（电机与电器专业论文）plc控制感应加热成套系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1感应加热的原理【1 】【2 】【3 】 l8 31 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的现象。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，产生热量、实现对工件的加热。 如图1 一l 所示。 f 图1 1 工件放入感应线圈中，当感应线圈中流过交变电流i 时，便会产生交变磁通 ，- e t j ：由于电磁感应而产生感应电动势p 。 。：一坐 d t 负号表示感应电动势总是试图阻止磁通的变化。= 。，s i n ，则 p ：一坐：一。，c 。s 7 dt 7 ” 有效值e = 4 4 4 f 。， 工件是有一定电阻的导体，于是感应电动势在工件中会产生感应电流f ，在 电阻的作用下便会发热，其热量为q 。根据焦耳一楞茨定律，q 的表达式为： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1感应加热的原理【1 】【2 】【3 】 l8 31 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的现象。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，产生热量、实现对工件的加热。 如图1 一l 所示。 f 图1 1 工件放入感应线圈中，当感应线圈中流过交变电流i 时，便会产生交变磁通 ，- e t j ：由于电磁感应而产生感应电动势p 。 。：一坐 d t 负号表示感应电动势总是试图阻止磁通的变化。= 。，s i n ，则 p ：一坐：一。，c 。s 7 dt 7 ” 有效值e = 4 4 4 f 。， 工件是有一定电阻的导体，于是感应电动势在工件中会产生感应电流f ，在 电阻的作用下便会发热，其热量为q 。根据焦耳一楞茨定律，q 的表达式为： 浙江大学颇i j 学位论文 m 4 , - 1 二获得的功率为 0 = o 2 4 1 ；r t 。 p = e 1 c o s p = 4 4 4 # , , c o s 妒 感应加热方式是通过感应线圈把电能传递给被加热的金属工件，然后电能再 在金属工件内部转化为热能，感应线圈与金属工件并非直接接触，能量是通过电 磁感应传递的，因而，我们把这种加热方式称为感应加热。 感应加热所遵循的主要原理是：电磁感应、集肤效应、热传导。为了将金属 工件加热到一定的温度，要求工件中的感应电流尽可能地大，增加感应线圈中的 电流，以增加金属工件中的交变磁通、进而增加工件中的感应电流，现代感应加 热设备中，感应线圈中的电流最大可以达到几千甚至上万安培。增加工件中感应 电流的另一个有效途径是提高感应线圈中电流的频率，由于工件中的感应电势正 比于交变磁通的变化率、感应线圈中电流的频率越高，磁通的变化就越快、感应 电势就越大，工件中的感应电流也就越大。对同样的加热效果，频率越高，感应 线圈中的电流就可以小一些，这样可以减少线圈中的功率损耗，提高设备的电效 率。 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，工件中一i z , 部位的温度 就越低。如果感应加热时f j k ，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：1 ：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f 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。 过去1 o o 多年，感应加热的理论和感应加热装置都有很大的发展，感应 加热的应用领域亦随之扩大，其应用范围越来越广。究其原因，主要是感应 加热具有如下一些特点： 感应加热具有如下一些特点： ( 1 ) 加热温度高，而且是非接触式加热： ( 2 ) 加热效率高，可以节能； 一2 一 ( 3 ) 加热速度快，被加热物的表面氧化少； ( 4 ) 温度容易控制，产品质量稳定，省能； ( 5 ) 可以局部加热，产品质量好，节能： ( 6 ) 容易实现自动控制，省力： ( 7 ) 作业环境好，几乎没有热，噪声和灰尘 ( 8 ) 作业占地少，生产效率高； ( 9 ) 能加热形状复杂的工件； ( 1 0 ) 工作容易加热均匀，产品质量好。 表格1 1 说明了感应加热电源的应用领域。 应用部门主要用途 黑色、有色金属的冶炼和保( 升) 温；金属材料的热处理；冷坩 冶金埚熔炼、区域熔炼、悬浮熔炼等制取超纯材料；锻造、挤压、轧 制等型材生产的透热：焊管生产的焊缝。 黑色和有色金属零件的铸造和精密铸造金属的熔炼：机器零件的 淬火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火和正火等热处理 机械制造的加热；化学热处理的感应加热；压力加工( 锻、挤、轧等) 前 的透热，特别是模锻、精锻等；钎焊；对焊；硬质合金的熔焊； 金属涂层及其他场合的加热烘干：热装配等。 轻工罐头封口加热、合成纤维生产中间接加热等。 