电炉温度控制系统设计.doc

武汉理工大学电力电子装置及系统课程设计说明书摘要自动控制系统在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用，温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。随着电力电子和单片机技术的飞速发展，通过芯片对被控对象进行控制日益成为今后自动控制领域的一个重要发展方向。电阻炉在国民经济中有着广泛的应用，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的。本设计要求用VC217设计一个能在多种领域得到广泛应用的电阻炉温度控制系统。本例主要有四部分电路组成：（1）温度调节器（2）过零触发电路（3）单相交流调功器（4）温度信号转换装置关键词：温控:；VC217 ；反馈目录1概述31.1设计任务描述31.2电阻电炉31.3过零触发集成电路41.3.1可控硅过零触发电路在炉温控制中的应用41.3.2 UC217零电压控制芯片61.4单相交流调功电路71.4.1概述71.4.2 基本原理91.5温度调节器102设计实现122.1部分设计122.1.1过触发集成电路122.1.2调功器122.1.3温度调节器132.1.4双向晶闸管参数设定132.5总体设计133心得体会15参考文献161概述1.1设计任务描述给定电压温度调节器过零触发电路单相交流调功器电炉温度控制信号放大图1.1温度控制系统原理框图原理框图如上调节器的输出按VC217的4脚1. 双向晶闸管的额定电流负载电流有效值双向晶闸管的额定电流安全裕量：2. 双向晶闸管的额定电压1.2电阻电炉电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件和物料的热加工设备。 电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，虽炉种的不同而已。 电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等电阻炉热效率高。电阻炉不需要燃烧气体，没有派出因燃烧气体而产生的废气造成的热损失。炉膛室内热强度高，能达到较高的温度，是高熔点金属得熔化。.能满足工件在各种工艺樊为中的要求，并使之成为可控。能用质量流量计对所控气氛进行检测。 由保护气氛来保证炉内气氛的清洁。比如保护气氛改为真空，可以将炉内的残余气体抽走，保护气氛改为氢气，各种可随之运出。高纯度的氢气，气含氧量可小于0.1ppm，气露点小于70能够满足工作空间温度场均匀分布和恒温的精度要求。比如在48小时内温度漂移0.5。整个工艺过程能用微机和智能化程序控制。有利于连锁保护，报警、防爆、数显、曲线记录操作简单，寿命长，安全有保障。场所利用率大，噪声较稳定。1.3过零触发集成电路1.3.1可控硅过零触发电路在炉温控制中的应用图1 所示为可控硅无触点开关电路原理图,电路主回路两相由可控硅控制,另一相直接接负载。可控硅不导通时,三相均无电流。这样不但节省了两只可控硅,触发电路也得到相应简化。每只可控硅工作于半波整流状态,输出为交流电压。采用单向可控硅反并联,而不采用双向可控硅,是因为单向可控硅工作可靠性更高些。反并联可控硅一般不会发生反向击穿现象,故省掉了过电压保护环节。图1.2 可控硅无触点开关电路原理图触发电路主要元件为带过零禁止环节的光敏可控硅输出型光电耦合器。它的输入端1、2 脚为红外发光二极管,通过515 mA 电流时发出红外光。输出端4、6 脚为双向光敏可控硅,受红外光照射时有可能触发导通。能否导通还要看加于4、6 脚间的电源电压的高低。电源电压接近0V ,大于双向可控硅导通电压而小于过零禁止电压(一般不大于10 V)时,受光照可控硅导通。电源电压高于过零禁止电压,光敏可控硅有无光照均不导通。光电耦合器输入、输出部分,只进行光电转换,在电气上完全隔离,绝缘耐压7 500 V 以上。控制仪表为继电器输出型,如XCT - 101 动圈式或相同功能的数字式仪表。从仪表内继电器线圈两端引出两根导线焊接在多余接线柱上,并作好正负极标记u + 、u - ,与图1 中触发电路相联接。