鉬絲爐升溫的控制方法
鉬絲爐升溫的控制方法鎢、鉬材料的電阻溫度系數(shù)相對(duì)較大，低溫段電阻值較小，因此由鎢、鉬材料做發(fā)熱體的電阻爐在冷態(tài)升溫過(guò)程中，若不采用合適的控制方法極易產(chǎn)生過(guò)大的電流而損壞設(shè)備。本文分別介紹了手動(dòng)升溫、單溫度閉環(huán)自動(dòng)升溫和溫度、電流雙閉環(huán)自動(dòng)升溫三種升溫控制方法，以及如何有效地防止升溫過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大電流。對(duì)于以上三種升溫方法，本文分別針對(duì)在升溫過(guò)程中電壓、電流、功率等物理量的相互關(guān)系進(jìn)行了分析，討論了三種方法的控制性能及適應(yīng)的電爐類(lèi)型。
前言
電爐是硬質(zhì)合金生產(chǎn)過(guò)程中的核心設(shè)備，常用電爐的金屬發(fā)熱體有鎳鉻、鐵鉻鋁、鎢、鉬。其中鎳鉻、鐵鉻鋁合金的電阻溫度系數(shù)較小（10-5級(jí)），在升溫和保溫過(guò)程**率較穩(wěn)定，一般用于高工作溫度小于1200℃和1050℃電爐中。鎢、鉬金屬發(fā)熱體與鎳鉻、鐵鉻鋁合金發(fā)熱體有所不同，它們的主要物理性能和不同溫度下的電阻溫度系數(shù)見(jiàn)表1。表1鎢、鉬的熱物理性質(zhì)[1]
材料
電阻溫度系數(shù)/℃-1
熔點(diǎn)/℃
允許使用溫度/℃
不同溫度下的電阻率ρ/（ω?mm2/m）
20℃
500℃
1200℃
1400℃
1600℃
鎢
5.510-3
3390
2300～2500
0.055
0.184
0.396
0.461
0.527
鉬
5.510-3
2520
1600～2000
0.048
0.179
0.374
0.435
0.496
由表1可見(jiàn)，鎢鉬熱元件的熔點(diǎn)高，一般用于1200～2000℃的高溫電爐中。盡管鎢鉬發(fā)熱體的熔點(diǎn)高，但電阻溫度系數(shù)大（10-3級(jí)），即電阻率隨溫度的升高而顯著增大。例如鎢（鉬）在1600℃時(shí)的電阻率是20℃時(shí)的9.5倍。電阻率隨溫度的變化導(dǎo)致在恒壓加熱升溫過(guò)程中鎢鉬絲的吸收功率變化較大，因此在加熱升溫過(guò)程中，對(duì)以鎢鉬金屬作發(fā)熱體的這種大電阻溫度系數(shù)電爐的控制比鎳鉻合金作發(fā)熱體的電爐的控制困難和復(fù)雜。
1升溫的控制方法
目前對(duì)電爐升溫、保溫過(guò)程中的電壓、電流控制主要元件是可控硅，可控硅的致命缺陷是過(guò)流、過(guò)壓能力差。在鎢鉬絲電爐中，由于金屬絲在低溫段電阻率很小，極易產(chǎn)生過(guò)流，因此如何在保證生產(chǎn)工藝的前提下避免在低溫段出現(xiàn)過(guò)電流是至關(guān)重要的。根據(jù)筆者多年的研究和工程實(shí)踐，對(duì)電阻溫度系數(shù)較大的鎢鉬絲電爐的升溫可采用手動(dòng)分段恒壓升溫、自動(dòng)分段限壓升溫和限壓限流雙閉環(huán)升溫的三種方法，既能滿(mǎn)足不過(guò)電流又能達(dá)到升溫工藝的要求。
1.1升溫工藝曲線(xiàn)
圖1是電爐從冷態(tài)開(kāi)始升溫到工作溫度過(guò)程的一般工藝曲線(xiàn)，即溫度與時(shí)間關(guān)系。對(duì)于具體的時(shí)間間隔長(zhǎng)短、溫度值及溫度段數(shù)由電爐及產(chǎn)品所決定。
t/℃
t/h
500
1200
1400
1600
t1t2t3t4t5t6t7
圖1升溫曲線(xiàn)
下面以鉬絲爐為例進(jìn)行敘述。
設(shè)升溫過(guò)程可分成8個(gè)階段（其中4個(gè)階段是保溫）完成；冷態(tài)環(huán)境溫度為20℃，電爐工作溫度為1600℃。爐前單相變壓器參數(shù)：功率20kva，電壓380v/75v，電流52a/278a。鉬絲20℃時(shí)的電阻值0.026ω。t℃下?tīng)t絲的電阻值為：
rt=r20[1+α(t-20)](1)
t℃時(shí)爐絲吸收的電功率為：
pt=rti2t=u2t/rt(2)
