箱式电阻炉电气系统的改进
黑龙江华安机械有限责任公司供电公司
王萍 张秋亮 张广智
摘要：分析了箱式电阻炉电气系统的工作原理及其局限性，介绍了采用双向晶闸管移相触发控制对电气系统进行改造的原理和实践。
关键词：箱式电阻炉；电气系统；双向晶闸管；移相触发；自整定
1.改进前箱式电阻炉电气系统及工作原理：
箱式电阻炉是一种对金属工件进行加热、回火等的热处理设备。箱式电阻炉的型号为RX－45－9，即通过温控仪表XCT－101对炉膛内热电偶WRS－121采集的温度信号进行处理来控制接触器的通断，从而达到对电阻炉加热和保温的控制，其电气原理图见图1：
图1箱式电阻炉电气原理图
工作时炉温未达到设定值，温控仪表的下限触点闭合，中间继电器ZJ线圈得电，ZJ常开触点闭合，接触器KM线圈得电，KM主触头闭合，对电炉进行加热；当温度达到设定值时，温控仪表的下限触点断开，ZJ断电，KM断开，加热停止；当电炉内温度降到设定值的下限时，温控仪表的下限触点又闭合，重复上面加热过程。若下限触点温控失灵，易造成炉温过高。当它超过设定值的上限时，温控仪表的上限触点闭合，时间断电器SJ工作，延时一段时间后，继电器ZK工作，切断KM，整个系统停止加热。
该系统在炉内温度达到工艺要求的设定值并保持时，接触器在断合之间进行切换，以保证炉温保持衡定。由于接触器在切换时电流的变化率大，长时间运行会造成接触器的触点粘连，导致超温事故发生，严重时会造成工件报废。同时该系统温度控制精度较低，不能满足要求比较高的工艺方案。
2.双向晶闸管的原理及电路改造
2.1双向晶闸管的原理
随着半导体技术的发展，功率半导体元件得到了广泛应用，特别是在一些老设备的电气升级改造中采用半导体元件的效果非常明显，此次我们也采用了双向晶闸管的交流开关的作用。双向晶闸管也叫做硅对称开关或双向可控硅。它是一种大功率半导体元器件，只用一个控制极就可以实现两个方向上的控制导通，代替了两个反向并联的普通晶闸管，使电气线路得到简化，并且它对触发信号要求不高，不管是交流信号、直流信号还是脉冲信号均可以导通，实现了以微小的电信号对大功率电能的控制和变换。它的控制线路具有结构简单、成本低、控制准确、灵活性强的特点，这也是我们采用它的主要原因。其伏安特性曲线图如图2：
图2双向晶闸管伏安特性曲线图
该系统改造的主要思想是利用原来的控制箱，将简单的位式调节控制交流接触器，改为PID调节，对双向晶闸管移相触发控制。该系统主电路利用对双向晶闸管的导通角的控制来实现对输入输出电压的控制。系统工作时，工作时炉温未达到设定值，温控仪表的下限触点闭合，接触器KM3线圈得电，KM3常开触点闭合，双向晶闸管得电，对电炉进行加热；当温度达到设定值时，温控仪表的下限触点断开，KM3断电，KM3断开，加热停止；当电炉内温度降到设定值的下限时，温控仪表的下限触点又闭合，重复上面加热过程。当它超过设定值的上限时，温控仪表的上限触点闭合，报警器开始工作。同时切断KM3，双向晶闸管立即断电，整个系统停止加热，起到预防超温事故发生的作用。
为了系统安全稳定的运行,在每个双向晶闸管的两端并联一个电阻和电容，对电路的过电压和涌流都有很好的抑制和吸收作用；在每个双向晶闸管的控制端并联一个电阻，来限制控制极电压过高。为了防止温度过高对双向晶闸管的损害，选用了RTO-80A型的快速熔断器和轴流风机，加强对双向晶闸管保护和散热。其改进后的箱式电阻炉电路示意图见图3：
2.2 PID调节
为了精确地控制双向晶闸管的输出，特选用了具有PID调节功能的PC900温控仪。该温控仪具有温度设定方便、PID调节及自整定等功能，能满足不同工艺的设置。它采用的是先进的调节方式，是模糊规则进行PID调节的一种新数字算法。在误差大时，运用模糊算法进行调节，以消除PID饱和积分现象。当误差小时。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制对
图3箱式电阻炉电气示意图
