一體化調(diào)壓模塊及在溫度控制中的應(yīng)用

摘要：為有效地使用三相交流一體化移相調(diào)壓模塊，可靠實(shí)現(xiàn)電能的變換。介紹了調(diào)壓模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)性能，并以此為調(diào)功器，設(shè)計(jì)一烘箱電加熱溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模糊規(guī)則進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的新型算法，基本消除了PID飽和積分現(xiàn)象，精確實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)繞組浸漆后的烘干處理。實(shí)踐表明，采用三相交流一體化移相調(diào)壓模塊可使電加熱溫控系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)線路簡單、性能穩(wěn)定，并具有較高的可靠性，可廣泛應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中。
關(guān)鍵詞：調(diào)壓模塊；溫度控制；烘箱；智能調(diào)節(jié)器

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，晶閘管在電氣控制領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用，對(duì)電能特別是大的電功率進(jìn)行有效處理和變換。但在電氣控制應(yīng)用中，通常采用的是分離器件構(gòu)成的裝置，電路復(fù)雜、體積大、安裝調(diào)試不便且可靠性差。三相交流一體化移相調(diào)壓模塊(簡稱調(diào)壓模塊)的出現(xiàn)，改變了這一現(xiàn)狀，使晶閘管的應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。它將晶閘管、移相觸發(fā)電路、保護(hù)電路和電源集成在一個(gè)模塊內(nèi)，使用簡單方便，并且可靠性較高。為了便于電氣技術(shù)人員更好地使用調(diào)壓模塊，介紹了調(diào)壓模塊的性能、特點(diǎn)及使用方法，并將其應(yīng)用在電機(jī)繞組烘箱溫度控制中，使其所構(gòu)成的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，溫度控制穩(wěn)定，可有效地完成浸漆后電機(jī)繞組的烘干處理。

1 調(diào)壓模塊的性能及特點(diǎn)
1．1 調(diào)壓模塊的性能
    三相交流一體化移相調(diào)壓模塊采用大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，內(nèi)部集三相移相觸發(fā)電路、單向可控硅、RC阻容吸收回路及電源電路等于一體?？稍谧詣?dòng)或手動(dòng)輸入控制作用下，產(chǎn)生三相可改變導(dǎo)通角的強(qiáng)觸發(fā)脈沖信號(hào)，再以此分別控制內(nèi)部可控硅，實(shí)現(xiàn)三相負(fù)載電壓從0 V到電網(wǎng)全電壓的無級(jí)可調(diào)，從而調(diào)節(jié)輸出給三相負(fù)載電功率。調(diào)壓模塊直接帶動(dòng)變壓器等感性負(fù)載或電加熱等阻性負(fù)載，可適用于小功率三相力矩電機(jī)的調(diào)速，及風(fēng)機(jī)、水泵等的調(diào)速，也可應(yīng)用于交流電機(jī)的緩啟動(dòng)。調(diào)壓模塊采用SMT工藝，DCB陶瓷基板，其體積小、外圍接線少、性能穩(wěn)定、使用方便、可靠性高。
1．2 調(diào)壓模塊的特點(diǎn)
    特點(diǎn)如下：
    1)全面支持4～20 mA、0～5 VDC、0～10 VDC、1～5VDC、0～10 mA等輸入自動(dòng)控制模式，也可用手動(dòng)控制，輸出電壓從0 V到最大值線性可調(diào)，輸入調(diào)節(jié)范圍寬，輸出調(diào)節(jié)精度高，三相對(duì)稱性好，抗干擾能力強(qiáng)。上電無瞬間沖擊輸出。
    2)Y型調(diào)壓模塊內(nèi)置高性能開關(guān)電源，無須外接同步變壓器，也無須外部輸入直流電源；負(fù)載△形或Y形接法均可，Y形接法時(shí)負(fù)載中心點(diǎn)不必接入N線。
    3)模塊已內(nèi)置可控硅保護(hù)電路，無須外接；有LED電源指示和輸出調(diào)節(jié)量指示。
    4)模塊自動(dòng)判別相序，電路的進(jìn)線R、S、T無相序要求。Y型模塊適用于三相四線制電路，交流380 V±10％，50 Hz頻率。
    5)各輸入控制端與開關(guān)電源輸入端之間以及與強(qiáng)電主回路之間為全隔離設(shè)計(jì)，絕緣介質(zhì)耐壓大于2 000 VAC。

