調(diào)功器在變壓器固化爐溫度控制上的應(yīng)用研究

周文鋒

（廣州西門(mén)子能源變壓器有限公司， 廣東 廣州 511356）

0 引言

干式變壓器具有運(yùn)行安全可靠、高效節(jié)能、低噪音、體積小、維護(hù)方便、不易燃等優(yōu)點(diǎn)，適用于工廠建筑、機(jī)場(chǎng)、地鐵隧道、學(xué)校等對(duì)安全要求較高的場(chǎng)所。 在干式變壓器的生產(chǎn)過(guò)程中，線圈預(yù)熱干燥、線圈固化等工藝過(guò)程非常關(guān)鍵，直接影響干式變壓器的產(chǎn)品質(zhì)量。

干式變壓器固化爐主要用于干式變壓器高壓線圈的樹(shù)脂澆注物料的固化。在固化爐的使用過(guò)程中，關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確控制其爐內(nèi)溫度。 傳統(tǒng)的固化爐采用溫度控制器加固態(tài)繼電器進(jìn)行溫度控制， 由于受溫度控制器的精度限制和固態(tài)繼電器無(wú)法線性調(diào)整電流等的等原因，在干式變壓器高壓線圈的固化過(guò)程中， 固化爐的爐內(nèi)溫度精度不足，溫度控制效果不理想。 此外，傳統(tǒng)溫度控制器加固態(tài)繼電器的控制類型， 由于在溫度突變后進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整的過(guò)程中有超調(diào)現(xiàn)象， 以及不能進(jìn)行實(shí)時(shí)電流大小調(diào)整的原因，造成能源浪費(fèi)，增加企業(yè)的能耗成本。 因此，如何提高固化爐的爐內(nèi)溫度控制精度和控制效果， 減少能源的消耗， 成為當(dāng)前變壓器高壓線圈固化爐溫度控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展， 調(diào)功器控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中， 其優(yōu)異的控制精度和節(jié)能效果，吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。 本文將調(diào)功器控制技術(shù)應(yīng)用于干式變壓器固化爐的溫度控制過(guò)程中， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，總結(jié)該技術(shù)在固化爐溫度控制中的優(yōu)點(diǎn)，以期為固化爐的爐內(nèi)溫度控制提供新的思路和方法， 同時(shí)探究調(diào)功器技術(shù)在未來(lái)固化爐溫度控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 干式變壓器高壓線圈固化爐介紹

干式變壓器線圈固化爐是用于固化干式變壓器高壓線圈的設(shè)備，其主要作用是通過(guò)加熱的方式，將高壓線圈中的絕緣材料固化， 提供高壓線圈的絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度， 固化爐的工作原理是在控制溫度和時(shí)間的條件下，將高壓線圈放置在固化爐腔內(nèi)，通過(guò)加熱系統(tǒng)將爐腔的溫度階梯式升高，當(dāng)達(dá)到所需固化溫度時(shí)，保持一定的固化爐時(shí)間，使得絕緣材料達(dá)到最佳的固化效果，形成溫度的固體結(jié)構(gòu)，此過(guò)程中需要注意溫度精度的控制和時(shí)間的保持，從而保證高壓線圈的絕緣材料不會(huì)過(guò)度固化或未固化。

2 固化爐傳統(tǒng)通斷式溫度控制

傳統(tǒng)通斷式溫度控制方式的是通過(guò)控制固態(tài)繼電器的接通和斷路的方式來(lái)控制加熱電流的輸出從而控制輸出功率，如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)溫控器加熱控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of traditional temperature controller heating control

結(jié)合下面式（1），當(dāng)實(shí)際溫度遠(yuǎn)低于設(shè)定溫度時(shí)，增加固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間占比D， 使得加熱電流可以直接加載都加熱絲上進(jìn)行加熱， 而當(dāng)實(shí)際溫度接近設(shè)定溫度是，減少固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間D，使得加熱電流作用在加熱器上的時(shí)間降低，從而降低加熱功率。但由于該過(guò)程只是通斷加載在加熱絲兩端的加熱電流進(jìn)行通斷，不會(huì)改變加熱電流的波形， 因此該方式的溫度控制過(guò)程會(huì)必然存在精度不高的問(wèn)題。 傳統(tǒng)通斷式固態(tài)繼導(dǎo)通占空比如式（1）：

