（地质工程专业论文）pdc钻头高频感应焊接温度自动控制系统的开发及应用.pdf

论文题目：p d c 钻头高频感应焊接温度自动控制系统的开发及应用 专业：地质工程 硕士生：张t 思贝1 1 z ( 签名) j z 红墅 指导教师：唐胜利( 签名) 丁景祥( 签名) 捅要 金刚石钻进是钻探工程中一种比较先进的钻进方法。但是金刚石钻头上聚晶金刚石 复合片p d c ( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t ) 中聚晶金刚石层的热稳定失效温度为 7 0 0 。c ，超过失效温度，金刚石层与硬质合金衬底易分层，并且金刚石层易崩刃，金刚 石层的耐磨性也将因石墨化而下降。因此，焊接过程中p d c 金刚石层的温度要控制在 7 0 0 以下，并要求焊接后p d c 与钻头钢体间有足够的抗剪强度，以使p d c 能在井下 长期工作不失效。长期以来，p d c 与钻头体间的连接大都采用高频感应一火焰钎焊相结 合的焊接技术，这套方法不能对焊接温度及焊接时间进行自动控制，而是由焊接技术人 员凭经验及熟练程度来操作，焊接质量具有很大的随意性，从而影响钻头的使用寿命。 本论文以西安科技大学地质钻探实验室的g p 3 ( m 3 型高频感应加热设备为研究对 象，与西安展宏自动化发展有限公司合作开发，采用日本岛电公司生产的f p 9 3 模糊自整 定p i d 温控仪、光纤温度传感器等对原有的高频感应加热系统进行了数字化改造，实现 了焊接温度的闭环控制，并采用v b 语言编程实现了p c 机对下位机温控仪的远程监控 ( 限于实验室模拟) 。此控制系统投入现场以来，经过反复的调试，控温精度可达i l o 。c ， 完全满足p d c 钻头的焊接工艺要求。 感应加热系统是一个大滞后、非线性、时变的比较复杂的系统，用一般的p i d 控制 会导致控制作用不及时，引起系统的超调和振荡，难以获得良好的控制效果。本论文采 用f u z z y 控制和p i d 控制并联对系统进行控制，根据被控温差大小对两种算法进行切换。 实践表明，这种算法既能保证控制系统的稳定性，又可获得高的控制精度。本论文还对 f u z z y 白整定+ p i d 控制算法的原理进行了细致的研究。 在完成控制系统的开发之后，我们又利用此系统对影响p d c 钻头焊接性能的焊接温 度、升温速度以及保温时间这三相因素进行了科学周密的正交试验研究。一方面考核了 系统的可靠性，另方面还摸索出了优化的焊接工艺参数组合。 关键词：p d c 钻头；高频感应；控制系统；模糊自整定 研究类型： 应用研究 s u b j e c t ：e x p l o i t u r ea n da p p l i c a t i o n o fa u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m o n t e m p e r a t u r e f o rp d cb i th i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o nw e l d i n g s p e c i a l t y ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：z h a n gh u i x i a n i n s t r u c t o r ：t a n gs h e n g l i d i n gj i n g x i a n g ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t d i a m o n dd r i l l i n gi sak i n do fa d v a n c e dw a yi nd r i l l i n ge n g i n e e r i n g b u tt h ed i s a b l e d t e m p e r a t u r eo fp o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n do np d c ( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t ) i sa b o u t 7 0 0 。c ，t o oh i g ht e m p e r a t u r ew i l ln o to n l ym a k ed i a m o n dl a y e ra n dh a r da l l o yl a y e rs e p a r a t e b u ta l s om a k ed i a m o n dl a y e rb u r s ta p a r t i na d d i t i o r iw e a r a b l eq u a l i t yo fd i a m o n dl a y e rw i l l d e c l i n ed u et op l u m b a g i n o u st e n d e n c y c o n s e q u e n t l y ，d u r i n gt h ec o u r s eo fw e l d i n g ，t h e t e m p e r a t u r eo f d i a m o n dl a y e ro f p d c s h o u l db ec o n t r o l l e du n d e r7 0 0 。