式中：r20為導(dǎo)體在20℃時(shí)的電阻，α為導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)，t為溫度，it、ut分別為在t℃時(shí)流過(guò)導(dǎo)體的電流和所加電壓。
電爐的升溫工藝是升溫與保溫交替進(jìn)行的過(guò)程。電爐首先以一定的升溫速率和*段設(shè)定的目標(biāo)溫度值升溫，由于爐體和爐內(nèi)產(chǎn)品的吸熱和熱擴(kuò)散，到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)加熱功率和散熱速率達(dá)到平衡，電爐進(jìn)入保溫過(guò)程，在保溫過(guò)程中控溫系統(tǒng)控制電爐以適當(dāng)?shù)墓β示S持溫度不變。然后，進(jìn)一步加大升溫電壓，使電爐的加熱功率提高，電爐進(jìn)入下一升溫階段。
1.2手動(dòng)分段恒壓升溫
1.2.1控制框圖
us
ug
man燈亮
手動(dòng)
觸發(fā)電路
scr調(diào)壓
爐前變壓器
電爐
溫度調(diào)節(jié)儀
調(diào)節(jié)單元
溫度調(diào)節(jié)儀
顯示單元
溫度傳感器
ug
～
u1
u2
tpv
手動(dòng)分段恒壓升溫控制的基本原理如圖2所示。可控硅（scr）調(diào)壓?jiǎn)卧邮茈娫措妷簎s，隨手動(dòng)給定信號(hào)ug大小不同，觸發(fā)電壓信號(hào)ug的移相角也不同，使調(diào)節(jié)出的電壓u1不同，變壓器降壓后向電爐提供由ug大小決定的加熱電壓u2；溫度傳感器采集電爐內(nèi)部的實(shí)際溫度tp息，給溫度調(diào)節(jié)儀顯示溫度。然后操作者根據(jù)電爐的實(shí)際溫度高低和區(qū)間時(shí)間長(zhǎng)短調(diào)整給定信號(hào)ug大小，從而再改變電爐的升溫功率。
圖2手動(dòng)恒壓升溫控制框圖
1.2.2控制過(guò)程
溫度調(diào)節(jié)儀設(shè)置手動(dòng)狀態(tài)man燈亮，按增▲鍵或減▼鍵給定每段一個(gè)固定輸出百分比值（0.0～100.0%），對(duì)應(yīng)溫度調(diào)節(jié)儀輸出一個(gè)給定信號(hào)電壓ug（0～10v或4～20ma），從而改變觸發(fā)電路的移相角（0～175°），使可控硅輸出電壓u1在這一段為（0～us）中某一恒定不變值，再通過(guò)變壓器變壓的u2也不變。電爐在此區(qū)間不變電壓的作用下先升溫后保溫。以圖1中的升溫過(guò)程為例，手動(dòng)升溫中具體的溫度、電阻、電壓、電流、功率對(duì)應(yīng)關(guān)系用表2和圖3說(shuō)明。
表2手動(dòng)升溫過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和變化
時(shí)間段
目標(biāo)溫度
tsv/℃
目標(biāo)電阻r/ω
手動(dòng)調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)儀輸出百分比/%
電壓u2/v
大電流i2max/a
吸收大功率
p/kw
t0
20
0.026
t0~t1
500
0.095
8.0
6
230
1.4
t1~t2
500
0.095
6
63
0.4
t2~t3
1200
0.200
26.7
20
210
4.2
t3~t4
1200
0.200
20
100
2.0
t4~t5
1400
0.223
53.3
40
200
8.0
t5~t6
1400
0.223
40
180
7.2
t6~t7
1600
0.252
60.0
45
202
9.08
t7
1600
溫度調(diào)節(jié)儀置換為pid自動(dòng)控溫
圖3手動(dòng)恒壓升溫控制u2、i2、p、t曲線(xiàn)
從表2和圖3可以清楚的看出，在加熱電壓u2不變的區(qū)間內(nèi)隨著溫度t的升高，由于發(fā)熱體的電阻值大幅增加，而使加熱電流i2、功率p不斷減小，這時(shí)若想繼續(xù)升溫必須通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)增加加熱電壓。
1.2.3控制性能
