CN111049397B - 一种多组并联型轧辊变频加热电源系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种多组并联型轧辊变频加热电源系统的控制方法，包括预设数量的变频加热电源和移相变压器，所述的变频加热电源包括独立的双三相全桥整流回路U、滤波模块C、逆变回路UI、连接电抗L、谐振回路B和负载线圈LF，其特征是预设数量的变频加热电源通过并联回路相互协调工作，轧辊设置在负载线圈LF中，预设数量的变频加热电源同时工作，根据每个加热区域反馈温度T调制加热功率P，变频加热电源可以根据加热位置禁止不需要的电源组；加热电源每组可以进行独立控制，加热更均匀，调升了产品质量；负载侧电压为低压且电源与负载隔离，提高了系统的安全性，结构简单、层次分明，互换性高。

Description

一种多组并联型轧辊变频加热电源系统的控制方法
技术领域
本发明涉及变频加热电源技术领域，尤其涉及一种多组并联型轧辊变频加热电源系统的控制方法。
背景技术
冷轧机用的工作辊都是合金钢经过严格淬火硬化而制成的，轧辊表面温度均匀与否影响轧辊的质量。轧辊加热从最初的炉子整体加热淬火到工频渐进式单频率淬火，结果是轧辊表面变形大，热冲击的裂纹多，表皮容易剥落造成轧辊工作寿命短。整炉子加热，加热空间大造成能源浪费，且为达到规定的透热深度，升温及保温时间长，生产效率低。现有技术的变频加热电源加热，可以通过调整加热电源频率控制透热深度，加热均匀一致。也有采用单线圈加热的方案，线圈长度大于轧辊长度，加热时磁场密度不一致导致轧辊两端温度较中间低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种多组并联型轧辊变频加热电源系统及控制方法，提供一种变频加热效果更好的变频加热电源系统及控制方法。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种多组并联型轧辊变频加热电源系统，包括预设数量的变频加热电源和移相变压器，所述的变频加热电源包括独立的双三相全桥整流回路U、滤波模块C、逆变回路UI、连接电抗L、谐振回路B和负载线圈LF，所述的双三相全桥整流回路U与移相变压器相连接，所述的逆变回路UI通过滤波模块C与双三相全桥整流回路U相连接，所述的谐振回路B通过连接电抗L与逆变回路UI相连接，所述的负载线圈LF与谐振回路B相连接，负载线圈LF上设置有负载线圈电流传感器和负载线圈电压传感器，逆变回路UI设置有电源输出电流传感器，预设数量的变频加热电源通过并联回路相互协调工作，轧辊设置在负载线圈LF中。
进一步地，预设数量的变频加热电源同时工作，根据每个加热区域反馈温度T调制加热功率P，变频加热电源可以根据加热位置禁止不需要的变频加热电源，电源输出功率独立控制，加热效率高。
进一步地，输入电源经移相变压器隔离，既可以降低输入侧电流谐波又可以使负载与输入电源间隔离，提高了生产安全性，降低触电危险。
进一步地，一种多组并联型轧辊变频加热电源系统的控制方法，根据轧辊固定在负载线圈中的位置，选择需要投入的电源组，需要使线圈位置长度长于轧辊长度，根据轧辊的感应淬火工艺要求，设定温度变化曲线，包括以下步骤：
步骤一、根据被加热轧辊的加热深度需要计算交变电流集肤效应的深度，由下面表达式1表示
Figure GDA0003323027550000021
其中，f是交流电频率，σ是导体电导率，μ是导体磁通率；
步骤二、检测负载线圈的电压和电流，计算负载线圈的有功功率、无功功率和电流的相位角；
具体包括以下步骤：
1)对被测信号采样，采样频率恰为信号频率的n倍，得到数据序列……Xi-n，Xi-n+1，....Xi.......，已知参考相位θi，参考相位即为采样时刻的相位坐标，按照傅里叶级数计算基波分量，计算公式为：
Figure GDA0003323027550000022
Figure GDA0003323027550000023
