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量子能量变频感应导热油炉加热

产品说明:

量子能量变频感应导热油炉 创新科技,量子控制 加法:让能效更高 减法:让能耗更低 量子能量变频感应导热油炉 一、设计背景: 近年来,受雾霾天气的影响,中国各地政府纷纷出台相关政策,鼓励新能源产业发展,推动节能减排,减轻雾霾灾害加剧,国家在大力实施清洁替代和电能替代,推进能源系统的综合优化,转变用能方式和习惯,是现实而迫切的举措。电能替代是从能源消费革命的角度,通过“以电代煤”、“以电代油”,全面提升终端电能效率、大幅减少排放。 二、量子能量变频感应加热系统介绍 1)、量子能量加热设备采用智能采样闭环反馈系统,根据被加热载体不同时间段的温度选择不同的电流输入方式和频率对被加热载体的加热深度进行跟踪,让磁力切割涡流在被加热载体上来回运动让被加热载体分子更活跃,能效更高。 2)、量子能量加热设备采分段加热,时时跟踪,选择不同功率输出,保温时减少输出功率从而达到节效果,所以加热系统的功率绝大部分时间不是最大功率。在正常生产时,加热系统会跟据生产需要的温度就地跟踪调节,进行间断加热和减小功率输出加热。当不生产,保温加热时,输出功率一般为总功率的5%-20%。 3)、维修保养方便:线圈寿命长,加热均匀,不用维修。 4)、量子能量加热设备线圈加热均匀,不会像电热棒在加热生产中经常熔断,从而减少停机时间和维修保养成本。温代尔加热设备是线圈切割加热,线圈本身发热量小,因而线圈是不会损坏的,没线圈的维修费用。 二、工作原理 量子能量变频感应导热油炉(又称导热油加热油加热器)是在吸收国外先进技术的基础上,研制出的一种新型安全、节能高效、低压、能提供高温热量的特种防爆工业炉。该炉以电能为能量,电流在线圈上直接对炉体产生磁力切割加热,线圈不发热,而是由炉体本身发热。以导热油为热载体,通热油循环泵强制循环的,将热量传输到一个或数个用热设备。当经过用热设备使用后,低油温的导热油再次重新通过循环泵,回到加热炉再吸收热量传输给用热设备。如此重复循环。导热油加热器采用温控仪控温,具有过温降低输出功率、超温自动停止、低油位报警、超压报警自动泻压、并具有防干烧和防爆安全措施。防爆等级为ExdllBT4、ExdllBT6、ExdllCT6。 •使用方法 量子能量导热油炉是由防爆加热器、有机热载体炉、热油泵、膨胀槽等组合而成,用户仅需接入电源、介质的进出口管理道即可使用。 • •设备特点 1、量子能量导热炉结构紧凑、体积小、重量轻、安装操作简便、加热时无污染。 2、自动化程度高,采用先进的自动控温模式,即通过所设定的温度反馈给控制系统实现热负荷的自动调节,供热稳定,可进行精确的温度调节。 注:柴油的热值=10200kcal/kg,(热效率30%-70%)天然气的热值=8500kcal/m³(热效率30%-70%),传统电的热值860kcal/kwh(转换效率70%左右),高频变频加热值1300~1600kcal/kwh(热转换效率为95%)。 ˎ̥高频感应加热简要说明 高频感应加热的原理:是高频电流在金属表面所产生的集肤效应,频率越高,电流就越集肤在金属表面,功率越大,加热就越快。所以高频感应加热设备被广泛应用于金属加热及金属表面处理(如金属齿轮表面、传动轴磨擦面的淬火处理等)和金属局部瞬间加热(如高频焊接、刀具钎焊等)。 早期的感应加热设备,由于受限于电子器件的开关频率,只能做一些较低频率的感应加热设备。感应加热电源中的整流、逆变全由晶闸管组成,工作频率低,噪音高,控制系统一般采用分立元件构成,这段时期的技术发展主要是容量的扩大和控制手段的提高,采用较复杂的电路拓扑结构来提高工作频率。90年代中期以IGBT模块为核心感应加热设备开始出现,与电子管高频设备和可控硅感应加热设备相比,节能10%-40%。一经面市,就以其节能环保、加工质量高、操作方便、运行安全可靠、维修费用少等诸多优势成为目前金属加热领域最理想的加热方式。但由于技术的一些缺陷,还没有一些大功率感应加热设备的应用实践。目前,数字技术DSP广泛应用,半导体工艺日渐成熟,并不断产生新技术,出现了大功率、高频率半导体器件模块,使电力电子装置的体积大为减小,而且极大地提高了效率和可靠性。国内外在中高频感应加热电源控制逆变技术的逐渐成熟,才让大功率感应加热设备的应用越来越广泛。 