CN104561470B - 并联谐振中频焊接热处理装置 - Google Patents

并联谐振中频焊接热处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种并联谐振中频焊接热处理装置，包括并联谐振中频电源控制单元、过流保护采样单元、温度控制单元、三相全控整流桥、直流滤波电抗器、单相桥式逆变单元、测温单元与中频感应加热器。本发明的中频感应加热器与被加热的金属管道并不直接接触，固定在金属管道保温棉外侧，把频率为700Hz‑2500Hz的中频交流电经过中频感应加热器产生的电磁传递给要加热的金属管道工件，电磁经管道工件感应产生电能，随之电能在金属管道内部转变为热能进行热处理。

Description

并联谐振中频焊接热处理装置
技术领域
本发明涉及一种焊接热处理装置，具体说是一种并联谐振中频焊接热处理装置，属于管道焊接辅助设备技术领域。
背景技术
目前我国电站、化工建设中合金管道焊接热处理主要采用陶瓷电阻加热器外加保温棉进行。缺点是管道焊缝内外壁温差过大，焊缝硬度高，韧性差，热处理质量低，焊缝的残余应力大，许多电站因为这种原因使用不到十年焊缝就产生了裂纹，只能割断重新焊接甚至更换整条管道（设计寿命应为30年）。并且该材料完全依赖从日本、美国等地进口，浪费巨大；开采陶瓷矿和瓷件在窑炉烧制过程中排碳和产生的雾霾对环境破坏严重，且不可恢复。易碎和报废的陶瓷无法再回收利用，几乎不会被分解，继而造成二次污染。
少量进口的串联谐振热处理中频电源频率较高，一般在5000Hz以上，且工作过程中频率变化较大，最高达20000多Hz。负载电感量较小，一款35kW中频电源的负载电感量要求在5μH-50μH之间，我国100万千瓦火电的主蒸汽管的外径560mm，管壁厚度达115mm，规程要求感应加热宽度为壁厚的6倍以上，感应线圈最小宽度为690mm，如果满足宽度必加大感应圈的匝间距，会造成工件温度不均匀，且功率小无法满足工艺要求。负载线分布电感不得超过10μH，过大的电感量会降低工件加热功率。并且作业半径小，较远的特殊位置工件无法进行热处理，且进口产品造价较高。而且串联谐振的槽路电感加热器与谐振电容为串联连接，一旦由于干扰丢失一个触发脉冲信号，槽路立即停止震荡，热处理会被迫中断。
通常电站化工用P91、P92类耐热钢焊后热处理温度为760℃左右，居里点740℃，当760℃恒温时的透热深度为500÷（频率）1/2（mm）;可见频率越高，透热越浅，管道的内外壁温差越大，热处理效果越差。但是频率越高负载线的集肤效应越大，线会过热，载流量下降。35KW以上的都采用水电缆供电，由于施工先场环境恶劣，常因人为损坏故障停机。水冷的感应加热器也因为突发停电故障得不到循环水冷却，漏液至热处理工件使其淬火损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提出一种并联谐振中频焊接热处理装置，只需改变负载电感量和谐振电容大小，就能获得较低的谐振频率，使透热较深，内外壁温差及工艺满足规程要求，保证管道焊接工程质量。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：提供并联谐振中频焊接热处理装置，包括并联谐振中频电源控制单元、过流保护采样单元、温度控制单元、三相全控整流桥、直流滤波电抗器、单相桥式逆变单元、测温单元与中频感应加热器，
所述过流保护采样单元设置在所述三相整流桥的进线端的三相交流电上，过流保护采样单元的信号输出端与所述并联谐振中频电源控制单元相连，所述过流保护采集单元由一次互感器采集的电流经二次升压再经负载电阻衰减后获得的交流信号与电压互感器上获得的电压信号经中频电源控制单元整流对比后适时关断整流电路与逆变电路，以防止负载过流、过压。频率表、中频电压表指示实时工作参数；
所述并联中频电源控制单元的信号采集端接受由温度控制单元发出输出信号，所述温度控制单元包括信号滤波器和温度控制仪，所述信号滤波器的信号输入端通过补偿导线与测温单位相连，所述信号滤波器的信号输出端与所述温度控制仪信号输入端相连，在所述温度控制仪的输出端并联一个电阻，并将获得低压信号连接至并联中频电源控制单元的功率调节信号输入端；
