調功器在變壓器固化爐溫度控制上的應用研究

周文鋒

（廣州西門子能源變壓器有限公司， 廣東 廣州 511356）

0 引言

干式變壓器具有運行安全可靠、高效節能、低噪音、體積小、維護方便、不易燃等優點，適用于工廠建筑、機場、地鐵隧道、學校等對安全要求較高的場所。 在干式變壓器的生產過程中，線圈預熱干燥、線圈固化等工藝過程非常關鍵，直接影響干式變壓器的產品質量。

干式變壓器固化爐主要用于干式變壓器高壓線圈的樹脂澆注物料的固化。在固化爐的使用過程中，關鍵在于如何準確控制其爐內溫度。 傳統的固化爐采用溫度控制器加固態繼電器進行溫度控制， 由于受溫度控制器的精度限制和固態繼電器無法線性調整電流等的等原因，在干式變壓器高壓線圈的固化過程中， 固化爐的爐內溫度精度不足，溫度控制效果不理想。 此外，傳統溫度控制器加固態繼電器的控制類型， 由于在溫度突變后進行動態調整的過程中有超調現象， 以及不能進行實時電流大小調整的原因，造成能源浪費，增加企業的能耗成本。 因此，如何提高固化爐的爐內溫度控制精度和控制效果， 減少能源的消耗， 成為當前變壓器高壓線圈固化爐溫度控制領域的研究熱點。

隨著控制技術的不斷發展， 調功器控制技術被廣泛應用于現代工業生產過程中， 其優異的控制精度和節能效果，吸引了越來越多的關注。 本文將調功器控制技術應用于干式變壓器固化爐的溫度控制過程中， 通過實驗對比，總結該技術在固化爐溫度控制中的優點，以期為固化爐的爐內溫度控制提供新的思路和方法， 同時探究調功器技術在未來固化爐溫度控制領域的應用前景。

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備，其主要作用是通過加熱的方式，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械強度， 固化爐的工作原理是在控制溫度和時間的條件下，將高壓線圈放置在固化爐腔內，通過加熱系統將爐腔的溫度階梯式升高，當達到所需固化溫度時，保持一定的固化爐時間，使得絕緣材料達到最佳的固化效果，形成溫度的固體結構，此過程中需要注意溫度精度的控制和時間的保持，從而保證高壓線圈的絕緣材料不會過度固化或未固化。

2 固化爐傳統通斷式溫度控制

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

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

結合下面式（1），當實際溫度遠低于設定溫度時，增加固態繼電器的導通時間占比D， 使得加熱電流可以直接加載都加熱絲上進行加熱， 而當實際溫度接近設定溫度是，減少固態繼電器的導通時間D，使得加熱電流作用在加熱器上的時間降低，從而降低加熱功率。但由于該過程只是通斷加載在加熱絲兩端的加熱電流進行通斷，不會改變加熱電流的波形， 因此該方式的溫度控制過程會必然存在精度不高的問題。 傳統通斷式固態繼導通占空比如式（1）：

式中：D—固態控制器的導通時間占空比；T1—固態繼電器的接通時間， 在該接通時間內加熱電流可直接作用在固化爐的加熱器上；T2—固態繼電器的關斷時長，該關斷時長內加熱器處在未工作狀態。

3 固化爐調功器溫度控制

調功器又稱為晶閘管電力調整器和可控硅電力調整器，其以可控硅為基礎，使用IGBT 模塊等的自動化數字電路為控制核心的電源功率控制器件， 其通常有一個可控的開關元件盒一個控制電路組成， 控制電流根據輸入的控制信號，控制開關元件的導通和截止，以控制輸出功率的大小，從而改變電加熱絲的調節輸出功率，原則上無通斷動作，從而保證較高的溫度控制精度。 此外，在梯級溫度的升溫階段，調功器可以根據反饋的溫度差，對電加熱絲的輸出功率進行無極調節， 使固化爐的爐內溫度梯度更加均勻。

