CN107092299A - 一种1mw高频感应电源功率的远程调节装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种1MW高频感应电源功率的远程调节装置及方法，包括PLC数据运算控制器、PLC数据采集模块、PLC输出控制模块、电压转光纤模块、光纤转电压模块、电压转换模块、高频感应电源控制电路和栅极电压电流测量模块。本发明将感应电源对应的工作电压、电流与电源功率值比较，PLC数据运算控制器根据差值重新调整直流电压信号输出，能够快速有效的对高频感应电源的运行功率进行实时调节和控制，减少因为实验人员在手动操作过程中，通过肉眼观察电流电压变化产生的判断延时所导致的控制滞后，保证了试验过程中加热器工作状态的稳定和加热功率的准确。

Description

一种1MW高频感应电源功率的远程调节装置及方法
技术领域
本发明涉及一种1MW高频感应电源功率的远程调节装置及方法，属于气动热地面模拟试验设备领域。
背景技术
高频感应加热风洞使用的是高频感应加热器，它是利用高频感应-耦合的方式将能量传输给工作气体，不用电极，不存在电极烧损问题，因此高频感应加热风洞是当前唯一能够提供高化学纯净、无污染、高温、高速气流环境的地面模拟设备。
高频感应加热器，它的特点是：电弧功率可以很大(达到50MW量级，或者更大)，喷管尺度也较大，因此比较适宜做大部件防热材料的烧蚀试验和热结构试验，但由于电弧加热器使用的是水冷铜电极，铜电极在放电过程中产生烧损是不可避免的，从而污染了高温流场，所以铜电极污染是电弧加热风洞的固有弊端，当防热层表面温度不太高时，就会由于铜或铜化合物蒸汽冷凝于防热层表面而影响到试件表面的催化活性、材料辐射系数以及其他与传热-传质等有关的材料物理性能，气流污染导致了试件防热能力的试验结果偏离正确数值，由此所产生的实验偏差降低了实验的可靠性。
高频感应电源，又称高频发生器，是高频感应加热风洞的核心设备之一，属于特种技术设备，是高频感应加热器核心单元。
目前对于高频感应电源功率的调节还使用传统的手动旋钮电位计调节方式，该方式的缺点在于控制精度不高，响应速度慢，操作人员靠近试验现场，高频感应电源工作中所产生的电磁辐射会对人体造成比较大的人身伤害。
发明内容
本发明的技术解决问题：为克服现有技术的不足，提供一种1MW高频感应电源功率的远程调节装置及方法，实现对高频感应电源的运行功率进行实时调节和控制。
本发明的技术解决方案：
一种1MW高频感应电源功率的远程调节装置，包括PLC数据运算控制器、PLC数据采集模块、PLC输出控制模块、电压转光纤模块、光纤转电压模块、电压转换模块、高频感应电源控制电路和栅极电压电流测量模块；
上位机将电源功率值赋给PLC数据运算控制器，PLC数据运算控制器将电源功率值转换为直流电压信号，将直流电压信号传递给PLC输出控制模块，PLC输出控制模块将直流电压信号输出给电压转光纤模块，电压转光纤模块将电压信号转换为光信号，光信号经远距离传输至光纤转电压模块，光纤转电压模块将接收到的光信号转换为原电压信号，将原电压信号传输给电压转换模块，电压转换模块将原电压控制信号转换为高频感应电源控制电路所使用的0～-12V直流电压控制信号，将0～-12V直流电压控制信号传输给高频感应电源控制电路，作为高频感应电源控制电路的放大信号，调节1MW高频感应电源输入端电压、电流至对应的工作电压、电流，进而控制高频感应电源功率的升降；
栅极电压电流测量模块实时对高频感应电源对应的工作电压、电流进行测量，并将电压、电流测量值反馈给PLC数据采集模块，PLC数据采集模块将电压、电流测量值传输给PLC数据运算控制器，PLC数据运算控制器将电压、电流测量值与电源功率值比较，如果误差高于0.1％，则PLC数据运算控制器根据差值重新调整直流电压信号输出，直至将电源输出功率误差控制在0.1％以内。
高频感应电源控制电路包括主振荡线圈、振荡回路和栅极反馈线圈，振荡回路将0～-12V直流电压控制信号通过主振荡线圈逐级放大至1MW高频感应电源对应的工作电压、电流，并通过栅极反馈线圈反馈至栅极电压电流测量模块。
