海管防腐涂層感應(yīng)加熱系統(tǒng)設(shè)計與分析

梁 杰，曹彥彬，謝自強(qiáng)，葛為民

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

海管防腐涂層感應(yīng)加熱系統(tǒng)設(shè)計與分析

梁 杰1，曹彥彬2，謝自強(qiáng)2，葛為民2

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

0 引言

感應(yīng)加熱技術(shù)是利用電渦流的熱效應(yīng)對金屬工件表面進(jìn)行加熱[1]。感應(yīng)加熱技術(shù)因具有諸多優(yōu)點(diǎn)[2]廣泛應(yīng)用于表面淬火、煅燒、熔煉等方面[3]，而應(yīng)用于管道加熱的較少。已有的用于管道加熱的系統(tǒng)主要是采用固定頻率加工單一管徑的管道，實(shí)際用途很受限制。傳統(tǒng)中頻加熱電源多是采用并聯(lián)諧振逆變式，雖然易于制造和控制，但會使電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)下降，波形畸變，對電網(wǎng)污染大[4]。隨著IGBT這類大功率全控開關(guān)元件的出現(xiàn)以IGBT為主體的串聯(lián)式諧振逆變電路優(yōu)點(diǎn)突出。本文依托于中國海洋石油工程有限公司合作項目的資助，用于海上鋪設(shè)油管焊接節(jié)點(diǎn)防腐施工中海管表面預(yù)熱和涂層加熱。通過對中頻加熱原理分析，采用串聯(lián)逆變諧振電路，以IGBT作為驅(qū)動元件，詳細(xì)分析各個功能模塊，設(shè)計一套新型高效的小型加熱系統(tǒng)，并且擬定了兩組對比實(shí)驗(yàn)以探討加熱頻率和工件直徑對加熱效率的影響，用于項目交付使用前的各項實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

中頻感應(yīng)加熱工作原理是將中頻逆變電源產(chǎn)生的中頻交流電轉(zhuǎn)換成交變的磁場，由交變的磁場在工件中產(chǎn)生渦流而達(dá)到使工件自身發(fā)熱的目的。這種加熱方式的特點(diǎn)是將工件直接加熱[5]。中頻加熱系統(tǒng)主要由中頻逆變電源模塊，感應(yīng)加熱線圈，冷卻系統(tǒng)和輔助控制電路模塊組成，其系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

電源模塊是整個逆變電路提供能量的來源[6]，其核心是整流濾波電路，作用是將電網(wǎng)中的工頻電壓轉(zhuǎn)換成較為平滑的直流電壓。中頻逆變電源模塊是整個中頻加熱系統(tǒng)的核心，感應(yīng)加熱電源的根本目的是通過在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生一定頻率的交流磁通，變化的磁通把功率傳輸?shù)截?fù)載上[7]。該部分的功能是將直流電壓逆變?yōu)?0kHz～50kHz大電流的中頻交流電壓。中頻逆變電源由激勵信號發(fā)生電路、死區(qū)時間發(fā)生器、相位鎖定電路、信號隔離驅(qū)動電路、大功率逆變電路和諧振電路組成?？刂齐娐吠ㄟ^采集溫度傳感器的溫度從而顯示出來，以達(dá)到反饋控制的目的，是人與機(jī)器溝通的橋梁?？刂破鬟x擇的是通用性很強(qiáng)的ATMEL mega328微控制器，其核心是一個8位的AVR處理器，其一般工作頻率為16MHz最高工作頻率為20MHz工作電壓范圍1.8V～3.3V。在系統(tǒng)工作過程中，電流的熱效應(yīng)是難以避免的，散熱設(shè)計是通過采用合理的熱傳遞方法將元器件的溫度控制到安全的溫度范圍內(nèi)[8]。散熱系統(tǒng)將電路中產(chǎn)生的熱量排出，避免系統(tǒng)元件過熱對系統(tǒng)造成危害。

