（物理电子学专业论文）喷管精锻中频感应加热控制系统关键技术研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 喷管是某军工产品中的一个零件，原有的熔模铸造工艺存在工件坯料成份和组织 结构不均匀、内部缺陷和切削加工性差，以及原材料利用率低和产品合格低等缺点， 改为棒料加热精锻成形工艺后，工件材料组织结构、物理性能和加工性能等有了较大 地改善，原材料利用率和产品质量有了明显地提高。由于新工艺的要求，作为自动生 产线上重要加工环节的专用设备，需要研制一台与工件坯料加热工艺相匹配的精锻中 频感应加热装置，才能满足喷管零件加工质量和生产效率的要求。 本课题主要针对该加热设备中的温度控制系统关键技术进行研究与实现。在对感 应加热机理、可控硅变流技术和自动控制理论进行深入分析和研究的基础上，针对喷 管精锻中频感应加热的特点和要求，构建了喷管工件感应加热的数学模型，提出了加 热温度数字控制技术方案，设计了8 0 9 8 单片机温度采样和电压输出控制电路、 t c 7 8 7 d s 芯片单片三相可控硅触发控制电路，用p i d 算法编写了温度调节反馈控制 程序，利用系统保护电路和信号数字滤波程序等技术措施，实现对感应加热系统的安 全性和可靠性控制。 该中频感应加热控制系统已投入实际使用，经过实验运行和数据测试，证明其控 制系统在运行过程中稳定、准确和可靠，温度控制相对误差小，完全符合新工艺生产 技术要求。其中的单片机数字控制技术解决了按给定温度曲线进行温度控制的问题， 专用集成电路芯片控制的可控硅触发电路克服了传统可控硅变流过程中分立元件触 发电路的移相角漂移、故障率高、安装调试和维护困难等缺点。该技术还成功应用于 某稀土材料冶炼炉、粉末冶金铜粉材料熔炼炉等设备的技术改造，取得了较好的应用 成效。 本课题在感应加热控制系统的高精度、微型化、智能化控制方面做出了有益的探 索，技术上达到了国内同类产品的先进水平，因此具有较高的推广应用价值。 关健词l 中频电源 感应加热温度控制数字控制单片机程序设计 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o z z l ei sac o m p o n e n to fac e r t a i nw a ri n d u s t r yp r o d u c t i t so r i g i n a lm e l t i n ga n d d i e - c a s t i n gt e c h n i q u eh a ss o m es h o r t c o m i n g s ，s u c ha s ，t h en o n - u n i f o r mi n g r e d i e n t sa n d s t r u c t u r eo ft h es e m i - f i n i s h e dw o r k - p i e c e s ，t h ei n n e rd e f i c i e n c i e s ，b a dc u t t i n gw o r k a b i l i t y , l o wu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fr a wm a t e r i a l s ，p o o rp r o d u c tq u a l i t ya n ds oo n s i n c et h e b a r - s t o c kh e a t i n ga n df m i s hf o r g i n gt e c h n i q u ei sa d o p t e d ，i m p r o v e m e n th a sb e e na c h i e v e d i nt h es t r u c t u r e ，p h y s i c a lp e r f o r m a n c e ，a n dw o r k a b i l i t yo fw o r k - p i e c e sa n dt h eu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c yo fr a wm a t e r i a l sa s w e l la sp r o d u c tq u a l i t y t h i sn e wt e c h n i q u er e q u i r e s d e v e l o p i n gaf i n i s hf o r g ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gd e v i c e ，w h i c hc a n m a t c ht h i ss e m i f i n i s h e dw o r k - p i e c eh e a t i n gt e c h n i q u e ，t os e r v ea sas p e c i a le q u i p m e n to f t h ea u t o m a t i cp r o d u c t i o nl i n e ，i no r d e rt om e e tt h ed e m a n d so fn o z z l ep r o c e s s i n gq u a l i t y a n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t l l i st a s km a i n l yf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fk e yt e c h n o l o g yo ft h e h e a t e rt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m