CN108347795A - 一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统 - Google Patents

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方臣富
高宇
孙远
杨志东
李莲斌
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    • H05B6/02—Induction heating
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Abstract

本发明涉及一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统，其特征在于：包括主电路、驱动电路和控制电路，所述主电路、驱动电路和控制电路构成一个完整的闭环控制系统，所述控制电路通过由主电路采集的反馈量及用户设置的给定量经过运算及处理后，生成驱动信号输入到驱动电路，由驱动电路产生驱动脉冲控制主电路的开通及关断；本发明与一般的感应加热校平设备相比，具有体积小、重量轻、容易移动、作业范围广的特点；此外具有加热效率高、加热速度快、节能等特点；加热过程稳定，加热电源状态可调，校平效果好的特点；本发明克服了单恒流电源及单恒功率电源的缺点，并保留了两者的优点，因此具良好的实用前景及经济效益。

Description

一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统
技术领域
本发明涉及船舶制造工程领域，尤其涉及一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统。
背景技术
目前，船舶及海洋工程结构主要采用熔焊工艺连接，焊接电弧对钢材的不均匀局部加热，必然导致船舶及海洋工程结构产生应力和变形。由于船舶及海洋工程结构体积大、质量大，无法采用机械校平变形，现在主要依靠火工进行校平。火工校平变形工艺存在诸多缺点，如加热时间长，校平厚度大的钢板时容易造成过烧，对操作者的经验、技能要求高，校平效果稳定性、一致性较差；另一方面，校平过程中会产生有毒气体和烟尘污染环境，乙炔、液化气安全性较差。
高频感应加热技术是近年来飞速发展的一种新型加热方法，相比于传统的“火焰-水冷”加热而言，它具有高效、清洁、易于操作、安全无污染等优势，因而在工业领域有着广泛的应用前景；感应加热校平与火工校平相比，升温快、热输入准确可控、机械化作业，可减少80％的校平工作量、显著提高校平质量、改善操作者工作环境；消除了火焰加热会产生有害烟气、容易灼伤皮肤、易燃易爆等安全隐患。
今后，感应加热校平工艺必将在船舶及海洋工程结构建造中得到越来越多的应用。
对于一般的感应加热设备，其调压部分普遍采用的是电流反馈的控制方式，因而其作为电源的外特性曲线类似于弧焊电源的恒流特性，即加热过程的电流保持恒定不变。其优点是：反馈量简单、稳定性强、有效防止过流故障等，但其缺点也是显而易见的：由于加热过程加热头出在不断移动移动中，虽然电流恒定不变，但电压值却在不断地波动，这就直接造成了加热过程加热功率不稳定，即热输入的不均匀。
在一些情况下，为了保证加热钢板的温度处于运输上升的状态，我们希望加热过程的热输入是恒定的，即加热功率是不变的。因此，需要一种恒功率的控制方式来保证感应加热电源的功率输出恒定。但是，这种模式的反馈量为功率，即电压和电流的乘积，我们很难保证功率一定的同时，电压和电流处在一定的范围：当电压很小时，电流可能瞬间达到很大；电流很小时，电压瞬间增加到很大。
因此，有必要采用同时具有恒功率及恒电流功能的感应加热电源，来保证加热过程及加热状态的稳定。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统，能够解决一般的感应加热设备仅仅能够保证加热功率的恒定或仅仅能够保证加热电流的恒定，无法同时实现两者均恒定的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统，其创新点在于：包括主电路、驱动电路和控制电路，所述主电路、驱动电路和控制电路构成一个完整的闭环控制系统，所述控制电路通过由主电路采集的反馈量及用户设置的给定量经过运算及处理后，生成驱动信号输入到驱动电路，由驱动电路产生驱动脉冲控制主电路的开通及关断；
