一种金属热处理设备及冷却机组的制作方法

文档序号:15457677发布日期:2018-09-15 01:36

本发明涉及电力电子技术,具体是一种金属热处理设备及冷却机组。



背景技术:

现有技术热处理设备的逆变器IGBT模块功率容量不足,通过并联IGBT模块增大输出功率,但IGBT模块饱和压降不一致性,并联工作电流不均衡,产生环流冲击,极易烧坏IGBT模块。同时,固定移相式的桥臂脉宽调制PWM驱动IGBT模块全桥逆变器,存在移相桥臂开关时间变化器件损耗小,而固定桥臂开关时间不变器件损耗大,四个桥臂功耗不均衡,固定桥臂IGBT模块结温过热存在安全隐患。

冷却热处理设备工业用水或自来水冷却塔进、出流动热交换,耗水量是非常大的。而且,仅利用自然流动的水缺少制冷热交换冷却塔体积庞大,占地面积大。



技术实现要素:

本发明的目的是提供数字信号处理DSP芯片产生超前、滞后交替移相脉宽调制PWM脉冲驱动信号,过零功率软启动,发射激光束引导红外精准测温、无线数据传输,水冷式冷水机组制冷强制冷却的一种金属热处理设备及冷却机组。

本发明的技术解决方案:包括三相交流电源、交流接触器、数字信号处理控制板型号TMS320F28335的DSP芯片可编程相位控制产生超前、滞后交替移相的两路脉宽调制PWM1、PWM2信号,上管、下管设互锁死区时间tDT,分别经光纤耦合到两块双路IGBT驱动板,构成双路IGBT模块并联连接的两个半桥合成为H桥逆变器,由变压器匹配串联谐振负载电路,四个桥臂IGBT模块斜对角导通、截止,零功率软启动,交替移相开关时间相等功耗均衡,克服固定桥臂功耗大的缺陷,第一块双路IGBT驱动板输出接口P1、P2、P3依次连接IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q1栅极、集电极、发射极,第一块双路IGBT驱动板输出接口J1、J2、J3依次连接IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q1n栅极、集电极、发射极,第一块双路IGBT驱动板输出接口P4、P5、P6依次连接IGBT模块H桥逆变器桥臂C的管组Q3栅极、集电极、发射极,第一块双路IGBT驱动板输出接口J4、J5、J6连接IGBT模块H桥逆变器桥臂C的管组Q3n栅极、集电极、发射极,第二块双路IGBT驱动板输出接口P1、P2、P3连接IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组Q2栅极、集电极、发射极,第二块双路IGBT驱动板输出接口J1、J2、J3依次连接IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组Q2n栅极、集电极、发射极,第二块双路IGBT驱动板输出接口P4、P5、P6依次连接IGBT模块H桥逆变器桥臂D的管组Q4栅极,集电极,发射极,第二块双路IGBT驱动板输出接口J4、J5、J6依次连接IGBT模块H桥逆变器桥臂D的管组Q4n栅极、集电极、发射极;

IGBT模块H桥逆变器桥臂A管组、C管组散热板分别装配两个冷水盒,两个冷水盒进水管分别连接水冷式冷水机组的出水管,水盒出水管分别连接水冷式冷水机组的进水管,IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q1集电极连接铜排,IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q3发射极连接铜排,两块铜排绝缘层分隔叠合,两块铜排之间连接第一组滤波薄膜电容C1,IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q1发射极与IGBT模块H桥逆变器桥臂C的管组Q3集电极互连导线串入磁环E1为电感L1接到直流母线第一层的一块铜板,直流母线第一层的一块铜板连接阻抗匹配变压器T电感TL1的一端,IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q1n集电极连接铜排,IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q3n发射极连接铜排,两块铜排绝缘层分隔叠合,两块铜排之间连接第二组滤波薄膜电容C2,IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q1n发射极与IGBT模块H桥逆变器桥臂C的管组Q3n集电极互连导线串入磁环E1为电感L2接到直流母线第一层的一块铜板,电感L2与电感L1导线反向串入磁环E1,阻抗匹配变压器T电感TL1另一端连接电容C0一端,阻抗匹配变压器T电感TL2与感应炉谐振电感L、谐振电容C串联相接,并且穿入电流互感取样磁环电感il,阻抗匹配变压器T电感TL2两端作为逆变器输出电压测量接口,阻抗匹配变压器T铁氧体磁芯冷却进水管、电感TL1进水管、电感TL2进水管连接水冷式冷水机组的出水管,阻抗匹配变压器T铁氧体磁芯冷却出水管、电感TL1出水管、电感TL2出水管连接水冷式冷水机组的进水管,谐振电容C0水箱进水管连接水冷式冷水机组的出水管,谐振电容C0水箱出水管连接水冷式冷水机组的进水管,IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组、D的管组散热板分别装配两个冷水盒,两个冷水盒进水管分别连接水冷式冷水机组的出水管,水盒出水管分别连接水冷式冷水机组的进水管,IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组Q2集电极连接铜排,IGBT模块H桥逆变器桥臂D的管组Q4发射极连接铜排,两块铜排绝缘层分隔叠合,两块铜排之间连接第三组滤波薄膜电容C3,IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组Q2发射极与IGBT模块H桥逆变器桥臂D的管组Q4集电极互连导线串入磁环E2为电感L3接到直流母线第一层另一块铜板,直流母线第一层另一块铜板连接电容C0的另一端,IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组Q2n集电极连接铜排,IGBT模块H桥逆变器桥臂D的管组Q4n发射极连接铜排,两块铜排绝缘层分隔叠合,两块铜排之间连接第四组滤波薄膜电容C4,IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组Q2n发射极与IGBT模块H桥逆变器桥臂D的管组Q4n集电极互连导线串入磁环E2为电感L4接到直流母线第一层另一块铜板,电感L4与电感L3导线反向串入磁环E2;