石油、化 化学反应釜等容器加热、输油管道焊接缝现场退火，输油管路的 工保温等 电子电予管生产中的真空除气时的加热等 表格1 2 感应加热电源的应用领域 1 2 感应加热的发展概况【1 5 】【1 e 】【1 ，】 1 2 1 感应加热的发展历史 从18 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的一百多年中，电磁感应原 一3 一 ( 3 ) 加热速度快，被加热物的表面氧化少； ( 4 ) 温度容易控制，产品质量稳定，省能； ( 5 ) 可以局部加热，产品质量好，节能： ( 6 ) 容易实现自动控制，省力： ( 7 ) 作业环境好，几乎没有热，噪声和灰尘 ( 8 ) 作业占地少，生产效率高； ( 9 ) 能加热形状复杂的工件； ( 1 0 ) 工作容易加热均匀，产品质量好。 表格1 1 说明了感应加热电源的应用领域。 应用部门主要用途 黑色、有色金属的冶炼和保( 升) 温；金属材料的热处理；冷坩 冶金埚熔炼、区域熔炼、悬浮熔炼等制取超纯材料；锻造、挤压、轧 制等型材生产的透热：焊管生产的焊缝。 黑色和有色金属零件的铸造和精密铸造金属的熔炼：机器零件的 淬火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火和正火等热处理 机械制造的加热；化学热处理的感应加热；压力加工( 锻、挤、轧等) 前 的透热，特别是模锻、精锻等；钎焊；对焊；硬质合金的熔焊； 金属涂层及其他场合的加热烘干：热装配等。 轻工罐头封口加热、合成纤维生产中间接加热等。 石油、化 化学反应釜等容器加热、输油管道焊接缝现场退火，输油管路的 工保温等 电子电予管生产中的真空除气时的加热等 表格1 2 感应加热电源的应用领域 1 2 感应加热的发展概况【1 5 】【1 e 】【1 ，】 1 2 1 感应加热的发展历史 从18 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的一百多年中，电磁感应原 一3 一 ( 3 ) 加热速度快，被加热物的表面氧化少； ( 4 ) 温度容易控制，产品质量稳定，省能； ( 5 ) 可以局部加热，产品质量好，节能： ( 6 ) 容易实现自动控制，省力： ( 7 ) 作业环境好，几乎没有热，噪声和灰尘 ( 8 ) 作业占地少，生产效率高； ( 9 ) 能加热形状复杂的工件； ( 1 0 ) 工作容易加热均匀，产品质量好。 表格1 1 说明了感应加热电源的应用领域。 应用部门主要用途 黑色、有色金属的冶炼和保( 升) 温；金属材料的热处理；冷坩 冶金埚熔炼、区域熔炼、悬浮熔炼等制取超纯材料；锻造、挤压、轧 制等型材生产的透热：焊管生产的焊缝。 黑色和有色金属零件的铸造和精密铸造金属的熔炼：机器零件的 淬火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火和正火等热处理 机械制造的加热；化学热处理的感应加热；压力加工( 锻、挤、轧等) 前 的透热，特别是模锻、精锻等；钎焊；对焊；硬质合金的熔焊； 金属涂层及其他场合的加热烘干：热装配等。 轻工罐头封口加热、合成纤维生产中间接加热等。 石油、化 化学反应釜等容器加热、输油管道焊接缝现场退火，输油管路的 工保温等 电子电予管生产中的真空除气时的加热等 表格1 2 感应加热电源的应用领域 1 2 感应加热的发展概况【1 5 】【1 e 】【1 ，】 1 2 1 感应加热的发展历史 从18 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的一百多年中，电磁感应原 一3 一 浙江大学硕n 学位论文 理己被广泛用于电动税、发电视、变压器军露无线毫通讯等方面。早籁人们认为无 论是在电潞或磁路中，任俺熬效应郝楚一荦孛有害豹副 乍褥。为此，为了最大陵度 地减少有害的涡流发热，工程师们对变压器和电动机的磁芯采用了整片结构， 使平行予绕组轴线方向其有较 氐的磁龌，而璃瓣蠹于磁通方向的磁芯圆餍上 又其有较薅静磁疆。 直到1 9 世纪术，瑞熟人k j e l i n 在f o u c a u l t 、h e a v i s i d e 和t h o m s o n 等人对提 出涡流理论和能量由线淄肉铁芯传输的阀题的蒸勰上发明了宥芯惑应加热炉用 予衾属冶炼，入稍乏开始认识到电磁感应的涡流效应熬应蘑份饿。 从此以后，大量的备型感应加热理论和感应加热装置得到了稳步的发展，并 歼始应用于髑部加热，感应加热的应用领域亦随之扩大，其应用范围越来越广。 8 9 2 年整赛上第一台中频发窀聿旯缀磷镶成功，1 9 5 8 年第一只2 0 0 伏、5 0 安可控 醚涎生以来，随着可控硅容量的逐步增加和快速可控硅的出现，可控硅变频器材 得到了飞跃的发展。可控硅变频器最早在敬1 1 4 现。1 9 6 6 年瑞士b r o w nb o v e 鞠公司发东了第一台功率为7 5 0 予瓦、颓率为1 0 0 0 h z 蛉可控磷中频电源供瑞士 ”家翻砂。应用，采用劳联逆变线路，炉子电压为1 4 0 0 伏。与此嗣时，西德a e g 公司在1 9 6 6 年研制成了8 4 0 千瓦、5 0 0 h z 的串联通变器，炉子电压为3 0 0 0 伏。 感应加热电源是感应加热酾关键设备之一，冀发震与电力电子学及电力半导 体器件的发展密切相关。