CN115468315A - 一种变频电磁锅炉工作频率调控系统及方法 - Google Patents

一种变频电磁锅炉工作频率调控系统及方法 Download PDF

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杨煜兵
张拥军
曹址侨
唐贵富
吕艳
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Abstract

本申请提供一种变频电磁锅炉工作频率调控系统及方法，该系统直接串接在电磁锅炉中，通过控制固态继电器的通断来切换接入线路中的电感和电容，进而调整系统的电气特性，改变电磁锅炉的工作频率，实现电磁锅炉工作频率的自主调节。电磁锅炉工作频率的自主调节能够利于控制加热工作的涡流效应渗透深度，为提升加热效率提供基础条件。另外，在产品设计研发与生产测试过程中，通过外部设备的控制能够便于工作频率的反复调整操作。本申请提供的变频电磁锅炉工作频率调控系统及方法适用于采用串联谐振原理进行加热工作的电磁锅炉产品。

Description

一种变频电磁锅炉工作频率调控系统及方法
技术领域
本发明涉及电磁锅炉技术领域，尤其涉及一种变频电磁锅炉工作频率调控系统及方法。
背景技术
电磁锅炉是一种对罐体内部水进行加热的锅炉，其加热原理为：三相工频交流电整流变成直流电后，将直流电变为可调节的电流，该可调节的电流用于供给由电容器和感应线圈里流过的交变电流在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。这种涡流使加热罐体内部铁原子直接感应磁能，从而高速无规则运动。铁原子的高速无规则运动使得各个铁原子之间互相碰撞、摩擦，从而产生热能，进而实现对罐体内部水的加热。
现有的电磁锅炉中，内部加热控制器的工作根据串联谐振原理决定，且电磁锅炉的工作频率受组成器件的固有电气特性、线圈尺寸、绕制形式等因素影响，无法控制涡流效应渗透深度，进而难以实现渗透深度与加热体结构良好重合，最终无法实现工作频率的主动调节功能。
另外，电磁锅炉在使用维护过程中需要更换加热体或感应线圈。为使更换前后的工作频率保持一致，需由人工多次调整线圈长度、绕制方式、测量频率等，这严重影响工作效率。
发明内容
本发明提供一种变频电磁锅炉工作频率调控系统及方法，以解决现有电磁锅炉的工作频率无主动调节功能的问题。
本发明提供一种变频电磁锅炉工作频率调控系统，包括：可编辑逻辑控制器、频率转电压模块、固态继电器K0、多个固态继电器Ki和多个固态继电器K(i+n)，其中，所述可编辑逻辑控制器分别电连接所述频率转电压模块、所述固态继电器Ki、所述固态继电器K(i+n)；每个所述固态继电器Ki均并联一个电感器Li，每个所述固态继电器K(i+n)均并联加热控制器中的一个电容器Ci；所述固态继电器K0、所述固态继电器Ki以及所述固态继电器K(i+n)串接，所述电感器Li与所述电容器Ci串接。
优选地，所述电感器的电感量和所述电容器的电容量均按几何级数增长设置，所述电感器Li的电感量为2i-1·L0，所述电容器Ci的电容量为2i-1·C0。
本发明提供一种变频电磁锅炉工作频率调控方法，包括：
可编辑逻辑控制器将接收到的通信指令发送给固态继电器K0、固态继电器Ki和固态继电器K(i+n)，以使所述固态继电器K0、所述固态继电器Ki和所述固态继电器K(i+n)全部开通；其中，所述通信指令包括目标设定频率fr；
所述可编辑逻辑控制器接收频率转电压模块发送的电压模拟量信号，其中，所述电压模拟量信号包括当前工作频率fm；
计算所述目标设定频率fr与所述当前工作频率fm的差值fm-fr；
若差值fm-fr与所述目标设定频率fr比值的绝对值小于等于设定频率偏差，则保持当前固态继电器的通断状态；
若差值fm-fr与所述目标设定频率fr的比值大于所述设定频率偏差，则根据所述目标设定频率fr与所述当前工作频率fm的大小调整电感器和电容器的通断状态。
