一种感应加热除漆机的功率控制电路及其功率控制方法与流程

1.本发明属于感应加热技术领域，特别涉及一种感应加热除漆机。


背景技术：

2.感应加热技术发展至今，已经在越来越多的工业场合中得到应用。具体到对船舶、舰艇等大型钢结构表面进行除漆处理的场合中，基于感应加热原理制造的除漆机，也以其良好的可控性、高效性、清洁性等优点获得了广泛关注。
3.传统的感应加热除漆机中通常设置电源与感应器，并在电源与感应器上成对设置变压器、以先升压降流后降压升流的形式从电源向感应器传送电能，以期在远端感应圈中获得大电流，这样构造的感应加热除漆机普遍存在自重过重、发热严重、行动笨拙的缺陷，应用到具有大幅面的钢结构表面除漆作业过程中时，很难取得良好的使用体验。
4.针对上述问题，发明人曾于2019年提出“一种复合谐振加热电路”(专利申请号为：201921591283.6)，在该专利申请文件中发明人提出，以加热电感和并联电容并联形成远端谐振单元，以串联电容与电缆上的分布电感接合形成近端谐振单元，控制电源转换器输出的交流电频率f，使其与远端谐振单元的固有谐振频率f0，即f＝f0，可完全取代现有技术中成对甚至的变压器，在加热电感上获得期望的大电流。
5.上述专利申请文件中公开了该复合谐振加热的电路结构，但应该注意的是，将上述电路应用到具体的船舶、舰艇表面除漆场景中时，操作人员应推动加热电感缓慢移动，逐渐覆盖所有目标区域，随着移动过程加热电感的移动速度变化、作业区域钢材质地变化、加热电感与目标钢材的距离变化等因素影响，加热电感上流过的电流将呈现为随时变化的状态，这将意味着加热电感上的输出功率将随之变化，整个感应加热除漆设备的加热温度也将时刻变化，加热效果也随之改变。如何控制整个加热电路的输出功率，在整个感应加热除漆过程中获得稳定的、可靠的、理想的、一致的加热除漆效果，是本领域技术人员急需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种感应加热除漆机的功率控制电路，该电路实时监控加热电感的电流大小，并根据其电流大小实时调节输出功率，保证感应加热电路在整个工作过程中取得一致的感应加热效果。
7.本发明的另一个目的在于提供一种感应加热除漆机的功率控制方法，该方法以频率控制环、功率控制环以及电流控制环三环并行，控制电路的输出功率随加热过程的具体工况变化而变化，保证整个加热除漆过程稳定，获得稳定的、可靠的、理想的、一致的加热除漆效果。
8.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
9.一种感应加热除漆机的功率控制电路，该电路包括有主回路、频率控制回路、功率控制回路、电流采样电路以及电压采样电路；
10.其中，主回路包括有整流电路、斩波电路、逆变电路、串联电容、电缆寄生电感、并联电容以及加热电感；外部工频市电接入整流电路，经整流电路处理后成为具有固定电压的直流电，整流电路的输出端接入斩波电路，斩波电路通过改变其内部的开关元件的通断情况，将原先具有固定电压的直流电经斩波处理后成为另一固定电压值或电压值可调的直流电，斩波电路的输出端接入逆变电路，逆变电路通过改变其内部上下两桥臂的通断情况，将斩波电路输入的直流电重新转换成为交流电，从其两输出端之间输出；逆变电路的其中一个输出端连接串联电容的其中一端，串联电容的另一端连接电缆寄生电感的其中一端，电缆寄生电感的另一端连接并联电容的其中一端，并联电容的另一端连接逆变电路的另一个输出端，加热电感的两端分别与并联电容的两端连接，并联电容与加热电感接合形成并联谐振结构，且该谐振结构具备固有谐振频率f0；