感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展密切相关,随着功率器件的大容量化、高频化带动感应加热电源的大容量大功率化和控制频率高频化。感应加热电源的大容量化,可将大容量化技术分为二大类:一类是器件的串、并联,另一类是多台电源的串、并联。在感应加热电源多应用于工业现场,其运行工况比较复杂,它与钢铁、冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系,它的负载对象各式各样,而电源逆变器与负载是一有机的整体,负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。 感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器,串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源,因此,它的损耗比并联逆变器更低,效率也更高。当然,两电压源并联时,相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流,如果处理不当,以至逆变器件的电流产生严重不均,容易损坏,这也是目前国内中频炉实现串联方式有待解决的问题。国产中频逆变电源目前大多都采用并联谐振型逆变器结构。因此,在研究和开发更大容量的并联逆变中频电源的同时,如果能解决串联逆变并机及大容量的问题,无疑是熔炼、铸造应用中的最好选择。 随着感应加热对自动化控制程度及电源可靠性要求的提高,感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有各种智能接口控制、故障自动诊断等控制性能的DSP逆变感应加热电源正成为下一代发展目标。 感应加热基本原理 1.1英国物理学家faraday发现了电磁感应现象,并且提出了相应的理论解释。其内容为,当电路围绕的区域内存在交变的磁场时,电路两端就会感应出电动势,如果闭合就会产生感应电流。 1.2利用高频电压或电流来加热通常有两种方法: (1)电介质加热:利用高频电压(比如微波炉加热);电介质加热通常用来加热不导电材料。当高频电压加在两极板层上,就会在两极之间产生交变的电场。需要加热的介质处于交变的电场中,介质中的极分子或者离子就会随着电场做同频的旋转或振动,从而产生热量,达到加热效果。 (2)感应加热:利用高频电流。感应加热原理为产生交变的电流,从而产生交变的磁场,再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。 基本电磁定律: 法拉第定律: 安培定律: 其中:, 如果采用MKS制,e的单位为V,Ø的单位为Wb,H的单位为A/m,B的单位为T。 以上定律基本阐述了电磁感应的基本性质, 1.3集肤效应:当交流的电流流过导体的时候,会在导体中产生感应电流,从而导致电流向导体表面扩散。也就是导体表面的电流密度会大于中心的电流密度。这也就无形中减少了导体的导电截面,从而增加了导体交流电阻,损耗增大。工程上规定从导体表面到电流密度为导体表面的1/e=0.368的距离δ为集肤深度。 在常温下可用以下公式来计算铜的集肤深度:   图3 涡流产生示意图 从以上可以看到,如果增大电流和提高频率都可以增加发热效果,使加热对象快速升温。所以感应电源通常需要输出高频大电流。 高频串联感应加热的特点 (1) 串联谐振逆变器中电流为正弦波,换流时反并联二极管续流,所以开关器件承受的反压仅为反并联二极管的正向导通压降,是非常低的,这一特点正是MOSFET,IGBT 等器件要求的。一般这些器件内部都集成有反并联二极管,非常适合于串联谐振逆变器。使用时可以直接使用这些反并联二极管,而无需再外加反并联二极管。 (2) 串联谐振逆变器起动比较简单。因为串联逆变器可以自激工作,也可以他激工作。但是,他激工作时如果他激频率和负载谐振频率相差比较大,就会使无功电流增大,效率变低,输出有功功率减少,功率器件发热比较严重,在实际系统中应该注意这个问题。而并联谐振逆变器一般只能工作在他激状态,当工作频率不等于负载固有谐振频率时,就起动不起来,所以并联逆变器起动前必须预先测定负载固有谐振频率,然后将触发脉冲频率调整到与其近似相等,才能起动。