CN210431940U - 一种预热叶轮联轴器用svpwm缓冲调制波感应加热系统 - Google Patents
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Abstract
一种预热叶轮联轴器用SVPWM缓冲调制波感应加热系统，其特征是：包括自复位保险丝PTC、整流单元、电路保护单元、多个斩波逆变单元、控制单元、与每个斩波逆变单元对应的斩波脉冲驱动模块和逆变脉冲驱动模块、输入端信号采集模块、与每个斩波逆变单元对应的负载端信号采集模块；本实用新型根据熔炼炉工作状态和目标温度，结合输入电源额定功率和功率温度关系曲线，自动进行多台熔炼炉的功率分配，可以实现一台电源向多台熔炼炉的同时供电及精确温度调控，整机运行平稳，具有多种电路防护功能和感应绝缘电阻检测功能，操作简单，可靠性好，功率控制稳定，电源功率的使用效率高，适用于对叶轮联轴器等工件的加热。
Description
技术领域
本实用新型涉及感应加热电源技术领域，尤其是涉及了一种预热叶轮联轴器用SVPWM缓冲调制波感应加热系统。
背景技术
感应加热原理为通过整流逆变电路产生交变的电流，从而产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到对金属材料加热的效果。
在对叶轮联轴器进行加热实验时，采用传统感应加热系统，温度设定为220度，加热时间为8分钟，工件表面出现发蓝现象，没有达到实验预想结果；分析原因，主要是由于常规感应加热系统温度控制不精确，导致升温速度过快，影响了加热效果。同时，传统感应加热系统往往是一台感应加热电源只能为一台熔炼炉供电，但在实际熔炼过程中经常需要两台熔炼炉交替工作在熔炼和保温状态，这就需要同时启用两台感应加热电源，造成资源浪费高且占地空间大。
实用新型内容
为了克服背景技术中的不足，本实用新型公开了一种预热叶轮联轴器用SVPWM缓冲调制波感应加热系统，根据熔炼炉实时温度自动进行功率分配，实现了一台电源向多台熔炼炉的同时供电和精确的温度控制。
为实现上述目的，本实用新型采样如下技术方案：
一种预热叶轮联轴器用SVPWM缓冲调制波感应加热系统，包括自复位保险丝PTC、整流单元、电路保护单元、多个斩波逆变单元、控制单元、与每个斩波逆变单元对应的斩波脉冲驱动模块和逆变脉冲驱动模块、输入端信号采集模块、与每个斩波逆变单元对应的负载端信号采集模块；所述自复位保险丝PTC、整流单元、电路保护单元依次相连，所述电路保护单元的输出端上并接多个斩波逆变单元，每个斩波逆变单元中的斩波电路连接有对应的斩波脉冲驱动模块，逆变电路连接有对应的逆变脉冲驱动模块，所述控制单元的输出端与斩波脉冲驱动模块和逆变脉冲驱动模块的输入端分别相连，所述输入端信号采集模块和负载端信号采集模块的输出端分别与控制单元的输入端相连。
优选的，所述整流单元为由六个二极管D1-D6组成的三相不控整流电路，二极管D1、D2构成第一整流桥，二极管D3、D4构成第二整流桥，二极管D5、D6构成第三整流桥；三相交流电源通过三个自复位保险丝PTC分别与整流单元中二极管D1与D2间节点、二极管D3与D4间节点、二极管D5与D6间节点相连。
优选的，所述电路保护单元包括双向TVS管D7、电感L、电容C；双向TVS管D7的一端与二极管D5的负极相连，另一端与二极管D6的正极相连，电感L一端与二极管D5的负极相连，另一端通过电容C与二极管D6的正极相连。
优选的，所述斩波逆变单元包括继电器KT、绝缘栅双极型晶体管IGBT1-IGBT7，二极管D8-D13；继电器KT与其常闭开关S构成斩波逆变单元的保护电路，晶体管IGBT1构成斩波电路，晶体管IGBT2-IGBT7和二极管D8-D13构成三相桥式逆变电路；继电器KT的常闭开关S的一端与电感L和电容C间的节点相连，另一端与晶体管IGBT1的集电极相连，继电器KT连接控制单元；晶体管IGBT1的栅极连接斩波脉冲驱动模块，晶体管IGBT1的发射极连接三相桥式逆变电路；三相桥式逆变电路中晶体管IGBT2-IGBT7的栅极均与逆变脉冲驱动模块相连。
