周波控制技术在电阻炉中的应用
2009-11-13 11:45:11
来源：《半导体器件应用》2009年11月刊
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1 基本概念
首先来明确几个概念：移相触发、周期过零触发和周波过零触发。
1.1 移相触发
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。
1.2 周期过零触发
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的个数的比值（又称为占空比或时间比例）来控制负载功率的平均值。
1.3 周波过零触发
周波过零触发方式是从周期过零触发方式演变而来的。即在满足过零触发和输入信号时间占空比的关系两个前提条件下，尽可能缩短控制周期，间歇的变时基的控制周波导通个数来控制负载功率的平均值。
2 基本原理
2.1 周波控制技术的基本原理
周波就是交流电的变化或电磁波的振荡从一点开始完成一个过程再到这一点，叫一个周波，简称周波。周波控制技术顾名思义就是对周波进行控制的信号处理技术，主要是与SSR配合使用，周波控制系统原理图如图1所示。
基本原理：周波组件是一个软硬件结合体，硬件由高性能单片机及其外围电路构成，软件由用户根据周波控制技术特定的数学模型编制的应用程序。仪表把负反馈元件随温度的变化量转化为4-20mA的线性化电流，这个电流输入周波组件，通过一个250欧精密电阻再转换为1-5V的电压量进行A/D转换后得到一系列脉冲数字量。转换得到的数字量与4-20mA的电流成正比对应关系，根据这个比例关系算出单位时间内所需要的周波数。同时把这些数字量置入移位寄存器，用一个时基20ms的定时器作为同步输出触发信号。根据数字信号的大小向SSR输出变时基触脉冲发信号，使输出功率在最大功率的0%-100%之间线性调整。
2.2 SSR工作原理
周波控制技术是SSR的触发信号处理技术，为了更好地应用周波控制技术，有必要研究一下SSR的工作原理。按负载电源的类型可将SSR分为交流SSR和直流SSR。交流SSR是以双向晶闸管作为开关器件，用来接通或断开交流负载电源。按交流SSR的控制触发方式不同，又可分为过零触发型和随机导通型两种。过零触发型交流SSR是当控制信号输入后，在交流电源经过零电压附近时导通，故干扰很小。随机导通型SSR则是在交流电源的任一相位上导通或关断，因此在导通瞬间可能产生较大的干扰。
过零触发型交流SSR为四端器件，其内部电路如图2所示。1、2为输入端，3、4为输出端。R0为限流电阻，光耦合器U将输入与输出电路在电气上隔离开，V1构成反相器，R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零检测电路，UR为双向整流桥，由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发脉冲，R3、R7为分流电阻，分别用来保护V3和V4，R8和C组成浪涌吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰。
需要指出的是所谓“过零”并非真的必须是电源电压波形的零处，而一般是指在10~25V或-(10~25)V区域内进行触发，如图3所示。图中交流电压分三个区域，Ⅰ区为-10V~+10V范围，称为死区，在此区域中加入输入信号时不能使SSR导通。Ⅱ区为10~25V和-(10~25)V范围，称为响应区，在此区域内只要加入输入信号，SSR立即导通。Ⅲ区为幅值大于25V的范围，称为抑制区，在此区域内加入输入信号，SSR的导通被抑制。
当输入端未加电压信号时，光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止，V1饱和，V3和V4因无触发电压而截止，此时SSR关闭。当加入输入信号时，光耦合器中的发光二极管发光，光敏晶体管饱和，使V1截止。此时若V3两端电压在-(10~25)V或10~25V范围内时，只要适当选择分压电阻R4和R5，就可使V2截止，这样使V3触发导通，从而使V4的控制极上得到从R6→UR→V3→UR→R7或反方向的触发脉冲，而使V4导通，使负载接通交流电源。而若交流电压波形在图2中的Ⅲ区内时，则因V2饱和而抑制V3和V4的导通，而使SSR被抑制，从而实现了过零触发控制。由于10~25V幅值与电源电压幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就将过零电压粗略地定义为0~±25V，即认为在此区域内，只要加入输入信号，过零触发型交流固态继电器都能导通。
当输入端电压信号撤除后，光耦合器中的光敏晶体管截止，V1饱和，V3截止，但此时V4仍保持导通，直到负载电流随电源电压减小到小于双向晶闸管的维持电流时，SSR才转为截止。
