CN209517546U - 用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置 - Google Patents

Abstract

用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置。传统感应加热电源电路可靠性差。本实用新型组成包括PWM整流电路（11），PWM整流电路输出端与BUCK降压电路（2）输入端相连；BUCK降压电路的输出端与逆变器（4）的输入端相连，隔离变压器的输入端与逆变器的输出端相连；电压电流保护电路的输出端与STM32控制芯片（7）的输入端相连，光耦隔离电路（8）的输出端与IPM模块（10）输入端相连；IPM模块输出端与电压电流检测电路的输入端相连，电压电流检测电路输出端与STM32控制芯片输入端相连，STM32控制芯片输出端分别与BUCK降压电路、光耦隔离电路连接。本实用新型用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源。

Description

用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置

技术领域：

本实用新型涉及高频感应加热谐振式逆变电源领域，特别地涉及一种用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置。

背景技术：

塔类结构长期在户外服役，雨雪侵蚀导致铁塔的螺栓与螺母锈蚀严重，绝大部分物理机械难以拆卸，往往个别锈死螺栓处理不及时会影响整个维修进度。

传统拆卸方法的存在如下缺点：

1、锈死螺母不能替换，采取外表简单涂刷防腐剂的方法，不能对内部锈渍起到实质的作用，长期不处理在风荷载的作用下极易产生安全事故。

、拆卸锈蚀构件多采取气割焊破拆，拆卸完成后大部分构件不能再利用，造成钢铁资源的浪费。

、气割焊烧割在楼顶操作过程中会产生可燃物，楼顶的防水层多易燃物质，如人员操作不当极易产生火灾；

4、气割焊噪音大，影响居民休息，易产生纠纷。

高频感应加热方法的优点是：

1、采取高频感应加热处理，可以快速取下一个螺母，而不破坏其他构件；

2、高频感应加热操作只对螺母等金属导体产生瞬间高温，而对其它材质无反应，操作过程中也不会产生易燃物，相对易产生火灾的气割焊较为安全；

3、采取高频感应加热处理，噪音小，易于操作，节能环保，效率高，无污染。

为此，提出了适应室外低温、大风等恶劣环境下的串联谐振式高频感应加热的方案，并应用在塔类结构连接件锈死螺母的拆卸，具有重要的实用价值。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种基于STM32数字化频率自动跟踪控制的用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置，其组成包括：PWM整流电路，所述的PWM整流电路输出端与BUCK降压电路输入端相连；所述的BUCK降压电路的输出端与逆变器的输入端相连，隔离变压器的输入端与所述的逆变器的输出端相连；

电压电流保护电路的输出端与STM32控制芯片的输入端相连，光耦隔离电路的输出端与IPM模块的输入端相连；所述的IPM模块输出端与电压电流检测电路的输入端相连，所述的电压电流检测电路的输出端与STM32控制芯片的输入端相连，所述的STM32控制芯片的输出端分别与所述的BUCK降压电路、所述的光耦隔离电路连接。

所述的用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置，电感L1、电感L2、电感L3的正极分别接在电网三相电压上，电感L1负极接在MOS管Q1的源极，MOS管Q2的漏极接在MOS管Q1的源极，电感L2负极接在MOS管Q3的源极，MOS管Q4的漏极接在MOS管Q3的源极，电感L3负极接在MOS管Q5的源极，MOS管Q6的漏极接在MOS管Q5的源极，滤波电容C1一端接在MOS管Q5的漏极，另一端接在MOS管Q6的源极，以上内容构成所述的PWM整流电路；

MOS管Q7的漏极接在滤波电容C1的上端，MOS管Q7的源极接在二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接在MOS管Q6的源极，电感L4的正极接在MOS管Q7的源极，电感L4的负极接在电解电容C2的正极，电解电容C2的负极接在二极管D1的阳极，以上内容构成所述的BUCK降压电路；

IPM模块Q8的发射极与IPM模块Q9的集电极相连，IPM模块Q10的发射极与Q11的集电极相连，IPM模块Q8的集电极与IPM模块Q10的集电极相连，IPM模块Q9的发射极和IPM模块Q11的发射极相连，以上内容构成所述的逆变器；