i n d e p t ha n a l y s i sa n dr e s e a r c hh a v eb e e nc o n d u c t e do n t h ei n d u c t i o nh e a t i n gm e c h a n i s m ，t h es i l i c o n - c o n t r o l l e dc o n v e r t i n gt e c h n o l o g ya n dt h e a u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y b a s e do nt h e s ea n a l y s e sa n dr e s e a r c h e s ，a n di nv i e wo ft h e f e a t u r e sa n dr e q u e s t so ft h en o z z l ef i n i s hf o r g ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n g ， t h en o z z l ew o r k p i e c ei n d u c t i o nh e a t i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e d ；t h e h e a t i n gt e m p e r a t u r ed i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g ys c h e m eh a sb e e nw o r k e do u t ；t h e8 0 9 8 s i n g l e - c h i pt e m p e r a t u r e ss a m p l i n ga n dv o l t a g eo u t p u tc o n t r o lc i r c u i t ，a n dt h et c 7 8 7 d s c h i ps i n g l e - c h i pt h r e e - p h a s es i l i c o n - c o n t r o l l e dt r i g g e rc o n t r o lc i r c u i th a v eb e e nd e s i g n e d ； t h et e m p e m t u r ea d j u s t m e n tr e a c t i o nc o n t r o lp r o g r a mh a sb e e nw r i t t e nw i t ht h ep i d a l g o r i t h m ；a n dt e c h n i c a lm g a s u l ss u c ha ss y s t e mp r o t e c t i o nc i r c u i ta n dd i g i t a lf i l t e r p r o g r a mh a v eb e e nu s e dt om a k et h ei n d u c t i o nh e a t i n gs y s t e ms a f ea n d r e l i a b l e t h i si n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gc o n t r o ls y s t e mh a sa l r e a d yb e e np u t i n t oa p p l i c a t i o n e x p e r i m e n t a lo p e r a t i o na n dd a t at e s th a v ep r o v e dt h a tt h i ss y s t e mi ss t a b l e ， a c c u r a t ea n dr e l i a b l ew i ms m a l lr e l a t i v ee r r o ri no p e r a t i o n ，t h u sc o m p l e t e l ys a t i s f y i n gt h e d e m a n do ft h en e wp r o d u c t i o nt e c h n i q u e s t h es i n g l e c h i pd i g i t a lc o n t r o lt e c h n o l o g yh a s 华中科技大学硕士学位论文 s o l v e dt h ep r o b l e mo fc o n d u c t i n gt e m p e r a t u r ec o n t r o li na c c o r d a n c ew i t ht h e g i v e n t e m p e r a t u r ec u r v e t h es i l i c o n c o n t r o l l e dt r i g g e rc i r c u i tw h i c hi sc o n t r o l l e db ys p e c i a l i n t e g r a t e dc i r c u i tc h i ph a so v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft h ed i s c r e t ec o m p o n e n tt r i g g e r c o n t r o lc i r c u i ti nt r a d i t i o n a ls i l i c o n - c o