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(1. 安徽三聯(lián)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2. 安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

電磁加熱技術(shù)越來越受到各行各業(yè)加熱需求的青睞，如金屬的冶煉、塑膠行業(yè)的注塑機(jī)、造粒機(jī)的加熱、鍋爐加熱、石油鉆井、輸油管道加熱等都有廣泛應(yīng)用[1～5]。很多學(xué)者開展了相關(guān)研究工作，文獻(xiàn)[6]研究了基于晶閘管控制的半橋逆變型電爐電磁加熱系統(tǒng)；文獻(xiàn)[7]采用IGBT替代晶閘管作為低Q值感應(yīng)加熱電源的半橋逆變開關(guān)管，提高了電源的工作頻率；文獻(xiàn)[8]研究了一種基于SiC MOSFET的零電壓諧振全橋變換器，將開關(guān)頻率擴(kuò)展到180kHz至400kHz，效率達(dá)98%以上。上述研究中，半橋逆變和全橋逆變分別需要兩個(gè)和四個(gè)功率開關(guān)管，開關(guān)管數(shù)量多而且需要專用的驅(qū)動(dòng)電路，開關(guān)電路控制較為復(fù)雜，適用于大功率加熱場(chǎng)合。針對(duì)光纜擠塑機(jī)加熱功率需求，設(shè)計(jì)了一種基于單個(gè)功率開關(guān)管(IGBT)的電磁加熱系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了加熱裝置的硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)將單片機(jī)控制器引入到加熱系統(tǒng)中來實(shí)現(xiàn)加熱溫度的閉環(huán)控制，提高了溫度控制的穩(wěn)定性。

1 擠塑機(jī)電磁加熱系統(tǒng)簡(jiǎn)介

在光纜設(shè)備領(lǐng)域，擠塑機(jī)單元是光纜設(shè)備的一個(gè)重要組成部分。目前擠塑機(jī)單元加熱方式普遍采用電阻絲發(fā)熱圈，加熱片裝于機(jī)身、機(jī)頸、機(jī)頭各部分，加熱裝在外部加熱筒內(nèi)的塑料，使之升溫，以達(dá)到工藝操作所需要的溫度。熱傳導(dǎo)損失嚴(yán)重并導(dǎo)致工作環(huán)境溫度上升，另外電阻絲加熱最大的缺點(diǎn)就是功率密度低，在一些溫度較高的場(chǎng)合就無法適應(yīng)此種加熱方式,熱量流失嚴(yán)重，耗電量很大。

圖1 擠塑機(jī)電磁加熱裝置工作示意圖

擠塑機(jī)電磁加熱系統(tǒng)組成如圖1所示，電磁加熱器安裝在單片機(jī)控制柜內(nèi)，電磁加熱線圈采用耐高溫的硅橡膠銅線或者聚四氟乙烯銅線，可采取直接繞制式或哈佛式結(jié)構(gòu)。根據(jù)加熱工藝的需求，設(shè)置4個(gè)溫度分布區(qū)間，各加熱段由獨(dú)立電磁加熱器進(jìn)行加熱，實(shí)時(shí)檢測(cè)爐膛溫度并與設(shè)定溫度比較，通過PID算法動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)加熱功率，從而實(shí)現(xiàn)爐膛溫度恒定在設(shè)定值附近。

2 電磁加熱控制器設(shè)計(jì)

2.1 電磁加熱控制器結(jié)構(gòu)

電磁加熱控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，輸入電源為AC220V交流電，通過整流濾波變成直流電作為L(zhǎng)C諧振電路的輸入，同步振蕩電路控制IGBT周期性導(dǎo)通和截止，使加熱線圈中產(chǎn)生高頻電流即形成渦流從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐膛負(fù)載加熱。由于IGBT工作在大電流、大電壓狀態(tài)下，同時(shí)設(shè)計(jì)了IGBT硬件保護(hù)和軟件保護(hù)，硬件保護(hù)電路采集IGBT電流電壓，當(dāng)出現(xiàn)過流過壓故障時(shí)，該保護(hù)電路將控制同步振蕩電路使IGBT導(dǎo)通時(shí)間縮短，即降低LC諧振電路中電感的儲(chǔ)能；軟件保護(hù)功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，保護(hù)過程與硬件保護(hù)類似，單片機(jī)可以直接封鎖IGBT觸發(fā)脈沖的輸出，待故障解除后可自動(dòng)解鎖。

圖2 電磁加熱控制器結(jié)構(gòu)框圖

控制器通過熱電偶采集爐膛實(shí)際溫度，將實(shí)際溫度與設(shè)定溫度差值作為PID算法輸入，PID算法輸出最終控制IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，從而實(shí)現(xiàn)爐膛溫度的閉環(huán)控制。設(shè)計(jì)的RS485通訊接口可以實(shí)現(xiàn)電磁加熱控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 整流濾波電路

