智能變頻電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳松 金星 曲衍思

摘?要：電磁加熱技術(shù)在人們的工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中扮演重要的角色，電磁加熱具有效率高，速度快，安全清潔環(huán)保，便于控制等優(yōu)點(diǎn)，工業(yè)產(chǎn)品成形過(guò)程中，許多都需耍加熱這個(gè)環(huán)節(jié)。比如鋼材的表面癢火、塑料制品的成形等等。而且在居民的家庭生活中，加熱也是非常必不可少，比如冬季的加熱采暖、食物的烹任過(guò)程等等。本文主要研究電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)及其應(yīng)用于供暖的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：智能變頻;電磁感應(yīng);加熱系統(tǒng);應(yīng)用

1 變頻電磁加熱供暖的研究背景

在北方冬季，大部分地區(qū)是采用集中供暖的方式，這種供暖方式溫度難以控制、近點(diǎn)用戶溫度可能過(guò)高，而遠(yuǎn)點(diǎn)用戶溫度可能又不夠高，難以讓所有用戶的有一個(gè)舒適，溫暖的環(huán)境，因此人們只能通過(guò)空調(diào)或者電阻式加熱等方式調(diào)整室溫。然而，采用空調(diào)取暖房間里會(huì)非常干燥，呆久了容易產(chǎn)生呼吸道不適的狀況，不利于身體健康;同時(shí)由于室內(nèi)外溫差太大，空調(diào)的能耗比低，效果差，費(fèi)用增加。而使用電阻式取暖設(shè)備，雖然價(jià)格便宜，但是都存在以下缺點(diǎn)：供熱不均勻，存在安全隱患。因此，通過(guò)變頻電磁加熱供暖的研究與應(yīng)用，來(lái)給人們營(yíng)造一個(gè)舒適，安全的生活、工作環(huán)境。

2 變頻電磁加熱的原理

電磁感應(yīng)加熱的基本原理是交變的電流通過(guò)待加熱的導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)穿過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生變化的磁通，通過(guò)磁通的變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在導(dǎo)體形成閉合回路的情況下，產(chǎn)生感應(yīng)渦流使導(dǎo)體發(fā)熱。由于電磁感應(yīng)加熱集膚效應(yīng)的影響，導(dǎo)體表面的渦流效應(yīng)最強(qiáng)。而集膚效應(yīng)的穿透深度可以表示為：

Δ=5035ρμrf

ρ-導(dǎo)體電阻率?μr-相對(duì)磁導(dǎo)率?f-交變電流頻率

根據(jù)上面公示可以看出隨著頻率的升高，集膚效應(yīng)更加明顯，導(dǎo)體中電流穿透的深度Δ與頻率成反比，本次研究考慮到用于采暖，故頻率不用很高。

3 變頻電磁加熱的供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變頻電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)整體框圖設(shè)計(jì)如下圖所示，變頻感應(yīng)加熱體統(tǒng)的核心框架是由整流電路，濾波器，逆變電路，負(fù)載電路和控制與保護(hù)電路所組成。

3.1 整流電路的設(shè)計(jì)

變頻電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)整流部分是采用三相不可控整流電路如圖2將220V交流電變?yōu)橹绷麟?，再加上大電容進(jìn)行濾波同時(shí)穩(wěn)定直流電壓。相比其他整流電路采用不可控整流電路可以簡(jiǎn)化電路，降低調(diào)節(jié)功率的復(fù)雜度，還可以采用逆變側(cè)的調(diào)功方式進(jìn)行調(diào)功。

3.2 逆變電路的設(shè)計(jì)

逆變部分是變頻電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)很重要的一部分，將整流后的直流電通過(guò)逆變成為高頻交流電，少部分逆變電路在固定驅(qū)動(dòng)脈沖頻率下工作時(shí)，負(fù)載的回路是處在容性、感性的狀態(tài)，這部分逆變電路功率因素比較低，同時(shí)逆變電路的開(kāi)關(guān)損耗不小，所以很多逆變部分都處于諧振狀態(tài)下工作，這時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗較小，可以逆變成頻率更高的交流電。諧振電路又分串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振，串聯(lián)諧振更適用于頻繁啟動(dòng)，便于智能控制，定時(shí)開(kāi)關(guān)，還可以通過(guò)逆變側(cè)調(diào)功提高功率因素、簡(jiǎn)化電路，因而逆變部分選用串聯(lián)諧振電路。

