CN110662319A - 一种多工位感应加热电路及其加热、控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多工位感应加热电路，该电路包括有电源转换器，电源转换器的输入端连接外部三相网压，电源转换器的两个输出端之间输出电源转换器频率为f的正弦交流电压；该电路还包括有加热器，加热器中包括有至少一个加热模块，每一个加热模块中均包括有加热电感和谐振电容，加热电感和谐振电容并联，加热电感和谐振电容的其中一个公共端连接电源转换器的其中一个输出端，加热电感和谐振电容的另一个公共端分时连接电源转换器的另一个输出端；加热器具有总固有谐振频率f₀，该电路在工作过程中保持f＝f₀。本发明基于上述加热电路，还提出了其工作方法及其控制方法。在本发明提供的加热电路架构简洁，设备体积小，不同工位上设置的加热器之间不存在干扰问题，能取得良好的加热效果。

Description

一种多工位感应加热电路及其加热、控制方法

技术领域

本发明属于感应加热技术领域，特别涉及一种感应加热控制电路及其控制方法。

背景技术

机械制造的过程中，同一工件通常大批量生产，使用感应加热技术对同一批次、具有相同形状和相同尺寸的工件进行加热时，往往需要设置多个工位。

例如在专利申请号为“200820056447.0”的专利申请中公开了一种多工位回火感应加热装置，该装置包括若干个感应加热线圈、电源输出母排、连接铜排和绝缘垫板，电源输出母排一端与外部电源相连，电源输出母排另一端与感应加热线圈相连，且电源输出母排与感应加热线圈之间、相邻感应加热线圈之间通过连接铜排相连，相邻感应加热线圈的输入端、输出端交错连接，且相邻感应加热线圈内的电流流通方向相反，绝缘垫板设置在连接铜排之间。

上述专利申请文件中公开的多工位回火感应加热装置中，为削弱了感应加热线圈之间的磁场畸变，该装置中采用相邻感应加热线圈内的电流流通方向相反的装置方式，使相邻感应加热线圈之间的磁场正负叠加，提高多工位感应加热的温度均匀性。

然而，在上述专利中提供的多工位感应加热装置中，多个加热线圈之间由相同电源设备的提供加热电源，多个加热线圈之间以串联的形式连接，在实际加工过程中，使用该中方法连接在一起的加热线圈必须保持同步加热方式，各加热线圈无法独立调节，且如其中一个加热线圈发生故障，则与其相连的所有加热线圈都将无法正常工作。

在实际的工件生产加工过程中，通常存在以下两种加热需求场景：

第一种加热需求场景为：同一工件针对不同的工件部位，因该部位的尺寸、材质、形状、机械特性等不同。在该种场景下，同一工件不同部位要求不同的加热效果，需使用多个加热线圈对该工件分断区别加热，要求设置多个可独立加热的感应加热线圈。

第二种加热需求场景为：相同批次的多个工件同时加工，多个工件之间尺寸、形状、加热位置、机械特性等相同。在该种场景下，不同工件同步加热，且不同工件要求相同的加热效果，要求设置多个可同步工作的感应加热线圈。

针对以上两种加热需求场景，现有技术中常使用多台感应加热设备配合形成加热流水线的方法加以处理：每台感应加热设备中均配置一个加热线圈以及与其对应的控制电路，多台感应加热设备在狭窄空间内共同工作时，每个加热线圈都相当于一个交变磁场发生器，其产生的交变磁场往往会通过感应线圈之间的互感作用耦合到临近的加热线圈上，因此，多台感应加热设备同时工作时，每个加热线圈上耦合的磁场往往受到较大干扰；而与此同时，加热线圈反馈给控制电路的磁场信号也杂乱无章，控制电路无法准确捕捉并判定加热线圈的加热情况，这样一来，不仅工件本身无法取得理想的加热效果，感应加热设备本身也受磁场畸变的影响，存在受损风险。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于多工位感应加热电路，该电路针对多个工位对应设置加热器，且每一个加热器均并接在电源转换器上，一方面简化了电路结构，减小了设备体积，另一方面还保证了所有工位上的加热器保护与电源转换器同步，解决了现有技术中的存在的不同感应加热设备之间的干扰问题。

