CN102226638A - 感应式罐体焊缝烘干加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种感应式罐体焊缝烘干加热装置，包括有加热电路及加热本体，加热本体包括底框、上盖、温度传感器、风机、微晶玻璃、线圈盘、磁铁块；加热电路包括感应加热逆变器主回路、控制电路。本发明在国内率先将高频感应涡流热效应技术应用于罐体焊缝烘干装置，率先集成嵌入式闭环控制、全腔体屏蔽厚膜集成电路设计、电磁兼容设计等技术，率先采用金属外壳屏蔽、多层印制板、绞合屏蔽缆线、镶嵌成型磁条等全腔体屏蔽结构设计技术。
Description
技术领域
本发明涉及罐体加热装置领域，具体为一种感应式罐体焊缝烘干加热装置。
背景技术
金属罐体是最常用的包装形式之一，广泛应用于食品、化工、药品等各个行业。罐体焊缝补涂烘干工艺是金属制罐生产过程中必不可少的关键工序。目前，主要采用天然气、液化气加热烘干装置，电阻丝载流加热烘干装置，普遍存在加热装置寿命短、工作效率低、能耗高、废品率高、工作控制精度差等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种感应式罐体焊缝烘干加热装置，以解决现有技术的加热装置效率低、能耗高、工作控制精度差的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：包括有加热电路及加热本体，所述加热本体包括底框，及盖合在底框顶部的上盖，所述上盖上设置有温度传感器，所述上盖、底框围成的空间构成风道，所述底框一端作为进风口，位于所述进风口处安装有出风口朝向所述风道内的风机，所述底框框壁上固定安装有微晶玻璃，有多个彼此串联或并联的线圈盘分布在所述框壁的微晶玻璃上，每个线圈盘的上表面均贴有磁铁块；
所述加热电路包括感应加热逆变器主回路、控制电路，所述感应加热逆变器主回路依次包括滤波器电路、AC/DC三相桥式不控整流器电路、DC/DC斩波电路器电路、DC/AC全桥逆变器电路、串联谐振负载电路，所述控制电路包括基于DSP的闭环控制电路，所述控制电路中的DSP的输出接入感应加热逆变器主回路的滤波器电路，所述加热本体中的线圈盘引出有引线接入感应加热逆变器主回路中的串联谐振负载电路中。
所述的感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：加热电路、加热本体分别各自置于不同的金属壳体中。
所述的感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：所述感应加热逆变器主回路、控制电路分别各自布置于不同层的印刷电路板上，并分别采用全腔体屏蔽厚膜电路技术厚膜集成。
所述的感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：所述加热本体中的线圈盘引出的引线通过带屏蔽的高频电缆线接口接入所述感应加热逆变器主回路中的串联谐振负载电路中。
所述的感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：所述感应加热逆变器主回路的滤波器电路为M式低通滤波器。
所述的感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：所述AC/DC三相桥式不控整流器电路由功率二极管三相整流桥构成。
所述的感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：所述DC/AC全桥逆变器电路由三极管全桥电路构成。
本发明可替代现有的天然气、液化气加热烘干设备、电阻丝载流加热烘干设备。其关键技术是将高频感应涡流热效应技术应用到罐体焊缝烘干装置，在电路设计上，集成了嵌入式控制、高频逆变、全腔体屏蔽厚膜集成电路设计、电磁兼容设计等技术；在机械结构设计上，采用全腔体屏蔽结构设计，有效解决了高频感应加热器对环境的电磁辐射问题。