c ，a tt h es a m et i m et h e s u f f i c i e n tr e s i s ts h e a r i n gi n t e n s i t yb e t w e e np d ca n db i tb o d ys h o u l db ee n s u r e d o n l yb yt h i s p d cc a nw o r kl o n gt i m eu n d e rt h ed r i l l i n gw e l ln o r m a l l y i nal o n gt e r m ，t h e j o i n tb e t w e e n p d ca n db i tb o d yw i d e l ya d o p t sat e c h n o l o g yt h a th i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gc o m b i n e s b r a z ew e l d i n g b u tt h i sk i n do ft e c h n o l o g yc a n tc o n t r o lw e l d i n gt e m p e r a t u r ea n dt i m e a u t o m a t i c a l l y ，i td e p e n d so nw o r k e r se x p e r i e n c ea n ds k i l l i nt h i sc o n d i t i o n ，i ta l w a y sl e a d s t ou n s t a b l ew e l d i n gq u a l i t y a sar e s u l t ，b i t su s i n gl i f eh a sb e e na f f e c t e ds e v e r e l y t h i sp a p e rt r e a t sg p 3 0 一c 3h i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o ne q u i p m e n th o l d e db yg e o l o g i c a l d r i l l i n gl a b o r a t o r yb e l o n g st ox i a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya sr e s e a r c h o b j e c t w ec o o p e r a t e dw i t l lx i a nz h a n h o n ga u t o m a t i z a t i o nc o r p o r a t i o n ，a d o p t e df p 9 3 f u z z ys e l f - r e c t i f y i n gt e m p e r a t u r ep i dc o n t r o l l e rm a d ei nj a p a n ，o p t i c sf i b r et e m p e r a t u r e s e n s o ra n ds oo n ，u p g r a d e ds u c c e s s f u l l yw i t hd i g i t a lm e r e rt of o r m e r h i g hf r e q u e n c y i n d u c t i o n e q u i p m e n ta n dr e a l i z e dc l o s e dl o o pc o n t r o lo fw e l d i n gt e m p e r a t u r e a d d i t i o n a l ，t h e c o m m u n i c a t i o n sp r o g r a mb e t w e e np e r s o n a lc o m p u t e r ( p c ) a n dp i dc o n t r o l l e rh a sb e e n d e s i g n e db yv bp r o g r a ml a n g u a g e ，b u ti ti so n l yl i m i t e di nl a b o r a t o r i a lp h a s e s i n c et h i s c o n t r o ls y s t e mi su s e di ni n d u s t r i a ls p o t ，p a s s e dt h r o u g hr e p e a t i n gd e b u g g i n g ，i t sc