象的部分特征以使效果最优化，具有无超调、精度高、万能输入、万能输出等特点。改变内部参数Sn选择不同的输入规格、安装不同的输出模块。配上内部参数oP1的不同设置确不同的输出方式；修改内部参数sc可以修正输入信号误差或系统误差。PID参数的设定使控制更加稳定，并可根据现场的实际要求进行手动设定，由于超调量大，如果对到达稳定时间的要求不高，在到达稳态前可增大比例带克服超调，如要加快到达稳定的时间，而允许少量的超调时，可适当减小比例带；当测量值在设定值上下缓慢波动时，可适当减小积分时间或增大比例带；当测量值在设定值上下频繁波动时，可适当减小微分时间。该温控仪还具有将占空比输出（PWM脉宽）转换成转换数（或移相脉冲）的功能，使负载电流的一个全正弦波为基本时间单位均匀分布。温控仪输出不同功率的波形图见图4：
图3调功波形图
2.3数字PID控制算法
将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样控制器称为PID控制器。
PID控制器最先出现在模拟控制系统中，传统的模拟PID控制是通过硬件来实现他的功能。随着计算机的出现，把它移植到计算机控制系统中来，将原来的硬件实现的功能用软件代替。因此成为数字PID控制器，所形成的一套算法被称为数字PID算法。数字PID控制算法可以分为位置式PID控制算法和增量式PID算法，设计采用增量式PID算法并详细介绍。
增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量uk。当执行机构需要的量是增量（例如伺服电机的驱动），而不是位置量的绝对值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制。
增量式PID控制算法可通过式（2.1）推导出。由式可得控制器在第k-1个采样时刻的输出值为
（2.1）
（2.2）
将式（1.1）与式（1.2）相减，并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为
（2.3）
式中：
或者上式 uk还可以写成下面的形式
（2.4）
式中：
由式（2.3）可以看出，如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了A、B、C，只要使用3次测量值的偏差，就可以由式（2.3）求出控制增量。增量式PID控制算法与
位置式算法式相比，计算量小的多，在实际中得到广泛的应用。
2.4 控制系统参数整定
采样周期的选择受多方面因素的影响，主要考虑的因素分析如下：
（1）、采样周期必须满足香农（Shannon）采样定理，即式（2.5）
（2.5）
（2.6）
（2.7）
max被采样信号的上限角频率
给出了采样周期的上限。满足这一定理，采样信号方可恢复或近似地恢复为原模拟信号，而
不丢失主要信息。在这个限制范围内，采样周期越小，采样-数据控制系统的性能越接近于连
续-时间控制系统。
（2）、闭环系统对给定信号的跟踪，要求采样周期要小。
（3）、从抑制扰动的要求来说，采样周期应该选择得小些。
（4）、从执行元件的要求来看，有时要求输入控制信号要保持一定的宽度。
（5）、从计算机精度考虑，采样周期不宜过短。
（6）、从系统成本上考虑，希望采样周期越长越好。
综合上述各因素，选择采样周期，应在满足控制系统的性能要求的条件下， 尽可能地选择低的采样速率。
临界振荡周期Ts的确定，初始确定数字PID参数时，在用上述方法确定采样周期T的条件下，
从调速系统的PID调节回路中，去掉数字控制器的微分控制作用和积分控制作用，只采用比例调节环节来确定系统的振荡周期Ts和临界比例系数Ks。由单片机系统自动控制比例系数Kp，并逐渐增大Kp，直到系统出现持续的等幅振荡，然后由单片机系统自动记录并显示调速系统发生等幅振荡时的临界比例度δ和相应的临界振荡周期Ts。
控制度就是以模拟调节器为基础，定量衡量数字控制系统与模拟调节器对同一对象的控制效果。控制效果就是采用某一积分准则，根据系统在规定的输入下的输出响应。
如前所述，采样周期T的长短会影响系统的控制品质，同样是最佳整定，数字控制系统的品质要低于模拟系统的控制品质。即控制度总是大于1的，且控制度越大，相应的数字控制系统品质越差。
