（电气工程专业论文）数据电缆导体预热器控制系统的研究.pdf

上海大学t 程硕卜学位论文摘要 数据电缆导体预热器控制系统的研究 摘要 计算机网络技术的飞速发展和信息高速公路的建设，互联网已逐渐渗入我们生活 的各个方蕊，为了满足大容量和更高频率的信号传输要求，对信息或信号的传输媒 介一一数据电缆的性能指标提出了越来越高的技术要求。如何生产出高性能的数据电 缆，如何有效地提高和保证电缆的制造精度和稳定性及均匀性，对生产设备提出了更 高的要求，芯线导体预热器就应运而生了。 在高速数据电缆的生产过程中，要达到导体芯线在进入挤出机之前均匀的加热， 就必须对被加热导体的张力和温度进行控制。本论文对国外电缆生产用导体预热器控 制系统的各个部分进行了分析研究，在对感应加热、张力控制以及相关技术研究的基 础上，提出了采用p l c 可编程控制器的闭环控制系统，并讨论了有关p i d 控制策略， 能满足导体的均匀恒温加热，适应高速数据电缆的生产需要，进一步提高了数据电缆 的产品性能。本论文着重分析和研究了以下几个方面的内容： 1 导体感应加热：在分析感应加热原理和特点的基础上，提出了采 用并联式中频感应加热电源的电路结构和其闭环控制策略，并介绍了预热器的硬件体 系结构。 2 张力控制：通过对各种张力控制方式的比较，结合导体预热器在 实际生产中的应用，提出了经济有效的张力控制方案，并分析了张力控制模型。 3 p l c 可编程控制器技术的应用：由于p l c 技术的日益成熟和广泛 应用，设计了基于p l c 控制的导体预热器整个设备的控制系统，并对整个系统的硬件 系统进行了分析。 4 p i d 控制策略：由于导体预热器控制系统涉及中频电源的闭环控 制、张力和温度的闭环控制，本论文着重分析了p i d 控制算法。 第1 页 上海大学丁程硕十学位论文摘要 5 抗干扰探究：由于中频电源感应加热的强电磁干扰设备及现代电 子设备对抗干扰的要求，本论文对系统的抗干扰问题，从分析干扰源出发，提出了比 较有建设性和实用性的抗干扰措施。 该导体预热器的研制，对于电线电缆特别是高速数据通讯电缆的制造厂商提高产 品质量，增强市场竞争力，具有非常重要的意义。 关键词：数据电缆，感应加热，张力控制，导体预热器，p l c 第1 i 页 上海大学- 程硕上学位论文摘要 a b s t r a c t w i mt h en e t w o r kt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tr a p i d l ya n dt h ei n f o r m a t i o ns u p e r h i g h w a y e r e a t i o n t h ei n t e r n e th a sa l r e a d ys e e p e di n t oe a c ha s p e c to fo u r1 i f eg r a d u a l l y i no r d e l t o m e e tr e q u i r e m e n to ft h es i g n a lo f b i gc a p a c i t ya n dh i g h e rf r e q u e n c y , l a nc a b l e t r a n s m i t s u b s t a n c eo fi n f o r m a t i o na n ds i g n a l ，w a sp u tf o r w a r dh i g h e rt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t h o w t o p r o d u c el a nc a b l eo fh i g hp e r f o r m a n c e ? i no t h e rw o r d s ，h o wt oi n c r e a s e m a n u f a c t u r i n ga c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo fc a b l e ? i tn e e db e t t e rm a c h i n e s ，e s p e c i a l l yf o r c o p p e rc o n d u c t o rp r e h e a t e r i nt h ep r o d u c t i o np r o c e s so fl a nc a b l e t h es p e e di sh i g h e rt o2 0 0 0 m m i n t h et e n s i o n a n dt e m p e r a t u r eo fh e a t e dc o n d u c t o rm u s tb ec o n t r o l l e db e f o r et h ee o n d u c t o re n t e r si n t o t h ee x t r u d e r 1 1 1 i st h e s i sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e