感应加热炉

2024-06-19

感应加热炉（精选9篇）

感应加热炉篇1

引言

大规模无缝钢管挤压的关键技术发展,主要发生在20 世纪五六十年代。早期建成的挤压机的挤压力一般为10 ~ 20MN,目前大多数为30 ~ 50MN。自从2005 年以来,由于市场的变化世界各国已再次开始兴建新的生产线。

由于目前与例如连轧等其他制造工艺的竞争,挤压工艺主要应用于高合金奥氏体钢、双相钢和超级双相钢,以及镍基合金、钛和锆合金[1]。

无缝、耐蚀、耐高热且耐高压的无缝管的应用表现在: 陆上和海上石油和天然气行业; 化学和石油化工; 电力行业; 机械与设备; 水处理; 核工业; 食品工业; 煤炭气化; 化肥生产; 环境保护; 航空航天;航海技术; 生物技术和医学技术。

依据挤压机的规格,一般坯料的尺寸在直径180 ~ 450mm的范围内,且最大长度为1500mm 。当坯料直径为200mm时周期时间约为60s,当直径为300mm时时间增加为3min,这个数据在实际工厂中比较普遍。根据应用和材料性质,这种现代加热系统的性能为15000kg /h。

复杂的不锈钢合金,在挤压机出口温度上可接受范围很小。因此虽然感应炉的能耗很大,但却是首选设备。能耗较低的环形加热方式通常用于稀有合金变化。在当前项目中将2 种加热方式相结合使用,其中现代感应炉做出了较大的效率改进。

1 感应炉工作原理

感应炉的工作原理如图1 所示。当线圈通过交流电流时,在其内产生交变磁场。当其中放有金属导体时,由于电磁感应作用,金属导体中在与磁力线成直角的圆周方向,产生与线圈电流方向相反的涡流,由涡流产生的焦耳热I2R使导体加热。

消耗于金属坯料中的功率P为:

式中: f—感应频率。

当其他参数不变时,功率P与频率f成正比,因此,提高频率,在相同体积中释放的能量增大,这就是感应加热中采用中、高频率的原因。

2 IGBT感应加热变频器

高频感应加热技术是20 世纪初发展起来的一项加热技术。由于其具有加热速度快、材料内部发热和热效率高、加热均匀且有选择性、产品质量好、几乎无环境污染、易于实现生产自动化等一系列优点而得到迅速推广。

绝缘栅双极晶体管( IGBT) 是由一个场效应管和一个GTR以达林顿方式结合,所以IGBT既具有场效应管输入阻抗大驱动功率小的优点,又具有GTR通泰电流大的特点。IGBT是以GTR为主导件,MOSFET内形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,从而IGBT导通。在门极上加负电压时,MOSFET内的沟道消失,PNP晶体管的基极电流被切断,IGBT关断。

IGBT高频感应加热电源设备可比同类真空电子管事电源大幅度提高电能效率,明显降低冷却用水量,节水节能效果显著。

在实际生产中,往往会出现偏心距大及工艺要求复杂的情况。

无缝管偏心距增加的主要原因为: 1) 未知的温度变化情况; 2) 温度分布不均; 3) 不稳定工艺条件; 4) 润滑不充分。

工艺要求包括: 订单量大,但只有少量坯料为相同的规格; 坯料直径变化大,切换时间短; 复杂材质提出新的要求。

针对上述问题及要降低生产成本的要求,就必须要有高性能加热系统应用其中。挤压生产不锈钢管工艺流程如图2 所示。

以下系统用于各种用户要求的加热:

1) 卧式感应基本加热系统,最终立式感应加热;

2) 还原气氛的燃气旋转炉和最终段立式感应加热;

3) 小坯料直径最大为180mm,不用扩孔机,用卧式感应预热设备来得到高产量;

4) 燃气旋转炉预热到700℃ ,中间感应炉和终段单坯料加热炉。

3 立式再加热

在完成坯料基础加热后即温度大约为1100 ~1200℃ ,坯料将传送到立式扩孔机。在这里坯料将根据所要求的管子内径而被扩为规定的直径。

在扩孔过程和后续动作中坯料局部会冷却下来,并且在进入最终加热之前,坯料温度分布极度不均匀。

为纠正这种温度分布不均情况,并将工艺温度重新加热到1230 ~ 1300℃,最终感应加热在整个工艺中起着至关重要的作用。

大体上,最重要的发展之一就是在最终立式加热中对坯料采用分段式加热。也可称为多段加热,这种加热方式保证在加热期间温度公差小、温度梯度小以及坯料中温度分布均匀性好。

将线圈分成多个轴向排列区段,通过独立切换可达到单个区域加热的工艺要求,重要的是材料不会过热。此项技术早在多年前就已在铝挤压工业中作为最先进的技术得到认可,并且经证实通过轴向温度梯度的使用能够实现等温挤压。

为减少热量损耗,避免保护护栏在坯料温度分布上完全的负面影响( 可能出现于卧式加热系统中) ,钢坯从水平位置旋转90°到垂直位置。坯料有着不同的长度,为保证坯料在线圈中能够到达界定的位置,将线圈放置在支架上。由于使用了这个支架,在坯料在多区线圈中旋转和移动时要小心,直到到达界定的顶部位置为止。

此应用包括4 个电隔离且独立调整单个线圈段,其每个的最大输出为230k W至250k W。整个线圈的最大可用长度由坯料长度决定,一般为1500mm。发展出一种无冷却磁场延长装置可作为可靠的方式来加热较短的坯料。由于材质的电阻高,则需要较长的线圈端部以此来均匀地对坯料进行加热,包括头部和尾部。

使用低损耗、多层线圈能够保证实现高效。配合使用无磨损开关柜作为多区IGBT变频器,则会使得低生产成本和提高温度控制成为主要附加益处。

根据配置情况,可使电效率达到81% 。通过使用多层线圈能够降低标称电流额定值从而可能使钛合金的电效率达到83% 。线圈剖面的设计对系统的效率有着重大影响。这种设计会确保频率在规定范围内调整,从而减少在最终加热阶段出现内部过热的情况。

4 结语

将多区感应加热系统作为最终加热,结合可调频率和IGBT变频器的变功率控制,可影响温度分布以便从本质上改善工艺。现代多个立式的单个坯料加热器,连同可由燃气炉实现的基本预热,能够达到经济、灵活和可重复的工艺控制方案。

摘要：感应炉的应用,使高合金钢管生产进入一个崭新阶段,IGBT感应加热变频器以及立式感应再加热设备,在灵活性和能效性方面有着显著优势,可使挤压生产无缝高合金钢管达到所要求的严格加热公差及近些年来对高合金无缝管逐渐增多的要求。