本发明的理论基础包括：电磁感应定律，楞次定律，焦耳定律，高频电流的趋肤效应、邻近效应、圆环效应。被烘干加热的罐体置于高频交变磁场中构成磁场的磁力线切割处于磁场中的罐体磁性物质，根据法拉第电磁感应定律，在垂直于磁力线罐体截面上产生感生涡流，涡流在导电罐体物质呈现的阻抗上依据焦耳电流热效应形成热能对罐体加热烘干。
本发明优点为：
（1）在国内率先将高频感应涡流热效应技术应用于罐体焊缝烘干装置，适应罐体生产线高速、低耗、环保、自动化和安全生产的发展需求。
（2）在国内率先集成嵌入式闭环控制、全腔体屏蔽厚膜集成电路设计、电磁兼容设计等技术，既消除高频电磁干扰对控制电路的影响，又实现功率、温度、时间等多参数闭环反馈，自动调节罐体加热温度和穿透深度，工作精度控制在±1%以内。
（3）在国内率先采用金属外壳屏蔽、多层印制板、绞合屏蔽缆线、镶嵌成型磁条等全腔体屏蔽结构设计技术，可有效防止电磁外漏，解决高频感应加热器对环境的电磁辐射问题，并解决机内线路的电磁干扰问题。
附图说明
图1为本发明中加热本体结构示意图。
图2为本发明加热电路原理框图。
图3为本发明加热电路图。
图4为加热器控制柜结构图。
具体实施方式
如图1所示。加热本体1包括有底框2以及罩在底框2上的上盖3，上盖3与底框2间围成有风道；风道的进风口部位安装有风机4，风机4的出风口对向风道内。底框2框壁上固定安装有微晶玻璃，微晶玻璃上排列分布有若干相互串联或并联的线圈盘5，每个线圈盘5的上表面均贴有磁铁块。上盖3上安装有温度传感器。
工作过程中，罐体放置在传动带上，从传动带的一端被输送到传动带的另一端，在被输送的过程中，不断地被加热本体加热，进而达到将罐体上焊缝烘干的效果。
如图2、图3所示。加热电路包括感应加热逆变器主回路、控制电路，感应加热逆变器主回路依次包括滤波器电路、AC/DC三相桥式不控整流器电路、DC/DC斩波电路器电路、DC/AC全桥逆变器电路、串联谐振负载电路，其中滤波器电路为M式低通滤波器，AC/DC三相桥式不控整流器电路由功率二极管三相整流桥构成，DC/AC全桥逆变器电路由三极管全桥电路构成。控制电路包括基于DSP的闭环控制电路，控制电路中的DSP的输出接入感应加热逆变器主回路的滤波器电路，加热本体中的线圈盘引出有引线接入感应加热逆变器主回路中的串联谐振负载电路中。
如图4所示，柜体6中设置有多个机芯7，柜体顶部安装有显示板8，加热电路整个集成在柜体6的机芯7中。
本发明的理论基础包括：电磁感应定律，楞次定律，焦耳定律，高频电流的趋肤效应、邻近效应、圆环效应。
被烘干加热的罐体置于高频交变磁场中构成磁场的磁力线切割处于磁场中的罐体磁性物质，根据法拉第电磁感应定律，在垂直于磁力线罐体截面上产生感生涡流，涡流在导电罐体物质呈现的阻抗上依据焦耳电流热效应形成热能对罐体加热烘干。
感应加热逆变器主回路是一个谐振网路，它由电感L、电容C及等效电阻R组成，谐振回路的固有频率 
由参数L、C决定，
=
。在加热过程中，因温度变化引起加热物体的物理特性参数及等效阻抗变化，使负载回路的固有频率
发生变化，而且是一个非线性系统，如果此时感应加热逆变器主回路的工作频率
不及时跟踪
，开关频率将偏离谐振频率，感应加热逆变器主回路将会工作在硬开关状态，在高频，大功率情况下，功率器件承受很高的电应力，损耗增加，造成感应加热逆变器主回路的安全性和可靠性下降。同时，因为电压和电流不同相，功率因数低，达不到最大功率输出，电源的效率和容量利用率降低。为此，必须采用频率跟踪控制技术，使感应加热逆变器主回路的工作频率
在谐振回路固有频率
附近，即
=
，此时电压与电流同相，功率因数近似为1，获得最大功率输出，开关器件也工作在ZVS、ZCS换流状态，损耗降低，简化了开关器件附加吸收电路，有利于高频感应加热电源的高频化、大容量化。
采用数字信号处理器DSP实现锁相和频率跟踪，根据电工学原理，当电源的输出阻抗与负载达到匹配时，在负载上可以获得最大功率输出。感应加热电源在加热过程中，负载阻抗因温度变化而变化，折射到初级的等效阻抗也变化。同时，特定的加热电源，加热不同的负载（工件物体），负载折射到初级的等效阻抗也是有很大差异的。由于上述两种情况，使谐振网路的谐振频率发生变化，等效负载发生变化，如果不及时调节，使感应加热电源与负载匹配，电源就不可在负载上输出最大功率，导致工作效率降低，电源的安全性也会下降。这一现象与频率是否跟踪相类似。
