淺談鋰電輥道爐中可控硅的使用

黃一鳴

摘要：鋰電池作為新能源發展的關鍵與基石，其相關材料的生產與制備一直以來備受關注。隨著相關技術的進步與突破，輥道爐憑借高產能、低污染的優點成為了制備鋰電池正負極材料的主流設備?？煽毓枳鳛殡姞t常用溫控執行元件的一種，對其相關使用的研究對輥道爐具有重要意義。本文將圍繞著基于可控硅的鋰電輥道爐溫控方法進行分析，介紹交流固態繼電器與電力調整器這兩種基于可控硅的電氣元件的相關內容，對比兩者優缺點并列舉可控硅在工業領域中使用的相關實例。

關鍵詞：輥道爐;可控硅;固態繼電器;電力調整器

1、引言

近年來，隨著兩化融合、中國制造2025等國家激勵政策的推動，我國鋰電池生產行業得到的蓬勃的發展[1]。鋰電池材料作為鋰電池的基礎與核心，其生產制造技術成為了行業發展的重點。

鋰電池的正負極材料常用的制備方法為高溫固相反應法。燒結設備作為高溫固相反應的常用工業加熱設備，在鋰電池材料的制備過程中有著舉足輕重的地位。近年來，隨著相關技術的發展，由于產能高、污染低、故障少等優點，輥道爐逐漸成為鋰電材料燒結設備的主流[2]?？煽毓枳鳛殡姞t常用溫控執行元件的一種，在輥道爐設計與應用中有著廣泛應用。

隨著電氣技術與相關設備數字化、模塊化的發展?；诳煽毓璧慕涣鞴虘B繼電器（SSR）與電力調整器（SCR）相繼出現并開始運用到實際生產過程中。SSR憑借功率大、可靠性高、控制穩定性等優點，在工業控制上應用日益廣泛。SCR電力調整器則由于數字化設計，具有豐富的參數設定、檢測和完善保護功能，控制精度高，抗干擾能力強，配置靈活等優點，廣泛用于工業各領域的三相電壓、電流、功的控制調節[3]。

本文將圍繞著基于晶閘管的鋰電輥道爐電熱元件控制方法進行分析研究，介紹可控硅的工作原理;說明對比交流固態繼電器與可控硅電力調整器的電熱控制方法，并列舉部分在工業領域中使用可控硅進行溫度控制的相關應用實例。

2、可控硅相關設備工作原理

可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR），也稱晶閘管，是一種大功率電器元件。其分單向可控硅和雙向可控硅兩種。單向可控硅結構表示如下圖1所示。

單向可控硅由四層半導體材料組成的，對外有三個電極：陽極A、控制極G和陰極K。當陽極A加上正向電壓時，和 管處于放大狀態，此時，如果從控制極G輸入一個正向觸發信號，便有電流流過，經 放大，其集電極電流。 因為的集電極直接與的基極相連，所以，此時，電的集電極電流。這個電流又流回到的基極，形成正反饋，使不斷增大，使得可控硅飽和導通。由于可控硅只有導通和關斷兩種工作狀態，所以它具有開關特性[4]雙向可控硅在結構上相當于兩個單向可控硅反向連接[5]。這種可控硅具有雙向導通功能。其通斷狀態由控制極G決定。在控制極G上加正/負脈沖可使其正/反向導通。

固態繼電器（Solid State Relay，SSR），是用半導體器件代替電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關器件，SSR工作時只要在輸入端上加上一定的控制信號，就可以控制輸出端的導通和斷開，實現無觸點開關的作用。通常情況下開關電路采用兩只大功率單向晶閘管反并聯代替雙向晶閘管，一方面可提高輸出功率;另一方面也可提高耐浪涌電流的沖擊能力，這種SSR稱為增強型SSR。

可控硅電力調整器（SCR Power Controller），是一種利用可控硅及其觸發控制電路來實現對負載功率的盤裝功率調節的電力儀器。SCR電力調整器的基本原理是通過控制信號輸入去控制串在主回路中的SCR模塊，改變主回路中電壓的導通與關斷，由此達到調節電壓或功率的目的。