优选地，根据所述目标设定频率fr与所述当前工作频率fm的大小调整电感器和电容器包括：
若所述当前工作频率fm大于所述目标设定频率fr，则调整电感器的通断状态；
若所述当前工作频率fm小于所述目标设定频率fr，则调整电容器的通断状态。
优选地，所述调整电感器的通断状态包括：
关闭固态继电器K1；
所述可编辑逻辑控制器接收所述频率转电压模块发送的第一电压模拟量信号，其中，所述第一电压模拟量信号包括第一当前工作频率fmL；
计算串联接入电感量理想值Lx与单元电感量L0的比值λL，即
Figure BDA0003838848910000021
按照四舍五入的方式，比值λL取最接近的整数值，记为kL；
比较kL与2n-1的大小，其中，n为所述电感器的数量；
若kL大于2n-1，则接通全部所述固态继电器；
若kL不大于2n-1，则将kL根据二进制数值转换方式转换为以2为底的非负整数指数和的形式，即kL＝a0*20+a1*21+…+an-1*2n-1，其中ai为0或1；
当ai为0时，开通固态继电器K(i+1)；
当ai为1时，关闭固态继电器K(i+1)。
优选地，所述调整电容器的通断状态包括：
关闭固态继电器K(n+1)；
所述可编辑逻辑控制器接收所述频率转电压模块发送的第二电压模拟量信号，其中，所述第二电压模拟量信号包括第二当前工作频率fmC；
计算串联接入电容量理想值Cx与单元电容量C0的比值λC，即
Figure BDA0003838848910000022
计算2m-1/λC，并按照四舍五入的方式取最接近的整数值，记为kC；
比较kC与2m-1的大小，其中，m为所述电容器的数量；
若kC大于2m-1，则接通全部所述固态继电器；
若kC不大于2m-1，则将kC根据二进制数值转换方式转换为以2为底的非负整数指数和的形式，即kC＝b0*20+b1*21+…+bm-1*2m-1，其中bi为0或1；
当bi为0时，开通固态继电器K(n+m-i)；
当bi为1时，关闭固态继电器K(n+m-i)。
优选地，所述设定频率偏差为5％。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本申请提供一种变频电磁锅炉工作频率调控系统及方法，该系统直接串接在电磁锅炉中，通过控制固态继电器的通断来切换接入线路中的电感和电容，进而调整系统的电气特性，改变电磁锅炉的工作频率，实现电磁锅炉工作频率的自主调节。电磁锅炉工作频率的自主调节能够利于控制加热工作的涡流效应渗透深度，为提升加热效率提供基础条件。另外，在产品设计研发与生产测试过程中，通过外部设备的控制能够便于工作频率的反复调整操作。本申请提供的变频电磁锅炉工作频率调控系统及方法适用于采用串联谐振原理进行加热工作的电磁锅炉产品。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的变频电磁锅炉工作频率调控系统的外部连接示意图；
图2为本发明实施例提供的变频电磁锅炉工作频率调控系统的内部组成示意图；
图3为本发明实施例提供的变频电磁锅炉工作频率调控方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的调整电感器的通断状态的流程示意图；
图5为本发明实施例提供的调整电容器的通断状态的流程示意图。
具体实施方式
请参考附图1、2，附图1、2分别示出了本申请实施例提供的变频电磁锅炉工作频率调控系统的外部连接示意图和内部组成示意图。本申请实施例提供的变频电磁锅炉工作频率调控系统安装在电磁锅炉的内部，其分别与加热控制器、感应线圈相连接，并采用24V的直流电源作为工作电源。如附图1所示，本申请实施例提供的变频电磁锅炉工作频率调控系统的功率输入端A1、A2分别与加热控制器的功率输出端L1、L2相连接，以便于接收加热控制器的输出功率。变频电磁锅炉工作频率调控系统的功率输出端B1、B2分别与感应线圈的首尾两端C1、C2相连接，以便于给感应线圈提供变频电能。另外，变频电磁锅炉工作频率调控系统还设有通信接口，如RS485通信接口，以便于与其他设备交互，实现接收控制指令、反馈工作状态等功能。
