大功率串聯(lián)諧振中頻電源監(jiān)控系統(tǒng)
大功率感應(yīng)加熱電源有加熱速度快、工件受加均勻、采用非接觸式加熱、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，如在制造業(yè)和冶金業(yè)用于淬火、透熱、熔煉、保溫、釬焊以及燒結(jié)等。隨著感應(yīng)加熱理論和感應(yīng)加熱裝置的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也隨之?dāng)U大，應(yīng)用范圍越來越廣。
1串聯(lián)諧振逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
感應(yīng)加熱電源一般由主電路、控制電路及其保護(hù)電路組成框圖如圖1所示。其中主電路包括整流電路、濾波電路、逆變電路、負(fù)載電路組成。三相工頻電流經(jīng)整流器整流，濾波器濾波后，變成平直的直流電流送給逆變器，再由逆變器轉(zhuǎn)換為負(fù)載電路所需要的中頻電流。
中頻電源結(jié)構(gòu)圖
圖1中頻電源結(jié)構(gòu)圖
逆變電路的輸出為負(fù)載直接提供能源。中頻電流通過感應(yīng)線圈對(duì)工件加熱時(shí)，可等效為一個(gè)電感和電阻，負(fù)載呈感性，為了提高功率因數(shù)和逆變器的輸出頻率，一般采用加補(bǔ)償電容的方法，使補(bǔ)償后負(fù)載工作在諧振頻率上。根據(jù)補(bǔ)償電容和感應(yīng)加熱線圈連接方式的不同，電源逆變電路可分為并聯(lián)諧振式和串聯(lián)諧振式兩種形式。
串聯(lián)諧振逆變電路結(jié)構(gòu)
圖2串聯(lián)諧振逆變電路結(jié)構(gòu)
串聯(lián)諧振逆變電路如圖2所示，它將補(bǔ)償電容和感應(yīng)圈（等值電阻和電感）串聯(lián)后作為逆變橋的負(fù)載。由于補(bǔ)償電容值較大，可以近似認(rèn)為逆變器輸入端電壓固定不變。交替開通和關(guān)斷逆變器上的可控器件就可以在逆變器的輸出端得到交變的方波電壓[1]。由于當(dāng)串聯(lián)逆變器采用適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞綍r(shí)開關(guān)損耗較小，因而可以有較寬范圍的工作頻率。正因?yàn)檫@一原因，目前在半導(dǎo)體高頻感應(yīng)加熱電源中，串聯(lián)逆變器方案受到更多的重視。
在加熱和熔化金屬爐料過程中，因溫度變化和爐料溶化等因素，使負(fù)載等效參數(shù)和固有諧振頻率發(fā)生變化。為了提高電源效率應(yīng)使串聯(lián)逆變器始終工作在功率因數(shù)接近于或等于1的準(zhǔn)諧振狀態(tài)，這就要求逆變器的輸出頻率能跟隨負(fù)載固有頻率變化，以實(shí)現(xiàn)逆變器件的零電流開關(guān)或零電壓開關(guān)。本文采用的PWM頻率跟蹤方法對(duì)負(fù)載的電壓電流波形進(jìn)行采樣，根據(jù)過零點(diǎn)的位置取得電壓和電流之間的相位差，得到系統(tǒng)實(shí)時(shí)的功率因數(shù)，以此來調(diào)節(jié)逆變器的工作頻率，提升感應(yīng)爐的功率因數(shù)。
2系統(tǒng)硬件組成
感應(yīng)加熱系統(tǒng)由感應(yīng)爐體、中頻電源、PLC控制柜和觸摸屏HMI四部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示：
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
圖3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
感應(yīng)爐體是工件加熱的主體，它是在一個(gè)由耐火材料筑成的坩堝外面套一層螺旋形的感應(yīng)線圈，將待熔的金屬爐料置于坩堝內(nèi)，當(dāng)線圈通上交流電時(shí)，金屬爐料的內(nèi)部在交變磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生渦流效應(yīng)和磁滯損失而引起熱效應(yīng)，從而達(dá)到加熱熔煉的目的[2]。
中頻電源通過“交-直-交”的方式為感應(yīng)爐體供電，其輸出的中頻電流頻率在300Hz~20KHz之間。它是感應(yīng)加熱系統(tǒng)主要的主要組成部分，是主要的監(jiān)控對(duì)象。
PLC是整個(gè)系統(tǒng)的核心單元，其功能是采集并完成所有模擬量和數(shù)字量的處理，負(fù)責(zé)爐體的溫度采集、中頻電源的功率和加熱工藝控制，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)觸摸屏HMI的通信。
觸摸屏HMI是系統(tǒng)人機(jī)交互的監(jiān)控終端，既可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，又可以通過觸摸式按鈕修改系統(tǒng)的工作參數(shù)以及對(duì)設(shè)備下達(dá)動(dòng)作指令，還可以自動(dòng)將系統(tǒng)的報(bào)警信息、歷史記錄和趨勢(shì)信息存入自定義的數(shù)據(jù)庫中。
3監(jiān)控系統(tǒng)功能
3.1主要監(jiān)測(cè)參數(shù)
系統(tǒng)電壓電流檢測(cè)參數(shù)共10路，包括2路進(jìn)線電壓、2路進(jìn)線電流、2路直流電壓、2路直流電流、1路中頻電壓、1路中頻電流。
系統(tǒng)溫度檢測(cè)有：電源冷卻水入口溫度1路、電爐冷卻水入口溫度1路、爐體溫度6路、可控硅冷卻溫度25路、諧振電容器冷卻溫度12路，共計(jì)45路。
狀態(tài)量檢測(cè)信號(hào)有：電源故障、水泵故障、噴淋泵故障、風(fēng)扇故障、冷卻水壓高低、Y缺相、D缺相、Y過流、D過流檢測(cè)等9路。