优选的，所述控制单元包括用于温度模型解算及电源功率分配的数字信号处理器DSP和用于产生各种同步时钟信号及脉冲调制信号的现场可编程门阵列FPGA。
优选的，所述输入端信号采集模块包括与三相交流电源输出端连接的电流传感器和电压传感器，以及信号调理模块；所述电流传感器、电压传感器分别通过信号调理模块与控制单元相连。
优选的，所述负载端信号采集模块包括与负载端连接的两个电流传感器、电压传感器、温度传感器，以及信号调理模块；所述两个电流传感器、电压传感器、温度传感器分别通过信号调理模块与控制单元相连。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：根据熔炼炉工作状态和目标温度，结合输入电源额定功率，统一控制电源功率，自动进行多台熔炼炉的功率分配，实现了一台电源向多台熔炼炉的同时供电；实时采集熔炼炉工作温度，结合功率温度关系曲线，改变斩波电路的调制脉宽，实现了对温度的准确控制；整流部分采用半可控整流方式，不会产生高次谐波，整机运行平稳；具有输入过压保护、输入过流保护、输出过流保护、输出过压保护、抗外部浪涌等多种电路防护功能；具有感应绝缘电阻检测功能，可以及时检测感应圈外部绝缘磨损情况并进行相应处理；系统操作简单，可靠性好，功率控制稳定，电源功率的使用效率高，在进行叶轮联轴器加热时，根据自动设置程序，前提小功率慢速加热，达到预设温度进入自动控温，精确保持温度恒定，实验结果良好。
附图说明
图1为本实用感应加热系统电路结构示意图。
图中：1、自复位保险丝PTC；2、整流单元；3、电路保护单元；4、斩波逆变单元；5、控制单元；6、斩波脉冲驱动模块；7、逆变脉冲驱动模块；8、输入端信号采集模块；9、负载端信号采集模块。
具体实施方式
通过下面的实施例可以详细的解释本实用新型，公开本实用新型的目的旨在保护本实用新型范围内的一切技术改进，本实用新型并不局限于下面的实施例。
如图1所示，本实用新型一种预热叶轮联轴器用SVPWM缓冲调制波感应加热系统包括自复位保险丝PTC1、整流单元2、电路保护单元3、斩波逆变单元4、控制单元5、斩波脉冲驱动模块6、逆变脉冲驱动模块7、输入端信号采集模块8和负载端信号采集模块9。
所述整流单元2为由六个二极管D1-D6组成的三相不控整流电路，二极管D1、D2构成第一整流桥，二极管D3、D4构成第二整流桥，二极管D5、D6构成第三整流桥；三相交流电源通过三个自复位保险丝PTC1分别与整流单元2中二极管D1与D2间节点、二极管D3与D4间节点、二极管D5与D6间节点相连；当电路发生短路或输入电流过大时，自复位保险丝PTC1成高阻态以防止外部大电流流入系统，故障排除后自复位保险丝PTC恢复为低阻状态，保持通路。
所述电路保护单元3与整流单元2相连；电路保护单元3包括双向TVS管D7、电感L、电容C；双向TVS管D7的一端与二极管D5的负极相连，另一端与二极管D6的正极相连，电感L一端与二极管D5的负极相连，另一端通过电容C与二极管D6的正极相连；双向TVS管D7用于抑制因静电放电、雷电等引起的浪涌电流对电路的冲击；电感L和电容C形成LC滤波电路，对整流后的电信号进行平滑滤波。
所述电路保护单元3的输出端上可以并接多个同样结构的斩波逆变单元4，每个斩波逆变单元4可以为一个熔炼炉提供交变电能；斩波逆变单元4包括继电器KT、绝缘栅双极型晶体管IGBT1-IGBT7、二极管D8-D13。
继电器KT与其常开开关S构成斩波逆变单元4的保护电路，继电器KT的常闭开关S的一端与电感L和电容C间的节点相连，另一端与晶体管IGBT1的集电极相连，继电器KT连接控制单元5；在工作过程中，当控制单元5判定电路中产生过压、过流或感应圈外部绝缘磨损严重等故障时，向继电器KT发送通电信号，继电器KT通电，继电器KT的常闭开关S断开，切断相应斩波逆变单元4的供电输入。
晶体管IGBT1构成斩波电路，晶体管IGBT1的发射极连接逆变电路，晶体管IGBT1的栅极连接斩波脉冲驱动模块6；通过调节斩波电路的调制脉宽，可以改变其输出电压，调节其输出功率，从而达到温度调节的目的。