关键词：高合金,无缝,感应加热

感应加热炉篇2

摘要：分析了串联谐振型和并联谐振型感应加热电源的负载电路及负载匹配的重要性，针对不同电源类型对负载匹配方案进行了研究，介绍了多种负载匹配方法。

关键词：感应加热电源;负载匹配;串联谐振型;并联谐振型

1 概述

随着电力电子技术及器件的发展，固态感应加热电源已在金属熔炼、透热、淬火、热处理、焊接等行业得到越来越广泛的应用。对于热处理行业的大部分负载来说，感应加热电源设备须经过负载阻抗匹配后才能正常工作。所谓负载阻抗匹配就是为了使电源输出额定功率，而采取的使负载阻抗等于电源额定阻抗的方法和措施。

对于一台电源设备，其额定电压UN和额定电流IN取决于电源本身，为使电源能输出额定功率，要求有合适的负载阻抗Z=ZN=UN/IN与电源匹配，如果Z≠ZN，电源与负载不匹配，电源利用率就降低。以简单的直流电压源为例：电源额定电压Ud=400V，额定电流Id=400A，额定阻抗|Zd|=1Ω，负载阻抗|Z|=1Ω时，电源输出额定功率;|Z|=0.5Ω时，输出电流为I=Ud/|Z|=400/0.5=800A，电源过载;|Z|=2Ω时，输出电流为I=Ud/|Z|=400/2=200A，电源轻载。图1可清楚的表明以上所说情况。

图1中，线1表示负载与电源匹配，线2表示电源重载，线3表示电源轻载。电源与负载不匹配时，为保证不损坏电源设备，只能降额运行，降低了电源利用率，适当的匹配可以使电源全功率运行，保证设备正常运转，减少故障。在实际中，很少有负载阻抗恰好等于电源额定阻抗的情况，负载匹配是感应加热装置安全可靠经济运行的一个必不可少的环节，是感应加热电源负载侧设计的重要内容。

2 负载等效电路分析

感应加热装置的感应器支路可以等效成一个电阻和一个电感串联或并联的形式[1]，等效的电感、电阻是感应器和负载耦合作用的.结果，其值受感应器与负载耦合程度的影响。等效感应器支路是一个感性负载，功率因数很低，需加入电容器进行无功补偿，补偿电容器与感应线圈的连接方式有串联和并联两种形式，从而形成两种基本的谐振电路：并联谐振电路、串连谐振电路。为了提高效率和保证逆变器安全运行，固态感应加热电源一般工作在准谐振状态，串联谐振电路和并联谐振电路的特性，见表1。

从表1可以看出，串联谐振电路在谐振状态下等效阻抗为纯电阻，并达到最小值，并联谐振电路在谐振状态下等效阻抗达到最大值，为了获得最大的电源输出功率，串联谐振电路采用电压源供电，并联谐振电路采用电流源供电，即电压源型感应加热电源必须匹配串联谐振型负载电路，电流源型感应加热电源必须匹配并联谐振型负载电路，这是电源与负载的初次匹配措施。

3 负载匹配方案分析

负载匹配方法主要分为两大类：静电耦合和电磁耦合。静电耦合主要采用无源元件，通过改变电路拓扑结构来改变负载阻抗。这一方法在一定条件下可以省去匹配变压器，因此更加经济、方便。电磁耦合主要采用匹配变压器，通过变压器变换阻抗特性进行负载匹配。下面针对不同电路形式进行分析。

3.1 并联谐振电路负载匹配方法

感应加热炉篇3

【关键词】KA3525；三星单片机S3F9454；PWM；感应加热电源

0.引言

在当今工业生产中，很多地方都要用到中小功率的感应加热电源，例如对工件进行淬火、熔炼贵金属等。这类电源大多为并联谐振型电源，由电流源直接供电，通过直流侧的控制电路实现功率调节，即通过调节整流晶闸管的移相触发角来实现功率调节。这类电源在制作时需要消耗大量材料，入端功率因数低，包含比较大的平波电抗器，对电网也有较大的谐波干扰，效率低。因此，这类电源如今越来越不符合人们对具有高品质的感应加热电源的要求。本文就这一问题，设计出了一种容易实现、高品质的中小功率感应加热电源。

本文结合KA3525和三星单片机S3F9454的特点，研制出了一种基于KA3525并利用单片机辅助控制的高频感应加热电源。对高频感应加热电源的工作原理作了详细分析，并对它的功率调整电路、主电路、控制电路等作了主要阐述。

1.感应加热电源原理及总体结构

首先通过不控整流电路，将220V的交流电转换为脉动直流，再经过电容滤波得到平直的直流电压，然后通过高速V-MOS功率场效应管组成的桥式逆变电路，得到高频方波交流电压，利用变压器隔离实现阻抗匹配，将高频高压电变为低压大电流，从而对金属进行加热。

系统主要由七个部分组成：

不控整流电路：本文采用不控整流将220V的交流电变为不可调的直流电。

滤波电路：逆变谐振一般采用电容濾波，这里为减小体积，采用了电感，为防止电流冲击破坏电路，特在电路中设置了延迟环节。

桥式逆变电路：本文装置频率较高，必须采用高速V-MOS场效应管；由于单管电流容量受到限制，而场效应管具有易并联的特点，因此在满足耐压的前提下，采用多管并联方式来满足输出功率的要求。

高频变压器隔离：串联谐振一般Q值较大，谐振时，电压可达千伏以上，须采用变压器隔离，同时变压器还能起到阻抗匹配作用。在高频条件下，一般选用高频铁氧体磁芯作为变压器磁芯。

调控电路：控制电路、保护电路构成了调控电路的主体，负责调整控制感应加热电源的输出功率，而且使IGBT始终工作在准零电流开关状态，提高整机的工作效率。

控制电源：将交流电压转换为VDD，18V和5V直流电。其中，VDD给风扇供电，18V电压给IGBT驱动，5V电压用于单片机、显示板、信号采样提供基准电压等电路。本文设计采用VIPER12A构成的5V电源和18V电源。

2.PWM控制芯片KA3525简介

随着电子科学技术的发展，功率MOSFET越来越多的被应用于开关变换器中。为此，美国硅通用半导体公司推出了KA3525芯片，用来驱动n沟道功率MOSFET。KA3525是电流控制型PWM控制芯片，可在其脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器的输出信号进行比较，来调节输出占空比，使输出的电感峰值电流随误差电压变化而发生变化。内部结构上有电压环和电流环双环系统，大大提高了开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性。KA3525脉宽调制控制器，不仅能够控制调整死区时间，而且还有可编式软起动，脉冲控制封锁保护等功能。通过改变KA3525第5脚上的电容值和第6脚上的电阻值，可以改变输出控制信号PWM波的频率；改变第9脚COMP的电压可改变输出脉宽，这些功能大大改善开关电源的动态性能，简化了控制电路的设计。