2 調(diào)壓模塊的結(jié)構(gòu)及使用方法
2．1 調(diào)壓模塊的結(jié)構(gòu)
    一體化三相調(diào)壓模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示，1、3、5為模塊進(jìn)線端，2、4、6為模塊出線端，分別連接電源和負(fù)載。左側(cè)6個(gè)接線端為控制功能端，分別為4～20 mA信號(hào)輸入端、0～10 V信號(hào)輸入端、0～5 V信號(hào)輸入端、0～10 mA信號(hào)輸入端及手動(dòng)控制輸入端。當(dāng)某控制端(如4～20 mA功能端)輸入信號(hào)由小(4 mA)連續(xù)的變化到最大(20 mA)時(shí)，模塊的輸出線電壓由0 V連續(xù)的變化到電網(wǎng)電壓380 V。

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2．2 調(diào)壓模塊的使用方法
    1)各功能端相對(duì)com端必須為正，若com端為負(fù)極，極性相反，則模塊主回路輸出端可能失控。2)模塊各功能端的控制特性均為正極性，即控制電壓越高，模塊強(qiáng)電主回路輸出電壓越高。3)在某一時(shí)刻宜使用一種輸入控制方式，若2種以上方式同時(shí)輸入使用，則輸入信號(hào)較強(qiáng)的一種起主要作用。4)電源為上進(jìn)下出，三相交流電路的進(jìn)線R、S、T無相序要求，導(dǎo)線粗細(xì)按實(shí)際使用電流選擇。5)N線僅為模塊內(nèi)部開關(guān)電源用，用1平方細(xì)導(dǎo)線即可，N線與各輸入控制端之間為全隔離絕緣設(shè)計(jì)。6)在使用過程中若發(fā)生過流現(xiàn)象，應(yīng)首先檢查負(fù)載有無短路等故障?？稍谀K的進(jìn)線R、S、T端之前安裝快速熔斷器進(jìn)行過流保護(hù)，規(guī)格可按實(shí)際負(fù)載電流的1．5倍選配。7)模塊應(yīng)與散熱器配合使用，在機(jī)柜中與其他器件之間有足夠的散熱空間。必要時(shí)可安裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱。

3 調(diào)壓模塊在電動(dòng)機(jī)烘箱溫度控制中的應(yīng)用
    電動(dòng)機(jī)繞組重繞后應(yīng)對(duì)其繞組進(jìn)行絕緣浸漆過程，這個(gè)過程重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是要將繞組已經(jīng)浸透絕緣漆的電機(jī)定子放到浸漆烘干設(shè)備——烘箱中進(jìn)行烘干處理。這一過程分兩個(gè)階段，第一階段是溶劑揮發(fā)的物理過程，為避免在絕緣表面形成漆膜溫度應(yīng)控制在80℃，烘2～4h；第二階段是浸漆固化階段，應(yīng)將溫度升至130℃再烘8～16 h，以使浸漬漆固化。
3．1 烘箱溫度控制系統(tǒng)組成及工作原理
3．1．1 系統(tǒng)組成
    本系統(tǒng)采用人工智能調(diào)節(jié)器為主控制器，與溫度傳感器、溫度變送器、全隔離三相交流調(diào)壓模塊及電動(dòng)機(jī)繞組烘箱組成AI溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖2所示。電動(dòng)機(jī)繞組烘箱為被控對(duì)象，通過其內(nèi)部安裝的電熱絲帶電發(fā)熱，為其提供熱能，使其溫度上升。溫度檢測儀表選用WRNEU-2 K型熱電偶溫度傳感器，能將電阻爐中的溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠和維護(hù)方便。SBWR為一體化溫度變送器，與熱電偶配接在一起將其電信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號(hào)輸出給AI調(diào)節(jié)器?？刂破鬟x用AI-808P調(diào)節(jié)器，它采用了先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)，通用性強(qiáng)、技術(shù)成熟可靠，具有模糊邏輯PID調(diào)節(jié)及參數(shù)自整定功能。調(diào)壓模塊(SCR)是系統(tǒng)重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選用LSA-TH3P50Y型三相交流一體化移相調(diào)壓模塊，它接受AI調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)，以調(diào)節(jié)安裝在爐內(nèi)的電熱絲上的電功率，實(shí)現(xiàn)烘箱中的溫度調(diào)節(jié)。

