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當前頁面︰ 首頁 >技術文章 >G3ZA 型電力調整器的鹵素加熱器應用事例---“關于最佳循環控制的功率因數改善效果”

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供稿︰歐姆龍自動化(中國)有限公司 2007/9/13 11:11:00

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1.概述
歐姆龍(株)以實現“簡單且高質量的溫度控制”為目標進行著產品、技術的開發。1)敝公司備有多種輸出設備,此次向大家介紹的是于2006年12月重新設計了的G3ZA型電力調整器。G3ZA型是通過與SSR組合來控制負載側電力供應的電力調整器。電力調整器(意即控制電力供應的裝置)有多種控制方式,各種控制方式各有其特點。此次介紹的最佳循環控制具有改善功率因數的效果。本文將通過與G3PX(相位控制)的對比來介紹G3ZA(最佳循環控制)所具有的“功率因數改善效果”以及應用事例。
2.塑料制造與功率因數
2-1能源管理與塑料制造
從削減成本的觀點出發,對制造行業來說,減少制造所耗費的能源是重點所在。特別是在京都議定書簽訂之後,其重要性正在進一步加大。在塑料制造行業中,塑料的熱加工通常需要消耗大量的電力、或者說能源。相信本文的讀者中也有很多人正在致力于能源的節約。
2-2“功率因數改善的重要性”
在日本,特別對一些能源消耗超過一定限度的“能源管理指定工廠”2),還必須承擔“按照經濟產業省令的規定,就能源的使用量和其他能源的使用狀況以及耗能設備的安裝及改造報廢狀況,每年向經濟產業省主管大臣匯報經濟產業省令中所規定的事項”2)這一定期匯報的義務。功率因數就包含在這一報告內容的項目之中,作為反映能源使用效率的指標,是非常重要的項目。 
3.改善功率因數
3-1 引進最佳循環控制
目前,多數的電力調整器采用的是相位控制。由于不同的加熱器有不同的特點,從確保各加熱器輸出特性的線性化和安全的角度出發,必須進行高精度的電力調整。表1中羅列了相位控制和最佳循環控制的特點。從中我們不難發現最佳循環控制和相位控制互有短長。但是,從能源管理的角度來看,相對于相位控制,最佳循環控制有著功率因數更好這一巨大的優勢。
表1 最佳循環控制與相位控制的特點



3-2 最佳循環控制的應用
正如表1所示,最佳循環控制和相位控制互有短長,因此,在從相位控制轉換到最佳循環控制時,有幾點事項必須予以注意。接下來,本文將以鹵素加熱器為例,對這些注意事項進行介紹。下面列舉兩點作為注意事項的說明︰
ヾ控制開始時有浪涌電流流入。
ゝ以低操作量進行控制時加熱器Off的時間比相位控制時長。
ヾ所列舉的浪涌電流的問題,容易發生在鹵素加熱器之類電阻值受溫度影響很大的加熱器上。就這一問題,我們通過附加軟啟動功能來嘗試抑制浪涌電流。在“6.用G3ZA型電力調整器控制鹵素加熱器”中我們還對抑制效果進行了驗證實驗。
另外,關于ゝ所列舉的低操作量時的加熱器Off時間的影響,我們也進行了驗證,確認了影響的程度。
4.何謂鹵素加熱器
所謂鹵素加熱器,就是利用鹵素燈放射出的光作為熱源的加熱器。這種加熱器通常使用電力調整器進行控制。這麼做的理由之一是鹵素加熱器的內部電阻會發生變化。鹵素加熱器中使用了鎢,鎢的電阻率在室溫下非常。 詬呶孿略蟣淶煤艽,受溫度變化的影響很大。比如後面講到的實驗中所使用的鹵素加熱器,相對于12A的額定電流,流入的電流為約160A,不同的溫度下流經加熱器的電流相差達到約13倍。
5.關于G3ZA型電力調整器
G3ZA型是一種可以選擇以下3種控制方式的電力調整器。具備RS-485通信功能,可以連接EJ1型(多點溫度調節器)以及PLC等上位機。
ヾ最佳循環控制
ゝ軟啟動最佳循環控制
ゞ三相最佳循環控制
6.用G3ZA型電力調整器控制鹵素加熱器
為了使各種加熱器都能夠方便放心地使用G3ZA型電力調整器,敝公司開發了“軟啟動最佳循環控制”。
這里,我們使用鹵素加熱器這一具有代表性的特種加熱器,進行實際的軟啟動最佳循環控制下的實驗,對以下3點進行了驗證。下面對實驗結果進行說明︰
ヾ控制開始時的浪涌電流的抑制效果
ゝ低操作量時的Off時間對溫度產生的影響
ゞ最佳循環控制的功率因數改善效果
6-1實驗條件
圖1所示為實驗的系統結構。上位機(向G3ZA發出輸出指令) 采用EJ1型3),使用RS-485通信從EJ1型向G3ZA型發送操作量,以控制輸出操作量,可以通過串行傳輸操作量信號省去布線。SSR采用帶過零觸發功能的SSR(G3PA型)。(此處省略G3PX型的系統結構圖。)