3.调控电路设计

逆变器的调功方式有很多，但所有的方式都有其自身的优缺点，如逆变调功由于不用可控整流，控制电路大大简化，但此时逆变的角度会随着功率的改变而改变（PDM方式除外）。在大角度换流时，逆变管的损耗会很大，这样的话，要想进一步提高功率和工作频率，效果会不很理想。在PDM方式调功时，功率为有级调节。直流调功方法与移相调功方法相比，后者可以不用可控整流，这样控制电路会大大简化，而且输出功率的速度比采用可控整流要快。但是此时的逆变角度会随功率的改变而改变，频率的跟踪不易实现，负载不易保持在谐振频率附近工作。

而且桥臂开关在工作的时候属于硬开关状态，在大角度换流时，逆变管的损耗很大，这样的话对于进一步提高功率和工作频率很不利。结合本文，选用脉冲频率调制方式调功。同时选择PWM控制芯片KA3525，使用该芯片可以简化控制电路。KA3525具有可调整的死区时间控制、可编式软启动和脉冲控制封锁保护等功能，这些功能均可以简化整体电路。

调控电路框图如图三所示。系统由KA3525产生两路反向方波来控制IGBT的导通与关闭，IGBT驱动采用由MOSFET构成图腾柱输出的直接推挽方式，增强了驱动能力。采用推挽式功率变换电路，由于开关电源中的两个开关管交替工作，其输出电压波形对称。开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，输出电流瞬间响应速度高、电压输出特性良好。

3.1启动和关断

软启动电容接入端接入一个4.7uF的软启动电容。当软启动电容充电至其上边的电压使得引脚8处于高电平时，KA3525开始工作。负载端反馈的电压与单片机的控制输出端19的输出的信号通过比较器比较，并将结果送到KA3525的外部关断信号输入端10引脚。如果结果为高电平，芯片内部工作被关断，11脚和14脚输出的PWM驱动信号被关闭，主电路IGBT关断，从而实现主电路的保护功能。

3.2调功和输出

将单片机的功率调整信号输出端13与Rt连接起来，即可通过单片机控制PWM波的频率，从而对输出功率进行调整。它的输出级11、14引脚输出两路互补的PWM波，采用图腾柱式结构，拉电流和灌电流最大可达400mA。

4.主电路结构及设计

逆变电路分为单相和三相两大类。单相逆变电路采用桥式接法。主要有：单相半桥和单相全桥逆变电路。而三相电压型逆变电路则是由三个单相逆变电路组成。这里我们采用单相半桥串联谐振逆变电路。

KA3525的11脚和14脚输出都采用图腾柱输出。但KA3525产生的驱动信号电压较低，基本上在4-5V之间，不能驱动IGBT，所以要将这个电压放大到18V，以便更好地驱动IGBT。本电路采用的是外加驱动隔离电路，使其经过推挽电路以及变压器的放大，增强其驱动能力和电源的可靠性。

为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了续流二极管D10，D11，D12，D13。

稳压管ZD2、ZD3、ZD4、ZD5并联在输出电路上，目的是使输出维持一个稳定的电压。

末端采用推挽式功率变换电路。由于开关电源中的两个开关管IGBT1和IGBT2交替工作，使得输出电压波形对称。并且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，输出电流瞬间响应速度高，电压输出特性好。两个对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，即使在输入电压低的情况下，仍能维持较大功率输出。

4.1电流检测电路

互感器串联在市电电路中，可将整个电路工作时电流的变化情况如实地转换成交流电压值。交流电压通过由4个二极管组成的全波整流桥整流后，送入由R35、R37和C8组成的RC滤波器。再经R35和R37分压，R3限流，電容C1滤波，送入CPU的17引脚，CPU通过判断此点电压来检测电路中电流的变化情况，以达到调节实际功率、防止过流的目的。该电路又称为电流反馈电路。整机若要正常工作，则该点电压正常是满足正常加热的条件之一。

CPU根据检测此电压信号的变化情况来检测电磁炉的输入电流，从而自动做出各种动作：

（1）检测到待加热金属后，会用1秒钟的时间来检测电流的变化，通过电流变化的差值，确定待加热金属的材质和尺寸。

（2）工作时，单片机时刻检测电流的变化情况，根据检测到的电压和电流信号，自动调整PWM做功率恒定处理。

4.2电压检测电路

电压信号取自电磁炉电源交流输入端，交流信号由整流桥输出的整流脉动电压通过R34和R36分压后传到单片机的16引脚。

工作时，单片机时刻检测电压的变化，若电压过高或过低（一般150V-250V电压为正常），单片机将会发出保护的指令，停止加热，并显示代码。电压恢复正常后，加热炉自动恢复，继续工作。

5.电路整体设计

6.总结

本文通过对感应加热电源原理及总体结构做简单介绍，设计了一种采用电流型PWM控制芯片KA3525和三星单片机S3F9454控制实现输出功率可调的高频感应加热电源电路，并对其调控电路和主电路的原理和实现作了详细介绍，设计了相应的硬件电（下转第227页）（上接第222页）路，具有简单高效等特点。 [科]

【参考文献】

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感应加热炉篇4

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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感应加热炉篇5

1 控制系统的功能和要求

感应加热炉控制系统如图1所示,根据加热钢坯的需求,加热炉必须具备如下功能:

a.根据钢坯的实际温度和轧机入口温度要求,加热系统要能够为钢坯提供最大200℃的温升;

b.由于钢坯温度分布为头低尾高,温差大约为50～80℃,控制系统要求能够克服此温差,使出加热炉的钢坯温度分布均匀;

c.系统应具备手、自动控制两种控制模式;

d.系统工作在自动控制模式时,能够自动采集钢坯温度,并通过调控中频电压将不同温度的钢坯加热到设定的温度值;

e.系统要具备过载报警、漏电报警等各种报警信息和状态信息。

2 控制系统的硬件实现

感应加热炉控制系统的硬件部分主要分为:采样输入部分、PLC控制器和输出执行部分。其中采样输入部分主要包括钢坯温度测量,钢坯移动速度测量,加热炉电压、电流、频率的测量及报警信息输入等。

