楊兆忠

(中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001)

隨著風(fēng)電機組[1]功率等級的不斷提高，主軸承直徑也不斷增加。由于主軸與主軸承之間采用過盈配合，裝配過程中需要對主軸承進行加熱，而主軸承的內(nèi)圈、滾子及外圈緊密配合，在加熱過程中需要控制好游隙[2]，避免滾子受擠壓。加熱過程中除了控制內(nèi)外圈各自的加熱溫度外，還要控制內(nèi)外圈的溫差。

為解決上述問題，研制了一種專用線圈諧振加熱設(shè)備，從感應(yīng)加熱原理、系統(tǒng)構(gòu)成、運行試驗結(jié)果等方面對其進行了闡述。

1 感應(yīng)加熱方式及其工作原理

1.1 感應(yīng)加熱方式

目前，風(fēng)電行業(yè)常用的加熱方法有電阻爐加熱和感應(yīng)加熱(變壓器結(jié)構(gòu)式軛鐵穿過軸承的加熱方式[3]與采用專用線圈的諧振加熱方式[4])。電阻爐加熱耗電量大，加熱速度慢；軛鐵穿過軸承的加熱方式具有適應(yīng)性強的優(yōu)點，適用于多尺寸的軸承，但缺點是軛鐵與軸承內(nèi)外圈距離大，用于大型軸承加熱時速度太慢，且在環(huán)境溫度低的工況下無法滿足加熱要求。

另外，為控制游隙，軸承內(nèi)外圈需要同時加熱且將內(nèi)外圈溫差控制在一定的范圍。例如240/900軸承[5]，要求內(nèi)、外圈的加熱目標溫度分別為90，110 ℃，且加熱過程中內(nèi)外圈溫差不超過20 ℃。若采用軛鐵穿過軸承的加熱方式，內(nèi)外圈溫差很容易超過20 ℃，溫差過大時需停止加熱，待溫差降低后重新啟動加熱，單套軸承的加熱周期需3 h。

線圈諧振加熱方式能有效控制軸承加熱時內(nèi)外圈的溫差，縮短軸承加熱時間，在保證質(zhì)量的前提下提升生產(chǎn)效率，因此采用該方式進行軸承加熱設(shè)備的開發(fā)。

1.2 線圈諧振加熱原理

線圈諧振加熱遵循的原理是電磁感應(yīng)、集膚效應(yīng)和熱傳導(dǎo)，其工作原理為：在被加熱的金屬工件外繞一組感應(yīng)線圈，線圈流過交流電流時會產(chǎn)生相同頻率的交變磁通，交變磁通在金屬工件上感應(yīng)出電勢從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在金屬工件中形成短路，工件通過一定的電阻產(chǎn)生熱量，從而實現(xiàn)加熱。

2 感應(yīng)加熱設(shè)備的開發(fā)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

為控制加熱過程內(nèi)外圈的溫差，提高加熱效率，加熱設(shè)備采用一拖二的加熱電源方案，即一臺主機同時輸出2路電源，2路電源之間需要互相通信以了解對方的工作狀態(tài)及被加熱對象的溫度，計算溫差是否在設(shè)定范圍內(nèi)。在風(fēng)電機組主軸的裝配過程中，不僅要加熱軸承，軸承座及軸套也需要加熱，因此，在電源功率計算時按最大工件考慮[6]。

如圖1所示，軸承感應(yīng)加熱系統(tǒng)由工控機、控制單元、功率單元、諧振單元、隔離單元、加熱器、溫度采集系統(tǒng)、控制軟件等組成。

圖1 軸承感應(yīng)加熱系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of induction heating system of bearing

2.2 控制單元

如圖2所示，控制單元為整個電源的硬件控制部分，由處理器芯片管理輸入輸出信號，能夠與上位機進行實時通信，接收電壓、電流、溫度等信號后交由軟件進行運算處理，控制IGBT開關(guān)動作實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)與保護?？刂茊卧迳习惭b有各種信息狀態(tài)指示燈，調(diào)試人員可通過狀態(tài)指示燈判斷系統(tǒng)的基本運行情況。

圖2 控制單元Fig.2 Control unit

2.3 功率單元

如圖3所示，功率單元是電源的主電路部分[7]，主要集成了整流電路、IGBT逆變電路、驅(qū)動板、電壓傳感器、電流傳感器。

圖3 功率單元主電路圖Fig.3 Main circuit diagram of power unit

整流電路的主要功能是將電網(wǎng)的交流電壓轉(zhuǎn)換成脈動的直流電壓，再通過電容濾波為平滑的直流電壓。IGBT逆變電路的主要功能是將直流電壓逆變?yōu)榧訜崴桀l率的交流電壓。驅(qū)動板負責(zé)將主控制板的脈沖轉(zhuǎn)換成IGBT的驅(qū)動信號，并具有短路、上下管互鎖等保護功能。傳感器負責(zé)采集電壓、電流信號并送入主控制器，用于電流、電壓控制的參考，也可為過流、過壓保護提供信號。