11.频率控制回路用于控制逆变电路，调节逆变电路输出的交流电的频率f；功率控制回路用于控制斩波电路，调节斩波电路输出的直流电的电压幅值u；
12.电流采样电路设置在逆变电路的输出端处，采样得到逆变电路输出交流电的实时电流值；电压采样电路设置在并联电容处，采样得到并联电容两端的实时电压；电流采样电路与电压采样电路的输出端共同接入频率控制回路，频率控制回路的输出端接入逆变电路；电压采样电路的输出端还接入功率控制回路，功率控制回路的输出端接入斩波电路。
13.而具体地，频率控制回路包括有电流过零检测器、电压过零检测器、相位比较器、vf电压频率转换器以及pf脉冲频率发生器；电流采样电路的输出端接入电流过零检测器，电压采样电路的输出端接入电压过零检测器，电流过零检测器与电压过零检测器的输出端一同接入相位比较器，相位比较器的输出端接入vf电压频率转换器，vf电压频率转换器的输出端接入pf脉冲频率发生器，pf脉冲频率发生器的输出端接入逆变电路。
14.对应地，功率控制回路中包括有电压给定电路、电压整流放大器、电压比较器、pid控制器以及pwm驱动器；
15.其中，电压给定电路中包括有：速度传感器，以及用于按照既定的函数关系，将速度信号转换成为电压信号的速度
‑
电压转换器；速度传感器设置于加热电感处，获取到加热电感的移动速度，速度传感器的输出端接入速度
‑
电压转换器，速度
‑
电压转换器的输出端接入功率控制回路。
16.而电压采样电路的输出端接入电压整流放大器，电压整流放大器的输出端接入电压比较器，速度
‑
电压转换器的输出端也一同接入电压比较器；电压比较器的输出端接入pid控制器，pid控制器的输出端接入pwm驱动器，pwm驱动器的输出端接入斩波电路。
17.功率控制回路还包括有电流整流放大器、电流给定器以及电流比较器；电流给定器的输出端输出具有既定大小的电流值；电流采样电路的输出端接入电流整流放大器，电流整流放大器的与电流给定器的输出端一同接入电流比较器中，电流比较器的输出端接入pid控制器。
18.基于上述感应加热除漆机的功率控制电路，本发明还提供一种感应加热除漆机的功率控制方法，该方法包括有以下步骤：
19.s1：电压采样电路采样得到并联电容两端的实时电压，记为u
c
；电流采样电路采样得到逆变电路输出端处输出的交流电的实时电流，记为i；
20.s2：将u
c
与i一同接入频率控制回路中，频率控制回路根据u
c
与i之间的相位差调节
逆变电路输出的交流电的频率f，使得f＝f0；
21.s3：电压给定电路采集得到加热电感的移动速度，记为v
l
，v
l
输入速度
‑
电压转换器中后，速度
‑
电压转换器根据v
l
数值大小，按既定函数关系将其转换成为对应大小的给定电压，记为u
gd
；应该说明，加热电感的移动速度v
l
与给定电压u
gd
之间的转换关系属于现有技术，本领域技术人员是具体应用场景要求，按需要规定并实施二者之间的函数，该函数关系并非本发明的保护核心，不在本技术要求的保护范围内。
22.s4：将u
c
接入功率控制回路中，功率控制回路根据u
c
与u
gd
之间的差值调节的斩波电路输出的直流电的电压幅值。
23.本发明提供的感应加热除漆机的功率控制方法为感应加热除漆机的功率控制构建了三条闭环。
24.首先为频率控制环：该闭环主要由s2实现，s2的具体步骤为：
25.s21：u
c
接入电压过零检测器，电压过零检测器在u
c
的每一个过零点时刻，在其输出端处输出电压过零脉冲；
26.s22：i接入电流过零检测器，电流过零检测器在i的每一个过零时刻，在其输出端处输出电流过零脉冲；
27.s23：电压过零脉冲与电流过零脉冲一同接入相位比较器，相位比较器比较得到二者的相位差；
28.s24：vf电压频率转换器将相位比较器输出的相位差转换后送入pf脉冲频率发生器，由pf脉冲频率发生器产生两路驱动脉冲，分别驱动逆变电路上下两桥臂的通断；