冷却机组由压缩机冷凝器、冷却塔、蒸发器、水箱、干燥过滤器、滤渣器、电磁阀、膨胀阀、高压控制器、低压控制器、水泵、两个温度计、调温阀、控制阀、温度传感器组成,其中,蒸发器置于水箱中,水箱置有浮球开关,浮球开关控制水位缺水报警,并启动控制阀进水,蒸发器一端经制冷媒体传递铜管连接压缩机输入口,压缩机输出口经制冷媒体传递铜管、低压控制器接冷凝器,冷凝器置于冷却塔,冷凝器制冷媒体传递铜管经高压控制器、过干燥过滤器、电磁阀、膨胀阀连接蒸发器制冷媒体传递铜管另一端,制冷剂充入制冷媒体传递铜管,冷却塔进水管经控制阀、调温阀、滤渣器、控制阀连接工业用水,工业用水可直接经控制阀接到冷却塔进水管,温度传感器检测水泵出水温度连接调温阀,两个温度计分别显示冷却塔进水、出水温度,冷却塔出水管经控制阀排水,水箱出水管经水泵、控制阀分路接三相整流模块水盒进水管、H桥IGBT模块水盒进水管、阻抗匹配变压器进水管、感应炉谐振电感进水管、谐振电容水盒进水管,三相整流模块水盒出水管、H桥IGBT模块水盒出水管、阻抗匹配变压器出水管、感应炉谐振电感出水管、谐振电容水盒出水管经控制阀返回到水箱。

红外测温无线数据发射器由聚光透镜、激光二极管及驱动电路、光电转换芯片、对数放大电路、模数转换器A/D、数据编码器、型号ENS1121发射芯片组成,光电转换芯片配置透镜光路聚焦,与透镜光轴成斜角设置激光二极管发射光束窗口,驱动电路连接激光二极管,发射蓝光或绿光束用来对准工件红外测温点,发射芯片内含射频振荡器、数据调制FSKSW、鉴相器PFD、电荷泵CP、内置环路滤波器、分频器、压控振荡器VCO和输出功率步进或连续可调的射频功放,发射芯片射频振荡器ROI端外接石英谐振器XTAL1一端,石英谐振器XTAL1另一端接电容CX1、CX2一端,电容CX1另一端接地,电容CX1另一端接发射芯片FSKSW端,光电转换输出信号经对数放大电路、模数转换器A/D、数据编码器连接发射芯片FSKDTA端,与压控振荡器VCO经分频器输出信号分别接入鉴相器PFD,鉴相器PFD输出经电荷泵CP、内置环路滤波器控制压控振荡器VCO,压控振荡器VCO输出连接射频功放,射频功放输出端OUT经电容CM1、CM2、CM3、电感LM1带通滤波网络匹配天线TA发射,通过改变发射芯片PSEL端电压调节发射功率达到合适的发射、接收红外测温数据传输距离。

