一、設計背景：

近年來，受霧霾天氣的影響，中國各地政府紛紛出臺相關政策，鼓勵新能源產業發展，推動節能減排，減輕霧霾災害加劇，國家在大力實施清潔替代和電能替代，推進能源系統的綜合優化，轉變用能方式和習慣，是現實而迫切的舉措。電能替代是從能源消費革命的角度，通過“以電代煤”、“以電代油”，全面提升終端電能效率、大幅減少排放。

二、溫代爾量子能量高頻電磁感應加熱系統介紹

1）、溫代爾量子能量加熱設備采用智能采樣閉環反饋系統，根據被加熱載體不同時間段的溫度選擇不同的電流輸入方式和頻率對被加熱載體的加熱深度進行跟蹤，讓磁力切割渦流在被加熱載體上來回運動讓被加熱載體分子更活躍，能效更高。

2）、溫代爾量子能量加熱設備采分段加熱，時時跟蹤，選擇不同功率輸出，保溫時減少輸出功率從而達到節效果，所以加熱系統的功率絕大部分時間不是最大功率。在正常生產時，加熱系統會跟據生產需要的溫度就地跟蹤調節，進行間斷加熱和減小功率輸出加熱。當不需生產，保溫加熱時，輸出功率一般為總功率的5%-20%。

3）、維修保養方便：線圈壽命長，加熱均勻，不用維修。

4）、溫代爾量子能量加熱設備線圈加熱均勻，不會像電熱棒在加熱生產中經常熔斷，從而減少停機時間和維修保養成本。溫代爾加熱設備是線圈切割加熱，線圈本身發熱量小，因而線圈是不會損壞的，沒線圈的維修費用。

二、工作原理

     溫代爾量子能量高頻電磁感應導熱油爐（又稱導熱油熱器）是在吸收國外先進技術的基礎上，研制出的一種新型安全、節能高效、低壓、能提供高溫熱量的特種防爆工業爐。該爐以電能為能量，電流在線圈上直接對爐體產生磁力切割加熱，線圈不發熱，而是由爐體本身發熱。以導熱油為熱載體，通熱油循環泵強制循環的，將熱量傳輸到一個或數個用熱設備。當經過用熱設備使用后，低油溫的導熱油再次重新通過循環泵，回到加熱爐再吸收熱量傳輸給用熱設備。如此重復循環。導熱油加熱器采用溫控儀控溫，具有過溫降低輸出功率、超溫自動停止、低油位報警、超壓報警自動瀉壓、并具有防干燒和防爆安全措施。防爆等級為ExdllBT4、ExdllBT6、ExdllCT6。

? 使用方法

  溫代爾量子能量導熱油爐是由防爆加熱器、有機熱載體爐、熱油泵、膨脹槽等組合而成，用戶僅需接入電源、介質的進出口管理道即可使用。

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? 設備特點

1、溫代爾量子能量導熱爐結構緊湊、體積小、重量輕、安裝操作簡便、加熱時無污染。

 2、自動化程度高，采用先進的自動控溫模式，即通過所設定的溫度反饋給控制系統實現熱負荷的自動調節，供熱穩定，可進行精確的溫度調節。

注：柴油的熱值=10200kcal/kg，（熱效率30%-70%）天然氣的熱值=8500kcal/m3（熱效率30%-70%），傳統電的熱值860kcal/kwh（轉換效率70%左右），高頻電磁加熱值1300～1600kcal/kwh（熱轉換效率為95%）。