所述并联中频电源控制单元根据温度控制单元采集的信号发出整流脉冲触发所述三相全控整流桥，所述三相全控整流桥由三个可控硅模块和阻容过压保护电路组成，三相交流电的三相分别与三个可控硅模块相连，每个可控硅模块内的可控硅上均并联有阻容过压保护电路，将三相交流电经所述三相全控整流桥转换成直流电；
从所述三相全控整流桥输出的直流电经过直流滤波电抗器至所述单相桥式逆变单元，所述单相桥式逆变单元主要由四个快速可控硅和与四个分别与所述快速可控硅并联阻容过压保护电路组成，所述四个快速可控硅两两一组并联连接，由并联中频电源控制单元发出的逆变触发脉冲触发单相逆变桥中的快速可控硅，两组快速可控硅引出线路与谐振电容并联后连接所述中频感应加热器，所述快速可控硅、谐振电容与中频感应加热器作用产生的700Hz-2500Hz中频加热电源，通过所述中频感应加热器中对管道工件加热，待加热管道工件的温度由所述测温单元经补偿导线反馈至所述温度控制单元。
本发明的中频感应加热器与被加热的金属管道并不直接接触，固定在金属管道保温棉外侧，把频率为700Hz-2500Hz的中频交流电经过中频感应加热器产生的电磁传递给要加热的金属管道工件，电磁经管道工件感应产生电能，随之电能在金属管道内部转变为热能进行热处理。
本发明进一步限定的技术方案是：前述的并联谐振中频焊接热处理装置，所述测温单元为K分度,丝径大于等于Φ0.5mm，长度大于等于600mm，所述热电偶由KC系列或KX系列补偿导线与温度控制单元相连；热电偶的热端直接点焊在合金管道的控温点上，热处理完成后焊点须打磨干净，热电偶的布置走向与中频感应加热器线圈垂直，冷端正负极与补偿导线正负极相连，导线的另一端正负极连接至测温单元热电偶输入接线柱上，管道焊缝的温度就以毫伏信号的形式传送至温度控制单元。
前述的并联谐振中频焊接热处理装置，所述可控硅模块采用MTC可控硅模块，所述快速可控硅采用KK快速可控硅，并在所述MTC可控硅模块和KK快速可控硅上设有散热器，强迫风冷。
前述的并联谐振中频焊接热处理装置，所述单相桥式逆变单元与所述谐振电容之间设有中频功率采样单元与所述并联谐振中频电源控制单元相连，中频功率采样单元中的频率电流电压功率表等指示热处理装置实时工作参数；所述单相桥式逆变单元内设有至少四个快速可控硅，每个快速可控硅分别与一个逆变桥的支路相连。
前述的并联谐振中频焊接热处理装置，所述并联谐振中频电源控制单元的供电由单相交流变压器连接供电。
进一步的，前述的并联谐振中频焊接热处理装置，所述三相全控整流桥与直流滤波电抗器之间还设有分流器，在所述分流器上分别连接由直流电流表和直流电压表；所述并联中频电源控制单元为MPU-6、PMU-7、1016或PBX6M-1型并联谐振中频电源控制板，或者能满足有6路整流触发脉冲，2路逆变触发脉冲具有过流、过压保护的中频电源控制板；由温度控制仪发出的调功信号至中频控制单元，经演算后，发出6个相应的整流触发脉冲至三相全控整流桥中的3个可控硅模块。
本发明的有益效果是：
本发明的核心大功率半导体件造价低，抗干扰强、性能稳定、免维护；只需改变负载电感量和谐振电容大小，就能获得较低的谐振频率，范围在700Hz-2500Hz之间，透热较深，内外壁温差及工艺满足了规程要求，保证了工程质量，能100%消除焊缝的残余应力，对于P92材质合金管壁厚140mm焊缝硬度能降至HB200（或更低）。
附图说明
图1为本发明热处理装置的电路示意图。
图2为实施例1的热处理装置的电路示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供一种并联谐振中频焊接热处理装置，如图1和图2所示，包括并联谐振中频电源控制单元、过流保护采样单元、温度控制单元、三相全控整流桥、直流滤波电抗器、单相桥式逆变单元、测温单元与中频感应加热器，并联谐振中频电源控制单元的供电由单相变压器连接供电；
过流保护采样单元设置在三相整流桥的进线端的三相交流电上，过流保护采样单元的信号输出端与并联谐振中频电源控制单元相连，过流保护采集单元由一次互感器采集的0-5A电流经二次50倍升压再经负载电阻衰减后获得0-5V的交流信号与电压互感器上获得的电压信号经中频电源控制单元整流对比后适时关断整流电路与逆变电路，以防止负载过流、过压。频率表、中频电压表指示实时工作参数；
