CN105042877B - 一种电磁管道加热方法及加热装置 - Google Patents

Abstract

一种电磁管道加热方法及加热装置，涉及通用热交换或传热设备的零部件领域。该电磁管道加热方法，利用高频电源发生器产生高频脉冲磁场，在管壁形成强大的涡流，使管壁迅速升温，加热管道内介质。该方法可在1‑2秒内使管壁温度达到100℃以上，配以高性能感温元件和精确的控制系统，具有加热迅速、反应灵敏的特点。利用高频交流电压产生的高频脉冲磁场，取代传统方式中利用固定脉宽的触发脉冲到IGBT驱动电路，可以使输出功率达到最大，降低逆变器的开关损耗。

Description

一种电磁管道加热方法及加热装置

技术领域

本发明涉及通用热交换或传热设备的零部件领域，特别涉及一种电磁管道加热方法及加热装置。

背景技术

电磁感应加热是继木材、液化气、天然气、柴油燃烧产生热能加热以及载流电阻热效应直接加热方式的重大变革。近20年来，随着电力半导体功率器件的发展，感应加热发展十分迅速，工业电阻炉、火焰炉传统加热方式将逐步被具有节能、环保、安全并被誉为“绿色加热”方式的感应加热所取代。

传统的加热方式有电阻炉和火焰炉等，他们是热源和被加热物体之间为直接接触加热方式。而感应加热是加热源与被加热物质之间构成一个电磁耦合系统，采用隔离非接触加热方式。传统的对电磁感应的控制方式仅仅通过主控电路产生固定脉宽的触发脉冲到IGBT驱动电路，从而到逆变电路中，并不能保证换能器处于谐振状态，因此不会持续输出最大功率，逆变器的开关损耗大。

发明内容

本发明提出一种电磁管道加热器，解决了现有技术无法保证使加热器一直处于谐振状态工作下，效率低、能耗损失大的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种电磁管道加热器的加热方法，其技术要点是：包括：

获取管道加热的时间、管道温度阈值及管道实测温度值；

在管道加热的时间内，利用所述管道实测温度值与管道温度阈值进行比较，若管道实测温度值高于管道温度阈值，则停止对管道内的流体进行加热，若实测温度值低于管道温度阈值，则对管道内介质进行加热，具体为：

将来自电网中的三相交流电的噪声及宽频高次谐波滤除；

将所述滤波后的交流电整流成直流电，并对直流电作进一步滤波，获得平稳的直流电压；

将直流电压逆变成高频交流电压；

调节高频交流电压使其处于串联谐振状态，并对谐振频率进行实时跟踪；

利用谐振产生的高频脉冲磁场，在管壁形成涡流，使管壁升温，加热管道内介质。

作为本发明的一种优选方案，所述的管道的加热时间是指夜间低谷电压所在的时间段。

作为本发明的另一种优选方案，所述对谐振频率进行实时跟踪，包括：

获取锁定频率；

若所述的锁定频率高于谐振频率，则降低IGBT的开通频率；若所述的锁定频率低于谐振频率，则升高IGBT的开通频率，反复执行上述过程，直至锁定频率与谐振频率相同时停止比较。

本发明提出一种电磁管道加热器，其技术要点是：包括：

温控器，用于采集管道内介质温度，并与管道温度阈值比较，若管道内介质温度低于管道温度阈值，则发送控制信号给感应加热电源使其开始工作；若管道内介质温度高于管道内温度，则发送控制信号给感应加热电源使其停止运行；

