（机械电子工程专业论文）集肤效应电伴热系统的理论与应用研究.pdf

渐江走学硕士学位论文 r e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f s k i ne f f e c tp o w e r t r a c i n gs y s t e m a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h et h e o r yo fs k i ne f f e c ti si n t r o d u c e d ，a n dt h es k i ne f f e c ti np o w e r t r a c i n gi sa n a l y z e d ，s o a st h en e w d e s i g n m e n to f s k i ne f f e c tp o w e r t r a c i n gs y s t e m i sp u t o u t ，a n dt h eh a r d w a r e ，s o f t w a r es y s t e md e s i g n m e n to ft h et r a c i n gs y s t e mi si n t r o d u c e di n d e t a i l o nt h eb a s i so fs k i ne f f e c tt h e o r ya n a l y z i n g , t h et h e s i sp u to u tt h a tt h es k i ne f f e c t t r a c i n gs y s t e m c o u l db ei m p r o v e db yc h a n g i n gt h ew a v e s h a p e o ft h ec u v r e n t ，t h a ti st o s u b s t i t u t et h es i n ew a v ec u r r e n tw i t hs q u a r ew a v ec u r r e n t a l s ot h et h e s i sm a k em o d e lf o r t h ep i p e l i n et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，s i m u l a et h es y s t e m ，a n dm a k e e x p e r i m e n t a t i o n f o r v a l i d a t i o n t h ef i r s t c h a p t e r i sa b o u tt h es u m m a r i z a t i o n 。i ti n c l u d e st h e h i s t o r y a p p l i e d b a c k g r o u n d ，a n da p p l i c a t i o no ft h ep o w e rt r a c i n gs y s t e m t h ee c o n o m i cf a c t o ro ft h e p o w e rt r a c i n gs y s t e ma n dt h et r a d i t i o n a ls t e a m t r a c i n gs y s t e mi sc o m p a r e d ，a n dt h e t a s k s & t h e s i sa r ep r o p o s e da tt h ee n do f t h e c h a p t e r i nc h a p t e rt w o ，t h e o r yo fs k i ne f f e c ti sa n a l y z e d ，o nb a s i so ft h ec i r c u i tm o d e lo f s k i ne f f e c tc u r r e n th e a t i n g ，t h es k i ne f f e c ti sa n a l y z e d 敷t h e p o i n to f e l e c t r o m a g n e t i c , s o a st o p u s ht h ew a yo fu s i n gs q u a r ew a v ec u r r e n ti ns k i ne f f e c tt r a c i n gs y s t e m t h e m e a s u r e m e n to fc i r c u i ta n dd i s t r i b u t i o no f e l e c t r o n i ca r ed i s c u s s e d c h a p t e rt h r e ei n t r o d u