普傳科技PI7800MF系列中頻感應(yīng)加熱電源的應(yīng)用

0 引言

普傳科技股份有限公司根據(jù)冶金和石油行業(yè)的特殊性，基于公司產(chǎn)品研發(fā)戰(zhàn)略，在成功開發(fā)冶金行業(yè)電磁攪拌器專用電源基礎(chǔ)上，開發(fā)生產(chǎn)了新一代數(shù)字化控制高性能特殊電源———PI7800MF中頻感應(yīng)加熱電源。主要應(yīng)用領(lǐng)域有金屬熔煉、透熱、釬焊、晶體生長(zhǎng)、稀有金屬加工及石油工業(yè)的感應(yīng)電加熱采油(稠油井的空心抽油桿電加熱)、石油集輸管道的感應(yīng)加熱等。和其它類型的中頻電源相比，PI7800MF在結(jié)構(gòu)、性能及可靠性方面，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，控制電路采用高性能專用DSP 及大規(guī)模數(shù)字專用集成電路，以大功率IGBT為逆變器件，整流控制、逆變控制、功率調(diào)節(jié)、操作接口、保護(hù)等部分均集成在一塊控制板上，調(diào)試、維護(hù)方便，可靠性高，節(jié)能效果好。

本專用電源對(duì)電網(wǎng)沒有污染。與同類產(chǎn)品相比，提高了電源的可靠性，減少了因停機(jī)造成的生產(chǎn)損失。

1 感應(yīng)加熱原理及應(yīng)用

1.1 集膚效應(yīng)

當(dāng)交流電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，處在交變磁場(chǎng)中的整塊導(dǎo)體的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于這種感應(yīng)電流在整塊導(dǎo)體內(nèi)部自成閉合回路，形似水的旋渦，所以稱作渦流。

在直流電路內(nèi)，均勻?qū)Ь€的橫截面上的電流密度是均勻的，而當(dāng)交流電通過(guò)導(dǎo)線時(shí)，由于交變磁場(chǎng)的作用，在導(dǎo)線截面上各處電流分布不均勻，中心處電流密度小，而越靠近表面電流密度越大，這種電流分布不均勻的現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)(也稱趨膚效應(yīng))。交流電的頻率越高，則集膚深度越深，同時(shí)其交流阻抗也變大，因此在相同數(shù)值的電流作用下，負(fù)載所獲得的能量也越高，而電流及線路損耗相應(yīng)地也會(huì)變小，從而提高了加熱效率，同時(shí)還可起到節(jié)約電能的目的。變頻加熱電源正是基于這一原理，利用變頻技術(shù)，可將運(yùn)行頻率提高到工頻的數(shù)倍，加熱效果也隨之明顯提高。

1.2 感應(yīng)加熱

1831 年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律，1868 年福考特提出渦流理論，1840 年焦耳-楞茨確定了電阻發(fā)熱的關(guān)系式Q=I2Rt，這些構(gòu)成了感應(yīng)加熱的理論基礎(chǔ)。

感應(yīng)加熱早期主要用于有色金屬熔煉和熱處理工藝。常用于表面淬火、局部退火或回火，有時(shí)也用于整體淬火和回火。將工件放入感應(yīng)器(線圈)內(nèi)，當(dāng)感應(yīng)器中通入一定頻率的交變電流時(shí)，周圍即產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)的電磁感應(yīng)作用使工件內(nèi)產(chǎn)生封閉的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在工件截面上的分布很不均勻，工件表層電流密度很高，向內(nèi)逐漸減小，工件表層高密度電流的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使表層的溫度升高，即?shí)現(xiàn)表面加熱。電流頻率越高，工件表層與內(nèi)部的電流密度差則越大，加熱層越薄。在加熱層溫度超過(guò)鋼的臨界點(diǎn)溫度后迅速冷卻，即可實(shí)現(xiàn)表面淬火。

相對(duì)于別的加熱方式，感應(yīng)加熱具有以下獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

1)加熱速度快，可節(jié)能。感應(yīng)加熱是從金屬內(nèi)部透入深度層開始加熱，這樣大大節(jié)省了熱傳導(dǎo)時(shí)間。

2)加熱溫度高，是非接觸式的電磁感應(yīng)加熱。

3)可進(jìn)行局部加熱，容易控制加熱部位。被加熱產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，加熱工件的質(zhì)量再現(xiàn)性與重復(fù)性好，各種參數(shù)容易控制。

4)控制溫度的精度高，可保證溫差在依0.5%耀1%范圍內(nèi)。

5)感應(yīng)加熱的熱效率高，一般可達(dá)50%耀70%，而火焰爐的熱效率一般只有30%左右。

6)可控性好，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;

