用于风机轴承拆装的柔性感应加热电源的制作方法
【专利摘要】提供一种用于风机轴承拆装的柔性感应加热电源，所述柔性感应加热电源包括：感应加热电源主电路，连接到交流电网，接收交流电；控制电路，产生脉宽调制PWM信号；驱动电路，连接到控制电路和感应加热电源主电路之间，接收控制电路产生的PWM信号，以驱动感应加热电源主电路；保护电路，连接到感应加热电源主电路，以防止感应加热电源主电路出现过压、过热、过流、缺相中的至少一种，其中，感应加热电源主电路根据驱动电路的驱动产生电压信号，将所述电压信号施加到缠绕在风机轴承上的多芯电缆，使得多芯电缆发生感应加热，导致风机轴承与风机主轴之间由于温度差而产生间隙，以对风机轴承进行拆装。
【专利说明】用于风机轴承拆装的柔性感应加热电源
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于风力发电领域，涉及一种用于大中型风机轴承拆装的柔性感应加 热电源。
【背景技术】
[0002] 兆瓦级（例如2. 5MW)风力发电机（简称风机）的主轴轴承体积和重量大，而风力 发电场一般地理位置偏僻（以荒滩、山地、草原和海边为主），将主轴和轴承一起运输回厂 房完成拆卸和装配的成本较高。因此，风力发电机制造企业希望开发出一种能够兼顾主轴 轴承拆卸和装配的装置，而且该装置适用范围广且体积小易于搬运。图1示出了风机主轴 与风机轴承的拆装的示意图。
[0003] 目前应用较为普遍的轴承拆装方法包括以下三种：机械法、注油法和温差法。机械 法为传统方法，包括击卸法、压力法和拉拔法。注油法在大型轴承拆卸上替代机械法已经得 到广泛应用。温差法就是通过轴和轴承之间的温差产生间隙完成拆装，具体包括干冰降温 法、油浴法、烘烤法、火焰加热法和感应加热法。在拆卸过程中，必须明确轴承拆卸的注意事 项：避免损伤轴，不能通过滚动体传递拆卸力，当轴承需要重新使用时，尽量避免损坏轴承。
[0004] 感应加热法通过电磁感应的方法来加热轴承。此方法是目前过盈配合工件拆卸的 主流研究方向，与其它类型的加热技术相比，感应加热法具有显著的优势：
[0005] (1)感应加热属于非接触式加热，因此加热中不会给加热对象（工件）带入杂质；
[0006] (2)感应加热的加热功率和区域可以得到准确而快速的控制，因此局部加热和温 度控制实现容易；
[0007] (3)感应加热过程中不会产生污染物且噪音小。
[0008] 感应加热技术早在19世纪末就已经出现在工业应用中，但由于当时没有好的技 术手段来生成和控制用于感应加热的高频率电流（只能由体积巨大的中频发电机组作为 交流电源），所以感应加热技术一直发展缓慢。直到1958年美国研制出第一个半导体可控 硅（后称晶闸管，SCR)之后，感应加热技术伴随着电力电子器件性能的不断改进而飞速发 展。
[0009] 感应加热电源的输出频率是影响加热效果的主要参数，工业上按照交流电源工作 频率的不同，将电磁感应加热技术的应用领域划分为低频领域、中频领域、超音频领域和高 频领域。
[0010] 低于500Hz的交流电一般称为低频电，而感应线圈中的电流频率越低则涡流在导 体内的分布越均匀，同时加热速度也越慢，因此低频感应加热主要用于加热速度没有严格 要求的大型工件透热和保温。虽然随着半导体器件性能的不断改进，由全控型开关器件组 成的逆变电源在性能上已经超越了工频电源（电网提供的工业用电，50?60Hz不等），但 由于工频电源价格便宜、容量较大等优点，目前工业上仍以工频感应加热装置为主。
[0011] l_20kHz的交流电一般称为中频电，在半导体开关器件发明之前只有中频发电机 组能提供中频交流电，但中频发电机组体积大且控制不易，所以自20世纪70年代开始由半 导体开关器件组成的逆变电源已逐经步取代中频发电机组。而功率金属氧化物半导体场效 应管（power MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管（IGBT)等大容量开关器件的出现则进一步提 升了中频逆变电源的容量，目前欧美最大容量的中频感应加热电源容量已经达到MW级，而 国内同类型电源单机容量低于200kW。