起动后,随着工件温度的升高,负载参数发生变化,负载谐振频率也发生变化,这时如果触发频率不能迅速跟踪谐振频率,将有可能使逆变器停止振荡甚至造成逆变颠覆,这就要求控制电路必须能够快速而且稳定的工作,从而增加了控制系统设计的难度。在串联谐振逆变器中就不会发生这种问题,负载谐振频率发生变化,只会使功率因数角发生变化,输出功率也发生变化,但不会造成停止振荡或逆变颠覆的后果。 (3) 在高频线路中,线路对各种分布参数较为敏感,其中比较重要的分布参数之一是引线电感。在工业实际应用中,一般负载总是离电源有一定的距离,即逆变侧负载的两根引出线一般较长。在并联谐振逆变器中,这根引出线的分布电感将改变负载电路的结构,从而影响逆变器工作,在串联谐振逆变器中,这个分布电感只会改变串联回路中电感量的大小,而不会影响负载电路的结构。可以采用集中参数的作法,将这一引出线的分布电感归总为负载感应器的一部分。因此串联谐振逆变器在负载槽路布线工艺上比并联逆变器要求低,调试更为简单。 高频感应加热的控制方法 2.1感应加热的控制方法有以下几类: A.调幅控制(PAM)方法 B.脉冲频率调制(PFM)方法 C.脉冲密度调制(PDM)方法 D.谐振脉冲宽度调制(PWM)方法 2.2感应加热控制方法的优缺点 A.调幅控制方法是通过调节直流电压源输出(逆变器输入)电压Ud(可以 用移相调压电路,也可以用斩波调压电路加电感和电容组成的滤波电路,来实现调节输出功率的目的。即逆变器的输出功率通过输入电压调节,由锁相环(PLL)完成电流和电压之间的相位控制,以保证较大的功率因数输出。这种方法的优点是控制简单易行,缺点是电路结构复杂,体积较大。 B. 脉冲频率调制方法是通过改变逆变器的工作频率,从而改变负载输出阻抗以达到调节输出功率的目的。脉冲频率调制方法的主要缺点是工作频率在功率调节过程中不断变化,导致集肤深度也随之而改变,在某些应用场合如表面淬火等,集肤深度的变化对热处理效果会产生较大的影响,这在要求严格的应用场合中是不允许的。但是由于脉冲频率调制方法实现起来非常简单,故在以下情况中可以考虑使用它:a.如果负载对工作频率范围没有严格限制,这时频率必须跟踪,但相位差可以存在而不处于谐振工作状态。b.如果负载的Q值较高,或者功率调节范围不是很大,则较小的频率偏差就可以达到调功的要求。 C. 脉冲密度调制方法就是通过控制脉冲密度,实际上就是控制向负载馈送能量的时间来控制输出功率。脉冲密度调制方法的主要优点是:输出频率基本不变,开关损耗相对较小,易于实现数字化控制,比较适合于开环工作场合。 脉冲密度调制方法的主要缺点是:逆变器输出功率的频率不完全等于负载的自然谐振频率,在需要功率闭环的场合中,工作稳定性较差。由于每次从自然衰减振荡状态恢复到输出功率状态时要重新锁定工作频率,这时系统可能会失控。因此在功率闭环或者温度闭环的场合,工作的稳定性不好。其另一个缺点就是功率调节特性不理想,呈有级调功方式。 D. 谐振脉冲宽度调制是通过改变两对开关管的驱动信号之间的相位差来改变输出电压值以达到调节功率的目的。即在F个相位角,使得输出的正负交替电压之间插入一个零电压值,这样只要改变相位角就可以改变输出电压的有效值,最终达到调节输出功率的目的。这种控制方法的优点是电源始终工作在谐振状态,功率因数高。但存在反并联二极管的反向恢复问题、小负载问题、软开关实现问题。 针对上述控制方法优缺点,一些复合型控制方法的研究日益引起重视,脉宽加频率调制方法就是一种较好的控制方法。 在一般的逆变器中,常用的移相PWM方法的工作频率是固定的,不需考虑负载在不同工作频率下的特性。而在串联谐振感应加热电源中使用移相PWM方法时,则要求其工作频率必须始终跟踪负载的谐振频率,通常使某一桥臂的驱动脉冲信号与输出电流的相位保持一致,而另外一个桥臂的驱动脉冲信号与输出电流的相位则可以调节。驱动脉冲信号之间的相位差β在0° ~ 180°范围内可调,调节β就可以调节输出电压的占空比,即调节输出功率。根据输出电压和输出电流的不同相位关系,有2种PWM调节方式:升频式PWM和降频式 PWM。 感应加热TMS320F2810 DSP芯片简要说明 数字信号处理器DSP 芯片已广泛应用于通信、自动控制、航天航空、军事、医疗等领域。 