中频加热炉论文

中频加热炉论文（共5篇）

中频加热炉论文 篇1

引言

中频感应加热炉是一种利用电磁感应原理实现感应加热的电源装置, 由于这种加热方式是通过电磁感应传递的, 感应线圈与金属工件并非直接接触, 由工件自身产生热量, 所以称之为感应加热。感应加热炉的发展与数控技术及计算机技术的应用密不可分, 国外厂商以此取得先机, 其感应炉控制技术先进, 其效率高、可靠、操作简便等特点已经得到广泛认可, 因此大部分铸造厂普遍应用了“国外”生产的感应加热炉。如何吸收国外控制技术的长处来逐渐缩小差距, 利用PLC简单、精确的特点, 来控制感应加热, 提升感应加热系统的自动化水平具有重要的意义[1]。

1 感应炉的控制系统

中频感应加热炉主要由电源、炉体、传送装置和监测与控制系统四部分组成, 其结构如图1所示。其中控制系统是整个加热炉的核心环节, 它控制着整体运行过程中的绝大部分技术参数, 包括电源电压的控制与检测、传送带的速度, 炉体温度以及加热锻件的温度等等。坯料加热过程中对温度要求很严格, 过热会造成坯料过烧, 影响质量, 过低会使锻压设备加重负荷, 降低锻造设备使用寿命。

2 感应加热炉的PLC控制系统设备的选型

感应加热电源是感应加热炉的重要组成部分, 电力半导体器件及电力电子学的发展对其有着重要的影响。早期的感应加热电源主要有中频发电机组和电子管振荡器式高频电源、电磁倍频器和工频感应熔炼炉。近年来, 晶闸管、半导体工艺、集成加工技术的出现有力的促进了感应加热电源的发展, 为感应加热电源的应用提供了坚实的基础。感应加热电源若使用分立元件来控制, 自动化的程度比较低, 人机界面和通信系统效果也比较差;但是如果利用PLC控制感应加热, 就可以精确控制电源的各个参数, 达到简单、可靠的目的, 从而提高感应加热系统的自动化水平。PLC控制系统设计原则是在最大限度的满足被控对象控制要求的前提下, 力求使控制系统简单、经济、安全可靠, 并考虑到今后生产的发展和工艺的改进, 在选择PLC机型时, 应适当留有余地[2,3]。根据系统组成分析, 中频感应加热炉工艺共有18个DI点, 8个DO点;4个AI点, 2个AO点, 由此选用西门子的S7-200系列 (CUP 226) PLC作为控制中心, 模拟量输入模块为EM231, 模拟量输出模块为EM232。PLC控制系统基本组成如图2所示。

3 中频感应加热炉电源的控制系统设计

电源除了输出一定的功率和频率外, 还要能够在各种扰动的情况下满足生产需要。因此电源要具备一定的自动控制能力。工业中常用并联谐振逆变电路, 通过单独调节可控整流器输出电压来改变输出功率。通过调节中频电压就可以改变加热温度, 但是中频电压会产生波动, 而且温度控制存在滞后, 所以一般采用温度和电压双闭环的方法来实现, 如图3所示。内环是电压闭环控制, 外环是温度闭环控制, 内环根据电源电压和反馈电压的大小控制中频电流的输出功率, 外环根据设定的温度和反馈温度设定给定电压。系统中温度和电压的闭环都采用了PI调节器, 可以大幅度减少偏差, 并使系统迅速达到设定值。

4 结束语

本系统采用PLC设计控制系统, 因其具有便于控制、设计灵活、可靠性好、编程简单、性价比高、抗干扰能力强等特点, 但因其难以显示图表、用户界面较差、监控不便等缺陷导致系统使用过程中存在一定的局限。展望未来, 能够发挥控制系统优势, 又能提供良好人机界面的PLC控制系统一定会为工业控制做出巨大贡献, 本系统设计暂时没有考虑采用计算机作为上位机, 但在以后的研究中会进一步引入良好的人机界面, 期望使系统的控制能够更加简单可靠。

摘要：本文以PLC控制器为核心, 研究了中频感应加热炉控制系统模型, 从系统的需求出发, 进行了设备硬件的设计及控制模块和外围器件的选型, 初步设计了一种具有较高的可靠性和抗干扰性, 为工业生产提供了一种可行的方案。

