張新峰，劉 凱，李寶文，蘇 偉

(山東兗礦輕合金有限公司，山東 濟(jì)寧)

0 前言

100 MN單動(dòng)正向擠壓機(jī)配套的鋁錠感應(yīng)加熱爐設(shè)備由低頻感應(yīng)加熱器、爐體、IGBT變頻器電源、變壓器電源、液壓裝置、冷卻水系統(tǒng)、應(yīng)急水系統(tǒng)、坯料轉(zhuǎn)移行車(chē)和控制臺(tái)等組成。兩臺(tái)爐體的技術(shù)特性以及功能都完全相同，每一個(gè)爐體分成6個(gè)獨(dú)立加熱區(qū)域，用于加熱直徑Φ545 mm和Φ450 mm，長(zhǎng)度為700～1800 mm的鋁錠。

1 原理分析

1.1 感應(yīng)加熱

感應(yīng)加熱的最大特點(diǎn)是把工件直接加熱，其最大優(yōu)勢(shì)是工件加熱速度快且熱場(chǎng)均勻，溫度易于控制，加熱過(guò)程中不會(huì)混入金屬雜質(zhì)，工件加熱金屬燒損小，工人勞動(dòng)條件好等，因而在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。

依靠感應(yīng)線圈，電能通過(guò)電磁感應(yīng)傳遞給要加熱的金屬，在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽@就是感應(yīng)加熱技術(shù)，如圖1所示。當(dāng)感應(yīng)線圈通入正弦交變電流i，根據(jù)電磁感應(yīng)定律在金屬物體中產(chǎn)生按照右手螺旋定則方向的磁通量。處于交變磁場(chǎng)內(nèi)的導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，電路閉合成回路時(shí)則產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于電阻的存在，當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)引起導(dǎo)體發(fā)熱。

1.2 工頻電流加熱

由于集膚效應(yīng)的存在，感應(yīng)電流主要分布在金屬工件的表面，為了提高電流的穿透深度，本控制系統(tǒng)采用頻率較低的工頻電流進(jìn)行加熱，從而保證了棒料快速升溫所需要的最佳透熱層厚度。

圖1 感應(yīng)加熱原理圖Fig.1 Schematic diagram of induction heating

如圖2為感應(yīng)爐設(shè)備的電氣拓?fù)鋱D，采用的是LLC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三相的工頻交流電經(jīng)整流橋整流并經(jīng)濾波器濾波后成為平滑的直流電，送入逆變單元中，逆變器采用電力半導(dǎo)體器件IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)DSP對(duì)逆變電路控制，把直流變?yōu)樗桀l率的交流電供給負(fù)載。圖3為本系統(tǒng)所采用的雙極性調(diào)制原理。

2 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)的合理性

CALAMARI感應(yīng)加熱爐所采用的控制系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)和DSP控制箱組成。

HMI主要功能是設(shè)定感應(yīng)爐的加熱溫度，和顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。PLC主要負(fù)責(zé)感應(yīng)爐內(nèi)的溫度AD采集，將溫度的設(shè)定值與當(dāng)前溫度檢測(cè)值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)后，通過(guò)485總線傳送給DSP，DSP根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出的溫度值進(jìn)行脈寬調(diào)制后輸出PWM控制逆變器。DSP還負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)逆變器輸出電流，通過(guò)電流調(diào)節(jié)器后，保證電流穩(wěn)定不變。

2.2 設(shè)備組成

改造后系統(tǒng)主要由電源板、CPU電路板、脈沖板、電流采集板等組成。

2.2.1 電源板

采用專(zhuān)用DC－DC模塊，輸入電壓為24 V。輸出兩路電壓+5 V和±15 V電壓。為電路板的供電提供可靠保障。

2.2.2 CPU電路板

1.4.4 統(tǒng)計(jì)分析 使用DPS(v7.05版)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用鄧肯氏新復(fù)極差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，評(píng)價(jià)不同試驗(yàn)處理對(duì)葉菜田雜草的防除效果。

負(fù)責(zé)與PLC通信，具體有2路232接口，4路數(shù)字量IO輸入 (復(fù)位、外部故障)，4路數(shù)字量IO輸出 (過(guò)流、欠壓、控制器故障)。完成原有通信板的功能。

2.2.3 脈沖板

脈沖板分為主板和背板，兩板共同負(fù)責(zé)輸出PWM光纖信號(hào)，一共需要12路輸出PWM輸出，6路輸入故障返回信號(hào)。12路AD采集在脈沖主板上。

2.2.4 電流采集板

由于AD部分在脈沖主板上，電流采集板留下接口，最終反饋回來(lái)的電流信號(hào)要經(jīng)過(guò)采樣電阻通過(guò)總線連接到脈沖板的AD部分。完成系統(tǒng)的電流檢測(cè)。

2.3 控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.3.1 軟件雙閉環(huán)設(shè)計(jì)