当炉温低于设定值时,仪表输出约12 V 直流电压,串联1 k电阻加于IC1 、IC2 两输入端,两只串联的红外发光二极管通过约8. 4 mA 电流,发出红外光,照射双向光敏可控硅。以A 相为例,当主回路可控硅KP1 阳极电压由零上升到IC1 内部双向光敏可控硅导通电压时,光敏可控硅正向导通。经K2 、D1 、R2 、4、6、g1 、K1 形成KP1 控制极电流,使KP1 触发导通。同理,电源负半周过零附近KP2 导通。控制极电流流经K1 、D2 、6、4、R2 、g2 、K2 。C 相可控硅也同样触发导通,电炉加热升温。仪表有输出电压的出现瞬间是随机的,不会恰巧在主回路阳极电压接近0 V 时那一刻出现。当那一瞬间电源电压高于IC1 、IC2 过零禁止电压时, IC1 、IC2 内部双向光敏可控硅不通,主回路可控硅得不到控制,极电流也不通,要等到下一个电源电压正半周过零附近才触发导通。因此可保证主回路可控硅在任何情况下都只输出完整的正弦波。触发电路无须单独的工作电源,主回路可控硅靠自身电源提供触发电流。可控硅触发导通后,正向压降小于1 V ,不足以维持双向光敏可控硅导通,触发电流自行消失。此种触发方式具有很强的触发能力,不受可控硅容量限制。此触发方式称为“强”触发,有触发能力强及强迫触发的双重含义。炉温达到或高于设定值,仪表输出电压为零,双向光敏可控硅无光照而关断,主回路可控硅控制极回路无电流通过,电炉停止加热。用可控硅控制电炉温度与常用的接触器控制方式相比,具有无噪音、可靠性高、故障率低、维护简单等显著特点。可控硅触发电路采用过零触发型光电耦合器,取代过去的同步电源变压器、脉冲变压器等笨重器件,使复杂的电路变得非常简单,便于推广应用。过零触发使可控硅输出完整的正弦波电压,不影响电网波形,不干扰通讯设备,并可避免可控硅触发导通瞬间过大的电压变化率而损坏可控硅。1.3.2UC217零电压控制芯片UC217是TEMIC公司生产的零电压控制芯片，采用双列直插式8脚封装，控制芯片直接由电网电压供电，电流消耗小于0.5mA。其控制电路简单，驱动脉冲电流100mA，并设有短路电流保护功能。UC217的内部结构如图2所示，框内位UC217集成电路内部原理框图。框外为外接电路。芯片电源电压（5脚）由交流电网供电，通过外接二极管和电阻R1取得，电解电容C1滤波。被IC内部电路限制在-9.25V的典型值上，脚1的斜坡电压由脚2外接的电容C2和内部电路产生，内部恒流源对C2电容充电，斜坡起始电压为-7.3V，终止电压为1.4V，斜坡电压的周期可通过电容C2调整。同步电压信号由交流进行比较，如果为负，通过同步检测，在交流电网电压过零时，由脚6提供一个100mA的负电流触发脉冲去触发双向晶闸管。触发脉冲宽度Tp与负载功率P、双向可控硅锁定电流、交流线路电压及其角频率有关，Tp随负载功率增大而减小，随增加而增加，同时U217B上同步电阻R2增加时，触发脉冲宽度Tp则线性增加。改变电路中电阻R*，就改变了比较器的输出脉宽，从而调节每个周期的触发脉冲数目，可以改变输出功率，如果R*选用热敏电阻，就可以形成温度的闭环控制。LD1R2R1C2C1R625871斜波发生器GND633电源参考电压1.25kvkv全波逻辑+同步 UM=230比较器R5R*R3脉冲放大器4R6N图1.2.UC217的内部结构和典型运用电路1.4单相交流调功电路1.4.1概述调功器是应用晶闸管（又称可控硅）及其触发控制电路用于调整负载功率的盘装功率调整单元。 在电子设备中起重要作用的晶闸管（也称可控硅，英文缩写SCR）被广泛用于各类生产部门，正在 成为自动化、高效化不可缺少的装置。在最新的温度控制中晶闸管的利用明显的普及起来。但在国内对其有不同的叫法，如晶闸管调整器、 可控硅调整器、晶闸管控制器、可控硅控制器、晶闸管调压器、可控硅调压器、晶闸管调功器、可控硅调功器、 调压器、调功器、晶闸管交流电力控制器、可控硅交流电力控制器 、电力调整器、电力控制器、电压调整器、电压控制器等。电力调整器，这也是目前国内比较普遍的叫法之一。一般的电热装置只要求有合适的电功率传输，对电压、电流的波形没有严格要求，提供这类电能变换的装置称为调功器。晶闸管交流调功器一般采用过零触发的周波控制模式，输出电压是断续的正弦波，避免了相位控制下缺角正弦波引起的干扰，使晶闸管承受的瞬态浪涌电流和大为减少。