则被测信号的数学表达式应为：f(θ)＝aisinθ+bicosθ，信号的幅度为
Figure GDA0003323027550000031
信号可以表达成
Figure GDA0003323027550000032
2)若Ψ在1,4象限，即ai>0，则
Figure GDA0003323027550000033
若Ψ在2,3象限，即ai<0，则
Figure GDA0003323027550000034
可以求出被测信号的幅值和相位角；
3)以第一组电源为例通过对负载线圈电压(传感器TV1)、负载线圈电流(传感器TA1_2)检测得到负载线圈的电压有效值V,相角Ψv及电流的有效值I和相位角Ψi，有功功率P＝V*I*cos(Ψv-Ψi)；
步骤三、根据工艺要求的升温曲线和当前加工时间得出当前轧辊需要达到的温度，并与实际反馈温度的差值进行PID调节，得到电源需要输出的功率，由得到的要求功率与步骤2计算到的实际输出功率的差值进行PID调节，得到逆变回路UI需要输出的电流幅值；
步骤四、根据负载线圈给定的参考相位角，与实际负载线圈电流相位角的差值进行PID调节，得到变频电源逆变回路UI应该输出电流相位角，结合步骤3得到的电流幅值指令输出驱动逆变回路的驱动PWM波形；
步骤五、根据感性无功与容性无功相等原则，需要变频加热电源输出的功率因数角为0度，负载线圈上的无功通过谐振回路B进行补偿，控制输出谐振回路投入支路的数量，这样电源输出都是有功。
进一步地，多组加热电源同时工作，根据每个加热区域反馈温度T调制加热功率P，并根据实际负载线圈功率进行闭环从而控制加热电源输出电流；多组负载线圈间电磁耦合严重，需要根据控制实际输出磁场方向，减少相互间耦合影响。
进一步地，根据被加热轧辊的透热区域温度分布调制电源的输出频率，内部温度低时调低电源输出频率，内部温度较表面温度高时调高输出频率。
进一步地，根据给定的轧辊升温曲线，分别调整各组加热电源输出的有功功率大小，使整个轧辊加热区各点温度相同；根据检测到的负载电流相角，调整电源输出电流角度使负载电流频率及相位角度完全一致。
进一步地，加热电源频率根据轧辊切向温度分布进行调整，调整范围10Hz-100Hz。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：加热电源每组可以进行独立控制，加热更均匀，调升了产品质量；负载侧电压为低压且电源与负载隔离，提高了系统的安全性，结构简单、层次分明，互换性高。
附图说明
以下结合附图对本发明做进一步详细描述。
附图1是本发明的结构示意图；
附图中：U、双三相全桥整流回路，C、滤波模块，UI、逆变回路，L、连接电抗，B、谐振回路，LF、负载线圈，TV1、负载线圈电压传感器，TA_1、电源输出电流传感器，TA_2、负载线圈电流传感器。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图1及具体实施例对本发明作进一步的说明。
如附图1所示，一种多组并联型轧辊变频加热电源系统，包括预设数量的变频加热电源和移相变压器，所述的变频加热电源包括独立的双三相全桥整流回路U、滤波模块C、逆变回路UI、连接电抗L、谐振回路B和负载线圈LF，所述的双三相全桥整流回路U与移相变压器相连接，所述的逆变回路UI通过滤波模块C与双三相全桥整流回路U相连接，所述的谐振回路B通过连接电抗L与逆变回路UI相连接，所述的负载线圈LF与谐振回路B相连接，负载线圈LF上设置有负载线圈电流传感器TA_2和负载线圈电压传感器TV1，逆变回路UI设置有电源输出电流传感器TA_1，预设数量的变频加热电源通过并联回路相互协调工作，轧辊设置在负载线圈LF中。
进一步地，预设数量的变频加热电源同时工作，根据每个加热区域反馈温度T调制加热功率P，变频加热电源可以根据加热位置禁止不需要的变频加热电源，电源输出功率独立控制，加热效率高。
进一步地，输入电源经移相变压器隔离，既可以降低输入侧电流谐波又可以使负载与输入电源间隔离，提高了生产安全性，降低触电危险。