dt h ec o n t r o ls y s t e mo ff o r e i 趴c o n d u c t o r p r e h e a t e r b a s e do nr e s e a r c h i n gi n d u c t i o nh e a t i n g ，t e n s i o nc o n t r o la n dr e l a t e dt e c h n o l o g y , t h et h e s i sb r o u g h tf o r w a r dt h ep l cp r o g r a m m a b l ec o n t r o ls y s t e mo fc l o s e dl o o p ，a n d d i s c u s s e dt h ec o n t r o ls t r a t e g yc o n c e r n i n gt h ep i d t h i st h e o r yc a nm e e tc o n d u c t o r s c o n s t a n ts y m m e t r i c a lh e a t i n gt e m p e r a t u r e , a n di n c r e a s et h el a nc a b l e sq u a l i t yf u r t h e r , a n da d a p tt ot h ed e m a n do fc u s t o m e r t h et h e s i sa n a l y z e sa n dr e s e a r c h e sm a i n l ys e v e r a l c o n t e n t sa sf o l l o w s ： 1 c o n d u c t o r si n d u c t i o nh e a t i n g ：b a s e do na n a l y z i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f i n d u c t i o nh e a t i n g p u tf o r w a r dt h ec i r c u i ts t r u c t u r ea n dc l o s e dl o o pc o n t r o lc o n c e r n i n go n i n d u c t i o nh e a t i n g sp o w e ro f p a r a l l e lc o n n e c t i o na n di n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y , a n di n t r o d u c e t h eh a r d w a r es y s t e mo f t h ep r e h e a t e r 2 t e n s i o nc o n t r o l ：b yc o m p a r i n gm e t h o d so ft h ev a r i o u s t e n s i o nc o n t r 0 1 a n d c o m b i n i n ga c t u a lu s eo fp r e h e a t e r ，b r o u g h tf o r w a r de c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lt e n s i o n c o n t r o ls y s t e m 。a n da n a l y z e dt e n s i o nc o n t r o lm o d e l 3 p l cp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ra p p l i c a t i o n ：b e c a u s eo fp l c sm a t u r i t ya n de x t e n s i v e a p p l i c a t i o n , t h ep r e h e a t e ro ft h ep l cc o n t r o l l e ri su s e d , a n dt h ew h o l eh a r d w a r es y s t e mo f p l ci sa n a l y z e d 4 p i dc o n t r o l ss t r a t e g y ：t h et h e s i sr e s e a r c h e dc l o s e dl o o pc o n t r o lo fi m e r m e d i a t e f r e q u e n c yp o w e r , t e n s i o na n dt e m p e r a t u r e e m p h a s i z e dt oa n a l y z ep i dc o n t r o la r i t h m e t