电加热系统在浮法玻璃锡槽中的分析与应用

2018-06-28贺杰锋

中国设备工程 2018年12期

贺杰锋

（河北南玻玻璃有限公司，河北廊坊 065600）

在浮法玻璃生产线中，成型工段是玻璃生产过程中的重要环节，这环节中，电加热系统是一重要设备，因为在烤锡槽过程中，电加热系统担负着关键的角色，在生产过程中，根据工艺的要求需维持锡槽内温度高低的变化，也需要使用电加热。所以说，锡槽电加热系统是玻璃成型所不可缺少的重要组成部分。锡槽电加热系统主要由调功器、变压器、硅碳棒等组成。

1 调功器

调功器根据触发方式可分移相型和过零型两种。

移相型：用可控硅器件在电压达到特定值才导通，调节起始导通电压（相位），就可调整功率。移相触发的主要缺点是容易造成电源电压波形畸变和高频电磁波辐射干扰，大触发延迟角运行时，功率因数较低。

过零型：在电压为零时开启或关断可控硅，调节可控硅导通与关断时间的比例，就可调整功率。过零触发的主要缺点是，当通断比太小时会出现低频干扰，当电网容量不够大时会出现照明闪烁、电表指针抖动等现象，通常只适用于热惯性较大的电热负载。过零型比调相型调整范围宽、对外干扰小。

图1 移相触发与过零触发波形图

如图1，如果是在刚刚过红色箭头处触发，则为过零触发，触发信号起始点之后的几乎整个半波是全导通的状态。如果是在其它时间触发，如图中A处，则为移相触发，此次触发的电源有效范围是从触发起到下次零点前的那一部分即图中A处半波的阴影范围。

由于过零触发电流冲击小、调整范围广、对外干扰小，所以锡槽电加热控制中被广泛应用。而调功器中最关键的元件就是可控硅，可控硅全称为可控硅整流元件，又称为晶闸管。可控硅体积小、结构简单、功能强，可起到整流、逆变、变频、无触点开关等多种作用，因此现已被广泛应用于各种电气设备中，如变频器、整流器等等。同时它在交直流电机调速系统、调功系统及随动系统中也得到了广泛的应用，几乎在高度自动化发展的今天随处可见。可控硅调功器是一种以可控硅（电力电子功率器件）为基础，以智能数字控制电路为核心的电源功率控制电器，简称可控硅调功器，具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。调功器由触发板、专用散热器、风机、外壳等组成。通过对电压、电流和功率的精确控制，从而实现精密控温。在锡槽加热过程中，通过给定4～20mA型号或使用Profibus总线通讯等方式来给定信号，控制锡槽内温度的变化。

2 变压器

锡槽电加热变压器是非标特殊用途变压器，专用于玻璃生产线锡槽，设计时是按照锡槽硅碳棒加热分区功率值，进行一对一设计、制作，不可用其他用途变压器代替。锡槽电加热变压器不是普通的三相整流变压器，是三相调功变压器，三相过零触发调功器接入变压器原边。技术要求如下。

（1）变压器原边电压绝缘等级500V，原边电压：3相380V±10%，50Hz。

（2）变压器抽头位置：初级抽头1档△ /△ 380/60V、2档△ /△ 380/75V、3档△/△380/90V，所有变压器均为△/△接法，接法改为△/Y后，变比为380V/104V。

锡槽变压器要选择四档的原因在于在整个生产过程中，随着时间推移锡槽硅碳棒也在不断的老化，热效率也不断的降低，由此给锡槽带来的热量也就越来越低。但是由于锡槽又是一个密封的空间，更换老化的硅碳棒几乎是不可能的事情，除非是停产冷修。为了减少投资，延长锡槽的使用寿命，为此我们可以通过提高变压器二次侧电压来提高热量，保证工艺使用需要。但是切记不要轻易提高变压器二次侧的档位，因为档位越高也会加速硅碳棒的老化，应根据生产的实际需求，慎重的进行调整。

