一体化调压模块及在温度控制中的应用

摘要：为有效地使用三相交流一体化移相调压模块，可靠实现电能的变换。介绍了调压模块的结构特点、技术性能，并以此为调功器，设计一烘箱电加热温度控制系统。系统采用模糊规则进行PID调节的新型算法，基本消除了PID饱和积分现象，精确实现了电动机绕组浸漆后的烘干处理。实践表明，采用三相交流一体化移相调压模块可使电加热温控系统功率调节线路简单、性能稳定，并具有较高的可靠性，可广泛应用在工业自动化控制领域中。
关键词：调压模块；温度控制；烘箱；智能调节器

    随着科学技术的发展，晶闸管在电气控制领域发挥着越来越大的作用，对电能特别是大的电功率进行有效处理和变换。但在电气控制应用中，通常采用的是分离器件构成的装置，电路复杂、体积大、安装调试不便且可靠性差。三相交流一体化移相调压模块(简称调压模块)的出现，改变了这一现状，使晶闸管的应用范围迅速扩大。它将晶闸管、移相触发电路、保护电路和电源集成在一个模块内，使用简单方便，并且可靠性较高。为了便于电气技术人员更好地使用调压模块，介绍了调压模块的性能、特点及使用方法，并将其应用在电机绕组烘箱温度控制中，使其所构成的控制系统设计简单，温度控制稳定，可有效地完成浸漆后电机绕组的烘干处理。

1 调压模块的性能及特点
1．1 调压模块的性能
    三相交流一体化移相调压模块采用大规模集成电路设计，内部集三相移相触发电路、单向可控硅、RC阻容吸收回路及电源电路等于一体。可在自动或手动输入控制作用下，产生三相可改变导通角的强触发脉冲信号，再以此分别控制内部可控硅，实现三相负载电压从0 V到电网全电压的无级可调，从而调节输出给三相负载电功率。调压模块直接带动变压器等感性负载或电加热等阻性负载，可适用于小功率三相力矩电机的调速，及风机、水泵等的调速，也可应用于交流电机的缓启动。调压模块采用SMT工艺，DCB陶瓷基板，其体积小、外围接线少、性能稳定、使用方便、可靠性高。
1．2 调压模块的特点
    特点如下：
    1)全面支持4～20 mA、0～5 VDC、0～10 VDC、1～5VDC、0～10 mA等输入自动控制模式，也可用手动控制，输出电压从0 V到最大值线性可调，输入调节范围宽，输出调节精度高，三相对称性好，抗干扰能力强。上电无瞬间冲击输出。
    2)Y型调压模块内置高性能开关电源，无须外接同步变压器，也无须外部输入直流电源；负载△形或Y形接法均可，Y形接法时负载中心点不必接入N线。
    3)模块已内置可控硅保护电路，无须外接；有LED电源指示和输出调节量指示。
    4)模块自动判别相序，电路的进线R、S、T无相序要求。Y型模块适用于三相四线制电路，交流380 V±10％，50 Hz频率。
    5)各输入控制端与开关电源输入端之间以及与强电主回路之间为全隔离设计，绝缘介质耐压大于2 000 VAC。

2 调压模块的结构及使用方法
2．1 调压模块的结构
    一体化三相调压模块结构如图1所示，1、3、5为模块进线端，2、4、6为模块出线端，分别连接电源和负载。左侧6个接线端为控制功能端，分别为4～20 mA信号输入端、0～10 V信号输入端、0～5 V信号输入端、0～10 mA信号输入端及手动控制输入端。当某控制端(如4～20 mA功能端)输入信号由小(4 mA)连续的变化到最大(20 mA)时，模块的输出线电压由0 V连续的变化到电网电压380 V。

2．2 调压模块的使用方法
    1)各功能端相对com端必须为正，若com端为负极，极性相反，则模块主回路输出端可能失控。2)模块各功能端的控制特性均为正极性，即控制电压越高，模块强电主回路输出电压越高。3)在某一时刻宜使用一种输入控制方式，若2种以上方式同时输入使用，则输入信号较强的一种起主要作用。4)电源为上进下出，三相交流电路的进线R、S、T无相序要求，导线粗细按实际使用电流选择。5)N线仅为模块内部开关电源用，用1平方细导线即可，N线与各输入控制端之间为全隔离绝缘设计。6)在使用过程中若发生过流现象，应首先检查负载有无短路等故障。可在模块的进线R、S、T端之前安装快速熔断器进行过流保护，规格可按实际负载电流的1．5倍选配。7)模块应与散热器配合使用，在机柜中与其他器件之间有足够的散热空间。必要时可安装风扇强制散热。

3 调压模块在电动机烘箱温度控制中的应用
    电动机绕组重绕后应对其绕组进行绝缘浸漆过程，这个过程重要的一个环节是要将绕组已经浸透绝缘漆的电机定子放到浸漆烘干设备——烘箱中进行烘干处理。这一过程分两个阶段，第一阶段是溶剂挥发的物理过程，为避免在绝缘表面形成漆膜温度应控制在80℃，烘2～4h；第二阶段是浸漆固化阶段，应将温度升至130℃再烘8～16 h，以使浸渍漆固化。
3．1 烘箱温度控制系统组成及工作原理
3．1．1 系统组成
    本系统采用人工智能调节器为主控制器，与温度传感器、温度变送器、全隔离三相交流调压模块及电动机绕组烘箱组成AI温度调节系统，如图2所示。电动机绕组烘箱为被控对象，通过其内部安装的电热丝带电发热，为其提供热能，使其温度上升。温度检测仪表选用WRNEU-2 K型热电偶温度传感器，能将电阻炉中的温度信号直接转换成电信号，其性能稳定、准确可靠和维护方便。SBWR为一体化温度变送器，与热电偶配接在一起将其电信号放大并转换成4～20mA的电流信号输出给AI调节器。控制器选用AI-808P调节器，它采用了先进的模块化设计，通用性强、技术成熟可靠，具有模糊逻辑PID调节及参数自整定功能。调压模块(SCR)是系统重要的执行机构，选用LSA-TH3P50Y型三相交流一体化移相调压模块，它接受AI调节器输出的控制信号，以调节安装在炉内的电热丝上的电功率，实现烘箱中的温度调节。