3.2主要控制參數(shù)
開頭量輸出量共10路，包括控制電源開頭、儲(chǔ)能動(dòng)作、合閘動(dòng)作、分閘動(dòng)作、噴淋起停、風(fēng)扇起停、水泵起停等。
電源輸出功率調(diào)節(jié)2路：輸出電壓、中頻頻率調(diào)節(jié)。
4主要軟件功能設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的軟件部分包括PLC端的測(cè)控軟件和上位機(jī)觸摸屏的操作界面。
PLC部分負(fù)責(zé)傳感器組的模擬信號(hào)的采集，開關(guān)量的邏輯控制，通過D/A模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)中頻電源的功率調(diào)節(jié)，以及與觸摸屏的通信。其中由于系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)多達(dá)45路，為減少A/D模塊的數(shù)量，降低系統(tǒng)成本，故選用單總線接口的數(shù)字式溫度傳感器DS18b20來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集，通過Modbus通信協(xié)議與PLC通信，既提高了系統(tǒng)的速度又增加了可靠性。關(guān)于這部分的內(nèi)容另有文章詳述，。
上位機(jī)觸摸屏系統(tǒng)的主要功能分六個(gè)方面，即系統(tǒng)用戶管理、報(bào)警參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)參數(shù)顯示、烘爐工藝控制、輸出控制和系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理等[5]。
系統(tǒng)用戶管理：包括用戶注冊(cè)、用戶登錄、用戶權(quán)限設(shè)定等。本系統(tǒng)將用戶操作權(quán)限分為三級(jí)，不同級(jí)別的用戶擁有不同的操作權(quán)限，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的多級(jí)管理和保證數(shù)據(jù)的安全。
報(bào)警參數(shù)設(shè)定：包括系統(tǒng)限壓設(shè)定、過壓設(shè)定、限流設(shè)定、過流設(shè)定、水壓設(shè)定、水溫設(shè)定、最大輸出功率設(shè)定等。對(duì)于不同容量的爐體，可以設(shè)定一組不同的報(bào)警參數(shù)，從而提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。
狀態(tài)參數(shù)顯示：包括工作參數(shù)的顯示和報(bào)警信息的顯示。其中主要的工作參數(shù)包括中頻電源交-直-交三個(gè)環(huán)節(jié)的進(jìn)線電壓和進(jìn)線電流、輸出環(huán)節(jié)的功率和頻率，冷卻系統(tǒng)的進(jìn)水水溫、進(jìn)水水壓及出水水溫，以及各輔助裝置的運(yùn)行狀態(tài)。上述工作參數(shù)超過或低于預(yù)設(shè)值范圍時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到相應(yīng)的報(bào)警界面。報(bào)警信息狀態(tài)指示燈能實(shí)時(shí)精確地在觸摸屏上閃爍。
烘爐工藝控制：烘爐工藝控制是指操作者按照烘爐加熱曲線對(duì)爐體的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程，其中烘爐工藝曲線是一條以加熱時(shí)間為橫軸，爐體溫度為縱軸的實(shí)時(shí)曲線。溫度的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)中頻電源的輸出功率來實(shí)現(xiàn)的，它是由PLC控制系統(tǒng)給出某一范圍的數(shù)字控制結(jié)果，通過D/A模塊將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的模擬量信號(hào)，再經(jīng)過合適的放大驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的調(diào)節(jié)。
輸出控制：包括設(shè)備的主電源控制和輔助設(shè)備的控制。其中要求通過編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)異常報(bào)警時(shí)主電源自動(dòng)斷電。儲(chǔ)能動(dòng)作、分合閘動(dòng)作、噴淋起停、風(fēng)扇及水泵起停控制等。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理：將熔煉記錄和系統(tǒng)的故障記錄存入自定義的數(shù)據(jù)庫中，能隨時(shí)調(diào)出查閱。系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息能自動(dòng)生成Excel格式的表格數(shù)據(jù)，通過串口導(dǎo)出到外存貯設(shè)備中。
5系統(tǒng)運(yùn)行及效果
本系統(tǒng)在某鑄造廠實(shí)際使用的運(yùn)行控制界面和電源柜溫度巡檢界面分別如圖4、圖5所示。實(shí)效表明系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了熔煉加工的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熔爐負(fù)載功率的控制，對(duì)爐體的壽命和金屬的熔煉質(zhì)量有顯著的提高，增強(qiáng)了熔煉過程的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。