进一步地，一种多组并联型轧辊变频加热电源系统的控制方法，根据轧辊固定在负载线圈中的位置，选择需要投入的电源组，需要使线圈位置长度长于轧辊长度，根据轧辊的感应淬火工艺要求，设定温度变化曲线，包括以下步骤：
步骤一、根据被加热轧辊的加热深度需要计算交变电流集肤效应的深度，由下面表达式1表示
Figure GDA0003323027550000051
其中，f是交流电频率，σ是导体电导率，μ是导体磁通率；
步骤二、检测负载线圈的电压和电流，计算负载线圈的有功功率、无功功率和电流的相位角；
具体包括以下步骤：
1)对被测信号采样，采样频率恰为信号频率的n倍，得到数据序列……Xi-n，Xi-n+1，....Xi.......，已知参考相位θi，参考相位即为采样时刻的相位坐标，按照傅里叶级数计算基波分量，计算公式为：
Figure GDA0003323027550000061
Figure GDA0003323027550000062
则被测信号的数学表达式应为：f(θ)＝aisinθ+bicosθ，信号的幅度为
Figure GDA0003323027550000063
信号可以表达成
Figure GDA0003323027550000064
2)若Ψ在1,4象限，即ai>0，则
Figure GDA0003323027550000065
若Ψ在2,3象限，即ai<0，则
Figure GDA0003323027550000066
可以求出被测信号的幅值和相位角；
3)以第一组电源为例通过对负载线圈电压(传感器TV1)、负载线圈电流(传感器TA1_2)检测得到负载线圈的电压有效值V,相角Ψv及电流的有效值I和相位角Ψi，有功功率P＝V*I*cos(Ψv-Ψi)；
步骤三、根据工艺要求的升温曲线和当前加工时间得出当前轧辊需要达到的温度，并与实际反馈温度的差值进行PID调节，得到电源需要输出的功率，由得到的要求功率与步骤2计算到的实际输出功率的差值进行PID调节，得到逆变回路UI需要输出的电流幅值；
步骤四、根据负载线圈给定的参考相位角，与实际负载线圈电流相位角的差值进行PID调节，得到变频电源逆变回路UI应该输出电流相位角，结合步骤3得到的电流幅值指令输出驱动逆变回路的驱动PWM波形；
步骤五、根据感性无功与容性无功相等原则，需要变频加热电源输出的功率因数角为0度，负载线圈上的无功通过谐振回路B进行补偿，控制输出谐振回路投入支路的数量，这样电源输出都是有功。
进一步地，多组加热电源同时工作，根据每个加热区域反馈温度T调制加热功率P，并根据实际负载线圈功率进行闭环从而控制加热电源输出电流；多组负载线圈间电磁耦合严重，控制实际输出磁场方向，减少相互间耦合影响。
进一步地，根据被加热轧辊的透热区域温度分布调制电源的输出频率，内部温度低时调低电源输出频率，内部温度较表面温度高时调高输出频率。
进一步地，根据给定的轧辊升温曲线，分别调整各组加热电源输出的有功功率大小，使整个轧辊加热区各点温度相同；根据检测到的负载电流相角，调整电源输出电流角度使负载电流频率及相位角度完全一致。
进一步地，加热电源频率根据轧辊切向温度分布进行调整，调整范围10Hz-100Hz。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：加热电源每组可以进行独立控制，加热更均匀，调升了产品质量；负载侧电压为低压且电源与负载隔离，提高了系统的安全性，结构简单、层次分明，互换性高。