试验电炉的温度控制系统.docx
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试验电炉的温度控制系统
1方案的确定
本次设计是通过冷热风机的双循环工作对温度的控制，运用晶闸管对加热压控制，运用PLC程序控制整个自动过程。
实验电阻炉自动系统控制是在线控制，通过各环节的配合进行全方面的控制。
运用：
数据收集、逻辑分析、精确计算，等几步便洁的进为了提高系统的可靠性，本次设计采用手动，自动的两种控制式。
通过显示的参数值进行自动控制，根据仪表可凭经验进行能手动控制。
加热和制冷风机的分别工作可以提高控制控制的精确程度，只用单风道冷热的能量损失很大而且还不易进行精确的控制，运用双风道很少有能量的损失，也能使温度的升降一致，同时也提高了控制精度降低了成本从而经济效益增加。
采用晶闸管控制电压是因为：
晶闸管可以控制连续的变化热量的产生也是续的。
这样炉火就可以按给定的温度变化了。
温变化曲线如下图：
1.1
图1.1温变化曲线
如果采用变阻器来控制电压，不是连续的这样炉火不能按给定温度变化了以我们采用晶闸管来控制电阻丝两端的电压。
采用PLC控制技术来控制工作过程，因为有一定的可靠性又提高了控制。
2选择设备类型及参数计算
2．1风机电动机的确定：
根据炉膛的容积：
15立方米；最低温度：
0℃；最高温度：
90℃；由实际
情况与以前的经验确定风机的功率为2.2KW。
查电工手册得到：
型号：
YEJ100L1---------4；额定功率：
2.2KW；
锭子电流：
5.0A
转速：
1420r/min
满载时：
功率：
85
功率因数：
0.85
堵转电流/额定电流：
7.0
堵转转距/额定转距：
2.3
最大转距/额定转距：
2.3
●风机电动机保护元件及动作开关的选择
电动机的额定功率为：
2.3KW
电动机的额定电压为；380V
由公式P=√3UIcos￠∴I=3A
考虑到电动机不是纯电阻元件，有一定的功率因数，一般要增加30%，所以I=3
×（1+0.3）=4A
查电工手册和低电压电器有：
型号：
DZ30--------5123
极数：
3
额定工作电压：
380V
空气开关：
分断能力：
5200A
机械寿命：
3000次
电寿命：
8000次
●熔断器：
一般要求把电动机的额定电流扩大2倍来确定容断器的额定电流，所以I=8A
型号：
RL1----15/10
额定工作的电压：
380V
熔断器额定工作电流：
15A
熔断器额定工作电压：
10V
熔断体额定工作电流：
10A
额定分断电流：
25KA
COS￠:
0.35
●交流接触器：
一般要求电动机的额定电流扩大2倍来确定交流接触器的额定电流，所以
I=8A
型号：
CJ0--------10A
额定工作电压：
380V
额定工作电流：
10A
可控制三相笼型电动机最大额定功率：
4KW
额定操作频率：
1200次/小时
通电持续率：
40%
吸引线圈消耗功率：
12VA
一般把电动机的额定电流扩大0.95～1.05倍来确定热过载继电器的额定电流。
I=4×（0.95～1.05）=3.8～1.2A
型号：
JR20---------10/10R
整定电流范围：
3.2～4～4.8A
2．2制冷电动机的确定
根据炉膛容积10立方米；最低温度0℃；最高温度85℃，可以由公式得：
Q=mc△t=ｐvc△t
Q-------冷负荷
C--------比热（按空气计算）
V-------容积
P----密度（按空气计算）
△ｔ---温度差
Q=ｐvc△t=1.293×1.005×25×85=2760KJ公式（2.1）
∵1J=2.778×10-7KW/h
∴2760KJ=2.760×103×2.778×10-7
因为从85℃降到0℃所需的时间是1小时,所以需要制冷的能力为766W,所以需型
号:
GC-----0.8A电动机功率:
2.2KW.