感应线圈L5和谐振补偿电容C3串联。

所述的用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置，所述的STM32控制芯片是型号为STM32F407ZGT6的感应加热谐振逆变电源控制芯片，MOS管的型号均为IRFP260，二极管D1型号为MUR30120，IPM模块的型号均为PS21867。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供了一种用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置，控制灵活，装置升级方便，提高了可靠性。斩波调功可以使整个电源和逆变器的功率因数较高，效率提高，易于实现高频化。由STM32F407为核心构成的串联谐振系统，充分利用STM32的高速的运算能力和丰富的外设资源，能自动、实时地跟踪负载的谐振频率。

本实用新型的工作过程如下所述：380V三相交流电经过PWM整流滤波变为513V的直流电，经过Buck降压斩波供给单相逆变输入端的电解电容C2直流电压。采直流母线电压、电流送入控制芯片，进行过压过流保护；利用霍尔电压、霍尔电流传感器采电压电流相位，送入STM32控制芯片进行捕获计数并将相位差作为输入信号，通过锁相环（DPLL）实现频率自动跟踪，使工作频率始终跟踪固有谐振频率，实现频率控制。同时，采样输出侧负载电压，经电压PI调节输出给BUCK单元，实现电压闭环，从而实现功率调节。控制芯片产生PWM控制信号经光耦隔离、输出，驱动IPM模块。高频变压器具有隔离作用，同时可以实现阻抗匹配，将副边阻抗折算到原边，减小感应线圈的电感量，更为经济。本实用新型的工作原理是交变电流通过线圈产生交变磁场，当磁场内的磁感应线穿过需要加热的工件，产生感应电动势，再到导体内构成闭合回路，产生涡流，导体内有电流便产生热量。

本实用新型的感应加热电源采用串联谐振型式，利用高速STM32F407ZGT6芯片为核心设计了控制电路；采用PWM整流实现了网侧单位功率因数控制，减小网侧谐波成分；采用降压斩波控制电源输出功率；采用数字锁相环（DPLL）实现了负载侧频率的自动跟踪。

本实用新型采用PWM整流技术，实现了网侧单位功率因数，减小了非线性负载对电网的污染。采用降压斩波控制技术，实现功率调节。采用数字锁相控制技术，实现了对负载频率的自动跟踪。采用高频变压器实现了阻抗匹配和电气隔离，提高了装置的适应能力和安全可靠性。

附图说明：

附图1是本实用新型控制系统整体结构图。

附图2是本实用新型的单电压闭环BUCK调功调压原理框图。图中，1为电压调节器，2为BUCK降压电路，3为PWM调节器，4为逆变器，5为负载电路，6为电压反馈电路。

附图3是本实用新型STM32控制芯片的数字锁相环程序流程图。

附图4是本实用新型的系统控制框图。图中，7为STM32控制芯片，8为光耦隔离电路，9为负载槽路，10为IPM模块，11为PWM整流电路。

具体实施方式：

实施例1：

一种用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置，其组成包括：PWM整流电路，所述的PWM整流电路输出端与BUCK降压电路输入端相连；所述的BUCK降压电路的输出端与逆变器的输入端相连，隔离变压器的输入端与所述的逆变器的输出端相连；

电压电流保护电路的输出端与STM32控制芯片的输入端相连，光耦隔离电路的输出端与IPM模块的输入端相连；所述的IPM模块输出端与电压电流检测电路的输入端相连，所述的电压电流检测电路的输出端与STM32控制芯片的输入端相连，所述的STM32控制芯片的输出端分别与所述的BUCK降压电路、所述的光耦隔离电路连接。

实施例2：

根据实施例1所述的用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置，电感L1、电感L2、电感L3的正极分别接在电网三相电压上，电感L1负极接在MOS管Q1的源极，MOS管Q2的漏极接在MOS管Q1的源极，电感L2负极接在MOS管Q3的源极，MOS管Q4的漏极接在MOS管Q3的源极，电感L3负极接在MOS管Q5的源极，MOS管Q6的漏极接在MOS管Q5的源极，滤波电容C1一端接在MOS管Q5的漏极，另一端接在MOS管Q6的源极，以上内容构成所述的PWM整流电路；

