中频加热炉技术协议

中频加热炉技术协议（共6篇）

篇1：中频加热炉技术协议

中频加热炉的的故障分析及中频炉维修过程

当中频加热炉启动时，突加给定电压，由于电压反馈没有，电压调节器输出迅速增加。由于控制参数漂移，使得电流反馈系数减小，同样的中频电流给定使中频装置输出的瞬间电流比较大，产生冲击电流，只有当电压环超调后，输出电流才开始减小，最终由负载决定。由于中频加热炉中存在很大的电抗，系统调节响应慢。随着给定电压的增加，冲击电流更大;对晶闸管的冲击也大，加快晶闸管的劣化，造成晶闸管疲劳击穿。

随着元器件老化，模拟控制系统参数漂移，使得逆变器控制回路中的晶闸管触发的超前角变大(42.8°)，功率因数低(0.733)，即使输出同样的中频电压与中频电流，但中频加热炉输出的有功功率不高，加热效果差。正常情况下，在中频加热过程中，根据欧姆定律，负载参数随温度升高而变化，如中频等效阻抗增大;但当温度变化缓慢时，中频等效阻抗变化不大。当中频给定电压恒定时，尽管随着加热装置的运行，由于加热效果差，中频等效阻抗变化不大，电压反馈提高得慢，导致中频电流变化缓慢，即系统长时间工作在大电流状态，也易造成晶闸管的劣化。

通过调节定位器，增大电流反馈系数，使电流反馈600A/6V;减小了电流冲击。通过调节逆变回路晶闸管脉冲控制参数，使中频电流超前中频电压的时间为40μs，既保证了晶闸管的可靠关断，又减少了超前(24.4°)，提高了功率因数,为0.91。由于中频装置的输出有功功率提高，芯棒加热功率增大。根据欧姆定律，随着芯棒温度的升高，芯棒电阻增大，中频等效阻抗增加，在同样的中频电流下，中频电压反馈提高;当中频电压给定不变时，电压调节器的输出减少，使中频电炉输入电流也逐步减小。随着给定功率的提高，中频电压提高，中频电流开始也提高，但随着芯棒的加热，中频电流会逐步减小，减小了晶闸管的负担。中频炉维修的全过程

一般情况下，可以把中频炉的故障按照故障现象分为完全不能起动和起动后不能正常工作两大类。作为一般的原则，当出现故障后，应在断电的情况下对整个系统作全面检查，它包括以下几个方面：

（一）电源：用万用表测一下主电路开关（接触器）和控制保险丝后面是否有电，这将排除这些元件断路的可能性。

（二）整流器：整流器采用三相全控桥式整流电路，它包括六个快速熔断器、六个晶闸管、六个脉冲变压器和一个续流二极管。在快速熔断器上有一个红色的指示器，正常时指示器缩在外壳里边，当快熔烧断后它将弹出，有些快熔的指示器较紧，当快熔烧断后，它会卡在里面，所以为可靠起见，可以用万用表通断档测一下快熔，以判断它是否烧断。

测量晶闸管的简单方法是用万用表电阻挡（200Ω挡）测一下其阴极—阳极、门极—阴极电阻，测量时晶闸管不用取下来。正常情况下，阳极—阴极间电阻应为无穷大，门极—阴极电阻应在10—50Ω之间，过大或过小都表明这只晶闸管门极失效，它将不能被触发导通。

脉冲变压器次边接在晶闸管上，原边接在主控板上，用万用表测量原边电阻约为50Ω。续流二极管一般不容易出现故障，检查时用万用表二极管挡测其二端，正向时万用表显示结压降约有500mV，反向不通。

（三）逆变器：逆变器包括四只快速晶闸管和四只脉冲变压器，可以按上述方法检查。

（四）变压器：每个变压器的每个绕组都应该是通的，一般原边阻值约有几十欧姆，次极几欧姆。应该注意：中频电压互感器的原边与负载并联，所以其电阻值为零。

（五）电容器：与负载并联的电热电容器可能被击穿，电容器一般分组安装在电容器架上，检查时应先确定被击穿电容器所在的组。断开每组电容器的汇流母排与主汇流排之间的连接点，测量每组电容器两个汇流排间的电阻，正常时应为无穷大。确认坏的组后，再断开每台电热电容器引至汇流排的软铜皮，逐台检查即可找到击穿的电容器。每台电热电容器由四个芯子组成，外壳为一极，另一极分别通过四个绝缘子引到端盖上，一般只会有一个芯子被击穿，跳开这个绝缘子上的引线，这台电容器可以继续使用，其容量是原来的3/4。电容器的另一个故障是漏油，一般不影响使用，但要注意防火。