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3．1．2 烘箱溫度控制系統(tǒng)工作原理
    1)合上電源總開關(guān)QF(如圖2所示)，箱式電阻爐AI溫度控制系統(tǒng)帶電。根據(jù)工件熱處理工藝要求，通過AI調(diào)節(jié)器面板上操作鍵設(shè)定溫度值，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和要求設(shè)定AI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。按下A／M鍵使系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)下工作，儀表顯示屏將顯示自動(dòng)狀態(tài)符及電阻爐中溫度的測量值。2)系統(tǒng)起始工作，電阻爐中的溫度低，熱電偶溫度傳感器轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)也很小。此信號(hào)傳給AI調(diào)節(jié)器后，在其內(nèi)部與給定值進(jìn)行比較。在偏差值較大時(shí)，AI調(diào)節(jié)器運(yùn)用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出一較大的控制信號(hào)給調(diào)功器(調(diào)壓模塊)。調(diào)功率器輸出較高電壓，從而使電熱絲電功率變大，發(fā)出較大的熱能，電阻爐的溫度開始快速上升。3)隨著爐溫的上升，熱電偶變換過來的電壓信號(hào)增大，使其與調(diào)節(jié)器內(nèi)的設(shè)定值比較。偏差值較小時(shí)，調(diào)節(jié)器采用PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，并能在調(diào)節(jié)中自動(dòng)學(xué)習(xí)和記憶被控電阻爐的部分特征，使效果優(yōu)化。隨著偏差值的減小，AI調(diào)節(jié)器控制調(diào)功器輸出給電熱絲的電功率減小，溫度上升的速度逐漸變慢。當(dāng)電阻爐中的溫度等于設(shè)定的溫度時(shí)，溫度變送器輸給AI調(diào)節(jié)器的電信號(hào)等于其內(nèi)部的給定，其偏差信號(hào)為零，AI調(diào)節(jié)器輸給調(diào)功器的控制信號(hào)保持不變。此時(shí)，電阻爐內(nèi)電熱絲輸出的熱能等于其散發(fā)的熱能，暫時(shí)達(dá)到了一熱平衡，溫度保持恒定。4)如果由于各種干擾(如電網(wǎng)電壓波動(dòng))導(dǎo)致熱平衡被迫壞，溫度發(fā)生變化(不等于設(shè)定溫度)，必然出現(xiàn)偏差。那么調(diào)節(jié)器將改變輸出信號(hào)，控制調(diào)功器輸出的電功率，直到溫度等于設(shè)定的溫度值為止。5)如果系統(tǒng)出現(xiàn)問題導(dǎo)致調(diào)功器失控，溫度超過了最高限位值，則AI調(diào)節(jié)器中的AL1端輸出信號(hào)，使報(bào)警器工作，提醒工作人員進(jìn)行人工干預(yù)處理。
3．2 烘箱溫度AI控制系統(tǒng)參數(shù)整定及程序設(shè)計(jì)
3．2．1 溫度控制系統(tǒng)AI調(diào)節(jié)器參數(shù)整定
    AI調(diào)節(jié)器采用模糊規(guī)則進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。這種人工智能算法一方面對(duì)PID算法加一改進(jìn)，如在PID調(diào)節(jié)器中加入新的微分積分作用；另一方面又采用模糊調(diào)節(jié)規(guī)則，在誤差大時(shí)運(yùn)用模糊算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，以徹底消除PID飽和積分現(xiàn)象，當(dāng)誤差小時(shí)，采用改進(jìn)后的PID算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。人工智能算法采用M5、P、t、Ctl等4個(gè)參數(shù)，而不再使用傳統(tǒng)的PID參數(shù)，一組(MPT)參數(shù)即可同時(shí)確定PID參數(shù)和模糊控制參量。
    系統(tǒng)第一次運(yùn)行，啟動(dòng)自整定功能，便能較快的獲得最佳MPT參數(shù)。自整定時(shí)，儀表執(zhí)行位式調(diào)節(jié)，經(jīng)過2～3次振蕩后，儀表內(nèi)部微處理器根據(jù)位式控制產(chǎn)生的振蕩，分析其周期、幅值及波形來計(jì)算出M5、P、t等控制參數(shù)。由于被控對(duì)象是保溫性能較好的烘箱，在整定時(shí)，AI調(diào)節(jié)器的給定值應(yīng)設(shè)置在系統(tǒng)使用的最大值上。AI調(diào)節(jié)器的參數(shù)Ctl及DF(回差)的設(shè)置對(duì)自整定過程也有影響，一般選擇Ctl=0．2，DF=0．3。
3．2．2 溫度控制系統(tǒng)AI調(diào)節(jié)器程序段編程設(shè)置
    電動(dòng)機(jī)繞組烘箱溫度控制分兩個(gè)階段進(jìn)行，烘箱溫度控制曲線如圖3所示。故AI調(diào)節(jié)器需按一定的時(shí)間規(guī)律自動(dòng)改變給定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。  AI調(diào)節(jié)器具有強(qiáng)大的編程及操作能力，具備30段程序編排功能，可設(shè)置任意大小的給定升、降斛率；具有跳轉(zhuǎn)、運(yùn)行、暫停及停止等可編程命令。程序編排統(tǒng)一采用溫度一時(shí)間一溫度格式，從當(dāng)前段設(shè)置溫度，經(jīng)過該段設(shè)置的時(shí)間到達(dá)下一溫度設(shè)置值，溫度設(shè)置值的單位采用  ℃，而時(shí)間值的單位用分鐘。這種方法的特點(diǎn)是升溫、降溫韻斜率設(shè)置范圍非常寬；升溫及恒溫段具有統(tǒng)一的設(shè)置格式，方便學(xué)習(xí)和應(yīng)用。