并联中频电源控制单元的信号采集端接受由温度控制单元发出输出信号，温度控制单元包括信号滤波器和温度控制仪，温度控制仪采用厦门宇电AI-516系列，或另选其他型号能满足K分度热电偶信号输入、温度控制范围0-800℃以上、反作用输出4-20mA的可编程温控仪表；信号滤波器采用LC电感电容型的交流AC2A1、AC2A3…或直流DC2A1、DC2A3…要求为电流≥0.5A，电压≥100V，电感量≥10μH，电容≥680P滤波器模块，主要消除由中频感应加热器、负载连接线发出的强磁干扰失真信号，使接入温度毫伏信号变得平滑，准确地送至温度控制仪热电偶输入端。信号滤波器的信号输入端通过补偿导线与测温单位相连，信号滤波器的信号输出端与温度控制仪信号输入端相连，在温度控制仪的输出端并接1KΩ负载电阻，调整控温仪输出上下限幅，使其转变为0-13V的信号连接至并联中频电源控制单元的功率调节信号输入端；
并联中频电源控制单元根据温度控制单元采集的信号发出整流脉冲触发三相全控整流桥，三相全控整流桥由三个MTC可控硅模块和阻容过压保护电路组成，三相交流电的三相分别与三个MTC可控硅模块相连，每个MTC可控硅模块内的可控硅上均并联有阻容过压保护电路，将三相交流电经三相全控整流桥转换成直流电；采用的MTC可控硅模块需要达到如下主要性能：质量为国家标准，额定电流IT(AV)/IF(AV) ≥200A, 重复不导通电压VDRM/VRRM≥1200V,每个模块内相当于2只KP管串联，控制线K1G1至K6G6与中频控制单元相连，绝缘散热器，强迫风冷。6组由电容电阻串联构成的RC过压保护电路对整流可控硅进行防过压保护；从整流桥输出的直流电经过160A、4mh以上的直流滤波电抗器至单相逆变桥单元；
从三相全控整流桥输出的直流电经过直流滤波电抗器至单相桥式逆变单元，单相桥式逆变单元主要由四个KK快速可控硅和与四个分别与KK快速可控硅并联阻容过压保护电路组成，KK四个快速可控硅两两一组并联连接，由并联中频电源控制单元发出的逆变触发脉冲触发单相逆变桥中的快速可控硅，其中四个KK快速可控硅参数为额定电流IT(AV)≥300A,重复不导通电压VDRM/VRRM≥1600V，关断时间Tq ≤30μs。中频控制单元发出的逆变脉冲信号经2组变压器隔离后连接至4只KK快速可控硅控制极上，SCR7与SCR8为一组，SCR9与SCR10为一组，该2组KK管受中频控制单元控制交替导通，与耐压≥750V； 频率≥2500Hz；容量大于等于500Kvar、小于等于1200Kvar的谐振电容和其并联的电感量大于等于70μH、小于等于200μH中频感应加热器相互作用，产生700Hz-2500Hz中频电源对管道焊缝进行加热。在KK可控硅两边安装导电散热器，强迫风冷。四组由电容电阻串联构成的RC过压保护电路对KK可控硅进行有效防过压保护。管道焊缝的温度反馈至温度控制单元，形成闭环中频感应管道焊接热处理温度自动控制系统；两组快速可控硅引出线路与谐振电容并联后连接中频感应加热器，快速可控硅、谐振电容与中频感应加热器作用产生的700Hz-2500Hz中频加热电源通过中频感应加热器中对管道工件加热，待加热管道工件的温度由测温单元经补偿导线反馈至温度控制单元。
三相全控整流桥与直流滤波电抗器之间还设有分流器，在分流器上分别连接直流电流表和直流电压表。
本实施例的系统供电必须依照先开控制回路、后开主回路，断电必须先断主回路、后断控制回路这种顺序进行，否侧会损坏设备。控制电源开关电路中常开按钮为“控制电源开”，常闭按钮为“控制电源关”，1J是控制电源继电器。经1J常开触点供电至主电源开关电路。主电源开关电路中常开按钮为“主电源开”，常闭按钮为“主电源关”，1C是主电源接触器。1C的一辅助常开与“控制电源关”并联，1C的另一个辅助常开与“主电源开”自锁。1J的另一辅助常开与“控制电源开”自锁。开通中频热处理设备电源时，必须先开通“控制电源开”，这时，中频控制单元、温度控制单元、主电源开关电路与散热风扇组正常供电后然后再开通“主电源开”，主电源开启后1C接触器线圈吸合，主回路正常供电。关断设备时，必须先按“主电源断”，再按“控制电源断”。如果误操作先开主回路，由于控制回路接触器未吸合得不到电源操作无效，如先关断控制回路，此时“控制电源关”被主回路常开触点1C锁住操作无效，因此对误操作均不理睬，有效地保护了设备。
中频感应加热器导电体采用多股软铜线或铝线搅制达到一定的横截面，在导线外侧包裹高温绝缘材料进行有效安全绝缘处理，高温绝缘材料能够耐压2000V交流一分钟不击穿；可根据加热功率大小选择导线的横截面，加热器导线截面(mm2)铜质：大于等于最大加热功率（kW）对应数值×0.8，小于等于最大加热功率（kW）对应数值×2。铝质：大于等于最大加热功率（kW）对应数值×1，小于等于最大加热功率（kW）对应数值×2。