n t r o l l e dv a r i a b l ec u r r e n tp r o c e s s ，s u c ha st h ep h a s e s h i f t i n ga n g l ed r i f t i n g ，h i g hf a i l u r e r a t ea n dd i f f i c u l t i e si n i n s t a l l a t i o n ，d e b u g g i n ga n d m a i n t e n a n c e t h i st e c h n o l o g yh a sa l s ob e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e d i n t e c h n o l o g i c a l t r a n s f o r m a t i o no fe q u i p m e n t ss u c ha sr a r ee a r t hm a t e r i a ls m e l t i n gf u r n a c ea n dp o w d e r m e t a l l u r g yc o p p e rp o w d e rm a t e r i a ls m e l t i n gf u l i l a c e ，w i t hg o o da p p l i c a t i o nr e s u l t s t h i st a s kh a sc a r r i e do u tu s e f u le x p l o r a t i o no nh i g h l ya c c u r a t e ，m i c r o m i n i a t u r i z e da n d i n t e l l e c t u a l i z e dc o n t r o lo ft h ei n d u c t i o nh e a t i n gc o n t r o ls y s t e m ，w i t hi t st e c h n i q u ea m o n g t h et o po fs i m i l a rd o m e s t i cp r o d u c t s t h e r e f o r ei th a sh i g hp r o m o t i o na n da p p l i c a t i o n v a l d e s k e yw o r d s ：i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yp o w e rs u p p l y i n d u c t i o nh e a t i n g t e m p e r a t u r ec o n t r o ld i g i t a lc o n t r o ls i n g l e - c h i p p r o g r a md e s i g n i i i 独创性声明 本人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取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 ， 不保密日。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：芬掀蟛 日期：矽婿1 1 , 9f 日j 指导教师躲嗽钟f 易，、 日期：2 0 0 f gf f 月f f 日 峰 琅日v 仉 名 ， 登 ， 一时 论 ： 位 期 学 日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1中频感应加热技术的发展历史 感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象“l ，也就是交变的磁场会在导体中产生 感应电流，从而导致导体发热。长期以来，人们对这种现象有一定的了解，并且在各 种场合尽量抑止这种发热现象，来减小电能损耗。比较常见的如开关电源中的变压器 设计，通常设计人员会用各种方法来减小涡流损耗，来提高效率。然而在1 9 世纪末期， 技术人员又发现这一现象的有利的面，就是可以将之利用到加热场合，来取代一些 传统的加热方法。 感应加热法又可以分为工频、中频和高频感应加热【2 1 。由于中频感应加热具有非接 触式加热、电热效率高、加热速度快、温度控制方便、可实现局部加热、易于实现自 动化控制、无环境污染、劳动条件好等优点，因此，中频感应加热技术在有色金属冶 炼、金属材料热处理、机械零件热压力加工、机械零件表面热处理、石油化工管道焊 接、罐头以及其他包装的封口、电子管真空除气加热等方面得到了广泛应用。 1 1 1国内外感应加热技术概况 感应加热技术虽然有一百多年的历史，但是，其大规模的开发和利用只有近四十 年的时间。 ( 1 ) 嗣外感应加热技术概况 1 8 9 0 年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉一一开槽式有芯炉，1 9 1 6 年美国人 发明了闭槽式有芯炉，从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。而后，2 0 世纪电力电 子器件和技术的飞速发展，极大的促进了感应加热技术的发展。 1 9 5 7 年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的可控硅半导体器件，标志着现代 电力电子技术的开始。同时，也引发了感应加热技术的革命。1 9 6 6 年。瑞士和西德开 始利用可控硅半导体器件研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。 