    根據(jù)電機(jī)繞組浸透絕緣漆后烘干溫度變化曲線，對(duì)溫度控制系統(tǒng)中的AI調(diào)節(jié)器控制程序編排如下：
    第1段C01=20 t01=20；
    (20℃起開始升溫，升溫時(shí)間為20分鐘)
    第2段C02=80 t02=240；
    (升溫到80℃，恒溫時(shí)間為240分鐘)
    第3段C03=80 t03=20；
    (再從80℃升溫，升溫時(shí)間為20分鐘)
    第4段C04=130 t04=480；
    (升溫到130℃，恒溫時(shí)間為480分鐘)
    第5段 C05=130 t05=120；
    (從130℃開始降溫，降溫時(shí)間為240分鐘)
    第6段C06=40 t06=0；
    (降溫到40℃進(jìn)入暫停狀態(tài))

4 結(jié)束語
    三相交流一體化移相調(diào)壓模塊是一使用簡單、可靠性高的新型智能模塊，它可直接帶動(dòng)變壓器等感性負(fù)載或電加熱等阻性負(fù)載工作。采用它實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的溫度控制系統(tǒng)，可有效地實(shí)現(xiàn)浸漆后電機(jī)繞組的烘干處理。系統(tǒng)外部接線簡單、運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)和維修方便。調(diào)壓模塊應(yīng)用時(shí)，應(yīng)注意模塊內(nèi)可控硅在較小導(dǎo)通角下長時(shí)間輸出較大電流(即主電路輸入電壓很高，輸出電壓很低)，這可能導(dǎo)致模塊嚴(yán)重發(fā)熱。故應(yīng)考慮負(fù)載與模塊匹配，使模塊在較大的導(dǎo)通角下工作。