淺談鋰電輥道爐中可控硅的使用

黃一鳴

摘要：鋰電池作為新能源發(fā)展的關(guān)鍵與基石，其相關(guān)材料的生產(chǎn)與制備一直以來備受關(guān)注。隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與突破，輥道爐憑借高產(chǎn)能、低污染的優(yōu)點(diǎn)成為了制備鋰電池正負(fù)極材料的主流設(shè)備?？煽毓枳鳛殡姞t常用溫控執(zhí)行元件的一種，對(duì)其相關(guān)使用的研究對(duì)輥道爐具有重要意義。本文將圍繞著基于可控硅的鋰電輥道爐溫控方法進(jìn)行分析，介紹交流固態(tài)繼電器與電力調(diào)整器這兩種基于可控硅的電氣元件的相關(guān)內(nèi)容，對(duì)比兩者優(yōu)缺點(diǎn)并列舉可控硅在工業(yè)領(lǐng)域中使用的相關(guān)實(shí)例。

關(guān)鍵詞：輥道爐;可控硅;固態(tài)繼電器;電力調(diào)整器

1、引言

近年來，隨著兩化融合、中國(guó)制造2025等國(guó)家激勵(lì)政策的推動(dòng)，我國(guó)鋰電池生產(chǎn)行業(yè)得到的蓬勃的發(fā)展[1]。鋰電池材料作為鋰電池的基礎(chǔ)與核心，其生產(chǎn)制造技術(shù)成為了行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。

鋰電池的正負(fù)極材料常用的制備方法為高溫固相反應(yīng)法。燒結(jié)設(shè)備作為高溫固相反應(yīng)的常用工業(yè)加熱設(shè)備，在鋰電池材料的制備過程中有著舉足輕重的地位。近年來，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，由于產(chǎn)能高、污染低、故障少等優(yōu)點(diǎn)，輥道爐逐漸成為鋰電材料燒結(jié)設(shè)備的主流[2]?？煽毓枳鳛殡姞t常用溫控執(zhí)行元件的一種，在輥道爐設(shè)計(jì)與應(yīng)用中有著廣泛應(yīng)用。

隨著電氣技術(shù)與相關(guān)設(shè)備數(shù)字化、模塊化的發(fā)展。基于可控硅的交流固態(tài)繼電器（SSR）與電力調(diào)整器（SCR）相繼出現(xiàn)并開始運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中。SSR憑借功率大、可靠性高、控制穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制上應(yīng)用日益廣泛。SCR電力調(diào)整器則由于數(shù)字化設(shè)計(jì)，具有豐富的參數(shù)設(shè)定、檢測(cè)和完善保護(hù)功能，控制精度高，抗干擾能力強(qiáng)，配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于工業(yè)各領(lǐng)域的三相電壓、電流、功的控制調(diào)節(jié)[3]。

本文將圍繞著基于晶閘管的鋰電輥道爐電熱元件控制方法進(jìn)行分析研究，介紹可控硅的工作原理;說明對(duì)比交流固態(tài)繼電器與可控硅電力調(diào)整器的電熱控制方法，并列舉部分在工業(yè)領(lǐng)域中使用可控硅進(jìn)行溫度控制的相關(guān)應(yīng)用實(shí)例。

2、可控硅相關(guān)設(shè)備工作原理

可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR），也稱晶閘管，是一種大功率電器元件。其分單向可控硅和雙向可控硅兩種。單向可控硅結(jié)構(gòu)表示如下圖1所示。

單向可控硅由四層半導(dǎo)體材料組成的，對(duì)外有三個(gè)電極：陽極A、控制極G和陰極K。當(dāng)陽極A加上正向電壓時(shí)，和 管處于放大狀態(tài)，此時(shí)，如果從控制極G輸入一個(gè)正向觸發(fā)信號(hào)，便有電流流過，經(jīng) 放大，其集電極電流。 因?yàn)榈募姌O直接與的基極相連，所以，此時(shí)，電的集電極電流。這個(gè)電流又流回到的基極，形成正反饋，使不斷增大，使得可控硅飽和導(dǎo)通。由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性[4]雙向可控硅在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于兩個(gè)單向可控硅反向連接[5]。這種可控硅具有雙向?qū)üδ堋Ｆ渫〝酄顟B(tài)由控制極G決定。在控制極G上加正/負(fù)脈沖可使其正/反向?qū)ā?/p>