應用在干式變壓器固化爐進行加熱溫度控制時，其可以根據安裝在固化爐內的溫度傳感器采集到的實時溫度數據，該數據將在調功器的上位控制系統內和預設溫度進行比較，通過上位控制系統運算，驅動調功器根據溫度偏差值來自動確定輸出功率的大小，并連續調節加熱電流的輸出至固化爐的加熱絲，當溫度高于預設溫度時，調功器可根據上位控制系統的要求，自動連續減低電力輸出，降低加熱功率；當溫度低于預設溫度時，調功器會自動增加電力輸出，提高加熱功率。這種反饋控制機制和可連續無級輸出加熱電流的方式， 可以保持固化爐溫度在設定范圍內穩定無超調加熱。

調功器利用晶閘管等電子器件的導通特性， 通過改變晶閘管的導通角度來調整電流的有效功率， 實現動態地根據反饋溫度和設定溫度的偏差實時調節功率的大小，從而實現對溫度的控制。 調節器脈寬增量（載波調頻寬度調制）和微調增量（微調電壓值）是調節電流和電壓的方式，如圖2 所示。

圖2 調功器加熱控制技術原理圖Fig.2 Schematic diagram of power regulator heating control technology

調功器控制技術在節能方面也具有很大的優勢。傳統的控制器為了維持爐內溫度不變，需要不斷調整輸出功率以維持定溫水平。調功器控制技術則可以根據爐內溫度變化來調節輸出功率大小，從而減少能耗，實現節能。

4 調功器與傳統控制器在固化爐溫度控制和能耗方面的實驗對比

4.1 干式變壓器高壓線圈固化加熱溫度控制精度對比研究

根據上述的研究分析，關于固化爐的溫度控制，由于調功器可以實時調整加熱電流的輸出大小， 從而實現根據實時的溫度反饋偏差的大小來實時調整給定輸出電流的大小， 理論上必然比傳統通斷控制溫度的方式更為精準， 因此為了量化對比調功器控制和傳統通斷式溫度控制兩種不同的方式對干式變壓器固化爐的溫度控制效果， 本文使用相同規格型號的干式變壓器高壓線圈作為溫度控制的測試對象， 對兩種固化爐的溫度控制方式在進行溫度變化情況進行測試。

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

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

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

溫度曲線的實驗結果表明，與傳統通斷式控制方式相比，調功器能夠更加精準地控制固化爐的爐內溫度，且固化爐的爐內溫度梯度也更加均勻。

4.2 固化加熱能耗對比

為了對比干式變壓器固化爐在使用調功器和傳統通斷式溫度控制方式的累計能耗，本文使用相同規格型號的干式變壓器高線線圈， 在同一周期（24小時）內對固化爐固化加熱單組干式變壓器的累計能耗進行測試。兩種溫度控制方式下的累計能耗對比情況如表1所示。

表1 調功器控制和傳統控制在固化單組干式變壓器繞組所需的能耗對比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，調功器控制技術在固化時間和能源消耗方面都有著顯著優勢，能夠在更短的時間內完成相同規格型號干式變壓器高壓線圈的固化任務，能源利用效率明顯提升，節能效果顯著。與傳統溫度控制器相比，調功器固化單組干式變壓器時，累計能耗可以節約26.5%。

5 結論

本文基于調功器控制技術在變壓器固化爐溫度控制上的應用，對固化爐的爐內溫度變化、固化時間以及固化所需能耗進行測試， 并與傳統通斷式溫度控制器進行對比和研究。 實驗表明，在固化爐溫度精度控制方面，調功器能夠更加精確地控制固化爐的爐內溫度， 溫度控制誤差基本在±1℃以內且爐內溫度梯度更加均勻。 實驗表明，在能耗方面，使用調功器控制可節約26.5%的累計能耗。相比固化爐加熱的傳統通斷式溫度控制器， 調功器在固化爐溫度控制方面具有更高的控制精度和節能效率。

同時， 由于調功器可實時根據需求功率的大小輸出給定功率，在本研究進行過程中，我們還發現調功器應用在固化爐溫控控制上除了具備溫度控制精度和節能降耗的優勢外，其還具備可延長加熱絲使用壽命的優勢。

調功器控制技術在溫度控制方面具有較大優越性，尤其在變壓器固化領域的應用表現良好， 隨著工業生產的發展需求， 調功器控制技術將會成為未來固化爐溫度控制領域的重要發展方向。