负载阻抗匹配最常见的办法是在电源与负载之间扦入变压器，通过 改变耦合变压器的变比，实现负载阻抗匹配，=
,n为变压器初、次匝数比，
、
分别为初、次的阻抗。采用变压器抽头改变匝数比实现感应加热电源的负载匹配有其应用上的局限性，首先是比较粗放、不精细，达不到匹配精度要求，其次是抽头转换时，需要一定容量的转换器，如控制接触器。采用电子技术实现自动负载匹配，是现代感应加热电源发展的必由之路。相对于变压器匹配负载，电路结构简单，重量和体积小，匹配可用数字处理器来完成，实现数字化、高精确匹配。电子自动负载匹配可以通过调节感应加热逆变电源的驱动控制脉冲的密度（PDM）和调节逆变桥开关功率器件驱动控制脉冲的相移（PSM）等办法，达到自动匹配。
本发明中，加热本体中的线圈盘引出的引线通过带屏蔽的高频电缆线接口接入所述感应加热逆变器主回路中的串联谐振负载电路中。
本发明中，为防止电磁外漏，造成电磁污染，同时为减少机内电磁对线路的干扰，采用了屏蔽结构设计，包括金属外壳屏蔽、多层印制板、绞合屏蔽缆线、镶嵌成型磁条等设计内容。
本发明中，加热电路、加热本体分别各自置于不同的金属壳体中，特别是加热电路应用全腔体电磁屏蔽，通过金属外壳屏蔽电磁波。
本发明中，感应加热逆变器主回路、控制电路分别各自布置于不同层的印刷电路板上，控制电路与感应加热逆变器主回路的元器件分别安装在两块印制电路板上，尽量采用双面或多层印制板，减少引线连接。如需要引线连接，应采用绞合屏蔽缆线，避免强电对弱点电路的电磁干扰。控制与功率连接线要远离布局，功率地线电流不允许流过控制电路的地形成回路。
本发明中，线圈盘一般在使用时离加热电路的输出接口有一段距离。线圈盘的引出线需采用带屏蔽的高频电缆线接口，一方面可以减少损耗，另外可以防止高频辐射。线圈盘周边镶嵌成型磁条。一是为线圈盘的磁力线构成低阻闭合回路，减少磁通的散射或漏磁，提高电磁炉的效率。二是可避免磁通散射导致附近周边磁导体金属构件因形成感应涡流而发热。三是起着固定、支撑加热线圈的作用。
线圈盘部件较重，需安装在坚固的构件上。线圈盘整形后应位置相对固定，不可变形、松散、倾斜，紧固可靠，避免运输及使用过程中造成松动、变形、脱落，影响加热效果或无法使用。
线圈盘与被加热工件之间的耐热、隔热层。形状、曲率要一致，均匀、紧密，气隙间距调节适当，以获得最大效率。
线圈盘作为感应加热逆变器主回路串联谐振负载电路的组成部分，在串联谐振情况下，其上的电压为感应加热逆变器主回路输入电压的Q倍，最大功率时线圈盘的电压峰峰值VL=±1.5kV,即为3kV左右。因此要求固定线圈盘的绝缘材料及周围的固定构件、间隙要能承受所需的耐压。另外还需防水和防潮措施，以免绝缘强度降低，发生击穿的可能性。
本发明，工作面金属构件组装时，必须加防水密封圈，防止漏水浸湿加热电路及加热本体，降低电气绝缘，同时采用金属外壳防止电磁泄漏。
本发明中，感应加热逆变器主回路、控制电路分别采用全腔体屏蔽厚膜电路技术厚膜集成。厚膜集成电路是在主控模块采用陶瓷片绝缘物体上，外加半导体集成电路等元器件构成的集成电路。感应加热逆变器主回路采用全腔体屏蔽厚膜电路技术，厚膜集成（外形尺寸约70*30*12mm3）使整机连线很少，杜绝高频电磁干扰对电源控制系统的影响。腔体外用金属铝箔屏蔽，电路安全可靠，稳定性高。
本发明中，滤波器电路是由电感线圈，电容器组成的∏型L C低通滤波器，它是基于对噪声频带的限定用来实现对噪声的抑制，仅允许工频50Hz的电流通过，对其他高频干扰噪声应用不同程度的限定衰减作用，噪声频率不同，噪声通过滤波器的衰减量是不同的，所以说噪声衰减或抑制性能对特定的线路滤波器而言不是唯一的，设计考虑噪声在各频率上的衰减量，以满足滤波器在一个较宽的干扰噪声频段内，获得较高和满意的衰减量，最终达到电磁兼容的要求。适合于本发明的线路滤波器，本发明采用的是M式低通滤波器，可抑制高频噪声。