i c 5 a n t i - i n t e r f e r e n c er e s e a r c h ：a si n d u c t i o nh e a t i n go fi n t e r m e d i a t ep o w e rh a ss t r o n g e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，a n da l s om o d e me q u i p m e n th a sr e q u e s tf o ra n t i i n t e r f e r e n c e ， t h et h e s i s a n a l y z e d t h ea n t i - i n t e r f e r e n c ep r o b l e mo ft h es y s t e m i ta n a l y z e dt h e i n t e r f e r e n c es o u r c ea n dp u tf o r w a r dc o n s t r u c t i v ea n dp r a c t i c a lm e a s u r eo fa n t i - i n t e r f e r e n c e w i mt h ec o n d u c t o r p r e h e a t e r sd e v e l o p m e n t , f o rc a b l ep r o d u c e r , e s p e c i a l l yf o r 1 l i 曲- s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o nm a n u f a c t u r e r ，i ti sv e r yi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gp r o d u c t q u a l i t ya n ds t r e n g t h e n i n gm a r k e tc o m p e t i t i o na b i l i t y k e y w o r d ：l a nc a b l e ，i n d u c t i o nh e a t i n g , t e n s i o nc o n t r o l ，c o n d u c t o rp r e h e a t e r , p l c 上海大学工程硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 彭i 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：州日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 师签名：龇嗍型! ：芏! 上海大学工程硕上学位论文 第一章绪论 1 1 数据通讯电缆简介 第一章绪论 自美国在1 9 9 1 年提出“信息高速公路”以来，信息高速公路已成为风靡全球的 最大产业。从欧洲、日本、加拿大到新加坡、韩国等新兴工业化国家的政府部门、科 研机构、大学和公司等，都投入了大量资金和人力，来进行有关信息高速公路和高速 信息网络的研究，美国与欧洲等国甚至计划在2 0 1 5 年以前把信息高速公路连接到所 有国家和地区的几乎所有家庭。它将使多媒体实时传输成为可能，使现在的个体或互 动组成的计算机系统或网络系统，变成一个大范围的有组织的高效群体系统。 随着通信与网络的飞速发展和信息高速公路的建设“1 ，互联网已逐渐渗入我们生 活的各个方面，我国在1 9 9 3 年提出了“三金”工程，但原有的通信网络已不能满足 现代通信的需求，开始大量建设新的具有更高频率和更高速率的通信系统和计算机局 域网，因此，对通信与网络用的传输媒介一一数据电缆的需求增长很快。其代表性的 线材一一局域网络线( l a nc a b l e ) ，即人们常讲的五类缆，超五类缆，六类缆和七类 缆数据电缆等也朝着越来越高的传输频率发展。由于宽带通信接入网的兴起，数据电 缆作为信息高速公路最后1 0 0 米的理想传输媒介得到了大量的应用。数据电缆既能 传输音频模拟信号，又能传输宽带数据、电视信号等，可广泛用于机场、车站、商场、 医院、科研院所、智能化大楼和智能化小区等局域网数字通信系统。 为了满足大容量和更高频率的信号传输，对数据电缆的性能指标如衰减、特性阻 抗、近端串音衰减、远端串音衰减和结构回波损耗等也提出了严格的要求。因此，如 何生产出高性能的数据电缆，如何有效地提高和保证电缆的制造精度和稳定性及均匀 性，对生产设备也提出了更高的要求。 