安装电容器的角钢与电容器架是绝缘的，如果绝缘击穿将使主回路接地，测量电容器外壳引线和电容器架之间的电阻，可以判断这部分的绝缘状况。

（六）水冷电缆：水冷电缆的作用是连接中频电源和感应线圈，它是用每根直径Φ0.6–Ф0.8紫铜线绞合而成。对于500公斤电炉，电缆截面积为480平方毫米，对于250公斤电炉，电缆截面积采用300至400平方毫米。水冷电缆外胶管采用耐压5公斤的压力橡胶管，里面通以冷却水，它是负载回路的一部分，工作时受到拉力和扭力，与炉体一起倾动而发生曲折，因此时间长后容易在柔性连接处断裂开。水冷电缆断裂过程，一般是先断掉大部分后，在大功率运行时把未断小部分很快烧断，这时中频电源就会产生很高的过电压，如果过电压保护不可靠，就会烧坏晶闸管。水冷电缆断开后，中频电源无法启动工作。如不检查出原因而反复启动，就很可能烧坏中频电压互感器。检查故障时可用示波器，把示波器探头夹在负载两端，观察按启动按钮时有无衰减波形。确定电缆断芯时先把水冷电缆与电热电容器输出铜排脱开，用万用表电阻挡（200Ω挡）测量电缆的电阻值，正常时电阻值为零，断开时为无穷大。用万用表测量时，应把炉体翻到倾倒位置，使水冷电缆掉起，这样使断处彻底脱离，才能正确判断是否断芯。

通过以上几个方面的检查，一般能查出大部分的故障原因，接下来可以接通控制电源，作进一步的检查。中频电源主电路合闸有手动和自动两种。对于自动合闸的系统，应该先将电源线暂时断开，以确保中频电炉的主电路不会合上。接通控制电源后，可以作下面几个方面的检查。

1．将示波器探头接在整流晶闸管的门极和阴极上，示波器置于电源同步，按下启动按钮后即可看到触发脉冲波形，应为双脉冲，幅度应大于2V。按一下停止按钮，脉冲将立即消失。重复六次，将每个晶闸管都看一下，如果门极没有脉冲，可以将示波器的探头移到脉冲变压器的原边看一下，如果原边有脉冲而次边没有，说明脉冲变压器损坏，否则问题可能出在传输线或主控板上。

2．将示波器探头接在逆变晶闸管的门极和阴极上，示波器置于内同步，接通控制电源后可以看到逆变触发脉冲，它是一串尖脉冲，幅度应大于2V，通过示波器的时标读出脉冲周期，算出触发脉冲频率，正常时应比电源柜的标称频率高约20%，这个频率称为启动频率。按下启动按钮后，脉冲的间距加大，频率变低，正常时应比电源柜的标称频率低约40%，按一下停止按钮，脉冲频率立即跳回启动频率。通过上列检查，基本上能排除完全不能启动的故障。启动以后工作不正常，一般表现在下列几个方面：

1．整流器缺相：故障表现为工作时声音不正常，最大输出电压升不到额定值，且电源柜怪叫声变大，这时可以调低输出电压在200V左右，用示波器观察整流器的输出电压波形（示波器应置于电源同步），正常时输入电压波形每周期有六个波形，缺相时会缺少二个，如图2所示。这一故障一般是由于整流器某只晶闸管没有触发脉冲或触发不导通引起的，这时应先用示波器看一下六个整流晶闸管的门极脉冲，如果有的话，关机后用万用表200Ω档测量一下各个门极电阻，将不通或者门极电阻特别大的那只晶闸管换掉即可。

2．逆变器三桥臂工作：故障表现为输出电流特别大，空炉时也一样，且电源柜工作时声音很沉重，启动后把功率旋钮调到最小位置，会发现中频输出电压比正常时高。用示波器依次观察四个逆变晶闸管的阳极—阴极之间的电压波形，正常时每一只的波形都如图3所示。如果三桥臂工作，可以看到逆变器中有相邻的二只晶闸管的波形正常，另外相邻的二只有一只没有波形，另一只为正弦波，如图4所示，KK2触发不通，其阳极—阴极之间的波形就是正弦波；同时KK2不导通会导致KK1无法关断，所以KK1二端就没有波形。

3．感应线圈故障：感应线圈是中频电源的负载，它采用壁厚3至5毫米的方形紫铜管制成。它的常见故障有以下几种：

感应线圈漏水，这可能引起线圈匝间打火，必须及时补焊才能运行。

钢水粘在感应线圈上，钢渣发热、发红，会引起铜管烧穿，必须及时清除干净。

感应线圈匝间短路，这类故障在小型中频加热炉上特别容易发生，因为炉子小，在工作时受热应力作用而变形，导致匝间短路，故障表现为电流较大，工作频率比平常时高。

为了能采用正确的方法进行中频炉的故障维修，就必须熟悉中频炉常见故障的特点及原因，才能少走弯路，节省时间，尽快的将故障排除，恢复中频炉的正常运行，从而保证生产的顺利进行。

篇2：智能式中频电加热采油技术的应用

1 技术装置的构成与工作原理

1.1 构成

智能式中频电加热采油技术装置, 由四大部分构成:程控中频电源、空心抽油杆、钢铠电缆和空心抽油泵, 见图1。

1) 程控中频电源。程控中频电源分左右两室, 左室为机芯、断路器和控制板;右室为环形中频变压器和电容, 彼此用隔板隔开, 上下方均有散热通风道。它是一种用电力电子器件-IGBT把50Hz的工频电流转换成中频电流的装置。