29.在并联电容两端采样获得其两端电压u
c
，并在逆变电路输出端处输出的交流电的实时电流i，则对u
c
于i进行处理后，二者之间的相位差即为接入到并联结构中的交流电的电压电流相位差，该相位差送入vf电压频率转换器和pf脉冲频率发生器中，产生的驱动脉冲作用在逆变电路上，将改变逆变电路上下两桥臂的通断情况，进而改变逆变电路输出端处输出的交流电的频率f，不断循环上述过程，即可构建完整的频率控制环，，最终取得f＝f0，实现逆变电路输出的交流电频率f的闭环控制。
30.其次为功率控制环。该闭环主要由s4实现，s4的具体步骤为：
31.s41：u
c
接入电压整流放大器中进行整流处理与放大处理，得到对应信号u
′
c
；
32.s42：将u
′
c
与u
gd
一同送入电压比较器中，比较得到二者的差值；
33.s42：u
′
c
与u
gd
之间的差值经pid控制器计算后，运算结果送入pwm驱动器，由pwm驱动器发出驱动波形，驱动斩波电路中对应开关元件的通断，改变斩波电路输出的电压大小；
34.上文提及，将上文记载的主回路应用到具体的感应加热除漆场景中时，操作人员应推动加热电感缓慢移动，逐渐覆盖所有目标区域，在此过程中，高频大电流流入加热电感中，加热电感将其转换成为高频交变磁场，该高频交变磁场耦合到目标区域的钢材表面，产生涡流电流，进而在目标区域钢材中产生焦耳热，涡流电流越大，作用时间越长，钢材发热量越大。
35.由此可见，如保持加热电感以恒定功率输出，则加热电感移动速度越快，在单位时间内，作业区域的钢材发热量越少，有可能导致作业区域的钢材表面漆层受热不足，不能彻底剥离；而对应地，保持加热电感以恒定功率输出，则加热电感移动速度越慢，加热电感在同一作业区域中停留时间越长，作业区域中的钢材发热量越大，将可能导致作业区域的钢
材表面漆层受热过度，漆层焦糊污染环境。因此应获取加热电感的移动速度，将该移动速度与加热电感的输出功率关联，使加热电感的输出功率随其移动速度改变而改变，才能在整个感应加热除漆过程中获得稳定的、可靠的、理想的、一致的加热除漆效果。在本发明提供的控制方法中，电压给定电路以速度传感器以及速度
‑
电压转换器的配合，采集得到加热电感的移动速度v
l
，将该移动速度v
l
按既定函数关系转换成为对应大小的给定电压u
gd
，该给定电压u
gd
即表征在当前的加热电感移动速度下，加热电感理想的输出功率大小，当电路中取得f＝f0时，并联谐振结构呈现为纯阻性，则该给定电压u
gd
也将同时表征在当前的加热电感移动速度下，加热电感理想的输出电流大小。
36.分析上文记载的感应加热除漆机的功率控制电路的电路结构可知，当逆变电路输出的交流电的频率率f满足f＝f0时，由并联电容与加热电感接合形成的并联谐振结构将达到其谐振点，此时整个并联谐振结构呈现为纯阻性，并联电容与加热电感上的电流交替变化，且并联电容上流过的电流在数值上与加热电感上流过的电流的数值大致相等。因此，设置电压采样电路，由电压采样电路采样得到并联电容两端的实时电压，记为u
c
，当电路中取得f＝f0时，u
c
的大小也将同时表征加热电感上的实际电流大小。
37.将u
c
与u
gd
进行差值比较，则其比较结果即为当前加热电感上的实际电流与当前加热电感理想的输出电流之间的差值，将该差值送入pid控制器，并进一步根据pid控制器的运算结果调节pwm驱动器输出的驱动波形，控制斩波电路中开关元件的通断情况，改变斩波电路输出的直流电的电压幅值u，不断循环上述过程，即可构建完整的功率控制环，实现整个电路输出功率的闭环控制。
38.最后为电流控制环：该闭环主要由s5实现。s5的具体步骤为：