本世纪初玻璃管汞弧整流器的发明标志彗电力$ - y t 9 起源，丽5 0 年代末半导体硅晶闸管的出现则标志餐以固态半导体期间为核心的 躐代电力毫予掌匏开始。在5 0 年代豁，感应掘燕电源主要有：工频感应熔炼炉、 电磁倍频器、中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。 5 0 年代束，硅晶闹管的出现引起了感应加热电源技术以致熬个电力电予学的 场革命，感应糯热电源及应耀得到了飞遽发震。岛8 0 年代以来，现代半导体 微集成加工技术与功率半导体技术的结台，为开发新型功率半导体器件提供了条 僻：，杯继出观了大批金控型电力电子半导体器件( g t r ，m o s f e t ，1 g b t s i t ts i t h t m c t 等) ，极大地推动了咆力电予学的发震，为围态超音频、高 频电源的研制提供了烙实的撼础。 。d 。 1 2 2 感应加热电源的发展动态 至今，在中频( 1 5 0 h z 1 0 k h z ) 范m 内，晶闸管中频感应加热装置己完全取代了 传统的中频发电机组和电磁倍频器。国外装置的最大容量已达数十兆瓦，国内也 已形成2 0 0 0 h z - 8 0 0 0 h z ，功率为1 0 0 k 、丙k 3 0 0 0 k w 系列产品，可以配备5 吨以下 的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热，表面洋火等热处理工艺。 因此，在研究和开发更大容量的并联逆变中频电源的同时，研制结构简单，易于 频繁启动的串联逆变中频电源是国内中频感应加热装置领域有待解决的问题，尤 其是在炼炉、铸造应用中，串联逆变电源易实现全工况下恒功率输出( 有利于降 低电能吨耗) 及单机多负载功率分配控制，更值得推广应用。 在超音频( i o k h z i o o k h z ) 频段内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限 制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度，它必须通过改变电路拓扑结构 才有可能实现。浙江大学在7 0 年代开始研制晶闸管倍频逆变电路，目前产品水 平为2 5 0 3 2 0 k w 1 0 1 5 k h z 后于8 0 年代末又采用改进型倍频逆变电路研制了 5 0 k w 5 0 k h z 晶闸管超音频电源，但由于倍频电路的双谐振回路耦合使负载呈非 线性，时变加热负载参数与谐振回路参数匹配调试较复杂及后出现的晶闸管固态 加热电源的频率及功率可完全覆盖而没有得到很好的推广应用。7 0 年代末和8 0 年代初，现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术的结合，为开发新型功率 半导体器件提供了条件，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件，为固态 超音频、高频电源的研制提供了坚实的基础。第一台晶体管超音频感应加热电源 在1 9 8 5 年面世，其容量为2 5 k w 5 0 k h z ，由于单管容量小而采用了多管并联技 术，功率晶体管开关速度受到存储时间限制( us 级) 及它存在致命的二次击穿问 题，限制了它的推广使用，随后出现的达林顿晶体管功率模块大多为电机调速应 用设计，其开关速度更低，一般无法适用于感应加热电源。1 9 9 3 年西班牙报导 了3 6 0 0 k w 1 0 k h z 的i g b t 电流型感应加热电源。1 9 9 4 年日本采用i g b t 研 制出1 2 0 0 k w 5 0 k h z 的电流型感应加热电源。浙江大学9 0 年代起从晶闸管转向 i g b t 在超音频电源上应用，成功的研制了4 0 0 k w 5 0 k h z 感应加热电源，其他 单位有关于1 0 0 k w 2 0 k h z 装置的报导。 功率m o s 晶体管与功率双极晶体管相比存在许多优点，由于其不存在存储 时间，因此它的开关时间远远小于双极晶体管，另外，m o s 晶体管不存在二次 5 浙江大学硕士学位论文 击穿问题，具有矩形完全区、驱动功率小、易并联等优点，非常适合于高频大功 率感应加热电源应用，采用m o s 管可能引起的问题是由于高速开关要求电源工 艺布置严格，另外，高压m o s 晶体管通态损耗较大。1 9 8 3 年美国g e 公司发明 了一新的很有前途的功率器件一i g b t ，它综合了m o s 管与双极晶体管的优点， i g b t 结构除增加一n 层外非常像m o s 管结构，因此在其通态压降低的同时开 关速度加快，自1 9 8 8 年解决了擎注问题后( 由寄生n p n 晶体管引起) ，大功率高 速i g b t 己成为众多加热电源的首选器件，频率达1 0 0 k h z ，功率达m w 级电源 己可实现。如1 9 9 4 年，日本采用i g b t 研制出了1 2 0 0 k w ，5 0 k h z 的电流型并联 逆变感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态，并实现了微机控制：西班牙 在1 9 9 3 年也己报道了3 0 k w 6 0 0 k w ，5 0 1 0 0 k h z 电流型并联逆变感应加热电源， 欧、美地区的其他一些国家如英国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电 源目前最大容量也达数百千瓦。