c e st h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m a f t e r m a k i n gu pt h em o d e lo f t h ec o n t r o is y s t e m ，s e v e r a lc o n t r o ls t r a t e g ya n da r i t k a n e t i ca r e i n t r o d u c e d ，a n dr e s u l t so f t h es y s t e ms i m u l a t i o ni so b t a i n e d c h a p t e rf o u r i n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o na n da p p l y i n go ft h es k i ne f f e c tp o w e r t r a c i n gs y s t e m ，w h i c hi n c l u d et h es e l e c t i o no ft h ep o w e rc o m p o n e n t ，d e s i g n m e n to ft h e c o n t r o lc i r c u i ta n dp r o g r a m m i n go f t h ec o n t r o ls y s t e m 。t tu s e sp l ca st h ec o n t r o lk e r n e l ， a n di g b ta st h ep o w e rc o m p o n e n t ，as e r i a lo f t e c h n i q u e sa r ea p p l i e dt oi m p r o v et h e s t a b i l i t ya n dr o b u s to ft h es y s t e m ，a n dc o n t r o lf l e x i b i l i t yo ft h es y s t e mi sr e a l i z e d t h e a p p l i c a t i o no f s k i ne f f e c tp o w e r t r a c i n gs y s t e m i n c l u d e ss o m e d e s i g n m e n t a b o u tt h el o a d ， s u c ha st h e c a p a c i t yo f t h es y s t e ma n dt h eh e a tp r e s e r v a t i o no f t h e p i p e l i n e 浙江大学坝l 。学位论文 c h a p t e rf i v ei st h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n t c h a p t e rs i xi s a b o u tt h ec o n c l u s i o no ft h et h e s i s o nb a s i so ft h ec u r r e n tr e s e a r c h ， s o m es u g g e s t i o n sf o rt h es y s t e m si m p r o v e m e ma r eg i v e n ，a n dt h e f u t u r e o ft h es k i n e f f e c tp o w e r t r a c i n gs y s t e m i sa n a l y z e d ，s oa st od i r e c tt h ew o r ki ut h ef u t u r e k e y w o r d s s k i ne f f e c t ，p o w e rt r a c i n g ，p o w e rs u p p l i e rd e s i g n p w m ，i g b t l f 江人学颤l 。学位论叟 第一章绪论 1 1 课题意义 随糟社会的发展，工业生产水平和人们的生活质量都在不断摁离，随之而来各 方面对电传热鲍需求量也越来越大。鼠翦电伴热酶应鼹已经深入戮王妊生产秘人们 霜豢鬟三溪中靛镶多领域雕麓。现代斧熬系绞 玺王渡生产中扮滨羞至关霞要静角色哆 应用锁域几乎遍布工业生产的各个角落：纸浆生产、发电站、炼油、远洋运输、深 海石油钻探、油气集输、消防系统、设备保温镣都大量使用伴热系统，而且电伴热 还大量成用于化工企业的储罐、泵体、工艺管道、水管和消防等设施【4 】【5j 【6 1 【7 1 0 表1 一l 列举了电伴热系统应用髀一些领域。 表1 - 1 电传热癍瑙镶竣 领域_ j 途 农副、水产、畜牧育苗、养殖、家畜、孵化、发酵、酿川、吲艺、温室婶加热保护器件 业 嚣要勰漆、敲雪及薅凝绥麴帮霞或繇嚣，热大覆、厂房逶嚣 v ：木建筑行业 口、机场跑道融雪。