红外测温无线数据接收器由型号ENB3122接收芯片、数字PID调节控制器组成,接收芯片内含低噪声高放、锁相环PLL、本机振荡器、混频器、带自动增益控制AGC中频放大器、数据解调器DTAO,接收芯片ROI端外接石英谐振器XTAL2一端,石英谐振器XTAL2另一端接电容CX3一端,电容CX3另一端接地,接收芯片输入端LNAI经电容CM4、CM5、CM6、电感LM2低通滤波网络匹配天线TB,接收射频信号经高放与本机振荡器信号混频,提取中频接入带自动增益控制AGC中放、数据解调器、数字PID调节控制器至数字信号处理DSP控制板测温接口,实时运算控制加热温度。

本发明产生有益的积极效果:数字信号处理DSP芯片产生超前、滞后交替移相脉宽调制PWM零功率软启动,均衡四个桥臂IGBT模块功耗,激光束引导红外精准测量加热工件的温度,满足热处理工艺技术要求,无线数据传输适应热处理强电磁场辐射、高热、潮湿恶劣环境下稳定工作,避免高温造成光纤电缆的故障,水冷式冷水机组冷却温度调节范围大,自动温控调节开机、关机,高效冷却H桥逆变器IGBT模块、三相整流器、谐振电容、谐振电感炉产生的热量,大大降低设备故障率,保障工件热处理高效节能、安全、可靠运行,节水效果显著。

附图说明

图1本发明电路原理图

图2水冷式冷水机组原理图

图3红外测温无线数据发射器

图4红外测温无线数据接收器

具体实施方式

参照图1、2、3、4,本发明具体实施方式和实施例:包括三相交流电源、交流接触器,数字信号处理控制板3型号TMS320F28335的DSP芯片可编程相位控制产生超前、滞后交替移相的两路脉宽调制PWM1、PWM2信号,上管、下管设互锁死区时间tDT,分别经光纤耦合到两块双路IGBT驱动板1、2,构成双路IGBT模块并联连接的两个半桥合成为H桥逆变器,由变压器匹配串联谐振负载电路,四个桥臂IGBT模块斜对角导通、截止,零功率软启动,交替移相开关时间相等功耗均衡,克服固定桥臂功耗大的缺陷,第一块双路IGBT驱动板1输出接口P1、P2、P3依次连接IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q1栅极、集电极、发射极,第一块双路IGBT驱动板1输出接口J1、J2、J3依次连接IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q1n栅极、集电极、发射极,第一块双路IGBT驱动板1输出接口P4、P5、P6依次连接IGBT模块H桥逆变器桥臂C的管组Q3栅极、集电极、发射极,第一块双路IGBT驱动板1输出接口J4、J5、J6连接IGBT模块H桥逆变器桥臂C的管组Q3n栅极、集电极、发射极,第二块双路IGBT驱动板2输出接口P1、P2、P3连接IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组Q2栅极、集电极、发射极,第二块双路IGBT驱动板2输出接口J1、J2、J3依次连接IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组Q2n栅极、集电极、发射极,第二块双路IGBT驱动板2输出接口P4、P5、P6依次连接IGBT模块H桥逆变器桥臂D的管组Q4栅极,集电极,发射极,第二块双路IGBT驱动板2输出接口J4、J5、J6依次连接IGBT模块H桥逆变器桥臂D的管组Q4n栅极、集电极、发射极。

IGBT模块H桥逆变器桥臂A管组、C管组散热板分别装配两个冷水盒,两个冷水盒进水管分别连接水冷式冷水机组的出水管,水盒出水管分别连接水冷式冷水机组的进水管,IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q1集电极连接铜排,IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q3发射极连接铜排,两块铜排绝缘层分隔叠合,两块铜排之间连接第一组滤波薄膜电容C1,IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q1发射极与IGBT模块H桥逆变器桥臂C的管组Q3集电极互连导线串入磁环E1为电感L1接到直流母线第一层的一块铜板,直流母线第一层的一块铜板连接阻抗匹配变压器T电感TL1的一端,IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q1n集电极连接铜排,IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q3n发射极连接铜排,两块铜排绝缘层分隔叠合,两块铜排之间连接第二组滤波薄膜电容C2,IGBT模块H桥逆变器桥臂A的管组Q1n发射极与IGBT模块H桥逆变器桥臂C的管组Q3n集电极互连导线串入磁环E1为电感L2接到直流母线第一层的一块铜板,电感L2与电感L1导线反向串入磁环E1,阻抗匹配变压器T电感TL1另一端连接电容C0一端,阻抗匹配变压器T电感TL2与感应炉谐振电感L、谐振电容C串联相接,并且穿入电流互感取样磁环电感il,阻抗匹配变压器T电感TL2两端作为逆变器输出电压测量接口,阻抗匹配变压器T铁氧体磁芯冷却进水管、电感TL1进水管、电感TL2进水管连接水冷式冷水机组的出水管,阻抗匹配变压器T铁氧体磁芯冷却出水管、电感TL1出水管、电感TL2出水管连接水冷式冷水机组的进水管,谐振电容C0水箱进水管连接水冷式冷水机组的出水管,谐振电容C0水箱出水管连接水冷式冷水机组的进水管,IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组、D的管组散热板分别装配两个冷水盒,两个冷水盒进水管分别连接水冷式冷水机组的出水管,水盒出水管分别连接水冷式冷水机组的进水管,IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组Q2集电极连接铜排,IGBT模块H桥逆变器桥臂D的管组Q4发射极连接铜排,两块铜排绝缘层分隔叠合,两块铜排之间连接第三组滤波薄膜电容C3,IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组Q2发射极与IGBT模块H桥逆变器桥臂D的管组Q4集电极互连导线串入磁环E2为电感L3接到直流母线第一层另一块铜板,直流母线第一层另一块铜板连接电容C0的另一端,IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组Q2n集电极连接铜排,IGBT模块H桥逆变器桥臂D的管组Q4n发射极连接铜排,两块铜排绝缘层分隔叠合,两块铜排之间连接第四组滤波薄膜电容C4,IGBT模块H桥逆变器桥臂B的管组Q2n发射极与IGBT模块H桥逆变器桥臂D的管组Q4n集电极互连导线串入磁环E2为电感L4接到直流母线第一层另一块铜板,电感L4与电感L3导线反向串入磁环E2。