钢坯的温度测量部分安装3个测温仪,图1中Tmp1测温仪为提前测温点,位置设在距离加热炉入口略大于钢坯长度的位置。此测温点主要是扫描采样全钢坯的温度分布;Tmp2设置在距离加热炉入口500mm前后,此测温点主要是用来记录进入加热炉的确切温度;Tmp3设置在距离加热炉出口500mm前后,此测温点主要是用来记录钢坯经过加热炉后出炉温度分布。钢坯移动速度测量是通过测量变频器频率,计算出轨道滚轴的转速,进而得出钢坯移动速度。加热炉的电压、电流、频率的测量通过电压变送器、电流变送器以及频率变送器实现,这样可以减少现场强电部分对控制信号的干扰,保证控制系统稳定可靠的运行。

由于控制系统规模较小,本系统的控制器选择西门子S7-200系列PLC的CPU226,并配以3个模拟扩展模块EM231和一个EM235扩展模块。所包括的变量类型及其分配如下:

a.开关量输入。主控保护信号8路,电源状态信号两路,外围设备保护信号4路,远程急停信号一路,高速计数器一路,总计16路。

b.开关量输出。远程继电操作信号6路。

C.模拟量输入。系统可用16路,实用12路,备用4路(两路电压、两路电流),其中0～10V电压信号6路,4～20mA电流信号6路。

d.模拟量输出。一路模拟输出,传送至中频电源柜的主控板上,用于PLC调节电压输出。

输出执行部分主要包括6路远程继电操作开关信号和一路模拟调压输出信号。通过继电器的闭合,启动主控电源及动力电源等,通过一路模拟输出信号,控制调节输出电压。控制系统的硬件接线如图2所示。

3 控制系统的软件实现

3.1 控制系统的控制方式概述

根据现场实际测量,钢坯的温度分布呈现头高尾低的特点,而且由于钢坯表面受氧化层影响,测试的温度也存在跳变情况,因此在温度采集后进行了相应的滤波处理。另外感应加热炉对钢坯的加热效果与钢坯进入加热炉的体积有直接的比例关系,根据钢坯在加热炉中的行进过程,将加热过程分为3个阶段:

a.第一阶段——从钢坯头部进入加热炉到头部出加热炉,炉膛内从空炉无钢坯到逐渐变为满炉连续状态。此过程中,加热炉从空载到满载过程。

b.第二阶段——钢坯充满炉膛的过程,此过程是连续匀速的。此过程中,加热炉运行在满载状态。

c.第三阶段——钢坯的尾部进入炉膛到尾部离开炉膛的过程,炉膛内从满炉连续状态逐渐变为空炉无钢状态。此过程与第一阶段相反,加热炉从满载逐渐减为空载。

3.2 感应加热炉控制方案概述

根据机理建模及实验数据分析,可得到感应加热炉的模型结构,如图3所示。

Tmp2——钢坯入炉温度分布;

Tmp3——钢坯出炉温度分布;

s pd——钢坯移动速度;

Iout——感应加热炉输出电流;

Vout——感应加热炉输出电压;

VGD——控制系统优化电压设定值;

Gl(S)——感应加热炉输出电流传递函数;

Gc(S)——感应加热炉电压控制器;

Gd(S)——感应加热炉驱动特性函数;

Go(S)——感应加热炉温度特性函数;

Ge(S)——感应加热炉电压优化设定曲线

3.3 感应加热炉优化及控制方案实现

3.3.1 VGD优化曲线实现

根据工厂需求和钢坯的3种加热阶段,本系统设计了3种加热模式:简单恒压、线性调压和分段调压。图4给出了3种模式的曲线表示,在实际实现过程中,系统根据检测到的Tmp2温度分布曲线及移动速度Spd来决定采用何种加热模式。

3.3.2 Vout控制器实现

在本项目实施过程中,通过神经网络初步分析得到感应加热炉驱动特性函数近似于一阶对象模型,因此Vout控制器Gc(S)采用了标准的PID控制器来实现。

4 控制系统的运行效果

本控制系统经过设计、实验、现场安装和调试,现已在重庆永航钢铁有限公司和镇江鸿泰钢铁有限公司投入正常生产。图5给出的曲线图是通过生产中测得的实际数据绘制出来的,从图中可知,经过加热炉后,温度基本维持在1 100℃左右,而且从3根钢坯的加热曲线可以看出,钢坯加热前温度分布越均匀,加热效果也越好。

5 结束语

笔者主要阐述了在热连轧厂大功率磁感应加热炉控制系统中利用PLC作为核心控制器,实现对连轧钢坯的升温过程控制,但由于现场时变因素较多,钢坯与钢坯的差异性也比较大,对于加热前钢坯温度分布不均匀的情况,本控制算法的加热效果不是特别理想,还有待进一步完善和优化。随着研究的深入和新的专用控制算法的提出,本控制系统的控制效果也将进一步完善,届时,本套加热炉系统也将获得更广阔的市场应用。

摘要：随着节能降耗技术的要求越来越高,大功率感应加热炉技术在钢厂热连轧系统中应用越来越广泛。利用西门子PLC实现对大功率感应加热炉的自动控制,实现对钢铁热连轧的温度分布控制要求。现场应用证明:该技术大大降低了系统整体能耗。

关键词：PLC,感应加热炉,温度控制

参考文献

[1]潘天明.工频和中频感应炉[M].北京:冶金工业出版社,1983.

[2]李雷,李文江.基于IGBT中频感应加热电源的研究[J].仪器仪表学报,2007,14(5):7-8.

感应加热设备维修探析篇6

1. 中频感应加热的工作原理

感应加热是利用电磁感应原理将电能转变为热能的加热方式。如图1所示, 当感应圈中流过交变电流i1时, 便会产生交变磁通Φ, 工件由于电磁感应而产生感应电势ε, ε=-dΦ/dt。如果磁通Φ呈正弦变化, 即Φ=Φmsinωt, 则感应电动势ε和感应电动势有效值U分别满足ε=-Φmωcosωt, U=4.44fΦm (Φm为回路最大磁通量, f为回路电流频率) 。由于中频感应炉中被加热金属有一定的电阻R, 于是感应电势在工件中必然会产生电流i2, 在电阻的作用下, 由于集肤效应和涡流损耗, 便会发热, 其热量为Q=0.24i22Rt (i2为感应电流的有效值, R为工件电阻, t为时间) 。金属获得的功率P=Ui2cosΦ=4.44fΦmi2cosΦ×10-3 (cosΦ为功率因数) 。可见, 要使被加热金属达到一定的温度, 必须在被加热金属内产生足够大的电流i2, 而i2是由U产生, 加大ε和U的途径是增加i1和提高i1的频率f。f越高, 磁通就变化越快, ε就越大。为了得到同样的加热效果, f越高, Φ和i1就可以小一些, 这样可以减少线圈中的铜耗, 提高感应炉的电效率。

