CN111712007B - 一种应用混合型spwm调制技术的可分离式感应加热炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉，包括主区感应炉控制单元、分区感应电源控制单元、加热线圈、炉体；加热线圈布置在炉体中，加热线圈与分区感应电源控制单元通过电缆连接，加热线圈的数量与分区感应电源控制单元相同；主区感应炉控制单元通过通讯总线对分区感应电源控制单元下达指令，各个分区感应电源控制单元对加热线圈输出电流实现对炉体中所放材料进行加热。本发明主区感应炉控制单元通过对各个分区电流幅值、电流相位、电流频率的控制，实现了根据不同材料长度、材料材质、温度梯度、加热时间、加热效率等要求输出不同的电流参数，从而满足各种复杂应用需求。

Description

一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉

技术领域

本发明属于感应加热电源技术领域，具体涉及一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉。

背景技术

传统的加热方式是热传导，即由一个热的物体将自身的热能量传递给另一个物体，而感应加热则是通过交变电流在电感线圈中产生电流漩涡，也就是涡流，使处于线圈中的导磁性物体内的电子空穴运动从而产生热量。感应加热是目前人类所知的最快的加热方式。

感应加热不仅可以对工件整体加热，还能对工件局部针对性的加热；不仅可实现工件的深层透热，也可只对其表面、表层集中加热；不仅可对金属材料直接加热，也可对非金属材料进行间接式加热。感应加热技术必将在各行各业中应用越来越广泛。

感应加热装置主要由两部分组成：一部分是提供能量的交流电源，也称变频电源；另一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈，也称感应炉。

铝质零件在工业领域使用非常普遍，在一些铝加工厂中，大量采用挤压工艺对铝质材料进行加工，在挤压之前通常要进行加热，从而软化铝质材料，减小挤压难度和对挤压机的压力，保证挤压质量。

现有技术中存在的主要问题和缺陷包括：

传统串联谐振或并联谐振型感应加热电源***存在自动跟踪频率不方便、材料改变后起振困难，尤其是低频工作时起振困难且不稳定等缺点，难以适应加热材料频繁变化的工况。并且传统的方式是采用谐振电路产生指定频率的电流，到目前为止这仍然是很多厂家采用的方式，这种方式使得***对于电流的控制能力不足。从而使得无法将一个大功率炉子分解为多个中功率炉子，进而降低单体功率和危险性，提高经济性和灵活性。由于传统的感应加热电源不利于多区同向，这样容易造成加热效率低，因此在面对多种长度和直径的材料的时候，不能选择加热部分的长度、工作的频率、各个部分加热功率。由此导致能量利用率不高，无法实现梯度加热，不符合国家节能减排的方针。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题和缺陷，本发明提供了一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉，采用混合型SPWM调制技术实现感应加热，本发明将大功率炉子分解为多个中功率炉子，采用混合型SPWM调制方法对输出的电流波形进行同向操作，实现多个炉子电流同向，从而使得多个炉子磁场叠加产生，实现多个炉子磁场一体化。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉，包括主区感应炉控制单元、分区感应电源控制单元、加热线圈、炉体；所述主区感应炉控制单元通过通讯总线与多个分区感应电源控制单元相连，所述加热线圈布置在炉体中，加热线圈与分区感应电源控制单元通过电缆连接，加热线圈的数量与分区感应电源控制单元相同；所述主区感应炉控制单元通过通讯总线对分区感应电源控制单元下达指令，各个分区感应电源控制单元对加热线圈输出电流实现对炉体中所放材料进行加热。

优选地，所述分区感应电源控制单元采用混合型SPWM调制技术和分段式步进控制，实现分区电流幅值、电流相位、电流频率的控制；所述主区感应炉控制单元根据不同材料长度、材料材质、温度梯度要求、加热时间要求、加热效率要求输出不同的电流参数到分区感应电源控制单元，选择启动的分区、各个分区的频率和功率，完成对整个加热炉的操作，从而满足不同材料的加热需求。