数据通讯电缆从5 类缆、超5 类缆、6 类缆向更高速率的7 类缆发展，决定 数据通讯电缆l a nc a b l e 质量的几个关键电气性能参数： i m p e d a n c e ( o h m s ) 阻抗 第1 页 s t r u c t u r a lr e t u r nl o s s ( s r l ) 结构回波损耗 n e a re n dc r o s st a l k ( n e x t ) 近端串扰 a t t e n u a t i o n ( d b ) 衰减 c a p a c i t a n c e ( p f mo rp f f t ) 电容 可能影响上述参数的几个因素： 线对节距的变化 导体直径的变化 绝缘厚度的变化，特别是绝缘厚度变薄 绝缘偏心 绝缘介电常数的变化，例如发泡度的变化 火花击穿 所以说，如何在绝缘芯线生产中，控制好各个参数，保证您的产品始终保持高性 能，在整个l a nc a b l e 制造中占有极为重要的地位。以下是一个典型的数据通讯电缆 绝缘芯线生产线的在线检测配置图： 图1 1 数据通讯电缆绝缘芯线生产线在线检测配置图 第2 页 上海大学t 程硕士学位论文第一章绪论 1 2 导体预热器概述 1 2 1 国内外导体预热器的现状与发展 随着国内日益快速发展的信息网络技术，向数据电缆的生产提出了挑战。 但目前国内所有的高速数据电缆，特别是六号和七号数据电缆生产用的导体预热器， 全部是国外品牌，设备价格奇高，供货周期长，并且维护成本也很高。对电线电缆生 产厂的生产成本和市场竞争带来了很大的压力。 国内预热器的现状：目前只有采用两个轮子的感应加热，张力控制系统相对简单， 而且只适用在低速的生产线上，一般在2 0 0 - 6 0 0 米分钟，加热过程中热损失大。主 要有上海欧勒测控设备有限公司，四川辉煌测控设备有限公司和几家台湾生产厂商， 具有一定的性价比优势，其占据着国内绝大部分的低端市场。 国外预热器的现状：采用带张力控制系统的预热器，并使用低热量损耗的轮子等 一系列措施，可应用在2 0 0 0 2 5 0 0 米分钟的高速数据电缆生产线上，产品能完全满 足高速数据电缆生产的工艺要求，但其缺点是价格太高，维护成本高。国外著名生产 商为英国蓓达镭射仪表有限公司b e t al a s e r m i k e 和瑞士仲巴赫电子公司z u m b a c h e 1 e c t r o n i ca g 根据近几年的情况来看，国内生产商也在设法逐步改进导体预热器的性能，但收 效不大，往往停留在一些表面上，如外形，温度显示用数码管代替指针式仪表等等。 国外生产商在原有的基础上，为一些特殊数据电缆的生产需要，量身定做，推出了一 系列适应特殊电缆生产的导体预热器。 1 2 2 导体预热器的作用和特点 在数据通讯的电缆生产过程中，特别是高速数据电缆如超5 类，6 类和7 类数据 通讯电缆。在芯线导体进入挤出机机头前必须安装有导体预热器，否则无法保证能生 产出合格的产品。 导体预热器用于通讯电缆制造生产线上，安装在螺杆挤出机之前，加热芯线导体， 使导体在进入挤出机之前保持一个恒定的温度，特别是对于发泡线来说，导体的温度 第3 页 上海大学- 程硕士学位论文第一章绪论 应恒定在+ 一1 。良好的预热，有助于： 提高绝缘的粘附力。 提高芯线与绝缘的剥离力。 稳定电容及发泡度。 预防绝缘开裂。 排除周围环境温度对导体的影响。 去除芯线潮气和润滑液。 提高生产速度。 为达到以上的功能和完善加热效果，导体预热器必须具备以下特点和要求： 必须采用高频预热，克服因工频预热方式所带来的加热不均匀，确保导体在高速 运动下感应温度的一致性。 必须有先进的温度控制系统，使预热能在升降速时都能保证温度不变。 热量损耗最小，提高加热效率。 最好具有带导体张力控制功能，尽量减少对导体的损伤，满足对高精度生产的要 求。 采用降耗技术，将系统中用于非导体预热能耗降至最低，降低生产成本。 需要一定的接口功能，以便与外部设备进行联系，如与上位机的通讯，将有关 的测量数据传送给计算机作进一步的分析和计算。 需安全、可靠、长寿命。 使用导体预热器后具有以下优势： 更好的产品质量。 更快的生产启动时间。 更少的废料。 更快的生产线速度。 更好的经济效益。 1 3 论文的主要工作 本课题来源于本人的实际工作中。结合国内在电缆生产中使用的导体预热器的特 点，本论文在以下几个主要方面作了进一步的分析和研究工作： 第4 页 上海大学丁程硕十学位论文第一章绪论 1 对高频感应加热，提出了采用变频器的感应加热电源系统，并介绍了预热器的硬 件体系结构。 2 在对张力控制分析的基础上，提出了经济有效的张力控制方案。 3 采用p l c 可编程控制器，组成整个设备的闭环控制系统，并讨论相关p i d 控制策略，实现了导体的均匀恒温加热。 本课题研究的目的，是在分析国内外生产厂商生产的导体预热器的基础上，为 国内电缆生产商开发出性价比最优的导体预热器，为电缆工业作出贡献。 1 4 本章小节 本章主要介绍了数据通讯电缆的市场生产需求和为此生产线需配置的在线检测 仪器的要求、作用和特点，分析了导体预热的作用和对导体预热器在设计时的要求， 简单介绍了国内外导体预热器的概况，提出了本论文需解决的几个关键技术问题。 第5 页 第二章导体预热器高频感应加热系统 2 1 感应加热原理 根据初级线圈中电流的变化，可以在邻近的闭合次级线圈中产生感应电流的现 象，这是米迦勒法拉第( m i c h a e lf a r a d a y ) 创立的现代感应加热的概念。对金属工 件的感应加热，其工作原理。“”。1 是在被加热金属工件外绕上一组感应线圈。