MOS管Q7的漏极接在滤波电容C1的上端，MOS管Q7的源极接在二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接在MOS管Q6的源极，电感L4的正极接在MOS管Q7的源极，电感L4的负极接在电解电容C2的正极，电解电容C2的负极接在二极管D1的阳极，以上内容构成所述的BUCK降压电路；

IPM模块Q8的发射极与IPM模块Q9的集电极相连，IPM模块Q10的发射极与Q11的集电极相连，IPM模块Q8的集电极与IPM模块Q10的集电极相连，IPM模块Q9的发射极和IPM模块Q11的发射极相连，以上内容构成所述的逆变器；

感应线圈L5和谐振补偿电容C3串联。

实施例3：

根据实施例1或2所述的用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置，所述的STM32控制芯片是型号为STM32F407ZGT6的感应加热谐振逆变电源控制芯片，MOS管的型号均为IRFP260，二极管D1型号为MUR30120，IPM模块的型号均为PS21867。

实施例4：

根据实施例1或2或3所述的用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置，串联谐振感应加热电路包括STM32控制，逆变电源控制芯片，电流、电压检测电路，电压、电流保护电路，IPM模块，PWM整流，BUCK降压电路，光耦隔离，谐振逆变电路，高频变压器阻抗匹配；所述PWM整流输出端与BUCK电路输入端相连；所述BUCK降压电路的输出端与逆变器的输入的端相连；所述电压电流保护电路的输出端与STM32控制的输入相连；所述光耦隔离的输出端与IPM的输入端相连；所述IPM的输出端与电压，电流检测的输入端相连；所述电压，电流检测的输出端与STM32控制的输入端相连；所述隔离变压器的输入端与逆变器的输出端相连。

所述STM32处理单元具有高性能高稳定度，实现与逆变器控制芯片之间的数据传输完成系统数字锁相环（DPLL）频率自动跟踪控制，过压、过流保护，最终产生PWM驱动信号，完成对IPM模块的开关控制。

电流、电压相位检测采用电流、电压互感器，实时采集输出电流、电压相位信息，送入逆变器控制芯片中，对其捕获计数并将相位差作为参与锁相环的基准输入信号，通过锁相环减小误差，直至输出电压电流相位相同。

整流，将三相交流电整流成直流电，并且通过并联的电容C1将整流后的直流电滤波后供给Buck斩波电路。保证单位功率因数，减少电网干扰。

斩波调功使整个电源和逆变器的功率因数都保持在较高数值，电路工作效率提高，对电网的谐波干扰小，易于实现高频化设计。

光耦隔离的作用是控制部分和功率部分实现了电气隔离，这样既传输了信号，又抑制了干扰。

逆变器控制芯片输出的信号，控制IPM模块开关状态，从而实现频率跟踪。

处理器型号为STM32F407ZGT6。

光耦隔离型号为TLP350。

模块型号为PS21867。

高频变压器型号为匝数比7：1的工作频率为30kHz。

霍尔电流传感器型号：CHB-50A。

霍尔电压传感器型号：CHV-50P/400。

温度传感器型号：PT100热敏电阻。

实施例5：

根据实施例1或2或3或4所述的用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置，基于STM32的串联谐振式高频感应加热电源系统，利用高速STM32F407ZGT6控制芯片设计了系统的主电路和控制电路，采用PWM整流加斩波调压作为电源输出功率控制方法，将感应加热电源的功率控制问题转换为BUCK变换器的控制问题，设计了基于STM32F407ZGT6的30kHz的频率跟踪数字锁相环（DPLL）。本电源中的BUCK调功调压变换器，它是一种最基本的PWM型DC/DC变换器，由开关管Q7，续流二极管D1，滤波电感L4，滤波电容C2,组成，由直流电源向BUCK变换器提供稳定的直流电压。如图2所示， BUCK变换器的功率控制包括3各部分， BUCK斩波器、误差放大器和PWM脉冲调节器。其中电压反馈电路把输出电压V0，转换成反馈电压Vf再与给定电压Vr相比较，并产生差值，电压调节器将此差值电压放大，通过PWM脉冲调节器调节占空比，最终可以调节输出电压V0。