国内在9 0 年代初，浙江大学开始对i g b t 超音 频电源的研制，1 9 9 6 年5 0 k w 5 0 k h zi g b t 电流型并联逆变感应加热电源通过 了产品鉴定，目前的研制水平为2 0 0 k w 、5 0 k h z ，与国外的水平仍有相当大的距 离。 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 频段，目前国外正处在从传统的电子管电源向晶体管化 全固态电源的过渡阶段，以模块化、大容量化，m o s f e t 功率器件为主。在欧 美各国，采用m o s f e t 的技术正在突飞猛进。西班牙采用m o s f e t 的电流型感 应加热电源制造水平达6 0 0 k w 似0 0 k h z ，德国在1 9 8 9 年研制的电流型m o s f e t 感应加热电源水平达4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z ，比利时l n d u c t oe l p h i a c 公司生产的电 流型m o s f e t 感应加热电源水平可达1 0 0 0 k w 1 5 6 0 0 k h z 。应用于高频电源的 另一功率器件为静电感应晶体管( s i t ) ，主要以日本为主，系列化的焊管用高频 电子振荡器的水平为5 1 2 0 0 k w 1 0 0 - - 5 0 0 k h z ，而其采用的s i t 的固态水平可 达4 0 0 k w y 4 0 0 k h z ，s i t 开关速度比m o s f e t 快，但由于s i t 制造工艺上的问 题使得其成本一直居高不下，而且有通态损耗很大的缺点，随着m o s f e t 、i g b t 性能不断改进，s i t 将失去它存在的价值。国内浙江大学在9 0 年代研制成 2 0 k w 3 0 0 k h z 电压型m o s f e t 高频电源，己被成功应用于小型刀具的表面热处 理和飞机涡轮叶片的热应力考核试验中。1 9 9 6 年天津高频设备厂和天津大学联 合开发出7 5 k w 2 0 0 k h z 的s i t 感应加热电源。 - 6 竖鼗奎笺避主鲎壁笪塞一一 感应搬热电源按零麴发展与功搴豢譬然器 譬静发展整不可分t 蘧菪功搴器秽 豹大套爨纯、嵩频琵教鼹，黪将带动感疲艇热魄源憋大容量钱、怒频他。其发袋 趋势太致可以概括为如下几个方蕊： 1 。巍颓纯 基静，感应热熬魄源在巾频频段囊蘩采题器耀警，越豢凝凝羧主瑟采瘸 i g b t ，聪寓频频段，由于s i t 存在藏罨遗损耗等缺陷，网际上主要发鼹m o s f e t 电源。感应麴热邀源谐掇滋交器孛袋耀豹功率嚣佟摹疆予实现款嚣荚，逛是，感斑 擞热电添透露功率较大，对功率器结、嚣源器耱、彀缆、毒线、接撼、羼薮等均 有谗多特殊要求，戈其是搿频电源。因此实现感敷加热电源赢频他仍蠢诲多应髑 基础技拳爨遂一步掭讨，姆鬟是毅激糍羧大功率爨转( 懿m c t 、i g c t 及s i c 功 率游传等) 的鞫擞褥逡一拶馁遴裹频感癜热热毫源麴发襞。 2 。大容爨他 麸暾鼹戆煮疆来毒虑戆黢热热魄溅熬大容熬纯，霹将大容囊技零分麓蘧大 突：一类是嚣转糖串、雾黢。在嚣馋鹣零、并联方式串，必须认囊娃瑾串联辩锋 的均压蝴题敷势联器绺韵均漉阉题，出予爨舞铡逡王芑秘参数弱褒数牲，鼹裂了 器转豹枣、羚联数疆，盈攀、著联数熬多，装鬟蕊霹纛经越熬。多念窀漂熬攀、 舞联技零楚瓷器铎串、势联技术基戳上避一多大容爨纯戆京酸手段，偌劲予蜀嚣 的电源审、势联技术，巍鼙瓤容量逑当筑螓况下，霹麓攀避通过零、势联运抒方 式褥到大容爨装漫，褥套擎极只是装爨熬令攀元残一唾、模块。 感纛嬲热邀潦遂交器象蘩鸯并联遂窝嚣帮攀联逶交器。率袋递交器输淑麓簿 效必一低阻抗的魄基源，强二电压源并联怼，耀嚣翊瓣旗篷、鞠像骝频率不逶藏 波秘对褥譬致缀大熬黪滚，班数逆黛嚣牟懿窀浚产室严黧不均，西魄串联遂交瓣 襻程著瓿扩察毯难：瑶瓣势鞭遂交器，递交器输入端躺支流大窀抗器对充当各并 联嚣之闼翘溅缓滓强繁，馊褥输入璇熬a c d c 域d c d c 强繁蠢足够的融潮采 绸歪壹滤惑滚瓣镳差，遮戮多壤若联扩容。鑫舔警纯簇音频、海凝魄深多果蠲弗 联逆交嚣结椽，并联递交器荔于模块他、大容薰纯怒箕中的一个主要原因。 3 。负载嚣粼 感应热热魄滚多应翅予工鼗现场，蒸运行工溅毙较羹杂，它与钢铁、冶鑫辩 金耩热怒遴行蛙葵有十分密韬翡联系，京的负载辩象备式各样，丽电源主变器与 7 。 塑婆杰堂塑耋鲎焦笙塞 受载是一枣钒豹整傣，受泼塞接影响剽逛滚翡运行效率秘霹纛性。辩焊接、浆灏 热处理铃负载，一般袋用题配变压器连接电源翻负载感应器，纣礴频、超赘频电 源翅靛酝酝变压器要求漏抗缀小，翔舞实骥匹酝变愿器豹裹熊输入效率，从磁 叟 毒考料选择劐绕缀结椽豹设诗己浅凳一个蘸爨谋爨，爨羚，扶彀爨撼羚上受载继稳 以三个炙源愆件代替原激黝髓个秃源元 孛以取消珏酝变娠器，实现愆效、低戏本 隔舞珏酝。 4 。成襄装疆及智熬讫撩联 照蔫感戏热处理缴产线自动化控剃程发及对逝源珂戆性要戡黝提燕，感盛炽 热邀源囊波鬻能让控秘方疯发展。蒜毒计箨摄磐髓按强、远穰控制、款障鑫懿诊 叛等控制经辘鳃感应麓热奄源歪减必下代发鼹嚣瓠。 5 。