[0012] 25-lOOkHz的交流电一般称为超音频电，随着半导体开关器件的出现，感应加热技 术才逐步涉及这个领域。目前，日本在超音频感应加热电源的研制技术上处于领先地位，早 在20世纪90年代就开发出了基于IGBT的丽级逆变电源。由于国内电力电子技术的落后， 国内超音频逆变电源的研制虽然起步早但是与国外的差距依然巨大，目前同类产品的容量 只有几十kW。
[0013] 100kHz以上的交流电一般称为高频电，由于电力电子技术的发展不足，国内研究 较少涉及这个领域，日本和欧美的发展方向则略有不同，其中日本以静电感应晶体管（SIT) 技术为主，欧美则主攻M0SFET技术，两者逆变电源容量相差无几，都已达到MW级别。
[0014] 虽然我国感应加热技术研究的起步时间与国外差距不大，但是直到20世纪80年 代国内感应加热技术才开始快速发展。目前，国内感应加热装置的加热对象类型单一，工作 频率恒定，加热对象温度分布不可控，并不能满足现代机械装备制造业对于感应加热产品 越来越多样性的需求。 实用新型内容
[0015] 为了克服上述缺陷，提供一种用于风机轴承拆装的柔性感应加热电源，所述柔性 感应加热电源包括：感应加热电源主电路，连接到交流电网，接收交流电；控制电路，产生 脉宽调制PWM信号；驱动电路，连接到控制电路和感应加热电源主电路之间，接收控制电路 产生的PWM信号，以驱动感应加热电源主电路；保护电路，连接到感应加热电源主电路，以 防止感应加热电源主电路出现过压、过热、过流、缺相中的至少一种，其中，感应加热电源主 电路根据驱动电路的驱动产生电压信号，将所述电压信号施加到缠绕在风机轴承上的多芯 电缆，使得多芯电缆发生感应加热，导致风机轴承与风机主轴之间由于温度差而产生间隙， 以对风机轴承进行拆装。
[0016] 控制电路控制PWM信号的移相角的大小，从而调节柔性感应加热电源的功率。 [0017] 感应加热电源主电路包括：整流电路，连接到交流电网，接收交流电；桥式可控逆 变电路，连接到整流电路，并且包括桥式连接的四个绝缘栅双极型晶体管IGBT ;谐振回路， 连接到桥式可控逆变电路，并且包括多个并联的谐振电容器，其中，驱动电路连接到桥式可 控逆变电路，将控制电路产生的PWM信号施加到IGBT上，控制IGBT的导通和截止，其中，缠 绕在风机轴承上的多芯电缆连接到谐振回路的两端。
[0018] 控制电路控制PWM信号的频率，以使得柔性感应加热电源的输出信号的频率实时 跟踪由谐振电容器和缠绕在风机轴承上的多芯电缆所构成的LC振荡电路的谐振频率。
[0019] 交流电为三相交流电，并且整流电路包括并联连接的三对二极管，三对二极管之 间的节点分别连接到三相交流电中的相应交流电。
[0020] 保护电路包括：电压传感器，连接到整流电路的输出端或桥式可控逆变电路的输 入端，接收整流电路的输出电压或桥式可控逆变电路的输入电压；过压保护电路，连接到电 压传感器，从电压传感器接收整流电路的输出电压或桥式可控逆变电路的输入电压，将整 流电路的输出电压或桥式可控逆变电路的输入电压转换为用于过压保护的模拟信号；模数 转换器，连接到过压保护电路，从过压保护电路接收用于过压保护的模拟信号，并将用于过 压保护的模拟信号转换为数字信号；现场可编程门阵列FPGA，连接到模数转换器，从模数 转换器接收转换的数字信号，并且将转换的数字信号与预定过压保护阈值进行比较，如果 转换的数字信号超出预定过压保护阈值，则向控制电路发送故障信号。