感应加热数字锁相环的实现过程包括频率跟踪和相位同步，如图3所示，把从负载槽路采样得到的电压信号和电流信号通过模数转换形成方波信号送入STM32的两个捕获单元，CAP1和CAP2设置为上升沿捕获，并设置Timer1为递增计数，这样每次负载电压和负载电流过零的上升处使得STM32产生一个捕获中断，两个CAP时钟延时后Timer1的计数值被锁存，然后可以计算出负载电压和负载电流各自的周期。当二者周期之差为零时，负载电压和负载电流频率相同。当不同时，经过数字滤波后，进行频率修正，设置Timer2的周期寄存器的值，进而改变逆变器的PWM频率来实现负载电流频率的改变，从而实现频率跟踪的目的。此外，捕获单元分别捕获负载电压和负载电流第n个上升沿,计数器Timer2记录次相位差，接着做与频率跟踪的相同操作。从而实现相位同步。

进一步地，感应加热谐振逆变电源控制芯片为STM32F407ZGT6。

进一步地，所述MOS管的型号均为：IRFP260。PWM整流电路是为了实现网侧单位功率因数和正弦波电流，减少非线性负载对电网的污染。

进一步地，所述二极管D1型号： MUR30120。BUCK调功调压是通过改变逆变器的输入直流电压的大小，从而将逆变器的功率调节转化为对直流电压的调节，是直流斩波调功。

进一步地，所述IPM模块的型号均为：PS21867。

进一步地，所述感应线圈L5的感值：1uH。

另外，所述高频变压器：频率30kHz，匝数比：7：1。

此外，所述谐振补偿电容的容值为：0.28uF。

Claims (3)

1.一种用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置，其组成包括：PWM整流电路，其特征是：所述的PWM整流电路输出端与BUCK降压电路输入端相连；所述的BUCK降压电路的输出端与逆变器的输入端相连，隔离变压器的输入端与所述的逆变器的输出端相连；

电压电流保护电路的输出端与STM32控制芯片的输入端相连，光耦隔离电路的输出端与IPM模块的输入端相连；所述的IPM模块输出端与电压电流检测电路的输入端相连，所述的电压电流检测电路的输出端与STM32控制芯片的输入端相连，所述的STM32控制芯片的输出端分别与所述的BUCK降压电路、所述的光耦隔离电路连接。

2.根据权利要求1所述的用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置，其特征是：电感L1、电感L2、电感L3的正极分别接在电网三相电压上，电感L1负极接在MOS管Q1的源极，MOS管Q2的漏极接在MOS管Q1的源极，电感L2负极接在MOS管Q3的源极，MOS管Q4的漏极接在MOS管Q3的源极，电感L3负极接在MOS管Q5的源极，MOS管Q6的漏极接在MOS管Q5的源极，滤波电容C1一端接在MOS管Q5的漏极，另一端接在MOS管Q6的源极，以上内容构成所述的PWM整流电路；

MOS管Q7的漏极接在滤波电容C1的上端，MOS管Q7的源极接在二极管D1的阴极，二极管D1的阳极接在MOS管Q6的源极，电感L4的正极接在MOS管Q7的源极，电感L4的负极接在电解电容C2的正极，电解电容C2的负极接在二极管D1的阳极，以上内容构成所述的BUCK降压电路；

IPM模块Q8的发射极与IPM模块Q9的集电极相连，IPM模块Q10的发射极与Q11的集电极相连，IPM模块Q8的集电极与IPM模块Q10的集电极相连，IPM模块Q9的发射极和IPM模块Q11的发射极相连，以上内容构成所述的逆变器；

感应线圈L5和谐振补偿电容C3串联。

3.根据权利要求2所述的用于塔类结构连接件拆卸的感应加热电源装置，其特征是：所述的STM32控制芯片是型号为STM32F407ZGT6的感应加热谐振逆变电源控制芯片，MOS管的型号均为IRFP260，二极管D1型号为MUR30120，IPM模块的型号均为PS21867。