圖1 G3ZA系統結構圖示
6-2實驗方法
分別以相同的操作量對鹵素加熱器(2.4kW)進行相位控制和最佳循環控制,測量電流波形、溫度波形、有效電能、無效電能4項數據並進行比較。
最佳循環控制的代表機型采用G3ZA型,相位控制的代表機型采用G3PX型。(均為歐姆龍產電力調整器)
6-3 實驗結果
鹵素加熱器的控制實驗結果如下。
6-3-1 浪涌電流的抑制實驗
圖2所示為以最佳循環控制、相位控制、軟啟動最佳循環控制對鹵素加熱器進行控制時所測得的浪涌電流。用老G3ZA型只進行最佳循環控制時,浪涌電流的峰值達到了約140A。而軟啟動最佳循環控制與相位控制(帶軟啟動)時的浪涌電流峰值均為60A,由此可以得知軟啟動最佳循環控制的浪涌電流抑制效果達到了與相位控制相當的水平。


圖2 浪涌電流的抑制效果
6-3-2 低操作量時的Off時間的影響
圖3所示為操作量(MV)=10%的條件下使用電力調整器(G3ZA型、G3PX型)以最佳循環控制和相位控制來控制鹵素加熱器時,在1500s的整定時間內的溫度波形。操作量為10%時的Off時間為180ms(50Hz)。
向各電力調整器發出相同的操作量以控制鹵素加熱器。正如圖3所示,最佳循環控制時的鹵素加熱器的溫度波動幅度最大為0.6℃左右,相位控制時的鹵素加熱器溫度波動幅度最大為0.5℃左右,也就是說,兩者幾乎相等。
這是由鹵素加熱器的特點所決定的。因為加熱器在最佳循環控制的Off周期內冷卻還沒超過1℃時,下一個On周期已經來了。
另外,G3ZA型與G3PX型之間的整定溫度之所以有差異,是由于相位控制按相位角分配控制量,輸出特性並非線性所致。因此,即便施加相同的操作量,供給給加熱器的電力也不同。


圖3 低操作量時最佳循環控制和相位控制下的鹵素加熱器的溫度波形(MV=10%)
6-3-3功率因數改善效果
圖4所示為最佳循環控制和相位控制下,鹵素加熱器運行時的無效電能與有效電能的關系。
觀察有效電能相同時各自的無效電能,可以確認最佳循環控制時,無效電能比相位控制時低。有效電能相同時,無效電能低的一方功率因數更好。因此,最佳循環控制的功率因數優于相位控制。


圖4 最佳循環控制和相位控制的有效電能與無效電能
7.結論
在本文中,以鹵素加熱器為例,對其施以軟啟動最佳循環控制,進行了功率因數改善效果的驗證。其結果如表2所示。
由此可以得出以下兩點結論。
ヾ最佳循環控制的功率因數優于相位控制。
ゝ可以很好地應用于鹵素加熱器。


8.今後的展望
這次,我們以鹵素加熱器為例,對功率因數的改善進行了研究。但是,我們認為最佳循環控制所帶來的功率因數改善效果,並不僅僅局限于鹵素加熱器。若使用G3ZA型電力調整器所配備的“軟啟動最佳循環控制”,也可以考慮將最佳循環控制應用于各種加熱器(負載)。今後,本公司將針對各種應用來開展最佳循環控制的功率因數改善效果的驗證工作。

<參考文獻>
1)歐姆龍(株)“溫度控制解決方案”網站
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2)有關合理使用能源的法律(節能法)
3)田中均 等著《采用傾斜溫度控制法的溫度調節器EJ1型的開發》,OMRON TECHNICS Vol.47 No.1(期刊號第155 號)2006


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