换能器，用于对管道内介质进行加热；

感应加热电源，用于在管道外壁产生高频脉冲磁场，使管道形成涡流。

作为本发明的一种优选方案，所述的感应加热电源包括：

EMI抗电磁干扰电路，用于滤除来自电网的三项交流电的噪声及宽频高次谐波；

整流桥电路，用于将三项交流电整流成直流电；

滤波电路，用于对直流电进行滤波，使直流电更为平稳；

逆变电路，用于将直流电逆变呈高频的交流电；

串联谐振电路，用于使高频交流电工作在串联谐振状态；

PLL锁相环电路，用于比较锁相频率与谐振频率是否相同，若锁相频率高于谐振频率，则降低IGBT的开通频率；若锁相频率低于谐振频率，则升高IGBT的开通频率；

主控电路，用于接收来自温控器的控制信号，若为开启信号，则使感应加热电源工作，若为关闭信号，则停止感应加热电源工作；

IGBT驱动电路，用于利用PWM波调整逆变器的工作频率。

作为本发明的另一种优选方案，多个感应加热电源并联组成大功率感应加热电源。

作为本发明的又一种优选方案，当锁相频率和谐振频率相等时，感应加热电源为最大功率输出。

作为本发明的又一种优选方案，所述的换能器结构为：包括钢管及设置在钢管外壁的玻璃丝保温棉，在玻璃丝保温棉的外壁还设置有绝缘垫木条，在绝缘垫木条外侧设置有铜排。

本发明的优点及有益效果是：该电磁管道加热方法，利用高频电源发生器产生高频脉冲磁场，在金属管壁形成强大的涡流，使管壁迅速升温，加热管道内介质。该方法可在1-2秒内使管壁温度达到100℃以上，配以高性能感温元件和精确的控制系统，具有加热迅速、反应灵敏的特点。利用高频交流电压产生的高频脉冲磁场，取代传统方式中利用固定脉宽的触发脉冲到IGBT驱动电路，可以使输出功率达到最大，提高了加热效率，降低逆变器的开关损耗。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1为本发明电磁管道加热方法总流程图；

图2为本发明感应加热电源方法流程图；

图3为本发明电磁管道加热装置结构示意图；

图4为本发明电磁管道加热装置电路控制原理图；

图5为本发明感应加热电源的电路结构示意图；

图6为本发明换能器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1～6对本发明作进一步说明。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

本发明实施例中提供了一种电磁管道加热方法，如图1和图2所示，为本发明实施例中提供的一种电磁管道加热器的加热方法的流程，包括：

步骤101：获取管道加热的时间、管道温度阈值及管道内介质的实测温度值；

管道的加热时间是指电磁管道装置工作运行时间段，即指夜间峰谷电压所在的时间段。通过定时器可以设置电磁管道装置的运行的最佳时间段。利用好峰谷平电价，可以很好的节约用电成本，对于企业来说可以工作于夜间低电价时间段。当用于企业采暖时，电磁管道装置工作在这一时间内，将水箱内的水加热到一定温度。白天需要采暖时在用循环泵将水箱内的热水输送到需要采暖的场所即可。

管道温度阈值由用户自行设定，本实施例中将温度阈值设置在15～75℃，管道实测温度由设置在管道内部的温度传感器测量并传输到温控器中。

步骤102：在管道加热的时间内，利用所述管道实测温度值与管道温度阈值进行比较，若管道实测温度值高于管道温度阈值，则停止对管道内的流体进行加热，若实测温度值低于管道温度阈值，则对管道内介质进行加热。

本实施例是通过温控器设定水箱加热的目标温度，并且设定一个相应的温差范围。当水箱内水温低于设定值，且处于温差范围外时，在工作时间段内，控制感应加热电源自动运行，直到水箱内的水加热到设定温度，感应加热电源停止运行。

步骤102中所述的对管道内介质进行加热，包括：

步骤1021：将来自电网中的三相交流电的噪声及宽频高次谐波滤除。宽频高次谐波主要是由逆变器功率器件开关过程中所产生并串入电网中形成的。

步骤1022：将所述滤波后的交流电整流成直流电，并对直流电作进一步滤波，获得平稳的直流电压，这里的平稳直流电压，主要是指标准的正负直流电压。

步骤1023：将直流电压逆变成高频交流电压。

步骤1024：调节高频交流电压使其处于串联谐振状态，并对谐振频率进行实时跟踪。步骤1024中所述的对谐振频率进行实时跟踪，具体包括：

步骤1024-1：获取锁定频率；

步骤1024-2：若所述的锁定频率高于谐振频率，则降低IGBT的开通频率；若所述的锁定频率低于谐振频率，则升高IGBT的开通频率，反复执行上述过程，直至锁定频率与谐振频率相同时停止比较。由于感应加热电源工作过程中，电感元件的频率在不断的变化，因此需要随时对电感元件的频率进行检测，时刻保证它能够工作在最大输出功率环境下，使效率达到最高。