2 0 世纪7 0 年代后，电力电子器件再次飞速发展【3 l 。可关断可控硅( g t o ) 、电力晶 体管( o t r 或b j t ) 、电力场控晶体管( 即功率m o s f e t ) 、绝缘栅极双极晶体管0 a t 或 华中科技大学硕士学位论文 i g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) ；f f l 静电感应可控硅( s i t h ) 、m o s 控制可控硅( m c t ) 等 器件相继出现。感应加热装置也逐渐采用这些新器件。现在比较常用的是i g b t 和 m o s f e t ，i g b t 用于较大功率场合，而m o s f e t 用于较高频率场合。据报道，国外 可以采用 g b t 将感应加热装置做到功率超过1 0 0 0 k w ，频率超过5 0 k h z 。而m o s f e t 较合适高频场合，通常在几千瓦的中小功率场合，频率可达到5 0 0 k h z 以上，甚至几 m h z 。然而国外也有推出采用m o s f e t 的大功率的感应加热装置，比如美国研制的 2 0 0 0 k w 4 0 0 k h z 的感应加热装置。 2 0 世纪9 0 年代后，随着单片机、工业控制机( s t d ) 、可编程逻辑器( p l d ) 、数 字信号处理芯片( d s p ) 等智能化芯片和嵌入式系统的出现，使得中高频感应加热控 制系统由分立元件电路、集中芯片电路控制向全数字化控制、模糊逻辑控制、智能控 制方向发展，为感应加热系统在机械零件热加工与金属材料热处理方面实现自动化、 柔性化产生和计算机辅助制造( c a m ) 创造了条件。 ( 2 ) 田内盛应加热技术概况 国内的感应加热技术起步比较晚，中频感应加热技术也落后于国外很多。但是由 于节能和无环境污染，市场应用前景广阔，近三十年来得到了长足的发展和广泛的应 用。 我国中频感应加热技术在钢铁、石油、化工、有色金属、汽车、机械和军工产品 的零部件热处理方面用得比较多。首钢特殊钢公司在2 0 世纪8 0 年代初期用中频感应 加热热处理炉对4 5 m n m o b 、3 5 c r m o 、4 0 c r 、4 0 m n 2 m o 、4 5 0 钢管进行调质热处理， g c r l 5 钢管冷：；o - r 中间软化热处理，5 c r 2 1 m n 9 n i n 钢管固溶热处理，g c r l 5 、t 1 0 a 、 2 0 m n 2 、5 0 4 、2 0 # 钢棒材退火热处理等方面取得了很好的效果。有色冶金行业主要利用 中频感应加热炉冶炼有色金属、粉末冶金材料；石油化工行业主要利用中频感应加热 技术进行石油管道、钻杆的管端加热、钻杆和工具接头的焊缝热处理、焊管的焊缝热 处理等；国防工业主要利用中频感应加热技术对在军品零部件进行表面热处理；在钢 材加热和热处理方面也广泛的采用中频感应加热技术【4 】，如一些锻压机和钢管挤压机及 辊轧机的坏料加热，p c 钢筋的调质热处理；机械行业主要利用中频感应加热技术对各 种机械零件压力加工前的透热，机械零件的淬火、回火、退火和正火等热处理：在轻 2 华中科技大学硕士学位论文 工和电子行业主要利用中频加热技术对罐头以及其它包装的封口加热、电子管真空除 气的加热等。 1 1 2 感应加热技术发展趋势 感应加热技术的发展与功率半导体的发展密切相关，随着功率器件的大容量化、 高频化，带动感应加热设备的大功率化和高频化15 1 。 ( 1 ) 高频化。目前，感应加热设备在中频频段主要采用可控硅，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，主要发展m o s f e t 电源。 感应加热设备的谐振逆变器中采用的功率器件有利于实现软开关，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，实现感应加热电源设备的高频化仍有许多技术问题需 要进一步探讨，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技术的发展。 ( 2 ) 大功率。从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术 分为二大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联。在器件的串、 并联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，由于电力电 子器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多， 装置的可靠性越差。多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大 容量化的有效手段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可 简单地通过串、并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个 模块。 感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为 一低阻抗的电压源，当二电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将 导致很大的环流，以致逆变器件的电流产生严重不均，因此串联逆变器存在串机扩容 困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联器之间的电流缓 冲环节，使得输入端的a c d c 或d c d c 环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差， 达到多机并联扩容。 ( 3 ) 负载自适应。感应加热电源多应用于工业现场，其运行环境比较复杂，它与 华中科技大学硕士学位论文 钢铁、冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源 逆变器与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接、 表面热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频、超音频电 源用的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的高能输入效率，从磁性材料 选择到绕组结构的设计已成为熏要研究课题。另外，从电路拓扑上负载结构以三个无 源元件代替原来的二个无源元件以取消匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配是另 一个值得研究的问题。 ( 4 ) 智能化控制。随着感应热处理过程自动化控制程度及电源可靠性要求的提高， 感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机智能接口、远程控制、故障自动 诊断等智能控制性能的感应加热控制技术正成为下一代发展目标。 ( 5 ) 高功率因数、低谐波电源。由于感应加热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功率及谐波污染要 求的提高，具有高功率因数( 采用大功率三相功率因数校正技术) 、低谐波污染的感应 加热技术必将成为今后的一种发展趋势。 1 2 控制技术在感应加热系统中的作用 中频感应加热系统是一个集供电装置、整流装置、变频装置、加热炉于一体的金 属热处理设备，为保障加热温度按给定温度血线变化或恒温，需要一套有效的温度控 制系统；为了保障功率设备的安全和可靠，还需要一套电路和器件保护控制系统，以 保障系统的正常运行。 1 2 1中频感应加热系统基本组成 中频感应加热系统的主电路一般采用“交一直一交”变频结构。三相电源经主接 触器后送入整流器。整流器采用三相可控硅全控整流电路，整流后的直流电压经滤波 器滤波后送入中频逆变器，由中频逆变器逆变产生单相中频电源，经功率因数校正后 加到感应加热炉线圈输出电能，利用感应电流的涡流效应完成对工件的加热。 中频感应加热系统的控制电路一般采用可控硅移相触发方式来改变整流输出功 率，或改变逆变频率与通断时间，实现对输出电源功率的调节和控制。 4 华中科技大学硕士学位论文 中频感应加热系统组成结构原理框图如图1 1 所示。通过温度传感器采样，经过 量化后送到调功控制电路并与给定温度参数进行比较，产生一个导通角为u 的可控硅 移相触发控制信号，控制整流器或逆变器的输出电压，改变中频电源输出功率，从而 达到调节和控制加热温度的目的。 图1 - 1 中频感应加热系统组成 1 2 2中频感应加热系统控制技术 在中频感应加热系统中，由于涉及到机械、电子、自动控制等多门学科，其中加 热控制技术就包括温度采样、温度显示、变频方法、调功方法、控制策略、控制算法、 输出驱动、安全保护等一系列具体技术问题。本课题主要研究的控制技术集中在温度 调节、变流控制、系统控制与软件算法四个方面。 ( 1 ) 温度控错方法 中频感应加热系统往往是较大型的电力电子设备，加热过程中温度的可调节性、 系统的稳定性和安全性是衡量设备性能的重要指标。温度调节的控制常用的方法如下： 1 ) 直接温度控制法 为控制工件的加热温度，可以通过温度检测( 如热电偶检测、热辐射检测等) 与 反馈控制电路来调节整流电路的触发导通角a ，通过改变整流导通时间来调整半导体 整流输出功率，从而控制加热温度。 2 ) 间接温度控制法 可以通过检测感应炉线圈中电压或电流的大小，再通过反馈控制电路来调节整流 电路的触发导通角n 来调整整流输出功率，从而控制加热温度。 5 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 逆变频率控制法 对不同尺寸的零件，或不同加热深度要求，可以通过改变感应加热电源的频率来 调节加热温度和加热深度，从而对工件的加热进行控制。 ( 2 ) 可控硅变流技术 无论是整流电路还是逆变电路，只要存在对输出电源进行调节和控制，都需要有 ： 可控硅触发控制电路。因此，可控硅触发控制技术是变流电子技术中的关键技术之一。 可控硅触发控制电路的关键部分一般有分立元件、专用集成芯片、微处理器等组 成的专用控制电路，成而形成了以模拟电路控制技术、数字电路控制技术、智能控制 技术等不同技术发展阶段的可控硅变流控制技术。 ( 3 ) 系统控制技术 对于采用可控硅触发调节的感应加热温度系统的控制，可以采用开环手动控制和 闭环自动控制两种方式。 开环手动控制：通过手动调节给定输入温度参数，由整流、逆变系统向感应加热 炉输出电能，对工件实旌加热。这种方式适合于加热工件固定不变，恒温且温度控制 精度要求不高的场所。 闭环自动控制：通过专用温度控制装置，按某种过程控制理论和算法对温度变化 进行实时控制，从而使工件按一定的温度曲线规律进行加热。这种方式适合于加热温 度变化和控制精度要求较高的场所。 ( 4 ) 控制算法 对于采用单片机的数字控制系统，对信号数据的采集、数据处理、控制策略、参 数输出等需要设计相应的算法。如果控制对象复杂，控制精度要求高，则控制算法要 求就高。其中，采集数据后的数字滤波常用的算法有算术平均值法、中位值法和惯性 滤波法等；温度调节控制算法有p i d 控制算法、大林算法和模糊控制算法等。 由上述分析可知，要控制感应加热温度，可以有多种控制方法，不管理是哪一种 控制方法，均需要解决下列几个问题：一是要解决控制参数的检测问题，二是要解决 如何对参数进行调节与控制问题，三是要解决功率器件和线路的安全与保护问题。