专利名称：一种工业用电磁加热控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种控制装置，应用于工业电磁加热领域。
背景技术：
在塑料、建材、石油传输、汽车制造等工业领域，常会有电加热设备，用于加热的电能消耗在生产成本中占很大比重。传统的电加热方式采用电热圈加热方式，即在被加热容器外设置电热圈，电热圈产生的热量传导到被加热容器壁上，进而对被加热容器内的物料进行加热。这种加热方式，电热圈与被加热容器壁接触的部分表面积为传热面，电热圈其余部分表面积散发的热量直接散失到周围空气中，因而加热效率低，能源浪费严重，同时散发到空气中的热量对周围环境产生不利影响。鉴于电热圈加热方式存在的问题，目前，越来越多采用电磁加热方式。电磁加热是 利用电磁感应原理将电能转换成热能。通过电磁加热控制器将50Hz/60Hz的交流电整流、逆变为15-30kHz直流电源，加载到缠绕在被加热容器外壁上的感应线圈，从而产生交变电磁场。交变电磁场通过涡流与磁滞共同作用于被加热容器，使得被加热容器温度升高，进而加热其中的物料。与电热圈加热方式相比，电磁加热方式热损耗少、加热速度快，作为一种节能加热技术在工业领域有广泛的应用前景。电磁加热方式中电磁加热控制器主要采用无处理器的纯硬件电路设计，针对不同的加热对象设备功率输出能力差异大，即使对于同一加热对象设备长时间应用后由于负载线圈电感量变化功率输出能力的变化也很明显。另外，在遇到上电起动、电网电压波动、多机同时运行相互干扰情况下，电磁加热控制器设备可靠性差，经常因功率驱动部分烧毁造成炸机。这些问题影响和制约了电磁加热节能技术在工业领域的推广应用。
实用新型内容为了解决现有电磁加热技术存在的可靠性差的问题，本实用新型提供了一种工业用电磁加热控制器。本实用新型的技术方案如下一种工业用电磁加热控制器，包括整流滤波模块、主控模块、驱动模块、功率模块和检测及保护模块；所述功率模块包含IGBT集成电路；所述整流滤波模块分别向所述主控模块、所述驱动模块、所述功率模块和所述检测及保护模块提供直流电；所述主控模块分别与所述驱动模块和所述检测及保护模块连接，所述主控模块向所述驱动模块发送脉冲信号；所述检测及保护模块向所述主控模块反馈所述电磁加热控制器连接的电磁加热电路的状态信号；所述驱动模块与所述功率模块连接；所述驱动模块用于驱动所述功率模块向所述电磁加热电路供电。所述工业用电磁加热控制器还包括对外接口模块；所述整流滤波模块向所述对外接口模块提供直流电；所述对外接口模块接收来自外部的控制指令并传输给所述主控模块。[0009]所述功率模块兼容IGBT全桥谐振电路和IGBT半桥谐振电路。所述检测及保护模块检测所述脉冲信号是否失效，所述脉冲信号失效时则禁止所述脉冲信号向所述驱动模块发送。所述对外接口模块包括开关量输入接口和开关量输出接口和/或数字信号通讯接口和/或模拟信号接口和/或人机交互接口。 所述数字信号接口为CAN总线接口或以太网接口或GPRS接口或3G移动通讯接□。所述模拟信号接口支持4 20mA、I 5V模拟信号输入。所述对外接口支持6路开关量输入接口，及支持6路开关量输出接口。所述主控模块根据所述电磁加热电路的状态信号调整脉冲信号频率，使所述电磁加热电路工作在接近谐振点的状态。所述主控模块具备三种工作模式启动模式、正常运行模式和故障保护模式；在所述启动模式下，主控模块初始输出脉冲信号占空比通过脉冲宽度调制方式逐渐增加，实现所述电磁加热电路工作电流软启动；在所述正常工作模式下，根据所述电磁加热电路的状态信号调整脉冲信号频率及脉冲占空比，使所述电磁加热电路工作电流保持恒定；在所述故障保护模式，所述电磁加热电路出现故障，所述主控模块禁止所述脉冲信号输出。本实用新型的技术效果本实用新型的技术方案中检测及保护模块将电磁加热电路电感、电流变化反馈给主控模块，主控模块因而可以相应调整脉冲频率、占空比，进而控制驱动模块和功率模块，保证输出功率恒定，提高可靠性。