（3）变压器底座需带良好的减震装置，目的是防止变压器通电时产生震动影响锡槽锡液面波动（减震胶皮厚度大于30mm）。

（4）绝缘耐热等级H级：符合锡槽高温环境要求，变压器出线初次级均为下出线，方便接线。磁感应强度小于1.4特斯拉（调功器要求）。

（5）外观：H级绝缘材料，耐热温度185℃。涂层光亮，平整，无气泡，无破损，附着力强，富有弹性，可经受变压器长期运行，性能稳定，对变压器铁芯起到保护作用。工作环境温度95℃（长期）。

（6）铭牌为金属铭牌，产品型号、出厂编号、额定容量、耐热等级、冷却方式、输入电压电流、重量、制造日期及初、次级接法等相关内容在铭牌上反映清楚。

（7）半封闭金属保护罩，以便充分散热。防护等级：IP20。

（8）变压器的常规检验项目：绕组绝缘电阻测量；绝缘直流电阻测量；工频耐压试验；连绕组别测验；变压器测量；空载电流和空载损耗测量；短路阻抗和负载损耗测量；感应耐压试验。空载试验，三相平衡电流±5A以内；不得有温升。

（9）变压器功率的选择。如图2中电加热1区功率105kW；变压器功率为105×1.4（安全系数）=147,则变压器的选型为150kVA。

（10）电缆选择。因锡槽环境温度极高，普通电缆根本无法满足现场使用环境，则电缆应选择耐高温的YGC硅橡胶电缆。电缆的大小应根据一次侧电流 105000÷380÷1.732≈ 160A，则电缆应采用3×120mm²方可满足。

图2 电加热配电系统图

二次侧电流（按变压器输出60V档运行，分别给2组硅碳棒供电）105000÷60÷1.732≈1010A，则电缆应采用2×[3×（2×95）］mm²方可满足。

应注意，变压器出线端一般均采用铜制高温电缆，而硅碳棒是铝头连接，这就产生了铜和铝连接的问题，因为这是两种不同化学性质的金属材料。长期暴露在高温空气中，加之电流不断流通，使得铜铝两种材料的接触面产生电解反应，出现氧化现象。随着时间的推移，两种材质间的接触面电阻越来越大，最终会导致不能接通，或者是接触不良，使得整个加热系统无法正常工作。同时，电阻的不断增大，加之大电流流过，接头处就会发热烧红，严重时将会引起火灾。所以在铜线和铝线连接处，必须使用专用的铜铝过渡端子。

3 硅碳棒

目前国内浮法玻璃生产线使用的锡槽电加热系统均采用硅碳棒电加热，硅碳棒电热元件是以碳化硅为主要原材料，经过一定的成型工艺，通过2000℃以上的高温烧结而制作而成的一种非金属电热元件。硅碳棒将电能转化为热能的过程与金属电阻丝的发热有本质的区别。硅碳棒在通电发热过程中，其电阻率随着温度的不同而呈非线性变化。在室温至800℃（国产硅碳棒），随着温度的升高电阻率迅速减小，在800℃时达到最低值，随着温度进一步升高，其电阻率开始增大，并且增加的幅度愈来愈高。硅碳棒的最高使用温度不能超过1450℃，使用温度超过此值硅碳棒将快速老化，使用寿命将受到严重影响。硅碳棒在使用过程中电阻值将缓慢增大，当其电阻值增大到开始使用时阻值的四倍时，硅碳棒寿命终结。所以在采用硅碳棒元器件加热时，一定要详细了解硅碳棒的本身性质及使用性能。硅碳棒特点有使用温度高，具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、升温快、寿命长、高温变形小、安装维修方便等特点，且有良好的化学稳定性。在高温下硅碳棒会缓慢氧化，为了防止氧化，锡槽内通常都会通入保护气体氮气和氢气，更重要的也是为了防止锡槽氧化。