关键词：PLC控制器,中频感应加热炉,电源,系统设计

参考文献

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中频加热炉论文 篇2

中频感应加热炉( 以下简称中频炉) 是一种快速稳定的金属加热装置,它靠变频装置把三相工频交流电转变为单相中频交流电。工件放到中频炉感应器内,感应器一般是输入中频或高频交流电( 1000 ~ 300000Hz或更高) 的空心铜管。感应器产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流,这种感应电流在工件的分布不均匀,表面强而内部很弱,到心部接近于0。利用这个集肤效应,可使工件表面在几秒钟内迅速上升到800 ~ 1000℃,而心部温度升高很小［1］。

变频装置作为中频炉的核心设备,其产生的谐波导致旋转电机产生附加功率损耗和发热,增加变压器和电网的损耗,使电能计量仪表产生误差,对继电保护、自动控制装置等产生干扰,严重时会引起误动作; 谐波还有可能在无功补偿电容器回路被放大,从而导致电容器过负荷甚至损坏; 另外谐波还会对相邻的通讯线路产生干扰［2］。因此,大功率中频炉的谐波问题不可忽视。

谐波电流对电网的影响较大,会使无功功率增加、功率因数降低,谐波电流的产生会对通信仪表造成干扰,引起继电保护设备产生误动作。某车辆厂锻工车间现购买1台中频加热炉,该中频加热炉在安装调试过程中出现以下问题:

1) 如果把中频先启动,辊锻机无法运行,开不了。

2) 如果辊锻机先合上开关,先运行,中频一合上开关,则辊锻机跳闸。

文中以该车间中频加热炉启动运行出现问题为例,对此问题进行理论分析并采取措施解决,最后进行实际调试运行。

1中频加热炉运行现状

用福禄克电能质量分析仪对齐厂锻工车间中频加热炉电网进行检测。中频加热炉电网三相谐波电流柱状图如图1所示。中频加热炉在电网中产生5次、7次、11次电流谐波,其中5次谐波电流最高为26% ,而电流总谐波HTD为33% 。除了电流谐波还有电压谐波,中频炉电网三相电压谐波柱状图如图2所示,其中最高为5次谐波仅为1. 2% ,电压总谐波HTD为4. 3% 。

中频加热炉设备的测试数据如表1所示。由表可知,该电网5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次谐波较大,而且产生高次谐波,其中5次电流谐波为18% ,7次电流谐波为10% ,11次电流谐波为8% ,13次电流谐波为6% ,17次电流谐波为5% ,19次电流谐波为4% ,23次电流谐波为4% ,总电流谐波HTD为26% 。由于高次谐波的产生和谐波较大,势必影响电网和电器元件的寿命,对于此类问题应做进一步的研究分析,寻找解决方法。

根据我国《GBT14549 - 1993》电能质量公用电网谐波标准。电压总畸变率在5% 范围内,电压谐波含有率奇次在4% 范围内,偶次为2% 。该电网中电压谐波仅为4. 3% ,奇次谐波与偶次谐波均在我国谐波标准范围内。因此,该电网的电压谐波不用治理。而该电网的电流谐波较大,超出该厂电流谐波允许范围。应对这个问题,应采取措施减小电流谐波对电网及设备的影响。

2谐波治理方案

中频加热炉电网测试数据如表1所示。由此可知中频加热炉电网中5、7、11、13、17次电流谐波超标,6脉整流主要特征谐波次数为6N ± 1,即5、 7、11、13、17次谐波。由于目前中频电炉的使用比较普遍,故对电网造成严重的谐波污染和干扰影响,威胁到电网设备的安全运行。因此,根据“谁干扰、谁污染、谁治理”的原则,必须在谐波源用户就地采取抑制谐波的措施,这是最经济有效的。如果该厂是长期使用该中频炉的话,建议该厂在配变的低压侧加装5次、7次及高通滤波器,就地滤除主要次谐波,将谐波水平限制到国标允许值范围之内。

现中频加热炉主要存在的问题是变频装置对断路器、继电保护装置造成干扰,影响设备正常运行。由测试数据可知,很可能是因为高次电流谐波污染电网,影响了电器元件正常运行。因此,该厂主要抑制电流谐波,解决现有存在的问题,使设备正常运行。