图I为本实用新型电磁加热控制器的原理图。图2为本实用新型电磁加热控制器的一个实施例原理图。图中标识说明如下I、整流滤波模块；2、主控模块；3、驱动模块；4、功率模块；5、检测及保护模块；6、对外接口模块。
具体实施方式
图I显示了本实用新型电磁加热控制器的原理。电磁加热控制器包括整流滤波模块、主控模块、驱动模块、功率模块和检测及保护模块，其中，功率模块包含IGBT集成电路。整流滤波模块分别与主控模块、驱动模块、功率模块和检测及保护模块连接。主控模块分别与驱动模块和检测及保护模块连接。驱动模块与功率模块连接。另外，电磁加热控制器还包括对外接口模块，整流滤波模块与对外接口模块连接。整流滤波模块将控制器外部输入的交流电转换成为多路直流电，分别提供给主控模块、驱动模块、功率模块、检测及保护模块和对外接口模块。主控模块产生一定频率和占空比的脉冲信号，经过驱动模块处理后用于驱动功率模块，为电磁加热电路提供15 30kHz的电源。功率模块与电磁加热电路连接，向电磁加热电路供电。以下为了描述方便将电磁加热控制器连接的电磁加热电路简称为负载。[0026]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT (双极型三极管)和MOS (绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。IGBT集成电路为现有的产品。检测及保护模块检测电磁加热控制器输入电压、负载电流、电感、温度等电磁加热电路的状态信号输入给主控模块进行处理。根据这些状态信号，主控模块相应地调整输出的脉冲信号输出状态、频率和占空比。此外，检测及保护模块还可连接硬件锁死电路，当电压、电流超限以及检测到 主控模块脉冲信号失效时，硬件锁死电路关闭主控模块输出脉冲信号功能，保护功率模块不受损坏。上述流滤波模块、主控模块、驱动模块、功率模块和检测及保护模块组成的电磁加热控制器可以根据负载的变化进行自动调整，实现输出功率恒定，提高可靠性。在没有对外接口模块，没有外部输入的控制信号或指令时，可以根据电磁加热控制器内置的数据库，使得主控模块根据负载的变化作出相应的调整。所述对外接口模块可以接收外部输入的控制信号或指令，并提供给主控模块进行处理，增加了电磁加热控制器的灵活性与扩展性。主控模块根据控制信号调整脉冲信号输出状态、频率和占空比。主控模块对于外部控制信号或者通信控制指令的执行结果、检测及保护模块的检测数据以及主控模块的运行状态都可以通过对外接口模块提供给远程监控设备。主控模块可以根据预设程序，无需外部控制信号或指令，根据检测信号自动调整输出的脉冲信号输出状态、频率和占空比。图2显示了本实用新型的一个实施例。本实施例中，整流滤波模块I包含三相整流滤波电路和单相整流滤波电路两部分。电磁加热控制器正常工作电源输入电压380VAC，采用三相四线制接线。380VAC电源接入电磁加热控制器后分为两路一路是三根相线进入三相整流桥模块后再经过滤波电路，输出500V左右的直流电压，为功率模块4提供电源，这也是电磁加热控制器功率输出的电源；另一路是取其中一根相线和零线，经过单相整流滤波成直流后，经过开关芯片逆变成为几十kHz频率的振荡波形，输入给隔离变压器，隔离变压器有多组线圈和输出接头，每路输出信号经过整流滤波后输出多路隔离的直流电压，分别为主控模块2、驱动模块3、检测及保护模块5和对外接口模块6提供隔离电源。本实施例中，电磁加热控制器工作时,功率模块4需要外部负载电感匹配形成串联谐振，而串联谐振信号是由主控模块2输出A、B、C、D共计4路脉冲信号，其中A、D同相、B、C同相而A、B反相。每路脉冲信号经过给驱动模块3处理后给功率模块4用于产生谐振激励。脉冲信号输入驱动模块3后，先经过高速光耦隔离后，再经过高速对管将脉冲的上升和下降沿进行处理，再输入给功率模块4。