采用由四個(gè)二極管構(gòu)成的單相不可控整流電路，整流后并聯(lián)濾波電容，整流濾波電路輸出約300V直流電壓直接連接LC諧振電路，該電路具體結(jié)構(gòu)與工作過程不再贅述。

2.2.2 LC諧振電路

LC諧振電路如圖3所示，圖中IGBT功率管Q2周期性導(dǎo)通與截止。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)，DC300V電壓經(jīng)加熱線圈L、Q2到地形成回路，此時(shí)線圈L儲(chǔ)能；當(dāng)Q2截止時(shí)，由于L中的電流大小和方向不能突變，其儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能變?yōu)殡妶?chǎng)能而釋放出來，即線圈L中的感應(yīng)電流對(duì)并聯(lián)電容C進(jìn)行充電。當(dāng)L中的磁場(chǎng)能全部轉(zhuǎn)換為C的電場(chǎng)能時(shí)，功率管Q2集電極電壓達(dá)到峰值電壓。之后，電容C經(jīng)L放電，功率管Q2集電極電壓下降，當(dāng)電容C上的電場(chǎng)能全部轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)的磁場(chǎng)能時(shí)，L產(chǎn)生左正右負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)，功率管IGBT內(nèi)部的阻尼二極管導(dǎo)通完成線圈續(xù)流。當(dāng)L中的能量釋放完后，經(jīng)同步控制振蕩電路使功率管Q2重新導(dǎo)通。如此周而復(fù)始，使加熱線圈L和諧振電容C之間形成高頻振蕩，從而使線圈L中產(chǎn)生渦流而加熱爐膛。

圖3 LC諧振電路

2.2.3 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路

功率管IGBT驅(qū)動(dòng)主要由兩個(gè)三極管構(gòu)成的推挽式電路組成。如圖4所示，三極管Q3和Q4構(gòu)成推挽電路，兩者輪流導(dǎo)通。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)IGBTCL為高電平時(shí)，Q3導(dǎo)通、Q4截止，IGBT導(dǎo)通；反之，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)IGBTCL為低電平時(shí)，Q3截止、Q4導(dǎo)通，IGBT截止。穩(wěn)壓管D6起限壓作用，防止IGBT柵源間出現(xiàn)過壓而損壞。

圖4 IGBT驅(qū)動(dòng)電路

圖5 同步控制振蕩電路

圖6 浪涌電流硬件保護(hù)電路

2.2.4 同步控制振蕩電路

功率管IGBT出現(xiàn)過壓、過流或過熱時(shí)都極易損壞，設(shè)計(jì)IGBT電路時(shí)需要采取相應(yīng)的保護(hù)措施。當(dāng)IGBT截止時(shí)，由于集電極(C)-發(fā)射極(E)之間電流幾乎為零，即使C-E間電壓很高，IGBT的功率也很小，即發(fā)熱量??；如果IGBT導(dǎo)通時(shí)，C-E間存在較大電壓，則IGBT功率很高，容易燒毀IGBT。為保護(hù)IGBT不因過熱而損壞，需要嚴(yán)格控制IGBT的導(dǎo)通時(shí)刻，保證功率管IGBT在集電極零電壓下導(dǎo)通。為此，設(shè)計(jì)了同步控制振蕩電路，見圖5所示。在LC諧振過程中，當(dāng)IGBT集電極接近零電壓時(shí)，比較器U5A的同向端比反向端電位低，U5A輸出低電平，電容C29充電，比較器U5C的反向端電位慢慢增加，當(dāng)反向端電位超過同向端電位時(shí)，IGBT截止，諧振過程開始，爐膛加熱，比較器U5A輸出高電平，電容C29反向充電，使U5C反向端電位始終比同向端電位高，IGBT維持截止?fàn)顟B(tài)。諧振過程結(jié)束后，當(dāng)IGBT集電極接近零電壓，IGBT導(dǎo)通，加熱線圈L開始充電，如此周而復(fù)始。

圖7 系統(tǒng)軟件主程序流程

圖5中，信號(hào)PWM和IGBTEN由單片機(jī)給定，通過調(diào)整PWM信號(hào)的占空比可以改變比較器U5C同向端的電位，同向端參考電位的改變使IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖占空比發(fā)生變化，即實(shí)現(xiàn)了加熱功率的調(diào)節(jié)。IGBTEN是IGBT驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)，高電平有效，當(dāng)IGBTEN=0時(shí)，二極管D19導(dǎo)通，同向端被拉成低電平，IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)。