本发明的另一个目的在于提供一种多工位感应加热电路工作方法，该方法利用加热器中的并联谐振结构中，当加热器与电源转换器连接时，保持电源转换器输出频率f与加热器的总固有谐振频率f₀相等，每一个接入电源转换器的加热模块均发生谐振，进而实现感应加热的目的。

本发明的另一个目的在于提供一种多工位感应加热电路控制方法，该控制方法检测一方面监测外部工件的实时加热温度，另一方面监测电源转换器输出的交流电压的过零时刻，保证电子开关总在电压过零时刻导通或者截止，使得电子开关始终处于软开关状态，一方面减少了电路损耗，另一方面保护电子开关，避免其受硬性通断的冲击，提升了电路稳定性和可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种多工位感应加热电路，该电路包括有电源转换器转换器，电源转换器的输入端连接外部三相网压，电源转换器的两个输出端之间输出频率为f的正弦交流电压；该电路还包括有加热器，加热器中包括有至少一个加热模块，每一个加热模块中均包括有加热电感和谐振电容，加热电感与加热电容并联，加热电感和谐振电容的其中一个公共端连接电源转换器的其中一个输出端，加热电感和谐振电容的另一个公共端分时连接电源转换器的另一个输出端；

加热器具有总固有谐振频率f₀，该电路在工作过程中保持f＝f₀。

其中，每一个加热模块均具有其对应的固有谐振频率，每一个加热模块所对应的固有谐振频率均相等。

令：对应N个加热工位，电路中设置N个加热模块，分别为H₁、H₂···H_N，每一个加热模块中的对应加热电感的感抗为L₀₁、L₀₂···L_0N，每一个加热模块中对应的谐振电容的容抗为C₀₁、C₀₂···C_0N。

则：每一个加热谐振模块均具有其对应的固有谐振频率，每一个加热模块对应的固有谐振频率分别为

在某一时刻加热器的总固有谐振频率f₀由该时刻接入电源转换器的加热模块决定，因每一个加热模块的两端均连接电源转换器，可知N个加热模块之间为并联关系，因此可轻易得知加热器的总固有谐振频率f₀满足：f₀＝f₀₁＝f₀₂＝```＝f_0N。而电路在工作过程中保持f＝f₀，则电源转换器提供的正弦交流电压施加在每一个接入的加热模块上，对应的加热模块都将在电源转换器的激励下到达谐振点，加热模块在该时刻整体呈阻性，且每个加热线圈上都将产生与电源转换器同步变化的交变磁场，进而在外部工件上产生感应电动势加热外部工件。

从一个方面来看，多个加热模块并接在同一电源转换器上的电路设置，极大地简化了设备，降低了工件加工成本；从另一个方面来看，电路工作时，每一个加热电感都将与电源转换器保持同步，加热模块之间将不再存在磁场干扰的问题；而加热模块与电源转换器分时导通，则可通过控制加热时间或通电频率的方式控制加热器，达到单独控制每一个工位的加热效果的目的，操作方便，易于实现。

进一步地，每一个加热电感的感抗均相等；所述每一个谐振电容的容抗均相等。本发明提供的电路应用在具体的感应加热场景中时，可采用每个加热电感的感抗均相等、每个谐振电容的容抗也相等的方法，方便取得电路中f₀＝f₀₁＝f₀₂＝```＝f_0N，进而方便电路在工作过程中保持f＝f₀。

进一步地，该电路还包括有电子开关，电子开关与加热模块一一对应设置，每一个电子开关的一端分别连接对应的加热模块，每一个电子开关的另一端分别连接电源转换器；电子开关导通时，对应的加热模块接入电源转换器；电子开关截止时，对应的加热模块与电源转换器断开。电子开关本身为现有技术，本电路在具体应用时，技术人员可根据具体加热需求、结合设备情况选用合适的半导体开关管作为电子开关。

进一步地，该电路还包括有控制器，控制器与电子开关一一对应设置，控制器包括有：用于监控外部工件的实时温度的温度监控单元、用于监控电源转换器输出的交流电压的变化情况的电源转换器监控单元、与门、非门、与非门、用于发出触发信号的上升沿触发器，以及，用于驱动电子开关的开关驱动器；