3、加熱速度快，減少油爐預熱時間；系統自動控制溫度，節能效果明顯。

4、采用電磁感應加熱，線圈不直接產生熱量，即線圈不易老化損壞，維護成本低。

??高頻感應加熱簡要說明

高頻感應加熱的原理：是高頻電流在金屬表面所產生的集膚效應，頻率越高，電流就越集膚在金屬表面，功率越大，加熱就越快。所以高頻感應加熱設備被廣泛應用于金屬加熱及金屬表面處理（如金屬齒輪表面、傳動軸磨擦面的淬火處理等）和金屬局部瞬間加熱（如高頻焊接、刀具釬焊等）。 早期的感應加熱設備，由于受限于電子器件的開關頻率，只能做一些較低頻率的感應加熱設備。感應加熱電源中的整流、逆變全由晶閘管組成，工作頻率低，噪音高，控制系統一般采用分立元件構成，這段時期的技術發展主要是容量的擴大和控制手段的提高，采用較復雜的電路拓撲結構來提高工作頻率。90年代中期以IGBT模塊為核心感應加熱設備開始出現，與電子管高頻設備和可控硅感應加熱設備相比，節能10%-40%。一經面市，就以其節能環保、加工質量高、操作方便、運行安全可靠、維修費用少等諸多優勢成為目前金屬加熱領域最理想的加熱方式。但由于技術的一些缺陷，還沒有一些大功率感應加熱設備的應用實踐。目前，數字技術DSP廣泛應用，半導體工藝日漸成熟，并不斷產生新技術，出現了大功率、高頻率半導體器件模塊，使電力電子裝置的體積大為減小，而且極大地提高了效率和可靠性。國內外在中高頻感應加熱電源控制逆變技術的逐漸成熟，才讓大功率感應加熱設備的應用越來越廣泛。

感應加熱電源技術的發展與功率半導體器件的發展密切相關，隨著功率器件的大容量化、高頻化帶動感應加熱電源的大容量大功率化和控制頻率高頻化。感應加熱電源的大容量化，可將大容量化技術分為二大類:一類是器件的串、并聯，另一類是多臺電源的串、并聯。在感應加熱電源多應用于工業現場，其運行工況比較復雜，它與鋼鐵、冶金和金屬熱處理行業具有十分密切的聯系，它的負載對象各式各樣，而電源逆變器與負載是一有機的整體，負載直接影響到電源的運行效率和可靠性。

感應加熱電源逆變器主要有并聯逆變器和串聯逆變器，串聯逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源，因此，它的損耗比并聯逆變器更低，效率也更高。當然，兩電壓源并聯時，相互間的幅值、相位和頻率不同或波動時將導致很大的環流，如果處理不當，以至逆變器件的電流產生嚴重不均，容易損壞，這也是目前國內中頻爐實現串聯方式有待解決的問題。國產中頻逆變電源目前大多都采用并聯諧振型逆變器結構。因此，在研究和開發更大容量的并聯逆變中頻電源的同時，如果能解決串聯逆變并機及大容量的問題，無疑是熔煉、鑄造應用中的最好選擇。

隨著感應加熱對自動化控制程度及電源可靠性要求的提高，感應加熱電源正向智能化控制方向發展。具有各種智能接口控制、故障自動診斷等控制性能的DSP逆變感應加熱電源正成為下一代發展目標。

感應加熱基本原理

1.1英國物理學家faraday發現了電磁感應現象，并且提出了相應的理論解釋。其內容為，當電路圍繞的區域內存在交變的磁場時，電路兩端就會感應出電動勢，如果閉合就會產生感應電流。

1.2利用高頻電壓或電流來加熱通常有兩種方法：

（1）電介質加熱：利用高頻電壓（比如微波爐加熱）；電介質加熱通常用來加熱不導電材料。當高頻電壓加在兩極板層上，就會在兩極之間產生交變的電場。需要加熱的介質處于交變的電場中，介質中的極分子或者離子就會隨著電場做同頻的旋轉或振動，從而產生熱量，達到加熱效果。

（2）感應加熱：利用高頻電流。感應加熱原理為產生交變的電流，從而產生交變的磁場，再利用交變磁場來產生渦流達到加熱的效果。

基本電磁定律：
法拉第定律：? 
安培定律：? 
其中：?，? 
如果采用MKS制，e的單位為V，?的單位為Wb，H的單位為A/m，B的單位為T。
以上定律基本闡述了電磁感應的基本性質，