3 三种触发方式负载工作波形和特点
3.1 移相触发、周期过零触发和周波过零触发三种触发方式的负载工作波形比较，以负载50%输出为例。
3.2 移相触发、周期过零触发和周波过零触发的特点
3.2.1 移相触发
这种触发方式连续性好，输出电压平稳，无电压冲击，能够限制瞬时电流，适合各种类型的负载，但是移相触发方式电压输出波形中含有高次谐波，对电网和其他设备会造成一定的危害，有些场合不主张采用。
3.2.2 周期过零触发
周期过零触发也就是通常所说的PWM(Pulse-width-Modulation)，即脉冲宽度调制或占空比方式，比如在2秒周期内通过控制器控制导通和关断周波个数的比值（占空比）来达到控制负载平均功率的目的，由于电路设计上保证主回路电压过零时通、断，因而对电网无干扰。由于采用在固定周期内通断时间比例来控制输出电压，因而在低功率输出时关断时间必然大于开通时间，造成电表指针来回摆动，这种方式也很难实现电流控制功能，这是它的不足之处。
3.2.3 周波过零触发
CYC(Cycle)即周波输出方式。此种方式控制器输出变周期过零触发信号，它以一个周波为最小控制单位（50Hz为20ms），如果需要50%电压输出时通一个周波(20ms)断一个周波，而不是通1秒、断1秒，最大限度地利用交流电的周期特性，使负载电流的通断按正弦波均匀分布，达到最佳控制精度。由于电压过零时通断，因而对电网无干扰。此种方式可有效减小电表指针的抖动，可实现对电流的限流控制。
4 移相触发、周期过零触发和周波过零触发适用的负载
4.1 移相触发方式适合各种类型的负载，目前的变压器，电感线圈以及变阻性负载均采用这种触发方式。
4.2 PWM触发适用的负载：恒阻负载（冷热电阻无变化），电阻丝、远红外、辐射管。
4.3 CYC触发适用的负载：恒阻负载（冷热电阻变化小），镍鉻合金、铁鉻、铁铝钴、硅碳棒。在控制硅碳棒时要加输出功率外部限制功能，硅碳棒的接法为星形中心点接地方式，在温度升到700℃-900℃之间要实现功率控制，可以采用程序仪表的多组输出限副的功能。
5 应用注意事项
采用周波控制技术，仪表要选择4-20mA电流输出型，SSR要选择交流过零型。SSR的输出端器件可分为双向晶闸管或两只单向晶闸管反并联形式。由于单向晶闸管静态电压上升率(200V/μs)大大高于双向晶闸管的换向指标(10V/μs)，因此若采用两只大功率单向晶闸管反并联代替双向晶闸管，一方面可提高输出功率；另一方面也可提高耐浪涌电流的冲击能力，这种SSR称为增强型SSR。
另外对于大功率的用电设备，如果用周波控制SSR，SSR再控制硅碳棒时应考虑用单独的电源变压器，防止加热设备对照明设备的干扰，特别是对日光灯造成频闪现象。
6 周波控制技术的优势
通过以上几种触发方式的比较，可以看出周波过零触发方式采用了先进的间歇周波数控制及时基自动改变技术，除了具有传统的周期过零触发调功方式的优点外，还具有以下几个优点：
(1) 最大的特点是导通时基可以按照功率输出的要求自动改变，并使导通周波均匀分布，如果在同一供电线路上大量使用该种技术的调功器，可以弥补周期过零触发方式产生的加热功率集中，对线路容量要求高的缺点，提高了设备的效率和利用率。
(2) 周波过零触发方式在加热元件正常工作条件下，具有极短的导通时基，相当于加热元件的两端电压降低，极大地减小了对加热元件的热冲击，使加热元件的表面负荷大大降低，从而延长加热元件的使用寿命。应用周波控制技术的调功器采用的调功方式对温控仪表要求的功率变化具有很快的响应速度，充分保证了温控系统对控制精度的要求，提高了炉内温度均匀性，为产品品质的一致性提供了保障。
(3) 可控硅是非线性元件，是谐波源的一种。谐波导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电力变坏。周波过零触发方式相对于移相触发方式而言，在设计思想上就考虑到了正弦交流电的特点，减少谐波对电网的污染，净化设备的运行环境，提高了同网其它设备运行的安全可靠性。
周波控制技术在电阻炉中的应用有着很大的发展潜力和应用价值，一方面需要使用者的理解和大胆应用，另一方面需要设备厂家进一步提高产品质量，同时好服务和推广工作。
参考文献
[1] 陈海滨 等. 基于LabVIEW的恒周期过零触发电路的分析. 仪表技术 2003(5):20-21。
[2] 孙茂松.TCA785集成触发器及应用[J].唐山高等专科学校学报，2002，（1）：85－88.
[3] 黄俊，王兆安.电力电子技术变流技术（第3版）[M].北京：机械工业出版社，1993，44－45.
[4] 张军建.30kVA中频电源的研究[D].华中科技大学硕士学位论文，2003，39－40.
[5] 康华光.电子技术基础（数字部分）（第3版）[M].北京：高等教育出版社，1988，338－339.