晶体管IGBT2-IGBT7、二极管D8-D13构成三相桥式逆变电路；三相桥式逆变电路中晶体管IGBT2-IGBT7的栅极均与逆变脉冲驱动模块7相连；三相桥式逆变电路中的三个桥臂经SVPWM控制信号驱动，能使输出的电流波形尽可能接近于理想的正弦波，其产生的谐波少，提高了对供电电源的利用率。
所述控制单元5包括数字信号处理器DSP和现场可编程门阵列FPGA，FPGA的输出端与斩波脉冲驱动模块6和逆变脉冲驱动模块7的输入端分别相连；数字信号处理器DSP适合于进行复杂的算法任务，现场可编程门阵列FPGA具有较强的时序控制能力，因此将两者结合构成控制单元5，取其优点，可以大大提高感应加热系统的功率、温度调控精度和速度，DSP主要用于根据功率温度关系和电源功率分配方法进行相应数学模型的解算，FPGA主要用于产生采样触发时钟，同时根据DSP模型结果产生斩波PWM信号和逆变SVPWM控制信号，通过斩波脉冲驱动模块6和逆变脉冲驱动模块7驱动斩波电路和逆变电路工作。
所述输入端信号采集模块8包括与三相交流电源输出端连接的电流传感器和电压传感器，以及信号调理模块，电流传感器、电压传感器分别通过信号调理模块与控制单元5中的FPGA相连；电流传感器和电压传感器用于实时测量三相交流电源的输出电流和电压，并将测量结果通过FPGA传送到DSP中，DSP根据输出电流和电压计算电源输入额定功率，同时DSP判断电流和电压是否超出极限值，从而确定是否执行输入过压或输入过流保护；信号调理模块主要对采集信号进行滤波放大。
每个斩波逆变单元4都对应一个结构相同的负载端信号采集模块9，所述负载端信号采集模块9包括与负载端连接的两个电流传感器、电压传感器、温度传感器，以及信号调理模块，两个电流传感器、电压传感器、温度传感器分别通过信号调理模块与控制单元5中的FPGA相连；一个电流传感器用于测量熔炼炉工作实际电流，另一个电流传感器用于测量感应加热器线圈与待处理工件间的漏电电流，电压传感器用于测量熔炼炉工作实际电压，温度传感器用于测量熔炼炉加热温度；负载端信号采集模块9将测量结果通过FPGA传送到DSP中，DSP根据测量得到的熔炼炉工作实际电流和电压，计算熔炼炉工作实际功率，并与分配功率比较，通过FPGA调节斩波调制脉宽和逆变调制脉宽，以实现功率的精确分配，同时DSP判断电流和电压是否超出极限值，从而确定执行输出过压或输出过流保护；DSP根据测量得到的熔炼炉加热温度，结合功率温度关系曲线，调节斩波电路调制脉宽，可以达到精确控温的目的。
正常情况下感应加热器线圈绝缘状况良好，阻值很大，通过感应加热器线圈与工件之间的漏电流很小；在长期使用后，由于感应加热器线圈外部绝缘磨损，其电阻会越来越小，通过感应加热器线圈与工件间的漏电流值也相应增大；DSP根据测量得到的熔炼炉漏电电流，判断其是否达到预设电流阈值，从确定而是否执行漏电电流保护。
实施本实用新型所述感应加热系统时，三相交流电源通过整流模块2变为直流脉动电压，经电路保护模块3中的滤波电路获得稳定的直流电压，DSP根据熔炼炉工作状态和目标温度，结合输入电源额定功率，进行电源功率分配计算，确定各斩波逆变单元4中斩波电路调制脉宽和逆变电路调制脉宽，FPGA输出相应PWM控制信号和SVPWM控制信号，通过各斩波脉冲驱动模块6和逆变脉冲驱动模块7驱动相应的斩波电路和逆变电路工作，为相应的熔炼炉供电。
工作过程中，通过输入端信号采集模块8和负载端信号采集模块9实时采集三相交流电源的输出电流与电压、熔炼炉工作实际电流与电压，熔炼炉加热温度、熔炼炉漏电电流等信号，并通过FPGA传送到DSP中；工作开始阶段，DSP根据三相交流电源的输出电流与电压计算各熔炼炉工作实际功率，并与分配功率比较，通过FPGA调节各斩波逆变单元4中斩波电路调制脉宽和逆变电路调制脉宽，以实现功率的精确分配；工作稳定后，DSP根据测量得到的熔炼炉加热温度，结合功率温度关系曲线，调节斩波电路调制脉宽，以达到精确控温的目的。