1.3集膚效應：當交流的電流流過導體的時候，會在導體中產生感應電流，從而導致電流向導體表面擴散。也就是導體表面的電流密度會大于中心的電流密度。這也就無形中減少了導體的導電截面，從而增加了導體交流電阻，損耗增大。工程上規定從導體表面到電流密度為導體表面的1/e＝0.368的距離δ為集膚深度。

在常溫下可用以下公式來計算銅的集膚深度： 

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圖3 渦流產生示意圖

從以上可以看到，如果增大電流和提高頻率都可以增加發熱效果，使加熱對象快速升溫。所以感應電源通常需要輸出高頻大電流。

高頻串聯感應加熱的特點

(1) 串聯諧振逆變器中電流為正弦波，換流時反并聯二極管續流，所以開關器件承受的反壓僅為反并聯二極管的正向導通壓降，是非常低的，這一特點正是MOSFET，IGBT 等器件要求的。一般這些器件內部都集成有反并聯二極管，非常適合于串聯諧振逆變器。使用時可以直接使用這些反并聯二極管，而無需再外加反并聯二極管。(2) 串聯諧振逆變器起動比較簡單。因為串聯逆變器可以自激工作，也可以他激工作。但是，他激工作時如果他激頻率和負載諧振頻率相差比較大，就會使無功電流增大，效率變低，輸出有功功率減少，功率器件發熱比較嚴重，在實際系統中應該注意這個問題。而并聯諧振逆變器一般只能工作在他激狀態，當工作頻率不等于負載固有諧振頻率時，就起動不起來，所以并聯逆變器起動前必須預先測定負載固有諧振頻率，然后將觸發脈沖頻率調整到與其近似相等，才能起動。起動后，隨著工件溫度的升高，負載參數發生變化，負載諧振頻率也發生變化，這時如果觸發頻率不能迅速跟蹤諧振頻率，將有可能使逆變器停止振蕩甚至造成逆變顛覆，這就要求控制電路必須能夠快速而且穩定的工作，從而增加了控制系統設計的難度。在串聯諧振逆變器中就不會發生這種問題，負載諧振頻率發生變化，只會使功率因數角發生變化，輸出功率也發生變化，但不會造成停止振蕩或逆變顛覆的后果。

(3) 在高頻線路中，線路對各種分布參數較為敏感，其中比較重要的分布參數之一是引線電感。在工業實際應用中，一般負載總是離電源有一定的距離，即逆變側負載的兩根引出線一般較長。在并聯諧振逆變器中，這根引出線的分布電感將改變負載電路的結構，從而影響逆變器工作，在串聯諧振逆變器中，這個分布電感只會改變串聯回路中電感量的大小，而不會影響負載電路的結構。可以采用集中參數的作法，將這一引出線的分布電感歸總為負載感應器的一部分。因此串聯諧振逆變器在負載槽路布線工藝上比并聯逆變器要求低，調試更為簡單。

高頻感應加熱的控制方法

2.1感應加熱的控制方法有以下幾類：

A.調幅控制(PAM)方法

B.脈沖頻率調制(PFM)方法

C.脈沖密度調制(PDM)方法

D.諧振脈沖寬度調制(PWM)方法

2.2感應加熱控制方法的優缺點

A.調幅控制方法是通過調節直流電壓源輸出(逆變器輸入)電壓Ud(可以 用移相調壓電路,也可以用斬波調壓電路加電感和電容組成的濾波電路，來實現調節輸出功率的目的。即逆變器的輸出功率通過輸入電壓調節，由鎖相環（PLL）完成電流和電壓之間的相位控制，以保證較大的功率因數輸出。這種方法的優點是控制簡單易行，缺點是電路結構復雜，體積較大。