●制冷电动机保护元件及动作开关选择如下;
电动机的额定功率:
2.2KW
额定电压;380V
由公式:
P=√3UIcos￠I=3A
考虑到电动机不是纯电阻元件,有一定的功率因数一般要增加30%所以,
I=3×（1+0.3）=4A
查电工手册和低压电容器有:
●空气开关:
型号DZ30----5/23
极数:
3
额定工作电压:
380V
额定工作电流:
5A
分断能力:
6000A
机械寿命:
20000次电寿命:
6000次
熔断器:
一般要求把电动机的额定电流扩大2倍来确定熔断器的电流,所以I=8A
型号：
RL1---15/10
额定工作电压:
380V
熔断器额定工作电流
额定分断电流:
25KA
cos￠=0.35
●交流接触器:
一般要求电动机的额定电流扩大2倍来确定交流接触器的额定电
流,所以I=8A
型号:
CJ0—10A
额定电压:
380V
额定电流;10A
辅助触头额定电流:
5A
可控制三相笼型电动机最大额定功率:
4KW
额定操作频率:
1200次/时
通电持续率:
40%
吸引线圈消耗率；12KV
●热过载继电器:
一般把电动机额定电流.扩大0.95～1.05倍来确定过载继电器的额定电流。
I=4×（0.95～1.05）=3.8～4.2A
型号：
JR20----10/10R
整定电流范围：
3.2～4～4.8A
●制冷电机的确定
根据炉膛容积10立方米：
最低温度0℃最高温度；85℃
可以由公式得；Q=ｐvc△t
2．3电阻丝的确定
根据炉膛容积等条件在根据公式P=√3UIcos￠所以I=9A
所以每一根电阻丝功率为；电流的2次方×R=1000所以R=10欧
由此可知选用型号RXI----1名称；小型被漆绕电阻
电阻丝保护元件及动作开关的选择：
电阻丝的额定功率为：
6KW额定电压：
380V
由公式P=√3UIcos￠所以I=9A由于电阻丝是纯电阻电路所以不必用增加30%。
查电工手册和低压电器手册有：
空气开关型号：
DZ30--10/23
极数：
3
额定电压：
380V
熔断器额定电流：
10A
分断能力：
6000A
机械寿命：
2000次
一般要求电阻丝扩大原来的2倍来确定熔断器的额定电流所以I=18A
型号：
RL8--63/20
额定工作电压：
380V
支持件的额定电流；63A
其接收功率为:
5.5W
熔断器额定耗散功率：
2.5W
I=50KA
额定分断能力
cos￠=0.1～0.12
交流接触器：
一般要把电阻丝的额定电流扩大2倍选择交流接触器的额定电流I=18A
型号：
CJ0---20A
额定电压；380V
额定电流20A辅助
触头额定电JI流5A。
可控三相笼型电动机最大额定功率为：
10KW
额定操做频率：
7200次/小时
通电持续率：
40%
吸引线圈消耗功率：
27VA
2．4晶闸管的选择
根据每一相的额定电流I=√3×9=15.6A电压的最大值UMAX=220√2=311V
查电工手册和低压电器手册可知：
型号：
RP20
断态重复峰值电压UDRM，及重复峰值电压URRM：
100～200。
断态不重复峰值电压UDRM及反向重复峰值电压相等。
断态不重复电压不随外界条件改变：
断态不重复电流IDS；反向不重复平均电流≥2mA。
触发电流IGT=5～100ｍA；
触发电压UGT≦3.5V；
浪涌电流ITSM=380V
2．5阻容保护
阻容保护中电阻功率可按下式计算：
P＞UR（W）公式（2.2）
R+X
U--------------------阻容保护电路两端的电压
XC-----------------组容保护电容电抗XC=1／2∏fｃ（欧）
ｆ---阻容保护电路两端的电压的频率（HZ）
R-----阻容保护电路的电阻（欧）
所以整流元件的额定正向电流:
20A;
电容:
0.1F
电阻:
100欧
电容型号:
CJ0.1-------450V
电阻型号;RXY----20
2．6保护二级管的选择
根据额定电流I=9A一般保护二级管的额定电流是要把电阻的电流扩大2倍
所以I=18A
型号:
2CZ30
额定正向平均电流IF=30A;
额定反向峰值电压URM30～1000
正向平均压降:
ｕF=0.45～0.65V
反向漏电电流:
IR0.5～10ｍA
整流结温升△T=100℃
散热器最小散热面积:
600ｃ㎡
冷却方式:
自冷
2．7给定信号的确定
给定信号的确定要用运算放大器与电阻,电容来实现给定信号的温度曲
线,组成了积分调节器。
因为给定了温度曲线而这时温度与电压是成正比的
（如图1.1）所以可以计算出两段上升曲线的斜率为反向重复峰值电压ｔｇ￠
2=50/3=16.7，由积分调节器对上升段斜率计算为ｔｇ￠=1/RC,因此第一个小时内选用电阻1.5千欧,可得电容20ｕF，3—6-小时内选用电阻为1.5千欧,可得电容为40ｕF如图（2.1）
2．8运算放大器的选择
型号:
CF747由四个独立双输入,内补偿放大器组成
电源电压范围:
±3.5V～±18V,大的输出电压摆副（V±1）VPP.