优选地，所述混合型SPWM调制技术是将查表法与计算法相结合，在执行过程中采用查表法的形式，在频率改变时采用计算法更新表中所储存的数据，从而实现频率变化。

优选地，所述混合型SPWM调制技术包括计算控制单元、表控制单元、SPWM执行单元，所述计算控制单元采用查表法SPWM的模式，所述表控制单元采用计算法SPWM的模式，两种算法通过指针切换实现，所述SPWM执行单元负责按照从表控制单元获取的数据输出SPWM信号。

优选地，将所输出的SPWM信号通过IGBT驱动板实现对IGBT的驱动。

优选地，将此SPWM信号输出到拓扑结构电路，用于实现产生正弦电流。

优选地，建立知识库，所述主区感应炉控制单元根据不同材料类型从知识库中查询和调用相关分区的控制参数。

优选地，所述分区感应电源控制单元在电流闭环控制上采用分段式步进控制策略，将误差分为若干个等级，在一定误差之上以最大允许的di/dt调节电流，达到一定误差之下采用小di/dt微调。

优选地，所述加热线圈在工作过程中电流保持高度同向，同向误差最大不超过1/6毫秒。

优选地，所述加热线圈缠绕于炉体，每个分区的加热线圈相对炉体的缠绕方向一致。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明将大功率炉子分解为多个中功率炉子，采用混合型SPWM调制方法对输出的电流波形进行同向操作，实现多个炉子电流同向，从而使得多个炉子磁场叠加产生，实现多个炉子磁场一体化。

(2)本发明采用“SPWM主动逆变+LLC型被动谐振主回路设计”的技术，得到幅值、频率和相位完全可控、可变的逆变器输出电流，同时LLC型主回路设计相比传统谐振形式，节省了负载匹配变压器，并且起振容易。

(3)本发明可以根据长度改变启动的分区感应电源控制单元的数量，根据材料电感特性改变加热频率，可以改变各个分区感应电源控制单元的电流设定，从而实现梯度加热。主区感应炉控制单元通过对各个分区电流幅值、电流相位、电流频率的控制，实现了根据不同材料长度、材料材质、温度梯度、加热时间、加热效率等要求输出不同的电流参数，从而满足各种复杂的应用需求。

(4)能量利用率高，加热效率高，符合国家节能减排的要求。

附图说明

图1是本发明所提供的一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉的结构组成示意图。

图2是本发明所提供的一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉中分区感应电源控制单元的硬件结构示意图。

图3是本发明所提供的一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉中分区感应电源控制单元的控制原理示意图。

图4是本发明所提供的一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉的工作流程图。

图5是混合型SPWM的结构组成示意图。

附图标记说明：1、主区感应炉控制单元；2、分区感应电源控制单元；3、加热线圈；4、炉体。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明公开了一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉，包括主区感应炉控制单元1、分区感应电源控制单元2、加热线圈3、炉体4；所述主区感应炉控制单元1通过通讯总线与多个分区感应电源控制单元2相连，所述加热线圈3布置在炉体4中，加热线圈3与分区感应电源控制单元2通过电缆连接，加热线圈3的数量与分区感应电源控制单元2相同；所述主区感应炉控制单元1通过通讯总线对分区感应电源控制单元2下达指令，各个分区感应电源控制单元2对加热线圈3输出电流实现对炉体4中所放材料进行加热。

具体地，如图2和图3所示，所述分区感应电源控制单元2采用混合型SPWM调制技术和分段式步进控制，实现分区电流幅值、电流相位、电流频率的控制；所述主区感应炉控制单元1根据不同材料长度、材料材质、温度梯度要求、加热时间要求、加热效率要求输出不同的电流参数到分区感应电源控制单元2，选择启动的分区、各个分区的频率和功率，完成对整个加热炉的操作，从而满足不同材料的加热需求。

所述混合型SPWM调制技术是将查表法与计算法相结合，在执行过程中采用查表法的形式，在频率改变时采用计算法更新表中所储存的数据，从而实现频率变化。混合型SPWM调制技术的工频感应加热电源以查表法和计算法相结合的方式，在数字***输出多路SPWM信号的时候，保证了变频灵活性，又不会极大的增加CPU的计算负荷。

所述混合型SPWM调制技术包括计算控制单元、表控制单元、SPWM执行单元，所述计算控制单元采用查表法SPWM的模式，所述表控制单元采用计算法SPWM的模式，两种算法通过指针切换实现，所述SPWM执行单元负责按照从表控制单元获取的数据输出SPWM信号。