本設(shè)計通過高壓整流電路和低壓整流電路對整個系統(tǒng)提供電力。由信號發(fā)生電路發(fā)出激勵信號，經(jīng)過隔離驅(qū)動電路進(jìn)行隔離和放大后推動主逆變電路中的開關(guān)電力元件，最終由諧振電路完成逆變并加熱工件。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 激勵信號發(fā)生電路設(shè)計

本設(shè)計激勵信號發(fā)生電路采用PLL鎖相環(huán)集成電路型號為HEF4046，由此產(chǎn)生激勵信號并進(jìn)行放大以推動IGBT。該集成電路有以下優(yōu)點(diǎn)：工作電壓范圍很寬（3V～18V）、輸入阻抗極高（約為100MΩ）、動態(tài)功耗?。▋H為0.6mW）。

圖2 激勵信號發(fā)生電路原理圖

2.2 死區(qū)時間發(fā)生模塊電路設(shè)計

死區(qū)時間是整個逆變電源最重要的保護(hù)電路，因此此部分電路既要有很高的反應(yīng)速度也要有極高的穩(wěn)定性。選擇以德州儀器公司生產(chǎn)的CD4001BE為核心的集成電路，結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)時間短，故障率低，并且輸出信號的電平高，降低了后級驅(qū)動信號放大電路的放大倍數(shù)從而降低失真。

圖3 死區(qū)時間發(fā)生模塊原理圖

2.3 信號隔離驅(qū)動電路設(shè)計

信號隔離驅(qū)動電路是信號從發(fā)生電路到執(zhí)行電路的橋梁。由于集成電路所產(chǎn)生的信號為高電平，低電流的信號，為了使執(zhí)行電路能夠有效的工作，必須要使信號具有足夠的推動電流。另外，為了避免主逆變電路的動作對前面的信號產(chǎn)生串?dāng)_，還需要對推動信號進(jìn)行隔離。本設(shè)計選擇使用兩級三極管并以半橋的連接形式來對信號進(jìn)行擴(kuò)流。第一級放大是由一對PNP和NPN三極管。第二級放大采用仙童半導(dǎo)體生產(chǎn)的TIP41C和TIP42C對管進(jìn)行擴(kuò)流以保證其后電路有充足的電流，避免信號失真。

圖4 第一級擴(kuò)流（左）和第二級擴(kuò)流原理圖（右）

圖5 隔離電路原理圖

2.4 逆變電路設(shè)計

逆變電路采用全橋式逆變，電力控制元件采用大功率IGBT，型號為DM2G75SH12A。其額定電壓為1200V，電流為75A，滿足設(shè)計需求。

圖6 全橋逆變電路圖

2.5 諧振電路設(shè)計

諧振電路采用變壓器推動，電路形式為LC串聯(lián)式諧振。推動變壓器采用鐵氧體磁芯，保證在高頻下可以正常工作并且不發(fā)生磁飽和。串聯(lián)諧振電路有利于提高電路頻率并增加諧振穩(wěn)定性，主電路整體結(jié)構(gòu)簡單可靠[9]。

圖7 諧振電路原理圖

2.6 外圍電路設(shè)計

外圍電路包括高壓整流電路、低壓整流電路、溫度保護(hù)電路和散熱系統(tǒng)供電電路。整流電路的作用是將交流電經(jīng)過整流濾波變?yōu)槊}動的直流電，再經(jīng)過濾波電容將脈動的直流電變?yōu)檩^為平滑的直流電。該電路另一個功能是避免設(shè)備自身產(chǎn)生的高次諧波返回電網(wǎng)，影響其他用電器。本設(shè)計選擇使用全橋式整流電路。濾波部分采用2級電容濾波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電源狀態(tài)良好，符合設(shè)計要求。低壓整流電路的作用與高壓整流電路的不同之處在于此部分電路是為信號發(fā)生模塊、控制系統(tǒng)和傳感器提供電能，因此還需要穩(wěn)壓電路。溫度保護(hù)電路的目的是防止IGBT等大功率元器件由于散熱不良或者自身故障導(dǎo)致溫度過高而損壞。其實(shí)際作用是在溫度過高時向控制系統(tǒng)發(fā)出信號，使控制系統(tǒng)發(fā)出命令強(qiáng)行切斷主逆變電路電源，以確保安全。散熱系統(tǒng)供電電路的作用是為系統(tǒng)內(nèi)所有的散熱風(fēng)扇和水泵提供電力。