底输入偏置电源电流:
800MA
输出短路电流开环增益:
80A
电源电压:
32V/±16V
空股双列直插封装:
1000ｍｗ
输出短路持续时间:
一个放大器;连续
最大额定值:
±2------±36V
电流范围:
6MA或其以上.
图2.1输入信号控制电路
2．9可编程控制器的选择
由主电路可以确定6个输位,2个模拟量输入位两个模拟量输出位.根据以
上理由我们选择的控制器是:
型号:
CQM1---PA216
电源:
100----220AC50/60HZ
操作电压范围：
85--265VAC
输出容量:
5VDC
输入单元:
32点输入单元00000开始按顺序分配。
输出单元:
32点输出单元分配两个输出字从10000开始按顺序分配。
传感器单元:
每个传感器单元分配1个输入字位00～03从上至下四个模块。
模拟量输入单元:
每个模拟输入单元可以设置成两点输入或四点输入。
当设置2点输入时,分配两个输入字。
当设置4点输入时,分配4个输入字。
模拟量输出单元:
每个模拟量输出单元配有2个输出。
2．10温度传感器的选择
根据炉膛的温度范围,是0℃～85℃,精度为1℃所以选择LM38DZ集成
度传感器.
1流过器件的电流等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数
2LM38DZ的测温范围为:
-58℃---+150℃。
3LM38DZ电源电压范围为4V-----80V电源电压可在4～10V范围变化。
4电流变化1ｕA相当于温度变化1K它可以承受65V正向电压和20V
5反向电压.所以它也会损坏。
6输出电阻为800毫欧它共有F、g、I、J、K、L、M七当其中。
7当精度最高在-70-----150℃范围内误差为±0.1℃。
8LM35DZ为较高的精度集成稳定器,输入电压最大为40V,在教验时应
在室温下进行。
9触发电路的选择
10触发电路我们选择同步电压为锯齿波的触发电路,
所以还要选择一个电压互差120°的变压器.所以选择三相同步变压器（此电路图在我们学过的<<电力电子>>教材中本次设计由于时间仓促就不在列出）。
3主回路
QS1QS2QS3QS4
KM1KM2KM3
TSDY3FU1FU2FU3
FR1FR2FR1R1R2R3
abcM1M2M3
VT1
R4R1C1
R5VD1
R6VT2
R7R2C2
VD2
R8VT3
R9R3C3
VD3
3.1整流变压器的选择
在电机的使用中，负载电压要求的电流望望与点望的电压不一致。
这就需要利用变压器来进行匹配。
所以我们采用了整流变压器，另外为了降低或减少闸管交流装置对电网和其它用电设备的干扰，也需要设置变压器将晶闸管装置和电网隔离。
因此在晶闸管整流装置中一般需要设置整流变压器，它的参数计算是选择变压器的一个重要问题对整流装置的性能有直接影响.