每個(gè)升溫區(qū)間開(kāi)始，改變加熱電壓，對(duì)應(yīng)的電流、功率都有一個(gè)向上沖擊，而后隨爐溫的增加爐絲電阻增大，爐絲上的電流、功率逐漸減小，冷態(tài)時(shí)這種現(xiàn)象更突出，若手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)沒(méi)有控制好輸出百分比值，則可能造成快速熔斷器或可控硅燒毀，縮短鎢鉬發(fā)熱體的使用壽命。所以，在實(shí)際操作時(shí)，手動(dòng)加熱一定要緩慢增加升溫電壓，于是這種方法只適應(yīng)慢速烘爐升溫。除此之外，由于升溫過(guò)程系統(tǒng)的溫度為開(kāi)環(huán)控制，所以爐體溫度的波動(dòng)性較大。
1.3自動(dòng)分段限壓升溫
1.3.1控制框圖
ug
man燈滅
自動(dòng)
觸發(fā)電路
scr調(diào)壓
爐前變壓器
電爐
可編程溫度調(diào)節(jié)儀
溫度傳感器
ug
～
u1
u2
tpv
us
自動(dòng)分段限壓升溫的控制原理基本與手動(dòng)控制相同，只是用可編程智能儀表[2]內(nèi)部的單片機(jī)程序代替人工進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
圖4自動(dòng)恒壓升溫控制框圖
1.3.2控制過(guò)程
溫度調(diào)節(jié)儀設(shè)置為自動(dòng)狀態(tài)，man燈滅，每個(gè)溫度段都設(shè)定一個(gè)目標(biāo)溫度值tsvn和執(zhí)行時(shí)間tn（n表示溫度段）及該段的pid自動(dòng)調(diào)節(jié)限幅百分比。每一時(shí)刻的實(shí)測(cè)溫度tpv與可編程溫度調(diào)節(jié)儀的給定溫度通過(guò)其內(nèi)部比較器比較并進(jìn)行pid運(yùn)算后，發(fā)出給定信號(hào)電壓ug到觸發(fā)電路，從而自動(dòng)改變脈沖的觸發(fā)信號(hào)ug的相位，使可控硅輸出電壓在（0～u1nmax）范圍內(nèi)，電爐接受變壓器變壓后的電壓（0～u2nmax）升溫、保溫。表3是溫度、電阻、電壓、電流、功率對(duì)應(yīng)關(guān)系。
表3自動(dòng)升溫過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和變化
設(shè)定時(shí)間
設(shè)定目標(biāo)溫度
tsvn/℃
目標(biāo)電阻值rn/ω
設(shè)定自動(dòng)調(diào)節(jié)限幅比例/%
pid自動(dòng)調(diào)節(jié)比例
電壓u2/v
電流i2/a
吸收功率p/kw
t0
20
0.026
t0~t1
500
0.095
8
8%～0
6~0
230~0
1.4~0
t1~t2
500
0.095
8
8%～0
6~0
63~0
0.4~0
t2~t3
1200
0.200
27
27%～0
20~0
210~0
4.2~0
t3~t4
1200
0.200
27
27%～0
20~0
100~0
2.0~0
t4~t5
1400
0.223
60
60%～0
45~0
225~0
10.0~0
t5~t6
1400
0.223
60
60%～0
45~0
201~0
9.0~0
t6~t7
1600
0.252
60
60%～0
45~0
201~0
9.0~0
t7
1600
0.252
60
60%～0
45~0
178~0
8.0~0
1.3.3控制性能
升溫的溫度為閉環(huán)控制。當(dāng)把每個(gè)溫區(qū)的目標(biāo)溫度值和執(zhí)行時(shí)間以及pid自動(dòng)調(diào)節(jié)限幅百分比適當(dāng)設(shè)定后，整個(gè)升溫過(guò)程可全自動(dòng)完成，從而可以實(shí)現(xiàn)更為細(xì)膩和的升溫控制。雖然在每個(gè)升溫區(qū)間開(kāi)始時(shí)，有電壓、電流和功率的向大突變趨勢(shì)，但由于引入了pid自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，這種沖擊的現(xiàn)象得到了抑制。升溫段隨著溫度的增高，電壓、電流、功率在設(shè)定的幅值范圍內(nèi)不斷自動(dòng)調(diào)整，從而溫度的跟隨性較好。