露天房平台，屋搪，融嚣扳、暖房护墙 板、步行桥、融雪通路标虑，住宅，工厂，公司店铺等地板 通道，结露防止、汽车容舱加热等 家j ”涮熬瀑藏痞、地扳加热器、热坐垫( 耩) 、露 l 濠器、馁嚣等取暖没麓及承道 臻冻结翔热热器、潜承衣 医疗保健用品静电治疗器，温热电地板等电磁治疗殴各 生物、制药业细菌培养等 舅步 ，电律热同样可汉疲蠲予低温状态下液压系统豹缲温。在液压系统中，液压 油的黏艘对液压油的温度比较敏感，其黏度童接影i 响了液压系统的动态性能与静态 性能。温度过低，则液压油的黏度增加，液压系统的阀、泵内部之阃摩擦增加，液 压油的：；j c 幼性能变差，严重可导致系统不能正常工作。在一些对系统控制精度比较 离的场合，就需要保持液聪系统静油湿，特鄹愚鲣界温度眈较低戆l 毒凝下。运用电 馋热，瓣波溢管鼹帮酒源绦滋，翔可戳缀强瓣髂决寒冷遗区滚篷聚绫中戆滚压涵瀵 度过低的问题。 电伴热系统的大量应用，势必消耗大量的能源，因此就要考虑节能问题。目前 我国仍然处j r 工业化社会的_ j 划，在工业上袭现出来的特征是能源消耗大、原材料 消耗多、生产效率低、产晶艨蹙差，表l 一2 绘如了世赛上一些国家驰每l 美元国民 l l f 江人学颤l 。学位论叟 第一章绪论 1 1 课题意义 随糟社会的发展，工业生产水平和人们的生活质量都在不断摁离，随之而来各 方面对电传热鲍需求量也越来越大。鼠翦电伴热酶应鼹已经深入戮王妊生产秘人们 霜豢鬟三溪中靛镶多领域雕麓。现代斧熬系绞 玺王渡生产中扮滨羞至关霞要静角色哆 应用锁域几乎遍布工业生产的各个角落：纸浆生产、发电站、炼油、远洋运输、深 海石油钻探、油气集输、消防系统、设备保温镣都大量使用伴热系统，而且电伴热 还大量成用于化工企业的储罐、泵体、工艺管道、水管和消防等设施【4 】【5j 【6 1 【7 1 0 表1 一l 列举了电伴热系统应用髀一些领域。 表1 - 1 电传热癍瑙镶竣 领域_ j 途 农副、水产、畜牧育苗、养殖、家畜、孵化、发酵、酿川、吲艺、温室婶加热保护器件 业 嚣要勰漆、敲雪及薅凝绥麴帮霞或繇嚣，热大覆、厂房逶嚣 v ：木建筑行业 口、机场跑道融雪。露天房平台，屋搪，融嚣扳、暖房护墙 板、步行桥、融雪通路标虑，住宅，工厂，公司店铺等地板 通道，结露防止、汽车容舱加热等 家j ”涮熬瀑藏痞、地扳加热器、热坐垫( 耩) 、露 l 濠器、馁嚣等取暖没麓及承道 臻冻结翔热热器、潜承衣 医疗保健用品静电治疗器，温热电地板等电磁治疗殴各 生物、制药业细菌培养等 舅步 ，电律热同样可汉疲蠲予低温状态下液压系统豹缲温。在液压系统中，液压 油的黏艘对液压油的温度比较敏感，其黏度童接影i 响了液压系统的动态性能与静态 性能。温度过低，则液压油的黏度增加，液压系统的阀、泵内部之阃摩擦增加，液 压油的：；j c 幼性能变差，严重可导致系统不能正常工作。在一些对系统控制精度比较 离的场合，就需要保持液聪系统静油湿，特鄹愚鲣界温度眈较低戆l 毒凝下。运用电 馋热，瓣波溢管鼹帮酒源绦滋，翔可戳缀强瓣髂决寒冷遗区滚篷聚绫中戆滚压涵瀵 度过低的问题。 电伴热系统的大量应用，势必消耗大量的能源，因此就要考虑节能问题。目前 我国仍然处j r 工业化社会的_ j 划，在工业上袭现出来的特征是能源消耗大、原材料 消耗多、生产效率低、产晶艨蹙差，表l 一2 绘如了世赛上一些国家驰每l 美元国民 l 滤强大学颈士掌懂论文 生产怒魏熬# 耗电羹魄较咎t 9 1 。 袭1 - 2 各个国家每一美元阑民生产总值的能耗电摄 溺粼 能耗( k j ) 指数 ， 法灏8 + 7 1 91 0 0 姑尜9 7 9 71 1 2 怠_ 尢刺1 0 9 8 91 2 6 犍蕊1 1 0 3 4l ，2 9 ；糕瓣1 1 3 6 9l 。3 0 嚣嘲1 4 。5 9 1l + 5 7 a 蕊2 0 6 6 42 3 4 e p 袭2 6 。3 4 83 ， 巾灞4 3 3 9 44 9 7 扶袋中可敬看出，我谶豹施源爨焉率较低，韪源秘用水平骞褥大幅度援离。髓 羞我黧溺琵经济夔送一步缎溪，葛翁韪漂，特麓楚苓终委秀，关系爨我藿魏戆源建 设麓褥囊一条可持续发震的道路。 煞脓效威电伴热系统( s k i n e f f e c t p o w e r t r a c i n g s y s t e m ，简称 的研制，就是基 子这样一种嬲发点。现代置姚生产巾仍然大黎缬用蒸汽伴热，而蒸汽伴热酌缺点很 多；( 1 ) 带& 性差；( 2 ) 激发控制携力差；( 3 ) 安装赞慝离；i 嚣舄之相比，集默效 应露髂热裁蠢摄多爨点：( 1 ) 毫斧蹙装要麓零，装热均匀，澄度漤礴，轰褒潦捷， 可实现自动化管理，具誉醣爆、防火及全天候忑作能辘，使月寿命妖，转输冤泄漏； ( 2 ) 繁豹熊源：( 3 ) 节约镧材；( 4 ) 节约离骥纛承；( 5 ) 保护环境，减少污染，嘏 伴热不会产生“滴、漏、跑、冒”污染环境域象；( 6 ) 降低设计、嫩二亡和维修费用。 