络或铁镍铝等电阻材料为发热元件的电加热器的温度控制。
交流调压器是以交流半波为周期，以控制触发脉冲的相位来改变晶闸管导通角的大小，从而调节输出电压的大小。交流调压，即使是使用晶闸管也可以籍负载过零自然关断，不需另加换流电路，所以电路简单，调整方便。但其含有较严重的谐波分量，故交流调压器多用于感性负载如带变压器的加热元件或者机械惯性较大的负载功率调整。
交流调功器、调压器广泛应用于各类电阻炉、电热器、电烘箱等电加热设备的升温、恒温、自动控温以及使用这类设备的生产线上。是电加热系统温度控制的理想电源装置。
针对攀钢钒氮生产线的推板窑和干燥窑的温度控制要求，采用交流调功器、调压器进行自动控制是比较理想的。
2 方案设计
2.1 调功调压设计
2.1.1 交流调功器
交流调功器以晶闸管零电压无触点开关在固定的周期内（例如1秒钟），以改变输出交流电周波数达到控制输出功率的目的，输出功率随周期内波群数的变化而变化，其输出波形如图1。
采用交流调功器的连续控温方式，采用了正弦波过零触发方式，输出的波形接近完整的正弦波，因而传导、辐射干扰小，功率因数接近1（电阻负载），有利于节约电能。但设计选用交流调功器时，应注意一个问题，即过零触发装置对负载而言，不管输出的平均电压高低与否，冲击电流均大。设计时必须考虑供电变压器的容量，一般情况下，供电变压器的容量应大于所带负载总功率的2倍以上。
交流调功器的过零触发的特点，适用于纯电阻负载。
图2所示的电压电流波形不是正弦披，包含了大量的高次谐波。高次谐波在电网中引起强烈的传导干扰及辐射干扰，并且影响各种电气设备的正常工作。多台交流调压器之间也会互相干扰而失去控制。但交流调压器的优点是冲击电流较小。实践证明，当交流调压器容量过大，可能导致系统相互干扰而无法正常工作。
交流调压器即适用于纯电阻负载，也适用于电感负载。
2.2 供电设计
根据交流调功器和交流调压器的特点，设计方案如下：
a.推板窑加热元件采用硅碳棒和硅钼棒，硅碳棒是比较特殊的加热元件，其阻值随着使用年限而增加，最大可增加约初始值的2倍。采用变压器耦合方式供电，变压器二次侧采用多种电压输出端，以适应电阻阻值的变化。硅钼棒具有负阻性特性，其阻值随着加热温度的升高而增加。也采用变压器降压方式供电。由于推板窑加热元件均采用变压器耦合，采用交流调压器供电方案。每组设置1台耦合变压器，由1套交流调压器供电，共计32套交流调压器。推板窑加热元件功率总计400kW，供电变压器按照1600kVA选择，加热元件加上其它负荷后，变压器的总负荷率为89%，满足供电要求。
b.干燥窑加热元器件采用的波形电阻带，为纯电阻负载，为减少高次谐波对电网的污染，选用交流调功器供电方案，每组加热元件采用1套交流调功器供电，共计12套交流调功器。二孔干燥窑加热元件功率总计为800kW，供电变压器按照1600kVA选择，可以减少交流调功器对电网的冲击。加热元件加上其它负荷后，变压器的总负荷率为85%，满足供电要求。
2.3 控制设计
推板窑温度控制系统采用PLC控制系统，PLC控制系统由控制站和操作站构成，PLC控制站通过I/O模块进行数据采集。来自温度传感器、压力传感器、流量传感器、液位传感器、成分传感器等过程信号，通过变送器变换为标准的4-20mA信号送入PLC系统。PLC控制器采用PID控制算法，根据PID算法的输出控制交流调功器、交流调压器的功率输出，达到控制推板窑温度的目的。
推板窑温度控制系统是一个大滞后、时变的、非线性的复杂控制系统，无法获得较精准的数学模型，PID控制算法的固定参数设置方式很难获得很好的控制效果。根据系统温度偏差的大小，采用不同的控制策略来满足对温度准确控制的目的。在温度偏差大的时候采用模糊控制算法以获得较快的响应速度，而当温度偏差小的时候采常规的PID调节方式以获得较好的稳态误差。温度偏差值的确定，根据现场调试的情况确定。
PLC系统设计有通讯功能，在PLC系统设置RS485通讯接口，通过RS485通讯总线，实现与交流调功器、交流调压器的实时数据交换。交流调功器、交流调压器的所有实时参数通过RS485通讯总线上传至PLC控制器，在PLC操作站中实现监控交流调功器、交流调压器的实时状态。
PLC系统操作站主要功能是实现系统参数设置和实时信息显示。参数设置画面上可以设置各温区的设定参数值、PID参数、温度上下限报警值等控制参数。实时信息显示画面可以实时显示各温区的实时温度、交流调功器和交流调压器的电压值、电流值、功率值以及各种报警状态等实时数据。
3 结语
2011年11月，攀钢钒制品厂推板窑工程顺利通过了竣工验收，投入使用。至今已有一年多了。在这段时间里，根据实际的工艺情况，进行调整、改进设备参数。使电加热器和调功柜系统能够平稳、连续、高效率运行，生产出合格的产品。