基于單管IGBT的擠塑機電磁加熱系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)①

， ， ，

(1. 安徽三聯(lián)學院電子電氣工程學院，安徽 合肥 230601；2. 安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

電磁加熱技術(shù)越來越受到各行各業(yè)加熱需求的青睞，如金屬的冶煉、塑膠行業(yè)的注塑機、造粒機的加熱、鍋爐加熱、石油鉆井、輸油管道加熱等都有廣泛應(yīng)用[1～5]。很多學者開展了相關(guān)研究工作，文獻[6]研究了基于晶閘管控制的半橋逆變型電爐電磁加熱系統(tǒng)；文獻[7]采用IGBT替代晶閘管作為低Q值感應(yīng)加熱電源的半橋逆變開關(guān)管，提高了電源的工作頻率；文獻[8]研究了一種基于SiC MOSFET的零電壓諧振全橋變換器，將開關(guān)頻率擴展到180kHz至400kHz，效率達98%以上。上述研究中，半橋逆變和全橋逆變分別需要兩個和四個功率開關(guān)管，開關(guān)管數(shù)量多而且需要專用的驅(qū)動電路，開關(guān)電路控制較為復雜，適用于大功率加熱場合。針對光纜擠塑機加熱功率需求，設(shè)計了一種基于單個功率開關(guān)管(IGBT)的電磁加熱系統(tǒng)，簡化了加熱裝置的硬件設(shè)計，同時將單片機控制器引入到加熱系統(tǒng)中來實現(xiàn)加熱溫度的閉環(huán)控制，提高了溫度控制的穩(wěn)定性。

1 擠塑機電磁加熱系統(tǒng)簡介

在光纜設(shè)備領(lǐng)域，擠塑機單元是光纜設(shè)備的一個重要組成部分。目前擠塑機單元加熱方式普遍采用電阻絲發(fā)熱圈，加熱片裝于機身、機頸、機頭各部分，加熱裝在外部加熱筒內(nèi)的塑料，使之升溫，以達到工藝操作所需要的溫度。熱傳導損失嚴重并導致工作環(huán)境溫度上升，另外電阻絲加熱最大的缺點就是功率密度低，在一些溫度較高的場合就無法適應(yīng)此種加熱方式,熱量流失嚴重，耗電量很大。

圖1 擠塑機電磁加熱裝置工作示意圖

擠塑機電磁加熱系統(tǒng)組成如圖1所示，電磁加熱器安裝在單片機控制柜內(nèi)，電磁加熱線圈采用耐高溫的硅橡膠銅線或者聚四氟乙烯銅線，可采取直接繞制式或哈佛式結(jié)構(gòu)。根據(jù)加熱工藝的需求，設(shè)置4個溫度分布區(qū)間，各加熱段由獨立電磁加熱器進行加熱，實時檢測爐膛溫度并與設(shè)定溫度比較，通過PID算法動態(tài)調(diào)節(jié)加熱功率，從而實現(xiàn)爐膛溫度恒定在設(shè)定值附近。

2 電磁加熱控制器設(shè)計

2.1 電磁加熱控制器結(jié)構(gòu)

電磁加熱控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，輸入電源為AC220V交流電，通過整流濾波變成直流電作為LC諧振電路的輸入，同步振蕩電路控制IGBT周期性導通和截止，使加熱線圈中產(chǎn)生高頻電流即形成渦流從而實現(xiàn)對爐膛負載加熱。由于IGBT工作在大電流、大電壓狀態(tài)下，同時設(shè)計了IGBT硬件保護和軟件保護，硬件保護電路采集IGBT電流電壓，當出現(xiàn)過流過壓故障時，該保護電路將控制同步振蕩電路使IGBT導通時間縮短，即降低LC諧振電路中電感的儲能；軟件保護功能由單片機系統(tǒng)實現(xiàn)，保護過程與硬件保護類似，單片機可以直接封鎖IGBT觸發(fā)脈沖的輸出，待故障解除后可自動解鎖。

圖2 電磁加熱控制器結(jié)構(gòu)框圖

控制器通過熱電偶采集爐膛實際溫度，將實際溫度與設(shè)定溫度差值作為PID算法輸入，PID算法輸出最終控制IGBT驅(qū)動信號占空比，從而實現(xiàn)爐膛溫度的閉環(huán)控制。設(shè)計的RS485通訊接口可以實現(xiàn)電磁加熱控制器的遠程監(jiān)控。