这楚煞肤散瘴毫俸稳在按宋上鲍後癸。另终，爨默效应亳佟热在经济上与蒸汽俘热 提跑恣蠢攘丈键势，蠹豪l 一3 孛莓疆看窭囊羧效瘦寇嫠熬在经潦方覆匏往越缝： 表1 - 3 蒸汽俸燕和集肤效癍强伴煞技术经济诧较 i 伴热方拽集肤效应电倦热蒸汽伴热 l 综合熟散率 7 4 9 8l o 1 2 设计费 l3 5 皇 浙江人学硕士学位论文 没备材料费 i0 9 施工费 13 能耗费 l5 操作费 11 5 维护费 l1 4 u 伴热在提高能源利用率，节省工程投资的同时，还提高了企业的自动化程度和 管理水平。电伴热设计工作量少、施工简单，周期短、维修方便，日常维护保养工 作量小，取代蒸汽伴热是技术发展的方向，也是技术进步的必然规律6 2 1 。 l 。2 集肤效应电伴热系统的发展概况 伴热起源于欧荚国家的化工企业，在设备、管道表面与保温材料之f 目j d n 装一种 发热材料，口的足补偿设备和管道表面向环境敞失的热量。伴热的种类多种多样， 嫩原始是马粪伴热。到i 9 遒纪初，蒸汽伴热代替了马粪伴热，佯热经历了一次飞跃。 后来，又衍生出热水伴热和导热油伴热。而电伴热起源于2 0 世纪5 0 年代，发展至 今，已经占伴热领域的8 0 ，电伴热代替蒸汽伴热，这将是伴热领域的第二次飞跃。 国外在6 0 年代就丌始研制集胰效应电伴热系统，由此集肤效应电伴热系统开始得到 广泛的应用。此后，由于相关科技的发展和需求的增加，集肤效应电伴热得到了迅 速推广。2 0 世纪7 0 年代，大庆油田将该技术应用于油并清蜡和地面管线电伴热保温； 辽河油田将该技术列入2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初科研计划中，在原油输送管道和 汕井排污管等处应用，取得了显著的效果。2 0 世纪8 0 年代初，宝山钢铁公司1 0 余 k f l l 长的乖油管线的保温用了s e c t ( s k i ne f f e c tc u r r e n tt r a c i n g ) 法，全套技术 山ii 小。| 进。9 0 年1 ，哉幽l u 伴热生产厂家与幽外生产厂家合作，己生产出一批具 柏世界9 0 年代水平的电伴热产品，例如集肤效应电热抽油杆，在实际运用中取得了 良好的效果和经济效益1 6 3 j 。 随着科学技术的发展，电伴热技术也出现了很多新的产品类型。总的来讲，电伴 热可以分为以下几种类型： 恒功率电热带电热带单位长度的发热量是恒定的。恒功率电热带是将电热 丝按一定的距离与母线并联连接，形成发热节，具有最大使用长度长，热效率高等 优点。恒功率电热带主要分为并联式和串联式电热带。 变功率电热带亦称自控温型电热带，又称自限式电伴热带( s e l f - r e g u l a t i n g h e a t i n gc a b l e ) ，是当今世界上一种先进的电热保温器件。自控温电伴热电缆所用的 导电发热材料是一种具有明显p t c ( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 特性的导电高分 j i 复合物，其u l 会随着温度作非线性变化，从而自动调节输出功率，达到控温和 保温的目的。 挠性电伴热板挠性电伴热板是由耐热橡胶、均匀分布的金屈发热元件、接 浙江人学硕士学位论文 没备材料费 i0 9 施工费 13 能耗费 l5 操作费 11 5 维护费 l1 4 u 伴热在提高能源利用率，节省工程投资的同时，还提高了企业的自动化程度和 管理水平。电伴热设计工作量少、施工简单，周期短、维修方便，日常维护保养工 作量小，取代蒸汽伴热是技术发展的方向，也是技术进步的必然规律6 2 1 。 l 。2 集肤效应电伴热系统的发展概况 伴热起源于欧荚国家的化工企业，在设备、管道表面与保温材料之f 目j d n 装一种 发热材料，口的足补偿设备和管道表面向环境敞失的热量。伴热的种类多种多样， 嫩原始是马粪伴热。到i 9 遒纪初，蒸汽伴热代替了马粪伴热，佯热经历了一次飞跃。 后来，又衍生出热水伴热和导热油伴热。而电伴热起源于2 0 世纪5 0 年代，发展至 今，已经占伴热领域的8 0 ，电伴热代替蒸汽伴热，这将是伴热领域的第二次飞跃。 国外在6 0 年代就丌始研制集胰效应电伴热系统，由此集肤效应电伴热系统开始得到 广泛的应用。此后，由于相关科技的发展和需求的增加，集肤效应电伴热得到了迅 速推广。2 0 世纪7 0 年代，大庆油田将该技术应用于油并清蜡和地面管线电伴热保温； 辽河油田将该技术列入2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初科研计划中，在原油输送管道和 汕井排污管等处应用，取得了显著的效果。2 0 世纪8 0 年代初，宝山钢铁公司1 0 余 k f l l 长的乖油管线的保温用了s e c t ( s k i ne f f e c tc u r r e n tt r a c i n g ) 法，全套技术 山ii 小。| 进。