2. 系统介绍

KGPS-500/2000感应加热设备的主回路包括整流器、直流电抗器、逆变器、电容器与感应加热线圈组成的并联负载谐振回路 (图2) 。其工作原理为采用三相桥式全控整流, 将交流电整流为直流电, 经电抗器平波后, 成为一个恒定的直流电流源, 再经逆变桥将直流电流变成一定频率的单相中频电流, 输出的频率取决于LC电路的谐振频率, 逆变回路能够自动跟踪负载参数变化, 起到自动调频的作用, 通过调功电位器改变给定的电压值, 控制整流控制角, 从而控制整流输出电压, 得到所需的中频电压值。

控制回路采用电压、电流双闭环控制 (图3) 。电压调节器的运算放大器部分与电流调节器相同。其给定电压-Ugd取自稳压电源, 反馈电压+UFV取自中频电压互感器, 经整流后由电位器引出, -Ugd与+UFV相比较, 差值电压作为电压调节器的输入。电压调节器的输出Usc作为电流调节器的给定电压, 与电流负反馈-UFI相比较, 其差值作为电流调节器的输入, 然后通过控制整流触发器的α角去控制整流器的输出Ud和Id, 从而控制相应的中频电压Uα。

3. 启动方式

撞击式启动原理为:预充电正常时, 交流电经过整流后对电容进行充电, 充电结束后关闭充电电路, 同时打开放电电路对槽路负载进行放电 (一次电的撞击) , 检查回路将检查到的电压和电流取出, 通过自激系统产生触发脉冲, 在负载上产生衰减振荡, 其电压的幅值足以使晶闸管可靠换流, 直流电压通过逆变晶闸管及时补充能量, 振荡便能增幅, 并过渡到稳定状态, 完成启动。见图4, 在电源启动之前, 先利用辅助电源在负载电容 (C81～C86) 两端加上电压进行预充电, 然后将晶闸管打开, 同时闭合开关K81将电容中的能量释放到负载电感和电阻回路, 产生衰减的震荡。测量装置9-CW80检测到该震荡后, 可以产生反馈信号, 控制调节逆变频率, 从而使电源装置投入工作。

4. 常见故障处理

故障按发生部位主要分为整流部分、逆变部分、启动部分和负载部分。

(1) 整流部分故障。一般来讲, 能正常启动, 但电抗器发出声音为嘣嘣声时多为整流部分出现问题, 但是炉料过多也会使电抗器发出沉闷的声音, 要正确分析。整流部分主要故障为: (1) 由于接触器接触不良导致电源缺相, 可用万用表检测。 (2) 整流晶闸管的保护快熔烧损导致整流后6个波头有缺失, 电抗器滤波时发出嘣嘣声。 (3) 整流晶闸管本身损坏, 主要表现为阴阳极短路或者门极和控制极开路 (正常电阻为6～30Ω) 。 (4) 用示波器检测整流脉冲, 正常整流脉冲为双窄脉冲, 如果变成了单脉冲或者脉冲宽度不够基本为整流脉冲变压器或者是整流调节板出现问题。

(2) 逆变部分故障。逆变部分出现故障时电源一般无法启动或启动后无法工作。主要故障为: (1) 逆变晶闸管损坏。可用万用表检测, 阴阳极电阻无穷大, 检查晶闸管的门极和控制极的电阻, 正常为10～30Ω。有时测量时发现两只损坏, 可将一只晶闸管从压紧铜排上拆除后再进行测量。 (2) 逆变脉冲变压器的输出是否正常, 如果逆变脉冲少一路或者没有, 要更换逆变脉冲变压器, 如更换后依然没有要检测逆变功放板的输出脉冲。

(3) 预充电部分故障。预充电部分故障通常无法正常启动。主要故障为: (1) 预充电回路的晶闸管出现短路故障导致无法进行充电, 槽路里没有能量, 可以直接用万用表测量充电电容两端, 一般电压为500V, 如果没有电压可测量预充电晶闸管是否短路。 (2) 如果充电电容有电压, 但是并不向槽路里放电, 原因可能是晶闸管没有导通, 用示波器检查触发回路的脉冲是否正常, 检查接触器是否卡死。 (3) 充电电压低, 有时有啪啪声, 检查充电电容是否有接地。

(4) 负载故障。负载由感应线圈和补偿电容及相连接的通水铜排构成, 常见故障有: (1) 补偿电容器有漏油和击穿现象, 可用指针万用表×1k挡测量电容器每个柱子对公共端有无充放电现象, 若无充电, 说明柱子已坏。 (2) 感应圈对地短路, 可用1000V摇表测线圈对地电阻 (应>1MΩ) , 如果怀疑线圈对地短路, 可用电焊机导线绕直径为0.8～1m、匝数为14圈左右的线圈, 代替原感应器进行调试, 若能启动说明线圈对地有短路, 要进行绝缘处理。 (3) 电抗器铁芯对地短路。可用2500V摇表测线圈对铁芯或对地的电阻 (应>1MΩ) , 测量时拆除连接铜排。

(5) 正常启动后不能进行工作的原因。 (1) 启动成功后频率比正常时高很多, 线圈匝间可能有短路或电容器有开路现象。 (2) 启动成功后功率上升过压, 说明主电路有接触不良的地方或者逆变引前角过大;启动成功后功率上升过流, 可能是逆变引前角变小使逆变晶闸管关不断, 或存在绝缘不良现象, 解决方法可以进行调整逆变引前角。 (3) 设备运行过程中, 突然过流保护动作, 重新启动后, 中频电压和直流电压比值变大 (正常为1.29～1.33) 。可用万用表检查逆变可控硅是否击穿, 控制极是否开路或电阻值变大;用示波器检查逆变触发脉冲是否丢失。 (4) 过流保护动作, 应检查整流桥和逆变桥中的晶闸管是否击穿;是否工作节拍发生变化和正常限流;谐振电容是否击穿;感应圈匝间或对地绝缘是否可靠, 如不能确定可更换一台备用感应器;电流互感器负载电阻是否开路, 如开路, 则更换电子保护调节板。

5. 典型故障

加热Φ100mm的棒料, 当中频电压为450V, 频率为1800Hz时工作正常, 当电压增大时经常出现逆变失败, 可以重新启动, 但也时常逆变失败。

处理: (1) 检查负载, 对感应线圈的感抗进行测试, 没有发现异常。 (2) 对逆变晶闸管进行简单的测量。 (3) 用示波器检查逆变脉冲。 (4) 对并联电容进行简单检查。 (5) 逐步切电容或投电容, 发现减少一箱电容后, 重新调整参数启动中频装置, 电压可以升高, 分析是补偿电容老化导致耐压不够, 更换一箱电容, 故障排除。