通常，电磁锅炉的加热控制器内部安装有电容器，外部串接感应线圈，因此，加热控制器的电容量主要由电容器的容量决定，感应线圈的电感量由感应线圈的材质、长度、线径、绕线形式、绕线螺距以及加热体的材质、外形、尺寸等因素决定。通常，加热控制器采用串联谐振电源生成变频电能，进而生成感应磁场。对于串联谐振电源，其谐振频率为
Figure BDA0003838848910000031
其中，L为负载电感量，C为负载电容量。
如附图2所示，本申请实施例提供的变频电磁锅炉工作频率调控系统包括：可编辑逻辑控制器、频率转电压模块、固态继电器K0、多个固态继电器Ki和多个固态继电器K(i+n)、多个电感器以及多个电容器。
其中，可编辑逻辑控制器U1为该系统的核心控制器件，其负责调控系统的运行。可编辑逻辑控制器U1分别电连接频率转电压模块T1、固态继电器Ki、固态继电器K(i+n)。具体的，可编辑逻辑控制器U1通过通信接口连接外部设备，如通过RS485通信接口串接计算机或触摸屏等外部设备，以便于接收外部设备的控制指令。可编辑逻辑控制器U1通过模拟量输入接口电连接频率转电压模块T1，以接收频率转电压模块T1采集的频率信息。可编辑逻辑控制器U1通过离散量输出接口电连接固态继电器Ki、固态继电器K(i+n)，以便于控制固态继电器Ki、固态继电器K(i+n)的开关状态。频率转电压模块T1用于采集加热控制器功率输出信号的频率，将该频率转化为电压模拟信号后传输至可编辑逻辑控制器U1。
固态继电器K0、多个固态继电器Ki和多个固态继电器K(i+n)用于切换串联线路，进而控制接入线路中的电感和电容。在本申请实施例中，每个固态继电器Ki均并联一个电感器Li，每个固态继电器K(i+n)均并联加热控制器中的一个电容器Ci。即，编号为Ki(1≤i≤n)的固态继电器与编号为Li的电感器并联，编号为K(i+n)(1≤i≤m)的固态继电器与编号为Ci的电容器并联。同时，固态继电器K0、固态继电器Ki以及固态继电器K(i+n)串接，电感器Li与电容器Ci串接。串接的电感器Li与电容器Ci用于调整系统的电气特性。较为优选地，本申请实施例中的固态继电器K0、多个固态继电器Ki和多个固态继电器K(i+n)均采用直流控制交流型固态继电器。
进一步，本申请实施例中，电感器的电感量和电容器的电容量均按几何级数增长设置。具体的，记单元电感量为L0，则电感器L1的电感量为L0，电感器L2的电感量为2L0，……，电感器Ln的电感量为2n-1·L0。记单元电容量为C0，则电容器C1的电容量为C0，电容器C2的电容量为2C0，……，电容器Cm的电容量为2m-1·C0。
如附图3所示，本申请实施例还提供一种变频电磁锅炉工作频率调控方法，该方法包括：
S01：可编辑逻辑控制器将接收到的通信指令发送给固态继电器K0、固态继电器Ki和固态继电器K(i+n)，以使固态继电器K0、固态继电器Ki和固态继电器K(i+n)全部开通；其中，通信指令包括目标设定频率fr。
具体的，操作人员通过计算机或触摸屏等外部设备向可编辑逻辑控制器U1发送通信指令，该通信指令包括目标设定频率fr。可编辑逻辑控制器U1接收到通信指令后，通过离散量输出接口发送给固态继电器K0、固态继电器Ki和固态继电器K(i+n)，以控制固态继电器K0、固态继电器Ki和固态继电器K(i+n)全部开通，此时，变频电磁锅炉工作频率调控系统接通加热控制器和感应线圈。
S02：可编辑逻辑控制器接收频率转电压模块发送的电压模拟量信号，其中，电压模拟量信号包括当前工作频率fm。
可编辑逻辑控制器U1通过模拟量输入接口接收频率转电压模块T1发送的电压模拟量信号，该电压模拟量信号包括当前工作频率fm。
S03：计算目标设定频率fr与当前工作频率fm的差值fm-fr。
可编辑逻辑控制器U1计算目标设定频率fr与当前工作频率fm的差值fm-fr。
S04：若差值fm-fr与目标设定频率fr比值的绝对值小于等于设定频率偏差，则保持当前固态继电器的通断状态。