39.s51：电流给定器输出具有既定大小的给定电流值，记为i
gd
；
40.s52：将i接入电流整流放大器中进行整流处理与放大处理，得到对应信号i
′
，将i
′
与i
gd
一同送入电流比较器中，比较得到二者的差值；
41.s53：i
′
与i
gd
的差值经pid控制器计算后，运算结果送入pwm驱动器，一旦出现i
′
≥i
gd
，则pwm驱动器控制斩波电路停止工作。
42.定义电流给定器输出的给定电流值i
gd
为电路输出的额定电流值，则电流采样器在逆变电路的输出端出采集到的交流电的实时电流值i，其处理后与给定电流值i
gd
比较后的差值，将直接表征逆变电路中的实时电流大小是否全电路的额定电流，一旦超出，则pwm驱动器控制斩波电路停止工作，保护电路中各个电子元器件。重复上述循环过程，即可构建完整的功率控制环，实现电流闭环控制。
43.综上所述，与现有技术相比，本发明提供的感应加热除漆机的功率控制电路及其功率控制方法相互支持，在感应加热除漆机工作过程中为主回路构建频率控制环、功率控制环以及电流控制环三环并行的电路架构，控制电路保持并联谐振结构始终工作在其谐振点，且加热电感上的输出功率随其移动速度变化而变化，保证整个加热除漆过程稳定，应用到具体的大型钢构表面除漆场合中，能取得稳定的、可靠的、理想的、一致的加热除漆效果。
附图说明
44.图1是具体实施方式中所实现的感应加热除漆机的功率控制电路电路结构示意图。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
47.请参阅图1。
48.在本具体实施方式中提供一种感应加热除漆机的功率控制电路，该电路包括有主回路、频率控制回路、功率控制回路、电流采样电路以及电压采样电路；
49.其中，主回路包括有整流电路、斩波电路、逆变电路、匹配变压器t、串联电容c1、电缆寄生电感l1、并联电容c2以及加热电感l2；外部工频市电接入整流电路，经整流电路处理后成为具有固定电压的直流电，整流电路的输出端接入斩波电路，斩波电路通过改变其内部的开关元件的通断情况，将原先具有固定电压的直流电经斩波处理后成为另一固定电压值或电压值可调的直流电，斩波电路的输出端接入逆变电路，逆变电路通过改变其内部上下两桥臂的通断情况，将斩波电路输入的直流电重新转换成为交流电，从其两输出端之间输出；逆变电路的其中一个输出端连接串联电容c1的其中一端，串联电容的另一端连接电缆寄生电感的其中一端，电缆寄生电感的另一端连接并联电容c2的其中一端，并联电容c2的另一端连接逆变电路的另一个输出端，加热电感l2的两端分别与并联电容c2的两端连接，并联电容c2与加热电感l2接合形成并联谐振结构，且该谐振结构具备固有谐振频率f0；
50.频率控制回路用于控制逆变电路，调节逆变电路输出的交流电的频率f；功率控制回路用于控制斩波电路，调节斩波电路输出的直流电的电压幅值u；
51.电流采样电路设置在逆变电路的输出端处，采样得到逆变电路输出交流电的实时电流值；电压采样电路设置在并联电容c2处，采样得到并联电容c2两端的实时电压；电流采样电路与电压采样电路的输出端共同接入频率控制回路，频率控制回路的输出端接入逆变电路；电压采样电路的输出端还接入功率控制回路，功率控制回路的输出端接入斩波电路。
52.而具体地，频率控制回路包括有电流过零检测器、电压过零检测器、相位比较器、vf电压频率转换器以及pf脉冲频率发生器；电流采样电路的输出端接入电流过零检测器，电压采样电路的输出端接入电压过零检测器，电流过零检测器与电压过零检测器的输出端一同接入相位比较器，相位比较器的输出端接入vf电压频率转换器，vf电压频率转换器的输出端接入pf脉冲频率发生器，pf脉冲频率发生器的输出端接入逆变电路。