o n t r o l p r e c i s i o ni sb e t w e e nn e g a t i v el o a n d p o s i t i v e1 0 * c ，w h i c hs a t i s f i e sw e l d i n gt e c h n o l o g yo f p d cb i tf u l l y t h ec o n t r o ls y s t e mo fi n d u c t i o nh e a t i n gi s c o m p l e xf u l lo fh y s t e r e s i s ，n o n 1 i n ea n d v a r i a b i l i t y t o w a r dt h i sc o n d i t i o n ，c o i i l n - l o np i dc o n t r o la r i t h m e t i cc a n tc o n t r o li nt i m e ，i t w i l ll e a dt oe r r o ra n ds u r g e ，a sr e s u l t ，i ti sv e r yd i f f i c u l t yt og a i na g o o dc o n t r o le f f e c t a i m a tt h e s el o c a l i z a t i o n ，f u z z 3 , s e l f - r e c t i f y i n gp l u sp i dc o n t r o la r ea d o p t e dt oa u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m ，a c c o r d i n gt oe r r o ro ft e m p e r a t u r e ，t w ok i n d so fa r i t h m e t i c sa r es w i t c h e dn o wa n d t h e n p r a c t i c ei n d i c a t e st h i sw a yc a r le n s u r ee x c e l l e n ts t a b i l i t ya n dp r e c i s i o no ft h ec o n t r o l s y s t e m b e s i d e s ，t h ep r i n c i p l eo f f u z z ys e l f - r e c t i f y i n gp l u sp i dc o n t r o li sr e s e a r c h e di nd e t a i l i nt h i sp a p e r h a v i n gf i n i s h e de x p l o i t u r eo f t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，w ec a r r i e do u ts c i e n t i f i ca n d c a r e f u lr e s e a r c hi nl a b o r a t o r yw i t hw e l d i n gt e m p e r a t u r e ，h e a t i n gs p e e da n dh e a tp r e s e r v a t i o n t i m e ，w h i c ha f f e c tw e l d i n gq u a l i t yo f p d cb i te v i d e n t l y o n es i d ed e p e n d a b i l i t yo f t h ec o n t r o l s y s t e mi sv e r i f i e d ，t h eo t h e rs i d eak i n do fo p t i m a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo fp d cb i ti s f i s h e do u t k e y w o r d s ：p d cb i t ；h i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o n ；c o n t r o ls y s t e m ：f u z z ys e l f - r e c t i f y i n g t h e s i s： a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要错技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：7 牡笔览 日期：加w # 占- ，护 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年月日 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 金刚石钻进是钻探工程中一种比较先进的钻进方法。