1.4限壓限流升溫
1.4.1控制框圖
限壓限流升溫的原理如圖5所示。與前兩種升溫控制方法不同，這種方法采用雙閉環(huán)控制[3]，即在溫度負(fù)反饋回路之外，引入電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)回路。
ug
信號(hào)處理和變換
電流檢測(cè)電路
觸發(fā)電路
scr調(diào)壓
爐前變壓器
電爐
可編程溫度調(diào)節(jié)儀
溫度傳感器
ug
～
u1
u2
tpv
us
i2
if
-uf
u
圖5帶限壓限流升溫控制框圖
1.4.2控制過(guò)程
從主回路上取出加熱工作電流信號(hào)i2，經(jīng)檢測(cè)、處理和變換，輸出相應(yīng)的反饋信號(hào)電壓uf，它與工作電流基本上成線(xiàn)性關(guān)系，即工作電流大則反饋信號(hào)電壓也大。觸發(fā)電路接受的移相電壓信號(hào)u=ug-uf。
在某個(gè)升溫段開(kāi)始，由于溫度低，發(fā)熱體阻值r相對(duì)小，則工作電流i2大，反饋電壓uf也大，移相電壓信號(hào)u減小，則可控硅導(dǎo)通角減小，使輸出電壓u2下降、電流i2下降，起到了自動(dòng)限流作用。隨著爐溫升高，發(fā)熱體阻值r增大，工作電流i2減小，反饋?zhàn)饔脺p小，u2上升、i2電流上升。根據(jù)設(shè)備的額定電流，通過(guò)調(diào)節(jié)限流電位器和可編程溫度調(diào)節(jié)儀的輸出限幅百分比，可將電流限制為某一定值。以限流取值200a為例，則u、i、p、t曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。
圖6限壓限流升溫控制u2、i2、p、t曲線(xiàn)
1.4.3控制性能
由于系統(tǒng)引入雙閉環(huán)（溫度閉環(huán)、電流閉環(huán)）和程序控溫儀配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，對(duì)電流的自動(dòng)限制，有效地提高了加熱效率。從圖6可見(jiàn)，隨爐溫溫度的增加，加熱電壓在限制范圍內(nèi)增加、而電流基本上波動(dòng)不大。隨著給定的溫度增加，所需的功率自動(dòng)加大，可加快升溫速度。在整個(gè)升溫過(guò)程中系統(tǒng)沒(méi)有沖擊電流，這樣可延長(zhǎng)發(fā)熱體的使用壽命，避免電器元件的損壞，溫度的跟隨性較好。
2三種升溫控制方式比較
多年現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，連續(xù)工作的電爐一般是空爐升溫，因此對(duì)溫度的跟隨性能要求不高；而間歇工作的電爐一般是滿(mǎn)爐升溫，它對(duì)溫度的跟隨性能有嚴(yán)格的要求，所以可根據(jù)電爐的性質(zhì)，而決定選擇升溫控制方式。
方式1：控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。需操作者實(shí)時(shí)監(jiān)視；溫度跟隨性差，升溫時(shí)間較長(zhǎng)、有較大的電流沖擊，對(duì)鎢絲、鉬絲的使用壽命有影響。
方式2：控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本略高，升溫過(guò)程全自動(dòng)，溫度跟隨性好，但升溫時(shí)間需較長(zhǎng)。
方式1、2只適應(yīng)于連續(xù)作業(yè)的電爐升溫，如連續(xù)高溫鉬絲碳化爐、鎢鉬加熱爐、氫氣燒結(jié)鉬絲爐等設(shè)備。
方式3：控制系統(tǒng)略復(fù)雜，但升溫時(shí)間短，控溫精度高，適應(yīng)于周期作業(yè)的電爐升溫，如真空鎢絲爐、真空鉬絲爐等，也能用于連續(xù)作業(yè)的電爐升溫[4]。
3結(jié)束語(yǔ)
粉末冶金爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的前提下，應(yīng)將制造成本、安全性、可靠性、可操作性綜合考慮，從而合理選定控制方案。