2) 空心抽油杆[1]。空心抽油杆除了将抽油机的动力传给抽油泵, 抽吸井液外, 可让加热器-钢铠电缆穿过泵筒, 下到泵下加热深度。通电后加热井筒油流, 降粘减阻。目前应用的空心抽油杆, 均为连结式, 其规格性能见表1。

3) 钢铠电缆。钢铠电缆又称电加热器, 它是用金属无缝管做护套, 以Φ6.5 TV-1型铜棒为芯线, 环空以耐高温绝缘材料充填压实, 并配以结构件组成。钢铠电缆是本装置的核心加热部件, 其主要技术特点:耐温-30~+250℃, 耐交流电压2000 V, 抗拉强度390 N/mm2, 使用寿命大于等于2年。

4) 空心环流泵。空心环流泵是实现泵下加热、降黏的关键技术, 其结构见图2。主要由泵筒系统和柱塞系统组成。泵筒系统包括泵筒、固定阀外壳、导流挡块、护管等组成;柱塞系统由加长杆、柱塞中心杆、柱塞、柱塞阀座、柱塞阀体、固定阀体、滑动密封套、滑动密封杆等组成。其主要技术参见表2。

1.2 中频电热采油工作原理

首先, 将输入380 V、50 Hz的工频电流, 经三相桥式整流, 滤波后变成530 V直流电, 再经主回路和控制回路逆变成500~2500 Hz的单相交流电, 最后由中频变压器的副边输送到油井加热电缆, 为集肤效应电热采油提供电源见图3。通过钢缆芯线直到井底 (加热深度点) 。再通过回路接头与其外护管形成回路。通电后, 使两个载流导体, 基本上形成电流方向相反, 大小相等的条件。

根据电磁感应原理, 当中频电流通过钢缆芯线时, 在电磁场的作用和影响下产生磁力线切割外导体, 使护套钢管产生感应电势并垂直于感应线。

表面内引起感应电流 (涡流) , 使钢管发热, 其电热 (E) 可由公式 (1) 算出:

式中:k—综合系数;f—交流电的频率;∮—交变磁通量的最大值。

由于这种回路的特殊结构, 可同时产生:

◇集肤效应:使电流集中在外护管内肤壁较薄层流出, 从而大幅度增加了交流阻抗。

◇亲近效应:即使护管外表面不带电, 漏磁通少。

◇发热效应:即当f大于等于500 Hz时的中心导体-芯线几乎不发热。

在感应电势作用下, 外护管内壁产生的涡流 (I) , 环路电阻 (R) , 环路电抗 (X) , 有如下关系:

从上式看出:回路系统内所产生的涡流 (I) 的大小与感应电势成正比, 与回路阻抗成反比。当回路阻抗确定的情况下, 则发热量与感应电势 (E) 成正比, 而 (E) 仅与f有关。尤其f值, 工频与中频相差10~50倍, 故中频电热效率高。实际应用时, f值应选择合理范围。

2 技术特点和应用范围

2.1 技术特点

智能中频电热采油技术, 是在工频电热采油技术基础上研制的。因此, 除具备结构简单, 施工方便, 调整灵活的技术特点外还有:

1) 适应范围大, 泵上、泵下均可加热, 且加热深度可达2500 m, 耐温达280℃。

2) 既可保证电网平衡, 又节能。多口井现场生产试验表明比工频电热采油节能20%~40%。

3) 抗干扰能力强, 运行可靠, 使用寿命长。

4) 空心环流泵的柱塞阀是采用机械强制性开闭, 而固定阀是靠磨擦力和自重半机械化开启, 泵的充满系数高, 可防止气锁, 因此泵效高。同时在提泵时, 可实现自动泄油, 不用泄油器。

5) 该装置可实现对井口加热温度, 或加热电流, 进行智能控制。

智能中频电热采油技术的特点表明, 该技术目前在国内外电热采油技术的方法中是最先进的。

2.2 应用范围

智能中频电热采油技术, 当然也适用泵上电热采油。由于加热深度、加热功率可根据油井的实际生产状况来调整、控制。耐温性能好, 因此其应用范围较广, 凡是稠油、高凝油生产井, 在生产过程中, 需要对井筒油流加热降粘的井均可应用[2]。

3 电热采油主要技术参数的确定

智能中频电热采油配套装置, 输出功率范围大 (≤140 k W) , 完全可以满足各类稠油井、高凝油井的生产需要。由于每口电热采油井的生产条件不同, 故在生产运行中电热采油的技术参数亦不同。这就需要根据油井的具体地质、采油条件, 来确定相应的技术参数。主要包括:加热深度、井口出油温度和所需加热电功率。这些参数的确定, 是选择程控中频电源的规格和正常运行参数调整、控制的基础。