将所输出的SPWM信号通过IGBT驱动板实现对IGBT的驱动。在此过程中，保证了四路SPWM信号的相位关系。同一半桥的上下桥臂相位相反，相差180度，并包含死区。不同半桥之间，正弦波相位相差180度。

将此SPWM信号输出到拓扑结构电路，用于实现产生正弦电流。

分区感应电源控制单元2对此正弦电流进行采集，之后通过分段式步进控制调节电流。分段式步进控制将误差分为七个等级({NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}＝{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大})。在NB和PB级采用***所允许的最大di/dt调节电流值变化，使得***迅速而安全的逼近设定值。在NM和PM级，以中等的di/dt调节电流值变化，一方面缓冲NB和PB级的电流上升惯性，一方面为进入NS和PS级别做准备。在NS和PS级，***基本达到稳定，***以极小的di/dt调节电流值变化，实现消除误差，保证***稳定性的特点。

具体地，建立知识库，所述主区感应炉控制单元1根据不同材料类型从知识库中查询和调用相关分区的控制参数。从而在不同材料长度、材料材质情况下，满足不同的温度梯度要求、加热时间要求、加热效率要求。

所述加热线圈3在工作过程中电流保持高度同向，同向误差最大不超过1/6毫秒。

所述加热线圈3缠绕于炉体4，每个分区的加热线圈3相对炉体4的缠绕方向一致。

具体地，在电流调节过程中，***对于电流稳定性进行实时监控，一旦检测出大电流立刻进行保护。

进一步地，分区感应电源控制单元2具有相位初始化功能，由主区感应炉控制单元1向各个分区同步的输出初始化信号，当分区接受到此初始化信号时，分区自动对SPWM波形的数组指针复位，一路复位为0，一路复位为周期的一半(两个半桥相差180度，)。主区感应炉控制单元1通过对此信号进行控制，实现对每个分区感应电源控制单元2的控制。

具体地，主区感应炉控制单元1采用同一个信号作为上述初始化信号，则分区感应电源控制单元2同步进行相位初始化，从而实时的保证了相位的同步，进而保证了磁场的同向性。

进一步地，一个大功率感应加热炉由上述多个分区加热炉组成，由一个主区感应炉控制单元1对多个分区感应电源控制单元2进行控制。可以根据长度改变启动的分区感应电源控制单元2的数量，根据材料电感特性改变加热频率，可以改变各个分区感应电源控制单元2的电流设定，从而实现梯度加热。主区感应炉控制单元1通过对各个分区电流幅值、电流相位、电流频率的控制，实现了根据不同材料长度、材料材质、温度梯度、加热时间、加热效率等要求输出不同的电流参数，从而满足各种复杂的应用需求。

实施例

如图1所示，一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉，主要由如下部分组成：主区感应炉控制单元1、分区感应电源控制单元2、感应加热线圈3、炉体4。主区感应炉控制单元1通过通讯总线对分区感应电源控制单元2下达各种指令，各个分区感应电源控制单元2对加热线圈3输出电流实现对炉体4中所放材料进行加热。

如图2所示，分区感应电源控制单元2主要由采集板、主控板、驱动板组成。主控板主要负责以下功能：1、接收主区感应炉控制单元的控制指令，并按要求生成SPWM信号，经波形处理电路后输出IGBT驱动信号。2、接收采集板输出的感应线圈电流幅值与相位信息参与控制计算。3、接收驱动板故障信息并及时处理和上报。采集板主要负责以下功能：1、采集以及处理炉子线圈上的电流幅值和相位信息，并输出到主控板。2、根据不同工况设定最大电流幅值阈值，并检测和上报电流幅值是否满足设定阈值。驱动板主要负责以下功能：1、接收主控板输出的IGBT驱动的信号，处理后驱动IGBT。2、监测IGBT集电极与发射极电压、IGBT导通电流和IGBT温度，并具有自动保护功能。