53.对应地，功率控制回路中包括有电压给定电路、电压整流放大器、电压比较器、pid控制器以及pwm驱动器；
54.其中，电压给定电路中包括有：速度传感器，以及用于按照既定的函数关系，将速度信号转换成为电压信号的速度
‑
电压转换器；速度传感器设置于加热电感l2处，获取到加热电感l2的移动速度，速度传感器的输出端接入速度
‑
电压转换器，速度
‑
电压转换器的输出端接入功率控制回路。
55.而电压采样电路的输出端接入电压整流放大器，电压整流放大器的输出端接入电压比较器，速度
‑
电压转换器的输出端也一同接入电压比较器；电压比较器的输出端接入pid控制器，pid控制器的输出端接入pwm驱动器，pwm驱动器的输出端接入斩波电路。
56.功率控制回路还包括有电流整流放大器、电流给定器以及电流比较器；电流给定
器的输出端输出具有既定大小的电流值；电流采样电路的输出端接入电流整流放大器，电流整流放大器的与电流给定器的输出端一同接入电流比较器中，电流比较器的输出端接入pid控制器。
57.基于上述感应加热除漆机的功率控制电路，本具体实施方式还提供一种感应加热除漆机的功率控制方法，该方法包括有以下步骤：
58.s1：电压采样电路采样得到并联电容c2两端的实时电压，记为u
c
；电流采样电路采样得到逆变电路输出端处输出的交流电的实时电流，记为i；
59.s2：将u
c
与i一同接入频率控制回路中，频率控制回路根据u
c
与i之间的相位差调节逆变电路输出的交流电的频率f，使得f＝f0；
60.s3：电压给定电路采集得到加热电感l2的移动速度，记为v
l
，v
l
输入速度
‑
电压转换器中后，速度
‑
电压转换器根据v
l
数值大小，按既定函数关系将其转换成为对应大小的给定电压，记为u
gd
；
61.s4：将u
c
接入功率控制回路中，功率控制回路根据u
c
与u
gd
之间的差值调节的斩波电路输出的直流电的电压幅值。
62.具体地，s2的具体步骤为：
63.s21：u
c
接入电压过零检测器，电压过零检测器在u
c
的每一个过零点时刻，在其输出端处输出电压过零脉冲；
64.s22：i接入电流过零检测器，电流过零检测器在i的每一个过零时刻，在其输出端处输出电流过零脉冲；
65.s23：电压过零脉冲与电流过零脉冲一同接入相位比较器，相位比较器比较得到二者的相位差；
66.s24：vf电压频率转换器将相位比较器输出的相位差转换后送入pf脉冲频率发生器，由pf脉冲频率发生器产生两路驱动脉冲，分别驱动逆变电路上下两桥臂的通断；
67.具体地，s4的具体步骤为：
68.s41：u
c
接入电压整流放大器中进行整流处理与放大处理，得到对应信号u
′
c
；
69.s42：将u
′
c
与u
gd
一同送入电压比较器中，比较得到二者的差值；
70.s42：u
′
c
与u
gd
之间的差值经pid控制器计算后，运算结果送入pwm驱动器，由pwm驱动器发出驱动波形，驱动斩波电路中对应开关元件的通断，改变斩波电路输出的电压大小；
71.在本具体实施方式中提供的感应加热除漆机的功率控制方法中还包括有s5，s5具体步骤为：
72.s51：电流给定器输出具有既定大小的给定电流值，记为i
gd
；
73.s52：将i接入电流整流放大器中进行整流处理与放大处理，得到对应信号i
′
，将i
′
与i
gd
一同送入电流比较器中，比较得到二者的差值；
74.s53：i
′
与i
gd
的差值经pid控制器计算后，运算结果送入pwm驱动器，一旦出现i≥i
gd
，则pwm驱动器控制斩波电路停止工作。
75.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。