6. 结束语

(1) 对于中频逆变电源, 其故障多发生在高温下长时间使用, 由于机内温升过高, 散热条件恶化, 导致一些元器件尤其是大功率器件烧坏, 如导通检测电阻、晶闸管及电容等, 发生故障时需要重点检查。

(2) 应准备一些常用的配件, 比如晶闸管、逆变脉冲变压器、整流脉冲变压器, 中频变压器、同步变压器、各种控制板等, 必要时进行替代法排除。

(3) 控制系统的稳定, 对于中频感应加热装置的稳定运行十分重要。因此, 平时要积极收集设备原始设计数据或交工验收技术数据, 尤其要对测量点的波形要心中有数, 积累经验, 对故障的诊断与处理有很大的指导意义。

参考文献

[1]关存和等.可控硅中频技术及其应用.电力工业出版社, 1981

感应加热技术的应用及发展篇7

感应加热的特点

(1) 加热温度高, 而且是非接触式加热。

(2) 加热效率高。

(3) 加热速度快。

(4) 温度容易控制。

(5) 可以局部加热;

(6) 容易实现自动控制。

(7) 作业环境好, 几乎没有噪声和灰尘。

(8) 工作占地少, 生产效率高。

(9) 能加热形状复杂的工件。

(10) 工件容易加热均匀, 产品质量好。

(11) 熔炼中溶液有电磁搅拌作用。可以均匀地调节金属液成份, 溶液温度均匀, 不会出现局部高温。金属烧损少, 这一点, 对熔炼稀有金属更重要。

感应加热的优点:首先是能耗低。感应熔炼炉与感应透热炉的实际坯料加热热效率可达到65%~75%, 而火焰炉和各种室式炉只有30%左右。

第二, 该种炉型无需煤炉、燃气炉及电阻炉等必须的预热过程, 使用方便, 操作简单, 可长时间连续工作也可根据需要随时开启或停止工作, 全手动也可全自动或半自动工作, 即可在生产调度时具备绝对优势。

第三, 无需对工件整体加热, 可选择局部加热, 因而电能消耗少, 工件变形小而且加热速度快, 可使工件在极短的时间内达到所需的温度, 从而使工件表面氧化和脱碳等加热缺陷降到很低程度, 可用于钢铁、钨、钼等钢铁材料也可应用于化学活性较强的铝、钛、锆、铌的加热或热处理。

第四, 感应加热设备可安装在生产线上, 易于实现生产线的自动化和机械化, 便于管理, 可有效减少运输, 节约人力, 提高生产效率。

第五, 感应加热还具备电能利用率高、环保节能、安全可靠和作业环境好等优点。

基于以上优点, 在电能代替煤、油、气等不可再生能源在加热领域正逐步成为优势能源的今天, 感应加热在熔炼、加热等领域得到日益广泛的应用, 电加热特别是感应加热的应用有非常广泛的应用前景, 感应加热设备生产厂商具备广阔的发展空间。

在汽车制造中的应用

汽车工业的蓬勃发展给汽车零部件的产业带来了前所未有的发展机遇。感应加热技术在汽车制造领域也正得到越来越广泛的应用。

在熔炼方面, 铸造是一种易于成形的金属加工方法。采用铸造方法可以制成汽车上各种不同尺寸和复杂形状的零件。可以说在汽车工业的发展方面物尽其用, 几乎所有的铸造工艺方法在汽车工业都可以尽其所能。国内外铸造汽车零部件的生产主要采用的熔炼工艺有冲天炉熔炼工艺、中频感应电炉熔炼工艺和冲天炉-中频感应电炉双联熔炼工艺, 而感应熔炼炉由于其技术优势在铸造行业也正在得到日益广泛的应用。

在加热方面, 据统计, 前苏联在汽车工业中感应热处理的零件已占热处理零件的40%~45%。感应加热技术发展到今天, 其应用及发展程度不言而喻。

感应加热技术在汽车行业中主要应用于以下领域:

(1) 金属的熔炼。

(2) 锻造毛坯的加热。

(3) 汽车零部件的热处理。

(4) 汽车零件粘接后的感应加热固化。

(5) 感应加热半固态成形。

(6) 感应加热装配。

(7) 感应加热钎焊。

国外感应加热现状

随着电力半导体器件的开发和电力电子技术的不断发展, 感应加热装置的面貌也随之日新月异, 以装置的体积、质量、性能方面的变化尤为突出。例如频率, 同容量的晶体管式变频装置与电子管式变频装置相比体积缩小2/3, 重量减轻2/3, 冷却水节约1/2, 耗电量节约1/3, 效率提高35%, 使用寿命更长, 更加安全可靠, 容易实现自动控制, 有利于提高加热效率及质量, 维护工作量更小, 能做到随用随开。

德国、美国、英国、法国、日本、意大利、西班牙、比利时和俄罗斯等工业发达国家的感应加热装置的技术发展及应用位于世界前列。

国内发展与现状

我国感应加热技术的应用开始于20世纪50年代, 发展主要是改革开放以后, 主要用于机床、汽车、拖拉机等制造业。感应加热集中在工件表面淬火, 而熔炼和透热方面的应用较少。感应加热的技术几乎全来自前苏联和捷克。80年代, 浙大自主开发了第一台并联式晶闸管中频电源并向全国推广。

20世纪90年代, 国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂, 如美国的应达感应加热公司和彼乐公司等, 和国内的同行业厂家同台竞争。他们的产品技术含量高、电源功率大、品牌全、炉子吨位大、生产线规模大, 占据了国内的很大一部分市场。只是他们的设备价格高 (国内同性能产品大约是其价格的1/5左右) , 这才使国内厂家有了一定的市场发展空间。

国内感应加热方面从地域上还分“南派”和“北派”技术和产品方面的竞争。“南派”的代表有振吴、四达、兆力等公司;“北派”是以西安市感应加热的公司为代表, 这些厂家中比较有影响的有西安博大电炉有限公司、西安电炉研究所有限公司、西安鹏远重型电炉厂、西安机电研究所、陕西海意、西安自动化和华立等。

感应加热装置发展趋势

感应加热装置由两部分组成, 一部分是提供能量的交流电源, 也称变频电源, 另一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈及机械结构, 称感应炉。变频电源有工频、中频和高频之分。

(1) 高频加热设备

它有一套将工频50H z交流电转变为高频 (70 000~1 000 000Hz) 电能的装置, 通常采用电子管高频发生器。

(2) 中频加热设备

也有一套将工频50H z转变成中频 (500~10 000H z) 电能的装置, 通常为中频发电机 (功率因数低) 和晶闸管变频器。

(3) 工频感应加热设备

感应器的电源频率与电网的频率相同, 即50Hz, 所以可以直接从电网吸取能量。美中不足的是功率因数过低。

随着市场需求的发展, 感应加热装置的发展呈现电源随电力电子功率器件的大容量化变得高频化, 电子技术装置的控制模拟向数字化、自动控制向智能化发展, 感应加热装置的发展趋势呈现以下几个方面的特点:

(1) 电源趋向高频大容量化感应加热电源中频段主要采用晶闸管;超音频段主要采用I G B T;高频频段原来是S I T, 现在主要发展M O S F E T电源。采用I G C T的电源也开始亮相。高频电源的需要催生了新的功率器件, 而新的器件又反过来促进了高频电源的发展。感应加热电源的大容量化, 如几十兆瓦、几百兆瓦, 都是可以实现的。

(2) 感应加热装置趋向机械化、自动化近几年, 随着机电一体化、计算机、信息和控制、装备自动化、新材料、新工艺等的快速发展, 铸造、锻压和热处理过程趋向数字化、精密化。反映在对加热方面的需求趋势为:数字化制造融入铸锻过程, 包括加热、熔炼设备;铸锻短流程生产要求减少资源浪费;大型铸锻件生产要求工业节能;自动化控制下的清洁生产。

感应加热炉篇8

传统的注塑机通常采用电阻丝加热方式, 这种加热方式升温速度慢、热效率低, 但因结构简单而广泛应用于注塑机、造粒机等设备上。电磁感应加热方式属于非接触式加热, 与电阻丝加热方式相比减少了热传导和空气热对流的损耗, 热效率很高[1], 而且加热温度可精确控制, 尤其适合于金属热处理。目前, 注塑行业纷纷走向高效节能的途径, 感应加热方式正在逐渐取代电阻丝加热方式。

本文设计了1台以51单片机为主控制器, 锁相环74HC4046进行负载电流频率跟踪的半桥式超音频感应加热电源。

1 电源系统方案分析

1.1 主电路结构

半桥式感应加热电源电路结构简单、器件少、成本低, 常用于小功率逆变电源[2]。由于需要对注塑机料筒恒温控制, 感应加热电源要求频繁启动, 而并联谐振逆变电源启动前需要对直流滤波大电感预充电, 以保证其为电流源, 因而启动不方便[3]。故设计采用半桥式串联谐振结构。注塑机料筒在加热过程中, 负载等效电感量会增加, 从而谐振频率减小, 必须加入锁相电路使IGBT开关频率随负载谐振频率变化而变化, 减小IGBT开关损耗, 增强电源的稳定性。感应加热电源主电路采用半桥式串联谐振拓扑结构如图1所示。

1.2 功率调节方式

一般来说, 用于注塑机料筒加热的感应加热电源输出功率在5kW以下, 为了适应不同的负载和功率要求, 电源需要有功率调节功能。综合分析了各种调功方式后[4], 发现脉冲调频调功 (PFM) 方式电路结构简单, 适合中小功率感应加热电源, 但是当频率偏离谐振频率太大时, 会增加IGBT开关损耗, 影响电源稳定性。通过改变负载阻抗大小也可以达到调功的目的, 但该方式受实际应用场合的限制, 功率调节范围有限。综合上述两种方法的优点, 该电源采用负载阻抗匹配与脉冲调频调功相结合的方式。

2 电源系统电路设计

2.1 整体电路框架

电源系统整体框图如图2所示。其中锁相环电路是电源稳定运行非常重要的一部分, 因此本文主要对锁相环电路进行分析。保护电路主要是通过信号采集电路给定的信号对电压、电流等信号进行限制。键盘和显示电路主要完成一些参数的输入和参数的显示。驱动电路控制IGBT模块的开通和关断。

2.2 锁相环外围电路设计

锁相环电路如图3所示。

其工作原理是:霍尔传感器输出负载中电流信号, 经转换为方波信号后输入锁相环14脚。输入信号与锁相环压控振荡器输出信号相比较, 最终在锁相环3脚输出一个和输入信号同频同相占空比50%的方波。由于从锁相环输出驱动信号到电流信号反馈回来需要一定的时间, 所以需要做相位补偿, 使锁相环输出信号与IGBT的驱动信号同频同相, 从而达到电压跟随电流的效果。相位补偿电路为图3中R5、C3、反相器组成的延时电路。C1、R1、R2为压控振荡器外围电路。R3、R4、C2组成低通滤波器。锁相环5脚INH为低电平时, 4脚能正常输出;为高电平时, 输入信号被封锁, 4脚输出低电平。通过该引脚可以控制锁相环是否工作, 从而可以屏蔽驱动信号, 实现脉冲密度调功 (PDM) 。

图4所示为锁相环VCO输出频率与VCO输入电压之间的关系。其中横坐标表示压控振荡器的输入电压, VCC为锁相环的供电电压;纵坐标表示压控振荡器的输出频率, foff表示锁相环失锁后输出的最低频率, fmin表示锁相环正常工作时最低输出频率, fmax表示锁相环正常工作时最高输出频率, f0表示锁相环的中心频率。R1和C1决定了锁相环输出的频率范围, R2和C1决定了锁相环输出的最低频率。

由图4可知, 当锁相环9脚给定 (VCC-0.9) V电压时, 输出最高频率;当锁相环9脚给定0.9V电压时, 输出最低频率。根据实际应用的需求, 通过上述方法本电源选择输出频率为5～23kHz, 中心频率为15kHz。低通滤波器的参数决定了VCO输出频率的分辨率。如果时间常数过长, 会使环路跟踪在较快变化的输入频率时引起过度的延迟;而过小, 使环路跟踪快速变化的输入信号会引起压控振荡器输出频率的反常变化[5]。一般来说, 负载频率变化幅度较大, 则时间常数选择大。R5、C3的选取需要通过计算延时时间和示波器观察来确定, 补偿时间太长或太短都会导致锁相环无法锁相。实验结果表明:当锁相环输出频率高时, 补偿时间常数相对小;当锁相环输出频率低时, 补偿时间常数相对大。

3 实验结果及分析

基于上述方案, 设计了1台容量为5kVA的感应加热电源样机。采用了一个温度恒定的系统为实验对象, 这样就可以忽略温度的变化对负载等效电阻和负载等效电感量变化的影响, 使实验数据具有可对比性。首先通过固定电容, 改变线圈匝数, 测量电感量的变化与输出功率和谐振频率之间的关系, 然后通过固定线圈匝数, 改变谐振电容, 测量电容的变化与输出功率和谐振频率之间的关系, 测量结果如图5所示。

根据图5中的曲线可以得出:线圈电感量增加, 负载谐振频率减小, 电源输出功率减小, 相当于负载等效阻抗增加;谐振电容增加, 负载谐振频率减小, 电源输出功率增加, 相当于负载等效阻抗减小。

在实际应用中, 电容主要用来匹配电感, 使电源输出电流频率在18kHz以上, 以避免IGBT开关噪声。本文设计的电源选取谐振电容0.47μF, 谐振电感120μH。测量波形如图6所示。

注:U1-IGBT1的驱动信号;i0-负载电流信号;UT2-IGBT2信电极与发射极之间的电压。

4 结语

注塑机采用电磁加热方式主要是为了节能, 合适的输出功率对节能有着重要的意义, 而感应加热电源的输出功率与负载有关。通过上述实验对负载电感量、谐振电容、谐振频率、输出功率之间关系的研究, 得出了一些结论, 对实际应用有着很好的指导作用。由于逆变电路前端采用大电解电容滤波, 使电源的功率因素降低, 进一步研究将采用LC滤波电路。电源通过实际投入使用, 稳定性良好。

参考文献

[1]王光才.电磁感应加热技术在塑料加工工业的应用[J].电力需求侧管理, 2007, 9 (6) :44-45.