由于这种方法的钻进效率高， 钻孑l 质量好，施工劳动强度轻，因此得到越来越广泛的使用。过去金刚石钻进主要用于 钻进硬地层和坚硬地层，近年来由于聚晶金刚石复合片( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d c o m p a c t ，简称p d c ) 的研制成功，因此也用于钻进软一中硬地层【l 】。可见金刚石钻进 有着广阔的发展前景。 金刚石有天然与人造之分，人造金刚石又有单晶与微粉之分。人造单晶金刚石可制 作成孕镶钻头在硬地层和坚硬地层中应用。而人造金刚石微粉无法直接用来制造钻头， 加之在软一中硬地层中需要更大尺寸的切削齿，因此人们研究出了由微粉制造的具有较 大尺寸的聚晶金刚石复合片的方法。 金刚石复合片( 见图1 1 ) 实际上是一种由人造金刚石的聚晶层( o 5 1m m ) 和硬质 合金衬底( 3 5 m m ) ，在高温高压过程中制作出来的完整产品。不仅具有聚晶金刚石的高 硬度、耐磨性，还兼有硬质合金的韧性及抗冲击性能。金刚石复合片钻头又称p d c 钻 头( 见图1 2 ) ，是经过特种工艺把金刚石复合片焊接在钻头体上而制成的。p d c 钻头由 于具有进尺效率高、使用寿命长等特点，已被广泛应用在各种钻进中。 图1 1p d c 照片 图1 2 p d c 钻头照片 但是复合片上聚晶金刚石层的热稳定失效温度为7 0 0 c ，超过失效温度，金刚石与 西簧科技大学硕士学位论天 硬质合金衬底结合面易分层或金刚石层易崩刃，金刚石层的耐磨性也将因石墨化而下降 【“。因此，焊接过程中复合片上金刚石层的温度要控制在7 0 0 。c 以下，并要求焊接后复 合片与钻头体间有足够的抗剪强度，以使复合片能在井下长期工作不失效。 目前国内外制作p d c 钻头可使用的焊接方法有激光焊接、真空扩散焊、真空钎焊、 高频感应钎焊、水冷钎焊、惰性气体保护钎焊、炉中钎焊、火焰钎焊、盐浴钎焊和电阻 钎焊等。有些焊接方法虽然焊接强度足够，但所用设备的成本高、维护费用大，且其工 艺过程复杂，不便于生产操作，大大增加了p d c 钻头的制作成本，不利于p d c 钻头的 推广应用 3 】。 目前国内的诸多p d c 钻头生产厂家在生产各种型号的钻头过程中，复合片与钻头 体间的连接大都采用高频感应一火焰钎焊相结合的焊接技术，但这套方法不能对焊接温 度及焊接时间进行自动控制，而是由焊接技术人员凭经验及熟练程度来进行操作，在这 种情况下，焊接质量具有很大的随意性，难以保证其稳定性，从而影响钻头的使用寿命。 为了提高p d c 钻头的质量及钻头的使用寿命，需设计一套焊接自动控制系统。 本论文是以西安科技大学地质钻探实验室p d c 钻头高频感应焊接自动控制系统的 设计为研究背景，采用传感器技术、机电一体化技术、现场通讯及基于v b 6 0 的监控软 件的设计，达到对p d c 钻头焊接温度的自动测控，使p d c 钻头的焊接质量有质的提高。 1 2 国内外发展现状 当交变电流流经感应线圈时，会在线圈的周围产生感应磁场，此时当钻头体金属材 料置于浚磁场中时，会产生涡流，利用涡流产生的热量来对工件进行加热称之为感应加 热。 随着电力电子技术水平的不断提高，感应加热设备也得以不断的发展。新型电力半 导体器件、晶闸管s c r 、特大功率晶体管g t r 、绝缘栅双极型晶体管i g b t 、静电感应 晶体管s i t 等相继研制开发成功，其应用技术特别是在感应加热设备中的应用技术得到 了迅猛的发展。半导体式感应加热设备的出现，打破了传统的感应加热设备的格局，发 电机组和电子管式感应加热设备己经受到电力半导体式感应加热设备的挑战。 感应加热设备的功率和工作频率是两个最重要的技术参数。感应加热的频率通常可 以分为低频( 2 0 0 h z 以下) 、中频( 2 0 0 h z 2 0 0 0 0 h z ) 、超音频( 2 0 k h z1 0 0 k h z ) 、高频 ( 1 0 0 k h z 以上) 。在国内外，中频感应加热设备的发展都是以电动机一发电机组式为起 点的，高频感应加热设备则是以电子管式为起点的。在国外，晶体管中频感应加热设备 目前己完全替代了传统的发电机式感应加热设备，而在国内，至少也有6 0 以上的发电 机组己被更新改造。i g b t 超音频加热电源和s i t 高频加热电源是在最近的十年里推出 的新型电力半导体式感应加热设备，由于其在节能降耗及维护性方面明显优于电子管 式，因此它f 在逐步地替代传统的电子管式感应加热设备。 而本课题中所要研究的对象，即西安科技大学地质钻探实验室的g p 3 0 一c 3 高频感应 加热设备为1 9 9 7 年天津市金能电力电子有限公司生产的产品，它还属于传统的电子管 式感应加热设备。由于电子管式感应加热设备的电能在中问进行了多次的转换，消耗非 常大。据测算电子管的转换效率一般在7 5 左右，设备的整机总效率一般在5 0 以下， 水和电能的消耗非常大，而且系统运行不稳定。好在本设备的电源系统采用了可控硅调 压及高压硅整流器整流等比较先进的调压技术，因此可通过对可控硅脉冲触发角的控制 实现对振荡回路的调节，根据不同工艺条件选择合理的振荡频率，在实现对生产过程自 动控制的同时提高了整机的效率。 