数字信号处理器DSP芯片可编程相位控制产生超前、滞后交替的两路移相脉宽调制PWM1、PWM2信号,移相角从180°逐渐减小,脉宽从零开始慢慢增大,直到最大值,然后,移相角反方向变化,交替轮换四个桥臂IGBT模块开关时间相等平衡功耗,克服固定移相桥臂开关时间不变功耗大的缺陷,消除隐患提高设备可靠性,变压器匹配感应炉谐振电感阻抗,工件等效负载获取最大输出功率,高效、节能运行。

并联IGBT模块增大输出功率,但因IGBT模块饱和压降差异和结温Tj影响稳态电流不均衡,必需对并联IGBT模块电流均衡分配。两个IGBT模块并联逆变输出端分别由导线反向穿入磁环E1为电感L1、电感L2。当两个IGBT模块输出电流相等时,电感L1、电感L2电流产磁通相互共扼抵消,均衡电感等效为零,不产生压降,并联的两个IGBT模块输出电流不相等时,有一个Δi电流进入负载,这个Δi在均流电感产生压降迫使该IGBT模块输出电流提高,另一个IGBT模块输出电流降低,两个电流共扼均流,抑制并联模块产生环流冲击,避免IGBT模块电流升高结温超限烧坏。磁环E2电感L3、电感L4与磁环E1电感L1、电感L2的结构和工作原理相同。

冷却机组的压缩机i、冷凝器x、冷却塔d、蒸发器y、水箱g、干燥过滤器c、滤渣器l、电磁阀b、膨胀阀a、高压控制器f1、低压控制器f2、水泵p、温度计h1、h2、调温阀k1、控制阀k2、温度传感器r组成,其中,蒸发器y置于水箱g中,水箱g置有浮球开关e,浮球开关e控制水位缺水报警,并启动控制阀k2进水,蒸发器y一端经制冷媒体传递铜管连接压缩机i输入口,压缩机i输出口经制冷媒体传递铜管、低压控制器f2接冷凝器x,冷凝器x置于冷却塔d,冷凝器x制冷媒体传递铜管经高压控制器f1、过干燥过滤器c、电磁阀b、膨胀阀a连接蒸发器y制冷媒体传递铜管另一端,制冷剂充入制冷媒体传递铜管,冷却塔d进水管经控制阀j、调温阀k1、滤渣器l、控制阀m连接工业用水,工业用水可直接经控制阀z接到冷却塔d进水管,温度传感器r检测水泵p出水温度连接调温阀k1,温度计h1、h2分别显示冷却塔d进水、出水温度,冷却塔d出水管经控制阀n排水,水箱g出水管经水泵p、控制阀q分路接三相整流模块水盒s进水管、H桥IGBT模块水盒t进水管、阻抗匹配变压器w进水管、感应炉谐振电感u进水管、谐振电容水盒v进水管,三相整流模块水盒s出水管、H桥IGBT模块水盒t出水管、阻抗匹配变压器w出水管、感应炉谐振电感u出水管、谐振电容v水盒出水管经控制阀o返回到水箱g。

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