2. 1 LC滤波

滤除中频炉系统谐波的传统方法是LC滤波器,LC滤波器是传统的无源谐波抑制装置,由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成,与谐波源并联,除起滤波作用外,还兼顾无功补偿的需要［2］。LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上,例如5次、7次、11次谐振点上,达到滤除这3次谐波的目的。其成本低,但滤波效果不太好,如果谐振频率设定得不好,会与系统产生谐振。 虽滤波的效果较差,只要满足国家对谐波的限制标准和电力部门对无功的要求就行了。一般而言,低压0. 4k V系统大多数采用无源滤波方式,高压10k V几乎都是采用这种方式对谐波进行治理。

2. 2有源电力滤波

谐波抑制的另一个比较新的方法是采用有源电力滤波器( Active Power Filter - APF) 。它是一种电力电子装置,其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流,从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响,因而受到广泛的重视,并且已在日本等国家获得广泛应用。但有源电力滤波器成本高昂,价格昂贵,投资回报期长,大多数企业难以承受［3］。

2. 3混合型有源滤波

混合型有源滤波器结合了无源滤波和有源滤波的特性,其中无源滤波主要用于谐波补偿,有源滤波器用于改善无源滤波器的滤波特性。混合型有源滤波器不仅可以有效抑制谐波,而且造价比有源滤波器便宜。该厂比较接受混合型有源滤波器, 先采用混合型有源滤波器进行谐波治理。

3中频炉电网谐波治理

3.1谐波治理方案实施

为了限制谐波,在谐波源处安装混合型有源滤波器。串- 并联型有源滤波器示意图如图3所示。 图中的L - C滤波器主要消除高次谐波,IGBT有高输入阻抗、驱动功率小、开关速度快等优点,随着IGBT的广泛应用,使串- 并联型有源滤波器更具有发展前途［4］。根据国家标准抑制谐波电流对电网的影响,应把谐波电流控制在国家允许范围内。 由上所知,中频炉电网中5次、7次、11次谐波电流含量较高。因此,该厂用串- 并联有源滤波器安装在变压器低压侧就地滤除5次、7次和11次谐波电流,把谐波控制在允许范围内,最终达到消谐的目的。目前,该车间有2台中频加热炉,该厂先选购2台串- 并联有源滤波器,把串- 并联有源滤波器安装在谐波源出,变压器输出端接入该装置。现该厂调试运行该设备,先启动中频加热炉,然后启动辊锻机,发现运行正常。接着把中频炉和辊锻机都断开,然后把辊锻机总闸先合上,先运行辊锻机, 然后启动中频加热炉,发现设备运行正常。

用福禄克电能质量分析仪对中频加热炉电网进行检测。电网谐波电流如图4所示。由图4可知电网中总谐波电流HTD为2. 2% ,在国家谐波运行范围内。该电网滤波后三相谐波电压柱状图如图5所示。由图可知该电网总谐波电压THD为1% ,虽然谐波电压不用滤除,但是该系统也降低了谐波电压的畸变率。说明串- 并联混合滤波器不仅滤除谐波电流,还降低了谐波电压畸变率。

安装串- 并联有源滤波器之后,中频加热炉电网中谐波电流含量大幅度下降,并在国际允许范围以内。这一事例证明串- 并联有源滤波器对中频电炉电网谐波抑制有非常显著的效果,使设备能够正常运行,避免了设备的停产导致工厂的经济损失, 也避免了因谐波污染严重遭到电网部门的罚款。

3. 2效益分析

一般与电能质量问题相关的费用主要有:

1 ) 与产品相关的损失,如产品、原材料的损失,生产能力的损失,库存提高的要求等;

2) 与生产相关的损失,如工厂停产、职工加班、故障清理、设备维修等;

3) 其他费用,如损坏的设备、丧失时机的费用、因航运耽搁的罚款等。

对于改善中频炉电能质量过程中如何精确估计这笔费用是比较困难,因为它涉及到很多领域, 包括经济、管理等方面。该改善方案的实施不仅有效避免了电网谐波对设备运行的干扰,而且对以后该问题的解决具有一定的参考价值。

4结论

通过对中频炉与棍锻机无法正常工作进行分析研究,使该厂重视变频设备引起谐波对电网电能质量的影响。谐波治理是电网部门一直关注的重点,不仅影响电网的电能质量,还影响设备运行及设备的使用寿命。工厂应对中频炉大型变频设备电网电能质量的检测及治理应更加重视,有效的治理不仅提高车间的加工效率,还能避免谐波造成的经济损失。在谐波的治理过程中,如何在节约经济的条件下更好的治理谐波是工厂最为关注的前提。 因此,应合理的设计研究谐波治理方案,产生什么谐波就治理什么谐波,最终达到节约的目的。