温度监控单元的输入端与外部工件交互，如外部工件的温度满足设定的继续加热要求，则温度监控单元输出ON信号；如外部工件的温度满足设定的停止加热需求，则温度监控单元输出OFF信号；

电源转换器监控单元的输入端与电源转换器交互，电源转换器输出的正弦交流电压出现过零点时，电源转换器监控单元在该时刻输出过零脉冲；

温度监控单元的输出端与电源转换器监控单元的输出端一同接入与门，与门的输出端连接上升沿触发器，上升沿触发器的输出端连接开关驱动器，开关驱动器的输出端连接电子开关；

温度监控单元的输出端还连接非门，非门的输出端与电源转换器监控单元的输出端一同接入与非门中，与非门的输出端连接上升沿触发器。

因此，电路在工作过程中，如温度监控单元输出ON信号的同时，电源转换器监控单元输出过零脉冲，则上升沿触发器保持高电平输出，控制开关驱动器发出驱动信号，驱动对应的电子开关导通，实现零电压接通对应的加热模块的效果；

如温度监控单元输出OFF信号的同时，电源转换器监控单元输出过零脉冲，与非门的输出端输出清零信号，该清零信号接入上升沿触发器中，上升沿触发器置低清零，控制开关驱动器相应地驱动对应的电子开关截止，实现零电压关断对应加热模块的效果；

外部工件在对应工位上加热的过程中，温度监测单元将实时监测其加热工况，同时电源转换器控单元监控电源转换器输出的正弦交流电压的变化情况，保证每个加热模块总在正弦交流电压的过零点执行通断动作，防止电子开关硬性通断，降低电子开关通断给电路带来的扰动，保护电子开关及加热器本身的电子元器件。

进一步地，该电路还包括有内置谐振器，内置谐振器包括有内置电容和内置电感，内置电感的一端连接电源转换器的其中一个输出端，内置电感的另一端连接电源转换器的另一个输出端，内置电容与内置电感并联；内置谐振器具有内置固有谐振频率f₁，该内置固有谐振频率f₁满足f₁＝f₀。根据电路的设置，电路中每个加热模块都将在其对应的控制器的控制下，通过电子开关分时接入电源转换器，因此本发明提供的电路在工作的过程中，不可避免地将出现通断间隙，即电路将在某一时刻出现没有任何加热模块接入电源转换器的情况，如不采取措施，该通断间隙将对整体电路带来巨大的扰动。因此本发明提供的加热电路设置了内置谐振器，该内置谐振器与电源转换器始终保持连接，保证电源转换器的输出端存在稳定负载，进而保证电源转换器的输出端稳定输出电压与电流同相的正弦交流电压。

进一步地，电源转换器包括有整流模块、调压模块和逆变模块，其中，整流模块、调压模块和逆变模块依次连接，整流模块的输入端连接外部三相网压；逆变模块的输出端输出具有电源转换器频率为f的正弦交流电压。

应该强调的是，本发明中提及的整流模块、调压模块和逆变模块均为现有技术，在现有的电源处理技术十分常见，本发明提供的电路应用在具体的感应加热场景中时，本领域技术人员仅需根据实际加热需求、查阅本领域常用技术资料即可搭建上述模块的具体电路，上述模块具体电路的架构并非本发明的核心，不在本发明的保护范围之内。

同样地，上述控制器中提及的温度监控单元、电源转换器监控单元、与门、非门、与非门、上升沿触发器、开关驱动器，其单体也为现有技术，在现有的信号处理系统中十分常见，本领域技术人员可根据本发明所提供技术方案，结合具体应用场景的具体参数要求，合理选择具有对应信号处理能力的单体处理器完成装配，本发明提出的技术方案意在保护其整体的连接关系及其工作与控制方法，至于上述各信号处理单元的内部具体硬件结构、其内部电路设置、其内置的信号处理方法等均不是本申请的保护核心，不在本发明的保护范围之内。

本发明的优势在于：相比于现有技术，在本发明提供的加热电路架构简洁，设备体积小，不同工位上设置的加热器之间不存在干扰问题，且电路整体可靠性高、能取得良好的加热效果。

