G3ZA 型电力调整器的卤素加热器应用事例---“关于最佳循环控制的功率因数改善效果”
- 关键词：电机,流量计,工控,步进电机
- 作者：片山 史将、今村 隆司
１．概述
欧姆龙（株）以实现“简单且高质量的温度控制”为目标进行着产品、技术的开发。1)敝公司备有多种输出设备，此次向大家介绍的是于2006年12月重新设计了的G3ZA型电力调整器。G3ZA型是通过与SSR组合来控制负载侧电力供应的电力调整器。电力调整器（意即控制电力供应的装置）有多种控制方式，各种控制方式各有其特点。此次介绍的最佳循环控制具有改善功率因数的效果。本文将通过与G3PX（相位控制）的对比来介绍G3ZA（最佳循环控制）所具有的“功率因数改善效果”以及应用事例。
２．塑料制造与功率因数
2-1能源管理与塑料制造
从削减成本的观点出发，对制造行业来说，减少制造所耗费的能源是重点所在。特别是在京都议定书签订之后，其重要性正在进一步加大。在塑料制造行业中，塑料的热加工通常需要消耗大量的电力、或者说能源。相信本文的读者中也有很多人正在致力于能源的节约。
2-2“功率因数改善的重要性”
在日本，特别对一些能源消耗超过一定限度的“能源管理指定工厂”2)，还必须承担“按照经济产业省令的规定，就能源的使用量和其他能源的使用状况以及耗能设备的安装及改造报废状况，每年向经济产业省主管大臣汇报经济产业省令中所规定的事项”2)这一定期汇报的义务。功率因数就包含在这一报告内容的项目之中，作为反映能源使用效率的指标，是非常重要的项目。
３．改善功率因数
3-1 引进最佳循环控制
目前，多数的电力调整器采用的是相位控制。由于不同的加热器有不同的特点，从确保各加热器输出特性的线性化和安全的角度出发，必须进行高精度的电力调整。表１中罗列了相位控制和最佳循环控制的特点。从中我们不难发现最佳循环控制和相位控制互有短长。但是，从能源管理的角度来看，相对于相位控制，最佳循环控制有着功率因数更好这一巨大的优势。
表１ 最佳循环控制与相位控制的特点
3-2 最佳循环控制的应用
正如表１所示，最佳循环控制和相位控制互有短长，因此，在从相位控制转换到最佳循环控制时，有几点事项必须予以注意。接下来，本文将以卤素加热器为例，对这些注意事项进行介绍。下面列举两点作为注意事项的说明：
①控制开始时有浪涌电流流入。
②以低操作量进行控制时加热器Off的时间比相位控制时长。
①所列举的浪涌电流的问题，容易发生在卤素加热器之类电阻值受温度影响很大的加热器上。就这一问题，我们通过附加软启动功能来尝试抑制浪涌电流。在“6.用G3ZA型电力调整器控制卤素加热器”中我们还对抑制效果进行了验证实验。
另外，关于②所列举的低操作量时的加热器Off时间的影响，我们也进行了验证，确认了影响的程度。
４．何谓卤素加热器
所谓卤素加热器，就是利用卤素灯放射出的光作为热源的加热器。这种加热器通常使用电力调整器进行控制。这么做的理由之一是卤素加热器的内部电阻会发生变化。卤素加热器中使用了钨，钨的电阻率在室温下非常小，在高温下则变得很大，受温度变化的影响很大。比如后面讲到的实验中所使用的卤素加热器，相对于12A的额定电流，流入的电流为约160A，不同的温度下流经加热器的电流相差达到约13倍。
５．关于G3ZA型电力调整器
G3ZA型是一种可以选择以下3种控制方式的电力调整器。具备RS-485通信功能，可以连接EJ1型（多点温度调节器）以及PLC等上位机。
①最佳循环控制
②软启动最佳循环控制
③三相最佳循环控制
６．用G3ZA型电力调整器控制卤素加热器
为了使各种加热器都能够方便放心地使用G3ZA型电力调整器，敝公司开发了“软启动最佳循环控制”。
这里，我们使用卤素加热器这一具有代表性的特种加热器，进行实际的软启动最佳循环控制下的实验，对以下3点进行了验证。下面对实验结果进行说明：