3.1 加热深度的确定

对于浅井 (井深小于1000 m) , 因油层埋藏浅、自然温度低、油稠, 特别是高凝油, 甚至低于凝固点温度。其加热深度一般要求在油层部位。这样既能对井底原油加热, 又可以对近井地带油层产生热影响。

对于中深井 (井深1000~2000 m) , 这些井一般油层自然温度较高, 甚至在稠油的拐点温度以上 (或高凝油凝固点以上) , 流动性相对好一些。其加热深度可控制在目前技术允许的范围内。如果把稠油的拐点温度确定为井筒油流的最低温度时, 可根据公式 (3) , 来计算任一口井所需的加热深度。

式中:

L——所需加热深度, m;

a——常数 (地区年平均地表温度) , ℃;

d——该油区的地温梯度, ℃/100 m;

T——本井稠油的拐点温度, ℃。

计算结果, 当L≥油井深度时, 则说明该井所需加热深度均为油层深度。图4是根据不同的地温梯度和相应的稠油拐点温度绘制的L、T、d关系曲线 (当a=10℃) 。如果已知a、d和T值就可以查出相应的L值, 即加热深度值。

由图4看出, 在地温梯度相同的条件下, 稠油的拐点温度越高, 则所要求的加热深度越深。如果稠油的拐点温度相同, 那么地温梯度越小, 则所需加热深度越深。

3.2 加热温度的确定

原油由井底举升到地面, 是一个降压、脱气、降温、稠变的过程。而稠油对温度有较高的敏感性, 即当稠油的温度达到一定值后, 其黏度将随着温度下降而急剧上升, 迅速稠化, 通常把这个定值温度叫做稠油的拐点温度。实践资料证明, 不同类型的稠油, 其拐点温度不同, 拐点所对应的黏度也不同, 图5是不同类型稠油的黏温关系曲线。由曲线明显看出随着原油的性质变好, 其拐点温度下降。某油田区块35-40井、冷41井为超稠油, 拐点温度64~68℃, 而34-20井、37-168井为特稠油, 拐点温度为60~62℃, 其余为普通稠油, 拐点温度小于55℃。要使稠油在举升过程中, 能具有较好的流动性, 并防止由于井筒温度低于拐点温度而急剧变稠, 使抽油机负荷突然增大而带来危害, 保证油井正常生产。因此要求在举升过程中, 油流温度要保持在拐点温度以上, 这样才能获得较好的生产效果[3]。

3.3 加热电功率的确定

根据电、热能量的转换原理, 其所需加热电功率 (P) , 应等于油流从井底举升到井口增温所消耗的电功率P1, 与在该过程中向地层方向所损失的电功率P2之和, 即:

由电热平衡原理知:

式中:

Q——产量, kg/s;

λ——原油的比热容, λ=2.09 k J/ (kg·K) ;

T1、T0——分别为井口和井底原油温度 (加热深度点对应的) , K;

R——径向总热阻 (即从油管内壁至岩层自然温度点的总热阻) , Ω;

Δt——油管内壁到岩层的自然温度点的温差, K;

L——加热深度, m。

所以,

式中Δt/R值从理论上是可以计算出来的, 但过程复杂, 需要求出各传热介质的导热能力, 加热后井筒温度场的分布变化规律, 影响因素较多, 有些参数很难确定, 为此, 对 (7) 式进行简化处理。

假设井底和井口温度相等, 即沿轴向热能不变, 则公式 (7) 可简化为:

即加热功率全部用来弥补井筒径向热损失。也可以说这是泵电加热的最低加热功率。若令Δt/R=A, 则P=AL, 或A=P/L, 此时A值的含意是:单位加热深度径向功率消耗。

根据智能中频电热采油井的生产运行资料分析, 在一定条件下 (地质、完井情况相近) , 在生产过程中, 单位加热深度径向热损失, 即A值, 一般在0.07~0.10 (k W/m) 。表3为曙一区6口电热井A值统计表。平均A值为0.087 k W/m。这样, 对某油区油井设计所需加热功率时, 将A值代入公式 (8) , 即可得出。

实践资料说明:油井电加热过程中, 有80%多的功率是用来弥补径向热损失。真正用在井筒油流增温降粘的功率很少。

4 经济效益分析

智能中频电加热采油技术与原工频加热相比, 节电效果十分明显。对某油田46-40井、44-40井进行了现场测试, 节电效果如下:

46-40井:原工频加热功率为102.0 k W;中频加热功率为57.6 k W。年节电量为319 680 k Wh (注:空心抽油杆加热年运行时间以300天计算) , 如每度电按0.5元计算, 每年可节约电费159 840元。

44-40井:原工频加热功率为93.1 k W;中频加热功率为44.0 k W。年节电量为353 520 k Wh, 每年可节约电费176 760元。

由此可见, 中频电加热采油技术与工频相比节电效果十分明显。而每套设备与原工频相比只需增加一台中频电源6万元, 最多半年即可收回投资。

5 结语

智能中频电热采油配套装置可以满足各类稠油井、高凝油井的生产需要, 运行稳定、节能高效。目前该项技术已在吉林油田、辽河油田、胜利油田等稠油开采上推广应用, 应用井数达上千口, 取得了十分可观的经济效益。

参考文献

[1]夏洪权.空心抽油杆越泵电热采油技术[J].油气田地面工程, 1999 (4) :16-20.