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前言
電爐是硬質(zhì)合金生產(chǎn)過(guò)程中的核心設(shè)備，常用電爐的金屬發(fā)熱體有鎳鉻、鐵鉻鋁、鎢、鉬。其中鎳鉻、鐵鉻鋁合金的電阻溫度系數(shù)較小（10-5級(jí)），在升溫和保溫過(guò)程**率較穩(wěn)定，一般用于高工作溫度小于1200℃和1050℃電爐中。鎢、鉬金屬發(fā)熱體與鎳鉻、鐵鉻鋁合金發(fā)熱體有所不同，它們的主要物理性能和不同溫度下的電阻溫度系數(shù)見(jiàn)表1。表1鎢、鉬的熱物理性質(zhì)[1]
材料
電阻溫度系數(shù)/℃-1
熔點(diǎn)/℃
允許使用溫度/℃
不同溫度下的電阻率ρ/（ω?mm2/m）
20℃
500℃
1200℃
1400℃
1600℃
鎢
5.510-3
3390
2300～2500
0.055
0.184
0.396
0.461
0.527
鉬
5.510-3
2520
1600～2000
0.048
0.179
0.374
0.435
0.496
由表1可見(jiàn)，鎢鉬熱元件的熔點(diǎn)高，一般用于1200～2000℃的高溫電爐中。盡管鎢鉬發(fā)熱體的熔點(diǎn)高，但電阻溫度系數(shù)大（10-3級(jí)），即電阻率隨溫度的升高而顯著增大。例如鎢（鉬）在1600℃時(shí)的電阻率是20℃時(shí)的9.5倍。電阻率隨溫度的變化導(dǎo)致在恒壓加熱升溫過(guò)程中鎢鉬絲的吸收功率變化較大，因此在加熱升溫過(guò)程中，對(duì)以鎢鉬金屬作發(fā)熱體的這種大電阻溫度系數(shù)電爐的控制比鎳鉻合金作發(fā)熱體的電爐的控制困難和復(fù)雜。
1升溫的控制方法
目前對(duì)電爐升溫、保溫過(guò)程中的電壓、電流控制主要元件是可控硅，可控硅的致命缺陷是過(guò)流、過(guò)壓能力差。在鎢鉬絲電爐中，由于金屬絲在低溫段電阻率很小，極易產(chǎn)生過(guò)流，因此如何在保證生產(chǎn)工藝的前提下避免在低溫段出現(xiàn)過(guò)電流是至關(guān)重要的。根據(jù)筆者多年的研究和工程實(shí)踐，對(duì)電阻溫度系數(shù)較大的鎢鉬絲電爐的升溫可采用手動(dòng)分段恒壓升溫、自動(dòng)分段限壓升溫和限壓限流雙閉環(huán)升溫的三種方法，既能滿(mǎn)足不過(guò)電流又能達(dá)到升溫工藝的要求。
1.1升溫工藝曲線(xiàn)
圖1是電爐從冷態(tài)開(kāi)始升溫到工作溫度過(guò)程的一般工藝曲線(xiàn)，即溫度與時(shí)間關(guān)系。對(duì)于具體的時(shí)間間隔長(zhǎng)短、溫度值及溫度段數(shù)由電爐及產(chǎn)品所決定。
t/℃
t/h
500
1200
1400
1600
t1t2t3t4t5t6t7
圖1升溫曲線(xiàn)
下面以鉬絲爐為例進(jìn)行敘述。
設(shè)升溫過(guò)程可分成8個(gè)階段（其中4個(gè)階段是保溫）完成；冷態(tài)環(huán)境溫度為20℃，電爐工作溫度為1600℃。爐前單相變壓器參數(shù)：功率20kva，電壓380v/75v，電流52a/278a。鉬絲20℃時(shí)的電阻值0.026ω。t℃下?tīng)t絲的電阻值為：
rt=r20[1+α(t-20)](1)
t℃時(shí)爐絲吸收的電功率為：
pt=rti2t=u2t/rt(2)
式中：r20為導(dǎo)體在20℃時(shí)的電阻，α為導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)，t為溫度，it、ut分別為在t℃時(shí)流過(guò)導(dǎo)體的電流和所加電壓。
電爐的升溫工藝是升溫與保溫交替進(jìn)行的過(guò)程。電爐首先以一定的升溫速率和*段設(shè)定的目標(biāo)溫度值升溫，由于爐體和爐內(nèi)產(chǎn)品的吸熱和熱擴(kuò)散，到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)加熱功率和散熱速率達(dá)到平衡，電爐進(jìn)入保溫過(guò)程，在保溫過(guò)程中控溫系統(tǒng)控制電爐以適當(dāng)?shù)墓β示S持溫度不變。然后，進(jìn)一步加大升溫電壓，使電爐的加熱功率提高，電爐進(jìn)入下一升溫階段。