7)作業(yè)環(huán)境好，環(huán)保，幾乎無(wú)熱、噪聲、粉塵等污染。

感應(yīng)加熱現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于冶金(金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等)、機(jī)械制造(黑色和有色金屬的鑄造和精密制造金屬的熔煉;機(jī)器零件的淬火，特別是表面淬火以及淬火后的回火、退火等熱處理的加熱等)、輕工、石油化工(化學(xué)反應(yīng)釜等容器的加熱;輸油管道縫焊接，現(xiàn)場(chǎng)退火;輸油管路的加熱和保溫;鉆鋌、鉆桿的熱處理)、電子、金屬材料等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，成為冶金、國(guó)防、機(jī)械加工、石化等部門及鑄、鍛和船舶、飛機(jī)、汽車制造業(yè)等不可缺少的技術(shù)手段。

圓電源基本框圖及原理

根據(jù)交變電流頻率的高低，將電源分為超高頻、高頻、超音頻、中頻、工頻。中頻加熱電源(50 Hz 或60 Hz 以上至10 kHz)主電路為ACDC-AC變頻結(jié)構(gòu)，由整流電路、濾波、逆變電路和保護(hù)電路組成，基本構(gòu)成如圖1 所示。其工作原理是將三相50 Hz 工頻交流電經(jīng)過(guò)三相全控整流橋整流成電壓可調(diào)的脈動(dòng)直流，再通過(guò)電容將脈動(dòng)的直流電濾波變成光滑平穩(wěn)的直流電送到單相逆變橋，最后通過(guò)逆變橋?qū)⒅绷麟娮兂蓡蜗囝l率可調(diào)的中頻交流電供給負(fù)載。采用三相全控橋式整流電路輸出電壓調(diào)節(jié)范圍大，而移相控制角的變化范圍小，有利于系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，輸出電壓的脈動(dòng)頻率較高，可以減輕直流濾波環(huán)節(jié)的負(fù)擔(dān)。

逆變電路是電源的核心部分，由全控器件IGBT 構(gòu)成的串聯(lián)諧振式逆變器，通過(guò)鎖相環(huán)控制工作頻率，自動(dòng)跟蹤負(fù)載固有頻率及其它參數(shù)的變化，保持IGBT工作在零電壓開關(guān)狀態(tài)，損耗小，安全區(qū)大。 SPWM 電路控制輸出功率，由功率檢測(cè)電路組成閉環(huán)控制。電解電容主要起濾波、穩(wěn)定電壓和改善功率因數(shù)的作用。

3 普傳科技中頻感應(yīng)加熱電源性能特點(diǎn)

普傳科技基于多年變頻核心技術(shù)應(yīng)用及在冶金、石化等行業(yè)的實(shí)踐，開發(fā)了PI7800MF 系列中頻加熱電源(如圖2 所示)，具有以下特點(diǎn)。

1)基于PI7000 系列高性能變頻器技術(shù)平臺(tái)。

2)采用美國(guó)德州儀器公司(TI)DSP 的TMS-320LF2407、TMS320F2812 等數(shù)字微處理芯片為電源控制核心，采用SPWM控制技術(shù)，使控制系統(tǒng)性能增強(qiáng)，電路簡(jiǎn)化，負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)電源控制的全數(shù)字化，智能化。該芯片專門為電機(jī)控制與運(yùn)動(dòng)控制數(shù)字化優(yōu)化實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)，特別適合于三相異步電動(dòng)機(jī)和逆變器的高性能控制。它集C2xx內(nèi)核增強(qiáng)型TMS320設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及適用于電機(jī)控制的低功耗、高性能、優(yōu)化外圍電路于一體。

3)采用先進(jìn)的大功率絕緣柵雙極性晶體管IGBT作為功率開關(guān)器件，逆變頻率可調(diào)。與傳統(tǒng)的可控硅晶閘管比較，有較好的開關(guān)性能，開關(guān)頻率高，體積小，電流大。

4)具有相序自適應(yīng)功能，無(wú)需鑒別進(jìn)線相序。

5)輸出電壓、電流連續(xù)可調(diào)，可以使加熱系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)，能源利用率高，具有恒輸出電壓/恒輸出功率控制選擇功能。

6)采用零壓軟啟動(dòng)，啟動(dòng)成功率高且無(wú)沖擊。

7)人機(jī)對(duì)話的顯示界面，可通過(guò)鍵盤的選擇顯示工作頻率及電流，電流變比等，并可顯示故障狀態(tài)及原因，使顯示更直觀，更易于操作。

8)采用強(qiáng)化的故障診斷和保護(hù)技術(shù)，使系統(tǒng)工作可靠，有多種參數(shù)設(shè)定和跟蹤監(jiān)控功能，保護(hù)功能齊全，具有過(guò)壓、過(guò)流、缺相、控制電源欠壓等故障報(bào)警功能。

9)高效節(jié)能，全功率范圍內(nèi)，具有極高的功率因數(shù)和電源效率及較好的諧波抑制功能。

4 主要技術(shù)參數(shù)