当线圈 中流过某一频率的交流电流时，就会产生相同频率的交变磁通，交变磁通又在工件中 产生感应电势，从而产生感应电流，产生热量，实现对工件的加热。如图2 1 所示： f 图2 1 感应加热原理 工件放入感应线圈中，当感应线圈中流过交变电流i 时，便会产生交变磁通中， 工件由于电磁感应而产生感应电动势e 。 第6 页 上海大学工程硕士学位论文第二章导体预热器商频感应加热系统 感应加热方式是通过感应线圈把电能传递给被加热的金属导体，然后电能再在金 属工件内部转化为热能，感应线圈与被加热金属工件并非直接接触，能量是通过电磁 感应传递的。因而，我们把这种加热方式称为感应加热。 感应加热所遵循的主要原理是：电磁感应、集肤效应、热传导。为了将金属工件 加热到一定的温度，要求工件中的感应电流尽可能大。增加感应线圈中的电流，可以 增加金属工件中的交变磁通，进而增加工件中的感应电流。现代感应加热设备中， 感应线圈中的电流最大可以达到几千甚至上万安培。增加工件中感应电流的另一个有 效途径是提高感应线圈中电流的频率，由于工件中的感应电势正比于交变磁通的变化 率，感应线圈中电流的频率越高，磁通的变化就越快，感应电势就越大，工件中的感 应电流也就越大。对同样的加热效果，频率越高，感应线圈中的电流就可以小一些， 这样可以减少线圈中的功率损耗，提高设备的电效率。 在感应加热过程中金属工件内部各点的温度是在不断地发生变化的，感应加热 的功率越大，加热时间越短，金属表面温度就越高，工件中心部位的温度就越低。如 果感应加热时问长，金属工件表面和中心的温度通过热传导而趋于均匀。 感应加热设备的选用是根据被加热工件的工艺要求和尺寸大小来决定的。根据被 加热工件的材质、大小以及加热区域、加热深度、加热温度、加热时间等工艺要求， 进行综合计算与分析，来确定感应加热设备的功率、频率和感应线圈等技术参数。 2 2 感应加热的特点 过去1 0 0 多年，感应加热的理论和感应加热装置都有很大的发展，感应加热的应 用领域亦随之扩大，其应用范围越来越广。究其原因，主要是感应加热具有如下一些 特点8 1 州： ( 1 ) 加热温度高，而且是非接触式加热； ( 2 ) 加热效率高，可以节能； ( 3 ) 加热速度快，被加热物件的表面氧化少； ( 4 ) 温度容易控制，产品质量稳定，省能； ( 5 ) 可以局部加热，产品质量好，节能； ( 6 ) 容易实现自动控制，省力； ( 7 ) 作业环境好，几乎没有热、噪声和灰尘； ( 8 ) 作业占地少，生产效率高； 第7 页 ( 9 ) 能加热形状复杂的工件； ( 1 0 ) 工件容易加热均匀，产品质量好。 下表说明了感应加热电源的应用领域。 表2 1 感应加热电源的应用领域 应用 。 主要用途 部门 冶金黑色、有色金属的冶炼和保( 升) 温；金属材料的热处理；冷坩埚熔 炼、区域熔炼、悬浮熔炼等制取超纯材料；锻造、挤压、轧制等型材生 产的透热；焊管生产的焊缝。 机械黑色和有色金属零件的铸造和精密铸造金属的熔炼；机器零件的淬 制造火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热； 化学热处理的感应加热；压力加工( 锻、挤、轧等) 前的透热，特别是 模锻、精锻等；钎焊；对焊；硬质合金的熔焊；金属涂层及其他场合的 加热烘干；热装配等 轻工罐头封口加热、合成纤维生产中间接加热等 石油、化学反应釜等容器的加热、输油管道焊接缝现场退火，输油管道的保 化工温等 电子电子管生产中的真空除气时的加热等 2 3 感应加热电源 2 3 1 感应加热主电路分析 感应加热的主电路是感应加热系统控制的基础和中心，因此有必要对感应加热电 源的主电路做出分析。 感应加热的主电路有好几种，按电源负载形式来讲，分为串联逆变式和并联逆变 式，但目前大部分采用的是并联逆变式感应加热电源。下面是主电路，如图2 2 所 示： 第8 页 上海大学t 程硕士学位论文 第二章 导体预热器高频感戍加热系统 3 8 0 v 5 0 h z 图2 2 并联逆变器电源主电路 图中左边部分为整流电路，为常用的三相全控整流桥电路，由六个可控硅并联 组成桥式。它将从三相电网输入的5 0 h z 工频电压整流成脉动的直流电压。此时， 电网每一相的交流电流波形为近似的矩形波。三相全控整流桥电路的特点是在输入 交流电压一定的情况下，可以通过对可控硅门极触发的控制来达到控制输出电压大 小。这样就可以满足中频电源调节功率输出和启动等一系列的要求。 主电路的中间部分为滤波电路，对整流桥出来的脉动的直流电压源滤波获得平 直的直流电流。这个图中的是电流型的，即使用电抗器来进行滤波；也有电压型的， 用电容来滤波。图中右边四个晶闸管部分为单相桥逆变器，它的作用是将平直电流 变换成单相中频交流电流，其波形也近似矩形波，但频率较高。其工组原理是控制 这四个晶闸管的通断，使得在一段时间是其中上下两个对角晶闸管导通，另两个截 止，而在另一段时间内，原先导通的两个晶闸管截止，截止的晶闸管导通。这样相 互交替输出即为频率由这两组晶闸管导通截止频率决定的交流电流。 图中最右边部分为负载谐振回路，如图2 3 。由一感应线圈( 内含工件) ，即为 l 、r 和一组电容c 并联组成。故这种中频电源称为并联逆变式中频电源。由于并联 负载回路固有的谐振特性，使得矩形中频电流流过此并联电路时，会在负载端引起 近似正弦的中频电压。