电加热温度控制方案

课前准备：多媒体课件制作、以4人/小组进行分组。

一、作业点评（10分钟）

1、教师作业点评

上次课我们曾布置了一个调节阀结构型式的选择作业，从上交的作业反映少数同学概念不是十分清楚，在此对作业再进行分析。 加热炉温度控制系统如图1所示，从实际工艺要求可知：为了在控制阀气源断气时，炉温不继续升高，以防烧坏炉子，应采用气开阀（断气时关闭），是“正”作用。炉温是随燃料的增多而升高的，所

以炉子也是“正”作用的。所以根据反馈控制原理，调节器必须为“反”作用，才能当炉温升高时，使阀门关小，炉温下降。

其工作过程如下：温度↑→温度变送器输出↑→调节器输出↓→调节阀开度↓→燃料输出↓→温度↓。

2、教学说明

执行机构作用方式是本门课的难点之一，学生常常难于理解而混淆，而这也是课程的重要教学内容，应适当反复讲解。

二、课程导引——加热控制的意义

温度控制在工业生产中具有极广泛的应用，根据加热介质的不同，大致可分为二类：一是燃烧加热方式，另一种是电加热方式。后者由于使用安全、效率较高、环保节能、控制方便等优越性，越来越受到重视与应用。本项目我们将讨论电加热模拟锅炉恒温控制系统的集成与调试技术，以使大家对温度控制技术有一基本认识，并学会应用。基于前一阶段的学习成果，本项目的教学将按照控制系统开发与实施的基本流程——控制方案确定——仪表选择——软、硬件开发（系统集成）——系统调试与投运组织教学过程，以使同学们能体验完整的工作过程，逐步实现从学习者到工作者的角色转换。

三、理论分析——温度位式控制方案（35分钟）

对水温控制的最简单方法就是传统的基于继电器技术的位式控制方法，其控制原理可以用图1来说明：温度传感器检测水温，并将信号传送给温度控制器，温度控制器则根据实时的温度高低接通或断开继电器，使加热器通电或断电，从而使水温控制在需要的数值上。

图1 加热炉控制系统图

这种位式控制方式简单、成本较低、易于实现，因此在工艺要求不高的场合应用广泛。根据温度控制器控制规律的不同控制，它又可分为三种控制方式：双位控制、具有中间区的双位控制和多位控制方式。下面简述各自原理。

1、双位控制

双位控制是位式控制的最简单形式。双位控制的规律是：当测量值大于给定值时，控制器的输出最大（或最小）；而当测量值小于给定值时，则控制器的输出为最小（或最大）。其偏差e 与输出u 间的关系为：

当e >0或e <0时， m a x u u =； e <0或e >0时， m i n u u =。

双位控制只有两个输出值，相应的执行器也只有两个极限位置，“开”或“关”。而且从一个位置到另一个位置是极其迅速的。这种特性又称继电特性，如图2所示。

图3是一个典型的双位控制系统。它是利用电接点水银温度计来控制继电器的开启与关闭，从而使贮槽水温维持在给定值上下很小一个范围内波动。

图2 理想的双位控制特性图 图3 双位控制示例

2、具有中间区的双位控制

图1所示的是理想的双位控制特性。在自动控制系统中，控制器若要按上述规律动作，则执行器动作非常频繁，这样就会使系统中的运动部件（如上例中的继电器）因动作频繁而损坏，因而很难保持双位控制系统安全、可靠地工作。实际生产中被控变量与给定值之间总是允许有一定偏差，因此，实际应用的双位控制器都有一个中间区（有时就是仪表的不灵敏区）。带中间区的双位控制规律是：当被控变量上升时，必须在测量值高于给定值某一数值后，继电器才“通”（或“关”）；而当被控变量下降时，必须在测量值低于给定值某一数值后，继电器才“关”（或“通”）。在中间区域，继电器是不动作的。这样，就可以大大降低执行器开闭继电器的频繁程度。实际的带中间区的双位控制规律如图3所示。

图4 带中间区的双位控制规律图5 带中间区的双位控制过程

只要将图3所示的双位控制装置中的测量装置及继电器线路稍加改变，则可构成一个具有中间区的双位控制系统，它的控制过程如图5所示。图中上面的曲线是控制器输出（例如通过继电器的电能与时间t的关系；下面的曲线是被控变量（温度）在中间区内随时间变化的曲线。当温度低于下限值时，继电器是接通的，供热量大于流体的需求量，故温度上升。当上升到上限值时，继电器关闭，热量停止供给。由于此时容器内流体不断有冷水流入，故温度下降，直到温度下降至下限值时，继电器才重新接通，温度又开始上升。因此，带中间区的双位控制过程是被控变量在它的上限值与下限值之间的等幅振荡过程。