所述主电路包括压敏电阻过压钳位电路、三相整流电路、滤波电路、调压斩波电路和RLC滤波电路；所述压敏电阻过压钳位电路、三相整流电路、滤波电路、调压斩波电路和RLC滤波电路依次相连；所述调压斩波电路中设置有IGBT模块形成的全桥逆变电路；
所述控制电路包括控制面板、主控板和供电板；控制面板分别与主控板以及供电板相连，所述供电板与主控板相连；所述主控板串联在驱动电路上，所述驱动电路连接在压敏电阻过压钳位电路、三相整流电路和滤波电路上形成调功器；所述驱动电路还连接在调压斩波电路中设置的IGBT模块全桥逆变电路上形成变频器；
所述调功器中的压敏电阻过压钳位电路、三相整流电路和滤波电路上设置有与主控板相连的缺相检测传感器；所述调压斩波电路上设置有与主控板相连的第一过流传感器和短路传感器；所述变频器中的全桥逆变电路上设置有与主控板相连的电压调节板；所述RLC滤波电路上的输入端设置有第二过流传感器，RLC滤波电路上的输出端设置有电流反馈传感器。
进一步的，移动加热器的输出端依次串联设置有同轴变压器和感应加热头；所述同轴变压器与感应加热头形成移动加热器。
进一步的，所述缺相检测传感器、第一过流传感器、短路传感器和第二过流传感器向主控板传输故障信号；所述电流反馈传感器和电压调节板分别向主控板传输电流反馈信号和电压反馈信号。
进一步的，所述RLC滤波电路包括共模电感、滤波电容和电阻。
进一步的，所述调功器、变频器和移动加热器与PLC控制器相连，所述PLC控制器通过人机界面实现数据互换。
本发明的优点在于：
1)本发明与一般的感应加热校平设备相比，具有体积小、重量轻、容易移动、作业范围广的特点；此外具有加热效率高、加热速度快、节能等特点；加热过程稳定，加热电源状态可调，校平效果好的特点。
2)本发明克服了单恒流电源及单恒功率电源的缺点，并保留了两者的优点，因此具良好的实用前景及经济效益。
附图说明
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。
图1为本发明的一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统的整体控制框图。
图2为本发明的一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统的核心控制流程图。
图3为本发明的一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统的电源的输出外特性曲线。
图4为本发明的一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统的主电路原理图。
图5为本本发明的一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统的电路板与主电路的连接结构图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1至图5所示的一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统，包括主电路1、驱动电路2和控制电路3，所述主电路1、驱动电路2和控制电路3构成一个完整的闭环控制系统，所述控制电路3通过由主电路1采集的反馈量及用户设置的给定量经过运算及处理后，生成驱动信号输入到驱动电路2，由驱动电路2产生驱动脉冲控制主电路1的开通及关断。
主电路1包括压敏电阻过压钳位电路11、三相整流电路12、滤波电路13、调压斩波电路14和RLC滤波电路15；所述敏电阻过压钳位电路11、三相整流电路12、滤波电路13、调压斩波电路14和RLC 滤波电路15依次相连；所述调压斩波电路14中设置有IGBT模块形成的全桥逆变电路。
控制电路3包括控制面板31、主控板32和供电板33；控制面板分别31与主控板32以及供电板33相连，所述供电板33与主控板 32相连；所述主控板32串联在驱动电路2上，所述驱动电路2连接在压敏电阻过压钳位电路11、三相整流电路12和滤波电路13上形成调功器；所述驱动电路2还连接在调压斩波电路14中设置的IGBT 模块全桥逆变电路上形成变频器。