9 0 年1 ，哉幽l u 伴热生产厂家与幽外生产厂家合作，己生产出一批具 柏世界9 0 年代水平的电伴热产品，例如集肤效应电热抽油杆，在实际运用中取得了 良好的效果和经济效益1 6 3 j 。 随着科学技术的发展，电伴热技术也出现了很多新的产品类型。总的来讲，电伴 热可以分为以下几种类型： 恒功率电热带电热带单位长度的发热量是恒定的。恒功率电热带是将电热 丝按一定的距离与母线并联连接，形成发热节，具有最大使用长度长，热效率高等 优点。恒功率电热带主要分为并联式和串联式电热带。 变功率电热带亦称自控温型电热带，又称自限式电伴热带( s e l f - r e g u l a t i n g h e a t i n gc a b l e ) ，是当今世界上一种先进的电热保温器件。自控温电伴热电缆所用的 导电发热材料是一种具有明显p t c ( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 特性的导电高分 j i 复合物，其u l 会随着温度作非线性变化，从而自动调节输出功率，达到控温和 保温的目的。 挠性电伴热板挠性电伴热板是由耐热橡胶、均匀分布的金屈发热元件、接 望坚叁兰墅! ：! 翌簦笙茎 地企属网等组成。当接通电源时，均匀分布的电热元件通过耐热橡胶发散热量。这 秘l 瞧褥热适躅予涵罐、撞选葶瑟容器簿。 集肷效应电伴热这是本文的研究对缘，后文中有对它的详细介绍。 各种 强伴热方式各有自己醣饶缺点，分射在不潜酶场合发挥各舀鲸俊势。集燕麦 效应电伴热主要应照在需襄长距离伴热的场合，欺型应用如原油输送管道冬季的伴 热。集获效应电斧热具有离功率密菠季雾大功率、低躐本豹毒靛势，逡藏了集获效应魄 伴热其它i 乜伴热方式不开替代的优姆地位。 1 3 集胶效应磷究现状 简单来讲，集肽敲应是指在交流电情况下电流倾向于集中在导体的表面流过的现 象。彼掘电磁感应定律，时变电场产生时燹的磁场，当电流频率辩商时，国于导体 内f ! f j 电磁场的作用，电流就被驱向母体表酾【jo j 。集肤效应嫒直接的影响是导致导体 鸱 i 珏抗增加，并且穰据信号频率酶不同导体的阻抗龟随之改交。 集肽效应在意频电路设训坤带来很大廊烦。出予很多芯片的设计中【2 8 1 ，信号频率 商达儿个g h z ，因此集胶效应的影响是十分显著的，其结聚是导致高频信号失真、 延迟，增加导体元件的发热，最终导致元件的损坏。对于笈杂的电路，特别是在大 蕊模集成电路的设计， 醚难精确的计算出榘肤效戚的影响，因此，国外对这方面的 研究相对较多 1 1 2 l l 3 州【l7 1 ，对特殊的集成电路提出相成的等效电路模型进行研 究净l ，并月发出了徭多软件对箕避行建模分桥，铡空拜i c o n n e c tt d rs o f t w a r e 。 p s p i c e l l 8 1 1 坤j 。集肤效应在电机设计中是一个比较常见的问题；许多电缆的设计也蘩 考虑集胶效应对其隆抗的影响 2 。 吲鄹1 。 虽然集胰效应在很多方话带来负面影响，但是也可以对它加以测用2 2 1 1 3 3 1 。在气 候寒冷的地区，长时间的冰雪覆盖给生产和生活都带来不馒，有时会带来破坏佳影 响，比如输电线路，结冰会将线路膳垮。于是，可以利用集肷效应对重要踏段和输 乜线路进行融冰解冻。而集j 妖效应的典型应用，剐楚在电伴热系统中。霹簖国外开 发集肤效应电伴热系统的公司较多，比较著名的有r a y c h e mr p g ，s a n j o s h e n g i n e e r s ， t r i ，s t a t et e c h n i c a ls a l e sc o r p o r a t i o n 等。这黧厂家和骈究橇鞫对集敢效应电彳率热系统 的研究，也仅限于阪旋波交流屯的应用。传统的集肤效应电伴热系统中采用的是工 颇电源，l 圭f 予负载要求革镅供电，禳据我国沌丽凌行的供奄模式，蓉直接瘸子s e c t 1 乜什热系统，势必造成电网污染，为了稳定电网通畅，工频电源普遍采用的是移相 釜蕊瀚方式，涛三穗交流毫转换残蕈稳交流邀。该耱电源装灌体狡貔太、瓣试复杂， 很难实现最佳工况雌配，且对负载长度有特殊要求，因此s e c t 法电伴热技术一直以 难以难广建羯。本文开发了以i g b t 为核心黪集默效应邀馋热系绕，该系统逸源将三 相交流电经过整流、滤波电路转换成单相直流电，再经过以i g b t 为核心的逆变电路， 转换为辕爨电滚连绥可调翁方波交流电，然蓐绘受羧镶电。该偿热系统电源装置体 望坚叁兰墅! ：! 翌簦笙茎 地企属网等组成。当接通电源时，均匀分布的电热元件通过耐热橡胶发散热量。这 秘l 瞧褥热适躅予涵罐、撞选葶瑟容器簿。 集肷效应电伴热这是本文的研究对缘，后文中有对它的详细介绍。 各种 强伴热方式各有自己醣饶缺点，分射在不潜酶场合发挥各舀鲸俊势。集燕麦 效应电伴热主要应照在需襄长距离伴热的场合，欺型应用如原油输送管道冬季的伴 热。集获效应电斧热具有离功率密菠季雾大功率、低躐本豹毒靛势，逡藏了集获效应魄 伴热其它i 乜伴热方式不开替代的优姆地位。 1 3 集胶效应磷究现状 简单来讲，集肽敲应是指在交流电情况下电流倾向于集中在导体的表面流过的现 象。