例如，根据负载要求额定电压和电流确定晶闸管的主流形式之后，晶闸管侧电压只能在一个较小的范围内变化。
如果交流侧的电压选的太高则晶闸管装置在运行过程中控制角a就会过大，整个装置的功率因数会变坏，无功功率因数增加，在电源回路中电感电压增大此外对晶闸管的额定电压要求也高，装置成本也提高如果交流侧的电压选的偏低则可能使控制角 a=0整流输出也达不到负载所要求的功率，因此必须根据负载的要求合理计算整流变压器的参数值，以确保变流装置的稳定运行。
通常状况下，整流变压器的一次侧电压是电网电压，而整流变压器参数计算是根据负载的要求计算二次侧的电压U2、相电流I2、一次侧容量S1、二次侧容量S2和平均计算容量S，只有这些参数正确计算之后才能根据计算结果正确合理的选择整流变压器。
3.2变频调速装置的应用
我们在设计时候，没有选用直流电机那是因为以下几种原因：
1、交流电机具有结构简单体积小重量轻。
2、惯性小、运行可靠、价格便。
3、维修简单能适应恶劣的环境等。
以前由于交流电动机调速比较困难，在传统得的系统中应用较少。
近年来由于电力电子技术的发展，电力电子装置构成的交流调速装置日趋成熟并得到广泛应用，在现代调速系统中，交流调速占主要地位。
由交流电动机的转速公式：
n=60*f1*（1-S）/P可以看出若均匀的改变锭子频率则可以平滑的改变电动机的转速。
因此在异步电动机调速系统中,变频器调速最好。
使得交流电动机的调速性能可与直流电动机相媲美.同时效率最高,是交流调速的发展方向。
1、把交流电动机的额定频率称为基频.可从基频向下调也可向上调。
频率的改变不仅可以改变交流电动机的同步转速,而且也会使交流电动机其它参数生变化。
因此针对不同的调速范围及使用场所,为了调速系统具有良好的调速性,变频装置必须采用不同的控制方式。
（1）.基频以下的调速:
E=4.44f1N1K￠m
式中E1---锭子每相感应电动势的有效值;
f1---锭子电源频率;
N1---锭子每相绕组的串联砸数;
K---基波绕组系数;
￠m---每极气息的磁通量;
如果忽略锭子的阻抗压降,则外加电源U1=E1.由此可见当U1不变时随着源输入频率的改变磁通也会有相应的改变,由于电动机在设计时磁通以达到饱和相应的磁力电流就会增大铁损急剧增加,严重时候导致绕组过热烧子电压保证磁通不超过设计值.如果使U1/F1=常数,则在调速过程中维持￠近似不变。
这就是恒压频比控制方式。
（2）基频以上的变频调速
电源频率向上提高可以使转速增加由于电动机电压不能超过其额定值因此只
能保持U为额定值,因此此种调速属于恒功率调速。
3.3脉冲变压器的应用
由于本次设计使用的主流变压器运用脉冲变压器所以下文将对脉冲变压器的一些性质进行探讨。
晶闸管触发电路中常用脉冲变压器来输出触发脉冲,其好处有两点。
一是：
以将触发器及触发电路与主电路实行电器隔离,有利于按全运行防止干扰；
二是：
可以起匹配作用,将较高的脉冲电压降低,增大输出电流,以满足晶管的要求。
脉冲变压器与普通变压器的区别在于:
电源变压器传送的是交流正弦电压,主要 LL信号传递.脉冲变压器的这一特点使得它的设计与电源变压器的设计有许多不同.首先要求脉冲变压器传递的脉冲不失真;要求脉冲变压器的功率高,功耗小;但由于脉冲变压器的一次侧电流是单方向流动的,故铁心利用率低,磁路易饱和另外脉冲变压器对脉冲漏抗前沿有不良影响,这些都是设计变压器时要注意的。
3．4脉冲变压器的设计原则
周期性向变压器施加单向脉冲铁心的磁导率总是比施加的交变电压地低并磁高变压器铁心得不到充分的应用。
为了提高变压器的利用率希望脉冲变压器的磁剩低磁导率高因此应尽量采用较好的磁性材料,如冷扎硅钢片铁心的面积要大一些。
采用附加绕组的方法可以减少脉冲变压器的尺寸,该绕组的作用是使铁心磁化的原始工作点移到副的最大磁点上由于增加了铁心的磁通密度故可以减少变压器的砸数。
如果一个变压器产生两个响应的相反脉冲时,则变压器的应用就比较好了因为在这种情况下采用移动围绕组一样铁心交变磁化将绕整个回线进行.但这种能够磁线路产生一个相反的脉冲,此脉冲在基本脉冲终止的瞬间产生影响到反向一组.在固定不变的情况下,可将此寄生脉冲限制在固定范围内,但可控变流器角要求快速变化的情况下，可将此寄生脉冲提前导通。
3.5基本关系和计算方法
当脉冲变压器一次侧加上矩形脉冲时，一次绕组产生一个磁场强度该磁场强度用下式表示：
Hm*L=N1*I
式中
Hm--------铁心不饱和时的最大磁场强度；
L----------铁心磁路的平均长度；
N1---------一次侧绕组砸数；
I-----------一次侧绕组激磁电流；
I=（0.15-------0.5）I1
I1为变压器二次侧绕组折合到一次侧的电流对于一般脉冲变压器，希望N不高于300砸。
3.6晶闸管的过流保护
在次设计电路中，晶闸管的运用起到了主导作用所以对晶闸管的保护极为重要。