[2]王世杏.井筒降粘技术在超涂层稠油藏开采中的应用[J].内蒙古石油化工, 2002 (2) :101-106.

篇3：中频加热炉技术协议

【关键词】中频加热；SVPWM；油管修复；系统设计

1.油管中频加热修复原理

当感应线圈上通入交变的电流i时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通Φ，交变磁通Φ又会在输油管中产生感应电动势，中频加热就是靠感应线圈将热能传递给要加热的输油管，然后在输油管内部转换成热能。感应线圈与被加热输油管并不直接接触，能量是通过电磁感应传递。输油管中产生的感应电动势会引起涡流产生的焦耳热为：

式中，Q：中频加热产生的热量（J）；I：感应线圈中电流有效值（A）；R：输油管的等效电阻（Ω）；t：输油管加热时间（S）；从式（1）可以看出，中频加热产生的热量大小与感应线圈中的电流的平方成正比，因此提高感应线圈中的电流可以使输油管中产生的涡流增大，同时提高工作频率也会使得输油管的感应电流增大，从而增加发热效果，使工件升温更快，但是由于集肤效应，工作频率越高能加热的深度越浅，所以我们选择了中频加热，而不是工频加热或者高频加热。

2.系统整体设计

本系统拟采用STM32单片机作为主控制器，首先将380V工频交流电进行整流与滤波然后送入由4个IGBT组成的逆变器，通过SVPWM算法来控制逆变的频率，然后升压以后送入感应线圈对输油管道进行加热。本系统采用7英寸彩屏液晶显示器进行显示，同时将修复记录存入存储器，同时本系统还可以跟上位机进行信息的交换，随时可以将修复记录上传至上位机储存与处理。

3.系统硬件设计

3.1 逆变电路设计。逆变技术是电力变换的基本形式之一，通过电力电子元件和触发策略将直流转变为交流并提供负载或回馈电网就是通常意义上的逆变。其基本原理是通过半导体功率开关器件的开通关断作用，将直流电能变换得到质量较高能满足负载对电压和频率要求的交流电能，逆变器是完成该变换的装置。逆变技术中最常用的就是脉宽调制。SVPWM技术，是近年研究出的一种比较新颖的、成熟的控制方法。

3.2 SVPWM原理。本系统逆变技术用到电路为全桥电路，SVPWM技术就是专门来驱这些电路的控制方法，其原理理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，從而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM波形。

4.系统软件设计

考虑到单片机的计算能力有限，难以进行复杂的数据处理。因此在功能比较复杂的控制系统中，通常以PC机为上位机，单片机为下位机，由单片机完成数据的采集及对装置的控制，而由上位机完成各种复杂的数据处理及对单片机的控制，同时单片机实时监测感应电源的电流、电压。当电压、电流过大，采取过压过流保护。

本系统考虑到不同材质的输油管道需采用不同的加热功率与加热时间，同时不同的输油管的管壁厚度需要调节中频电源频率，以此到达系统具有宽广的使用场合。因此设计了友好的图形界面。软件框图如下

参考文献

[1]张恒洋.在役输油管线盗油孔焊接修复的安全评价研究[D].中国石油大学，2011.

[2]易龙强，戴瑜兴.SVPWM技术在单相逆变电源中的应用[J].电工技术学报，2007.

[3]刘诚，严黔.感应加热设备温度程序控制方案的比较与研制.山东电力技术，2002，20（4）：52～53.

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篇4：中频感应加热炉进料系统改造

一、进料系统存在的问题

1250kW中频感应加热炉进料系统包括上料平台、翻转机构、输送机构、变频连续进料机构;工作流程见图1。手动上料, 手动或自动进料, 先人工在上料平台上满工件, 翻转机构将工件翻送到输送机构, 传输到变频连续进料机构, 变频连续进料机构由一台变频电机驱动链条传动两对辊轮旋转, 依靠工件与辊轮之间摩擦力, 将工件送入加热炉炉膛内进行连续加热。

在实际工作中, 变频连续进料机构存在如下问题:辊轮与工件摩擦力大小靠松、紧弹簧来调整, 每次调整需要反复多次, 且需两个人同时给力旋动手柄, 劳动强度大;工件与辊轮接触不好, 出现工件不移动或者行进缓慢、辊轮打滑;传动链条使用中经常断裂;由于工件进料不连续, 工件加热节拍无法控制, 导致在炉膛内的工件料温不易控制, 或偏高或偏低, 加热期间经常出现甩料动作, 导致电能严重浪费, 生产效率低;对于不允许多次加热及过烧的工件, 还使材料直接报废, 增大生产成本;炉膛出料口到出料系统快提装置有一段距离 (200mm) , 由于进料速度所限, 导致出料速度过慢, 工件端部温度快速冷却, 不能满足某些锻件轴向温差工艺要求, 造成锻件缺陷或者产品报废。