TMS320F2810 DSP芯片具有如下主要特点: (1) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法; (2) 程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据; (3) 片内具有快速RAM,通常可通过独立的数据总线在两RAM 块中 同时访问; (4) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持; (5) 快速的中断处理和硬件I/O 支持; (6) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器; (7) 可以并行执行多个操作; (8) 支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 数字信号处理系统的优越性表现为: 1. 灵活性好:当处理方法和参数发生变化时,只需通过改变软件设计 以适应相应的变化; 2. 精度高:信号处理系统可以通过A/D 变换的位数、处理器的字长和 适当的算法满足精度要求; 3. 可靠性好:处理系统受环境温度、湿度、噪声及电磁场的干扰所造 成的影响较小; 4. 可大规模集成:随着半导体集成电路技术的发展,数字电路的集成 度可以做得很高,具有体积小、功耗小、产品一致性好等优点。 感应加热电源与传统加热的优缺点 3.1传统的对金属加热一般有炭烧,燃气,电阻丝等。他们的缺点是明火安全性能低,耗材耗能大,有污染。 3.2数字芯片DSP控制的高频感应加热逆变器优点: ①由DSP芯片监控的闭环控制系统,能够采集现场的电压、电流、频率、温度等所需的实际物理信号,并可以根据这些原始数据计算出现场的功率、相位角、功率因数、能耗等观察数据。在这些数据的基础上,可以实现这些数据的数字显示,便于控制、监视及处理。 ②高频感应加热速度快:与其它方法相比,以ms毫秒为单位即可加热到所要求的目标温度。 ③保护全:设有过压、过流、过热、缺相等报警指示,并自动控制和保护。 ④根据控制要求需求,功率可调:功率输出可无极调节。 ⑤空载损耗小,节省能源:除工作时间以外,仅待机电力就可以,很合理省电。 ⑥绿色环保:工作时不产生有害物质。 ⑦根据被加热物体的质量、加热时间、温度,来调节高频的输出。 串联感应加热设备的组成框图及简单介绍 4.1感应加热设备的电子部份组成框图(见下图1)  4.2各部份简要介绍 编号1部份为RST三相输入电源接口及防雷部份,主要是与电源输入的接口及防雷作用,它与整流部份相连。整流部分2由一个三相整流桥或三个两管装整流桥组成,为将交流电变换成直流的电力电子装置,其输入电压为正弦波,输入电流非正弦,带有丰富的谐波,整流部分2与滤波部分5连接;滤波部分5为保持直流母线电压恒定,降低电压脉动的无极性滤波电容,滤波部分5与开关电源部分6连接;开关电源部分6为由开关变压器、开关管、IC3842及其外围电路组成的输出多路隔离电源的开关电路;开关电源部分6与滤波部分6间连接有上电整流充电部分3和充电保护控制部分4;上电整流充电部分3由一个或多个限流电阻和一个接触器或高压隔离的电子开关(如固态继电器)组成,作用为降低上电冲击电流,上电结束后接触器自动吸合,或电子开关闭合,以保护不出现大电流对无极性滤波电容及整流桥的冲击;滤波部分5还连接有逆变驱动部分8,逆变驱动部分8为由光电隔离的高速光耦HCPL3120或HCPL316J及其外围电路和供电部分组成,同时,逆变驱动部分8还与逆变部分7、开关电源部分6和DSP控制部分9连接;逆变部分7由四个电子开关元件IGBT及其外围电路组成,作用为将直流电压转换为频率电压均可变的交流电,与输出电容,线圈组成串联谐振部份;逆变部分7通过负载线圈部分11与电流传感检测部分12连接;电流传感检测部分12由一个高低电压隔离的霍尔电流传感器及其外围电路组成,其作用是将负载部分的电流信号大小,转换成低压且隔离的小电流或电压信号,让DSP控制部分9对负载进行识别,以便对负载线圈电流进行控制;DSP控制部分9由一片TIDSP型号为TMS320F2810及其外围电路组成,DSP控制部分9与外接的外部控制接口部份10连接,同时DSP控制部分9还与温度检测部分13、风扇散热部分14连接;温度检测部分13由一个温度探头及其外围电路组成,其作用是将散热器上的温度转换为线性变化的低电压信号,让DSP控制部份9对其进行识别,以作过热保护,以保护电子元件;风扇散热部分14为风扇和控制风扇运转或停止的外围电路组成。以降低电子元件温度,保护电子元件的作用。