B. 脈沖頻率調制方法是通過改變逆變器的工作頻率，從而改變負載輸出阻抗以達到調節輸出功率的目的。脈沖頻率調制方法的主要缺點是工作頻率在功率調節過程中不斷變化，導致集膚深度也隨之而改變，在某些應用場合如表面淬火等，集膚深度的變化對熱處理效果會產生較大的影響，這在要求嚴格的應用場合中是不允許的。但是由于脈沖頻率調制方法實現起來非常簡單，故在以下情況中可以考慮使用它：a.如果負載對工作頻率范圍沒有嚴格限制，這時頻率必須跟蹤，但相位差可以存在而不處于諧振工作狀態。b.如果負載的Q值較高，或者功率調節范圍不是很大，則較小的頻率偏差就可以達到調功的要求。

C. 脈沖密度調制方法就是通過控制脈沖密度，實際上就是控制向負載饋送能量的時間來控制輸出功率。脈沖密度調制方法的主要優點是：輸出頻率基本不變，開關損耗相對較小，易于實現數字化控制，比較適合于開環工作場合。 脈沖密度調制方法的主要缺點是：逆變器輸出功率的頻率不完全等于負載的自然諧振頻率，在需要功率閉環的場合中，工作穩定性較差。由于每次從自然衰減振蕩狀態恢復到輸出功率狀態時要重新鎖定工作頻率，這時系統可能會失控。因此在功率閉環或者溫度閉環的場合，工作的穩定性不好。其另一個缺點就是功率調節特性不理想，呈有級調功方式。

D. 諧振脈沖寬度調制是通過改變兩對開關管的驅動信號之間的相位差來改變輸出電壓值以達到調節功率的目的。即在F個相位角，使得輸出的正負交替電壓之間插入一個零電壓值，這樣只要改變相位角就可以改變輸出電壓的有效值，最終達到調節輸出功率的目的。這種控制方法的優點是電源始終工作在諧振狀態，功率因數高。但存在反并聯二極管的反向恢復問題、小負載問題、軟開關實現問題。

針對上述控制方法優缺點，一些復合型控制方法的研究日益引起重視，脈寬加頻率調制方法就是一種較好的控制方法。

在一般的逆變器中，常用的移相PWM方法的工作頻率是固定的，不需考慮負載在不同工作頻率下的特性。而在串聯諧振感應加熱電源中使用移相PWM方法時，則要求其工作頻率必須始終跟蹤負載的諧振頻率，通常使某一橋臂的驅動脈沖信號與輸出電流的相位保持一致，而另外一個橋臂的驅動脈沖信號與輸出電流的相位則可以調節。驅動脈沖信號之間的相位差β在0° ～ 180°范圍內可調，調節β就可以調節輸出電壓的占空比，即調節輸出功率。根據輸出電壓和輸出電流的不同相位關系，有2種PWM調節方式：升頻式PWM和降頻式 PWM。