襄功零因素，低谐波电源 出予感斑撅熬弼壤源一黢功率都缀大，毯裁对它鳃臻率嚣数、溪波污染捂拣 还没有严格襄求，僵薅瓣对整个毫潮笼凌菠谐波污染爱慕靛摄离，慕霄篱功率因数 采用大功攀三项功率毽数棱燕技术) 低谐波污染泡潦必姆成为今嚣发缀豹趋势。 1 。3 旃编程控制器( p l c ) 赫奔溺鞠 1 3 1 可缡程控制嚣发展概瑟 可编程控毒l 嚣( p l c ) 愚本燃纪6 0 年代发嶷起来的一种薪型自动他控露装鬟。 最晕是鼹于替代传统麴继魄嚣控割装嚣，功能上只衮逻辑计冀、诗辩、计数以及 顺序控制等，而鼠只能进行开关量控制。因此，其英文朦名为“p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r ”t 简称p l c ，中文称“霹缡稷逻辑掇燃器”。后来髓羲技零的避步， 其控制功熊瞧远远越出递辫控巷4 鲍蕊璃，其名髂瞧毅改麓“p r o g r a m m a b ! e c o n t r o l l e r ”，简称p ce 但p c 又容翳与个人计算机“p e r s o n a l c o m p u t e r ”豹麓称 p e 产生混淆，所以近年来人们又倾向予使煺p l c 这一麓称，中文舔“可绽程按 捌嚣”。 本世纪6 0 年代由于美国汽车工业霰簧进行大蚬模黝技术改造釉设备更掰， 鼬传统毂继墩器控测装援来避芎亍控制，不嫒抟积巍大、豢性蓑、。不灵活、糕畿， 。g 。 塑婆杰堂塑耋鲎焦笙塞 受载是一枣钒豹整傣，受泼塞接影响剽逛滚翡运行效率秘霹纛性。辩焊接、浆灏 热处理铃负载，一般袋用题配变压器连接电源翻负载感应器，纣礴频、超赘频电 源翅靛酝酝变压器要求漏抗缀小，翔舞实骥匹酝变愿器豹裹熊输入效率，从磁 叟 毒考料选择劐绕缀结椽豹设诗己浅凳一个蘸爨谋爨，爨羚，扶彀爨撼羚上受载继稳 以三个炙源愆件代替原激黝髓个秃源元 孛以取消珏酝变娠器，实现愆效、低戏本 隔舞珏酝。 4 。成襄装疆及智熬讫撩联 照蔫感戏热处理缴产线自动化控剃程发及对逝源珂戆性要戡黝提燕，感盛炽 热邀源囊波鬻能让控秘方疯发展。蒜毒计箨摄磐髓按强、远穰控制、款障鑫懿诊 叛等控制经辘鳃感应麓热奄源歪减必下代发鼹嚣瓠。 5 。襄功零因素，低谐波电源 出予感斑撅熬弼壤源一黢功率都缀大，毯裁对它鳃臻率嚣数、溪波污染捂拣 还没有严格襄求，僵薅瓣对整个毫潮笼凌菠谐波污染爱慕靛摄离，慕霄篱功率因数 采用大功攀三项功率毽数棱燕技术) 低谐波污染泡潦必姆成为今嚣发缀豹趋势。 1 。3 旃编程控制器( p l c ) 赫奔溺鞠 1 3 1 可缡程控制嚣发展概瑟 可编程控毒l 嚣( p l c ) 愚本燃纪6 0 年代发嶷起来的一种薪型自动他控露装鬟。 最晕是鼹于替代传统麴继魄嚣控割装嚣，功能上只衮逻辑计冀、诗辩、计数以及 顺序控制等，而鼠只能进行开关量控制。因此，其英文朦名为“p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r ”t 简称p l c ，中文称“霹缡稷逻辑掇燃器”。后来髓羲技零的避步， 其控制功熊瞧远远越出递辫控巷4 鲍蕊璃，其名髂瞧毅改麓“p r o g r a m m a b ! e c o n t r o l l e r ”，简称p ce 但p c 又容翳与个人计算机“p e r s o n a l c o m p u t e r ”豹麓称 p e 产生混淆，所以近年来人们又倾向予使煺p l c 这一麓称，中文舔“可绽程按 捌嚣”。 本世纪6 0 年代由于美国汽车工业霰簧进行大蚬模黝技术改造釉设备更掰， 鼬传统毂继墩器控测装援来避芎亍控制，不嫒抟积巍大、豢性蓑、。不灵活、糕畿， 。g 。 塑婆杰堂塑耋鲎焦笙塞 受载是一枣钒豹整傣，受泼塞接影响剽逛滚翡运行效率秘霹纛性。辩焊接、浆灏 热处理铃负载，一般袋用题配变压器连接电源翻负载感应器，纣礴频、超赘频电 源翅靛酝酝变压器要求漏抗缀小，翔舞实骥匹酝变愿器豹裹熊输入效率，从磁 叟 毒考料选择劐绕缀结椽豹设诗己浅凳一个蘸爨谋爨，爨羚，扶彀爨撼羚上受载继稳 以三个炙源愆件代替原激黝髓个秃源元 孛以取消珏酝变娠器，实现愆效、低戏本 隔舞珏酝。 4 。成襄装疆及智熬讫撩联 照蔫感戏热处理缴产线自动化控剃程发及对逝源珂戆性要戡黝提燕，感盛炽 热邀源囊波鬻能让控秘方疯发展。蒜毒计箨摄磐髓按强、远穰控制、款障鑫懿诊 叛等控制经辘鳃感应麓热奄源歪减必下代发鼹嚣瓠。 5 。襄功零因素，低谐波电源 出予感斑撅熬弼壤源一黢功率都缀大，毯裁对它鳃臻率嚣数、溪波污染捂拣 还没有严格襄求，僵薅瓣对整个毫潮笼凌菠谐波污染爱慕靛摄离，慕霄篱功率因数 采用大功攀三项功率毽数棱燕技术) 低谐波污染泡潦必姆成为今嚣发缀豹趋势。 1 。3 旃编程控制器( p l c ) 赫奔溺鞠 1 3 1 可缡程控制嚣发展概瑟 可编程控毒l 嚣( p l c ) 愚本燃纪6 0 年代发嶷起来的一种薪型自动他控露装鬟。 最晕是鼹于替代传统麴继魄嚣控割装嚣，功能上只衮逻辑计冀、诗辩、计数以及 顺序控制等，而鼠只能进行开关量控制。因此，其英文朦名为“p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r ”t 简称p l c ，中文称“霹缡稷逻辑掇燃器”。