在国外发达国家，具有自动调温的感应加热控制系统己普及应用，尤其在冶金、铸 造、化工及汽车制造业方面已经达到了非常先进的水平，已实现了感应加热配合微机组 态监控的计算机远程监控系统。我国只在一些钢铁公司及汽车制造厂实现了感应加热的 计算机远程监控，而组态软件多为国外公司提供，价格昂贵。在+ 般企业的生产过程中， 为降低成本，多采用传感器及温度控制仪实现感应加热的自动控制。因此，开发一套适 合本企业生产实际的感应加热自动控制系统，对于提高产品质量、改善劳动条件及节畿 降耗等具有非常重要的现实意义。 1 3 课题的研究意义和主要内容 在钻探工程所用钻头的生产制造中，先进的生产设备是决定钻头生产效率和质量的 重要因素，对保证钻头产品优质、高效、低耗起着决定性作用。目前国内钻头产品生产 制造所用设备基本上都是一些老式设备，钻头生产所用的工艺方法也是以手工作业为 主。所使用的钻头生产设备和火焰焊接方法，存在加热不均匀，焊缝易出现气孔、央渣， 焊接质量不稳定，工人劳动强度大等问题，这些设备和工艺方法己不能满足当今市场大 批量、大规模生产经营的要求，已成为制约钻头生产的主要障碍。因此，钻头生产设备 和工艺方法的改造、更新换代，开发适应现代化、规模化钻头生产的设备和工艺方法， 就成为提高钻头生产效率和质量的首要任务。而感应加热的快速发展则为上述目标的实 现提供了强有力的保证。 随着感应加热理论的不断完善和感应加热设备的不断发展，感应加热的应用领域和 应用范围也不断地扩大。目前，感应加热技术已被广泛地应用在机械制造、冶金、国防、 航空航天、汽车制造以及教学、科研等诸多领域，主要用于黑色及有色金属材料的熔炼 铸造、加热( 整体透热和局部加热) 、热处理( 淬火和回火) 、焊接、烧结等方面。 推动感应加热技术不断发展、不断提高的主要因素，是感应加热所具有的优越性能 与特点。与传统的加热方式( 如火焰式加热) 相比，感应加热具有如下的一些性能与特 点：具有精确的加热深度和加热区域，并易于控制：易于实现高功率密集加热，加 热速度快，效率高，能耗小；加热温度高，易于控制；加热温度由工件表面向内部 西安科技大学硕士学位论文 传导或渗透；采用非接触式加热方式，在加热过程中不易掺人杂质；工件材料烧损 小，氧化皮生成少；作业环境符合环保要求；易于实现加热过程的自动化。 本课题的研究对象为西安科技大学地质钻探实验室的g p 3 0 - - c 3 型高频感应加热设 备，本高频感应加热设备没有焊接温度的闭环控制系统，而温度的控制又是p d c 钻头 焊接的关键。由于影响p d c 钻头焊接质量的因素是非常多的，如焊前表面处理、焊接 温度、保温时间、焊料选择等等，而在此以前的课题研究中，已对影响p d c 钻头焊接 质量的可控因素进行了细致的研究，因此，本论文将主要解决焊接温度的闭环控制问题。 本论文将以现代控制理论为基础，采用计算机控制技术，用温度控制仪、光纤温度 传感器等智能仪表对高频感应加热设备进行自动化改造，实现对p d c 钻头焊接温度的 实时检测，并对焊接温度、升温速度、保温时问等焊接工艺参数进行实时闭环控制；通 过焊接试样剪切强度的j 下交实验分析，对影响焊接强度的以上三个因素的水平进行优化 组合，摸索出p d c 钻头焊接的最佳工艺参数，并考核系统的可靠性。本控制系统的研 究开发将为p d c 钻头焊接工艺的准确控制提供可靠的制造手段和研究平台，为提高p d c 钻头的焊接质量和生产效率做出积极贡献。 2 高频感应加热原理及应用 2 高频感应加热原理及应用 2 1 感应加热的原理1 4 1 1 8 3 1 年m i c h a e lf a r a d a y 发现的电磁感应现象是一切感应加热的基础。根据初级线 圈中电流的变化，可以在邻近的闭合次级线圈中产生感应电流。对金属工件的感应加热， 其工作原理是在被加热金属工件外绕上一组感应线圈，当线圈中流过某一频率的交流电 流时，就会产生相同频率的交变磁通，交变磁通又在金属工件中产生感应电势，从而产 生感应电流，感应电流又使工件内部产生涡流及磁滞损耗从而将电能转变为热能，实现 对工件的加热。感应加热所遵循的主要依据是：电磁感应、集肤效应和热传导三项基本 原理。如图2 1 所示： 感应 线幽 金属 工件 图2 ，1 感应加热原理图 把金属工件放入感应线圈中，当感应线圈中流过交变电流i 时，线圈内部便会产生 相同频率的交变磁通巾，交变磁通巾又会在金属工件中产生感应电动势e ，则感应电动 势为： e ：一n 塑( 2 1 ) 出 n 一线圈匝数，负号表示感应电动势总是力图阻止磁通的变化，假定m 是按正弦规律 变化，则 o = o m s i n t d t ( 2 2 ) e ：一nd o 一：一n o m c o s c o t ( 2 - 3 ) 讲 因此感应电动势的有效值为： e - 2 x f n f c m ：4 4 4 n f o m ( 2 4 ) ，1 i 西安科技大学硕士学位论文 由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能转化为磁场能，然后磁场能再在金属内部 转变为热能，感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。