高频感应电源工作电压、电流经高频感应电源控制电路调节后，工作电压通过整流和升频振荡，供高频感应加热器生成高温等离子体，进行热烧蚀试验。
直流电压信号为0～10V。
电压转换模块中的模块电源、信号输入和信号输出采用三点隔离方式，隔离电压≥2000V。
一种1MW高频感应电源功率的远程调节方法，具体步骤为：
(1)控制给定：将电源功率值赋给PLC数据运算控制器，PLC数据运算控制器将电源功率值转换为直流电压信号，将直流电压信号传递给PLC输出控制模块；
(2)光纤传输及转换：PLC输出控制模块将直流电压信号输出给电压转光纤模块，电压转光纤模块将电压信号转换为光信号，光信号经远距离传输至光纤转电压模块，光纤转电压模块将接收到的光信号转换为原电压信号，将原电压信号传输给电压转换模块；
(3)高频感应电源功率控制：电压转换模块将原电压控制信号转换为高频感应电源控制电路所使用的0～-12V直流电压控制信号，将0～-12V直流电压控制信号传输给高频感应电源控制电路，作为高频感应电源控制电路的放大信号，调节1MW高频感应电源输入端电压、电流至对应的工作电压、电流，进而控制高频感应电源功率的升降；
(4)高频感应电源电压、电流反馈监测：栅极电压电流测量模块实时对高频感应电源对应的工作电压、电流进行测量，并将电压、电流测量值反馈给PLC数据采集模块；
(5)高频感应电源电压、电流运行再调节控制：PLC数据采集模块将电压、电流测量值传输给PLC数据运算控制器，PLC数据运算控制器将电压、电流测量值与电源功率值比较，如果误差高于0.1％，则PLC数据运算控制器根据差值，调整直流电压信号输出，重复步骤1～4，直至将电源输出功率误差控制在0.1％以内。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明将感应电源对应的工作电压、电流与电源功率值比较，PLC数据运算控制器根据差值重新调整直流电压信号输出，能够快速有效的对高频感应电源的运行功率进行实时调节和控制，减少因为实验人员在手动操作过程中，通过肉眼观察电流电压变化产生的判断延时所导致的控制滞后，保证了试验过程中加热器工作状态的稳定和加热功率的准确；
(2)本发明采用光纤信号传输的方式，通过电压～光纤转换模块将控制电压信号转换为光纤信号进行传输，能够大幅降低高频感应电源运行时，控制回路因高频振荡产生的电磁干扰，保护控制主体设备的安全和整个控制系统信号的正确与稳定。
附图说明
图1为本发明装置示意图；
图2为本发明高频感应电源结构示意图；
图3为本发明高频感应电源控制电路示意图；
图4为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。
本发明涉及一种1MW高频感应加热器感应电源功率的远程调节，用于在气动热地面模拟试验中，通过控制系统PLC输出0～5v直流电压控制信号，直流电压信号为0～10V，对高频感应电源的运行功率进行实时调节和控制，并将感应电源栅极电压和电流值进行反馈比较，防止在启动/停止过程中电流电压上升率太大，引起过压和过流，并与模拟调节的快速性非常接近，确保高频感应加热器的安全运行，具体实现方式如下。
一种1MW高频感应电源功率的远程调节装置，如图1所示，包括PLC数据运算控制器、PLC数据采集模块、PLC输出控制模块、电压转光纤模块、光纤转电压模块、电压转换模块、高频感应电源控制电路和栅极电压电流测量模块；
上位机将电源功率值赋给PLC数据运算控制器，PLC数据运算控制器将电源功率值转换为直流电压信号，将直流电压信号传递给PLC输出控制模块，PLC输出控制模块将直流电压信号输出给电压转光纤模块，电压转光纤模块将电压信号转换为光信号，光信号经远距离传输至光纤转电压模块，光纤转电压模块将接收到的光信号转换为原电压信号，将原电压信号传输给电压转换模块，电压转换模块将原电压控制信号转换为高频感应电源控制电路所使用的0～-12V直流电压控制信号，将0～-12V直流电压控制信号传输给高频感应电源控制电路，作为高频感应电源控制电路的放大信号，调节1MW高频感应电源输入端电压、电流至对应的工作电压、电流，进而控制高频感应电源功率的升降；