步骤1025：利用谐振产生的高频脉冲磁场，在管壁形成涡流，使管壁升温，加热管道内介质。

实施例2：

本实施例采用的一种电磁管道加热器，包括：

温控器，用于采集管道内介质温度，并与管道温度阈值比较，若管道内介质温度低于管道温度阈值，则发送控制信号给感应加热电源使其开始工作；若管道内介质温度高于管道内温度，则发送控制信号给感应加热电源使其停止运行。

感应加热电源，用于在管道外壁产生高频脉冲磁场，使关闭形成涡流。其中，感应加热电源，包括：

EMI抗电磁干扰电路1，用于滤除来自电网的三项交流电的噪声及宽频高次谐波；

整流桥电路2，用于将三项交流电整流成直流电；

滤波电路3，用于对直流电进行滤波，使直流电更为平稳；

逆变电路4，用于将直流电逆变呈高频的交流电；

串联谐振电路5，用于使高频交流电工作在串联谐振状态；

PLL锁相环电路6，用于比较锁相频率与谐振频率是否相同，若锁相频率高于谐振频率，则降低IGBT的开通频率；若锁相频率低于谐振频率，则升高IGBT的开通频率；

主控电路7，用于接收来自温控器的控制信号，若为开启信号，则使感应加热电源工作，若为关闭信号，则停止感应加热电源工作；

IGBT驱动电路8，用于利用PWM波提调整逆变器的工作频率。

显示电路9，用于显示主控电路的计算结果。

电压供应电路10，用于为主控电路和IGBT驱动电路提供所需要的各级工作电压。

380V三相电11，用于为感应加热电源进行供电。

多个感应加热电源并联组成大功率感应加热电源。

当锁相频率和谐振频率相等时，感应加热电源以最大功率输出。

本发明在以水为加热目的实例中，电磁管道加热器的电路原理图如图3所示，其中，温控器与感应加热电源相连，感应加热电源的输出端再连接换能器的感应线圈。温控器和定时器都由交流220V供电，PT-、PT+连接在温度传感器PT100上面，用于检测水箱内的水温。当水箱内水温处于设定温度范围内时，温控器内部14、15引脚为断开状态，不会向外界输出电流。当水箱内水温低于设定温度范围时，温控器内部14、15引脚为连通状态，向外界提供电流。定时器在定时时间段以外处于断开状态，输出端不会向外界输出电流。当处于定时时间段以内时，定时器内部为连通状态，向外界提供电流信号。图中，QT01是转换开关，当向右拨转45°时，整个系统处于手动工作状态，转换开关的（2）、（3）、（6）、（7）引脚就会连接成通路。即（2）、（3）连接成通路，转换开关的（3）触点直接连到温控器的15触点，将当温控器检测水箱内温度低于设定温度范围时，打开任一路感应加热电源的开关（SA01、 SA02、SA03、 SA04）时，相应开关控制的感应加热电源就会开始工作。当转换开关QT01向左拨动45°时，打开四路开关（SA01、 SA02、 SA03、 SA04），整个电磁管道加热器处于自动工作状态，当温度低于设定温度范围时，并且在定时器定时时间段内，四个感应加热电源(本实施例是将四个分立30KW的感应加热电源组合成一个120KW的感应加热电源)会自动开始工作，持续加热到设定温度为止，并保持不变。