[0021] 保护电路还包括：温度传感器，连接到桥式可控逆变电路的IGBT，感测IGBT的温 度；过热保护电路，连接到温度传感器，从温度传感器接收IGBT的温度，将IGBT的温度转换 为用于过热保护的模拟信号，其中，模数转换器连接到过热保护电路，从过热保护电路接收 用于过热保护的模拟信号，并将用于过热保护的模拟信号转换为数字信号，其中，FPGA从模 数转换器接收转换的数字信号，并且将转换的数字信号与预定过热保护阈值进行比较，如 果转换的数字信号超出预定过热保护阈值，则向控制电路发送故障信号。
[0022] 保护电路还包括：电流传感器，连接到缠绕在风机轴承上的多芯电缆所在的负载 回路，感测负载回路的电流；过流保护电路，连接到电流传感器，接收负载回路的电流，将负 载回路的电流转换为用于过流保护的模拟信号，其中，模数转换器连接到过流保护电路，从 过流保护电路接收用于过流保护的模拟信号，并将用于过流保护的模拟信号转换为数字信 号，其中，FPGA从模数转换器接收转换的数字信号，并且将转换的数字信号与预定过流保护 阈值进行比较，如果转换的数字信号超出预定过流保护阈值，则向控制电路发送故障信号。
[0023] 保护电路还包括：缺相传感器，连接到交流电中的两相交流电之间，感测两相交流 电之间的相间电压；缺相保护电路，连接到缺相传感器，接收相间电压，将相间电压转换为 用于缺相保护的模拟信号，其中，模数转换器连接到缺相保护电路，从缺相保护电路接收用 于缺相保护的模拟信号，并将用于缺相保护的模拟信号转换为数字信号，其中，FPGA从模数 转换器接收转换的数字信号，并且将转换的数字信号与预定缺相保护阈值进行比较，如果 转换的数字信号小于预定缺相保护阈值，则向控制电路发送故障信号。
[0024] 控制电路在接收到故障信号之后停止产生PWM信号，以保护柔性感应加热电源。
[0025] 通过采用本实用新型的用于风机轴承拆装的柔性感应加热电源，通过将多芯电缆 缠绕在将被加热的金属工件（例如风机轴承）上，不需要移动金属工件；金属工件加热过程 中无燃料消耗，并且绝缘物消耗很小，绝缘带能够重复使用50次以上，减少了处理费用；利 用在工件材料内部的感应电流加热，可使整个加热区域保持均匀，避免了由于局部高温产 生的工件表面损坏；与常规的加热方式相比，使用感应加热缩短了加热时间；避免操作人 员接触因气体加热和电阻加热带来的火焰、爆炸性气体以及高温的元件；可实现超过90% 的利用率，为工件传输更多的能量，提高电源效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 通过结合附图，从下面的实施例的描述中，本实用新型这些和/或其它方面及优 点将会变得清楚，并且更易于理解，其中：
[0027] 图1是示出风机主轴与风机轴承的拆装的示意图；
[0028] 图2是示出根据本实用新型的用于风机轴承拆装的柔性感应加热电源的框图；
[0029] 图3是示出根据本实用新型的用于风机轴承拆装的柔性感应加热电源的操作示 意图；
[0030] 图4是示出根据本实用新型的柔性感应加热电源、多芯电缆以及风机轴承之间的 连接的示意图；
[0031] 图5是事件管理器的功能框图；
[0032] 图6是模数转换器的原理框图；
[0033] 图7是中断结构的示意图；
[0034] 图8是复位信号发生电路的示意图；
[0035] 图9是比较单元的框图；
[0036] 图10是电流反馈信号调理电路的示意图；
[0037] 图11是隔离放大电路的示意图；
[0038] 图12是根据本实用新型的驱动电路的示意图；
[0039] 图13是根据本实用新型的保护电路的结构框图；
[0040] 图14是根据本实用新型的过压保护电路的结构框图；
[0041] 图15是根据本实用新型的过热保护电路的结构框图；
[0042] 图16是根据本实用新型的过流保护电路的结构框图；
[0043] 图17是根据本实用新型的缺相保护电路的结构框图；