[6] 郎维川，供电系统中谐波的产生、危害及其防护对策《高电压技术》，2006.2
首先来明确几个概念：移相触发、周期过零触发和周波过零触发。
1.1 移相触发
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。
1.2 周期过零触发
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的个数的比值（又称为占空比或时间比例）来控制负载功率的平均值。
1.3 周波过零触发
周波过零触发方式是从周期过零触发方式演变而来的。即在满足过零触发和输入信号时间占空比的关系两个前提条件下，尽可能缩短控制周期，间歇的变时基的控制周波导通个数来控制负载功率的平均值。
2 基本原理
2.1 周波控制技术的基本原理
周波就是交流电的变化或电磁波的振荡从一点开始完成一个过程再到这一点，叫一个周波，简称周波。周波控制技术顾名思义就是对周波进行控制的信号处理技术，主要是与SSR配合使用，周波控制系统原理图如图1所示。
基本原理：周波组件是一个软硬件结合体，硬件由高性能单片机及其外围电路构成，软件由用户根据周波控制技术特定的数学模型编制的应用程序。仪表把负反馈元件随温度的变化量转化为4-20mA的线性化电流，这个电流输入周波组件，通过一个250欧精密电阻再转换为1-5V的电压量进行A/D转换后得到一系列脉冲数字量。转换得到的数字量与4-20mA的电流成正比对应关系，根据这个比例关系算出单位时间内所需要的周波数。同时把这些数字量置入移位寄存器，用一个时基20ms的定时器作为同步输出触发信号。根据数字信号的大小向SSR输出变时基触脉冲发信号，使输出功率在最大功率的0%-100%之间线性调整。
2.2 SSR工作原理
周波控制技术是SSR的触发信号处理技术，为了更好地应用周波控制技术，有必要研究一下SSR的工作原理。按负载电源的类型可将SSR分为交流SSR和直流SSR。交流SSR是以双向晶闸管作为开关器件，用来接通或断开交流负载电源。按交流SSR的控制触发方式不同，又可分为过零触发型和随机导通型两种。过零触发型交流SSR是当控制信号输入后，在交流电源经过零电压附近时导通，故干扰很小。随机导通型SSR则是在交流电源的任一相位上导通或关断，因此在导通瞬间可能产生较大的干扰。
过零触发型交流SSR为四端器件，其内部电路如图2所示。1、2为输入端，3、4为输出端。R0为限流电阻，光耦合器U将输入与输出电路在电气上隔离开，V1构成反相器，R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零检测电路，UR为双向整流桥，由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发脉冲，R3、R7为分流电阻，分别用来保护V3和V4，R8和C组成浪涌吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰。
需要指出的是所谓“过零”并非真的必须是电源电压波形的零处，而一般是指在10~25V或-(10~25)V区域内进行触发，如图3所示。图中交流电压分三个区域，Ⅰ区为-10V~+10V范围，称为死区，在此区域中加入输入信号时不能使SSR导通。Ⅱ区为10~25V和-(10~25)V范围，称为响应区，在此区域内只要加入输入信号，SSR立即导通。Ⅲ区为幅值大于25V的范围，称为抑制区，在此区域内加入输入信号，SSR的导通被抑制。
当输入端未加电压信号时，光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止，V1饱和，V3和V4因无触发电压而截止，此时SSR关闭。当加入输入信号时，光耦合器中的发光二极管发光，光敏晶体管饱和，使V1截止。此时若V3两端电压在-(10~25)V或10~25V范围内时，只要适当选择分压电阻R4和R5，就可使V2截止，这样使V3触发导通，从而使V4的控制极上得到从R6→UR→V3→UR→R7或反方向的触发脉冲，而使V4导通，使负载接通交流电源。而若交流电压波形在图2中的Ⅲ区内时，则因V2饱和而抑制V3和V4的导通，而使SSR被抑制，从而实现了过零触发控制。由于10~25V幅值与电源电压幅值相比可近似看作“零”。因此，一般就将过零电压粗略地定义为0~±25V，即认为在此区域内，只要加入输入信号，过零触发型交流固态继电器都能导通。
当输入端电压信号撤除后，光耦合器中的光敏晶体管截止，V1饱和，V3截止，但此时V4仍保持导通，直到负载电流随电源电压减小到小于双向晶闸管的维持电流时，SSR才转为截止。
3 三种触发方式负载工作波形和特点
3.1 移相触发、周期过零触发和周波过零触发三种触发方式的负载工作波形比较，以负载50%输出为例。
