电加热控制

    电加热的使用极其广泛。电加热的方式有利用电阻直接发热的，有用来产生红外线及远红外线的、有利用高频或工频感应加热的等，但作为电加热元件使用的电加热棒是最常见的，它简单、方便、价格相对较低、维护简单。但是它的缺点也是很明显的。其中加热不够均匀，各加热元件利用率差别较大，从而导致使用寿命长短不一，是每个维修人员都无能为力的。下面介绍的方案，可在一定程度上解决这一难题。

    一、主电路原理

    考虑到一般电加热功率普遍较大，为了对称起见，原则上应该使用以3倍数的加热元件。本例使用9只加热元件，每一只元件额定电压为220V，最大发热功率为P。为了得到从0～9P的连续可调功率，除了使用接触器进行电路切换外，还加配了一套三相固态开关。电路图如图7-44所示。不同组合时，各元件发热功率如图7-45所示，基本电路结构如图7-46所示。也可增加更复杂的元件组合，使得功率分挡更细，而仅使用一只单相固态开关。

    为了使加热尽可能地均匀，须注意每一个加热元件在加热空间的布置，不能只考虑电源接线的方便。

    不言而喻，加热系统的加热功率决定于被加热体所要求的热量。但是温度场一般都是不均匀的，有可能出现局部温度远高于测量点的温度的情况，这在有些情况时是不允许出现的。同一只加热元件，在不同的传热方式下，其表面温度可能相差很大。因此另一个问题应该注意，就是加热体的表面温度（功率密度，即单位表面积的发热功率）。例如加热油品时，可能要求功率密度每平方厘米不高于0. 5W，否则可能损坏油品，甚至会出现结焦现象。

 

图7-44  电加热主电路图

 

图7-45各元件发热功率图

 

    图7-46基本电路结构图

(a)P=1.5；(b)P=3；(c)P=4.5；(d)P=0～3

    二、主电路的控制和驱动

    接触器的工作可由PLC的开关量输出口进行控制，而接触器的状态应该通过它的辅助触点由PLC的开关量输入口读入。为了保证安全，不能同时工作的接触器应在外部加配互锁电路，而且在输出控制信号时，必须充分考虑接触器的动作时间，先核实断开无误后再投入。

    驱动时须注意以下几点。

   (1)如果控制的频率较高，请将输出口改用品闸管输出口，以保证工作寿命。

   (2)输出口的驱动能力应留有余量。由PLC的输出口进行直接控制有难度时，可加接中间继电器。

   (3)因为被驱动的电磁线圈电感性极强，所以应加配吸收回路。

   (4)固态开关由输出口以PWM（定周期脉冲调宽）方式进行控制，使用定时器可以方便地实现PWM输出。很多种PLC都有专用的PWM指令。工作周期和导通时间都应该是工频电源周期(20ms)的整数倍。SSR工作在过零触发方式。

    三、加热功率的控制算法

    加热系统通常是一个大时间常数和纯滞后系统（大惯性），使用PID控制，效果欠佳。笔者曾按照能量守恒定理，使用过带补偿的前馈加反馈的控制算法，效果不错。现简单介绍如下。

    按照工艺要求（如温升、流量等），实时计算出当前单位时间所要求的热量Q。估计加热设备在单位时间、单位温差时释放（或吸收）的热容量q（此值最后由试验决定）。当温度上升时，计算出Q+q;当温度下降时，计算出Q-q。再折算成功率数Po，以此作为前馈值。然后根据反馈的温差，按比例计算当前控制功率P1，所以P0 +P1=P就是所要求的电加热功率。适当选用接触器控制字（即图7-45中的接触器状态）和SSR的导通占空比，输入所要求的功率即可。

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