二、改造措施

针对上述问题, 决定对进料系统进料机构部分进行推杆式改造, 取消原来的输送机构、变频连续进料机构。改造后的进料系统由工件准备平台、提升机构、上料平台、翻转机构、推料气缸组成, 可以手动、自动工作, 也可以采用连续或者步进方式加热。视工件长度来确定采用连续或步进加热 (对于料长>600mm的工件, 采用步进加热容易导致加热负荷的急剧变化引起过流跳闸故障, 宜采用连续加热方式) 。为了保证压缩空气的质量, 压缩空气严格经过分水滤气器、调压阀、油雾器净化处理。另外为了避免气缸因气源供给不及时出现爬行, 在进料系统侧安装了储气罐以在需要时及时补气, 确保进料的连续性。通过调节气缸前进节流阀开度控制连续进料速度。电气控制系统采用西门子S7-200 PLC及MT6100i台湾威纶通触摸屏, 自动化程度高, 实现人机交互。

改造后进料系统工作流程见图2, 工件先人工在地面放到准备平台上, 由提升机构将工件传送到上料平台, 翻转机构动作, 将工件翻入V型槽中, 推料气缸将工件连续或者步进快速推入加热炉炉膛进行加热。进料系统步进加热自动工作流程见图3。每个机械动作可以通过操作台按钮或者触摸屏手动实现, 方便调试和维修。

三、改造效果

(1) 工人上料在地面上完成, 通过辅助设备 (如行车、悬臂吊等) 可以方便的将工件放入准备平台上, 操作安全。

(2) 推料气缸有前进慢速、前进快速、后退快速多个速度, 完全满足中频加热炉对进、出料速度的要求。通过节流阀可以调整气缸前进速度, 从而控制加热节拍。当工件快到达炉膛口时快速推至出料系统的快提装置, 快速出料, 保证了加热工件轴向温度的均匀性。气缸可快速后退, 为下一工件的进料做准备, 从而节省气缸空行程时间, 提高工作效率。

(3) 进料顺畅, 无卡阻, 速度控制灵活, 加热节奏可控, 提高了加热效率和质量。

(4) 采用S7-200 PLC及MT6100i触摸屏, 整个上料过程除了人工将工件放至上料准备平台外, 其余操作全部自动化, 工人劳动强度低, 而且进料系统运行状态、参数设置、控制等在触摸屏上可以清晰显示 (图4) , 交互式界面非常直观, 方便设置与操作。

(5) 设有炉膛卡料报警保护, 避免强行推料损坏炉膛。如果在设定的时间里推料气缸未前进到气缸设定的行程, 视为炉膛卡料, 自动停止推料, 并声光报警, 提醒操作者检查炉膛, 从而实现炉膛保护。

篇5：中频加热炉技术协议

感应加热过程中,存在集肤效应、邻近效应和圆环效应[4]。感应加热过程复杂,因而很难建立精确的数学模型,是一个复杂的非线性、强干扰且大滞后系统[5]。模型预测控制和Smith预测控制是解决时滞问题的有效方法,但都是基于被控对象精确的数学模型设计的,无法应用于该系统。模糊控制依赖模糊规则和模糊变量的隶属度函数,不依赖对象的数学模型,是针对复杂控制对象的一种较好的控制方法,具有适应性好、超调小及鲁棒性强等优点。但是,模糊控制是根据当前测定的被控量来确定控制量的,这就使得控制成为事后控制,对于大滞后系统,模糊控制无法取得良好的控制效果。而专家系统在非线性且大滞后的情况下能取得良好的控制效果,但专家系统一般不能间接地对生产过程和被控对象进行控制。

笔者针对钢管热挤压生产过程中,中频感应加热系统的温度控制问题,通过分析生产工艺的要求和现有的温控系统,提出了专家系统和模糊控制相结合的两层结构控制方法。

1 专家模糊控制①

模糊控制和专家系统有机结合的专家模糊控制器的结构框图如图1所示,运用专家系统在线修正模糊控制器的参数,以提高系统的稳态精度和抗干扰能力并实时监测系统状态[6]。

2 中频感应加热系统

中频感应加热是利用电磁感应原理和焦耳-楞次定理,通过交变电流在工件中产生涡流来加热工件的。当感应加热圆柱形钢坯时,由于集肤效应,只有表面会快速升温,而中心部分则需要从表面温区向内部低温区传导热量[4]。钢坯感应加热过程中,快速加热阶段温差较大,并且径向大于纵向,均热段温差较小;加热阶段表面温度最高;均热阶段最高温度区域从表面向内部移动,随着均热时间的延长,心部温度会超过表面[7]。