另外 需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生祸流以及涡流引起发热的原理是 相同的，不同的是在一般电气设备中涡流是有害的，而感应加热却是利用涡流进行加热 的。 由于工件是导体，有一定的电阻，于是感应电势在工件中必然会产生感应电流f 涡 流) i ，在集肤效应和涡流的作用下便会发热，热量为q ，其焦耳一楞次定理的表达式为： q = 0 2 4 1 2r t ( 2 5 ) 工件获得的功率为： p = e l c o s 0 = 4 4 4 n f i o m c o s 0 ( 2 6 ) 其中c o s 功率因数。 可见，要使金属工件加热到一定的温度，必须在金属内产生足够大的电流，电流则 是由感应电势e 产生的。e 、p 与磁通m m 、频率，有关，所以为了获得一定的感应电势 e 和热量q ，电源必须具有一定的频率。另外，如果被加热工件截面增大，那么在相同 外电流i 作用下，穿过金属工件的磁通m 就会增大，感应电动势e 以及金属内感应得到 的加热功率p 也增大。由此可见，感应加热必须具备两个条件：感应线圈中通入的 必须是交变电流；感应线圈中的被加热材料必须是能导磁的。 2 2 透入深度与集肤效应 透入深度的规定是由电磁场的集肤效应而来的，由于交流电的集肤效应，电流密度 从加热工件的表面至中心大致是按指数规律衰减的。工程上规定，当涡流强度从表面向 内层降低到其数值等于表面最大涡流强度的o 3 6 8 时，该处到表面的距离6 称为透入深 度。由于热传导的存在，分布在工件的涡流并不能全部用于使工件表面加热，而是有一 部分热量传到工件内层以及向周围热辐射损耗掉了。但由于涡流所产生的热量与涡流的 平方成正比，因此由表面至芯部，热量下降速率要比涡流下降速率快得多，因此可以认 为大部分的热量发生在厚度为6 的薄层内，其透入深度6 可按下式近似计算： 6( 2 7 ) 式中：卜工件的导磁率： d 一工件的电阻率； 一加热工件的磁场的角频率，( 0 = 2 兀，为磁场频率。 从上面透入深度6 的公式可见，当工件的电阻率p 和工件的导磁率“确定后，透入 深度6 与电源频率，的平方根成反比。因此工件的加热厚度可以通过调节电源频率，来 加以控制，频率越高，工件的加热厚度就越薄。 6 互舻 2 高频感应加热原理及应用 在感应加热过程中金属工件内部各点的温度是在不断地发生变化的，感应加热的功 率越大，加热时间越短，金属工件表面温度就越高，工件中心部位的温度就越低。如果 感应加热时间长，金属工件表面和中心的温度通过热传导而趋于均匀。 感应加热设备的选用是根据被加热工件的工艺要求和尺寸大小来决定的。根据被加 热工件的材质、大小以及加热区域、加热深度、加热温度、加热时间等工艺要求，进行 综合计算与分析，来确定感应加热设备的功率、频率和感应线圈等技术参数。 2 3 感应加热电源4 】【5 】 感应加热电源是感应加热的关键设备之一，其发展与电力电子学及电力半导体器件 的发展密切相关。感应加热装置在工业上应用已有8 0 余年的历史，以前人们是采用磁 性静止变频器( 一般为5 0 0 h z 以下) ，低频发电机组及高频电子管振荡器等产生不同频率 的感应电流对工件进行加热。6 0 年代以后，随着电力半导体器件的发展，可控硅( s c r ) 进入逆变器，电力半导体器件组成的变流器逐步取代了旋转的交流机组和静止的离子变 流器，出现了开关元件采用电力半导体器件的固态感应加热电源。8 0 年代以后，全控型 自关断半导体器件开始取代线路复杂，体积庞大，功能指标较低的普通晶闸管和换相电 路。在高频感应加热领域里，s i t 与功率m o s f e t 成为了与电子管相抗衡的电力半导体 器件，由于它们比电子管构成的装置体积小( 缩小2 3 ) ，重量轻( 减轻2 3 ) ，节能( 节电1 3 以上) ，节水( 节约l 2 ) ，高效( 效率提高3 5 ) ，而且寿命长，安全可靠，易于实现自控， 加热质量高，维护工作量小，可随用随开，己经形成了对电子管取而代之的必然趋势。 日本在8 0 年代中后期己经用s i t 研制出了2 0 0 k h z ，2 0 0 k w 的高频感应加热电源，现 已实现商品化。德国也已于8 0 年代末研制出了5 0 2 0 0 k h z ，数百千瓦的感应加热电源。 目前功率m o s f e t 高频感应加热装置的最大容量可达4 8 0 k w ，频率为5 0 - 2 0 0 k h z 。其 主要应用领域是高频焊机。 我国的一些高校、科研院所和工业企业也几乎是与一些工业发达国家在同一时期就 开始了对电力半导体感应加热电源的研制并取得了一些成绩。浙江大学于7 0 年代就研 制成功了我国第一台1 k h z 1 0 0 k w 晶闸管并联逆变式中频感应加热电源。随后，浙大、 上海交大、天津大学、北京有色金属研究总院等单位独立或与工业企业合作研究、开发 了应用晶闸管、s i t 、功率m o s f e t 、i g b t 等从低频、中频到超音频、高频的各种类型 电力半导体感应加热电源，有的还已经在工业生产中得到应用。但是与发达国家相比， 无论是容量、控制技术手段、电源工作频段还是生产规模和工艺技术方面，我们仍然存 在很大差距。