1.2手動(dòng)分段恒壓升溫
1.2.1控制框圖
us
ug
man燈亮
手動(dòng)
觸發(fā)電路
scr調(diào)壓
爐前變壓器
電爐
溫度調(diào)節(jié)儀
調(diào)節(jié)單元
溫度調(diào)節(jié)儀
顯示單元
溫度傳感器
ug
～
u1
u2
tpv
手動(dòng)分段恒壓升溫控制的基本原理如圖2所示。可控硅（scr）調(diào)壓?jiǎn)卧邮茈娫措妷簎s，隨手動(dòng)給定信號(hào)ug大小不同，觸發(fā)電壓信號(hào)ug的移相角也不同，使調(diào)節(jié)出的電壓u1不同，變壓器降壓后向電爐提供由ug大小決定的加熱電壓u2；溫度傳感器采集電爐內(nèi)部的實(shí)際溫度tp息，給溫度調(diào)節(jié)儀顯示溫度。然后操作者根據(jù)電爐的實(shí)際溫度高低和區(qū)間時(shí)間長(zhǎng)短調(diào)整給定信號(hào)ug大小，從而再改變電爐的升溫功率。
圖2手動(dòng)恒壓升溫控制框圖
1.2.2控制過(guò)程
溫度調(diào)節(jié)儀設(shè)置手動(dòng)狀態(tài)man燈亮，按增▲鍵或減▼鍵給定每段一個(gè)固定輸出百分比值（0.0～100.0%），對(duì)應(yīng)溫度調(diào)節(jié)儀輸出一個(gè)給定信號(hào)電壓ug（0～10v或4～20ma），從而改變觸發(fā)電路的移相角（0～175°），使可控硅輸出電壓u1在這一段為（0～us）中某一恒定不變值，再通過(guò)變壓器變壓的u2也不變。電爐在此區(qū)間不變電壓的作用下先升溫后保溫。以圖1中的升溫過(guò)程為例，手動(dòng)升溫中具體的溫度、電阻、電壓、電流、功率對(duì)應(yīng)關(guān)系用表2和圖3說(shuō)明。
表2手動(dòng)升溫過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和變化
時(shí)間段
目標(biāo)溫度
tsv/℃
目標(biāo)電阻r/ω
手動(dòng)調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)儀輸出百分比/%
電壓u2/v
大電流i2max/a
吸收大功率
p/kw
t0
20
0.026
t0~t1
500
0.095
8.0
6
230
1.4
t1~t2
500
0.095
6
63
0.4
t2~t3
1200
0.200
26.7
20
210
4.2
t3~t4
1200
0.200
20
100
2.0
t4~t5
1400
0.223
53.3
40
200
8.0
t5~t6
1400
0.223
40
180
7.2
t6~t7
1600
0.252
60.0
45
202
9.08
t7
1600
溫度調(diào)節(jié)儀置換為pid自動(dòng)控溫
圖3手動(dòng)恒壓升溫控制u2、i2、p、t曲線(xiàn)
從表2和圖3可以清楚的看出，在加熱電壓u2不變的區(qū)間內(nèi)隨著溫度t的升高，由于發(fā)熱體的電阻值大幅增加，而使加熱電流i2、功率p不斷減小，這時(shí)若想繼續(xù)升溫必須通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)增加加熱電壓。
1.2.3控制性能
每個(gè)升溫區(qū)間開(kāi)始，改變加熱電壓，對(duì)應(yīng)的電流、功率都有一個(gè)向上沖擊，而后隨爐溫的增加爐絲電阻增大，爐絲上的電流、功率逐漸減小，冷態(tài)時(shí)這種現(xiàn)象更突出，若手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)沒(méi)有控制好輸出百分比值，則可能造成快速熔斷器或可控硅燒毀，縮短鎢鉬發(fā)熱體的使用壽命。所以，在實(shí)際操作時(shí)，手動(dòng)加熱一定要緩慢增加升溫電壓，于是這種方法只適應(yīng)慢速烘爐升溫。除此之外，由于升溫過(guò)程系統(tǒng)的溫度為開(kāi)環(huán)控制，所以爐體溫度的波動(dòng)性較大。