其谐振频率就是中频电源的工作频率。 j 图2 3 并联逆变式的负载电路 r l 第9 页 上海大学工程硕 学位论文第二章导体预热器高频感应加热系统 当支路上导纳( 即阻抗倒数) b 。= b 。时： 2 兀f l r 2 + ( 2 f l ) 2 = 2 f c ( 2 - 1 ) 式中：f 一频率，h z ：l 一电感，h ：r 一电阻，q ：c 一电容，f 则电压与电流相位角差为中= a r c t g ( b 。一b 。) g = 0 ( g 为电导，欧姆1 ) 。 即电源电压v 与电路中电流i 同相，理想的完全补偿。这时发生谐振，因在并联电路 中，故称并联谐振。并由此得谐振频率为： 1 f = f o = 2 u ( 2 2 ) 式中：f 一电流频率，h z ：f 0 一谐振频率，h z 实际上，l 很大，r 较小，r 2 f o l 或舻l 2 1 l c ，于是有近似公式： 1 ffo ( 2 3 ) 弧小i 即当工作情况变化时，l 发生了变化，c 不作任何调节，只需通过对f 的自动调 节，可使式( 2 2 ) 得到满足，这是真正的频率跟踪，达到运行效率最高。 并联谐振有下列特征，电路的导纳y 为： ( 2 4 ) 式中：y 一导纳，q 一：g 一电导，q 1 在谐振时其值最小，即电路阻抗最大，在电源电压v 一定的情况下，电流i 将在 谐振时最小，即： v r i = i 。= v g = r 2 + f 2 n f o l ) 2 ( 2 5 ) 第1 0 页 上海大学t 程硕：卜学位论文第二章导体预热器高频感应加热系统 式中：i 一电流强度，a ：i o 一谐振时的电流强度，a ： g = r r 2 + ( 2 f o l ) 2 ，将式( 2 2 ) 代入式( 2 - 5 ) ，有：g = r c l ， 于是：i ：i o = v ( l r c ) = v z 。( 设z o = l r c 为谐振时电路阻抗) 。阻抗与电流的 谐振曲线如图2 4 所示。因电源电压与电路中电流同相( 中= 0 ) ，故谐振电路对电 源呈电阻性，谐| ；时由路阻抗z o 相当于一电阻即为最高效率状态。 z ，1 0f of 图2 4z 和i 的谐振曲线 谐振时各并联支路电流为： i 。= v 厂而面2 i c ；v 2 确c ( 2 - 而i = i o = v g ，当r 2 f ol 时，由式( 2 一1 ) 和式( 2 5 ) 可知 1 ( 2 f o l ) 2 丌f o c g 。于是有i t i c i o ，即在谐振时，并联支路的 电流近于相等，可能比总电流大许多倍，故并联谐振亦称电流谐振。i 。或i c 与总电 流i o 之比为： l i o i c i o = ( v ( 2 f 。c ) ) ( pr c ) = ( 2 f o l ) r = w o l r = 1 ( w o c r ) ( w o = 2 f 0 1( 2 - 7 ) l i o 或i c i o 即谐振电路的品质因数q 。并联谐振时，支路电流i c 或i 。是总电流的 q 倍，电路的阻抗为支路阻抗的q 倍。 第1 l 页 在这种负载情况下，比较重要的是，在感应加热过程中，工件的温度是不断变化 的，由此引起炉子电感值的不断变化。这时，要保证负载的谐振，即要求电容与电感 相互抵消，达到真正的补偿，以使效率最大，就需要单相桥逆变器输出的频率满足 ( 2 2 ) 式。这就是自然频率跟踪。另外，负载的功率变化是通过整流桥的输出来进 行控制的。 除了并联逆变式，还有串联逆变式。其主要工作原理与并联逆变式大致相同，不 同的是其逆变负载与补偿电容串联，即采用电压谐振回路。 比起串联逆变式负载，并联逆变式负载电路更为复杂，启动不太容易。但是，由 于并联逆变式负载电路的更加完善，具有频率跟踪运行功能，运行可靠，效率高等显 著特点，故被广泛应用于感应熔炼、升温和保温系统等场合。 除了主电路之外，对于每一个中频电源来说，都需要其他的辅助电路和设备。整 流桥电路和单相逆变器的开关元件，即晶闸管或i g b t 都需要有与之相匹配的触发电 路和控制电路。另外，感应加热电源在加热过程中，由于被加热工件在加热过程中其 物理性质( 电阻率、导磁率等) 都会随着温度不断变化，因而负载电路的固有频率也 会随之变化。为使逆变器可靠工作，晶闸管中频电源要求工作在较高的功率因数，即 功率因数接近或等于1 的准谐振或谐振状态，以实现逆变器件的零电流换流( z c s ) 或零电压换流( z v s ) ，逆变电路必须具有自动频率跟踪系统，以适应负载的变化。 由于应用了a c d c a c 转换技术，使用三相全波整流很容易解决由于连接单相负 载而引起的三相不平衡问题，并且提高了电源的利用率。 为了减少变频器引起的三相电源的高次谐波影响，在整流器和逆变器之间串接 了滤波电抗。中频d c - a c 逆变器由四个i g b t 模块组成的单相桥路构成，通过脉宽调 制( p w f i ) 方式调节输出。中频逆变器的输出变压器豫用于隔离和匹配负载。 2 3 2 感应加热电源的控制策略 在生产过程中，中频电源不仅需要输出一定功率和频率，而且还需要在各种扰动 下维持或调整各种指标。