尤其在高频感应加热电源领域内，我们基本没有形成规模生产能力，还存 在许多空白，有待我们去研究和开发。由于采用电力半导体器件，感应加热装置无论是 外观，还是内在的电路结构都趋于简单化和单一化。而且由于半导体感应加热电源频率 应变性极强，又有自动跟踪负载频率变化的特性，其频率等级也更加规范化和科学化。 西安科技大学硕士学位论文 根据加热工艺要求结合目前国内外情况，感应加热电源正逐渐向下列频率等级靠拢： 5 0 h z 、1 5 0 h z 、3 0 0 h z 、5 0 0 h z 、l k h z 、2 k h z 、3 k h z ( 4 k h z ) ，5 k h z 、f 7 5 k h z ) 、1 0 k h z 、 2 0 k h z 、3 0 k h z 、( 4 0 k h z ) 、5 0 k h z 、( 7 5 k h z ) 、1 0 0 k h z 、1 5 0 k h z 、2 0 0 k h z 、3 0 0 k h z 、 4 0 0 k h z 、5 0 0 k h z 。一般将上述等级中5 0 0 h z 以下称为低频，一般用于大功率的金属熔 炼：l 1 0 k h z 称为中频，主要用于中等容量以下的金属熔炼、锻造透热、金属热处理 等；2 0 7 5 k i t z 称为超音频，主要用于齿轮、链轮、凸轮等沿齿廓淬火和其它表面热处 理；1 0 0 k h z 以上称为高频，主要用于焊接和表面热处理。 感应加热电源的整流器和逆变器是典型的电力电子电路，是电力电子技术的重要组 成部分。随着工业应用不断提出新的要求和电力电子器件及技术的发展，感应加热装置 无论其理论还是实践也在不断发展和成熟，从目前情况看，主要体现在以下几个方面： 高频化。目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采 用i g b t ，而高频频段，由于s i t 存在高导通损耗等缺陷，国际上主要发展m o s f e t 电 源。感应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源 通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽等均有许多特殊要求， 尤其是高频电源。因此实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需进一步探讨， 特别是新型高频大功率器件( 如m c t 、i g c t 及s i c 功率器件等) 的问世将进一步促进 高频感应加热电源的发展。 高效率化。现在高频领域里电子管振荡器还占据相当比例，其功率变换效率仅 5 0 6 0 。在世界能源日益紧张的今天，节能问题倍受重视，研究出高效率的功率变换 设备无疑己成为一个重要课题。 感应加热电源的全晶体管化和小型化。固态感应加热电源的效率远远高于电子 管，可达9 0 以上，同时整个设备的体积又可以缩小2 3 ，大量节约原材料和成本，这 也成为了感应加热电源的一个必然发展方向。 控制系统的微机化、自动化。这是提高加热质量的一个重要手段。晶体管化为 实现自动控制提供了十分便利的条件和行之有效的途径。 感应加热电源中频大功率发展方向和小容量高频发展方向。向中频大功率方向 发展构成中频大容量电网，应用于金属熔炼和透热；向小容量高频方向发展主要是应用 于淬火和焊接等工艺。 高功率因数，低谐波电源。由于感应加热用电源一般功率都很大，目前对它的 功率因数、谐波污染指标还没有严格要求，但随着对整个电网无功及谐波污染要求的提 高，具有高功率因数( 采用大功率三项功率因数校正技术) 低谐波污染电源必将成为今后 发展的趋势。 现有的电力半导体器件在新器件的挑战面前都在不断改进，提高和完善。i g b t 的 特性提高就已经经历了两代，现在正向第三代发展。功率m o s f e t 则己经历了五代更 2 高频感应加热原理及应用 新改进和提高，其容量和开关特性进一步改善，工作可靠性更高。同时未来型的电力半 导体器件m c t 等新器件的问世会更进一步推动包括感应加热电源在内的电力电子技术 自关断化、高频化和智能化的发展。 西安科技大学硕士学位论文 高频感应加热成套系统的组成 本文所描述的高频感应加热设备为国产电子管式g p 3 0 一c 3 型，属开环控制方式， 此设备可用于钢和铸铁的表面热处理，焊接及锻造加工。通过电子管振荡器把5 0 h z 的 工频电流变换为4 0 0 4 5 0 k h z 的高频电流，通过输出装置高频电流在感应圈里产生高 频强磁场，使被加热金属表面形成高频涡流及磁滞损耗而发热。本设备主要由电子管振 荡器、三相高压硅整流器、控制电路三大部分组成【6 】，其结构框图如图3 1 所示： 图3 1 高频感应加热设备结构框图 在上图中，线电压为3 8 0 v 的工频交流电先经过阳级变压器升压到某一数值的交流 高压，然后由高压硅整流器整流后输出直流高压( 0 1 3 5 k v ) ，此直流高压供给电子管 振荡器。振荡器将直流高压电变换为高频高压交流电，振荡频率在4 0 0 4 5 0kh z 之间。 为了实现阻抗的匹配，采用感应器将高频高压降为高频低压，同时也起到确保人身安全 的作用。