调功器中的压敏电阻过压钳位电路11、三相整流电路12和滤波电路13上设置有与主控板32相连的缺相检测传感器；所述调压斩波电路14上设置有与主控板32相连的第一过流传感器和短路传感器；所述变频器中的全桥逆变电路上设置有与主控板32相连的电压调节板；所述RLC滤波电路上的输入端设置有第二过流传感器，RLC滤波电路上的输出端设置有电流反馈传感器。
全桥逆变主电路的输出端依次串联设置有同轴变压器和感应加热头；所述同轴变压器与感应加热头形成移动加热器。
缺相检测传感器、第一过流传感器、短路传感器和第二过流传感器向主控板传输故障信号；
所述电流反馈传感器和电压调节板分别向主控板传输电流反馈信号和电压反馈信号。
RLC滤波电路包括共模电感、滤波电容和电阻。
调功器、变频器和移动加热器与PLC控制器相连，所述PLC控制器通过人机界面实现数据互换。
如图1所示首先，三相交流电进入调功器，通过三相桥式整流电路并经过电容滤波后，进入调压斩波电路，并通过该电路对整流滤波后的直流电进行PWM调制，改变其占空比，形成一电压值不断变化的矩形波直流电。之后经过共模电感、滤波电容和电阻组成的滤波电路，使该方波直流电变为一电流电压波形稳定的直流电。之后通过传输电缆总成将电能输送至变频器，通过IGBT全桥逆变电路，利用基于锁相环的频率跟踪技术将由调功器送入的直流电逆变为频率变化的交流电，通过一隔直电容，交流电进入中频变压器，变压器输出端接谐振电容，后将电能送至移动加热器，同轴变压器输出端接感应加热头，加热头靠近钢板时，等效为电感与电阻串联的感性负载。
对于调功器部分，传感器及采样电路通过对主电路输出端的电压和电流进行采样，将采样值送至主控板，并与显示及控制面板所给出的给定值进行比较及相关运算，根据所得到的电压值进行PWM调制生成驱动脉冲，然后将脉冲输送至驱动电路，生成具有一定功率的驱动信号用于驱动IGBT工作。对于传感器及采样电路，主要由两部分：反馈信号和故障信号。
如图2所示为感应加热校平设备的控制核心框图。将由主电路采集的电压反馈和电流反馈信号送至主控板。若选择恒电流模式，则选择电流反馈送至一运放，由RC组成的运算电路使给定量与反馈量进行比较后进行比例积分运算，将运算后的电压信号送至PWM调制芯片，由调制芯片生成脉冲宽度变化的PWM驱动信号，由主控板送至驱动电路，由驱动电路控制IGBT的通断，综上所述形成闭环回路。若选择恒功率模式，则将送至主控板的电压反馈和电流反馈信号经过一模拟乘法器运算得一表示功率的模拟信号，将该信号送至另一RC组成的运算电路使给定量与反馈量进行比较后进行比例积分运算，将运算后的电压信号送至PWM调制芯片，由调制芯片生成脉冲宽度变化的 PWM驱动信号，由主控板送至驱动电路，由驱动电路控制IGBT的通断，综上所述形成闭环回路。
如图3所示，为感应加热校平设备调功器的输出外特性曲线。当选择恒流控制模式(如图3-a)，调功器外特性U-I曲线呈陡降趋势。对于后级负载而言，其等效电阻较小，当加热头距工件较远时，其内阻减小至很小，接近于零，此时的功率几乎为零；当加热头逐渐靠近工件，负载等效电阻逐渐升高，功率逐渐增大，至距离为零时，等效电阻增加至最大，此时仍然处于歪特性曲线的恒流范围，因此在恒流控制模式下，调功器始终工作在恒流范围内。当选择恒功率控制模式 (图3-b)，应符合
P＝U·I
即
因此U-I关系呈图3-b中1号曲线所示，然而通过虚线范围可以看到，电压很小时，电流迅速增加；当电流很小时，电压迅速增加。为了避免这种情况，在恒功率控制模式下，采用功率和电路复合反馈的控制方式，即：当电流较小时，通过调功器整流桥输出端的电位及控制PWM控制芯片及驱动芯片的死区时间设置进行电压的钳位；当电压较小时，采用电流作为反馈量，使电路工作在恒流状态，这样便有效防止了调功器电压或电流输出过大的情况。
如图4为为感应加热校平设备调功器主电路原理图。具体工作原理为：三相380V交流电经RV11/RV12/RV13三个压敏电阻进线保护后，由整流桥进行电能变换，输出514V(±10％)的直流电压，再经滤波电容和泄放电阻，进入软开关调压电路，其软开关实现的基本思路是：在辅助开关管Q11加上适当的驱动脉冲，结合LC固有的振荡特性，使功率管的开通与关断过程得以缓冲，从而使得开关管、续流二极管的电流与电压过零的时间得到合理安排，满足ZCS或ZVS的条件。