本发明中，在感应加热电源中，整流电路的控制方式主要是AC/DC三相桥式不控整流器电路，利用功率二极管的正向导通、反向阻断特性自然整流，无需任何控制执行电路。采用三相不控整流，产生的谐波电压、谐波电流比晶闸管全控整流器要小得多，对电网的污染和影响小，无需在网侧采取特殊的谐波治理措施，而且AC/DC三相桥式不控整流器电路简单，在现代感应加热电源中应用普遍。当采用AC/DC三相桥式不控整流器电路时，功率调节是通过调频调功，即改变逆变器功率开关器件的触发频率，即所谓的PFM调功。
本发明中，DC／DC斩波器电路实现功率调节和频率跟踪，其优点是结构简单、控制方便、功率因数高、谐波小、对电网污染相对小，并可在较高频率下工作。
本发明中，DC/AC全桥逆变器电路工业感应加热电源要求具有大的输出功率，特别是用于金属热处理，熔炼等感应加热电源，输出功率在几百kW至上千kW。DC/AC全桥逆变器电路虽然比半桥电路稍复杂，但在选用与半桥相同规格的功率开关器件，即电流相同时，全桥变换器可获得2倍于半桥电路的输出功率，因此，本发明采用全桥逆变器电路结构。
本发明中，采用串联谐振（SRC）负载电路作为感应加热逆变器主回路的负载。
本发明控制电路主要是根据感应电源调功方式，采用基于DSP的功率闭环控制（逆变侧调功），即为调频调功（PFM）。实时采集输入输出电流，输入电压，相位，功率器件、线圈盘与谐振电容温度，漏电流等数据，实现过流检测与保护，输入电网电压过压与欠压保护、输入电网电源缺相保护、过热保护、漏电保护等功能。
Claims (7)
1.感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：包括有加热电路及加热本体，所述加热本体包括底框，及盖合在底框顶部的上盖，所述上盖上设置有温度传感器，所述上盖、底框围成的空间构成风道，所述底框一端作为进风口，位于所述进风口处安装有出风口朝向所述风道内的风机，所述底框框壁上固定安装有微晶玻璃，有多个彼此串联或并联的线圈盘分布在所述框壁的微晶玻璃上，每个线圈盘的上表面均贴有磁铁块；
所述加热电路包括感应加热逆变器主回路、控制电路，所述感应加热逆变器主回路依次包括滤波器电路、AC/DC三相桥式不控整流器电路、DC/DC斩波电路器电路、DC/AC全桥逆变器电路、串联谐振负载电路，所述控制电路包括基于DSP的闭环控制电路，所述控制电路中的DSP的输出接入感应加热逆变器主回路的滤波器电路，所述加热本体中的线圈盘引出有引线接入感应加热逆变器主回路中的串联谐振负载电路中。
2.根据权利要求1所述的感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：加热电路、加热本体分别各自置于不同的金属壳体中。
3.根据权利要求1所述的感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：所述感应加热逆变器主回路、控制电路分别各自布置于不同层的印刷电路板上，并分别采用全腔体屏蔽厚膜电路技术厚膜集成。
4.根据权利要求1所述的感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：所述加热本体中的线圈盘引出的引线通过带屏蔽的高频电缆线接口接入所述感应加热逆变器主回路中的串联谐振负载电路中。
5.根据权利要求1所述的感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：所述感应加热逆变器主回路的滤波器电路为M式低通滤波器。
6.根据权利要求1所述的感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：所述AC/DC三相桥式不控整流器电路由功率二极管三相整流桥构成。
7.根据权利要求1所述的感应式罐体焊缝烘干加热装置，其特征在于：所述DC/AC全桥逆变器电路由三极管全桥电路构成。
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