[0044] 图18是示出用于风机轴承拆装的柔性感应加热电源控制方法的流程图；
[0045] 图19是示出柔性感应加热电源的锁相环过程的流程图；
[0046] 图20是示出桥式可控逆变电路的驱动信号的波形图；
[0047] 图21是示出根据本实用新型的模糊PI控制的框图。
【具体实施方式】
[0048] 下面参照附图来描述本实用新型的实施例。
[0049] 在本实用新型中，以多芯电缆缠绕工件（例如风机轴承）来取代固定结构的感应 线圈，基于软件锁相环（SPLL)实现感应加热电源输出频率对负载谐振频率的实时跟踪，对 逆变电路采用移相脉宽调制（PWM)策略实现电源功率的闭环模糊比例积分（PI)控制，基于 电源中的可编程逻辑控制器（PLC)和温度传感器实现被加热工件的温度控制，从而达到被 加热对象的温度均匀分布和温度上升速度可控的目的。
[0050] 图2是示出根据本实用新型的用于风机轴承拆装的柔性感应加热电源的框图。
[0051] 参照图2,柔性感应加热电源包括加热电源主电路1、控制电路2、驱动电路3和保 护电路4。
[0052] 感应加热电源主电路1连接到交流电网，接收交流电，例如三相交流电。
[0053] 控制电路2连接到驱动电路3，产生PWM信号，并控制PWM信号的移相角的大小，从 而调节柔性感应加热电源的功率。
[0054] 驱动电路3连接到控制电路2和感应加热电源主电路1，接收控制电路2产生的 PWM信号，以驱动感应加热电源主电路1。
[0055] 感应加热电源主电路1根据驱动电路3的驱动产生电压信号，将所述电压信号施 加到缠绕在风机轴承上的多芯电缆，使得多芯电缆发生感应加热，导致风机轴承与风机主 轴之间由于温度差而产生间隙，以对风机轴承进行拆装。
[0056] 保护电路4连接到感应加热电源主电路1，以防止感应加热电源主电路1出现过 压、过热、过流、缺相中的至少一种。
[0057] 图3是示出根据本实用新型的柔性感应加热电源的电源主电路的框图。
[0058] 参照图3,感应加热电源主电路1包括整流电路11、桥式可控逆变电路12和谐振 回路13。
[0059] 整流电路11连接到交流电网，接收交流电。整流电路11可以是不可控整流电路。 整流电路11包括并联连接的三对二极管，三对二极管之间的节点分别连接到三相交流电 中的相应交流电。
[0060] 桥式可控逆变电路12连接到整流电路11，并且包括桥式连接的四个绝缘栅双极 型晶体管（IGBT)，S卩，两对IGBT。
[0061] 驱动电路3连接到桥式可控逆变电路12,将产生的PWM信号施加到IGBT上，控制 IGBT的导通和截止。
[0062] 谐振回路13连接到桥式可控逆变电路12,并且包括多个并联的谐振电容器。缠绕 在风机轴承上的多芯电缆连接到谐振回路13的两端。
[0063] 控制电路2可控制PWM信号的频率，以使得柔性感应加热电源的输出信号的频率 实时跟踪负载谐振频率，所述负载谐振频率是由谐振电容器和缠绕在风机轴承上的多芯电 缆所构成的LC振荡电路的谐振频率。
[0064] 在图3中，Ch为高频滤波电容，Cd为稳压电容，C0NTR0L_1和C0NTR0L_2是两对开 关器件IGBT的控制信号（S卩，驱动电路3产生的PWM信号），R为谐振回路的等效电阻，C 为谐振回路的补偿电容，L为缠绕在风机轴承上的多芯电缆的等效电感。图4示出了根据 本实用新型的柔性感应加热电源、多芯电缆以及风机轴承之间的连接的示意图。
[0065] 下面描述控制电路2的电路设计。