功率模块4兼容IGBT全桥谐振电路和IGBT半桥谐振电路，根据输出功率的需要可以通过调整谐振电容的位置，可以分别满足IGBT全桥谐振电路或IGBT半桥谐振电路的应用。具体来说，IGBT半桥谐振电路主要针对5KW、10KW的小功率电磁加热应用，可以采用两片IGBT单管或者一片IGBT半桥模块构建；而IGBT全桥谐振电路主要针对15KW以上的大功率加热应用，可以采用两片IGBT半桥模块或者一片IGBT全桥模块构建。本实施例中，电磁加热控制器检测及保护模块5通过不同的采集单元实时采集电压、电流、负载、温度、脉冲等信号。其中电压、电流、温度采集通过相应的传感器采集输入电压、负载电流信号，所采集信号经过数字电路调理后，一方面经过ADC电路转换成为数字信号或者经过V/F电路变换成为频率信号输入给主控模块2进行处理，采用优化的控制策略，提高电磁加热控制器抗干扰能力和工作的可靠性。另一方面输入给电压和电流保护电路，对于输入电压超过额定值的±10%就执行过压或欠压保护，对于负载电流超过额定值
10%或者低于额定值的50 %执行过流或电流异常保护。负载电感量采集是根据负载电流变化，由主控模块2结合控制器工作参数进行计算得出的 ，用于主控模块2输出脉冲信号频率和占空比调整。保护电路起作用后，主控模块2的脉冲信号输出将被硬件禁止，使电磁加热控制器停止工作无功率输出，保护设备和负载不会受到损坏。主控模块2可以根据检测及保护模块5实时采集的电流变化计算负载电感量变化，实现脉冲信号频率自适应调整，使负载工作在接近谐振点的状态，提高系统的功率因数。不过为了降低脉冲信号频率不断变化对电磁加热控制器周围的电气设备产生高次谐波干扰，脉冲信号频率不能跟随负载电感量变化实时变化，而是定时进行自适应调整使工作频率保持在距离谐振频率一定偏差之内，并使负载保持弱感性。主控模块2具备三种工作模式启动模式、正常运行模式和故障保护模式。所述启动模式，是指主控模块2初始输出脉冲信号占空比通过PWM(脉冲宽度调制)方式逐渐增力口，实现负载工作电流软启动。所述正常运行模式，是指根据检测及保护模块5采集的电流以及负载变化，定时调整脉冲信号频率以及脉冲占空比，使负载工作电流保持恒定。所述故障保护模式，是指当出线过压、欠压、过流、电流异常、过温、脉冲失效等故障时，主控模块2禁止脉冲信号输出。对外接口模块6包括数字信号通讯接口，可以支持一路有线方式的CAN总线接口或以太网接口，也可以支持一路无线方式的GPRS或3G网络接口。数字通讯接口采用模块化设计，统一采用标准的TTL电平接口和主控模块2进行连接，可以根据需要进行替换，但是对于每一台电磁加热控制器来说，只能选择一种通讯接口配置。上位管理软件可以通过数字信号通讯接口远程监视电磁加热控制器的实时工作状态，不需要人员到现场巡检即可远程及时对设备故障进行诊断，并及时进行相应处理。对外接口模块6包括模拟信号接口，可以支持一路4 20mA、I 5V或0 5V模拟量控制接口，通过ADC电路转换成数字量输入给主控模块2，可以由主控模块2根据参数设置计算后，对于输出的脉冲信号通过PWM方式对占空比进行调整，实现电磁加热控制器输出加热功率精确的连续调节。针对4 20mA、I 5V或0 5V信号采集，需要对于ADC前端调理电路的参数进行相应调整，一旦电路参数固定只能支持一种类型的模拟信号输入。对外接口模块6支持6路开关量输入接口，其中I路用于外部按钮或者控制系统开关量输入控制电磁加热控制器的工作启动和停止，另外5路用于接收外部温度控制系统的执行加热信号。对外接口模块6支持6路开关量输出接口，用于切换外部多路负载分时轮询工作。如果5路某一路开关量控制信号输入接通，则相应的开关量输出继电器吸合，用于触发外部接触器吸合，接通该路负载到电磁加热控制器进行加热。如果5路中有多路开关量控制信号输入同时接通，则主控模块2需要调度各路负载分时接通，实现对各路负载的轮巡加热，该功能可以很好的满足例如注塑机、挤出机等塑料加工多个加热分区的应用场合。[0039]值得注意的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非因此限定本实用新型的专利保护范围，本实用新型还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本实用新型的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本实用新型所涵盖的范 围内。