因 此，采用不同的参数检测装置、控制方法、控制装置和保护技术就产生了不同的控制 6 华中科技大学硕士学位论文 技术。 本课题的基本任务就是根据中频感应加热原理，探讨感应加热控制系统的控制策 略及数字控制系统硬件组成与软件设计方法，为中频感应加热系统的数字化控制与实 现，为可控硅交流技术的智能控制与应用寻求解决方案。 1 3 本课题来源及关键技术 ( 1 ) 本课题的来源 喷管是某军工产品中的一个重要零件，该零件过去一直是采用熔模铸造后荐进行 机械切削加工的制造工艺，其产品原材料利用率仅有4 0 - - 6 0 ，产品合格率只有8 0 。 究其原因，主要是与铸造工艺有直接关系。金属铸造毛坏存在材料成份不均匀、组织 结构有内部缺陷以及切削加工性差等缺点，从而造成零件的后续各工序加工过程中的 废品率较高。 为了减少原材料的损耗，降低产生成本，提高产品合格率，有关部门对喷管的生 产工艺进行了改革试验。其中，包括改熔模铸造为棒料加热精锻成形工艺和利用余热 退火方法，以克服金属铸造工艺的缺点，从工艺上保证产品的质量。根据有关权威部 门的研究和试验，按新工艺产生的喷管零件，其原材料的利用率可提高到9 0 以上。 产品质量有了明显的改善和提高。 与新工艺相匹配，喷管精锻加热装置是该零件新生产工艺所必需的专用设备之一。 本课题即来自该军工厂的科技攻关与技术改造立项项目。 ( 2 ) 本系统中的关键技术 喷管精锻加热设备采用中频感应加热技术，该技术主要涉及到金属加热理论、变 频供电技术、可控硅变流技术、温度检测技术、炉温控制技术、炉体冷却技术、送料 技术等，涉及到机械、电力、电子、自动控技术在内的多种现代工业技术。由于喷管 中频感应加热设备是大功率电加热设备，为满足工业自动化流水线产生的要求，需要 设计一套快速、稳定、高效、安全的加热与控制系统，其中的主要关键技术包括： 1 ) 工件感应加热机理。从感应加热的基本原理探讨感应加热的过程和加热温度场 的分布等。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；t = = 一 2 ) 可控硅变流控制技术。从变频供电角度探讨变流技术的工作原理及不同负载( 电 阻性负载与电感性负载) 的电压调节范围，可控硅触发控制方法及触发电路组成等。 3 ) 数字自动控制技术。从系统控制论角度探讨感应加热温度调节方式、系统传递 函数、数字控制系统硬件组成等。 4 ) 控制软件技术。从工业控制计算机应用软件角度探讨控制系统软件结构、数字 滤波算法和p i d 调节控制算法，以及软件的实现等。 通过对以上感应加热控制系统中关键技术的研究，结合某军品喷管零件加热专用 设备的研制与实践，从而总结出中频感应加热系统炉温的数字控制方法和可控硅变流 的智能控制与应用方法，希望对其他感应加热系统控制和可控硅变流应用系统的设计 及设备的技术改造有所参考。 华中科技大学硕士学位论文 2 中频感应加热理论模型 1 8 3 1 年，英国物理学家f a r a d a y 发现了电磁感应现象，并且提出了相应的理论解释。 其内容为，当电路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如 果闭合就会产生感应电流。 2 1电磁感应加热原理 利用高频电压或电流来加热通常有两种方法：一种是电介质加热，即利用高频电 压；另一种是感应加热，即利用高频电流。 ( 1 ) 电介质加热( d i e l e c t r i ch e a t i n g ) 电介质加热通常用来加热不导电材料，比如木材、食品等。如微波炉就是利用这 个原理，如图2 1 所示。 图2 - 1 电介质加热不意图 当高频电压加在两极板层上，就会在两极之间产生交变的电场。需要加热的介质 处于交变的电场中，介质中的极分子或者离子就会随着电场做同频的旋转或振动，从 而产生热量，达到加热效果。 ( 2 ) 感应加热( i n d u c t i o nh e a t i n g ) 电磁感应加热，或简称感应加热( i n d u c t i o n h e a t i n g ) ，是利用交变的电流产生交变 的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。 在感应加热时，金属体被置于通过以交变电流的导线或线圈的强磁场区域中，如 图2 2 所示。当线圈( 感应器) 上通过交变的电流时，其线圈螺线管内部就会产生大 小和方向变化的交变磁场。 9 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一j = l | 璺| 2 - 2 感应加热不意图 根据电磁感应定律1 6 1 1 7 8 1 ，将金属置于感应线圈内，由于受交变磁场的作用，在金 属内相应地产生感应电流，这种感应电流在金属内自行闭合流动，称为涡流。根据麦 克斯韦尔( m a x w e l l ) 方程式【9 】 1 0 1 ，推导出感应电动势瞬时值计算公式为： p ；一k 掣( 2 1 ) d r 式中，k 比例系数：由金属工件上感应电流回路包围面积上的总磁通；掣磁通量变化 口f 率；负号表示感应电动势反对磁通量的变化。 金属工件中感应出来的涡流方向，在每一瞬时和感应线圈中的电流方向相反。涡 流强度i f 取决于感应电动势( e ) 及金属涡流回路的阻抗( z ) ，而阻抗z 由电阻r 和感抗( ) ( l ) 组成，则涡流强度； 驴詈2 南 2 。2 涡流强度i f 随高频电磁场强度由金属表面向内层逐渐减小的规律称为趋表效应或 集肤效应。如图2 - 3 所示。 o 月 图2 - 3 涡流的集肤效应 1 0 华中科技大学硕士学位论文 根据有关计算公式推导可知，离表面x 处的涡流强度： i ，= ，o e 6 ( 2 3 ) 式中，i 旷表面最大的涡流强度；x - 到工件表面的距离：与工件材料物理性质有关 的系数。 所以，当x = 0 时，i 。；i o 当x 0 时，i x ? n 、 ，h，1 、， l 受删 ：、 、