感应加热电源的工作电路原理如图4所示，设备采用交流380V进线电源供电，四台30KW的感应加热电源分别并联在380V工作电源上。QF00为总进线空气开关，是整个系统的总开关，感应加热电源的电源通断。QF01、QF02、QF03、QF04分别是各路感应加热电源的空气开关，控制着各路的通断。PV01是电压表，用于观测系统的总电压。PA01、 PA02、 PA03、PA04是电流表，用于观测各个感应加热电源的工作电流。TA11、 TA21 、TA31 、TA41是电流互感器，用于感应每个感应加热电源的进线电流，并将电流值传递给电流表。工频三相交流电先经过整流桥（DB11、 DB21 、DB31、 DB41）整流成工频直流电压，然后在通过两组IGBT（IGBT11、IGBT12、IGBT21、IGBT22、IGBT31、IGBT32、IGBT41、IGBT42）组成的逆变器，将工频直流电逆变成高频交流电。高频交流电经过谐振电容（C-1、C-2、C-3、C-4、C-5、C-6）传输到缠绕在换能器上的电感线圈，电感线圈和换能器通过电磁感应和涡流加热作用，将电能转化为热能。

换能器，用于对管道内介质进行加热。本实施例中的陶瓷换能器，包括钢管12及设置在钢管12外壁的玻璃丝保温棉13，在玻璃丝保温棉13的外壁还设置有绝缘垫木条14，在绝缘垫木条14外侧设置有铜排15。且本实施例中的钢管采用20号钢。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种电磁管道加热方法，其特征在于：包括：

获取管道加热的时间、管道温度阈值及管道实测温度值；所述的管道的加热时间是指夜间低谷电压所在的时间段；

在管道加热的时间内，利用所述管道实测温度值与管道温度阈值进行比较，若管道实测温度值高于管道温度阈值，则停止对管道内的流体进行加热，若实测温度值低于管道温度阈值，则对管道内介质进行加热，具体为：

（1）将来自电网中的三相交流电的噪声及宽频高次谐波滤除；

（2）将经（1）滤波后的交流电整流成直流电，并对直流电作进一步滤波，获得平稳的直流电压；

（3）将直流电压逆变成高频交流电压；

（4）调节高频交流电压使其处于串联谐振状态，并对谐振频率进行实时跟踪；所述对谐振频率进行实时跟踪，包括：

（5）获取锁定频率；

（6）若所述的锁定频率高于谐振频率，则降低IGBT的开通频率；若所述的锁定频率低于谐振频率，则升高IGBT的开通频率，反复执行（6）的过程，直至锁定频率与谐振频率相同时停止比较；

利用谐振产生的高频脉冲磁场，在管壁形成涡流，使管壁升温，加热管道内介质。

2.一种电磁管道加热装置，包括：温控器及依次与温控器连接在一起的感应加热电源和换能器，其特征在于：

温控器，用于采集管道内介质温度，并与管道温度阈值比较，若管道内介质温度低于管道温度阈值，则发送控制信号给感应加热电源使其开始工作；若管道内介质温度高于管道内温度，则发送控制信号给感应加热电源使其停止运行；

感应加热电源，用于在管道外壁产生高频脉冲磁场，使管壁形成涡流；

换能器，用于对管道内介质进行加热；

所述的感应加热电源包括：

EMI抗电磁干扰电路，用于滤除来自电网的三项交流电的噪声及宽频高次谐波；

整流桥电路，用于将三项交流电整流成直流电；

滤波电路，用于对直流电进行滤波，使直流电更为平稳；

逆变电路，用于将直流电逆变呈高频的交流电；

串联谐振电路，用于使高频交流电工作在串联谐振状态；

PLL锁相环电路，用于比较锁相频率与谐振频率是否相同，若锁相频率高于谐振频率，则降低IGBT的开通频率；若锁相频率低于谐振频率，则升高IGBT的开通频率；

主控电路，用于接收来自温控器的控制信号，若为开启信号，则使感应加热电源工作，若为关闭信号，则停止感应加热电源工作；

IGBT驱动电路，用于利用PWM波提调整逆变器的工作频率。

3.如权利要求2所述的电磁管道加热装置，其特征在于：多个感应加热电源并联组成大功率感应加热电源。

4.如权利要求2所述的电磁管道加热装置，其特征在于：当锁相频率和谐振频率相等时，感应加热电源为最大功率输出。

5.如权利要求2所述的电磁管道加热装置，其特征在于：所述的换能器结构为：包括钢管及设置在钢管外壁的玻璃丝保温棉，在玻璃丝保温棉的外壁还设置有绝缘垫木条，在绝缘垫木条外侧设置有铜排。