摘要：分析某车辆厂中频加热炉启动运行对电网的影响,然后对存在的谐波进行有效地治理。用电能质量测试仪对该中频加热炉电网进行检测,结果发现该电网存在严重的谐波污染,通过对检测数据的分析研究,找出治理谐波污染的方案。通过现场的调试与检测,最终对该电网的谐波进行有效的滤除,实现设备的正常运行。

中频电源及电加热技术应用 篇3

1 中频电源加热工作原理

中频电源由6部分组成:串行接口、信号源、放大器、工作电源、电压变换器、稳压控制。中频电源原理连接框图如图1所示。

感应加热是根据电磁感应原理, 利用工件中涡流产生的热量对工件进行加热的。感应加热法的基本工作原理为:电源向感应线圈通入交变电流i而产生一定频率的交变磁通φ, 如 (式1.1) 交变磁通φ在置于感应圈内的工件中产生感应电势e2如 (式1.2) 及感应电流, 使得工件发热, 产生发热功率P。按这个原理进行的加热叫感应加热, 磁通φ随时间t按正弦规律变化, 即:

在工件中产生的感应电势:

感应电势的幅值为E2m=φmω=2πφmf, 为了提高感应加热的效率, 要求E2m尽可能大。增大电源通入感应线圈的电流i, 或者提高电源的频率f都能使得E2m增加。从上述原理不难看出, 要想提高工件的加热效率, 在一定范围内:

(1) 提高电源通入感应圈的电流i;

(2) 提高电源的频率f。

在中频范围内, 国内已形成2 0 0 H z~1 0 0 0 0 H z, 功率为1 0 0 k W~3 0 0 0 k W系列产品, 可以配备5 t以下的熔炼炉及更大容量的保温炉, 也适用于各种金属透热, 表面淬火等热处理工艺尤其在废旧钢铁熔化及铸造上已经得到了普遍的应用。

2 中频感应加热电源的结构及应用

2.1 中频感应加热电源的构造

上世纪80年代末出现的IGBT (绝缘栅双极晶体管) 在90年代得以广泛应用。它容量大、开关速度快、易驱动, 正逐渐取代GTO (可关断晶闸管) 的市场。尤其在中等容量范围内, IGBT与GTO相比, 在价格、性能及应用难度方面具有明显的优势。

随着电力电子学及功率半导体器件的发展, 感应加热电源拓扑结构经过不断的完善, 已形成一种固定的AC/DC/AC变换形式。由于并联谐振型的感应加热电源易于实现保护。因此, 并联谐振型电流源逆变器更优于串联谐振型电压源逆变器。然而, 在采用IGBT的电流源逆变器中, 存在一个不可忽视的换相电感, 会使逆变器产生浪涌电压, 从而使器件的开关损耗增加, 甚至引起功率器件的击穿。对此, 将采用电流源逆变器最佳相角控制方案来解决这个问题。

2.2 中频感应加热电源的主电路

IGBT主电路工作模式一般是让工作频率在谐振频率附近。为了减小逆变管的开关损耗, 逆变器的工作频率略大于其谐振频率, 这样电路的阻抗接近最小, 负载效率高, 同时开关器件的损耗最小。

若逆变器的工作电压不变, 则在谐振点附近的输出功率最大, 当提高逆变器工作频率时, 负载等效阻抗增高, 输出功率减小, 输出功率因数很低, 而且逆变器主开关管工作在硬开关状态, 开关损耗大, 效率低。

2.3 功率调节应用

感应加热的主要特点是随着加热过程的进行, 负载不断变化, 谐振频率变化, 功率因数变化, 质量因素变化, 这样必须对逆变器的输出功率和频率都做相应的调整。主要应用于石油、化工、钢铁等工业快速、均匀加热。功率调节有改变功率因数和改变直流电压等方式。

2.3.1 整流侧斩波调功

整流侧斩波调功的目的是改变直流端电压, 调节输出到负载的能量, 根据负载所需功率要求, 通过斩波器的占空比来调节。在稳态运行过程中, 实时从谐振回路中反馈电流的变化, 从而了解负载的变化, 通过与基准值比较获得占空比的大小。此方法控制简单方便, 且工作频率与谐振频率可以同步, 功率因数高, 无功损耗小。