固態(tài)繼電器（Solid State Relay，SSR），是用半導(dǎo)體器件代替電接點(diǎn)作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點(diǎn)開關(guān)器件，SSR工作時(shí)只要在輸入端上加上一定的控制信號(hào)，就可以控制輸出端的導(dǎo)通和斷開，實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)開關(guān)的作用。通常情況下開關(guān)電路采用兩只大功率單向晶閘管反并聯(lián)代替雙向晶閘管，一方面可提高輸出功率;另一方面也可提高耐浪涌電流的沖擊能力，這種SSR稱為增強(qiáng)型SSR。

可控硅電力調(diào)整器（SCR Power Controller），是一種利用可控硅及其觸發(fā)控制電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載功率的盤裝功率調(diào)節(jié)的電力儀器。SCR電力調(diào)整器的基本原理是通過控制信號(hào)輸入去控制串在主回路中的SCR模塊，改變主回路中電壓的導(dǎo)通與關(guān)斷，由此達(dá)到調(diào)節(jié)電壓或功率的目的。

在觸發(fā)方式上，SSR用簡(jiǎn)單的電平控制，而SCR電力調(diào)整器需要用不間斷的脈沖來不斷地觸發(fā)。原理本質(zhì)上，SSR相當(dāng)于一個(gè)高性能無觸點(diǎn)開關(guān)，通過導(dǎo)通與端開狀態(tài)的進(jìn)行電氣調(diào)節(jié)，不能進(jìn)行連續(xù)的電壓電流調(diào)節(jié)。SCR電力調(diào)整器可通過調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓和功率的調(diào)節(jié)。在核心電氣結(jié)構(gòu)上，SCR電力調(diào)整器的核心是可控硅，而固態(tài)繼電器的核心是可控硅加上其對(duì)應(yīng)的同步觸發(fā)驅(qū)動(dòng)也。應(yīng)用上，用于小功率的加熱時(shí)通常采用固態(tài)繼電器，即使頻繁通斷對(duì)系統(tǒng)的影響與資源的浪費(fèi)也較小。但在進(jìn)行大功率電加熱控制的時(shí)候，一般使用SCR電力調(diào)整器，以減少對(duì)電網(wǎng)的影響。成本上，二者相比，使用SCR電力調(diào)整器的造價(jià)更高一點(diǎn)。因此目前相關(guān)工業(yè)電爐領(lǐng)域使用固態(tài)繼電器控制加熱的比較多一點(diǎn)。

3、相關(guān)應(yīng)用實(shí)例

可控硅作為目前工業(yè)電路常用的電熱控制執(zhí)行器件，其的在國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)與機(jī)構(gòu)的產(chǎn)生應(yīng)用也是碩果累累，其中合肥恒力裝備有限公司作為國(guó)內(nèi)窯爐行業(yè)的龍頭企業(yè)，其設(shè)計(jì)的鋰電輥道爐無論在交流固態(tài)繼電器還是在可控硅電力調(diào)整器的使用中均取得了一定的成果。

合肥恒力裝備有限公司研制的HGS21532-1408ZN型氣氛輥道爐將歐姆龍E5EC型號(hào)溫控儀和希曼頓公司固態(tài)繼電器應(yīng)用到爐體溫控電路中，實(shí)現(xiàn)了在氮?dú)鈿夥障碌匿囯娸伒罓t爐體溫度控制。該型號(hào)輥道爐爐體包含多個(gè)溫區(qū)，每個(gè)溫區(qū)由上下兩個(gè)控溫回路進(jìn)行溫度控制。每個(gè)控溫回路采用簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制方法，其控溫回路電路如下圖5。