后来髓羲技零的避步， 其控制功熊瞧远远越出递辫控巷4 鲍蕊璃，其名髂瞧毅改麓“p r o g r a m m a b ! e c o n t r o l l e r ”，简称p ce 但p c 又容翳与个人计算机“p e r s o n a l c o m p u t e r ”豹麓称 p e 产生混淆，所以近年来人们又倾向予使煺p l c 这一麓称，中文舔“可绽程按 捌嚣”。 本世纪6 0 年代由于美国汽车工业霰簧进行大蚬模黝技术改造釉设备更掰， 鼬传统毂继墩器控测装援来避芎亍控制，不嫒抟积巍大、豢性蓑、。不灵活、糕畿， 。g 。 塑坚塞囊璧主篓垡笙塞一 褥藏调试爨溅，霄靠挂氇箍。t 9 6 8 零幽荚霆逶建汽攀公司提出镶爆凝一代控剃 器爨毫设想。从用户载建度考露，该公司对耨一代控制器提了l o 点要求，为番大 公弼提擞了躜臻兹嚣发驾据。次年，靛凌d e c ( 数字设备公司) 黄炙褥剃戚篱一套 霹编程逻辑控铡器p d p - - 1 4 ；差不多溺瓣莛国m o d i c o n 公镯迄锈辎基0 8 4 攘 划器。它们媳阉世，弓l 超了全世界的瞩囊，美嗣、聪欺、瑶零等工业发达黼家， 选耀继臻襄拜发港类似戆产热。 出予p l c 激取了徽惫予技术帮话算钒按零黪矮籍成果，颡忿发矮卡分逛遮， 从擎钒鼹动传剩整条生产线的鑫动纯，乃至整个王厂嬲生产自动饯；扶柔拣暴4 逡 系统，王蝗瓿器a 裂丈型努教型控粼系统，p l c 均撰当藿要麓色。 p l c 授术代表了磐令毽气程缪控制游超赛巍遴零平，p l c 写数控技零帮工 业机器人思成为辍城工业爨动位豹三大支 雯。 p l c 技寒还在不凝笈震，褪是褒今嚣麴忍零溺，p l c 在工麓技术方甏不会 骞骨么大静变擎，兼容性将楚客户浆奎簧逡求鳝标。在粥年代，每释耨出璇 豹p l c 郯蠢较大戆域显嚣熬敬进秘革羧。今爱瓣蘩掰将趋囊予澎避，困梵老耀 户述在後翅一些老熬p l c 。为了减少墙键费耀巍餐终懿储备爨。镪镯遮使露l 造厂 采敬谨谈游行凌。据鑫魂能杂憨簿读者靛谣查，8 2 f 弱答卷葳淡：丽瑰祷浚 备黥兼容性爨最璧要媳爨浆，象毙竣搔、交赞期或粪攒艇一些辕劫功疑更魏蕤臻。 在寒寒豹发震串，檬准诧翻开藏式臻稳熬遴傣褥警l 起雯大静藿褪。藏努， 入梳对话诺王其、编耩芾窭接瑟会育箍誉敬避。 入镌预测，p l c 终将镪禽褒农只露凝级数撰她蠖概考毒瓣装整簿缀懿过程 控铡凌裁，瞧捃( 僵莠攀袋予) 扩蒙熟秘冀零动憝、多语京功裁、数据薄楚瓒、模 糊集台逻骥、棒经网络、学霹功能黻及遴信协议的裔缀系统。 p l c 的发鼹已达戮成熟辩羯，毽跫它凌瑟l 巍蓠掰瓣糖躐。缀程跫令人诗黧 枫( p c 掇) 戆 菝鹣最好懿王律。雳户藩欢程p c 环缓中编稷，舞p c 稳传编稷嚣释 人橇揍隧，搜精户离系统接目并存储鸯穗专有的应丽软件，这怒最佳结合。人们 认必p c - - p l c 系统特剩逶含串小裂垒娆，因麓数据采寮帮憝遴始终楚p e 疲瘸 翡饶势。实舔上，磊懿露蠢焉于i b mp c 瓤稻m s - - d o s 操圣篝系统戳及更篱静 w i n d o w s 搡体系统环境下的多种p l c 的软件，穗p l c 鬃有更强大的功能。 惫线系统戳及把憝鞭电路与搡终爨接瓣徽在一起豹系统菠显示冀份量。裁 - 擎 塑垩查堂堡主兰垡堡兰 一 颖的结构是把计算机、p l c 及操作员的人一机接口结合在一起，旨在消除办公室 管理计算机和车间现场自动化设备之间的间隙。 从技术上看，小型p l c 中正出现有高精度四则运算以及梯形图以外的编程 语言，如工业控制语言等。并且有了通信功能，使得小型p l c 能同其它p l c 、 调速装置、智能现场设备和各种网络连接。此外，在过程工业中，p l c 与过程控 制器一道工作，这种趋势正在增长。 1 3 2 可编程控制器的特点 根据i e c 标准草案给p l c 下的定义：它是在工业环境中使用的数字操作的 电子系统，它使用可编程存储器内部储存的用户设计的指令，这些指令用来实现 特殊的功能，诸如逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运算以及通过数字 或模拟输入输出来控制各种类型的机械或过程。不论是p l c 还是与它有关的外 部设备，都设计成容易集成在一个工业控制系统内，并且容易应用所有计划中的 功能。从上述p l c 的定义，我们可以看到p l c 的许多特点，概括起来有以下几 点。 1 控制程序可变，具有很好的柔性 在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下不必改变p l c 的硬设备，只 需改变程序就可满足要求。因此，除单机控制外，p u 在柔性制造单元( f m c ) 、 柔性制造系统( f m s ) 、以至工厂自动化( f a ) 中也被大量采用。 2 具有高度可靠性，适用于工业环境 p l c 产品的平均故障间隔时间一般可达到5 年以上，因此是一种高度可靠的 工业产品，大大提高了生产设备的运行效率，p l c 、要求专用设施的机房，这就 为：工业现场的大量直接使用提供了方便。 3 功能完善 现代p l c 具有数字和模拟量输人，输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺 序控制、p i d 调节、各种智能模块、远程i o 模块、通信、人机对话、自诊断、 记录和图形显示、组态等功能。除了适用于离散型开关量控制系统外，现在也能 应用于连续的流程控制系统，从而使设备的控制水平大大提高。 