3.2 移相触发、周期过零触发和周波过零触发的特点
3.2.1 移相触发
这种触发方式连续性好，输出电压平稳，无电压冲击，能够限制瞬时电流，适合各种类型的负载，但是移相触发方式电压输出波形中含有高次谐波，对电网和其他设备会造成一定的危害，有些场合不主张采用。
3.2.2 周期过零触发
周期过零触发也就是通常所说的PWM(Pulse-width-Modulation)，即脉冲宽度调制或占空比方式，比如在2秒周期内通过控制器控制导通和关断周波个数的比值（占空比）来达到控制负载平均功率的目的，由于电路设计上保证主回路电压过零时通、断，因而对电网无干扰。由于采用在固定周期内通断时间比例来控制输出电压，因而在低功率输出时关断时间必然大于开通时间，造成电表指针来回摆动，这种方式也很难实现电流控制功能，这是它的不足之处。
3.2.3 周波过零触发
CYC(Cycle)即周波输出方式。此种方式控制器输出变周期过零触发信号，它以一个周波为最小控制单位（50Hz为20ms），如果需要50%电压输出时通一个周波(20ms)断一个周波，而不是通1秒、断1秒，最大限度地利用交流电的周期特性，使负载电流的通断按正弦波均匀分布，达到最佳控制精度。由于电压过零时通断，因而对电网无干扰。此种方式可有效减小电表指针的抖动，可实现对电流的限流控制。
4 移相触发、周期过零触发和周波过零触发适用的负载
4.1 移相触发方式适合各种类型的负载，目前的变压器，电感线圈以及变阻性负载均采用这种触发方式。
4.2 PWM触发适用的负载：恒阻负载（冷热电阻无变化），电阻丝、远红外、辐射管。
4.3 CYC触发适用的负载：恒阻负载（冷热电阻变化小），镍鉻合金、铁鉻、铁铝钴、硅碳棒。在控制硅碳棒时要加输出功率外部限制功能，硅碳棒的接法为星形中心点接地方式，在温度升到700℃-900℃之间要实现功率控制，可以采用程序仪表的多组输出限副的功能。
5 应用注意事项
采用周波控制技术，仪表要选择4-20mA电流输出型，SSR要选择交流过零型。SSR的输出端器件可分为双向晶闸管或两只单向晶闸管反并联形式。由于单向晶闸管静态电压上升率(200V/μs)大大高于双向晶闸管的换向指标(10V/μs)，因此若采用两只大功率单向晶闸管反并联代替双向晶闸管，一方面可提高输出功率；另一方面也可提高耐浪涌电流的冲击能力，这种SSR称为增强型SSR。
另外对于大功率的用电设备，如果用周波控制SSR，SSR再控制硅碳棒时应考虑用单独的电源变压器，防止加热设备对照明设备的干扰，特别是对日光灯造成频闪现象。
6 周波控制技术的优势
通过以上几种触发方式的比较，可以看出周波过零触发方式采用了先进的间歇周波数控制及时基自动改变技术，除了具有传统的周期过零触发调功方式的优点外，还具有以下几个优点：
(1) 最大的特点是导通时基可以按照功率输出的要求自动改变，并使导通周波均匀分布，如果在同一供电线路上大量使用该种技术的调功器，可以弥补周期过零触发方式产生的加热功率集中，对线路容量要求高的缺点，提高了设备的效率和利用率。
(2) 周波过零触发方式在加热元件正常工作条件下，具有极短的导通时基，相当于加热元件的两端电压降低，极大地减小了对加热元件的热冲击，使加热元件的表面负荷大大降低，从而延长加热元件的使用寿命。应用周波控制技术的调功器采用的调功方式对温控仪表要求的功率变化具有很快的响应速度，充分保证了温控系统对控制精度的要求，提高了炉内温度均匀性，为产品品质的一致性提供了保障。
(3) 可控硅是非线性元件，是谐波源的一种。谐波导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电力变坏。周波过零触发方式相对于移相触发方式而言，在设计思想上就考虑到了正弦交流电的特点，减少谐波对电网的污染，净化设备的运行环境，提高了同网其它设备运行的安全可靠性。
周波控制技术在电阻炉中的应用有着很大的发展潜力和应用价值，一方面需要使用者的理解和大胆应用，另一方面需要设备厂家进一步提高产品质量，同时好服务和推广工作。
参考文献
[1] 陈海滨 等. 基于LabVIEW的恒周期过零触发电路的分析. 仪表技术 2003(5):20-21。
[2] 孙茂松.TCA785集成触发器及应用[J].唐山高等专科学校学报，2002，（1）：85－88.
[3] 黄俊，王兆安.电力电子技术变流技术（第3版）[M].北京：机械工业出版社，1993，44－45.
[4] 张军建.30kVA中频电源的研究[D].华中科技大学硕士学位论文，2003，39－40.
[5] 康华光.电子技术基础（数字部分）（第3版）[M].北京：高等教育出版社，1988，338－339.
[6] 郎维川，供电系统中谐波的产生、危害及其防护对策《高电压技术》，2006.2
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