控制电路的作用是，保证高频感应加热设备按操作规程安全运行，以确保操作 者的人身安全。 3 1 电子管振荡器【6 】 大功率高频感应加热电子管是真空三极管，它具有三个电极：阳级、栅级和阴极。 金属加热到足够高的温度就会发射电子，在真空状态下更强烈，这种现象叫热电子发射， 电子管是以阴极发射电子来导电的，为使其工作可靠，总是将管泡内抽成真型”。 振荡器的作用是将高压直流电转换为高频高压交流电，这需要振荡电路来实现。振 荡电路是用来产生一定频率和一定幅值的输出信号的电路，它不需要外接输入信号，输 出端就有信号输出。它的基本构思是在放大电路中人为地接 3 高频感应加热成套系统的组成 栅级 级 图3 2 电子管结构图 入正反馈电路来产生稳定的振荡，输出的交流电能是由直流电源提供的直流电能转换来 的。根据输出信号波形的不同，振荡电路可分为正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路。 正弦振荡电路的输出波形为正弦波，频率范围很广，从一赫兹到几百兆赫兹以上，可作 为交流信号源。通常放大电路在输入端加信号的情况下才有信号输出，如果输入端没有 输入信号，输出端仍有一定幅值的交流电压输出，那么这个放大电路中发生了自激振荡。 我们把这种依靠自激振荡，产生一定频率和幅值的输出信号的放大电路称为振荡电路。 电子管振荡器是在得到直流电能的条件下，自行产生振荡的振荡器，如图3 3 为高 频感应加热设备常用的电子管振荡器方框图： 图3 3 电子管振荡器方框图 图中，直流电源是供电子管放大器工作的能源。电子管的作用是将输入信号放大， 然后传输给振荡槽路。设输入信号电压为u i ，输出信号为u 0 ，则电子管放大器的放大倍 数为： a ：u o ( 3 1 ) “l 振荡槽路将电子管放大器送来的信号由l c 回路选频，然后把选出的信号输给工件， 同时把一部分输给反馈系统，由反馈系统传递给电子管放大器，作为它的输入信号。反 馈信号电压u f 与振荡槽路输出信号电压1 1 0 之比叫做反馈系数f ： f ：竺 ( 3 2 ) “o 当u f = u i 时，a f = i 因此，振荡电路自激振荡的条件是反馈电压u f 与所需的输入电压u i 大小相等，相位 相同，即反馈信号的相位应使振荡电压的幅值得到加强，也就是说必须是正反馈。由此 可以看出振荡电路要维持稳定振荡，必须同时满足幅值条件和相位条件，两者缺一不可。 西安科技大学硕士学位论文 一般情况下振荡电路起振时，必须使a f 1 ，即u f u i ，直到a f = i ，此时u f = 振荡电 路自动稳定在某一振荡幅度下工作。从a f l 到a f = i 是自激振荡的建立过程蝎j 。 以下是本高频感应加热设备g p 3 0 - - c 3 的变压器反馈式l c 正弦振荡电路的原理图： 在原理图中，g l 是振荡管、b 6 是反馈变压器、b 7 是输出变压器。利用电子管的 放大作用，将电子管阳级上的部分高频能量经反馈变压器b 6 反馈到电子管栅级，只要 是正反馈和足够的反馈能量就能使电子管维持振荡。本产品采用变压器反馈，改变反馈 变压器b 6 初级和次级的相对位置，也就改变了变压器的耦合系数，就能取得合适的栅 级反馈电压。调节反馈变压器的耦和系数可改变电子管栅级电流的大小，当b 6 的次级 线圈远离初级线圈时栅流变小，反之栅级电流增加。电子管阳级电流的大小要靠改变槽 路电容器c 1 9 的电容量来实现，增加其电容量值，阳流增加，反之阳流减小。在调整与 工件匹配时要使在初使加热时阳流与栅流的比例为8 ：1 ，这时可理解为振荡器与被加热 工件是良好匹配，当需要更大功率加热时，可调节电子管的阳级电压值，这时阳流、栅 流同时上升，但阳压使用极限值为直流1 2 k v 。 图3 4 正弦振荡电路原理图 图中l 1 是阳级阻流圈，直流工作高压经它加到电子管阳级上，l 2 、r 1 0 是阳级防 振装置，c 8 是阳级隔直流电容器，经它把电子管阳级的高频能量馈送到振荡槽路中。 l 3 、r 1 1 是栅级防振装置，它和阳级防振装置共同作用抑制振荡器的有害高次谐波的寄 生振荡。c 9 是栅级旁路电容器，c 1 1 、c 1 2 是灯丝旁路电容器，l 4 是栅级阻流圈，它 和栅路电容c 1 0 共同滤除直流栅路中的交流成份。r 1 2 是栅偏电阻，亦称栅漏电阻，直 流栅级电流在r 1 2 上产生栅负压，保证电子管工作在丙类状态。a 1 是阳级电流表，a 2 3 高频感应加热成套系统的组成 是栅级电流表，c 1 8 是栅级隔直流电容器。反馈变压器和输出变压器串联的等效电感再 与槽路电容器c 1 9 并联组成l c 并联谐振电路，使振荡器调谐在工作频率下。原理图中 加热接触器c j 3 两组触头担负着振荡器接通与停止的工作，当停止振荡器工作时c j 3 释 放，截止栅负压经c j 3 常闭触头加在电子管栅级上，同时c j 3 常开触头切断直流栅级电 路。 3 2 可控高压硅整流器6 】 电子管是高频振荡器的核心部件，它必须在高压直流电情况下才能完成转换任务， 获取高压直流电的方法很多，本系统采用三相高压硅整流器进行整流。 图3 5 司控硅调压电源原理 为了实现高频感应加热直流高压从0 均匀调至1 3 5 k v ，本设备采用可控硅三相交 流调压电路来改变阳极变压器的输