但在晶闸管断续导通时，负载电流存在频率低于基频的次谐波分量，使得调功器的应用范围受到一定限制。周波控制的调功器不能平滑调节电压，也不能用普通的电压表、电流表测量。图1.3，图1.4说明了半周波过零触发调功器的控制原理，电源电压过零时产生脉冲，在控制信号是高电平时，脉冲才触发对应的晶闸管，使得电源电压半周波为单位地传输到调功器。调功器按运行周期分为定周期和变周期两种类型，图1.3所示为变周期过零触发调功器，图1.4所示为定周期过零触发调功器。图1.3变周期过零触发工作原理图 图1.4定周期过零触发工作原理图1.4.2基本原理调功器基本原理如图1.5所示。方框部分为调功器，快速熔断器FU、双向晶闸管T、电流互感器TA等组成调功器主电路；零脉冲电流（1）、导通比电路（2）、过流截止电路（3）、“与”门电路（4）和脉冲变压器（5）组成调功器控制电路；电炉负载、温度传感器BST、调功器PID通过开关S与调功器组成闭环控制系统，可自动控制电路的温度。控制电路中“与”门电路（4）接受3个输入信号，首先是电路（1）发出的与输入电源电压波形过零点同步是“零”脉冲信号，其次是电路（2）周期性输出导通比（占空比）可调的高电平信号，“与”门电路（4）使脉冲变压器输出与电源电压过零点同步、数目连续可调的触发脉冲，控制T导通，调节输出功率。由于晶闸管的电流必须大于维持电流，才能保持通态，所以调功器不能空载输出。 图1.5调功器基本原理1.5温度调节器在设计电炉温度闭环控制系统中，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面的要求。动态校正的方法很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求得校正方案也不是唯一的。在控制系统中，最常用的事串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。对于电炉温度控制系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。2设计实现2.1部分设计2.1.1过零触发电路使用UC217零电压控制芯片2.1.2调功器主电路设计包括主电路结构的选择和参数设计。单相交流调功器的基本连接形式如图2.1所示图2.1.单相调功器连接方式 双向晶闸管也可以由一对反并联晶闸管代替。当调功器导通比为1时，晶闸管的导通情况基本与二极管相同，晶闸管参数可以简单地按照全导通的情况选择。 （1）承受的反向重复峰值电压和断态重复峰值电压是额定输入电压的峰值，当额定输入电压为220V时，峰值为311V，取两倍安全裕量，可选700V的晶闸管。（2）双向晶闸管额定电流按调功器额定输出电流的1.52倍余量选取。（3）每个反并联晶闸管的电流有效值是，通态电流平均值的选取为： （4）门极触发电流，通常取为宜，若采用强触发，则由晶闸管元件标称值限定。2.1.3温度调节器PID调节器中有比例微分（PD）、比例积分（PI）和比例积分微分（PID）三种类型。由PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；用PID调节器实现的滞后超前校正则兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，所以温度调节器选择PID调节器。2.1.4双向晶闸管参数设定由题目所给的条件可知电炉功率，额定电压a.由调功器主电路设计要点可知双向晶闸管的额定电流按调功器额定输出电流的1.52倍余量选取，所以：负载电流有效值双向晶闸管的额定电流安全裕量：b.因为双向晶闸管承受的反向重复峰值电压和断态重复峰值电压是额定输入电压的峰值，当额定输入电压为220V时，峰值为311V，取两倍安全裕量，可选700V的晶闸管。所以双向晶闸管的额定电压2.2总体设计经过前面的分析，以及系统各个环节的元件选择，我们可以做出系统的原理图如图2.2所示- 17 -图2.2系统原理总图3心得体会通过这次电力电子装置课程设计，对自己以往的学习有了很深的认识。专业课的系统学习刚刚结束，但是由于课程本身较难，在学习过程中没有做到足够的理解学习以及在以后的时间没有做到充分的温习，因此在这次设计作业的解题过程中感遇到了很大的阻力。首先拿到图就感到不知所云，犹如丈