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多组并联型轧辊变频加热电源系统的控制方法，包括预设数量的变频加热电源和移相变压器，所述的变频加热电源包括独立的双三相全桥整流回路(U)、滤波模块(C)、逆变回路(UI)、连接电抗(L)、谐振回路(B)和负载线圈(LF)，所述的双三相全桥整流回路(U)与移相变压器相连接，所述的逆变回路(UI)通过滤波模块(C)与双三相全桥整流回路(U)相连接，所述的谐振回路(B)通过连接电抗(L)与逆变回路(UI)相连接，所述的负载线圈(LF)与谐振回路(B)相连接，负载线圈(LF)上设置有负载线圈电流传感器(TA_2)和负载线圈电压传感器(TV1)，逆变回路(UI)设置有电源输出电流传感器(TA_1)，预设数量的变频加热电源通过并联回路相互协调工作，轧辊设置在负载线圈(LF)中，根据轧辊固定在负载线圈中的位置，选择需要投入的电源组，需要使线圈位置长度长于轧辊长度，根据轧辊的感应淬火工艺要求，设定温度变化曲线，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、根据被加热轧辊的加热深度需要计算交变电流集肤效应的深度，由下面表达式1表示
Figure FDA0003471031400000011
其中，f是交流电频率，σ是导体电导率，μ是导体磁通率；
步骤二、检测负载线圈的电压和电流，计算负载线圈的有功功率、无功功率和电流的相位角；
具体包括以下步骤：
1)对被测信号采样，采样频率恰为信号频率的n倍，得到数据序列......Xi-n，Xi-n+1，....Xi......，已知参考相位θi，参考相位即为采样时刻的相位坐标，按照傅里叶级数计算基波分量，计算公式为：
Figure FDA0003471031400000012
Figure FDA0003471031400000021
则被测信号的数学表达式应为：f(θ)＝aisinθ+bicosθ，信号的幅度为
Figure FDA0003471031400000022
信号表达成
Figure FDA0003471031400000023
2)若Ψ在1，4象限，即ai＞0，则
Figure FDA0003471031400000024
若Ψ在2，3象限，即ai＜0，则
Figure FDA0003471031400000025
求出被测信号的幅值和相位角；
3)通过对负载线圈电压、负载线圈电流检测得到负载线圈的电压有效值V，相角Ψv及电流的有效值I和相位角Ψi，有功功率P＝V*I*cos(Ψv-Ψi)；
步骤三、根据工艺要求的升温曲线和当前加工时间得出当前轧辊需要达到的温度，并与实际反馈温度的差值进行PID调节，得到电源需要输出的功率，由得到的要求功率与步骤2计算到的实际输出功率的差值进行PID调节，得到逆变回路(UI)需要输出的电流幅值；
步骤四、根据负载线圈给定的参考相位角，与实际负载线圈电流相位角的差值进行PID调节，得到变频电源逆变回路(UI)应该输出电流相位角，结合步骤3得到的电流幅值指令输出驱动逆变回路的驱动PWM波形；
步骤五、根据感性无功与容性无功相等原则，需要变频加热电源输出的功率因数角为0度，负载线圈上的无功通过谐振回路(B)进行补偿，控制输出谐振回路投入支路的数量。
2.根据权利要求1所述的多组并联型轧辊变频加热电源系统的控制方法，其特征是多组加热电源同时工作，根据每个加热区域反馈温度T调制加热功率P，并根据实际负载线圈功率进行闭环从而控制加热电源输出电流；多组负载线圈间电磁耦合严重，控制实际输出磁场方向，减少相互间耦合影响。
3.根据权利要求1所述的多组并联型轧辊变频加热电源系统的控制方法，其特征是根据被加热轧辊的透热区域温度分布调制电源的输出频率，内部温度低时调低电源输出频率，内部温度较表面温度高时调高输出频率。
4.根据权利要求1所述的多组并联型轧辊变频加热电源系统的控制方法，其特征是根据给定的轧辊升温曲线，分别调整各组加热电源输出的有功功率大小，使整个轧辊加热区各点温度相同；根据检测到的负载电流相角，调整电源输出电流角度使负载电流频率及相位角度完全一致。
5.根据权利要求1所述的多组并联型轧辊变频加热电源系统的控制方法，其特征是加热电源频率根据轧辊切向温度分布进行调整，调整范围10Hz-100Hz。
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