[0066] 近年来，数字控制技术越来越多地应用于中频感应加热电源。与传统模拟控制器 相比，数字控制器可以实现先进控制算法，并且能大幅度地提高设备的可靠性和稳定性。本 实用新型可选用数字信号处理器（DSP)作为核心处理器构成控制电路2。例如，本实用新型 选择TMS320F2812芯片。TMS320F2812是德州仪器（TI)公司推出的高性能32位定点DSP 芯片，它的主频最高可达到150MHz，足以满足实时性控制的需求。TMS320F2812具有丰富的 片内资源，主要包括：CPU、片内各种存储器、片外存储器接口（XINTF)、3个32位的CPU定时 器、外设中断扩展模块（PIE)、3个外部中断、2个事件管理器（EVA/EVB)、1个12位的模数 转换器（ADC)、1个串行外设接口（SPI)、2个异步串行通信接口（SCI)、1个增强型的区域网 络控制器（eCAN)、1个多通道缓冲串行接口（McBSP)、最多56个通用输入/输出口（GPI0)、 JTAG边界扫描支持等。
[0067] 控制电路2可实现锁相运算、功率调节、故障信号处理、系统复位、PWM波形发生等 功能。
[0068] (1)锁相功能
[0069] 图5是TMS320F2812的事件管理器的功能框图。
[0070] 参照图5, TMS320F2812片内事件管理器A里有三个捕获单元，都能够捕捉到外部 信号引脚的跳变。每个捕获单元有一个2级深的FIFO (先入先出），用于存储信号跳变的时 亥IJ。而且用户可设定上升沿、下降沿或上升下降沿检测。
[0071] 电流反馈信号调理电路输出的信号连接到的捕获单元1 (CAP1_QEP1)。这样，捕获 单元可以捕获到电流反馈信号的上升沿时刻，然后通过锁相运算，得到同频同相的输出信 号。
[0072] (2)功率调节功能
[0073] 图6是TMS320F2812的模数转换器的原理框图。
[0074] TMS320F2812片内模数转换器（ADC)共有16个输入通道，可配置成独立和级联两 种模式。片内ADC包含一个12位ADC核，内含米样/保持电路；模拟量的输入范围为0? 3V ;时钟频率达到25MHz ;ADCL0引脚为基准电压输入引脚（一般接地）。输入的模拟量与 采样数字量的关系可表示为：
[0075] 数字量=4095 X (模拟量-ADCL0) /3
[0076] 功率设定信号连接到模数转换器的通道0 (ADCINA0)。通过采样将模拟信号转换为 数字信号，控制PWM信号的移相角大小，从而达到功率调节的目的。
[0077] (3)故障信号处理功能
[0078] 图7示出了 TMS320F2812的中断结构的示意图。
[0079] TMS320F2812的中断由两级组成，一级是PIE中断，另一级是CPU中断。由图7中 可以看出，TMS320F2812有3个外部中断引脚：XINT1、XINT2和XNMI_INT13。每个中断可以 设置成上升沿触发或者下降沿触发。
[0080] (4)系统复位功能
[0081] 图8示出了 TMS320F2812的复位信号发生电路。
[0082] TMS320F2812通过复位引脚
【权利要求】
1. 一种用于风机轴承拆装的柔性感应加热电源，包括： 感应加热电源主电路，连接到交流电网，接收交流电； 控制电路，产生脉宽调制PWM信号； 驱动电路，连接到控制电路和感应加热电源主电路之间，接收控制电路产生的PWM信 号，以驱动感应加热电源主电路； 保护电路，连接到感应加热电源主电路，以防止感应加热电源主电路出现过压、过热、 过流、缺相中的至少一种， 其中，感应加热电源主电路根据驱动电路的驱动产生电压信号，将所述电压信号施加 到缠绕在风机轴承上的多芯电缆，使得多芯电缆发生感应加热，导致风机轴承与风机主轴 之间由于温度差而产生间隙，以对风机轴承进行拆装。
2. 根据权利要求1所述的柔性感应加热电源，其中，控制电路控制PWM信号的移相角的 大小，从而调节柔性感应加热电源的功率。
3. 根据权利要求1所述的柔性感应加热电源，其中，感应加热电源主电路包括： 整流电路，连接到交流电网，接收交流电； 桥式可控逆变电路，连接到整流电路，并且包括桥式连接的四个绝缘栅双极型晶体管 IGBT ； 谐振回路，连接到桥式可控逆变电路，并且包括多个并联的谐振电容器， 其中，驱动电路连接到桥式可控逆变电路，将控制电路产生的PWM信号施加到IGBT上， 控制IGBT的导通和截止， 其中，缠绕在风机轴承上的多芯电缆连接到谐振回路的两端。