2.2.5 硬件保護(hù)電路

硬件保護(hù)主要有浪涌電流保護(hù)和IGBT集電極過壓保護(hù)。對(duì)于浪涌電流保護(hù)，首先通過電流互感器和整流濾波電路將浪涌交流電流變成直流電壓(見圖6中的標(biāo)號(hào)current)，然后送到比較器的反向輸入端，比較器的同向輸入端接固定電位。當(dāng)出現(xiàn)浪涌電流時(shí)，比較器輸出低電平(即圖5和圖6中的over_curr信號(hào))，此時(shí)同步控制振蕩電路中二極管D18導(dǎo)通，比較器U5C同向端被拉低，其輸出為低電平,IGBT截止。IGBT集電極過壓保護(hù)過程與浪涌電流保護(hù)相類似。當(dāng)出現(xiàn)過壓時(shí)，圖5中的over_volt信號(hào)為低電平，導(dǎo)致IGBT截止。

圖8 光纜擠塑機(jī)加熱測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖9 兩種加熱溫度下IGBT柵極驅(qū)動(dòng)波形和集電極電壓波形

2.2.6 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)爐膛溫度閉環(huán)控制、軟件保護(hù)與報(bào)警等功能。通過自帶A/D轉(zhuǎn)換器的Atmega16 單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓、IGBT與爐膛溫度的采集與處理，結(jié)合按鍵和液晶顯示實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的設(shè)置與顯示。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件的主要功能是實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定、溫度閉環(huán)控制、參數(shù)采集與顯示、軟件保護(hù)與故障報(bào)警等。軟件采用C語言編程，程序結(jié)構(gòu)模塊化，圖7給出了系統(tǒng)主程序流程圖。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化操作，包括初始化A/D轉(zhuǎn)換、PWM、加熱溫度以及禁止IGBT驅(qū)動(dòng)等。接下來，系統(tǒng)判定是否需要重新設(shè)定加熱溫度，若需要?jiǎng)t通過按鍵調(diào)整，然后使能IGBT驅(qū)動(dòng)，加熱過程開始。之后，系統(tǒng)主程序進(jìn)入無限循環(huán)狀態(tài)，不停檢測(cè)溫度等參數(shù)并進(jìn)行PID運(yùn)算，更新PWM占空比調(diào)節(jié)加熱功率來調(diào)節(jié)加熱溫度，使實(shí)際加熱溫度慢慢逼近設(shè)定值。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若出現(xiàn)IGBT超溫或過壓過流等情況，則進(jìn)行相應(yīng)的操作處理。

3 測(cè)試結(jié)果及討論

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的擠塑機(jī)電磁加熱系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)為某光纜生產(chǎn)企業(yè)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖見圖8。

測(cè)試時(shí)，諧振電路選擇L=120μH、C=0.8μF。設(shè)定爐膛加熱溫度分別為160℃和200℃，待爐膛溫度穩(wěn)定后(溫度波動(dòng)約為±1℃)，利用示波器進(jìn)行了電磁加熱控制器中IGBT柵極驅(qū)動(dòng)波形和集電極電壓波形的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見圖9。

圖9中示波器通道1測(cè)量的是IGBT集電極電壓波形，縱向每格是100V，通道2測(cè)量的是IGBT柵極驅(qū)動(dòng)波形，驅(qū)動(dòng)脈沖峰-峰值為18V，結(jié)果與其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相吻合。從圖9中可以看出，在LC諧振電路參數(shù)不變的情況下，爐膛加熱溫度越高，需要線圈儲(chǔ)能越多，這樣線圈充電時(shí)間就越長(zhǎng)，即IGBT導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，柵極驅(qū)動(dòng)脈沖占空比越大。加熱溫度越高，IGBT集電極所承受的電壓就越高，160℃和200℃所對(duì)應(yīng)的峰值電壓分別為566V和672V。

在IGBT集電極能承受的電壓范圍內(nèi)(測(cè)試所用IGBT耐壓值為1200V)，可以進(jìn)一步提高加熱溫度，但由于受到同步控制振蕩電路的限制，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)脈沖占空比極值有限，導(dǎo)致加熱功率有限，可以通過減小諧振電路中的線圈電感量來提高加熱功率，這樣雖然可以減小IGBT柵極驅(qū)動(dòng)脈沖占空比，但隨著加熱功率的提高，IGBT導(dǎo)通電流和集電極電壓也會(huì)隨之上升，因此加熱功率的提升程度主要受IGBT參數(shù)影響。

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)的基于單個(gè)IGBT的電磁感應(yīng)加熱裝置在同步控制振蕩電路和單片機(jī)系統(tǒng)的控制下，可以安全可靠工作，加熱功率滿足光纜擠塑機(jī)要求，溫度控制精度高。光纜擠塑設(shè)備采用電磁加熱方式后，可降低加熱功耗，能夠有效減低企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力。該電磁加熱系統(tǒng)對(duì)其它加熱設(shè)備具有借鑒作用。