2.3.2 改变功率因数

通过改变工作频率来改变功率因数。通常, 为减小器件开关损耗, 工作频率应大于谐振频率。若逆变器的工作电压不变, 则在谐振点附近负载等效阻抗最低, 电流最大, 因而输出功率也最大。

当提高工作频率时阻抗也随之增大, 电流减小, 功率因数也减小, 因此输出功率随之减小。由此可见, 逆变器的输出功率可由工作频率来调节, 特别当负载回路Q值较高时调节更灵敏。因此, 直流端可为三相不控整流电源。逆变电路的工作频率f的大小由所需的功率要求决定。这种调功方法速度快, 整流电路简单。但是当所需功率很小时, 会让系统工作在严重失谐的状态, 无功损耗大。

2.3.3 移相控制调功

移相调功是通过移相控制, 即每个桥臂的两个开关管180°互补导通, 两个桥臂的导通角相差一个相位, 即移相角, 通过调节移相角的大小调节负载电压的宽度, 从而调节输出功率。根据脉冲的作用先后可把桥臂分为超前臂 (A1, A3) 和滞后臂 (A2, A4) 。移相调功时电路仍工作在谐振状态, 实现负载电压基波分量与负载电流同相。在两桥臂开关器件都关断时, 由反并联二极管续流 (图2) 。

3 结语

本文对中频感应加热原理做了详尽阐述, 论述了其构造及应用方法, 在油井开采中应用广泛, 并以实例论述。随着中频电源技术的发展和广泛应用, 感应热处理生产线自动化程度及对电源高可靠性要求提高, 感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。由于感应加热用电源一般功率都很大, 目前对它的功率因数, 谐波污染指标还没有具体要求。但随着减少电网无功及谐波污染要求的提高, 具有高功率因数及低谐波污染电源必将成为今后发展的主要趋势。

摘要：基于中频电源电加热技术的基本工作原理分析, 提出了其构造及应用策略。

关键词：中频电源,电加热,功率调节

参考文献

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中频加热炉论文 篇4

稠油和高凝油因含大量的沥青胶质和蜡质,粘度大,流动性差,开采时需要采取一定的措施来降低其粘度。稠油开采主要有研究合适的开采技术,可以降低开采成本,提高产量。国内以空心抽油杆单相交流电加热为主,存在单相电源的过多使用导致三相配电系统的不平衡和油管结蜡问题。

稠油和高凝油因含大量的沥青胶质和蜡质,粘度大,流动性差,开采时需要采取一定的措施来降低其粘度。研究合适的开采技术,可以降低开采成本,提高产量。国内外的稠、凝油的开采主要以加热为主,归结起来可分为三类:注热水或热浇、化学降粘、电加热。美国以电加热带加热技术为主,俄罗斯以交流线圈加热技术为主,国内以空心抽油杆单相交流电加热为主[1,2]。美国的电加热带加热技术和俄罗斯交流线圈的加热技术都存在工艺复杂,热效低,维修困难等弊病。单相工频加热技术,存在如下几个问题:

(1)单相电源的过多使用导致三相配电系统的不平衡,中性点的严重偏移,损耗加大,故障率高,同时对电网危害较大;

(2)由于三相电压不平衡,造成某一相电流值偏大,超出变压器的额定运行电流,必须对变压器进行增容,增加了容量电费的支出,配电设备的容量利用率较低。

(3)单相供电对电网造成的不平衡扰动,会对抽油机电机、三相配电变压器等其它用电设备产生较大影响。三相不对称电源会导致电机绕组中有负序分量电流。而负序电流在电机运行过程中是起制动作用的,它们都将以热的形式损耗在电机中,造成许多附加损耗。这些损耗不但增加了耗电量,提高了生产成本,而且也加速了设备的老化,增加了维修费用等[3,4]。

(4)由于是单相工频加热,电源控制柜的功率因数较低,加热效率较低;

为此,我们提出三相平衡供电、智能分时控制、输出频率在5000Hz附近可调的中频电加热技术,实验表明节电效果明显。

2 原理

2.1 AC-DC-AC逆变系统

AC-DC-AC逆变系统电路如图1所示。输入电压是工频、三相AC 380V。在输入端采用二极管整流器,将工频下的三相交流电整流成直流。然后经过滤波,由全桥逆变器变换成频率和占空比在一定范围内均可调节的单相交流电,通过隔离变压器输出。