該控溫電路控制器主要由溫控儀和固態(tài)繼電器組成，使用熱電偶進(jìn)行爐內(nèi)測(cè)溫，硅碳棒進(jìn)行爐內(nèi)加熱。溫控儀讀取熱電偶采集的溫度信號(hào)，使用PID算法計(jì)算并輸出控制信號(hào)給固態(tài)繼電器輸入端，進(jìn)而控制SSR輸出端的通斷。SSR的輸出端連通著電源與加熱棒，通過控制SSR的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)控溫回路的控制。此外，電流表、RS485通訊設(shè)備、交流接觸器的加入實(shí)現(xiàn)對(duì)控溫回路的監(jiān)控與保護(hù)，從而保證了該型號(hào)鋰電輥道爐加熱功能的實(shí)現(xiàn)與完備。該型號(hào)輥道爐已經(jīng)投入生產(chǎn)，在貴州、重慶、江蘇等地的企業(yè)中均穩(wěn)定且高效的生產(chǎn)著鋰電材料。

此外該公司的HGF16330-2210ZO型氣氛輥道爐則是將歐姆龍E5EC型號(hào)溫控儀和臺(tái)灣樺特公司的SCR電力調(diào)整器作為輥道爐溫控電路的控制核心，實(shí)現(xiàn)了鋰電輥道爐各溫區(qū)控溫回路的溫度控制。其控溫回路電路如下圖6。

該型號(hào)輥道爐同樣采用熱電偶作為測(cè)量元件，硅碳棒作為執(zhí)行元件。控溫電路控制器則是由溫控儀和SCR電力調(diào)整器組成。溫控儀讀取計(jì)算溫度實(shí)際與設(shè)定的偏差，通過PID算法輸出控制信號(hào)給SCR電力調(diào)整器。電力調(diào)整期控制著爐體加熱絲的輸出，依據(jù)溫控儀的輸出信號(hào)來決定對(duì)加熱元件的輸出。通過電流表、電壓表監(jiān)控加熱絲的輸出，并通過RS485通訊設(shè)備監(jiān)控溫控儀的狀態(tài)與相關(guān)參數(shù)。保證了輥道爐加熱的正常運(yùn)行。該型號(hào)輥道爐在貴州、江蘇、湖貝等地的多家企業(yè)的運(yùn)行生產(chǎn)中中均取得了良好的效果。

4、結(jié)語

輥道爐作為當(dāng)前鋰電池行業(yè)材料生產(chǎn)的重要設(shè)備，其在新能源發(fā)展方面具有十分重要的地位。而其作為電爐的一種，可控硅的使用在輥道爐的相關(guān)電氣設(shè)計(jì)中又是不可回避的問題。本文針對(duì)可控硅在相關(guān)電爐設(shè)計(jì)中的需求，介紹了當(dāng)下常用可控硅電熱控制元件：固態(tài)繼電器與SCR電力調(diào)整器，分析了兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，舉例了國(guó)內(nèi)部分廠商與機(jī)構(gòu)的應(yīng)用成果與方法。對(duì)未來相關(guān)研究具有一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇文生，王世剛，李鵬飛.基于熱平衡的鋰電池材料燒結(jié)輥道爐節(jié)能技術(shù)[J].工業(yè)爐，2018，040（005）：52-54，71.

[2]徐金龍，李爭(zhēng)，奚思.模塊化在氣氛輥道爐設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].混合微電子技術(shù)，2015，026（003）：P.109-113，117.

[3]徐蘭君，謝鑫，姚元媛.淺談電阻爐電氣設(shè)計(jì)、選型及施工[J].工業(yè)加熱，2017（2）.

[4]余曉軍，彭慶超.CFC技術(shù)在工頻感應(yīng)電爐中的應(yīng)用[J].云南冶金，2013（04）：75-79.

[5]徐長(zhǎng)軍，王峰，蘇艷巖，張西華.雙向可控硅的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界，2008（12）：33-35.