大功率电加热器电源与温度控制系统的设计

大功率电加热器电源与温度控制系统的设计工作原理
电加热器的安全运行和使用寿命与电加热器运行温度的高低有着直接的关系，因此对加热器运行温度的控制和实时监控十分重要。

本系统由温度传感器对加热元件、加热板以及蓄热块上的温度进行采样，所测温度信号经放大和A/D转换后送PLC，利用软件进行数据处理，处理后的数据实时显示，并驱动三相晶闸管调压器以调节加热器温度。

电加热器电源及温控系统技术路线见图1。

1.3技术性能
1.3.1电源功能
（1）长时运行工作制，电源系统能在各种试验状态下，把负载加热到要求的温度值，并进行恒温控制，同时电源系统供电主回路方案合理，可靠性高，可操作性、可维护性强，操作上的透明度高，安全性要高。

（2）电源系统能给加热器提供一个平滑的连续动态可调的输出电参数，实现带载动态调温功能，避免对加热器造成电动力冲击与温度过冲，实现温度平稳控制。

（3）电源系统具有输出参数控制模式调节功能，能根据实际工况进行最佳运行控制。

即工况良好时，当温度未达到其设定值时，电源应以高功率输出，工况不好时，比如天气潮湿、绝缘值低或长时间未做试验时，能够选择先低电压低功率加热，然后慢慢提高电参数，达到保护加热器与安全运行的目的。

（4）当负载温度达到预设温度时，电源应调节功率输出以维持电热
元件恒定在设定温度，同时，在恒温过程中，电热元件避免不断受到交变
力的作用，充分保证高温条件下负载的安全运行与使用寿命。

1.3.2电力电子装置（调功器）技术参数
电力电子装置采用调压控制模式，试验中根据温度控制要求，调节控
制值，达到控制脉冲的调制，从而实现输出电压调节，加热器电功率与负
载温度可控的目的。

（1）额定输出功率：第1～12组，每组功率288kW，12组单独运行，电阻性负载；
（2）调压范围：主回路输入电压的0～98%；
（3）工作制式：具备软启动、软停车功能，避免过大的电流冲击。

1.3.3系统保护功能
（1）电源系统主回路具备一次侧雷击过电压保护，浪涌过电压保护，电源侧操作过电压保护，电源侧过电流保护，负载侧过电流保护，电力电
子器件关断过电压保护，电力电子器件过热保护以及系统漏电保护。

（2）电源自身的电气保护功能齐全，包括过流、短路、缺相、三相
不平衡、过热、绝缘以及顺序控制、连锁保护等。

（3）具备电加热器超极限保护功能与防止温度上升率过大保护功能。

1.3.4系统检测与显示报警功能
（1）系统对每组回路的三相电参数（包括电源侧与负载侧的线电压
与线电流）进行采集处理，要求参数单点数字显示，近端与远端显示。

同
时电源侧具有功率因素检测显示功能（采用数显表显示）；
（2）电参数测量采用成熟技术，并采用易实现参数检测、传输与转
换的方式，方便低参数供电控制与动态控制；
（3）系统对每组288kW负载的4点温度（12组共48点）进行采集
处理，要求参数单点数字显示，近端与远端显示；
（4）系统能自动检测出负载元件通断情况，并能可靠、及时、准确
地作用于信号报警系统与保护跳闸系统，信号报警系统能自动指示通断点，要求近端与远端显示；
（5）系统能自动检测过流、短路、缺相、三相不平衡、过热、绝缘
等所有电气保护，并能可靠、及时、准确地作用于信号报警系统与保护跳
闸系统，信号报警系统能自动指示电路故障类别及故障点，要求单点显示，近端与远端显示；
（6）系统能自动显示检测温度超调以及超极限温度点，避免温度过冲；同时检测温度上升率，防止温度上升率过大。

并能可靠、及时、准确
地作用于信号报警系统与保护跳闸系统，能自动显示超调点，要求单点显示，近端与远端显示；
（7）系统对调压装置自身的每一相、每一桥臂出现的故障（导通、
反相击穿、不触发、换相失败等）能自动识别、报警并显示其位置，要求
单点显示，近端与远端显示。

1.3.5温控软件功能
（1）温控系统采用组态软件作为开发平台实现监控管理，系统具有
实时检测、实时处理、实时显示、实时报警、用户权限功能，同时界面直观，可操作性强；
（2）设计有主界面、主菜单，具有登录界面、温升曲线设置界面、
动态跟随界面、历史曲线、报警窗口以及报表处理界面；
（3）各子窗口设计功能完善，其控制模式能够根据需要进行调节，
即能根据实际运行的绝缘情况、受潮情况、温度上升率，自动实时改变电
源的温升模式，从而实现负载温度可控与理想的加热过程；
（4）设计有数据库管理系统，能自动存储电参数及温度数据，存储
频率与区域可设。

1.4硬件选择
（1）进线电动开关。

进线电动开关选用电动刀闸开关。

（2）进线电源柜。

进线电源柜器件主要包括空气开关、真空接触器等，另外包括12台进线电动刀闸的二次线路、真空接触器的二次回路、
连锁回路、浪涌（防雷）保护器以及电测量仪表等。

（3）PLC控制柜。

控制柜由PLC主机、输入输出模块及人机界面等
组成。

本系统控制柜采用300系列PLC，温度采集使用模拟量模块SM331，换算进度是单极性14位，双极性13位，理论上可实现温度控制精度在1100℃×（1/16384）=0.067℃的控制。