例60KW功率铜线截面一般选择48mm2以上（60×0.8），80kW功率铜线截面在64mm2以上（80×0.8），100kW功率铜线截面在80mm2以上（100×0.8），以此类推。导线截面选择太小容易造成感应加热线圈过热而烧坏绝缘，太大不经济，工装困难。
中频感应加热器线长度=3.14×D×N（允许误差+10%）
N=(L×l+0.45×l×D)1/2÷(0.083×D)
式中 D=感应加热器线圈内直径（cm）=被加热管道外径+保温厚度×2
l =感应加热器的电感量（μH）
L=感应加热器的宽度（cm）
N=感应加热器的匝数（匝）
除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.并联谐振中频焊接热处理装置，包括并联谐振中频电源控制单元、过流保护采样单元、温度控制单元、三相全控整流桥、直流滤波电抗器、单相桥式逆变单元、测温单元与中频感应加热器，所述过流保护采样单元设置在所述三相整流桥的进线端的三相交流电上，过流保护采样单元的信号输出端与所述并联谐振中频电源控制单元相连，所述过流保护采集单元由一次互感器采集的电流经二次升压再经负载电阻衰减后获得的交流信号与电压互感器上获得的电压信号经中频电源控制单元整流对比后适时关断整流电路与逆变电路；其特征在于：
所述并联中频电源控制单元采集端接受由温度控制单元发出输出信号，所述温度控制单元包括信号滤波器和温度控制仪，所述信号滤波器的信号输入端通过补偿导线与测温单位相连，所述信号滤波器的信号输出端与所述温度控制仪信号输入端相连，在所述温度控制仪的输出端并联一个电阻，并将获得低压信号连接至并联中频电源控制单元的功率调节信号输入端；
所述并联中频电源控制单元根据温度控制单元采集的信号发出整流脉冲触发所述三相全控整流桥，所述三相全控整流桥由三个可控硅模块和阻容过压保护电路组成，三相交流电的三相分别与三个可控硅模块相连，每个可控硅模块内的可控硅上均并联有阻容过压保护电路，将三相交流电经所述三相全控整流桥转换成直流电；
从所述三相全控整流桥输出的直流电经过直流滤波电抗器至所述单相桥式逆变单元，所述单相桥式逆变单元主要由四个快速可控硅和与四个分别与所述快速可控硅并联的阻容过压保护电路组成，所述四个快速可控硅两两一组并联连接，由并联中频电源控制单元发出的逆变触发脉冲触发单相逆变桥中的快速可控硅，两组快速可控硅引出线路与谐振电容并联后连接所述中频感应加热器，通过所述中频感应加热器中对管道工件加热，待加热管道工件的温度由所述测温单元经补偿导线反馈至所述温度控制单元。
2.根据权利要求1所述的并联谐振中频焊接热处理装置，其特征在于：所述测温单元为丝径大于等于Φ0.5mm；长度大于等于600mm的K分度热电偶，所述热电偶由KC系列或KX系列补偿导线与温度控制单元相连。
3.根据权利要求1所述的并联谐振中频焊接热处理装置，其特征在于：所述可控硅模块采用MTC可控硅模块，所述快速可控硅采用KK快速可控硅，并在所述MTC可控硅模块和KK快速可控硅上设有散热器。
4.根据权利要求1所述的并联谐振中频焊接热处理装置，其特征在于：所述单相桥式逆变单元与所述谐振电容之间设有中频功率采样单元与所述并联谐振中频电源控制单元相连。
5.根据权利要求1所述的并联谐振中频焊接热处理装置，其特征在于：所述并联谐振中频电源控制单元的供电由单相交流变压器连接供电。
6.根据权利要求1所述的并联谐振中频焊接热处理装置，其特征在于：所述单相桥式逆变单元内设有至少四个快速可控硅，每个快速可控硅分别与一个逆变桥的支路相连。
7.根据权利要求1所述的并联谐振中频焊接热处理装置，其特征在于：所述三相全控整流桥与直流滤波电抗器之间还设有分流器，在所述分流器上分别连接由直流电流表和直流电压表。
8.根据权利要求1所述的并联谐振中频焊接热处理装置，其特征在于：所述并联中频电源控制单元为MPU-6、PMU-7、1016或PBX6M-1型并联谐振中频电源控制板。
9.根据权利要求1所述的并联谐振中频焊接热处理装置，其特征在于：所述中频感应加热器驱动电源的频率为700Hz-2500Hz。
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