若差值fm-fr与目标设定频率fr比值的绝对值小于等于设定频率偏差，则保持当前固态继电器的通断状态。在本申请实施例中，设定频率偏差为5％，该数值的设置对电磁锅炉工作特性无明显影响的频率偏差。即，若
Figure BDA0003838848910000041
则保持当前固态继电器的通断状态。
S05：若差值fm-fr与目标设定频率fr的比值大于设定频率偏差，则根据目标设定频率fr与当前工作频率fm的大小调整电感器和电容器的通断状态。
若差值fm-fr与目标设定频率fr的比值大于设定频率偏差，则需要根据目标设定频率fr与当前工作频率fm的大小确定调整电感还是调整电容。在本申请实施例中，当当前工作频率fm大于目标设定频率fr时，调整电感器的通断状态；当当前工作频率fm小于目标设定频率fr时，调整电容器的通断状态。
如附图4所示，本申请实施例中调整电感器的通断状态的方法包括：
S051：关闭固态继电器K1，以使电感器L1接入加热控制器与感应线圈之间的回路；
S052：可编辑逻辑控制器U1通过模拟量输入接口接收频率转电压模块T1发送的第一电压模拟量信号，其中，第一电压模拟量信号包括第一当前工作频率fmL；
S053：计算串联接入电感量理想值Lx与单元电感量L0的比值λL，即
Figure BDA0003838848910000051
S054：按照四舍五入的方式，比值λL取最接近的整数值，记为kL；
S055：比较kL与2n-1的大小，其中，n为电感器的数量；
S056：若kL大于2n-1，则通过通信接口反馈提示信息“超出最大调节范围”，同时接通全部固态继电器；
S057：若kL不大于2n-1，则将kL表达为二进制数值形式，根据对应数位的数值，获得参数组(a0,a1,…,an-1)，将kL转换为以2为底的非负整数指数和的形式，即kL＝a0*20+a1*21+…+an-1*2n-1，其中ai为0或1；
S058：当ai为0时，开通固态继电器K(i+1)；
S059：当ai为1时，关闭固态继电器K(i+1)。
如附图5所示，本申请实施例中调整电容器的通断状态的方法包括：
S051′：关闭固态继电器K(n+1)，以使电容器Cm串联接入加热控制器与感应线圈之间的回路；
S052′：可编辑逻辑控制器U1通过模拟量输入接口接收频率转电压模块T1发送的第二电压模拟量信号，其中，第二电压模拟量信号包括第二当前工作频率fmC；
S053′：计算串联接入电容量理想值Cx与单元电容量C0的比值λC，即
Figure BDA0003838848910000052
S054′：计算2m-1/λC，并按照四舍五入的方式取最接近的整数值，记为kC；
S055′：比较kC与2m-1的大小，其中，m为电容器的数量；
S056′：若kC大于2m-1，则通过通信接口反馈提示信息“超出最大调节范围”，同时接通全部固态继电器；
S057′：若kC不大于2m-1，则将kC表达为二进制数值形式，根据对应数位的数值，获得参数组(b0,b1,…,bm-1)，将kC转换为以2为底的非负整数指数和的形式，即kC＝b0*20+b1*21+…+bm-1*2m-1，其中bi为0或1；
S058′：当bi为0时，开通固态继电器K(n+m-i)；
S059′：当bi为1时，关闭固态继电器K(n+m-i)。
本申请实施例提供的变频电磁锅炉工作频率调控系统及方法中，该系统直接串接在电磁锅炉中，通过控制固态继电器的通断来切换接入线路中的电感和电容，进而调整系统的电气特性，改变电磁锅炉的工作频率，实现电磁锅炉工作频率的自主调节。电磁锅炉工作频率的自主调节能够利于控制加热工作的涡流效应渗透深度，为提升加热效率提供基础条件。另外，在产品设计研发与生产测试过程中，通过外部设备的控制能够便于工作频率的反复调整操作。本申请实施例提供的变频电磁锅炉工作频率调控系统及方法适用于采用串联谐振原理进行加热工作的电磁锅炉产品。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种变频电磁锅炉工作频率调控系统，其特征在于，包括：可编辑逻辑控制器、频率转电压模块、固态继电器K0、多个固态继电器Ki和多个固态继电器K(i+n)，其中，