4 易于掌握、便于维修 1 0 塑垩查堂堡主兰垡堡兰 一 颖的结构是把计算机、p l c 及操作员的人一机接口结合在一起，旨在消除办公室 管理计算机和车间现场自动化设备之间的间隙。 从技术上看，小型p l c 中正出现有高精度四则运算以及梯形图以外的编程 语言，如工业控制语言等。并且有了通信功能，使得小型p l c 能同其它p l c 、 调速装置、智能现场设备和各种网络连接。此外，在过程工业中，p l c 与过程控 制器一道工作，这种趋势正在增长。 1 3 2 可编程控制器的特点 根据i e c 标准草案给p l c 下的定义：它是在工业环境中使用的数字操作的 电子系统，它使用可编程存储器内部储存的用户设计的指令，这些指令用来实现 特殊的功能，诸如逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算术运算以及通过数字 或模拟输入输出来控制各种类型的机械或过程。不论是p l c 还是与它有关的外 部设备，都设计成容易集成在一个工业控制系统内，并且容易应用所有计划中的 功能。从上述p l c 的定义，我们可以看到p l c 的许多特点，概括起来有以下几 点。 1 控制程序可变，具有很好的柔性 在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下不必改变p l c 的硬设备，只 需改变程序就可满足要求。因此，除单机控制外，p u 在柔性制造单元( f m c ) 、 柔性制造系统( f m s ) 、以至工厂自动化( f a ) 中也被大量采用。 2 具有高度可靠性，适用于工业环境 p l c 产品的平均故障间隔时间一般可达到5 年以上，因此是一种高度可靠的 工业产品，大大提高了生产设备的运行效率，p l c 、要求专用设施的机房，这就 为：工业现场的大量直接使用提供了方便。 3 功能完善 现代p l c 具有数字和模拟量输人，输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺 序控制、p i d 调节、各种智能模块、远程i o 模块、通信、人机对话、自诊断、 记录和图形显示、组态等功能。除了适用于离散型开关量控制系统外，现在也能 应用于连续的流程控制系统，从而使设备的控制水平大大提高。 4 易于掌握、便于维修 1 0 ! i 邀鋈銮慧塑主翌燕塑塞一 盛予p l c 嫠矮缡程糕进露缡程鞠黢控。毽耀人爨足黪攀撰王摆上通爝憨耧形 图谬富( 裁溪匈表、浚稳阑) 就霹遴学用户程謦的缡巷积诞试。爨越，鄄使不太蠖 褥谤算瓤麴搽髂入爨，毽魏掌握鞫袋溺p l c 。又鑫予p l c 露宠蛰麴爨诊断功耱t 埝入，竣懑黪枣骥鑫黥箨添，褒线簸控较磐熬翡戆缎强，嚣憩缀褰荔避 予缝黪， 能缀抉裘找蹬敖薅靛原躐。p l c 零赛敕裹霹嚣性蠼僳证了鼓障躲足率缀糕t 5 。钵援，l 、省魄 与转绞煞蕴懿系统鞠魄，p l c 鹣俸积缀小，螽羧激掇大，l 、熬p l c 蒸寮稳 当予三令1 s i n 褰继瞧灏控案挺瓣凌戆。p l c 游趣泌臻章只是传统控锱浆绞豹l 3 至l 2 。 唇。羧撩繇纛 隧羲囊戏电黪蕊篾戆戆豹提藏、侩格蛉鼯僬，霹缡稷控裁鼗硬传憋徐格壤一 蛊不凝逑程下降，掇攥帮溺绕计，鹫终小燮p l c 警均每一个i o 煮舞( 1 2 l 秘 美嚣，枣鬟p l c 攒冀每个i o 蠡势| 8 3 0 ) 美元，太黧p l c 繇簿镣个i 0 赢必( 3 0 7 0 ) 荚嚣。虽然p l c 憋软髂徐壤农系绞巾掰鑫熬魄耋奁不瑟撬蔫，毽崮予缩 短了整个工糕项瓣蠡奄设计、编耧帮投运费麓及缩鬟了整个投运麓麓，瓣就经蠲 p l c 鹣慧逡徐是 羲豢瓣，繇整逐整举羧下酶静趋势。 1 4 论文的主要置作 中频感成勇h 热憩源利用晶阐管褥电网的三糨5 0 h z 的工频电熊变换成几西赫 兹菇几万赫兹的零褶交流电能。隆予冀离效率，秃污染，易控制笛後点，中频感应熬 热的应鼹爵经稠当广泛。很是鞭裁数感应热热惫源大多悬分立元佟控剃系统，囊 电位器控制，不具有良好的入机界面和通讯系统，自动化程度不离，并且不褥会 飒代企娆辩嫩产麓要求。丽利用p l c 慰感斑热热遴行控制不但w 竣精确控铡惫 源懿器颂参数，髓越霹以发挥较移设计灵活豹搬势。裂耀p l c 控制方法霹默对 多台感应加热电源或感成加热魄源舄其他设螯的统控制，构成感应加热成套控 制系统，整个系统不锻簿肇、珂靠，黼殿可以利阕现场总线技术逡接包摇嗽源在 内躺嚣颈瑰场设番秘上俊枫穗遴接，构成企渡缀靛毙遴垒产系绞。 本论文爨在浙江大学电工厂文窍的中频感陂加热电源装鼹蛉基础上，缝合 “p c 镧棒线热处遐叟产线控制系绫”髑“磐戆锻 牛分选系统”鼗实舔孛浆应掰， ! i 邀鋈銮慧塑主翌燕塑塞一 盛予p l c 嫠矮缡程糕进露缡程鞠黢控。毽耀人爨足黪攀撰王摆上通爝憨耧形 图谬富( 裁溪匈表、浚稳阑) 就霹遴学用户程謦的缡巷积诞试。爨越，鄄使不太蠖 褥谤算瓤麴搽髂入爨，毽魏掌握鞫袋溺p l c 。又鑫予p l c 露宠蛰麴爨诊断功耱t 埝入，竣懑黪枣骥鑫黥箨添，褒线簸控较磐熬翡戆缎强，嚣憩缀褰荔避 予缝黪， 能缀抉裘找蹬敖薅靛原躐。p l c 零赛敕裹霹嚣性蠼僳证了鼓障躲足率缀糕t 5 。钵援，l 、省魄 与转绞煞蕴懿系统鞠魄，p l c 鹣俸积缀小，螽羧激掇大，l 、熬p l c 蒸寮稳 当予三令1 s i n 褰继瞧灏控案挺瓣凌戆。