圖8 高壓整流電路原理圖

圖9 低壓整流電路原理圖

2.7 溫度采集電路設(shè)計

此模塊主要功能是將溫度信息顯示出來，便于了解當(dāng)前加熱狀態(tài)。為了避免溫度和周圍強(qiáng)磁場的干擾，最終選定了非接觸式GY-906型紅外傳感器模塊。該溫度傳感器模塊的核心是MLX90614傳感器，該傳感器共有4個引腳，供電電壓為3.3V，通訊采用SPI串行通訊。顯示設(shè)備選用的是常用的1602型LCD液晶屏。

控制核心選擇的是搭載ATMEL mega328微處理器的開發(fā)板Arduino Nano。通過對溫度傳感器所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，而后將處理結(jié)果顯示在液晶屏上。

3 加熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)對比和分析

3.1 中頻加熱系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)擬定與理論分析

根據(jù)本文所設(shè)計的感應(yīng)加熱系統(tǒng)，本設(shè)計擬定了三次實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行兩組對比，并作了理論分析和計算。實(shí)驗(yàn)依據(jù)單一變量原則，探究加熱效率與工件直徑和加熱頻率之間的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)與理論計算的結(jié)果進(jìn)行對比并分析誤差原因，以得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

首先分析工件直徑對加熱效率的影響。若感應(yīng)線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻，渦流電阻和導(dǎo)磁率恒定，不同口徑下的磁通量變化情況可簡化成關(guān)于半徑的二次方的比例關(guān)系；考慮漏磁以及材料導(dǎo)磁率的影響，實(shí)際磁通量分布要遠(yuǎn)比理想情況復(fù)雜；進(jìn)一步考慮中頻加熱中存在的圓環(huán)效應(yīng)，即交流電通過圓環(huán)形線圈時，最大的電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)，線圈和工件內(nèi)的電流隨著靠近線圈的距離而增大，更加造成感應(yīng)器內(nèi)磁場分布不均勻。因此可以得出結(jié)論：加熱設(shè)備內(nèi)徑與被加熱對象外徑之比在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)且其他條件相同時，被加熱容器口徑越大其加熱效率越高。

然后分析加熱頻率對加熱效率的影響。設(shè)其他條件不變，線圈內(nèi)部的磁通量MΦ表示為：

其中，B為感應(yīng)線圈內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度；r為感應(yīng)線圈的繞線半徑。

利用楞次定律計算被加熱工件表面渦流：

其中：f為電源頻率，Rw為被加熱工件的渦流電阻。設(shè)Rw為一個定值，令渦流常數(shù)為：

式(2)可改寫為：

由此可得：

磁感應(yīng)強(qiáng)度B與電源輸入功率P0之間有：

代入式(4)則有：

綜上可得知，產(chǎn)生的熱量QW與f2成正比。即在一定范圍內(nèi)，增大加熱頻率，在同等時間內(nèi)，加熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量增加，加熱效率提高。

3.2 激勵頻率對加熱系統(tǒng)加熱效率的影響實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)一：使用某材質(zhì)為馬口鐵的容器，將其中加入一定量的水。調(diào)整激勵頻率為系統(tǒng)的諧振頻率，周期為17μ s，記錄將容器中的水加熱至沸騰過程中每分鐘水的溫度。詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)一參數(shù)設(shè)定