在工作的全过程中，DSP根据三相交流电源的输出电流与电压、熔炼炉工作实际电流与电压、熔炼炉漏电电流，实时判断是否出现输入过流、输入过压、输出过流、输出过压及漏电电流过大等故障情况的发生，若出现输入过流、输入过压情况，DSP通过FPGA向各个斩波逆变单元4中的继电器KT发送通电信号，各继电器KT的常闭开关S断开，所有斩波逆变单元4的供电输入被切断，各熔炼炉停止工作；若出现输出过流、输出过压或漏电电流过大的情况，DSP判断出现故障情况的斩波逆变单元4，通过FPGA向该斩波逆变单元4中的继电器KT发送通电信号，该继电器KT的常闭开关S断开，该斩波逆变单元4的供电输入被切断，相应熔炼炉停止工作。
本实用新型未详述部分为现有技术。
Claims (7)
1.一种预热叶轮联轴器用SVPWM缓冲调制波感应加热系统，其特征是：包括自复位保险丝PTC（1）、整流单元（2）、电路保护单元（3）、多个斩波逆变单元（4）、控制单元（5）、与每个斩波逆变单元（4）对应的斩波脉冲驱动模块（6）和逆变脉冲驱动模块（7）、输入端信号采集模块（8）、与每个斩波逆变单元对应的负载端信号采集模块（9）；所述自复位保险丝PTC（1）、整流单元（2）、电路保护单元（3）依次相连，所述电路保护单元（3）的输出端上并接多个斩波逆变单元（4），每个斩波逆变单元（4）中的斩波电路连接有对应的斩波脉冲驱动模块（6），逆变电路连接有对应的逆变脉冲驱动模块（7），所述控制单元（5）的输出端与斩波脉冲驱动模块（6）和逆变脉冲驱动模块（7）的输入端分别相连，所述输入端信号采集模块（8）和负载端信号采集模块（9）的输出端分别与控制单元（5）的输入端相连。
2.如权利要求1所述的一种预热叶轮联轴器用SVPWM缓冲调制波感应加热系统，其特征是：所述整流单元（2）为由六个二极管D1-D6组成的三相不控整流电路，二极管D1、D2构成第一整流桥，二极管D3、D4构成第二整流桥，二极管D5、D6构成第三整流桥；三相交流电源通过三个自复位保险丝PTC（1）分别与整流单元（2）中二极管D1与D2间节点、二极管D3与D4间节点、二极管D5与D6间节点相连。
3.如权利要求1所述的一种预热叶轮联轴器用SVPWM缓冲调制波感应加热系统，其特征是：所述电路保护单元（3）包括双向TVS管D7、电感L、电容C；双向TVS管D7的一端与二极管D5的负极相连，另一端与二极管D6的正极相连，电感L一端与二极管D5的负极相连，另一端通过电容C与二极管D6的正极相连。
4.如权利要求1所述的一种预热叶轮联轴器用SVPWM缓冲调制波感应加热系统，其特征是：所述斩波逆变单元（4）包括继电器KT、绝缘栅双极型晶体管IGBT1-IGBT7，二极管D8-D13；继电器KT与其常闭开关S构成斩波逆变单元（4）的保护电路，晶体管IGBT1构成斩波电路，晶体管IGBT2-IGBT7和二极管D8-D13构成三相桥式逆变电路；继电器KT的常闭开关S的一端与电感L和电容C间的节点相连，另一端与晶体管IGBT1的集电极相连，继电器KT连接控制单元（5）；晶体管IGBT1的栅极连接斩波脉冲驱动模块（6），晶体管IGBT1的发射极连接三相桥式逆变电路；三相桥式逆变电路中晶体管IGBT2-IGBT7的栅极均与逆变脉冲驱动模块（7）相连。
5.如权利要求1所述的一种预热叶轮联轴器用SVPWM缓冲调制波感应加热系统，其特征是：所述控制单元（5）包括用于温度模型解算及电源功率分配的数字信号处理器DSP和用于产生各种同步时钟信号及脉冲调制信号的现场可编程门阵列FPGA。
6.如权利要求1所述的一种预热叶轮联轴器用SVPWM缓冲调制波感应加热系统，其特征是：所述输入端信号采集模块（8）包括与三相交流电源输出端连接的电流传感器和电压传感器，以及信号调理模块；所述电流传感器、电压传感器分别通过信号调理模块与控制单元（5）相连。
7.如权利要求1所述的一种预热叶轮联轴器用SVPWM缓冲调制波感应加热系统，其特征是：所述负载端信号采集模块（9）包括与负载端连接的两个电流传感器、电压传感器、温度传感器，以及信号调理模块；所述两个电流传感器、电压传感器、温度传感器分别通过信号调理模块与控制单元（5）相连。
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