栅极电压电流测量模块实时对高频感应电源对应的工作电压、电流进行测量，并将电压、电流测量值反馈给PLC数据采集模块，PLC数据采集模块将电压、电流测量值传输给PLC数据运算控制器，PLC数据运算控制器将电压、电流测量值与电源功率值比较，如果误差高于0.1％，则PLC数据运算控制器根据差值重新调整直流电压信号输出，直至将电源输出功率误差控制在0.1％以内。
如图3所示，高频感应电源控制电路包括主振荡线圈、振荡回路和栅极反馈线圈，振荡回路将0～-12V直流电压控制信号通过主振荡线圈逐级放大至1MW高频感应电源对应的工作电压、电流，并通过栅极反馈线圈反馈至栅极电压电流测量模块。
如图2所示，高频感应电源工作电压、电流经高频感应电源控制电路调节后，工作电压通过整流和升频振荡，供高频感应加热器生成高温等离子体，进行热烧蚀试验。
一种1MW高频感应电源功率的远程调节方法，如图4所示，具体步骤为：
(1)控制给定：将电源功率值赋给PLC数据运算控制器，PLC数据运算控制器将电源功率值转换为直流电压信号，将直流电压信号传递给PLC输出控制模块；
(2)光纤传输及转换：PLC输出控制模块将直流电压信号输出给电压转光纤模块，电压转光纤模块将电压信号转换为光信号，光信号经远距离传输至光纤转电压模块，光纤转电压模块将接收到的光信号转换为原电压信号，将原电压信号传输给电压转换模块；
(3)高频感应电源功率控制：电压转换模块将原电压控制信号转换为高频感应电源控制电路所使用的0～-12V直流电压控制信号，将0～-12V直流电压控制信号传输给高频感应电源控制电路，作为高频感应电源控制电路的放大信号，调节1MW高频感应电源输入端电压、电流至对应的工作电压、电流，进而控制高频感应电源功率的升降；
(4)高频感应电源电压、电流反馈监测：栅极电压电流测量模块实时对高频感应电源对应的工作电压、电流进行测量，并将电压、电流测量值反馈给PLC数据采集模块；
(5)高频感应电源电压、电流运行再调节控制：PLC数据采集模块将电压、电流测量值传输给PLC数据运算控制器，PLC数据运算控制器将电压、电流测量值与电源功率值比较，如果误差高于0.1％，则PLC数据运算控制器根据差值，调整直流电压信号输出，重复步骤1～4，，直至将电源输出功率误差控制在0.1％以内。
电压转换模块中的模块电源、信号输入和信号输出采用三点隔离方式，隔离电压≥2000V，能够在高频电源控制电路出现意外击穿故障时，有效保护光纤转电压模块，确保光纤转电压模块在高频环境下的使用安全。
具体的，栅极电压电流测量模块采用标准0～20mA直流电流输出，电源控制系统采用大板结构，将控制电源和控制电路集中在一块板上，电压转光纤模块将0～5V直流电压控制信号转换为光纤信号进行传输，光纤转电压模块将光纤信号转换为0～5V直流电压控制信号对控制回路进行控制，0～5V转0～-12V电压转换模块将PLC输出的0～5V直流电压控制信号转换为电源控制回路所使用的0～-12V直流电压控制信号，PLC输出控制模块输出0～5V直流电压，PLC数据采集模块负责采集0～20mA直流电流信号并加入栅极电压和栅极电流反馈，确保高频感应加热器的安全运行。
本发明采用远程调节，可在实验控制间实现对高频感应电源的功率调节，取消实验操作人员在高频感应电源柜附近进行手动功率调节的工作方式，有效降低工作人员工作强度，减少高频设备在工作中对现场操作人员的身体伤害；撤销了手动控制台等硬件设备，节省了操作空间，降低运行成本。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种1MW高频感应电源功率的远程调节装置，其特征在于：包括PLC数据运算控制器、PLC数据采集模块、PLC输出控制模块、电压转光纤模块、光纤转电压模块、电压转换模块、高频感应电源控制电路和栅极电压电流测量模块；