例如，为了保证电源的正常运行，逆变电路必须具有频率自 动跟踪的能力，以适应负载参数的时变性质；在加热工件时，为了保证工件的出口温 度，电源必须具有电压自动调节的能力，以适应电网电压波动的影响。因此，感应加 热电源必须具有强大的控制功能，才能可靠工作和保证生产质量。 与其他自动装置相比，中频电源对各项调节品质指标的要求( 动态和静态的) 相 对要低一些。而动态指标与静态指标相比，后者是主要的。前者仅限于电源在扰动下 第1 2 页 上海大学- 程硕十学位论文 第二章导体预热器高频感应加热系统 不至于失去控制。 直到目前为止，工业中常用的中频电源仍以并联逆变电路为主，功率调节方式都 是采用单独调节可控整流器输出电压的方法”1 。中频电源的开环控制如图2 5 所示。 锢退 图2 5 中频电源开环原理图 控制过程如下：整流触发控制角调节器把输入控制信号u s 转换成控制角n ； 可控整流电路在电网电压为u e 的条件下把a 转换成直流输出电压u d ；经过滤波电感 l d 后，逆变器将输入直流电压u d 转换为频率为f 的中频电压u 。，向负载输出电能； 负载电路将中频电压转换成工件温度t c 。改变控制信号u s 即可改变工件温度t c 。开 环系统的特点是结构简单，但是对扰动没有调节能力。 闭环调节系统的原理如图2 6 所示。电压反馈电路把输出中频电压u 。转换成反 馈电压u r ( 直流) ，后者与给定电压u s 相比较，并产生差值电压u ：电压调节器将 此差值电压放大。这样系统在外界干扰d 和d ：的作用下也能维持输出电压为恒值。 扰动d 模拟三相电网电压的波动；扰动d ：模拟由于负载时变性质所引起的阻抗变化， 当直流电压u d 为定值时，负载阻抗变化将引起输出电压的变化。 兰蝌翌耀鲨 崾 警阿哥热 逆变触i 脉冲形 发电路i 成电路 图2 6 中频电源闭环控制原理图 第1 3 页 傀i _ 刨j 也 控流i e a 一 上海大学t 程硕卜学位论文第二章导体预热器高频感应加热系统 图中另一内环描述逆变电路具有频率自动跟踪的能力。脉冲形成电路将连续变化 的负载电压转换成同步脉冲，作为逆变触发电路的控制信号。 经过感应加热的产品最重要的技术指标就是温度。本系统通过测量温度然后作为 反馈信号进行控制。 中频输出功率p h 与工件温度t c 之间存在如下关系： c ( t o t o 、g p h = 式中：n 一电压总效率 t o 一环境温度 又：p h = u 。2 r h 故有： 0 2 4 t oq ( 2 8 ) c 一工件的比热容；t o 一工件加热时间：g 一工件质量 u h 一中频电压：一等效电阻 u h 2 = 【c ( t o t o ) g 0 2 4t oq 】乩( 2 - 9 ) 生产过程中要保持工件的温度在控制的范国内，所以出口工件的温度是控制的 关键因素。由上面的分析可知，调节中频电压u 。的值就可达到调节工件温度的目的。 而中频电压在生产过程中会发生波动，且温度控制具有一定的滞后性，所以，在感应 加热控制系统中，一般采用温度和电压双闭环的方法。温度和中频电压串级控制，温 度闭环为外环，电压闭环为内环。系统框图如图2 7 所示。 外环根据用户给定的设定温度t 。和反馈的工件温度t f 进行p i 调节后设定给定电 压值u s ；内环根据u s 和中频电压反馈u f 经过p i 调节后通过整流控制角调节器设定 整流的n 角，控制中频电压的输出功率。 第1 4 页 上海大学- 程硕十学位论文第二章导体预热器高频感应加热系统 在电压闭环和温度闭环中都采用了p i 调节器。比例调节p 成比例地反映控制系 统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减少偏差，较大的比例系 数可以使系统很快达到设定值，但是也增加了系统的不稳定性；积分调节i 用于消 除静态误差，提高系统的无差度；在感应加热中，热的惯性比电的惯性大得多，所以 一般忽略微分调节d ，在实际设备中采用p i 调节双闭环控制。 对于上述控制要求的实现，采用了如下的系统进行实现，框图图2 8 所示。 在此系统中，p l c 通过模拟量输入模块接收中频电压u h 和工件温度t c 的反馈信 号，根据这些信号以及其他输入信号实行双闭环控制算法，给出电压调节器的给定值。 然后通过整流控制角调节器改变整流电路的触发角a ，改变系统的输出功率，最终达 到控制工件温度的目的。 中频电流i “，中频频率f 也作为反馈信号输入p l c ，供p l c 控制感应加热电源 启动时用。 必须注意的是此控制策略仅仅是感应加热电源的控制策略。它忽略了工件的运动 速度变化，实际中还引入了速度的前馈补偿。 剖鬻 整流控制 角调节器 倚 电压 调节器 隔离 滤波 电路蓍喜h 负载电路 逆变控制电路 ( 模拟) 0 1 0 v 土i h型h篁l 图圜豳薛 t 电压转换 图2 8p l c 控制感应加热电源系统原理框图 第1 5 页 上海大学工程硕十学位论文第二章导体预热器高频感麻加热系统 2 4 感应加热系统的硬件体系结构 导体预热器的感应加热硬件体系结构如图2 9 所示。 导体预热器安装在铜线拉丝机和螺杆挤出机之间，其中感应加热部分系统的主要 硬件设备有： 1 感应加热变压器： 该装置采用感应加热原理。