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1、基于IGBT中频感应加热造纸烘缸系统的设计与实现第24卷第4期2006年12月轻I祝搬LightlndustryMachineryV01.24,N0.4l)ec.,2006［研究?设计］基于IGBT屮霸感应加热造缀燃系统的设计与实现张伟,麻红昭，张华(1•浙江大学化学工程与牛物2〜.程学系，浙江杭州310027;2.浙江大学智达信息工程有限公司，浙江杭州310027)摘要:介绍了电磁感应加热的基本原理，详细说明了PWM吊联型中频感应电源的原理及各部分组成分析了当前造纸厂广泛采用的蒸气加热烘缸和油加热烘缸的弊端,
2、首次提出将感应加热原理应用到造纸烘缸加热中，并设计和实现了套中型感应加热电磁烘缸及控制系统.近一年的运行表明电磁烘缸系统稳定可靠,温度控制平稳，有操作简便，节能，无污染，可自塑化等特点，有很大的市场推广潜力关键词:感应加热;IGBT;烘缸;节能;环保;串级控制中图分类号:T$734文献标志码:B文章编号:1005—2895(2006)04—0011-040前言造纸工业屮造纸烘缸是最常见的干燥设备•传统的造纸烘缸，主要采用蒸气加热或油加热方式，其热利用率低，能源浪费严重，节能潜力很大.油加热方式中油加热设备占地大
3、，加热慢,热利用率不高，环境污染严重•蒸气加热方式虽然可利用工厂公用工程提供的蒸气，但也需要铺设管道，蒸气降压，冷凝水回收和保温设施等投资.此外，这2种加热方式均是把热质（蒸气或热油）经过管道通人烘缸屮，因此烘缸必须符合国家压力容器标准，否则容易发生事故.近几年来,在我国各地多次发牛造纸烘缸爆炸的牛产事故『1],造成了巨大的经济损失和不良的社会影响•岀于安全和节能2方面考虑，急需采用全新的加热方式，对传统的造纸烘缸进行改造.感应加热是一种把金属置于交变的电磁场中，通过电磁感应，在金属表面产牛交变电流（称为涡流）
4、，利用涡流的焦耳热来加热金属器件的一种加热技术j・感应加热具有能量利用率高，设备简单,加热速度快等诸多优点，已广泛应用于机械，炼钢，汽车制造，热加工，石油开采，民用电磁罩等各个领域•世界各国也研制出了很多成熟稳定的感应加热设备目前感应加热的研究向大功率,高频率以及新一代电力电子器件方面发展.本文首次提出将感应加热原理应用到造纸烘缸中，用电磁感应加热来替代传统的蒸气加热和油加热.近年来，以绝缘门极双极型晶体管（IGBT）为代表的功率器件在越来越多的场合得到广泛的应用••4]本系统中就采用了基于IGBT的感应加热电
5、源，选用了串联式感应电路结构和基于PWM的功率调节方式，以达到三相不控整流，降低设备复杂性的目的•同吋设计制造了一个直径l・2m,宽40cm,用于感应加热的造纸烘缸，开发了整个系统的加热，控温，散热,PIC控制系统，采用SIEMENSTD200监控和设定整个系统的温度，电流等关键参数,实现了系统的自动化，精确化，减少了设备和厂房投资,极大提高了能源利用率和安全可靠性.1感应加热电源在感应加热系统屮,负载可以看作1个负载线圈.感应加热中频电源按照负载线圈的补偿方式可以分为并联型中频电源和串联型中频电源,2者由于其
6、不同的特性应用于不同的场合.本系统中采用并联型中频电源，用4只绝缘栅双晶体管(IGBT)组成逆变电路.1.1主屯路组成图1为串联型中频电源主电路的原理图.它分为个部分］:整流，滤波，逆变和负载电路.收稿FI期:2005—10—09专利项目:麻红昭.电磁感应烘缸•中国发明专利CN1560551,中国实用新型专利CN2720368作者简介:张伟(1982),男，河南济源人，浙江大学化工系硕士研究生,研究方向为自动化控制及设备.轻I极械zightIndustryMachlhery2006年第4期图1串联型感应电路原理
7、图图1中A是由晶闸管组成的三相不控桥式整流电路，它将工频交流电整流成肓流脉动电压.B为肓流中间电路，它是一个滤波电感和滤波储能电容组成的Ic滤波电路，把工频网络和中频网络隔开;由于电容很大，经过滤波后电容2端电压基本上是平滑的直流电压・C为单相桥式串联逆变屯路,T1一T4为2组IGBT,T1与T41组,T2和T31组,2组交替通断，将直流电压逆变为中频方波电压•，并将它加载到负载电路D上.负载电路是由感应器和电容器组成的串联谐振电路，用于产生交变的电磁场•在各个部分，电路的电压波形如图2所示.'hnnl-.图2
8、串联感应电路波形图1.2负载屯路振荡频率在图1的负载电路D部分中，功率主要通过电感线圈传递给烘缸，串联电容C用于补偿以提高功率因数图1负载电路D部分的RLC电路中，当感抗与容抗相等即X-Xc时，.和.同相，整个电路呈电阻性，此时屯路处于串联谐振状态.假设串联谐振时的频率为，因为感抗X:=L=2zrfoL,容抗为Xc壶，令二者相等，有2ZrfoL一，可求得fo为=——L_=(l)2zi•