3.3 控制算法的優(yōu)化

控制電路是當(dāng)交變電流通過(guò)線圈給負(fù)載加熱到一定溫度，反饋給控制電路，控制電路控制逆變部分的輸出功率，從而來(lái)達(dá)到溫度調(diào)節(jié)的一個(gè)作用。傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)仿真圖如下：

設(shè)定溫度為60℃時(shí)，傳統(tǒng)PID控制仿真結(jié)果如下圖：

可以看出變頻電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的溫度控制是復(fù)雜、滯后、非線性的，采用傳統(tǒng)PID控制會(huì)出現(xiàn)實(shí)際加熱的溫度和設(shè)定的溫度產(chǎn)生很大偏移的狀況，超調(diào)量很大，系統(tǒng)不穩(wěn)定，從而設(shè)計(jì)模糊控制器并構(gòu)建控制系統(tǒng)仿真圖如下：

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定的溫度為60攝氏度時(shí)，系統(tǒng)的模糊控制器的溫度控制系統(tǒng)仿真圖如下：

從系統(tǒng)模糊控制器的仿真結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)采用模糊控制時(shí)，系統(tǒng)的溫控控制穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，調(diào)節(jié)時(shí)間相對(duì)傳統(tǒng)PID更短，超調(diào)量是0，但是卻產(chǎn)生了穩(wěn)定的誤差。因此需要對(duì)控制電路進(jìn)行優(yōu)化，采用模糊PID控制流程如下：

該系統(tǒng)將PID控制器和模糊推理的參數(shù)校正部分相結(jié)合。模糊系統(tǒng)的輸入量是偏差e和偏差的變化率ec倆個(gè)參數(shù)，輸出量為PID控制器的三個(gè)參數(shù)Kp、Ki和Kd的變化值，根據(jù)事先規(guī)定好的模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理的參數(shù)校正，在線改變PID參數(shù)的值，使得PID參數(shù)達(dá)到自動(dòng)整定的效果。仿真結(jié)果如下圖：

從仿真結(jié)果得出：模糊PID控制具有良好的動(dòng)和靜態(tài)性能，控制精度幾乎達(dá)到無(wú)誤差，而且計(jì)算量小，時(shí)間短可以達(dá)到系統(tǒng)的要求，從而使系統(tǒng)達(dá)到響應(yīng)速度更快，更穩(wěn)定，溫度控制更精確的效果。

4 變頻電磁加熱系統(tǒng)應(yīng)用于供暖的優(yōu)勢(shì)

（1）變頻電磁加熱屬于非接觸式加熱，可以很好的避免了溫度的流失，能量的浪費(fèi)，效率很高，效率利用率能達(dá)到90%以上，能耗小。

（2）由于控制電路采用了模糊PID控制，因此可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制溫度，響應(yīng)速度快，智能化控制的效果，給人們營(yíng)造一個(gè)溫暖舒適的生活、工作環(huán)境。

（3）由于電磁感應(yīng)的技術(shù)，在加熱水介質(zhì)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磁化水，不會(huì)產(chǎn)生水垢，同時(shí)由于磁化水的作用還會(huì)給供暖管路除銹，達(dá)到永不結(jié)垢的作用，進(jìn)一步使管道的使用壽命更長(zhǎng)。

（4）適用的范圍廣，不管是住宅小區(qū)到自健房屋，還是公司，工廠，各種公共場(chǎng)合等一切需要取暖的地區(qū)都可以使用。

（5）電磁加熱系統(tǒng)滿足了現(xiàn)代人們安全，高效，節(jié)能，環(huán)保，舒適，智能等各個(gè)方面的要求，在供暖上將替代電阻式加熱。

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