被加热电线绕过几个导轮和加热变压器，电线在牵 引导轮处短路，形成变压器二次短路环。在变压器初级线圈加上一定的电压，就会在 二次侧产生大电流，此电流流过电线，电线被加热。初级线圈电压根据需要加热的温 度和生产线的速度来计算得出。 图2 9 导体预热器感应加热系统硬件结构图 第1 6 页 上海大学工程硕+ 学位论文第二章导体预热器高频感应加热系统 被加热导体按照图2 9 的顺序( 1 7 ) 通过导体预热器的各陶瓷绝缘轮，并在 上部的大导轮处形成短路点。此变压器的一次侧连接中频感应加热电源，二次侧即 为被加热导体形成的短路环。如图2 一l o 所示： 3 8 0 v 5 0 h z 变压器 中 频 马十一 电 n 1 源 图2 一1 0 感应加热变压器 热导体 由于变压器的二次侧短路，即n 。= i ，而一次侧的绕组匝数n 1 根据不同的被加热 导体的规格不同采用不同的匝数，一般来说，n 远大于n 。所以在一次侧加上一定频 率的电压后在一次侧线圈中产生电流i 。，则在二次侧被加热导体产生很大的电流i 。 = n 。n ：堆i ，大电流产生热量，就加热导体。 2 中频感应加热电源： 它将电网所提供的5 0 h z3 8 0 v 电压转换成变压器所需要的中频电压，不同的输出 电压来调节被加热导体的温度。 3 测温仪： 实际应用中采用非接触式红外线测温仪如r a y t e 公司或i r c o n 公司的测温仪，用 来检测被加热导体在预热器出口处的实际温度。该类型的测温仪具有4 2 0 l l l a 或o i o v d c 模拟量输出以及r s 2 3 2 r s 4 8 5 的通讯接口，可以方便的于p l c 或上位机进行连 接。 由于感应加热控制系统最重要的测量参数就是温度，所以对测温仪提出了比较高 的要求。同时由于导体氧化的影响，测温仪常常会取不到正确的温度，因此合理安排 测温点尤为重要。必须安排测温仪的采样点数大于1 0 才能有比较可靠的温度值以实 现闭环控制。 4 p l c 和人机界面 p l c 和人机界面是整个控制的核心，其在第四章中的导体预热器控制系统中 一起探讨。 第1 7 页 上海大学t 程硕卜学位论文第二章导体预热器高额感应加热系统 2 5 本章小结 本章主要介绍了感应加热的原理、高频感应加热和感应加热电源的特点，提出了 主电路采用并联逆变方式，分析了感应加热的控制策略和闭环控制系统，介绍了预热 器的硬件体系结构。 第1 8 页 上海大学t 程硕+ 学位论文第三章导体预热嚣张力控制系统 3 1 引言 第三章导体预热器张力控制系统 张力控制广泛应用于各种卷壳及滚筒组成的加工生产线上，如造纸厂、印刷厂、 纺织漂染厂、食品厂和电线电缆厂等等。这些生产线在处理纸张、薄片、丝、线、布 等长尺寸材料的过程中，必须有一定的张力。张力在整个生产过程中应该保持稳定， 波动过大就会影响产品的质量。 近几年通讯事业迅猛发展，电信业、光电业对通讯电缆、光缆的需求不断增加， 产品的性能要求也越来越高，各个生产厂商都在不断的提高技术水平以追赶飞速发展 的i t 产业。目前城市住房小区宽带进户主要使用5 号类等通讯电缆，传统的通讯电 缆不能满足宽带网络的发展，世界各国都在大力发展光通讯。特别是在生产高速数据 通讯电缆的过程中，在对芯线导体进行预加热时，需要实现张力控制，以便被加热导 体的温度均匀，保证产品的性能和质量。 3 2 张力控制原理 无论多么复杂的系统，其张力控制原理上总是大同小异，因此可以用一个简化的 卷绕机构来说明张力控制的原理”1 。如图3 1 所示： 张力控制装置整体可以分为三个部分： 1 ) 张力速度检测装置。 2 ) 控制装置。 3 ) 执行机构及驱动器。 第1 9 页 上海大学_ t 程硕十学位论文第三章导体预热器张力 孛制系统 张力速度传感器根据不同的场合和控制要求进行选择。执行机构又分为收卷机 构和放卷机构，两者在有的系统中可以互换。控制器是系统的控制核心，它将速度、 张力等传感器采集来的信号进行处理，通过与事先给定的控制指标进行对比，按照一 定的控制策略进行数据处理，实时调整控制信号，通过放大环节来控制执行机构，最 终完成对张力和速度的调整。 图3 1 卷绕机构张力控制系统示意图 3 3 张力控制方式比较 在日常工作中，我们经常遇到张力控制问题，张力控制得好坏直接影响着产品的 质量。下面列举了几种常见的张力方式。1 ： 一、力矩电机及驱动控制器 通过电机电流控制线材张力，电机电流由其输出轴上所受的扭矩决定，这个扭 矩正比于线材所受的张力，因此。当线材张力变化时，电机电流也随着相应变化。利 第2 0 页 上海大学t 程硕士学位论文第三章 导体预热器张力撺制系统 用这一原理，首先确定对应每一种张力的电机电流。并将其作为基准值。当电机电流 的实测值偏离基准值时，通过调节电机速度，使偏差小于允许值。此控制方式中，力 矩电机与驱动控制器配合使用，特点如下： 性能：张力控制不稳定，线性不好。 经济性：设备简单，价格便宜，可正反转。 适用于张力精度要求不高的场合。如：普通的电线、电缆。 二、磁粉制动器磁粉离合器张力控制 磁粉离合器用作卷绕机构的传动控制，是一种较新的控制方式，控制框图如图 3 2 所示 图3 - 2 磁粉离合器控制系统框图 执行机