①控制开始时的浪涌电流的抑制效果
②低操作量时的Off时间对温度产生的影响
③最佳循环控制的功率因数改善效果
6-1实验条件
图１所示为实验的系统结构。上位机(向G3ZA发出输出指令) 采用EJ1型3)，使用RS-485通信从EJ1型向G3ZA型发送操作量，以控制输出操作量，可以通过串行传输操作量信号省去布线。SSR采用带过零触发功能的SSR（G3PA型）。（此处省略G3PX型的系统结构图。）
图1 G3ZA系统结构图示
6-2实验方法
分别以相同的操作量对卤素加热器（2.4ｋＷ）进行相位控制和最佳循环控制，测量电流波形、温度波形、有效电能、无效电能4项数据并进行比较。
最佳循环控制的代表机型采用G3ZA型，相位控制的代表机型采用G3PX型。（均为欧姆龙产电力调整器）
6-3 实验结果
卤素加热器的控制实验结果如下。
6-3-1 浪涌电流的抑制实验
图２所示为以最佳循环控制、相位控制、软启动最佳循环控制对卤素加热器进行控制时所测得的浪涌电流。用老G3ZA型只进行最佳循环控制时，浪涌电流的峰值达到了约140A。而软启动最佳循环控制与相位控制（带软启动）时的浪涌电流峰值均为60A，由此可以得知软启动最佳循环控制的浪涌电流抑制效果达到了与相位控制相当的水平。
图2 浪涌电流的抑制效果
6-3-2 低操作量时的Off时间的影响
图３所示为操作量（MV）＝10％的条件下使用电力调整器（G3ZA型、G3PX型）以最佳循环控制和相位控制来控制卤素加热器时，在1500s的整定时间内的温度波形。操作量为10％时的Off时间为180ms（50Hz）。
向各电力调整器发出相同的操作量以控制卤素加热器。正如图３所示，最佳循环控制时的卤素加热器的温度波动幅度最大为0.6℃左右，相位控制时的卤素加热器温度波动幅度最大为0.5℃左右，也就是说，两者几乎相等。
这是由卤素加热器的特点所决定的。因为加热器在最佳循环控制的Off周期内冷却还没超过1℃时，下一个On周期已经来了。
另外，G3ZA型与G3PX型之间的整定温度之所以有差异，是由于相位控制按相位角分配控制量，输出特性并非线性所致。因此，即便施加相同的操作量，供给给加热器的电力也不同。
图3 低操作量时最佳循环控制和相位控制下的卤素加热器的温度波形（MV＝10％）
6-3-3功率因数改善效果
图４所示为最佳循环控制和相位控制下，卤素加热器运行时的无效电能与有效电能的关系。
观察有效电能相同时各自的无效电能，可以确认最佳循环控制时，无效电能比相位控制时低。有效电能相同时，无效电能低的一方功率因数更好。因此，最佳循环控制的功率因数优于相位控制。
图4 最佳循环控制和相位控制的有效电能与无效电能
7.结论
在本文中，以卤素加热器为例，对其施以软启动最佳循环控制，进行了功率因数改善效果的验证。其结果如表2所示。
由此可以得出以下两点结论。
①最佳循环控制的功率因数优于相位控制。
②可以很好地应用于卤素加热器。
8．今后的展望
这次，我们以卤素加热器为例，对功率因数的改善进行了研究。但是，我们认为最佳循环控制所带来的功率因数改善效果，并不仅仅局限于卤素加热器。若使用G3ZA型电力调整器所配备的“软启动最佳循环控制”，也可以考虑将最佳循环控制应用于各种加热器（负载）。今后，本公司将针对各种应用来开展最佳循环控制的功率因数改善效果的验证工作。
＜参考文献＞
１）欧姆龙（株）“温度控制解决方案”网站
http://www.fa.omron.co.jp/guide/solution/tc/
２）有关合理使用能源的法律（节能法）
３）田中均 等著《采用倾斜温度控制法的温度调节器EJ1型的开发》，OMRON TECHNICS Vol.47 No.1（期刊号第155 号）2006