权利要求1.一种工业用电磁加热控制器，其特征在于包括整流滤波模块、主控模块、驱动模块、功率模块和检测及保护模块；所述功率模块包含IGBT集成电路； 所述整流滤波模块分别向所述主控模块、所述驱动模块、所述功率模块和所述检测及保护模块提供直流电； 所述主控模块分别与所述驱动模块和所述检测及保护模块连接，所述主控模块向所述驱动模块发送脉冲信号； 所述检测及保护模块向所述主控模块反馈所述电磁加热控制器连接的电磁加热电路的状态信号； 所述驱动模块与所述功率模块连接；所述驱动模块用于驱动所述功率模块向所述电磁加热电路供电。
2.根据权利要求I所述工业用电磁加热控制器，其特征在于还包括对外接口模块；所述整流滤波模块向所述对外接口模块提供直流电；所述对外接口模块接收来自外部的控制指令并传输给所述主控模块。
3.根据权利要求2所述工业用电磁加热控制器，其特征在于所述功率模块兼容IGBT全桥谐振电路和IGBT半桥谐振电路。
4.根据权利要求3所述工业用电磁加热控制器，其特征在于所述检测及保护模块检测所述脉冲信号是否失效，所述脉冲信号失效时则禁止所述脉冲信号向所述驱动模块发送。
5.根据权利要求4所述工业用电磁加热控制器，其特征在于所述对外接口模块包括开关量输入接口和开关量输出接口和/或数字信号通讯接口和/或模拟信号接口和/或人机交互接口。
6.根据权利要求5所述工业用电磁加热控制器，其特征在于所述数字信号接口为CAN总线接口或以太网接口或GPRS接口或3G移动通讯接口。
7.根据权利要求5所述工业用电磁加热控制器，其特征在于所述模拟信号接口支持4 20mA、I 5V模拟信号输入。
8.根据权利要求5所述工业用电磁加热控制器，其特征在于所述对外接口支持6路开关量输入接口，及支持6路开关量输出接口。
9.根据权利要求I所述工业用电磁加热控制器，其特征在于所述主控模块根据所述电磁加热电路的状态信号调整脉冲信号频率，使所述电磁加热电路工作在接近谐振点的状态。
10.根据权利要求I所述工业用电磁加热控制器，其特征在于所述主控模块具备三种工作模式启动模式、正常运行模式和故障保护模式；在所述启动模式下，主控模块初始输出脉冲信号占空比通过脉冲宽度调制方式逐渐增加，实现所述电磁加热电路工作电流软启动；在所述正常工作模式下，根据所述电磁加热电路的状态信号调整脉冲信号频率及脉冲占空比，使所述电磁加热电路工作电流保持恒定；在所述故障保护模式，所述电磁加热电路出现故障，所述主控模块禁止所述脉冲信号输出。
专利摘要本实用新型提供了工业用电磁加热控制器，包括整流滤波模块、主控模块、驱动模块、功率模块和检测及保护模块；所述功率模块包含IGBT集成电路；所述整流滤波模块分别向所述主控模块、所述驱动模块、所述功率模块和所述检测及保护模块提供直流电；所述主控模块分别与所述驱动模块和所述检测及保护模块连接，所述主控模块向所述驱动模块发送脉冲信号；所述检测及保护模块向所述主控模块反馈所述电磁加热控制器连接的电磁加热电路的状态信号；所述驱动模块与所述功率模块连接；所述驱动模块用于驱动所述功率模块向所述电磁加热电路供电。本实用新型广泛应用于工业电磁加热领域。
文档编号H05B6/06GK202514092SQ201220182198
公开日2012年10月31日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者何伟, 张晓华, 林红权, 赵昼辰 申请人:北京三博中自科技有限公司