PI7800MF的主要參數(shù)如表1 所列。

5 在稠油井抽油系統(tǒng)上的應(yīng)用

在我國(guó)石油開采中，稠油井的比例占相當(dāng)大一部分，這類井原油粘度高、凝固點(diǎn)高、密度大、含蠟量高，難以開采。目前國(guó)內(nèi)外開采這類油井使用的最廣泛、效果最好的工藝技術(shù)是稠油熱采技術(shù)，即采用空心桿電加熱工藝技術(shù)，使稠油變稀，可實(shí)現(xiàn)稠油的順利開采。以前的空心桿加熱技術(shù)，采用工頻加熱，因負(fù)載為單相，需要有一個(gè)獨(dú)立的變壓器，將三相輸入變?yōu)閱蜗噍敵觯斐扇嚯娋W(wǎng)的不平衡，功率因數(shù)低，電能消耗大，對(duì)電網(wǎng)的污染大，加熱效果不明顯，極大地浪費(fèi)了電能。 PI7800MF系列中頻加熱電源解決了上述問(wèn)題。該設(shè)備可提供260~1 500 Hz 的頻率，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓、電流的連續(xù)可調(diào)，以達(dá)到輸出功率連續(xù)可調(diào)的目的，提高了加熱效果，同時(shí)由于中頻電源渦流感應(yīng)加強(qiáng)，導(dǎo)致集膚效應(yīng)更強(qiáng)，使漏磁減少，因此電加熱效果大大好于工頻電源，實(shí)際應(yīng)用節(jié)能效果達(dá)到30%以上，極大地降低了對(duì)采油生產(chǎn)能源的消耗。

PI7800MF已在勝利油田、遼河油田稠油加熱、輸油管道加熱解除油路堵塞及油井井口加熱中得到廣泛應(yīng)用，很受油田采油人員的歡迎。目前，加熱元件主要采用的是感應(yīng)加熱器(感性負(fù)載)和空心加熱桿(阻性負(fù)載)。

5.1 電路框圖

PI7800MF 系列油井采油中頻感應(yīng)加熱電源通過(guò)DSP控制IPM/IGBT功率器件，實(shí)現(xiàn)功率和頻率可調(diào)的中頻電源輸出。電路框圖如圖3 所示。它充分利用中頻集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)原理，通過(guò)感應(yīng)加熱器和油管柱，將電能有效地轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到油井降粘降稠、穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的目的。

5.2 應(yīng)用效果

普傳科技在勝利油田、遼河油田等幾個(gè)稠油井分布的區(qū)域內(nèi)成功運(yùn)用了中頻電源加熱技術(shù)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整，結(jié)合加熱電纜及功率，一般將頻率調(diào)至500耀800 Hz，比工頻提高了10 倍，根據(jù)功率調(diào)整電流，一般75 kW的電源輸出電流在80 A左右，93 kW的電源在100 A左右，通過(guò)中頻變壓器，輸出電壓在800 V左右(串聯(lián)輸出電壓為500 V、600 V、700 V、800 V)，其加熱和節(jié)能等應(yīng)用效果十分明顯。

1)功率因數(shù)明顯提高原工頻加熱的功率因數(shù)在0.7 左右，而采用變頻電源加熱，經(jīng)測(cè)試都在0.95 以上。

2)減少了對(duì)電網(wǎng)的污染原工頻加熱，需將三相變單相，造成變壓器輸入三相電壓嚴(yán)重不平衡，對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重。應(yīng)用變頻電源以后，功率因數(shù)提高，諧波含量明顯減少，所以減輕了對(duì)電網(wǎng)的污染。

3)加熱效果明顯根據(jù)集膚效應(yīng)，頻率提高后，負(fù)載所獲得的能量提高，線路損耗也相應(yīng)減少，從而提高了加熱效果。據(jù)測(cè)試，變頻加熱可比工頻加熱提前1~2小時(shí)達(dá)到預(yù)定效果，而且溫度高。

4)保護(hù)功能齊全原工頻電源柜保護(hù)功能差，往往由于負(fù)載的短路、斷路及電壓的不穩(wěn)定，造成變壓器燒毀、工作不穩(wěn)定。而變頻電源柜由于DSP的控制，其保護(hù)功能齊全，避免了由于電網(wǎng)及負(fù)載的故障引起的問(wèn)題，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5)節(jié)能效果明顯據(jù)測(cè)試，每臺(tái)中頻電源柜比相應(yīng)的工頻柜節(jié)電都在20%左右，節(jié)約了電能，提高了工作效率，保證了加熱系統(tǒng)的效果。

6 在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用

實(shí)踐中，在鋼廠感應(yīng)加熱爐、大型鋼板加熱、鋼軌淬火、透熱設(shè)備等加工中很好地利用了中頻感應(yīng)加熱技術(shù)。如圖源所示。

7 結(jié)語(yǔ)

感應(yīng)加熱電源加熱效果明顯，功率因數(shù)高，節(jié)能效果明顯，其市場(chǎng)發(fā)展前景廣闊。