中频感应加热电源是将工频电源转换为感应加热所需频率的单相电源的变频器。电源主要由整流电路、滤波电路、逆变电路以及控制和保护电路构成。电源加热工作时,整流电路将输入的三相工频交流电转换为直流电,经滤波电路滤波后变成平滑的直流电,而逆变器则将直流电转换为电路所需频率的单相交流电供给负载[8]。电源的负载是由加热线圈和被加热工件组成的,为提高加热电源的功率因数和效率,电感线圈并联或串联电容,由此产生谐振来加热工件。控制部分是通过专家模糊控制器将温度信号转换为触发电路的控制信号,来控制电源的输出功率。

3 基于专家系统的模糊控制器

3.1 模糊控制器

一维模糊控制器动态控制性能不佳,但模糊控制器维数过高,控制算法的实现又很困难,目前广泛采用二维模糊控制器[9]。笔者设计的钢管中频感应加热专家模糊温控系统采用双输入/单输出结构,选取感应炉炉内坯料温度的偏差e和偏差变化率ec作为输入信息,输出控制量u为电源功率。检测机构测得的e和计算所得的ec是连续变化量,通过量化因子Ke和Kec,将输入量的基本论域离散化为[-6,6]中的整数值。将e的模糊集合定义为{NB,NM,NS,NO,PO,PS,PM,PB},ec和u的模糊集合定义为{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}。隶属函数采用三角形隶属函数。根据模糊控制规则和专家的控制经验,可归纳为模糊控制表(表1)。

3.2 专家智能协调因子调整方法

量化因子和比例因子的大小关系及其不同量化因子之间大小的相对关系,对模糊控制器的控制性能影响很大。为了使系统响应达到“快、稳、准”的目标,需对参数Ke、Kec和Ku进行专家智能在线调整[10]。模糊控制器中量化因子和比例因子的知识获取,对系统响应的影响如下:

a.增大Ke,系统响应时间变短,超调增大,使收敛变慢,严重时会产生振荡;但Ke过小,系统响应时间变长,静态误差增大,同样会使收敛变慢。

b.增大Kec,超调量变小,系统的响应速度变慢;但Kec过小,不利于抑制超调。

c.增大Ku,系统的动态响应过程变短;但在收敛阶段,过大的Ku将引起调和振荡。

现以不锈钢感应加热为例,工艺要求钢坯加热到1 230℃,将一般闭环系统的阶跃响应曲线(图2)作为该系统的模拟曲线进行分析,具体如下:

a.oa段。e>0且ec<0且e>430,上升阶段,为使系统尽快消除偏差,应增大Ke和Ku,并保持Kec不变。

b.ab段。e>0且ec<0且e<430,系统趋向稳态,为使系统不出现超调,应增大Kec,同时减小Ke和Ku。

c.bc段。e<0且ec<0,系统已有超调且误差正在增大,为使输出回到设定值,应增大Kec和Ku,减小Ke。

d.cd段。e<0且ec>0,系统误差逐渐减小,输出趋向稳定,此时应减小Ke、Kec和Ku。

e.de段。e>0且ec>0,系统出现下超调,为使回调不太大,应增大Ke,减小Ku,保持Kec不变。

f.ef段。e>0且ec<0,系统输出基本稳定,此时应保持Ke和Kec不变,减小Ku。

根据上述分析,总结出一组用于在线修正量化因子和比例因子的专家知识库,具体如下:

其中,K1、K2、K3分别为量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的动态修正因子;ΔKe、ΔKec、ΔKu分别为Ke、Kec、Ku的很小增量。设Ke(t)、Kec(t)、Ku(t)、Ke(t-1)、Kec(t-1)、Ku(t-1)分别为当前时刻与上一时刻的量化因子和比例因子[10],则参数的在线修正算法为:

在实际控制过程中,初始参数Ke(0)、Kec(0)和Ku(0)的值视具体情况选取。

该算法是专家系统经推理机求得的一种调整方法,用于修改模糊控制的控制策略,调节参数值范围,从而更好地进行系统控制。

4 仿真分析

通过Matlab软件进行仿真,感应炉温控系统中的模糊控制和专家模糊控制的仿真结果如图3所示,专家模糊控制相比模糊控制,响应时间变短、超调变小,整体控制效果较好。在实际的钢管生产过程中,将专家模糊控制应用于感应加热钢坯温控系统,控制效果优于常规系统。

5 结束语

篇6：转子端环焊接中频加热电源的设计

中频感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化等优点,广泛应用于金属熔炼、透热、淬火、回火、烧结、热处理和焊接等工业生产过程中,成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。介绍用于国内某大型电机公司电机定、转子热套轴加热的基于DSP的中频感应加热电源。