記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)二：相對于實(shí)驗(yàn)一，將主逆變電路的激勵頻率周期改為15μ s，保持其他條件均不變?？梢园l(fā)現(xiàn)電流相對于實(shí)驗(yàn)一明顯較小。詳細(xì)參數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)二參數(shù)設(shè)定

記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

將實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二表中數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)折線圖如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二加熱效率對比

在此情況下，實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備中存在漏磁等影響工作效率的因素。電源輸出功率的改變和死區(qū)時間導(dǎo)致的占空比變化是帶來實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)期推理之間偏差的主要原因。實(shí)驗(yàn)表明：實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合，增大系統(tǒng)加熱頻率，在同等時間下，水溫上升速度加快，加熱效率提高。

3.3 工件直徑對加熱系統(tǒng)加熱效率的影響實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)三：相對于實(shí)驗(yàn)一，將工件的直徑由52.58mm改為66mm，保持其他條件均不變?？梢园l(fā)現(xiàn)電流相對于實(shí)驗(yàn)一明顯較小。詳細(xì)參數(shù)如表5所示。

表5 實(shí)驗(yàn)三參數(shù)設(shè)定

記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

將實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)二表中數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)折線圖如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)一與實(shí)驗(yàn)三加熱效率對比

實(shí)驗(yàn)三在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上考慮到漏磁的影響因素，只做了改用增大口徑后的金屬容器的修改，加熱水的總量、加熱頻率等其他試驗(yàn)條件不變。對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出口徑增大對加熱效率的影響，其變化趨勢符合在理論計算中的討論結(jié)果，即在合理的范圍內(nèi)，增大被加熱物件的口徑大小將減少漏磁現(xiàn)象，提高加熱效率。

4 結(jié)論

本文采用全橋式逆變電路，以大功率開關(guān)器件IGBT為驅(qū)動元件設(shè)計了一套完整的中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)，對各個功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)分析和設(shè)計。通過理論推算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：在一定條件下，加熱效率隨著加熱頻率的增大而提高，隨著工件直徑的增大而提高，此結(jié)論可為以后中頻加熱系統(tǒng)的研究提供很好的參考依據(jù)。實(shí)際設(shè)備中的漏磁等現(xiàn)象是帶來實(shí)驗(yàn)誤差和影響加熱效率的主要原因?？傊?，本次設(shè)計很好的完成了預(yù)定目的，為后續(xù)完成項目打好了基礎(chǔ)。不過在電源控制的智能化與頻率跟蹤等方面還可以進(jìn)一步研究。

[1]謝鵬飛.基于DSP和FPGA的中頻感應(yīng)加熱電源的研究[D].北京工業(yè)大學(xué),2014.

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[3]楊曉靜.數(shù)字化中頻感應(yīng)加熱電源關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安建筑科技大學(xué),2012.

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Design and analysis of the induction heating system based on the sea pipe anti-corrosion coating

LIANG Jie1, CAO Yan-bin2, XIE Zi-qiang2, GE Wei-min2

通過對傳統(tǒng)中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)的分析，結(jié)合大功率電力控制原件（IGBT）設(shè)計了一套中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)，并對該感應(yīng)加熱器的控制系統(tǒng)、測溫設(shè)備、顯示設(shè)備及散熱系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式針對中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)擬定了兩組對比實(shí)驗(yàn)，以探究加熱頻率和工件直徑對加熱效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析所得出的結(jié)論基本相符。系統(tǒng)能夠滿足不同海管管徑219.1mm～406.4mm范圍，還可以達(dá)到升溫到150℃的溫度均勻性，能夠在海上鹽霧和潮濕度非常高的特殊施工環(huán)境下高效穩(wěn)定運(yùn)行。

中頻感應(yīng)加熱；IGBT逆變電源；控制系統(tǒng)

梁杰（1985 -），男，河北人，工程師，碩士，研究方向?yàn)椴牧霞庸ぁ?/p>

TP23

A

1009-0134(2015)12(上)-0144-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.42

2015-10-12