式中：D—固態(tài)控制器的導(dǎo)通時(shí)間占空比；T1—固態(tài)繼電器的接通時(shí)間， 在該接通時(shí)間內(nèi)加熱電流可直接作用在固化爐的加熱器上；T2—固態(tài)繼電器的關(guān)斷時(shí)長(zhǎng)，該關(guān)斷時(shí)長(zhǎng)內(nèi)加熱器處在未工作狀態(tài)。

3 固化爐調(diào)功器溫度控制

調(diào)功器又稱為晶閘管電力調(diào)整器和可控硅電力調(diào)整器，其以可控硅為基礎(chǔ)，使用IGBT 模塊等的自動(dòng)化數(shù)字電路為控制核心的電源功率控制器件， 其通常有一個(gè)可控的開(kāi)關(guān)元件盒一個(gè)控制電路組成， 控制電流根據(jù)輸入的控制信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通和截止，以控制輸出功率的大小，從而改變電加熱絲的調(diào)節(jié)輸出功率，原則上無(wú)通斷動(dòng)作，從而保證較高的溫度控制精度。 此外，在梯級(jí)溫度的升溫階段，調(diào)功器可以根據(jù)反饋的溫度差，對(duì)電加熱絲的輸出功率進(jìn)行無(wú)極調(diào)節(jié)， 使固化爐的爐內(nèi)溫度梯度更加均勻。

應(yīng)用在干式變壓器固化爐進(jìn)行加熱溫度控制時(shí)，其可以根據(jù)安裝在固化爐內(nèi)的溫度傳感器采集到的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)將在調(diào)功器的上位控制系統(tǒng)內(nèi)和預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比較，通過(guò)上位控制系統(tǒng)運(yùn)算，驅(qū)動(dòng)調(diào)功器根據(jù)溫度偏差值來(lái)自動(dòng)確定輸出功率的大小，并連續(xù)調(diào)節(jié)加熱電流的輸出至固化爐的加熱絲，當(dāng)溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，調(diào)功器可根據(jù)上位控制系統(tǒng)的要求，自動(dòng)連續(xù)減低電力輸出，降低加熱功率；當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，調(diào)功器會(huì)自動(dòng)增加電力輸出，提高加熱功率。這種反饋控制機(jī)制和可連續(xù)無(wú)級(jí)輸出加熱電流的方式， 可以保持固化爐溫度在設(shè)定范圍內(nèi)穩(wěn)定無(wú)超調(diào)加熱。

調(diào)功器利用晶閘管等電子器件的導(dǎo)通特性， 通過(guò)改變晶閘管的導(dǎo)通角度來(lái)調(diào)整電流的有效功率， 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)地根據(jù)反饋溫度和設(shè)定溫度的偏差實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功率的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。 調(diào)節(jié)器脈寬增量（載波調(diào)頻寬度調(diào)制）和微調(diào)增量（微調(diào)電壓值）是調(diào)節(jié)電流和電壓的方式，如圖2 所示。

圖2 調(diào)功器加熱控制技術(shù)原理圖Fig.2 Schematic diagram of power regulator heating control technology

調(diào)功器控制技術(shù)在節(jié)能方面也具有很大的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的控制器為了維持爐內(nèi)溫度不變，需要不斷調(diào)整輸出功率以維持定溫水平。調(diào)功器控制技術(shù)則可以根據(jù)爐內(nèi)溫度變化來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率大小，從而減少能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4 調(diào)功器與傳統(tǒng)控制器在固化爐溫度控制和能耗方面的實(shí)驗(yàn)對(duì)比