軟件的控制包括溫度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)，為了提高控制精度，我們對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，由PLC控制溫度外環(huán)，DSP控制電流內(nèi)環(huán)?；陔p閉環(huán)系統(tǒng)的PID復(fù)合控制策略，能使系統(tǒng)同時(shí)擁有PID調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和數(shù)字鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點(diǎn)?；贒SP控制的工頻感應(yīng)加熱電源能可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤。同時(shí)具有功率因數(shù)高、起動(dòng)簡(jiǎn)便、恒額定功率輸出、頻率自動(dòng)跟蹤等優(yōu)點(diǎn)。

2.3.2 控制系統(tǒng)的數(shù)字化

操作控制采用最先進(jìn)的數(shù)字控制系統(tǒng)，操作員與設(shè)備可以通過(guò)觸摸屏式的人機(jī)界面HMI進(jìn)行控制信息的交互，基于西門(mén)子可編程控制器PLC，配有ProfiBus-DP接口以及TCP/IP接口，并提供與其它設(shè)備連接。PLC通過(guò)485接口與DSP通訊，所有轉(zhuǎn)換參數(shù)和故障信息都能顯示在HMI面板上，逆變器的所有溫度控制均實(shí)現(xiàn)了光學(xué)化和數(shù)字化，所有功能和運(yùn)行參數(shù)的采集都由自動(dòng)監(jiān)控的設(shè)備完成。能夠滿(mǎn)足不同鋁合金加熱過(guò)程的最佳優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)加熱工藝過(guò)程自動(dòng)控制。HMI界面如圖4所示。

圖4 HMI界面Fig.4 HMI interface

2.3.3 功率的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)

改造后的IGBT的驅(qū)動(dòng)由智能化控制箱完成，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)各獨(dú)立加熱區(qū)的功率，功率可在0～100%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而使設(shè)備能夠根據(jù)不同的加熱程序進(jìn)行工作。不論加熱功率如何，系統(tǒng)對(duì)供電網(wǎng)路的功率因數(shù)永遠(yuǎn)恒定 (cos φ＞0.97)。此外還可以確保平衡的三相負(fù)載。當(dāng)加熱合金發(fā)生很大改變時(shí)，無(wú)需調(diào)整電容器。

2.3.4 完善的保護(hù)系統(tǒng)

改造后的控制系統(tǒng)具有完善的保護(hù)功能。整套系統(tǒng)安全、可靠、運(yùn)行費(fèi)用低，具有短路、過(guò)壓、過(guò)熱、過(guò)流等保護(hù)功能，快速加熱的同時(shí)確保加熱爐中任一位置上的鑄錠不會(huì)發(fā)生過(guò)燒，萬(wàn)一發(fā)生超載和短路，DSP將封鎖觸發(fā)脈沖，避免人員傷亡。所有系統(tǒng)都配有不間斷電源UPS裝置，用于防止突然停電后系統(tǒng)失去控制。電器元件設(shè)計(jì)合理，排放整齊，維修及更換零部件方便快捷。

2.3.5 控制系統(tǒng)的先進(jìn)性

改造后的控制系統(tǒng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，是國(guó)內(nèi)首套自主研發(fā)的工頻感應(yīng)爐控制系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足對(duì)多品種合金加熱的需求，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造符合ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，符合現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)具有較小的高次諧波分量，系統(tǒng)的高次諧波分量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549的規(guī)定。

3 取得的成果

(1)該控制系統(tǒng)已在某公司擠壓二車(chē)間100 MN單動(dòng)正向擠壓機(jī)配套的原意大利卡拉瑪瑞股份有限公司鋁錠感應(yīng)加熱爐上成功運(yùn)行，溫升曲線平滑穩(wěn)定，梯度加熱效果明顯，誤差在±5℃以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)了理想的加熱效果，見(jiàn)圖5。兩臺(tái)感應(yīng)爐可獨(dú)立工作，完全能夠滿(mǎn)足100 MN擠壓機(jī)的供料要求。

(2)該項(xiàng)目的成功研發(fā)直接為公司節(jié)約成本200萬(wàn)元，基于IGBT的感應(yīng)加熱爐與普通的可控硅感應(yīng)爐相比，可節(jié)約30%的電能，每年可為公司節(jié)約電費(fèi)約100萬(wàn)元。

圖5 歷史溫度曲線圖Fig.5 Curves of history temperature

4 結(jié)論

感應(yīng)加熱爐實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工頻感應(yīng)爐的成功運(yùn)行，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，打破了國(guó)外對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的壟斷。

［1］ 付正博．感應(yīng)加熱與節(jié)能－感應(yīng)加熱器 (爐)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

［2］ 潘天明．現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置 ［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1996．

［3］ 孫麗明．TMS320F2812原理及其C語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2008．

［4］ 陳伯時(shí)．電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)－運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

［5］ 胡壽松．自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程 ［M］．北京:科學(xué)出版社，2003．