对于双位控制过程，一般均采用振幅与周期（或频率）作为品质指标。如图5中振幅为（h H－h L），周期为T。

如果生产工艺允许被控变量在一个较宽的范围内波动，控制器的中间区就可以适当设计得大一些，这样振荡周期就较长，可使系统中的控制元件、调节阀的动作次数减少，可动部件就不易磨损，减少维修工作量，有利于生产。对于同一个双位控制系统来说，过渡过程的振幅与周期是有矛盾的。若要求振幅小，则周期必然短；若要求周期长，则振幅必然大。然而，通过合理地选择中间区，可以使两者得到兼顾。在设计双位控制系统时，应该使振幅在允许的偏差范围内，尽可能地使周期延长。

双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因此应用很普遍。常见的双位控制器有带电触点的压力表、带电触点的水银温度计、双金属片温度计、动圈式双位批示调节仪等。在工业生产中，如对控制质量要求不高，且允许进行位式控制时，可采用双位控制器构成双位控制系统。如空气压缩机贮罐的压力控制，恒温箱、电烘箱、管式加热炉的温度控制等就常采用双位控制系统。

3、多位控制

双位控制的特点是：控制器只有最大与最小两个输出值；执行器只有“开”与“关”两个极

限位置。因此，对象中物料量或能量总是处于严重的不平衡状态，被控变量总是剧烈振荡，

得不到比较平稳的控制过程。为了改善这种特性，控制器的输出可以增加一个中间值，即当被控变量在某一个范围内时，执行器可以处于某Array一中间位置，以使系统中物料量或能量的不平衡

状态得到缓和，这就构成了三位式控制规律。如

图6是三位式控制器的特性示意图。显然它的控

制效果要比双位式控制的好一些。假如位数更

多，则控制效果还会更好。当然，增加位数就会

便控制器的复杂程度增加。因此在多位控制中，

图6 三位式控制过程

常用的是三位控制。例如，在加热炉中，可以采

用XCT型动圈式三位指示调节仪进行温度的三位控制。

三位指示调节仪有三个指针。其中一个为指示指针，另外两个为给定指针。给定指针的

位置可以由面板上的两个给定指针调节旋钮分别调整在任意指示刻度上。图7表示电炉加热

三位控制系统的示意图。表1说明该系统的工作情况。当温度低于下限值时，“总-低”接通，

则继电器J1的控制绕组有电流通过，J1的常开触点闭合，J2的控制绕组无电流通过，J2的常

闭触点闭合，因此这时甲、乙两组加热器同时通电加热；当温度上升至下限值与上限值之间

的中间带时，“总-中”接通，则J1、J2控制绕组皆无电流通过，J1的触点断开，J2的触点闭合，

这时乙组加热器通电加热，甲组不加热，温度可以维持在这一范围内缓慢变化；当温度高于

上限值时，仪表内“总-高”接通，则J1、J2两对触点皆断开，甲、乙两组加热器同时切断电

源，故温度可以下降。

表1 电炉加热系统三位控制工作情况表

四、温度控制方案的改进（35分钟）

位式控制是一种间断式控制方式，由于热供给量与热需求量不能保持平衡，温度必然存在一定的波动，对于控制质量要求高的场合，显然难于满足需要。必须改进控制方式，使得热供给量能始终与热需求量相匹配，提高控制精度。随着电力电子技术发展，研制成功了基于可控硅的大电流连续控制器——可控硅电力控制器，由于其独特的优越性，目前在工业中已被广泛应用于各种电力设备中，诸如窑炉、热处理炉、电气高温炉、合成电炉、变换脱硫加热炉、热处理炉、热水炉、蒸汽锅炉、导热油炉、高周波机械、电镀设备、印染设备、涂装设备、射出机、押出机等。

基于可控硅电力控制器的温度控制系统可用图7表示，其基本原理是：温度传感器检测水温，并以电信号方式传送给温度控制器，温度控制器则与给定值比较后得到偏差e，经运算后得到控制值输出给可控硅电力控制器，并由它去控制串在主回路中的可控硅（晶闸管）模组，改变主回路中电压的导通与关断，由此达到调节电功率的目的。