假设电路的初始状态为辅助开关管Q11与主开关管Q12均断开，续流二极管D14续流给负载RL供电，电流为I0。软开关实现电路具体的工作原理为：
(1)首先辅助开关管Q11导通瞬间，由于和电感L11串联，电感上的电流iL不能突变，因此Q11为零电流开通，电感L11开始储能。
(2)当Q11完全导通，电感电流iL达到最大值，I0变为0，续流二极管D14零电流关断
(3)主开关管Q12开通瞬间，此时电感电流iL为最大值并且不能突变，电流仍然经过L11与Q11流回电源负极，因此Q12零电流开通。
主开关管Q12完全导通后，电流则由L11与Q11转移到Q12上，此时关断Q11，则Q11为零电流关断。电感L11上的电压uL反向，二极管D13正向偏置导通，L11上的能量通过谐振方式向C18-C113充电。当电容两端电压uc大于电源电压Ud时，快恢复二极管D11与D12 导通，流过电容的电流ic改变方向，此时C18-C113、D11/D12与负载 RL构成回路，流过主开关管Q12的电流变为0，Q12实现零电流关断。
如图5所示为感应加热校平设备调功器部分各电路板与主电路连接的接线图。控制变压器原边输入AC380V交流电，输出有两组副边绕组：其中一组向驱动电路供电，另一组有五个抽头，经由供电电路进行PWM斩波降压，一组21V-5V-0V电源送至驱动电路，另一组(-12V)-(-5V)-0V-5V-12V电源送至控制电路及显示电路。显示电路用于显示调功器工作状态(包括设备运行指示、相关参数如电压、电流、功率、频率)和故障警报，以及调节控制系统给定量和启动/停止控制。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统，其特征在于：包括主电路、驱动电路和控制电路，所述主电路、驱动电路和控制电路构成一个完整的闭环控制系统，所述控制电路通过由主电路采集的反馈量及用户设置的给定量经过运算及处理后，生成驱动信号输入到驱动电路，由驱动电路产生驱动脉冲控制主电路的开通及关断；
所述主电路包括压敏电阻过压钳位电路、三相整流电路、滤波电路、调压斩波电路和RLC滤波电路；所述敏电阻过压钳位电路、三相整流电路、滤波电路、调压斩波电路和RLC滤波电路依次相连；所述调压斩波电路中设置有IGBT模块形成的全桥逆变电路；
所述控制电路包括控制面板、主控板和供电板；控制面板分别与主控板以及供电板相连，所述供电板与主控板相连；所述主控板串联在驱动电路上，所述驱动电路连接在压敏电阻过压钳位电路、三相整流电路和滤波电路上形成调功器；所述驱动电路还连接在调压斩波电路中设置的IGBT模块全桥逆变电路上形成变频器；
所述调功器中的压敏电阻过压钳位电路、三相整流电路和滤波电路上设置有与主控板相连的缺相检测传感器；所述调压斩波电路上设置有与主控板相连的第一过流传感器和短路传感器；所述变频器中的全桥逆变电路上设置有与主控板相连的电压调节板；所述RLC滤波电路上的输入端设置有第二过流传感器，RLC滤波电路上的输出端设置有电流反馈传感器。
2.根据权利要求1所述的一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统，其特征在于：所述全桥逆变主电路的输出端依次串联设置有同轴变压器和感应加热头；所述同轴变压器与感应加热头形成移动加热器。
3.根据权利要求1所述的一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统，其特征在于：所述缺相检测传感器、第一过流传感器、短路传感器和第二过流传感器向主控板传输故障信号；所述电流反馈传感器和电压调节板分别向主控板传输电流反馈信号和电压反馈信号。
4.根据权利要求1所述的一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统，其特征在于：所述RLC滤波电路包括共模电感、滤波电容和电阻。
5.根据权利要求1或2所述的一种感应加热校平机调功器恒电流及恒功率控制系统，其特征在于：所述调功器、变频器和移动加热器与PLC控制器相连，所述PLC控制器通过人机界面实现数据互换。
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