感應加熱TMS320F2810 DSP芯片簡要說明

數字信號處理器DSP 芯片已廣泛應用于通信、自動控制、航天航空、軍事、醫療等領域。

TMS320F2810 DSP芯片具有如下主要特點：

(1) 在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法；

(2) 程序和數據空間分開，可以同時訪問指令和數據；

(3) 片內具有快速RAM，通常可通過獨立的數據總線在兩RAM 塊中

同時訪問；

(4) 具有低開銷或無開銷循環及跳轉的硬件支持；

(5) 快速的中斷處理和硬件I/O 支持；

(6) 具有在單周期內操作的多個硬件地址產生器；

(7) 可以并行執行多個操作；

(8) 支持流水線操作，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行。

數字信號處理系統的優越性表現為：

1. 靈活性好：當處理方法和參數發生變化時，只需通過改變軟件設計以適應相應的變化；

2. 精度高：信號處理系統可以通過A/D 變換的位數、處理器的字長和適當的算法滿足精度要求；

3. 可靠性好：處理系統受環境溫度、濕度、噪聲及電磁場的干擾所造成的影響較小；

4. 可大規模集成：隨著半導體集成電路技術的發展，數字電路的集成度可以做得很高，具有體積小、功耗小、產品一致性好等優點。

感應加熱電源與傳統加熱的優缺點

3.1傳統的對金屬加熱一般有炭燒，燃氣，電阻絲等。他們的缺點是明火安全性能低，耗材耗能大，有污染。

3.2數字芯片DSP控制的高頻感應加熱逆變器優點：

①由DSP芯片監控的閉環控制系統，能夠采集現場的電壓、電流、頻率、溫度等所需的實際物理信號，并可以根據這些原始數據計算出現場的功率、相位角、功率因數、能耗等觀察數據。在這些數據的基礎上，可以實現這些數據的數字顯示，便于控制、監視及處理。

②高頻感應加熱速度快：與其它方法相比，以ms毫秒為單位即可加熱到所要求的目標溫度。

③保護全：設有過壓、過流、過熱、缺相等報警指示，并自動控制和保護。

④根據控制要求需求，功率可調：功率輸出可無極調節。

⑤空載損耗小，節省能源：除工作時間以外，僅待機電力就可以，很合理省電。

⑥綠色環保：工作時不產生有害物質。

⑦根據被加熱物體的質量、加熱時間、溫度，來調節高頻的輸出。

串聯感應加熱設備的組成框圖及簡單介紹

4.1感應加熱設備的電子部份組成框圖(見下圖1)

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4.2各部份簡要介紹

編號1部份為RST三相輸入電源接口及防雷部份，主要是與電源輸入的接口及防雷作用，它與整流部份相連。整流部分2由一個三相整流橋或三個兩管裝整流橋組成，為將交流電變換成直流的電力電子裝置，其輸入電壓為正弦波，輸入電流非正弦，帶有豐富的諧波，整流部分2與濾波部分5連接；濾波部分5為保持直流母線電壓恒定，降低電壓脈動的無極性濾波電容，濾波部分5與開關電源部分6連接；開關電源部分6為由開關變壓器、開關管、IC3842及其外圍電路組成的輸出多路隔離電源的開關電路；開關電源部分6與濾波部分6間連接有上電整流充電部分3和充電保護控制部分4；上電整流充電部分3由一個或多個限流電阻和一個接觸器或高壓隔離的電子開關(如固態繼電器)組成，作用為降低上電沖擊電流，上電結束后接觸器自動吸合，或電子開關閉合，以保護不出現大電流對無極性濾波電容及整流橋的沖擊；濾波部分5還連接有逆變驅動部分8，逆變驅動部分8為由光電隔離的高速光耦HCPL3120或HCPL316J及其外圍電路和供電部分組成，同時，逆變驅動部分8還與逆變部分7、開關電源部分6和DSP控制部分9連接；逆變部分7由四個電子開關元件IGBT及其外圍電路組成，作用為將直流電壓轉換為頻率電壓均可變的交流電，與輸出電容，線圈組成串聯諧振部份；逆變部分7通過負載線圈部分11與電流傳感檢測部分12連接；電流傳感檢測部分12由一個高低電壓隔離的霍爾電流傳感器及其外圍電路組成，其作用是將負載部分的電流信號大小，轉換成低壓且隔離的小電流或電壓信號，讓DSP控制部分9對負載進行識別，以便對負載線圈電流進行控制；DSP控制部分9由一片TIDSP型號為TMS320F2810及其外圍電路組成，DSP控制部分9與外接的外部控制接口部份10連接，同時DSP控制部分9還與溫度檢測部分13、風扇散熱部分14連接；溫度檢測部分13由一個溫度探頭及其外圍電路組成，其作用是將散熱器上的溫度轉換為線性變化的低電壓信號，讓DSP控制部份9對其進行識別，以作過熱保護，以保護電子元件；風扇散熱部分14為風扇和控制風扇運轉或停止的外圍電路組成。以降低電子元件溫度，保護電子元件的作用。