调节器

图7 基于可控硅电力控制器的温度控制系统

根据对可控硅的触发方式不同，可控硅电力控制器又可分为相位控制和定周期过零调功型和变周期过零调功型三种控制模式。下面就其控制原理及性能特点分析如下。

1、“调压型”触发方式。

“调压型”触发方式，也称为“移相型”触发方式，即在交流电的半个周期（正半周期或负半周期）内通过控制（移动）触发脉冲的相位，来调整“导通时间”（又称导通角）和关断时间（又称控制角）的比例来达到改变输出电压平均值的目的，输出的连续性比较好，被控参数比较稳定（见图8所示）。

图8 “调压型”触发方式的工作波形

这种方式由于输出波形连续性好，又可以通过变压器、互感器来实现电压、电流、功率反馈来提高系统性能，所以应用场合最多。

但是这种方式输出波形为缺角的正弦波，在导通的瞬间可能产生较大的自感电势，它的高次谐波会通过电网对其它电子设备产生一定的干扰，因此对有特殊要求的场合应慎重使用。

2、“定周期过零调功型”触发方式

为避免“调压型”触发方式对电网的干扰，可以应用一种“定周期过零调功型”触发方式，见图9所示。这种方式的特点是：

（1）在一个较长的固定周期内通过触发电路控制导通周波的个数和关断周波个数的比值（又称为占空比或时间比例）来控制负载功率的平均值。

（2）这种电路能保证主回路在波形的过零瞬间导通或关断，不会产生自感电势，从而避免了对电网的干扰。

但是这种方式在负载功率较小，在这个固定周期内关断的时间必然较大，测量仪表的指针会来回摆动，同时，这种方式不能实现电流限制功能。

图9 “定周期过零调功型”触发方式的工作波形

3、“变周期过零调功型”触发方式

“变周期过零调功型”触发方式是从“定周期过零调功型”触发方式演变而来的。即在满足“过零触发”和“输入信号和占空比的关系”两个前提条件下，尽可能缩短控制周期，从而减小测量仪表的抖动，并提高控温的精度，其示意图如图10所示。

图10 “变周期过零调功型”触发方式的工作波形

4、三种控制模式的性能对比及控制模式确定

三种控制模式各有优缺点，图11给出三种控制模式的波形，性能对比见表1所示。从图11和表1可知，变周期过零调功方式，虽然只能用于各种纯阻性负载，但其优点是十分明显的：对电网无干扰，能提高电网功率因数，节能效果明显，所以越来越被广泛采用。据此，本项目的电加热控制方案采用可控硅的变周期过零调功方式。

图11 可控硅三种控制模式的工作波形

最后我们向大家推荐国内几个可控硅电力控制器生产厂家的网址：

国内几个主要生产厂家的网址：

1、四川英杰电气有限公司——https://www.360docs.net/doc/1216726008.html, ；

2、北京中凯兴业电机技术开发有限公司——https://www.360docs.net/doc/1216726008.html,/index.html；

3、上每自动化仪表有限公司——https://www.360docs.net/doc/1216726008.html,/；

4、厦门宇电自动化科技有限公司（前身为厦门宇光电子技术有限公司）

——https://www.360docs.net/doc/1216726008.html,/；

5、北京市朝阳自动化仪表厂——https://www.360docs.net/doc/1216726008.html,/index.htm。

五、总结，学生课后自学布置（10分钟）

1、总结

本次课大家学习了温度控制方法——基于继电器的位式控制和基于可控硅的连续调压调功方式。位式控制的结构简单，成本较低，易于实现，因此应用很普遍。空气压缩机贮罐的压力控制和恒温箱、电烘箱、管式加热炉的温度控制等常采用双位控制。但位式控制的精度不高，被控参数（温度等）容易波动，对于被控参数的波动范围能满足工艺要求，应尽量采用位式，以简化系统、降低成本。对于控制精度要求较高的场合，工业上广泛采用了SCR （SSR）的周波控制方式，它能接受0-5V，4-20mA及手动10K电位器输入，产生周期过零式（PWM占空比控制）和周波过零式（CYC变周期控制）两种输出，直接驱动电阻加热负载。由于负载电流的通断是按正弦波均匀分布，多台设备运行的随机性和叠加性，所造成的总动力负载电流相对是均衡的，它提高了调节精度和电源利用效率以及避免了打表针和电力设备增容，节电效果十分明显。

大家应认真掌握好温度控制方法，为将来从事相关专业工作打下良好的基础。同学们是否还有问题，可当场提问。

2、作业布置

（1）请简单说明电接点水银温度计、双金属温度计的结构原理及测量方法？

（2）请查询二个不同生产厂家的可控硅电力控制器产品，并简单说明其使用方法。