3．1．2 烘箱温度控制系统工作原理
    1)合上电源总开关QF(如图2所示)，箱式电阻炉AI温度控制系统带电。根据工件热处理工艺要求，通过AI调节器面板上操作键设定温度值，并根据系统设计特点和要求设定AI调节器的参数。按下A／M键使系统在自动状态下工作，仪表显示屏将显示自动状态符及电阻炉中温度的测量值。2)系统起始工作，电阻炉中的温度低，热电偶温度传感器转换的电压信号也很小。此信号传给AI调节器后，在其内部与给定值进行比较。在偏差值较大时，AI调节器运用模糊算法进行调节，输出一较大的控制信号给调功器(调压模块)。调功率器输出较高电压，从而使电热丝电功率变大，发出较大的热能，电阻炉的温度开始快速上升。3)随着炉温的上升，热电偶变换过来的电压信号增大，使其与调节器内的设定值比较。偏差值较小时，调节器采用PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控电阻炉的部分特征，使效果优化。随着偏差值的减小，AI调节器控制调功器输出给电热丝的电功率减小，温度上升的速度逐渐变慢。当电阻炉中的温度等于设定的温度时，温度变送器输给AI调节器的电信号等于其内部的给定，其偏差信号为零，AI调节器输给调功器的控制信号保持不变。此时，电阻炉内电热丝输出的热能等于其散发的热能，暂时达到了一热平衡，温度保持恒定。4)如果由于各种干扰(如电网电压波动)导致热平衡被迫坏，温度发生变化(不等于设定温度)，必然出现偏差。那么调节器将改变输出信号，控制调功器输出的电功率，直到温度等于设定的温度值为止。5)如果系统出现问题导致调功器失控，温度超过了最高限位值，则AI调节器中的AL1端输出信号，使报警器工作，提醒工作人员进行人工干预处理。
3．2 烘箱温度AI控制系统参数整定及程序设计
3．2．1 温度控制系统AI调节器参数整定
    AI调节器采用模糊规则进行PID调节。这种人工智能算法一方面对PID算法加一改进，如在PID调节器中加入新的微分积分作用；另一方面又采用模糊调节规则，在误差大时运用模糊算法进行调节，以彻底消除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。人工智能算法采用M5、P、t、Ctl等4个参数，而不再使用传统的PID参数，一组(MPT)参数即可同时确定PID参数和模糊控制参量。
    系统第一次运行，启动自整定功能，便能较快的获得最佳MPT参数。自整定时，仪表执行位式调节，经过2～3次振荡后，仪表内部微处理器根据位式控制产生的振荡，分析其周期、幅值及波形来计算出M5、P、t等控制参数。由于被控对象是保温性能较好的烘箱，在整定时，AI调节器的给定值应设置在系统使用的最大值上。AI调节器的参数Ctl及DF(回差)的设置对自整定过程也有影响，一般选择Ctl=0．2，DF=0．3。
3．2．2 温度控制系统AI调节器程序段编程设置
    电动机绕组烘箱温度控制分两个阶段进行，烘箱温度控制曲线如图3所示。故AI调节器需按一定的时间规律自动改变给定值进行调节。  AI调节器具有强大的编程及操作能力，具备30段程序编排功能，可设置任意大小的给定升、降斛率；具有跳转、运行、暂停及停止等可编程命令。程序编排统一采用温度一时间一温度格式，从当前段设置温度，经过该段设置的时间到达下一温度设置值，温度设置值的单位采用  ℃，而时间值的单位用分钟。这种方法的特点是升温、降温韵斜率设置范围非常宽；升温及恒温段具有统一的设置格式，方便学习和应用。

    根据电机绕组浸透绝缘漆后烘干温度变化曲线，对温度控制系统中的AI调节器控制程序编排如下：
    第1段C01=20 t01=20；
    (20℃起开始升温，升温时间为20分钟)
    第2段C02=80 t02=240；
    (升温到80℃，恒温时间为240分钟)
    第3段C03=80 t03=20；
    (再从80℃升温，升温时间为20分钟)
    第4段C04=130 t04=480；
    (升温到130℃，恒温时间为480分钟)
    第5段 C05=130 t05=120；
    (从130℃开始降温，降温时间为240分钟)
    第6段C06=40 t06=0；
    (降温到40℃进入暂停状态)

4 结束语
    三相交流一体化移相调压模块是一使用简单、可靠性高的新型智能模块，它可直接带动变压器等感性负载或电加热等阻性负载工作。采用它实现功率调节的温度控制系统，可有效地实现浸漆后电机绕组的烘干处理。系统外部接线简单、运行稳定，维护和维修方便。调压模块应用时，应注意模块内可控硅在较小导通角下长时间输出较大电流(即主电路输入电压很高，输出电压很低)，这可能导致模块严重发热。故应考虑负载与模块匹配，使模块在较大的导通角下工作。