彼掘电磁感应定律，时变电场产生时燹的磁场，当电流频率辩商时，国于导体 内f ! f j 电磁场的作用，电流就被驱向母体表酾【jo j 。集肤效应嫒直接的影响是导致导体 鸱 i 珏抗增加，并且穰据信号频率酶不同导体的阻抗龟随之改交。 集肽效应在意频电路设训坤带来很大廊烦。出予很多芯片的设计中【2 8 1 ，信号频率 商达儿个g h z ，因此集胶效应的影响是十分显著的，其结聚是导致高频信号失真、 延迟，增加导体元件的发热，最终导致元件的损坏。对于笈杂的电路，特别是在大 蕊模集成电路的设计， 醚难精确的计算出榘肤效戚的影响，因此，国外对这方面的 研究相对较多 1 1 2 l l 3 州【l7 1 ，对特殊的集成电路提出相成的等效电路模型进行研 究净l ，并月发出了徭多软件对箕避行建模分桥，铡空拜i c o n n e c tt d rs o f t w a r e 。 p s p i c e l l 8 1 1 坤j 。集肤效应在电机设计中是一个比较常见的问题；许多电缆的设计也蘩 考虑集胶效应对其隆抗的影响 2 。 吲鄹1 。 虽然集胰效应在很多方话带来负面影响，但是也可以对它加以测用2 2 1 1 3 3 1 。在气 候寒冷的地区，长时间的冰雪覆盖给生产和生活都带来不馒，有时会带来破坏佳影 响，比如输电线路，结冰会将线路膳垮。于是，可以利用集肷效应对重要踏段和输 乜线路进行融冰解冻。而集j 妖效应的典型应用，剐楚在电伴热系统中。霹簖国外开 发集肤效应电伴热系统的公司较多，比较著名的有r a y c h e mr p g ，s a n j o s h e n g i n e e r s ， t r i ，s t a t et e c h n i c a ls a l e sc o r p o r a t i o n 等。这黧厂家和骈究橇鞫对集敢效应电彳率热系统 的研究，也仅限于阪旋波交流屯的应用。传统的集肤效应电伴热系统中采用的是工 颇电源，l 圭f 予负载要求革镅供电，禳据我国沌丽凌行的供奄模式，蓉直接瘸子s e c t 1 乜什热系统，势必造成电网污染，为了稳定电网通畅，工频电源普遍采用的是移相 釜蕊瀚方式，涛三穗交流毫转换残蕈稳交流邀。该耱电源装灌体狡貔太、瓣试复杂， 很难实现最佳工况雌配，且对负载长度有特殊要求，因此s e c t 法电伴热技术一直以 难以难广建羯。本文开发了以i g b t 为核心黪集默效应邀馋热系绕，该系统逸源将三 相交流电经过整流、滤波电路转换成单相直流电，再经过以i g b t 为核心的逆变电路， 转换为辕爨电滚连绥可调翁方波交流电，然蓐绘受羧镶电。该偿热系统电源装置体 塑坚叁兰塑! ：兰些笙兰 积小、重最轻、效率高、操作简单，对电网无污染，值得进一步推广应用。 1 4 集肤效应电伴热系统的关键技术 集肽效应电伴热系统的关键技术可以分为两个部分：( 1 ) 对集肤效应原理的研 究与分析，以找出重新设计集肤效应电伴热系统的方法：( 2 ) 集肤效应电伴热系统 的软、硬件系统设计，主要是系统控制电源的设计。这个是集肤效应电伴热系统的 关键所在，关系到其能否得以广泛的应用。硬件系统包括系统控制电路的设计和强 u 部分的i 5 2 计。强电部分是a d d c 和d c a c 的转换，绝缘栅极双极性二极管( i g b t ) 应用设计是d c a c 实现的关键。软件部分主要是p l c 控制程序的设计。 1 5 主要工作内容 ( 1 ) 理论部分，集肤电流加热法的电磁场分布分析，钢管电流密度分析，方波 交流电的集肤效应研究。 ( 2 ) 集肤效应电伴热系统温度控制系统的建模与仿真研究。 ( 3 ) 集肤效应电伴热系统用电源控制系统的硬件设计，包括i g b t 桥路的驱动 保护电路，显示电路和接口电路，以及信号采集处理电路。 ( 4 ) 控制系统的软件设计，包括下微机p l c 编程与上微机串口通讯编程。 ( 5 ) 试验部分，完成集肤效应加热试验和试验数据分析。 塑坚叁兰塑! ：兰些笙兰 积小、重最轻、效率高、操作简单，对电网无污染，值得进一步推广应用。 1 4 集肤效应电伴热系统的关键技术 集肽效应电伴热系统的关键技术可以分为两个部分：( 1 ) 对集肤效应原理的研 究与分析，以找出重新设计集肤效应电伴热系统的方法：( 2 ) 集肤效应电伴热系统 的软、硬件系统设计，主要是系统控制电源的设计。这个是集肤效应电伴热系统的 关键所在，关系到其能否得以广泛的应用。硬件系统包括系统控制电路的设计和强 u 部分的i 5 2 计。强电部分是a d d c 和d c a c 的转换，绝缘栅极双极性二极管( i g b t ) 应用设计是d c a c 实现的关键。软件部分主要是p l c 控制程序的设计。 1 5 主要工作内容 ( 1 ) 理论部分，集肤电流加热法的电磁场分布分析，钢管电流密度分析，方波 交流电的集肤效应研究。 ( 2 ) 集肤效应电伴热系统温度控制系统的建模与仿真研究。 ( 3 ) 集肤效应电伴热系统用电源控制系统的硬件设计，包括i g b t 桥路的驱动 保护电路，显示电路和接口电路，以及信号采集处理电路。 ( 4 ) 控制系统的软件设计，包括下微机p l c 编程与上微机串口通讯编程。 ( 5 ) 试验部分，完成集肤效应加热试验和试验数据分析。 浙江大学硕士学位论文 第二章集肤效应原理的研究 2 1 集肤效应电伴热 集肤效应电流伴热的基本形式如图2 1 所示 耐热导线加热管 图2 - 1 集肤电流伴热法基本形式 钢管被焊接到被电伴热的管道上，耐热导线从钢管中穿过，并和钢管形成闭合回 路。给电路通以交流电，钢管、刷热导线由于交流阻抗发出焦耳热，从而实现的管 道的外伴随加热。其剖面图如图2 2 所示。虽然集肤效应伴热绝大多数应用在管道 伴热上，但是它伴热的对象可以是其他的东西比如钢轨、电缆等等。 有些场合，比如海底管道的伴热，电伴热管在管道内与管线同心钠设，称为中央 位簧伴热。 图2 - 2 集肤电流伴热法横向剖面示意图 集肤电流伴热装置本身具有防爆功能，构造简单，寿命长。热效率高，电伴热距 离长。而且集肤电流伴热成功的解决了几乎是所有电器设备特别需要考虑对策的绝 缘问题一一电伴热管和输送管道上均没有电流通过。这是集肤电流伴热重要的特点 浙江大学硕士学位论文 第二章集肤效应原理的研究 2 1 集肤效应电伴热 集肤效应电流伴热的基本形式如图2 1 所示 耐热导线加热管 图2 - 1 集肤电流伴热法基本形式 钢管被焊接到被电伴热的管道上，耐热导线从钢管中穿过，并和钢管形成闭合回 路。给电路通以交流电，钢管、刷热导线由于交流阻抗发出焦耳热，从而实现的管 道的外伴随加热。其剖面图如图2 2 所示。虽然集肤效应伴热绝大多数应用在管道 伴热上，但是它伴热的对象可以是其他的东西比如钢轨、电缆等等。 有些场合，比如海底管道的伴热，电伴热管在管道内与管线同心钠设，称为中央 位簧伴热。 图2 - 2 集肤电流伴热法横向剖面示意图 集肤电流伴热装置本身具有防爆功能，构造简单，寿命长。热效率高，电伴热距 离长。而且集肤电流伴热成功的解决了几乎是所有电器设备特别需要考虑对策的绝 缘问题一一电伴热管和输送管道上均没有电流通过。这是集肤电流伴热重要的特点 浙江人学坝l ：学位论史 之+ 。 2 2 集h 夫效应原理分析 一般来讲，对一导体通以交流电，则电流会倾向于集中在导体的表面流过，如图 = = 二二= = 剀2 - 3 圆柱导体集肤效应 2 3 所示，颜色较深的地方，表示电流密度比较大。下面对集肤效应的原理进行分 析，从电磁场的角度，阐述集肤效应发生机理。 2 2 1 电磁场的基本理论分析 “1 十本系统使用的是方波交流电，因此，方波交流电的集肤效应现象，就是这 蜘f 究重点【2 7 】。 假发 厂g ) = 为振幅为爿、周期为r 的方波，经过傅立叶变换，展开后则可以表示为 厂c x ，= 等( s i n 研+ ；s i n ，硪+ s i n s 研t j 一z ， 所以，周期为2 r a m 、振幅为，。的方波电流可以表示为 扛等( s i l l 删+ 扣研 5i n s 耐+ 扣，一) c z 吲 万l3 7 由此叫见，对铜管中的方波产生的电磁场的研究可以归结到对正旋稳态电磁场的研 究，方波信号可以 见为刁i 同频率难旋波信号的叠加。对一导体通以方波交流咆，可 视为_ i 州频率的j 卜弦波交流电在导体上的叠加。所以导体对正弦波交流电的各种性 质，方波交流电同样使用。现在就以具有普遍意义的随时间做正弦变化的电磁场作 为研究刈象。 在静止媒质中，麦克斯韦方程组为 一 争玎 x x ( 畦 小 州 浙江人学坝l ：学位论史 之+ 。 2 2 集h 夫效应原理分析 一般来讲，对一导体通以交流电，则电流会倾向于集中在导体的表面流过，如图 = = 二二= = 剀2 - 3 圆柱导体集肤效应 2 3 所示，颜色较深的地方，表示电流密度比较大。下面对集肤效应的原理进行分 析，从电磁场的角度，阐述集肤效应发生机理。 2 2 1 电磁场的基本理论分析 “1 十本系统使用的是方波交流电，因此，方波交流电的集肤效应现象，就是这 蜘f 究重点【2 7 】。 假发 厂g ) = 为振幅为爿、周期为r 的方波，经过傅立叶变换，展开后则可以表示为 厂c x ，= 等( s i n 研+ ；s i n ，硪+ s i n s 研t j 一z ， 所以，周期为2 r a m 、振幅为，。的方波电流可以表示为 扛等( s i l l 删+ 扣研 5i n s 耐+ 扣，一) c z 吲 万l3 7 由此叫见，对铜管中的方波产生的电磁场的研究可以归结到对正旋稳态电磁场的研 究，方波信号可以 见为刁i 同频率难旋波信号的叠加。对一导体通以方波交流咆，可 视为_ i 州频率的j 卜弦波交流电在导体上的叠加。所以导体对正弦波交流电的各种性 质，方波交流电同样使用。现在就以具有普遍意义的随时间做正弦变化的电磁场作 为研究刈象。 在静止媒质中，麦克斯韦方程组为 一 争玎 伽，位移电流可以忽略 ( v2 叫盯靴) = o 其柏量形式为：c v 2 一，掣盯， 喜 = 。 有了以| 二理论推导的基础，就可以做进一步的分析。 