如图2所示,AC-DC-AC逆变系统封装在一个控制柜中。逆变系统的输出电压直接加在采油油管上。由于油管是热源体,呈现传输线的特性,因此输出电压的频率不能太高,否则引起油管发热不均匀。频率范围的最佳值为5000Hz左右。

由于采用AC-DC-AC逆变系统供电,三相电压转换为单相电压,电网不平衡问题得到了解决。

U、V、W与三相380V电源连接;J为交流接处器;GL为隔离电抗器;C1-n、C1’-n’为电解电容(n=6或8);IGBT1-4为绝缘栅型双极晶体管;B为非晶态变压器;Uo为变频逆变输出电压。

2.2 中频油管电加热

中频油管电加热技术利用油井中的油管做热源体,将电能转化成热能直接加热井筒内的液体,化蜡、降粘,使井筒内的原油在举升过程中的温度始终保持在原油凝固点以上连续生产。

如图2所示,对称的三相工频交流380V电压被逆变为单相40-100Hz的交流电压,直接加在采油油管上,经油管下部的油套管接触器连接到套管,形成一个完整的回路。根据焦耳-楞次定律,当电流通过油管和井壁套管时,因具有一定的电阻而发热,产生的热量与电流的平方成正比。电能直接转化成热能,加热管内液体。绝缘隔离管连接上下油管,保证了井口设备安全。油套管扶正器安装在油管上,保证油管与套管隔离。光杆下面连接绝缘抽油杆(绝缘抽油杆下侧仍为常规抽油杆),以避免电能传送给地面设备。

由于采油油管是加热体,因此避免了采油过程中管壁结蜡的问题。

2.3 油管加热参数和特点

油管加热技术参数如下:

●输入电压:三相AC 380 V

●输入频率:50 Hz

●输出频率:5000Hz

●输出电压:0 V,300 V,350 V,400 V

●输出功率:0-100 k W

油管加热特点:

●三相平衡供电,降低了对电网的影响;

●直接对油管加热,因此可以避免油管结蜡,提高稠、凝油的采油效率;

●由于采用绝缘栅型双极晶体管IGBT,逆变电源体积小、重量轻。

3 应用

AC-DC-AC逆变系统适合于稠、凝油电加热开采。该技术已经用于辽河油田沈阳采油厂的高凝油开采,目前运行情况良好。表1-3给出了两口井的节电测试结果。

电费1k Wh按0.4613元计算,一年按运行300天计算。表1给出的是单相工频空心杆加热时的用电情况。单相工频空心杆加热一年平均消耗功率是45.5k W,消耗电能398580k Wh,电费183864.5元。应用了AC-DC-AC逆变系统的三相中频油管加热后,一年平均消耗功率是36.5k W,消耗电能319740k Wh,电费147496元(见表2)。中频油管加热与工频空心杆加热相比节约电能20.8%(见表3)。

4 结束语

本技术有效地解决了电网扰动和油管结蜡问题。由于井下加热元件为油管本身,井下装置基本没有维护工作量,可以重复利用,提高了电加热装置的使用寿命。由于该技术是直接对油管加热,杜绝了油管的结蜡问题,避免了油井经常性地洗井,提高了油井的生产时率。同时采油油管变频加热控制柜的功率因数能达到0.9 6以上,减少了无功损耗,提高了设备容量的利用率。

摘要：本文提出一种中频油管电加热技术,它利用油井中的油管做热源体,将电能转化成热能直接加热井筒内的液体。电能由三相配电变压器输出,经AC-DC-AC逆变电路输出电能传送到油管,经油管下部的油套管接触器连接到套管,形成一个完整的回路。本技术有效地解决了电网扰动和采油油管结蜡问题。

关键词：中频,油管,电加热

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中频加热炉论文 篇5

随着冶金制造业的发展, IGBT中频感应加热电源在工业中的应用愈加广泛, 由于其高效节能, 逐渐取代了可控硅中频电源, 成为工业冶炼电炉的供电设备。在感应加热过程中, 负载谐振频率会随温度等参数变化, 电源效率与系统能否有较好的跟踪负载谐振频率有着直接关系, 因此, 对中频感应加热电源的频率跟踪进行研究具有很重要的意义。为了使负载始终都能得到最大的功率, 这就要求IGBT中频电源的输出频率f能随着负载固有振荡频率fo 的变化而变化, 始终保持频率自动跟踪。