在觸發方式上，SSR用簡單的電平控制，而SCR電力調整器需要用不間斷的脈沖來不斷地觸發。原理本質上，SSR相當于一個高性能無觸點開關，通過導通與端開狀態的進行電氣調節，不能進行連續的電壓電流調節。SCR電力調整器可通過調節可控硅的導通角等方法，實現對電壓和功率的調節。在核心電氣結構上，SCR電力調整器的核心是可控硅，而固態繼電器的核心是可控硅加上其對應的同步觸發驅動也。應用上，用于小功率的加熱時通常采用固態繼電器，即使頻繁通斷對系統的影響與資源的浪費也較小。但在進行大功率電加熱控制的時候，一般使用SCR電力調整器，以減少對電網的影響。成本上，二者相比，使用SCR電力調整器的造價更高一點。因此目前相關工業電爐領域使用固態繼電器控制加熱的比較多一點。

3、相關應用實例

可控硅作為目前工業電路常用的電熱控制執行器件，其的在國內相關企業與機構的產生應用也是碩果累累，其中合肥恒力裝備有限公司作為國內窯爐行業的龍頭企業，其設計的鋰電輥道爐無論在交流固態繼電器還是在可控硅電力調整器的使用中均取得了一定的成果。

合肥恒力裝備有限公司研制的HGS21532-1408ZN型氣氛輥道爐將歐姆龍E5EC型號溫控儀和希曼頓公司固態繼電器應用到爐體溫控電路中，實現了在氮氣氣氛下的鋰電輥道爐爐體溫度控制。該型號輥道爐爐體包含多個溫區，每個溫區由上下兩個控溫回路進行溫度控制。每個控溫回路采用簡單的閉環控制方法，其控溫回路電路如下圖5。

該控溫電路控制器主要由溫控儀和固態繼電器組成，使用熱電偶進行爐內測溫，硅碳棒進行爐內加熱。溫控儀讀取熱電偶采集的溫度信號，使用PID算法計算并輸出控制信號給固態繼電器輸入端，進而控制SSR輸出端的通斷。SSR的輸出端連通著電源與加熱棒，通過控制SSR的通斷實現對控溫回路的控制。此外，電流表、RS485通訊設備、交流接觸器的加入實現對控溫回路的監控與保護，從而保證了該型號鋰電輥道爐加熱功能的實現與完備。該型號輥道爐已經投入生產，在貴州、重慶、江蘇等地的企業中均穩定且高效的生產著鋰電材料。

此外該公司的HGF16330-2210ZO型氣氛輥道爐則是將歐姆龍E5EC型號溫控儀和臺灣樺特公司的SCR電力調整器作為輥道爐溫控電路的控制核心，實現了鋰電輥道爐各溫區控溫回路的溫度控制。其控溫回路電路如下圖6。

該型號輥道爐同樣采用熱電偶作為測量元件，硅碳棒作為執行元件?？販仉娐房刂破鲃t是由溫控儀和SCR電力調整器組成。溫控儀讀取計算溫度實際與設定的偏差，通過PID算法輸出控制信號給SCR電力調整器。電力調整期控制著爐體加熱絲的輸出，依據溫控儀的輸出信號來決定對加熱元件的輸出。通過電流表、電壓表監控加熱絲的輸出，并通過RS485通訊設備監控溫控儀的狀態與相關參數。保證了輥道爐加熱的正常運行。該型號輥道爐在貴州、江蘇、湖貝等地的多家企業的運行生產中中均取得了良好的效果。

4、結語

輥道爐作為當前鋰電池行業材料生產的重要設備，其在新能源發展方面具有十分重要的地位。而其作為電爐的一種，可控硅的使用在輥道爐的相關電氣設計中又是不可回避的問題。本文針對可控硅在相關電爐設計中的需求，介紹了當下常用可控硅電熱控制元件：固態繼電器與SCR電力調整器，分析了兩者的優缺點，舉例了國內部分廠商與機構的應用成果與方法。對未來相關研究具有一定參考價值。

參考文獻

[1]蘇文生，王世剛，李鵬飛.基于熱平衡的鋰電池材料燒結輥道爐節能技術[J].工業爐，2018，040（005）：52-54，71.

[2]徐金龍，李爭，奚思.模塊化在氣氛輥道爐設計中的應用[J].混合微電子技術，2015，026（003）：P.109-113，117.

[3]徐蘭君，謝鑫，姚元媛.淺談電阻爐電氣設計、選型及施工[J].工業加熱，2017（2）.

[4]余曉軍，彭慶超.CFC技術在工頻感應電爐中的應用[J].云南冶金，2013（04）：75-79.

[5]徐長軍，王峰，蘇艷巖，張西華.雙向可控硅的設計及應用[J].電子產品世界，2008（12）：33-35.