1 中频加热电源主结构

主电路主要由整流器、滤波器、逆变器、保护电路等组成,如图1所示。其工作原理为:三相工频交流电经整流和滤波后成为平滑的直流电,再经过逆变器将直流电变成幅值与频率均可控的交流电供给感应加热装置的交流线圈。整流部分采用可控硅模块,逆变部分采用半桥形式,由串联的两组IGBT构成,负载工作方式为串联谐振,控制回路采用以DSP为核心的控制电路,产生逆变器的功率开关管所需的信号,并通过驱动电路以达到控制4个功率管IGBT的目的。中频感应加热电源的数字化控制系统,包括以TMS320LF2407为核心的下位机控制器和通过RS-485串行通信连接的上位机监控系统。其中下位机DSP控制器主要完成对中频感应加热电源的数据采集以及控制保护等任务;上位计算机主要完成远程监视和控制、显示中频感应加热电源的运行状态参数等。

1.1 整流电路的设计

采用三相桥式全控整流电路,如图2所示。将电网输入的三相380V/50Hz交流电压整成脉动直流电压,考虑到峰值、波动、雷击等因素影响,整流二极管电压额定值URRM选取安全系数2倍的余量,选取1600V的管子,额定电流选取200A。实际系统采用了整流模块。电力电容实际容量为750μF,耐压1800V。

1.2 逆变电路的设计

利用DSP控制逆变桥的导通比,实现对中频电源的调频和调功,通过控制IGBT逆变桥的输出频率,实现对电源的调频,可实现自动频率跟踪和电流电压闭环。

电压型全桥逆变电路如图3所示,它共有4个桥臂,可以看成由2个半桥电路组合而成。把桥臂l和4作为一对,桥臂2和3作为另一对,成对的两个桥臂同时导通,两对交替各自导通。每个桥臂由一个IGBT和一个反并联二极管组成。在直流侧接有一个足够大的电解电容。负载接在两对桥臀联结点之间。逆变器采用单相变逆变桥,经变压器和串联谐振电路相接。利用轮流驱动单相对角的两组IGBT工作,把恒定的直流电压变成6~9k Hz方波电压输出给负载。

IGBT的两端与电容并联,起缓冲波动和干扰的作用,一般取安全系数为1.2倍的平波后的直流电压,实际使用1200V,电流额定选取300A。

1.3 控制部分

控制电路包括整流控制、逆变控制和保护,整流与逆变控制电路的性能是决定整个感应加热电源可靠性的关键因素。整流控制电路根据各种输入信号,发出宽度合适的脉冲,以便输出合适的直流电压。感应加热电源的特点是,随着加热过程的进行,负载温度不断变化,负载的固有谐振频率变化,功率因数变化。设计中采用由整流侧调节功率,逆变侧进行频率跟踪的方案。逆变控制电路包括:开关器件的驱动电路、死区形成电路、锁相环电路。其中,驱动电路所产生的脉冲次序和占空比由控制策略决定。死区形成电路在串联谐振型中是必不可少的,锁相环电路的目的是跟踪负载的谐振频率,从而控制逆变电路的工作频率,就是所谓的锁相控制。采样电压一般取自负载电容两端,因为电容对高次谐波的阻抗小,以此信号作为反馈可有效减小高次谐波信号的干扰。保护电路主要是防止过电流、短路保护。

采用TI公司的TMS320LF2407A DSP芯片进行控制,代替传统的PWM芯片,以及由单片机控制的电路,如图4所示。TMS320LF2407A内部有2个事件管理寄存器(EVA、EVB),每个事件管理寄存器可产生8个PWM,且输出PWM方波的占空比、输出频率都有相应的控制寄存器,可通过软件编程灵活地修改输出参数值,满足感应中频电源所需的PWM驱动波形。感应中频电源所需PWM脉冲信号特点:输出信号占空比始终为50%;与输入信号占空比无关;输入信号上升沿触发有效。

因为主电路负载属于串联谐振电路,所以电源启动后应使IGBT开关频率略大于负载固有频率,此时输入阻抗略呈感性,负载电流频率和IGBT驱动电压频率相差较大,适宜采用PI调节方式对外环电流频率进行快速的跟踪。而当系统进入正常工作状态时,由于频率已经非常接近,比较适合采用锁相的方式对驱动电压信号和负载的电流信号之间存在的相位做精细的修正。因此,可通过设定频率判定值的方式对控制算法进行动态的无扰动切换,这样可以结合两种控制算法。实际应用中,在频率跟踪方面采用双闭环的复合PID控制策略,系统的初始频率可通过按键设定,存储在匹配寄存器中,开机后检测PWM信号相位和负载电流相位信号,并通过得到的相位差和频率计算其整定值,将计算得到的系统匹配寄存器与检测频率的差值与设定值相比较,判断采取何种控制算法。

控制电路中还包括三相过流、三相电源断相、中频电压过压、冷却水的欠压及控制板电源欠压等保护电路。一旦系统发生故障,即可进入逆变保护状态,然后可靠地停机。为保护晶闸管安全运行,每个IGBT还加了阻容吸收电路来减小器件的开关损耗。

2 结语

设计的基于DSP的中频感应加热电源用于国内某大型电机股份有限公司的电机定、转子热套轴加热,具有频率自动跟踪、启动速度快、故障诊断可靠等优点。

摘要：介绍基于DSP的中频感应加热电源主电路结构及工作原理。