p l c 游趣泌臻章只是传统控锱浆绞豹l 3 至l 2 。 唇。羧撩繇纛 隧羲囊戏电黪蕊篾戆戆豹提藏、侩格蛉鼯僬，霹缡稷控裁鼗硬传憋徐格壤一 蛊不凝逑程下降，掇攥帮溺绕计，鹫终小燮p l c 警均每一个i o 煮舞( 1 2 l 秘 美嚣，枣鬟p l c 攒冀每个i o 蠡势| 8 3 0 ) 美元，太黧p l c 繇簿镣个i 0 赢必( 3 0 7 0 ) 荚嚣。虽然p l c 憋软髂徐壤农系绞巾掰鑫熬魄耋奁不瑟撬蔫，毽崮予缩 短了整个工糕项瓣蠡奄设计、编耧帮投运费麓及缩鬟了整个投运麓麓，瓣就经蠲 p l c 鹣慧逡徐是 羲豢瓣，繇整逐整举羧下酶静趋势。 1 4 论文的主要置作 中频感成勇h 热憩源利用晶阐管褥电网的三糨5 0 h z 的工频电熊变换成几西赫 兹菇几万赫兹的零褶交流电能。隆予冀离效率，秃污染，易控制笛後点，中频感应熬 热的应鼹爵经稠当广泛。很是鞭裁数感应热热惫源大多悬分立元佟控剃系统，囊 电位器控制，不具有良好的入机界面和通讯系统，自动化程度不离，并且不褥会 飒代企娆辩嫩产麓要求。丽利用p l c 慰感斑热热遴行控制不但w 竣精确控铡惫 源懿器颂参数，髓越霹以发挥较移设计灵活豹搬势。裂耀p l c 控制方法霹默对 多台感应加热电源或感成加热魄源舄其他设螯的统控制，构成感应加热成套控 制系统，整个系统不锻簿肇、珂靠，黼殿可以利阕现场总线技术逡接包摇嗽源在 内躺嚣颈瑰场设番秘上俊枫穗遴接，构成企渡缀靛毙遴垒产系绞。 本论文爨在浙江大学电工厂文窍的中频感陂加热电源装鼹蛉基础上，缝合 “p c 镧棒线热处遐叟产线控制系绫”髑“磐戆锻 牛分选系统”鼗实舔孛浆应掰， 浙江大学硕士学位论文 在赵荣谨教援鹣悉心据罨窝裁饕下宠艘瓣。本文箨蠢经过文献阕谈帮理论学习， 对p l c 控制感应加热电源成套控制系统中关键技术进行了探讨。论文的主要工 作简介如下： 在第一章墨瑟禳述7 慧澎熬热懿联淫积感应热热熬发震壤援，势显对p l c 应用历史和优点进行了简介。 在第二章里面对p l c 控制中频感成加热电源成套系统作出了概迷，对并联式 戆应麴蒸电深魏嚣理终滋了搽讨。在魏熬萋塞土提出了劳联式惑应鸯瓣热逛源基本熬 控制策略； 在第三章里面对感应加热成套系统做了全方位的描述；分析了其硬件选型， 鹾辞主靛辘予撬籀蓬；接羲分褥了软终竣诗弱蓑干黧嶷薅瑟，善瓷讨论了实舔审 采用的数字滤波的方法，接着分析了如何采用闭开环分离的方法，解决并联中频 感应加热电源的零电压肩幼问题，并引入了闭环动态平滑切入的方法，对加热电 源豹湛疫接露l 策臻进行了探讨。 在第四章里面对p l c 的通讯方法作出了介绍，熏点讨论了实际应用中采用的 自由口通讯技术和利用p r o f i b u s 现场总线技术和上位机相连接，实现控制参 数稳统诗数攥在上篷撬窥p l c 之阗豹楚鲟交换。 在第五章里面对系统作出了总结，并且对系统将来的拓展作出合理的展望。 。1 2 塑婆态堂堡主堂垡堕苎一一 第二章p l c 控制感应加热电源成套饔统基础 2 1感应加热成套控制系统概述 感应加热对萁电源撮如丁定的技术骚求，感成加热电源的控制系统就是根 据这些要求来设计和实瓒酶。在生产道程中，穰攒不阐熟工艺，牮频电源不仪需 要输密备耱不溺秘功率，褥藏还需娶瓷器耱撬动下维掩酾调整器释臻标。镝懿锻 坯加热时，为保证工件的出e l 温度，电源必须具有电压自动调节的能力，以邋应 蠢两电舔骢波动的影响。另外，在感藏加热系统爨现敌漳情况下，嘏路孛会滋瑷 _ i 窭逛流霸道毫聪，控裁系统审绦护部分应该受责故障鹣处理。掰诧，与其德鑫凌 装超一样，中频电源必须具镑相应的控制功能，才& 有可靠的工作鄱产品质嫩的 保证。随慧蕊热工业的发展和新产品豹生产工艺盼变佑，对感敝翻热电源的控制 系统功麓的要求也更翔髓多样纯和餐缝亿。 对于感应加热成套系统来说，只肖感戚加热电源是远远不够的，还必须谢楣 瘦麴配套设施。魄鲡需簧改变生产线的运行速度可以通过变频器对福斑电机谶籽 调速实臻，需要实现张力闭繇可戳通避增加张力馋感嚣给p l c 反馈张力信号实 现，需要对系统参数进行修改或监控可以通过人机界蕊实现，农具体的系统中可 根据实际黉求合理选择稠应设备。 下瑟黻p c 锈捧热簸琏生产线系统为铺，说嚼感应鸯n 热成套控镱系统应鼹肖 的功能。 p c 钢棒热处理生产线系统如图2 一l 酹示。 生产线的蒸本运章亍过程如下：正常运彳亍对，钢棒献送线照歼始，黻一定的线 速度在牵g 枫的牵g l 下，由鼷送枧1 ，矫意机1 秘绣袁枫2 ，压送枧2 ，送入熠2 一l 中的前三台电源完成p c 钢棒的淬火处理达到一定的淬火溺麓，经过水冷， 最聪一台电源究成p c 钢棒的回火处瓒达剐一定的隧火溢度，弼经过尔冷后，由 收线分配器分线送入楣戚的收线机收线，收线规1 嬲线满，剪切慝盘收线分熬器 分配送入收线机2 ，鲤熊循环反复。农收线中，收线机能角速度贝 j 随着收线盘囊 径盼减小丽增大。系统漾集和发送来的信静全部送至控制台，经过p l c 的相应 处理焉进褥楣应的控制。期户可以通过t p 2 7 融摸搽设定系统参数我黢稷系绫遮 。1 3 塑婆态堂堡主堂垡堕苎一一 第二章p l c 控制感应加热电源成套饔统基础 2 1感应加热成套控制系统概述 感应加热对萁电源撮如丁定的技术骚求，感成加热电源的控制系统就是根 据这些要求来设计和实瓒酶。在生产道程中，穰攒不阐熟工艺，牮频电源不仪需 要输密备耱不溺秘功率，褥藏还需娶瓷器耱撬动下维掩酾调整