（4）上位机系统。

上位机系统系统采用工控机，并配置计算机控制
操作台。

采用Ethernet以太网通讯网络用于PLC、计算机间的通讯。

1.5控制量分配
PLC控制量分配情况见表1。

2电源与温度控制系统的关键技术
2.1软件设计
本系统工控机采用组态王编程，触摸屏采用winccflexible编程，PLC采用step7V5.4编程。

电加热器实际温度的检测是要将温度量转化为PLC可识别的量，所以
将温度变送器输出的值先由16位的整型转化为32位的双整型，再由双整
型转化为实型，实型小数点后可有6位，保证精度。

S7-300的CPU模块CPU314自带PID等多种算法功能模块，编程软件提供了PID指令向导，
PID控制程序可以通过指令向导自动生成。

除此之外，PID指令也同时会
被自动调用。

首先选择运用PID算法的回路，并给回路参数定值，本系统采用的K
型热电偶的测量范围是0-700℃，故给定范围的低限和高限分别为0和700℃。

由于S7-300CPU支持PID自整定功能，因此回路的参数先不设定。

第二步设置回路输入输出项，输入和输出量都是单级性的模拟量，经PID
控制过后的输出量和输入一样，同样要其由整型转化为实型。

PLC将PID运算处理结果通过4-20mA输出给相应地址的功率调节器，根据送来的数据及时调整输出功率，最终满足负载温度恒定。

2.2工艺设计
为满足最佳开车控制的需要，软件系统专门配置2种加热模式选择：
当工况良好时，电源以高功率输出；当工况不好时，比如天气潮湿、绝缘
值低或长时间未做试验时，先低电压低功率加热，然后按斜率提高参数，
从而达到保护负载与安全运行的目的。

在实际使用中，用户可以根据不同的工况，选择加热模式。

一旦确定
之后，可对其初始温度、加热时间、升温斜率、设定温度以及保温时间等
参数进行设置。

在实际使用中，用户一旦确定每个温控回路的温度曲线之后，此曲线
数据将直接保存到PLC的存储单元中来供系统调用。

此设计方案的优势在
于PLC完全可以自行独立运行，不受服务器的故障影响，系统可靠性更高。

同时系统配置可单独调节每个温控回路PID参数功能，可软件切换手自动
控制并手动进行给定（软件给定方式）。

2.3人机界面
人机界面的主要基本画面包括：主界面窗口、主菜单窗口，登录窗口、温度控制窗口、实际温度曲线，实际温度显示、状态指示窗口、报警窗口。

针对电加热器系统的安全管理和操作的需要，本温控系统中定义了
“系统管理员”和“操作员”两级口令。

对参数设定和手动跳闸等重要功
能需使用系统管理员级口令，其他操作，如查看温度曲线、历史记录等，
只需操作员口令。

2.4上位机
上位机画面设计不仅要求能实现所有的控制功能（输入及显示参数、
存储纪录、报警等），而且需要简单明了，易于操作人员正确的执行操作。

考虑系统所需监控的过程变量和实际功能，主要功能包括：
（1）具有历史温度曲线查询；
（2）具有历史温度数据报表查询（时间区间、周期（频率）可设置）；
（3）具有历史报警查询；
（4）温升曲线设置（目标温度、升温斜率、保温时间）；
（5）动态温度设定跟随曲线；
（6）用户权限管理（定义了“系统管理员”和“操作员”两级口令。

对参数设定和手动跳闸等重要功能需使用系统管理员级口令，其他操作，
如查看温度曲线、历史记录等，只需操作员口令。

2.5保护系统设计
（1）连锁保护。

进户开关与快速开关、电源与业主中央控制系统等
连锁实现本系统的连锁保护。

（2）紧急停车保护。

系统紧急停车按钮连接于控制系统的主供电电路，系统运行发生意外时，紧急按下急停按钮，控制柜断电，相应受控制
柜控制的接触器、继电器等器件断电，从而使加热系统断电，实现紧急停车。

（3）防雷击保护。

电气柜直接安装浪涌保护器防雷击，当系统有雷
电流（过电压浪涌）产生时，电涌保护器与接地系统连接的电路接通，使
雷电流通过接地系统泄放到大地。

（4）绝缘保护。

功率调节柜中设置绝缘监控器，该产品带4-20mA模
拟电流输出和一组常开常闭转换的继电器输出触点，可就地显示负载对地
绝缘电阻值、远程自动检测与显示负载对地绝缘电阻值，在低于设定最低
绝缘电阻值要求时提供报警输出到PLC。

3结语
本文介绍的电源与温度控制系统技术方案，可直接配套用于大功率电
加热器，通过实际使用的验证，采用该方案的电源与温度控制系统，在装
置上运行状态良好，达到设计技术指标。

参考文献
[1]张培寅.电热设备[M].北京：化学工业出版社，2022.
[2]李三，李林平.电阻式电加热蒸汽锅炉的设计与控制[J].工业锅炉，2002，72（2）：19-21.。