1.3自動(dòng)分段限壓升溫
1.3.1控制框圖
ug
man燈滅
自動(dòng)
觸發(fā)電路
scr調(diào)壓
爐前變壓器
電爐
可編程溫度調(diào)節(jié)儀
溫度傳感器
ug
～
u1
u2
tpv
us
自動(dòng)分段限壓升溫的控制原理基本與手動(dòng)控制相同，只是用可編程智能儀表[2]內(nèi)部的單片機(jī)程序代替人工進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。
圖4自動(dòng)恒壓升溫控制框圖
1.3.2控制過(guò)程
溫度調(diào)節(jié)儀設(shè)置為自動(dòng)狀態(tài)，man燈滅，每個(gè)溫度段都設(shè)定一個(gè)目標(biāo)溫度值tsvn和執(zhí)行時(shí)間tn（n表示溫度段）及該段的pid自動(dòng)調(diào)節(jié)限幅百分比。每一時(shí)刻的實(shí)測(cè)溫度tpv與可編程溫度調(diào)節(jié)儀的給定溫度通過(guò)其內(nèi)部比較器比較并進(jìn)行pid運(yùn)算后，發(fā)出給定信號(hào)電壓ug到觸發(fā)電路，從而自動(dòng)改變脈沖的觸發(fā)信號(hào)ug的相位，使可控硅輸出電壓在（0～u1nmax）范圍內(nèi)，電爐接受變壓器變壓后的電壓（0～u2nmax）升溫、保溫。表3是溫度、電阻、電壓、電流、功率對(duì)應(yīng)關(guān)系。
表3自動(dòng)升溫過(guò)程中相關(guān)參數(shù)的設(shè)置和變化
設(shè)定時(shí)間
設(shè)定目標(biāo)溫度
tsvn/℃
目標(biāo)電阻值rn/ω
設(shè)定自動(dòng)調(diào)節(jié)限幅比例/%
pid自動(dòng)調(diào)節(jié)比例
電壓u2/v
電流i2/a
吸收功率p/kw
t0
20
0.026
t0~t1
500
0.095
8
8%～0
6~0
230~0
1.4~0
t1~t2
500
0.095
8
8%～0
6~0
63~0
0.4~0
t2~t3
1200
0.200
27
27%～0
20~0
210~0
4.2~0
t3~t4
1200
0.200
27
27%～0
20~0
100~0
2.0~0
t4~t5
1400
0.223
60
60%～0
45~0
225~0
10.0~0
t5~t6
1400
0.223
60
60%～0
45~0
201~0
9.0~0
t6~t7
1600
0.252
60
60%～0
45~0
201~0
9.0~0
t7
1600
0.252
60
60%～0
45~0
178~0
8.0~0
1.3.3控制性能
升溫的溫度為閉環(huán)控制。當(dāng)把每個(gè)溫區(qū)的目標(biāo)溫度值和執(zhí)行時(shí)間以及pid自動(dòng)調(diào)節(jié)限幅百分比適當(dāng)設(shè)定后，整個(gè)升溫過(guò)程可全自動(dòng)完成，從而可以實(shí)現(xiàn)更為細(xì)膩和的升溫控制。雖然在每個(gè)升溫區(qū)間開(kāi)始時(shí)，有電壓、電流和功率的向大突變趨勢(shì)，但由于引入了pid自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，這種沖擊的現(xiàn)象得到了抑制。升溫段隨著溫度的增高，電壓、電流、功率在設(shè)定的幅值范圍內(nèi)不斷自動(dòng)調(diào)整，從而溫度的跟隨性較好。
1.4限壓限流升溫
1.4.1控制框圖
限壓限流升溫的原理如圖5所示。與前兩種升溫控制方法不同，這種方法采用雙閉環(huán)控制[3]，即在溫度負(fù)反饋回路之外，引入電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)回路。
ug
信號(hào)處理和變換
電流檢測(cè)電路
觸發(fā)電路
scr調(diào)壓
爐前變壓器
電爐
可編程溫度調(diào)節(jié)儀
溫度傳感器
ug
～
u1
u2
tpv
us
i2
if
-uf
u
圖5帶限壓限流升溫控制框圖