2.2 硬件設(shè)計

2.2.1 整流濾波電路

采用由四個二極管構(gòu)成的單相不可控整流電路，整流后并聯(lián)濾波電容，整流濾波電路輸出約300V直流電壓直接連接LC諧振電路，該電路具體結(jié)構(gòu)與工作過程不再贅述。

2.2.2 LC諧振電路

LC諧振電路如圖3所示，圖中IGBT功率管Q2周期性導通與截止。當Q2導通時，DC300V電壓經(jīng)加熱線圈L、Q2到地形成回路，此時線圈L儲能；當Q2截止時，由于L中的電流大小和方向不能突變，其儲存的磁場能變?yōu)殡妶瞿芏尫懦鰜恚淳€圈L中的感應(yīng)電流對并聯(lián)電容C進行充電。當L中的磁場能全部轉(zhuǎn)換為C的電場能時，功率管Q2集電極電壓達到峰值電壓。之后，電容C經(jīng)L放電，功率管Q2集電極電壓下降，當電容C上的電場能全部轉(zhuǎn)換為L的磁場能時，L產(chǎn)生左正右負的感應(yīng)電動勢，此時，功率管IGBT內(nèi)部的阻尼二極管導通完成線圈續(xù)流。當L中的能量釋放完后，經(jīng)同步控制振蕩電路使功率管Q2重新導通。如此周而復始，使加熱線圈L和諧振電容C之間形成高頻振蕩，從而使線圈L中產(chǎn)生渦流而加熱爐膛。

圖3 LC諧振電路

2.2.3 IGBT 驅(qū)動電路

功率管IGBT驅(qū)動主要由兩個三極管構(gòu)成的推挽式電路組成。如圖4所示，三極管Q3和Q4構(gòu)成推挽電路，兩者輪流導通。當觸發(fā)信號IGBTCL為高電平時，Q3導通、Q4截止，IGBT導通；反之，當觸發(fā)信號IGBTCL為低電平時，Q3截止、Q4導通，IGBT截止。穩(wěn)壓管D6起限壓作用，防止IGBT柵源間出現(xiàn)過壓而損壞。

圖4 IGBT驅(qū)動電路

圖5 同步控制振蕩電路

圖6 浪涌電流硬件保護電路

2.2.4 同步控制振蕩電路

功率管IGBT出現(xiàn)過壓、過流或過熱時都極易損壞，設(shè)計IGBT電路時需要采取相應(yīng)的保護措施。當IGBT截止時，由于集電極(C)-發(fā)射極(E)之間電流幾乎為零，即使C-E間電壓很高，IGBT的功率也很小，即發(fā)熱量??；如果IGBT導通時，C-E間存在較大電壓，則IGBT功率很高，容易燒毀IGBT。為保護IGBT不因過熱而損壞，需要嚴格控制IGBT的導通時刻，保證功率管IGBT在集電極零電壓下導通。為此，設(shè)計了同步控制振蕩電路，見圖5所示。在LC諧振過程中，當IGBT集電極接近零電壓時，比較器U5A的同向端比反向端電位低，U5A輸出低電平，電容C29充電，比較器U5C的反向端電位慢慢增加，當反向端電位超過同向端電位時，IGBT截止，諧振過程開始，爐膛加熱，比較器U5A輸出高電平，電容C29反向充電，使U5C反向端電位始終比同向端電位高，IGBT維持截止狀態(tài)。諧振過程結(jié)束后，當IGBT集電極接近零電壓，IGBT導通，加熱線圈L開始充電，如此周而復始。

圖7 系統(tǒng)軟件主程序流程

圖5中，信號PWM和IGBTEN由單片機給定，通過調(diào)整PWM信號的占空比可以改變比較器U5C同向端的電位，同向端參考電位的改變使IGBT驅(qū)動脈沖占空比發(fā)生變化，即實現(xiàn)了加熱功率的調(diào)節(jié)。IGBTEN是IGBT驅(qū)動使能信號，高電平有效，當IGBTEN=0時，二極管D19導通，同向端被拉成低電平，IGBT處于截止狀態(tài)。

2.2.5 硬件保護電路

硬件保護主要有浪涌電流保護和IGBT集電極過壓保護。對于浪涌電流保護，首先通過電流互感器和整流濾波電路將浪涌交流電流變成直流電壓(見圖6中的標號current)，然后送到比較器的反向輸入端，比較器的同向輸入端接固定電位。當出現(xiàn)浪涌電流時，比較器輸出低電平(即圖5和圖6中的over_curr信號)，此時同步控制振蕩電路中二極管D18導通，比較器U5C同向端被拉低，其輸出為低電平,IGBT截止。IGBT集電極過壓保護過程與浪涌電流保護相類似。當出現(xiàn)過壓時，圖5中的over_volt信號為低電平，導致IGBT截止。