本文采用霍尔传感器取样经CD4046转换成一定的频率信号与SG3525A控制器的自激频率相比较, 输出一个反馈信号给SG3525A控制器, 从而改变SG3525A控制器的自激频率, 使SG3525A控制器的输出频率与负载频率一致, 达到实时跟踪的目的。

1 单闭环控制系统原理

1.1 负载的频率瞬态分析

感应加热系统的负载是由电感线圈与补偿电容串联组成的LC 振荡回路。当IGBT逆变器的输出频率f等于负载回路的固有振荡频率fo时, 此时回路的功率因数等于1, 负载将得到最大输出功率。补偿电容C的值固定不变, 而电感L则与炉料的导磁系数成正比:

L=Kμ0μsN2S/l (1)

式中:K—系数, 取决于线圈的半径R与长度l的比值;

μ0—真空磁导率, 取4π×10-7;

μs—线圈内部磁芯的相对磁导率;

N—线圈匝数;

S—线圈的截面积, m2;

l—线圈的长度, m。

根据中频炉电感L和输出频率f的要求, 补偿电容C可通过公式 (2) 计算出来。

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在感应加热电源工作中, 其负载电路如图1所示, 其中Lhs、Rhs、Ch分别为感应线圈的电感、电阻、补偿电容。

此时:

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在式 (3) 中, U、R、L、C确定不变, 电流I随ω的变化而变化。图2为电流与频率变化规律曲线图。

完全谐振时, 电流达到最大值, 效率最高。本电路感性负载实际频率运行在ω1 处 (略大于负载固有谐振频率ω0) 。

1.2 频率跟踪

本系统利用闭环调节自动跟踪负载频率。控制电路结构图如图3所示。频率的检测部分经霍尔传感器得到负载电流频率信号, 将该信号经过CD4046的压控振荡器形成对应的频率信号, 最后通过SG3525修正自激频率。

频率通过检测霍尔传感器取出负载的电流值, 经CD4046转换成为一定的频率信号。同时SG3525自激产生一定频率的信号, 将这两个信号进行比较, 输出一个反馈电压信号来自动调节控制器SG3525的电压值, 以实现对IGBT的它激频率的改变, 这样就可以保持IGBT它激频率和负载的现场频率相等, 使电压电流的相差为零。最终达到对负载频率跟踪的目的。

2 单闭环控制系统在IGBT中频感应加热电源中的应用

2.1 数据分析

在同一负载下, 单闭环系统应用在100kW/2.5kHz IGBT中频感应加热电源样机的各项指标与100kW/2.5kHz可控硅中频感应加热电源样机相比较, 得出相应参数如表1所示。

在电源输入功率未达到额定功率100kW前, 电源有几个预热点。如表1所示, 加热过程中输入功率越大, 现场频率变化越剧烈。本文采用的方法可对现场频率进行精确的跟踪, 使电源完全工作在谐振点上, 电源效率达到了95%以上。相比可控硅中频电源, 电效率大幅度提高。

2.2 节能效果

对于中频炉而言, 频率越高电效率也越高。若是熔化等量的铷铁硼, 可控硅中频电源需用7721kWh电能, 而IGBT中频电源只需6241kWh电能。显然IGBT中频电源较可控硅中频电源节能优势明显。

现按每台电源每天使用10h, 每小时用电50kWh, 可控硅中频电源每年消耗140909kWh电能, 而IGBT中频电源每年消耗117183kWh电能, 节约23725 kWh电能。若按电价0.60元/kWh计算, 每年IGBT中频电源比可控硅节约14235元。以上计算未将无功损耗纳入其中, 加入IGBT中频电源的可比性更强。

综上所述, IGBT中频电源是电力电子技术发展的必然趋势, 它将成为冶金制造业的重要标志。

3 结语

本文利用闭环调节自动跟踪负载频率, 外围电路简单, 响应速度快, 超调量小, 稳定性好, 采用电流单闭环PI控制方式保证了感应加热电源频率跟踪的精度, 使电源始终保持高效运行。IGBT中频电源目前己广泛应用在金属熔炼铸造及热处理工件加工中, 并逐渐替代可控硅中频电源, 在当前提倡节能的社会环境下, 有很高的应用价值。

参考文献

[1]潘天明.现代感应加热电源[M].北京:冶金工业出版社, 1996.

[2]夏思淝, 夏霄红, 俞琳, 等.新型半桥式IGBT逆变中频感应加热电源[J].电力电子技术, 2006, (12) :63-64.