4.1 干式變壓器高壓線圈固化加熱溫度控制精度對(duì)比研究

根據(jù)上述的研究分析，關(guān)于固化爐的溫度控制，由于調(diào)功器可以實(shí)時(shí)調(diào)整加熱電流的輸出大小， 從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)時(shí)的溫度反饋偏差的大小來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整給定輸出電流的大小， 理論上必然比傳統(tǒng)通斷控制溫度的方式更為精準(zhǔn)， 因此為了量化對(duì)比調(diào)功器控制和傳統(tǒng)通斷式溫度控制兩種不同的方式對(duì)干式變壓器固化爐的溫度控制效果， 本文使用相同規(guī)格型號(hào)的干式變壓器高壓線圈作為溫度控制的測(cè)試對(duì)象， 對(duì)兩種固化爐的溫度控制方式在進(jìn)行溫度變化情況進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試使用兩種控制方式的加熱溫度段皆設(shè)定為25℃至120℃。調(diào)功器和傳統(tǒng)溫度控制器控制下的固化爐爐內(nèi)溫度變化情況如圖2 和圖3 所示。從圖3 中可以看出，使用調(diào)功器控制下的固化爐爐內(nèi)溫度變化曲線較為平穩(wěn)，爐內(nèi)溫度波動(dòng)較小，且最終能夠穩(wěn)定在設(shè)定溫度值附近。使用調(diào)功器進(jìn)行固化爐溫度控制時(shí)， 溫度誤差基本在±1℃內(nèi)。 從圖4 中可以看出，在固化爐預(yù)熱和維持溫度過(guò)程中，爐內(nèi)溫度變化較為劇烈（波動(dòng)較大），溫度變化梯度不夠平緩，溫度誤差基本在±3℃以內(nèi)。

圖3 使用調(diào)功器控制下固化爐的爐內(nèi)溫度變化曲線Fig.3 Temperature variation curve inside the curing furnace controlled by a power regulator

圖4 使用傳統(tǒng)通斷式溫度控制下固化爐的爐內(nèi)溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curve inside the curing furnace using traditional on-off temperature control

溫度曲線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)通斷式控制方式相比，調(diào)功器能夠更加精準(zhǔn)地控制固化爐的爐內(nèi)溫度，且固化爐的爐內(nèi)溫度梯度也更加均勻。

4.2 固化加熱能耗對(duì)比

為了對(duì)比干式變壓器固化爐在使用調(diào)功器和傳統(tǒng)通斷式溫度控制方式的累計(jì)能耗，本文使用相同規(guī)格型號(hào)的干式變壓器高線線圈， 在同一周期（24小時(shí)）內(nèi)對(duì)固化爐固化加熱單組干式變壓器的累計(jì)能耗進(jìn)行測(cè)試。兩種溫度控制方式下的累計(jì)能耗對(duì)比情況如表1所示。

表1 調(diào)功器控制和傳統(tǒng)控制在固化單組干式變壓器繞組所需的能耗對(duì)比Tab.1 Comparison of energy consumption between power regulator control and traditional control in curing single group dry type transformer windings

從表1 中可以看出，調(diào)功器控制技術(shù)在固化時(shí)間和能源消耗方面都有著顯著優(yōu)勢(shì)，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)完成相同規(guī)格型號(hào)干式變壓器高壓線圈的固化任務(wù)，能源利用效率明顯提升，節(jié)能效果顯著。與傳統(tǒng)溫度控制器相比，調(diào)功器固化單組干式變壓器時(shí)，累計(jì)能耗可以節(jié)約26.5%。

5 結(jié)論

本文基于調(diào)功器控制技術(shù)在變壓器固化爐溫度控制上的應(yīng)用，對(duì)固化爐的爐內(nèi)溫度變化、固化時(shí)間以及固化所需能耗進(jìn)行測(cè)試， 并與傳統(tǒng)通斷式溫度控制器進(jìn)行對(duì)比和研究。 實(shí)驗(yàn)表明，在固化爐溫度精度控制方面，調(diào)功器能夠更加精確地控制固化爐的爐內(nèi)溫度， 溫度控制誤差基本在±1℃以內(nèi)且爐內(nèi)溫度梯度更加均勻。 實(shí)驗(yàn)表明，在能耗方面，使用調(diào)功器控制可節(jié)約26.5%的累計(jì)能耗。相比固化爐加熱的傳統(tǒng)通斷式溫度控制器， 調(diào)功器在固化爐溫度控制方面具有更高的控制精度和節(jié)能效率。

同時(shí)， 由于調(diào)功器可實(shí)時(shí)根據(jù)需求功率的大小輸出給定功率，在本研究進(jìn)行過(guò)程中，我們還發(fā)現(xiàn)調(diào)功器應(yīng)用在固化爐溫控控制上除了具備溫度控制精度和節(jié)能降耗的優(yōu)勢(shì)外，其還具備可延長(zhǎng)加熱絲使用壽命的優(yōu)勢(shì)。

調(diào)功器控制技術(shù)在溫度控制方面具有較大優(yōu)越性，尤其在變壓器固化領(lǐng)域的應(yīng)用表現(xiàn)良好， 隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展需求， 調(diào)功器控制技術(shù)將會(huì)成為未來(lái)固化爐溫度控制領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。