圖8 光纜擠塑機加熱測試現(xiàn)場

圖9 兩種加熱溫度下IGBT柵極驅(qū)動波形和集電極電壓波形

2.2.6 單片機系統(tǒng)

單片機系統(tǒng)的主要目的是實現(xiàn)爐膛溫度閉環(huán)控制、軟件保護與報警等功能。通過自帶A/D轉(zhuǎn)換器的Atmega16 單片機，實現(xiàn)對電流、電壓、IGBT與爐膛溫度的采集與處理，結(jié)合按鍵和液晶顯示實現(xiàn)各種參數(shù)的設(shè)置與顯示。

2.3 軟件設(shè)計

單片機軟件的主要功能是實現(xiàn)溫度設(shè)定、溫度閉環(huán)控制、參數(shù)采集與顯示、軟件保護與故障報警等。軟件采用C語言編程，程序結(jié)構(gòu)模塊化，圖7給出了系統(tǒng)主程序流程圖。系統(tǒng)上電后，首先進行初始化操作，包括初始化A/D轉(zhuǎn)換、PWM、加熱溫度以及禁止IGBT驅(qū)動等。接下來，系統(tǒng)判定是否需要重新設(shè)定加熱溫度，若需要則通過按鍵調(diào)整，然后使能IGBT驅(qū)動，加熱過程開始。之后，系統(tǒng)主程序進入無限循環(huán)狀態(tài)，不停檢測溫度等參數(shù)并進行PID運算，更新PWM占空比調(diào)節(jié)加熱功率來調(diào)節(jié)加熱溫度，使實際加熱溫度慢慢逼近設(shè)定值。在系統(tǒng)運行過程中，若出現(xiàn)IGBT超溫或過壓過流等情況，則進行相應(yīng)的操作處理。

3 測試結(jié)果及討論

為驗證所設(shè)計的擠塑機電磁加熱系統(tǒng)的有效性，進行了現(xiàn)場測試，測試現(xiàn)場為某光纜生產(chǎn)企業(yè)，測試現(xiàn)場實物圖見圖8。

測試時，諧振電路選擇L=120μH、C=0.8μF。設(shè)定爐膛加熱溫度分別為160℃和200℃，待爐膛溫度穩(wěn)定后(溫度波動約為±1℃)，利用示波器進行了電磁加熱控制器中IGBT柵極驅(qū)動波形和集電極電壓波形的測量，測量結(jié)果見圖9。

圖9中示波器通道1測量的是IGBT集電極電壓波形，縱向每格是100V，通道2測量的是IGBT柵極驅(qū)動波形，驅(qū)動脈沖峰-峰值為18V，結(jié)果與其驅(qū)動電路設(shè)計相吻合。從圖9中可以看出，在LC諧振電路參數(shù)不變的情況下，爐膛加熱溫度越高，需要線圈儲能越多，這樣線圈充電時間就越長，即IGBT導通時間長，柵極驅(qū)動脈沖占空比越大。加熱溫度越高，IGBT集電極所承受的電壓就越高，160℃和200℃所對應(yīng)的峰值電壓分別為566V和672V。

在IGBT集電極能承受的電壓范圍內(nèi)(測試所用IGBT耐壓值為1200V)，可以進一步提高加熱溫度，但由于受到同步控制振蕩電路的限制，IGBT柵極驅(qū)動脈沖占空比極值有限，導致加熱功率有限，可以通過減小諧振電路中的線圈電感量來提高加熱功率，這樣雖然可以減小IGBT柵極驅(qū)動脈沖占空比，但隨著加熱功率的提高，IGBT導通電流和集電極電壓也會隨之上升，因此加熱功率的提升程度主要受IGBT參數(shù)影響。

4 結(jié) 論

文中設(shè)計的基于單個IGBT的電磁感應(yīng)加熱裝置在同步控制振蕩電路和單片機系統(tǒng)的控制下，可以安全可靠工作，加熱功率滿足光纜擠塑機要求，溫度控制精度高。光纜擠塑設(shè)備采用電磁加熱方式后，可降低加熱功耗，能夠有效減低企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高競爭力。該電磁加熱系統(tǒng)對其它加熱設(shè)備具有借鑒作用。