1.4.2控制過(guò)程
從主回路上取出加熱工作電流信號(hào)i2，經(jīng)檢測(cè)、處理和變換，輸出相應(yīng)的反饋信號(hào)電壓uf，它與工作電流基本上成線(xiàn)性關(guān)系，即工作電流大則反饋信號(hào)電壓也大。觸發(fā)電路接受的移相電壓信號(hào)u=ug-uf。
在某個(gè)升溫段開(kāi)始，由于溫度低，發(fā)熱體阻值r相對(duì)小，則工作電流i2大，反饋電壓uf也大，移相電壓信號(hào)u減小，則可控硅導(dǎo)通角減小，使輸出電壓u2下降、電流i2下降，起到了自動(dòng)限流作用。隨著爐溫升高，發(fā)熱體阻值r增大，工作電流i2減小，反饋?zhàn)饔脺p小，u2上升、i2電流上升。根據(jù)設(shè)備的額定電流，通過(guò)調(diào)節(jié)限流電位器和可編程溫度調(diào)節(jié)儀的輸出限幅百分比，可將電流限制為某一定值。以限流取值200a為例，則u、i、p、t曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。
圖6限壓限流升溫控制u2、i2、p、t曲線(xiàn)
1.4.3控制性能
由于系統(tǒng)引入雙閉環(huán)（溫度閉環(huán)、電流閉環(huán)）和程序控溫儀配合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，對(duì)電流的自動(dòng)限制，有效地提高了加熱效率。從圖6可見(jiàn)，隨爐溫溫度的增加，加熱電壓在限制范圍內(nèi)增加、而電流基本上波動(dòng)不大。隨著給定的溫度增加，所需的功率自動(dòng)加大，可加快升溫速度。在整個(gè)升溫過(guò)程中系統(tǒng)沒(méi)有沖擊電流，這樣可延長(zhǎng)發(fā)熱體的使用壽命，避免電器元件的損壞，溫度的跟隨性較好。
2三種升溫控制方式比較
多年現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)表明，連續(xù)工作的電爐一般是空爐升溫，因此對(duì)溫度的跟隨性能要求不高；而間歇工作的電爐一般是滿(mǎn)爐升溫，它對(duì)溫度的跟隨性能有嚴(yán)格的要求，所以可根據(jù)電爐的性質(zhì)，而決定選擇升溫控制方式。
方式1：控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。需操作者實(shí)時(shí)監(jiān)視；溫度跟隨性差，升溫時(shí)間較長(zhǎng)、有較大的電流沖擊，對(duì)鎢絲、鉬絲的使用壽命有影響。
方式2：控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本略高，升溫過(guò)程全自動(dòng)，溫度跟隨性好，但升溫時(shí)間需較長(zhǎng)。
方式1、2只適應(yīng)于連續(xù)作業(yè)的電爐升溫，如連續(xù)高溫鉬絲碳化爐、鎢鉬加熱爐、氫氣燒結(jié)鉬絲爐等設(shè)備。
方式3：控制系統(tǒng)略復(fù)雜，但升溫時(shí)間短，控溫精度高，適應(yīng)于周期作業(yè)的電爐升溫，如真空鎢絲爐、真空鉬絲爐等，也能用于連續(xù)作業(yè)的電爐升溫[4]。
3結(jié)束語(yǔ)
粉末冶金爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的前提下，應(yīng)將制造成本、安全性、可靠性、可操作性綜合考慮，從而合理選定控制方案。
水浴鍋水溫精度和波動(dòng)度的解決方案
超濾設(shè)備的性能作用及優(yōu)點(diǎn)
跌落試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)規(guī)范機(jī)操作指導(dǎo)書(shū)
數(shù)控板料折彎?rùn)C(jī)操作的基本知識(shí)
彎管機(jī)的液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)【圖】
鉬絲爐升溫的控制方法
秤和魚(yú)
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