所述可编辑逻辑控制器分别电连接所述频率转电压模块、所述固态继电器Ki、所述固态继电器K(i+n)；
每个所述固态继电器Ki均并联一个电感器Li，每个所述固态继电器K(i+n)均并联加热控制器中的一个电容器Ci；
所述固态继电器K0、所述固态继电器Ki以及所述固态继电器K(i+n)串接，所述电感器Li与所述电容器Ci串接。
2.根据权利要求1所述的变频电磁锅炉工作频率调控系统，其特征在于，所述电感器的电感量和所述电容器的电容量均按几何级数增长设置，所述电感器Li的电感量为2i-1·L0，所述电容器Ci的电容量为2i-1·C0。
3.一种变频电磁锅炉工作频率调控方法，其特征在于，包括：
可编辑逻辑控制器将接收到的通信指令发送给固态继电器K0、固态继电器Ki和固态继电器K(i+n)，以使所述固态继电器K0、所述固态继电器Ki和所述固态继电器K(i+n)全部开通；其中，所述通信指令包括目标设定频率fr；
所述可编辑逻辑控制器接收频率转电压模块发送的电压模拟量信号，其中，所述电压模拟量信号包括当前工作频率fm；
计算所述目标设定频率fr与所述当前工作频率fm的差值fm-fr；
若差值fm-fr与所述目标设定频率fr比值的绝对值小于等于设定频率偏差，则保持当前固态继电器的通断状态；
若差值fm-fr与所述目标设定频率fr的比值大于所述设定频率偏差，则根据所述目标设定频率fr与所述当前工作频率fm的大小调整电感器和电容器的通断状态。
4.根据权利要求3所述的变频电磁锅炉工作频率调控方法，其特征在于，根据所述目标设定频率fr与所述当前工作频率fm的大小调整电感器和电容器包括：
若所述当前工作频率fm大于所述目标设定频率fr，则调整电感器的通断状态；
若所述当前工作频率fm小于所述目标设定频率fr，则调整电容器的通断状态。
5.根据权利要求4所述的变频电磁锅炉工作频率调控方法，其特征在于，所述调整电感器的通断状态包括：
关闭固态继电器K1；
所述可编辑逻辑控制器接收所述频率转电压模块发送的第一电压模拟量信号，其中，所述第一电压模拟量信号包括第一当前工作频率fmL；
计算串联接入电感量理想值Lx与单元电感量L0的比值λL，即
Figure FDA0003838848900000011
按照四舍五入的方式，比值λL取最接近的整数值，记为kL；
比较kL与2n-1的大小，其中，n为所述电感器的数量；
若kL大于2n-1，则接通全部所述固态继电器；
若kL不大于2n-1，则将kL根据二进制数值转换方式转换为以2为底的非负整数指数和的形式，即kL＝a0*20+a1*21+…+an-1*2n-1，其中ai为0或1；
当ai为0时，开通固态继电器K(i+1)；
当ai为1时，关闭固态继电器K(i+1)。
6.根据权利要求4所述的变频电磁锅炉工作频率调控方法，其特征在于，所述调整电容器的通断状态包括：
关闭固态继电器K(n+1)；
所述可编辑逻辑控制器接收所述频率转电压模块发送的第二电压模拟量信号，其中，所述第二电压模拟量信号包括第二当前工作频率fmC；
计算串联接入电容量理想值Cx与单元电容量C0的比值λC，即
Figure FDA0003838848900000021
计算2m-1/λC，并按照四舍五入的方式取最接近的整数值，记为kC；
比较kC与2m-1的大小，其中，m为所述电容器的数量；
若kC大于2m-1，则接通全部所述固态继电器；
若kC不大于2m-1，则将kC根据二进制数值转换方式转换为以2为底的非负整数指数和的形式，即kC＝b0*20+b1*21+…+bm-1*2m-1，其中bi为0或1；
当bi为0时，开通固态继电器K(n+m-i)；
当bi为1时，关闭固态继电器K(n+m-i)。
7.根据权利要求3所述的变频电磁锅炉工作频率调控方法，其特征在于，所述设定频率偏差为5％。
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