上位机将电源功率值赋给PLC数据运算控制器，PLC数据运算控制器将电源功率值转换为直流电压信号，将直流电压信号传递给PLC输出控制模块，PLC输出控制模块将直流电压信号输出给电压转光纤模块，电压转光纤模块将电压信号转换为光信号，光信号经远距离传输至光纤转电压模块，光纤转电压模块将接收到的光信号转换为原电压信号，将原电压信号传输给电压转换模块，电压转换模块将原电压控制信号转换为高频感应电源控制电路所使用的0～-12V直流电压控制信号，将0～-12V直流电压控制信号传输给高频感应电源控制电路，作为高频感应电源控制电路的放大信号，调节1MW高频感应电源输入端电压、电流至对应的工作电压、电流，进而控制高频感应电源功率的升降；
栅极电压电流测量模块实时对高频感应电源对应的工作电压、电流进行测量，并将电压、电流测量值反馈给PLC数据采集模块，PLC数据采集模块将电压、电流测量值传输给PLC数据运算控制器，PLC数据运算控制器将电压、电流测量值与电源功率值比较，如果误差高于0.1％，则PLC数据运算控制器根据差值重新调整直流电压信号输出，直至将电源输出功率误差控制在0.1％以内。
2.如权利要求1所述的一种1MW高频感应电源功率的远程调节装置，其特征在于，高频感应电源控制电路包括主振荡线圈、振荡回路和栅极反馈线圈，振荡回路将0～-12V直流电压控制信号通过主振荡线圈逐级放大至1MW高频感应电源对应的工作电压、电流，并通过栅极反馈线圈反馈至栅极电压电流测量模块。
3.如权利要求1所述的一种1MW高频感应电源功率的远程调节装置，其特征在于，高频感应电源工作电压、电流经高频感应电源控制电路调节后，工作电压通过整流和升频振荡，供高频感应加热器生成高温等离子体，进行热烧蚀试验。
4.如权利要求1所述的一种1MW高频感应电源功率的远程调节装置，其特征在于，直流电压信号为0～10V。
5.如权利要求1所述的一种1MW高频感应电源功率的远程调节装置，其特征在于，电压转换模块中的模块电源、信号输入和信号输出采用三点隔离方式，隔离电压≥2000V。
6.一种1MW高频感应电源功率的远程调节方法，其特征在于：具体步骤为：
(1)控制给定：将电源功率值赋给PLC数据运算控制器，PLC数据运算控制器将电源功率值转换为直流电压信号，将直流电压信号传递给PLC输出控制模块；
(2)光纤传输及转换：PLC输出控制模块将直流电压信号输出给电压转光纤模块，电压转光纤模块将电压信号转换为光信号，光信号经远距离传输至光纤转电压模块，光纤转电压模块将接收到的光信号转换为原电压信号，将原电压信号传输给电压转换模块；
(3)高频感应电源功率控制：电压转换模块将原电压控制信号转换为高频感应电源控制电路所使用的0～-12V直流电压控制信号，将0～-12V直流电压控制信号传输给高频感应电源控制电路，作为高频感应电源控制电路的放大信号，调节1MW高频感应电源输入端电压、电流至对应的工作电压、电流，进而控制高频感应电源功率的升降；
(4)高频感应电源电压、电流反馈监测：栅极电压电流测量模块实时对高频感应电源对应的工作电压、电流进行测量，并将电压、电流测量值反馈给PLC数据采集模块；
(5)高频感应电源电压、电流运行再调节控制：PLC数据采集模块将电压、电流测量值传输给PLC数据运算控制器，PLC数据运算控制器将电压、电流测量值与电源功率值比较，如果误差高于0.1％，则PLC数据运算控制器根据差值，调整直流电压信号输出，重复步骤1～4，直至将电源输出功率误差控制在0.1％以内。
7.如权利要求6所述的一种1MW高频感应电源功率的远程调节方法，其特征在于，高频感应电源控制电路包括主振荡线圈、振荡回路、栅极反馈线圈，振荡回路将0～-12V直流电压控制信号通过主振荡线圈逐级放大至1MW高频感应电源对应的工作电压、电流，并通过栅极反馈线圈反馈至栅极电压电流测量模块。
8.如权利要求6所述的一种1MW高频感应电源功率的远程调节方法，其特征在于，高频感应电源工作电压、电流经高频感应电源控制电路调节后，工作电压通过整流和升频振荡，供高频感应加热器生成高温等离子体，进行热烧蚀试验。
9.如权利要求6所述的一种1MW高频感应电源功率的远程调节方法，其特征在于，直流电压信号为0～10V。
10.如权利要求6所述的一种1MW高频感应电源功率的远程调节方法，其特征在于，电压转换模块中的模块电源、信号输入和信号输出采用三点隔离方式，隔离电压≥2000V。
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