2.4 諧振單元

諧振單元(圖4)主要包括諧振電容與諧振電感，當(dāng)諧振電容放電時諧振電感有一個逆向的反沖電流，諧振電感充電；當(dāng)諧振電感的電壓達到最大時諧振電容放電完畢，之后諧振電感開始放電，諧振電容開始充電；在此過程中諧振電感由于不斷的充放電而產(chǎn)生電磁波。諧振電感即感應(yīng)加熱線圈，其具有等效電感與等效電阻，當(dāng)?shù)刃щ姼袝r即發(fā)生諧振。

2.5 隔離單元

隔離變壓器(圖4)的主要作用是阻抗匹配與安全隔離，軸承加熱器等效電阻較小，如果將逆變電壓直接接入到兩端，電流就會超過IGBT正常工作電流，因此需要通過變壓器將電壓降低。

圖4 諧振回路等效電路Fig.4 Equivalent circuit of resonant circuit

2.6 加熱器及溫度采集和控制

如圖5所示，加熱器主要由導(dǎo)線、結(jié)構(gòu)骨架、連接器等構(gòu)成，通過加熱線圈的交變電流轉(zhuǎn)換為交變磁通，磁通在穿過被加熱的金屬體時產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流在流過金屬體時會產(chǎn)生熱量，從而對工件進行加熱。

圖5 軸承加熱器Fig.5 Heater of bearing

加熱過程中，需要控制軸承內(nèi)外圈的溫差，確定內(nèi)圈多個點位的溫度以防止局部過熱。因此，采用多路溫度采集，分別在端面、圓弧面上布置磁吸式熱電偶探頭。溫度信號采集后送入工控機及主控制板，通過與軟件預(yù)設(shè)數(shù)值的對比確定電源輸出功率并提供保護，溫度保護邏輯如圖6所示。

圖6 溫度保護邏輯圖Fig.6 Temperature protection logic diagram

加熱系統(tǒng)采用常規(guī)的PID控制算法，溫度控制屬于滯后控制系統(tǒng)，可采用工業(yè)控制中常用的滯后控制參數(shù)整定模型，系統(tǒng)控制框圖如圖7所示。為合理處理系統(tǒng)響應(yīng)速度(即加熱速度)與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系，將溫度控制分為如圖8所示的2個階段。

圖7 電磁感應(yīng)加熱溫度控制框圖Fig.7 Temperature control block diagram of electromagnetic induction heating

圖8 溫度控制動態(tài)響應(yīng)過程Fig.8 Dynamic response process of temperature control

3 試驗分析

結(jié)合風(fēng)電機組主軸承的參數(shù)進行膨脹量計算，確定軸承內(nèi)外圈的加熱溫度和溫差。加熱前在工控機顯示屏上設(shè)置內(nèi)外圈的目標溫度(圖9)。通過設(shè)置內(nèi)外圈2組電源的功率百分比控制內(nèi)外圈的加熱速度，使外圈升溫速度更快，避免因內(nèi)圈加熱過快而使?jié)L子受到擠壓。

圖9 電源參數(shù)設(shè)置Fig.9 Parameter setting of power supply

根據(jù)軸承型號及其參數(shù)設(shè)置控制算法與保護策略，如某些不確定因素導(dǎo)致內(nèi)外圈溫度過高時電源停止加熱。達到設(shè)定目標溫度時，電源控制系統(tǒng)就會進入保溫控制，通過PID恒溫控制算法使實際加熱溫度始終保持在目標溫度(圖10)。

圖10 240/900 軸承加熱溫度曲線圖Fig.10 Heating temperature curve of 240/900 bearing

對240/900軸承進行加熱試驗，軸承內(nèi)外圈上各設(shè)置3個溫感探頭，監(jiān)測加熱過程中內(nèi)外圈的溫度變化，記錄的溫度數(shù)據(jù)見表1。該設(shè)備能同時對內(nèi)外圈進行加熱，溫度控制精確，軸承加熱僅需15 min，效率提升明顯，而且加熱過程中沒有出現(xiàn)擠壓滾子的情況。

表1 240/900軸承加熱過程中的溫度數(shù)據(jù)Tab.1 Temperature data during heating process of 240/900 bearing ℃

4 結(jié)束語

研制了一種專用線圈諧振加熱設(shè)備，通過人機界面設(shè)置加熱過程與目標參數(shù)后，啟動電源可自動運行對軸承進行加熱。屏幕上能夠顯示溫度曲線及功率、頻率、電流、加熱時間、保溫時間等數(shù)據(jù)。若出現(xiàn)溫度過高，溫差過大等問題能夠及時停止加熱并報警，避免出現(xiàn)軸承損壞的情況。采用一拖二的智能化IGBT數(shù)字感應(yīng)加熱電源，能夠同時對內(nèi)外圈進行加熱，可大大提高加熱效率；采用PID恒溫控制算法則能夠保證加熱目標溫度的精度，從而提高軸承裝配精度，降低因軸承裝配工藝給整機帶來的可靠性與壽命問題。