4. 根据权利要求3所述的柔性感应加热电源，其中，控制电路控制PWM信号的频率，以 使得柔性感应加热电源的输出信号的频率实时跟踪由谐振电容器和缠绕在风机轴承上的 多芯电缆所构成的LC振荡电路的谐振频率。
5. 根据权利要求3所述的柔性感应加热电源，其中，交流电为三相交流电，并且整流电 路包括并联连接的三对二极管，三对二极管之间的节点分别连接到三相交流电中的相应交 流电。
6. 根据权利要求3所述的柔性感应加热电源，其中，保护电路包括： 电压传感器，连接到整流电路的输出端或桥式可控逆变电路的输入端，接收整流电路 的输出电压或桥式可控逆变电路的输入电压； 过压保护电路，连接到电压传感器，从电压传感器接收整流电路的输出电压或桥式可 控逆变电路的输入电压，将整流电路的输出电压或桥式可控逆变电路的输入电压转换为用 于过压保护的模拟信号； 模数转换器，连接到过压保护电路，从过压保护电路接收用于过压保护的模拟信号，并 将用于过压保护的模拟信号转换为数字信号； 现场可编程门阵列FPGA，连接到模数转换器，从模数转换器接收转换的数字信号，并且 将转换的数字信号与预定过压保护阈值进行比较，如果转换的数字信号超出预定过压保护 阈值，则向控制电路发送故障信号。
7. 根据权利要求6所述的柔性感应加热电源，其中，保护电路还包括： 温度传感器，连接到桥式可控逆变电路的IGBT，感测IGBT的温度； 过热保护电路，连接到温度传感器，从温度传感器接收IGBT的温度，将IGBT的温度转 换为用于过热保护的模拟信号， 其中，模数转换器连接到过热保护电路，从过热保护电路接收用于过热保护的模拟信 号，并将用于过热保护的模拟信号转换为数字信号， 其中，FPGA从模数转换器接收转换的数字信号，并且将转换的数字信号与预定过热保 护阈值进行比较，如果转换的数字信号超出预定过热保护阈值，则向控制电路发送故障信 号。
8. 根据权利要求6所述的柔性感应加热电源，其中，保护电路还包括： 电流传感器，连接到缠绕在风机轴承上的多芯电缆所在的负载回路，感测负载回路的 电流； 过流保护电路，连接到电流传感器，接收负载回路的电流，将负载回路的电流转换为用 于过流保护的模拟信号， 其中，模数转换器连接到过流保护电路，从过流保护电路接收用于过流保护的模拟信 号，并将用于过流保护的模拟信号转换为数字信号， 其中，FPGA从模数转换器接收转换的数字信号，并且将转换的数字信号与预定过流保 护阈值进行比较，如果转换的数字信号超出预定过流保护阈值，则向控制电路发送故障信 号。
9. 根据权利要求6所述的柔性感应加热电源，其中，保护电路还包括： 缺相传感器，连接到交流电中的两相交流电之间，感测两相交流电之间的相间电压； 缺相保护电路，连接到缺相传感器，接收相间电压，将相间电压转换为用于缺相保护的 模拟信号， 其中，模数转换器连接到缺相保护电路，从缺相保护电路接收用于缺相保护的模拟信 号，并将用于缺相保护的模拟信号转换为数字信号， 其中，FPGA从模数转换器接收转换的数字信号，并且将转换的数字信号与预定缺相保 护阈值进行比较，如果转换的数字信号小于预定缺相保护阈值，则向控制电路发送故障信 号。
10. 根据权利要求6-9中的任一项所述的柔性感应加热电源，其中，控制电路在接收到 故障信号之后停止产生PWM信号，以保护柔性感应加热电源。
【文档编号】H05B6/04GK204090187SQ201420585435
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月10日 优先权日:2014年10月10日
【发明者】张文波, 田河江, 陈锋 申请人:北京金风科创风电设备有限公司