附图说明

图1是具体实施方式中所实现的多工位感应加热电路的原理示意图，其中，Y为外部加工工件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

参见图1所示，本发明提供一种多工位感应加热电路，该电路包括有电源转换器，电源转换器包括有整流模块M1、调压模块M2和逆变模块M3，整流模块M1、调压模块M2和逆变模块M3依次连接，整流模块M1的输入端连接外部三相网压；逆变模块M3的输出端输出正弦交流电压。

在本具体实施方式中，该电路包括有内置谐振器，内置谐振器包括有内置电容L1和内置电感C1，内置电感L1的一端连接电源转换器的其中一个输出端，内置电感L1的另一端连接电源转换器的另一个输出端，内置电容C1与内置电感L1并联。

该电路还包括有加热器，加热器中包括有至少一个加热模块，每一个加热模块中均包括有加热电感Ln和谐振电容Cn，加热电感Ln和谐振电容并联，加热电感Ln和谐振电容Cn的其中一个公共端连接电源转换器的其中一个输出端，加热电感Ln和谐振电容Cn的另一个公共端分时连接电源转换器的另一个输出端。该电路中还包括有至少一个电子开关Kn，电子开关Kn与加热模块一一对应设置，电子开关Kn设置在加热模块与电源转换器之间，电子开关Kn的一端连接对应的加热模块，电子开关Kn的另一端连接电源转换器；电子开关Kn截止时，电源转换器与对应的加热模块断开；电子开关Kn导通时，电源转换器与对应的加热模块连接。

在本具体实施方式中，电路还包括有控制器；控制器与电子开关一一对应设置，控制器包括有：

用于监控外部工件的实时温度的温度监控单元、用于监控电源转换器输出的交流电压的变化情况的电源转换器监控单元、与门、非门、与非门、用于发出触发信号的上升沿触发器，以及，用于驱动电子开关的开关驱动器；

温度监控单元包括有温度传感器、PID温控器和传输光耦，温度传感器的探测端探测对应工位上的外部工件的实时温度，温度传感器的输出端连接PID温控器的输入端，PID温控器的输出端连接传输光耦。温度监控单元根据外部加工工件的温度与设定温度的比较结果输出ON/OFF开关量信号；

电源转换器监控单元包括有电压过零检测器和电压过零脉冲发生器，电压过零检测器的检测端连接电源转换器的输出端，电压过零检测器的输出端连接电压过零脉冲发生器的输入端，电源转换器输出的正弦交流电压出现过零点时，电源转换器监控单元在对应时刻输出过零脉冲；

传输光耦的输出端与电源转换器监控单元的输出端一同输入到与门中，与门的输出端连接上升沿触发器的输入端，上升沿触发器的输出端连接开关驱动器，开关驱动器连接对应电子开关。

传输光耦的输出端还连接非门的输入端，非门的输出端还与电源转换器监控单元的输出端一同输入到与非门中，与非门的输出端也连接上升沿触发器的输入端；

在本具体实施方式中，该电路还包括有内置谐振器，内置谐振器包括有内置电容和内置电感，内置电感的一端连接电源转换器的其中一个输出端，内置电感的另一端连接电源转换器的另一个输出端，内置电容与内置电感并联；

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多工位感应加热电路，该电路包括有电源转换器转换器，所述电源转换器的输入端连接外部三相网压，所述电源转换器的两个输出端之间输出频率为f的正弦交流电压；

其特征在于，该电路还包括有加热器，所述加热器中包括有至少一个加热模块，所述每一个加热模块中均包括有加热电感和谐振电容，所述加热电感与加热电容并联，所述加热电感和谐振电容的其中一个公共端连接电源转换器的其中一个输出端，所述加热电感和谐振电容的另一个公共端分时连接电源转换器的另一个输出端；