[2]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[3]张新.超音频串联感应加热电源的研究[D].广西:广西大学, 2006.

[4]潘天明.工频和中频感应炉[M].北京:冶金工业出版社, 1983.

底盘零件的高频电阻感应加热技术篇9

高频电阻感应加热原理及特点

近年来, 国内外感应加热技术在提高产品质量、发挥材料潜力、降低生产成本和改善设备性能等方面都有了很大进展, 在工业上获得广泛的应用。但传统的高频感应加热只是一种单纯的感应加热, 感应加热的主要依据是电磁感应 (表面效应、邻近效应、环状效应) 、“集肤效应”和热传导三项基本原理, 对平面类和内孔类零件的加热电效率低, 硬化层深度不易控制。

高频电阻感应加热技术是在20世纪80年代初美国首先采用的加工方法, 开始在汽车发动机缸套内壁上应用。与传统的高频感应加热相比, 高频电阻感应加热工件表面电流更集中, 密度更大, 加热速度也更快。采用这种高频电阻加热淬火, 可以获得很高的电流密度, 加热的功率密度是传统感应加热的数倍, 因此可以对工件表面实施高能密度的热处理, 且淬硬层在两块电极之间感应器下方。高频电阻感应局部表面加热设备简单, 操作也和传统感应加热一样方便。一般的高频炉可以很方便地改成高频感应电阻局部加热设备。更突出的是感应器可以制成曲线或弯曲面, 淬火面可以是平面、弧面或曲面, 很适用于某些复杂零件特殊部位的局部表面加热淬火。另外这种淬火有时无需专门冷却介质 (加热自冷方式) , 淬火后可采用自回火, 无需重新加热回火, 零件的畸变量小。

应用实例

1.汽车转向齿条的高频淬火

齿轮齿条式转向机构具有结构简单、构件少、质量轻、成本低和传动效率高等优点, 现大多数的轿车都采用这种转向机构。而转向齿条是齿条齿轮式转向机构中的一个关键保安主件, 每个齿表面与小齿轮的每齿表面产生接触摩擦力, 根据服役条件, 转向齿条应具有一定的刚度、较高的耐磨性和疲劳强度。传统的转向齿条是用15Cr或20Cr等渗碳合金钢采用整体渗碳淬火的方法, 实现转向齿条表面的硬化和强化, 使转向齿条具有很高的耐磨性能, 但这种方法会导致零件的热处理变形大、校正难度大、效率低、工作环境差以及成本高。现行转向齿条由于高频电阻感应加热技术的应用而采用35Cr、45Cr、40Cr或38Cr材料制造, 用高频淬火的方法使齿条齿面齿背部位硬化强化。转向齿条的高频淬火的技术要求为:齿面和齿背包角180°±20°局部高频淬火, 表面硬度48～55H R C。齿条齿面的淬火装置如图1所示 (齿背包角180°±20°局部淬火装置与之相同) 。

1.夹紧液压缸2.齿条齿面3.铜合金电极4.感应器5、9.紫铜电极板6.冷却水入口7.绝缘板8.接高频电源10.绝缘支撑架

工艺过程如下:转向齿条放在淬火机床的托架上, 托架夹紧液压缸上升, 齿条淬火电极紧压齿两端的平面 (或齿背面) , 电极、齿条和感应器连成一个回路, 感应器与齿面 (或齿背) 尚有适宜的间隔距离, 距离大小可以根据需要进行调节。这样齿面 (或齿背) 既是受感导体, 又是高频电路中的一段导体。加热时高频感应电流和高频电路中的电流汇合在一起, 同时对齿面 (或齿背) 进行加热, 加热速度非常快。断电后马上从感应器向齿面 (或齿背) 喷射淬火介质, 进行淬火, 加热、冷却时间可以自动控制。整个操作过程通过PLC进行控制。另外通过调整加热速度 (加热时间、加热功率) 、冷却时间和冷却液的温度、浓度、喷射压力等方法可实现转向齿条的自回火, 无需再加热回火。该工艺的特点是:生产效率很高, 加热时间4s左右, 工作时间加辅助时间在20s以内 (振荡功率为100k W的高频电源, 生产节拍20s) , 是齿条加工工序中生产率最高的工序;零件的热处理变形小, 表面硬度均匀, 硬化层分布合理, 工作环境好。

2.阀套内孔的高频淬火

阀套结构如图2所示, 材料45钢, 高频淬火的要求:φ22m m×28m m内孔高频淬火、回火, 硬化层深度0.5～1.8mm, 表面硬度50～60HRC。

该零件采用传统的高频淬火工艺有以下难度:

1) 用线圈加热内孔是靠线圈的外表面加热, 加热速度慢。

2) 内孔小, 线圈只能用较细的铜管制造, 当通水量小时, 容易烧毁线圈。

3) 为了提高感应器的加热效率, 增大邻近效应的有利作用, 感应器与内壁的距离应尽量小, 那么淬火机床和夹具的定位精度高。

4) 内孔高频淬火易产生淬硬层深度不均, 硬度偏低。

5) 阀套的壁厚小 (最薄处不到3m m) , 加热时间长, 外表面温升快, 产生回火色, 同时淬火时内孔会缩小。

现采用图3所示的装置进行高频淬火, 75k W的高频电源加热时间1s左右, 速度非常快, 硬度高且均匀, 硬化层分布均匀, 变形量小。

1.接高频电源2.铜合金下电极3.紫铜感应器4、7、10.绝缘体5.铜合金上电极6.阀套8.弹簧

高频电阻感应加热淬火工艺的几点说明

1) 为提高电极的使用寿命, 电极要用具有高温强度的铜铬合金制造。淬火时电极要用淬火介质冷却, 否则会降低电极寿命。