当流过晶闸管的电流大大超过其正常工作电流时，称为过电流。
产生过电流的原因有：
（1）、直流侧短路；
（2）、生产机械过载；
（3）、可逆系统中产生环流或逆变失败；
（4）、电路中管子的误导通及管子击穿短路；
电路中有过电流产生时，如无保护设施晶闸管会因过热损坏，因此要求取过电流保护，把过电流消除。
常用的过电流保护有以下几种：
（1）、在交流进线中串接电抗器，或采用漏电抗较大的变压器限制短路电流。
保护晶闸管的有效设施，但它在负载上有电压降。
（2）、在交流侧设置电流检测装置，利用过电流信号控制触发器使触发脉冲跨速后移，或瞬时停止晶闸管关短，从而抑制过电流
（3）交流侧竟电流互感器接入继电器或直流侧接入过流继电器，可以在过流时
动作，自动短开输入端。
一般过电流继电器的动作时间约为0.2秒，对电流大上净闸管的作用。
（4）、对于大中容量的设备及经常逆变的情况，可以用直流快速开关作直流侧的
过载短路保护，出现严重过载或短路时要求快速开关比快速熔断器先动作尽量避
免快速熔断器熔断。
快速开关动作时间只有2毫秒完全发分段电弧的时间也只有
20-----30毫秒，是目前较好的直流侧过流保护装置、。
（5）、快速熔断器是最简单有效的过流保护元件。
产生过流时快速熔断时间小于30毫秒。
再一般的系统中，常采用过流信号控制触发脉冲以抑制过流在配合采用快
由于在加热炉中的应用是比较重要的地方所以一定要保证加热炉的安全性与稳容保护。
由于快容价格较高也不方便更换通常作为过流保护的最后一道保护。
正常情况下总是让其他的保护设施动作，尽量避免烧毁快容。
由于本次设计的电阻自动控温加热炉在工业上应用广泛，而且还用在非常重要的位置，所以再设计时采用了很多种保护以便于保证在线生产的连续性、安全性。
4梯形图
00000000011000110002CNT00210000
1000300002CNT00210003
0000200003TIM000#0900
ITM000CPCNT
10003002
CNT0021000010003CNT003R#4010001
0004
CNT000310002
040005TIM004#0600
TIM004CPCNT003
0002R#06
CNT0061000510006
MOV（21）
10000002
3
HR99
00020003
MOV（21）
0.1
HR98
1000000002
CLC（41）
SUB（31）
000020000301100
01100
HR00
SUD（31）
01100
01001
HR01
SUD（31）
HR01
HR00
HR02
MUL（31）
HR04
HR02
HR07
SUB（32）
HR07
HR97
HR98
ADD（30）
HR05
HR06
ADD（30）
HR09
HR10
MOV（21）
HR10
01199
MOV（21）
HR01
HR00
MOV（21）
HR03
HR01
MOV（21）
HR04
HR02
0000100002TIM005#0900
0000200003
TIM05CPCNT006
R#12
0005
CNT0081000810007
CNT0091000710008
五程序
LDNOT00000
AND00001
LD10003
ANDNOT00002
LD00002
ANDNOT00003
ORLD
IL（02）
LDNOT10001
ANDNOT10002
OUT10000
LDNOTCNT002
OUT10003
TIM000
#0900
LDTIM000
LDNOT10003
CNT004
#40
LDCNT002
LDCNT002
LDNOT00004
ANDNOT00005
ORLD
ORLD
IL（02）
LDNOT10000
ANDNOT10003
OUT10001
LDNOTCNT003
OUT10002
CNT003
#6
LD10000
ANDNOTCNT006
ANDNOT10006
OUT
LDCNT006
ANDNOT10005
OUT10006
LD10000
ANDNOT00002
LD00002
ANDNOT00003
ORLD
MOVLD
MOV（21）
3
HR99
0．1
HR98
MOV（21）
0．05
HR97
LD10000
ANDNOT00002
LD00002
ANDNOT00003
ORLD
CLC（41）
SUB（31）
01100
01101
HR00
SUB（31）01100
01101
HR01
SUB（31）HR01
HR02
SUB（31）01100
01101
01101
SUB（31）
HR03
HR01
HR04
MUL（32）
HR02
HR99
HR05
MUL（32）
HR02
HR98
HR
06
SUB（31）
HR04
HR02
HR07
MUL（32）
HR07
HR97
HR9
升级会员 