如图3所示，分区感应电源控制单元2接受到主区感应炉控制单元1所发送来的电流相位参数、电流幅值参数、电流频率参数。电流幅值参数进入分段式步进算法控制模块，根据目标值和设定值，以及***所允许的di/dt，计算出调制度大小。电流频率参数进入混合型SPWM调制模块参与判断，由***判定是否变频，判定变频则刷新表中数据(更新为新频率下的数据)，否则不刷新表中数据。电流相位参数直接参与相位控制，直接将电压相位初始化为0。因此,为了尽可能使得在每次电流相位初始化的位置接近零点，从而尽可能减少本次电流相位初始化的冲击。外部相位初始化信号应当保持同步，并且周期为电流周期的整数倍，时间不宜太短。

如图4所示，操作者通过PC机选择材料型号，之后组态***通过查询知识库获取此材料型号所对应的各项参数，主区感应炉控制单元1根据相关参数，对分区感应电源控制单元2下达各种指令。

图5所示为混合型SPWM结构组成，当频率不发生变化时，计算控制单元和表控制单元不进行工作，各个分区SPWM执行单元根据SPWM运行表进行查表进行运行。当频率发生变化时，由计算控制单元、表控制单元先根据新的电流频率参数计算出新的表，并将其放到SPWM中间表缓存，然后以各个分区以SPWM中间表作为运行表，实现变频。最后由表控制单元将旧SPWM中间表重新定义为新的SPWM运行表，将旧SPWM运行表重新定义为新的SPWM中间表，实现表的功能切换。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉，其特征在于：包括主区感应炉控制单元（1）、分区感应电源控制单元（2）、加热线圈（3）、炉体（4）；所述主区感应炉控制单元（1）通过通讯总线与多个分区感应电源控制单元（2）相连，所述加热线圈（3）布置在炉体（4）中，加热线圈（3）与分区感应电源控制单元（2）通过电缆连接，加热线圈（3）的数量与分区感应电源控制单元（2）相同；所述主区感应炉控制单元（1）通过通讯总线对分区感应电源控制单元（2）下达指令，各个分区感应电源控制单元（2）对加热线圈（3）输出电流实现对炉体（4）中所放材料进行加热；

所述分区感应电源控制单元（2）采用混合型SPWM调制技术和分段式步进控制，实现分区电流幅值、电流相位、电流频率的控制；所述主区感应炉控制单元（1）根据不同材料长度、材料材质、温度梯度要求、加热时间要求、加热效率要求输出不同的电流参数到分区感应电源控制单元（2），选择启动的分区、各个分区的频率和功率，完成对整个加热炉的操作，从而满足不同材料的加热需求；

所述混合型SPWM调制技术是将查表法与计算法相结合，在执行过程中采用查表法的形式，在频率改变时采用计算法更新表中所储存的数据，从而实现频率变化；

所述混合型SPWM调制技术包括计算控制单元、表控制单元、SPWM执行单元，所述计算控制单元采用查表法SPWM的模式，所述表控制单元采用计算法SPWM的模式，两种算法通过指针切换实现，所述SPWM执行单元负责按照从表控制单元获取的数据输出SPWM信号。

2.根据权利要求1所述的一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉，其特征在于：将所输出的SPWM信号通过IGBT驱动板实现对IGBT的驱动。

3.根据权利要求2所述的一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉，其特征在于：将此SPWM信号输出到拓扑结构电路，用于实现产生正弦电流。

4.根据权利要求1所述的一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉，其特征在于：建立知识库，所述主区感应炉控制单元（1）根据不同材料类型从知识库中查询和调用相关分区的控制参数。

5.根据权利要求1所述的一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉，其特征在于：所述分区感应电源控制单元（2）在电流闭环控制上采用分段式步进控制策略，将误差分为七个等级{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}为{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}；在NB和PB级采用***所允许的最大di/dt调节电流值变化，在NM和PM级，以中等的di/dt调节电流值变化，在NS和PS级，***基本达到稳定，***以极小的di/dt调节电流值变化。

6.根据权利要求1所述的一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉，其特征在于：所述加热线圈（3）在工作过程中电流保持高度同向，同向误差最大不超过1/6毫秒。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种应用混合型SPWM调制技术的可分离式感应加热炉，其特征在于：所述加热线圈（3）缠绕于炉体（4），每个分区的加热线圈（3）相对炉体（4）的缠绕方向一致。

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