所述加热器具有总固有谐振频率f₀，该电路在工作过程中保持f＝f₀。

2.如权利要求1所述的多工位感应加热电路，其特征在于，所述每一个加热模块均具有其对应的固有谐振频率，所述每一个加热模块所对应的固有谐振频率均相等。

3.如权利要求2所述的多工位感应加热电路，其特征在于，所述每一个加热电感的感抗均相等；所述每一个谐振电容的容抗均相等。

4.如权利要求3所述的多工位感应加热电路，其特征在于，该电路还包括有电子开关，所述电子开关与加热模块一一对应设置，所述每一个电子开关的一端分别连接对应的加热模块，所述每一个电子开关的另一端分别连接电源转换器；

所述电子开关导通时，对应的加热模块接入电源转换器；所述电子开关截止时，对应的加热模块与电源转换器断开。

5.如权利要求4所述的多工位感应加热电路，其特征在于，该电路还包括有控制器，所述控制器与电子开关一一对应设置，所述控制器包括有：用于监控外部工件的实时温度的温度监控单元、用于监控电源转换器输出的交流电压的变化情况的电源转换器监控单元、与门、非门、与非门、用于发出触发信号的上升沿触发器，以及，用于驱动电子开关的开关驱动器；

所述温度监控单元的输入端与外部工件交互，如外部工件的温度满足设定的继续加热要求，则温度监控单元输出ON信号；如外部工件的温度满足设定的停止加热需求，则温度监控单元输出OFF信号；

所述电源转换器监控单元的输入端与电源转换器交互，所述电源转换器输出的正弦交流电压出现过零点时，所述电源转换器监控单元在该时刻输出过零脉冲；

所述温度监控单元的输出端与电源转换器监控单元的输出端一同接入与门，所述与门的输出端连接上升沿触发器，所述上升沿触发器的输出端连接开关驱动器，所述开关驱动器的输出端连接电子开关；

所述温度监控单元的输出端还连接非门，所述非门的输出端与电源转换器监控单元的输出端一同接入与非门中，所述与非门的输出端连接上升沿触发器。

6.如权利要求5所述的多工位感应加热电路，其特征在于，该电路还包括有内置谐振器，所述内置谐振器包括有内置电容和内置电感，所述内置电感的一端连接电源转换器的其中一个输出端，所述内置电感的另一端连接电源转换器的另一个输出端，所述内置电容与内置电感并联；

所述内置谐振器具有内置固有谐振频率f₁，该内置固有谐振频率f₁满足f₁＝f₀。

7.如权利要求6所述的多工位感应加热电路，其特征在于，所述电源转换器包括有整流模块、调压模块和逆变模块，所述整流模块、调压模块和逆变模块依次连接，所述整流模块的输入端连接外部三相网压；所述逆变模块的输出端输出频率为f的正弦交流电压。

8.一种多工位感应加热电路的工作方法，其特征在于，该方法具体为：所述电子开关导通后，对应的加热模块与电源转换器接通，所述电源转换器输出的具有输出频率f的正弦交流电压通过电子开关施加在对应的加热模块上，同一时刻接入电源转换器的所有加热模块具有总固有谐振频率f₀，电路中保持f＝f₀，则对应的加热模块都在该正弦交流电压的激励下发生谐振，所述每一个加热电感上发生与电源转换器同步变化的交变磁场，进而在外部工件上产生感应电动势加热外部工件。

9.一种多工位感应加热电路的控制方法，其特征在于，该方法包括有以下步骤：

1)所述温度监控单元与对应工位上的外部工件交互，监测外部工件的温度，如外部工件的实时温度满足持续加热条件，则温度监控单元输出ON信号，否则输出OFF信号；

2)所述电源转换器监控单元与电源转换器交互，监测电源转换器两个输出端之间输出的正弦交流电压的变化情况，当该正弦交流电压出现过零点，则所述单元监控模块在对应时刻输出过零脉冲；

3)如所述温度监控单元输出ON信号的同时，所述电源转换器监控单元输出过零脉冲，则所述上升沿触发器发出触发信号，控制开关驱动器发出驱动信号，驱动对应电子开关导通，实现零电压接通加热器的效果；

4)如所述温度监控单元输出OFF信号的同时，所述电源转换器监控单元输出过零脉冲，则上升沿触发器发出触发信号，控制开关驱动器发出驱动信号，驱动对应电子开关截止，实现零电压断开加热器的效果。

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