2 2 2 圆柱形导体的交流电磁场分布 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 因此可得 ( 2 1 5 ) ( 2 一1 6 ) 先从简单的圆柱形导体出发。 殴有长直圆柱形导线，半径为盯，通有电流印) = ，。s i n ( w t ) 。显然，导体内部的 电磁场为时谐场。采用圆柱坐标系如图2 - - 4 所示。 电场强度和电流密度只有轴向分量，磁场强度只有周向分量，且由于对称性，场量 只随半径，变化，因此，下面两式 浙江人学坝i 。学位论文 l f vz 唯篓此 l8 t 。 d ie 0 对于r 旋时变电磁场，( 2 1 2 ) 的相量形式为 h ， ，、l 南 【v 。一j o o p ( z + 2 口，l ? id l 立 = 0 式中， 盯电导率，s m ； 一介电常数，f m ： p 一 电流体密度，c m 3 ； “一磁导率，h ： 一磁场强度，a ； b 一磁感应强度，r ； 一f 乜场强度，v m ； d 一电感应强度，c m 2 ： j 一传导p 乜流密度，a m 2 i 拍于钢的电导率较大，o - 伽，位移电流可以忽略 ( v2 叫盯靴) = o 其柏量形式为：c v 2 一，掣盯， 喜 = 。 有了以| 二理论推导的基础，就可以做进一步的分析。 2 2 2 圆柱形导体的交流电磁场分布 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 因此可得 ( 2 1 5 ) ( 2 一1 6 ) 先从简单的圆柱形导体出发。 殴有长直圆柱形导线，半径为盯，通有电流印) = ，。s i n ( w t ) 。显然，导体内部的 电磁场为时谐场。采用圆柱坐标系如图2 - - 4 所示。 电场强度和电流密度只有轴向分量，磁场强度只有周向分量，且由于对称性，场量 只随半径，变化，因此，下面两式 浙江大学硕士学位论文 v ! h j w * 8 h = 0 v 2 e j u w j e = 0 可以写成 丛坠+ ! 坐一z 奇：0( 2 1 7 ) 了+ 了1 厂“一 “ 堡二0 盟一2 壹：0 ( 2 1 8 ) d r z rd r 式 jk = ，口y 图2 4 圆柱导体的坐标系 以上两式是以j k r 为自变量的零阶贝塞尔方程。上述两式只要求解其中任何一式，另 一场量可以通过麦克斯韦方程组有关公式推出。现在求解( 2 - - 1 8 ) 式，其一般通解 的形式是 e ：= c i d o ( j k r ) + c 2 ( j k r ) ( 2 1 9 ) 式中，j 。和分别是零阶第一类和第二类贝塞尔函数，当r = 0 时，k ( ，打) 的供趋向 儿穷人，因电场强度不可能趋向无穷大，故c ：= 0 。j o ( j k r ) 经展开后可化为i o ( 打) “川小面1 ( k r ：+ 击( 等) 4 + “钆渺) ( 2 - - 2 0 ) j o ( 打) 称为修正零阶第一类贝塞尔函数。这样，圆柱内的电场强度为 e = c ，o ( 打) 而电流密度为占= c 风( k r ) 批一去阱品掣 山贝塞尔函数的递推公式，坐掣：，( 。) ，i i ( 。) 为一阶第一类修正贝塞尔函数，得 n x 奇一= 瓮j 枇) = 孚帕) 删芹 浙江人学硕： 学位论文 由全电流定律可知，当r = a 时，应有h ( a ) 2 月a = ， 1 f i j 得积分常数 于是可得 c i = 瓦万k i 两 扛kl榴=吾m万ka碉lo(kr)2rcay k aik a ，1 ()2 ，i () ( 2 2 1 ) 扛2 k 叫j ll o ( ( 矿k r _ 趔) 挫榴( 2 - - 2 2 ) 2 k a 2 ，l 渺)州) 扯去榴= 兰矧( 2 - - 2 3 ) ， 上面三式中巧：o = 三表示假定电流作为均匀分布时的电流密度。 对于式( 2 - - 2 2 ) , 有未2 等耥 式中等号两端均为复数，查数学手册可以就算出比值的模随半径r 变化的曲线( 如图 jl i f f 一 一r 0 r x 图2 - 5 圆柱导体的电流分布 2 5 所示) 。可以看出，圆柱导体在交流电的作用下，电流密度随导体半径的增加而 增大，也就是说，电流趋向于导体的表面流过，就是所谓的集肤效应。下面作进一 步分析，看在集肤效应电伴热电路中，伴热钢管中电流的分枷情况。 浙江人学硕士学位论文 2 2 3 集肤效应电流伴热中钢管内壁电磁场分布 集肤效应电伴热中伴热钢管的纵 向剖面示意图如图2 6 所示。假定钢 管是实心的，中问没有导线穿过，只 是作为圆柱形导体，取其纵切面作为 研究列象，建立如图2 7 所示的坐标 系，其中y 方向是钢管长度方向，x 是 钢管直径方向，i 为感应电流。 图2 - 6 集肤效应原理图 忽略边缘效应，则若沿x 方向有变化，沿y 方向可视为无变化。茜沿z 方向有变 化。所以，电磁场可视为b 仅有b ：分量而e 仅有e ，分量。 两场量仅是x ，t 的函数而不是y 和z 的函数。 由v2 e 一，掣e = 0 可得：单一