分时输出感应加热电源的制作方法

本实用新型涉及一种分时输出感应加热电源，属于电气领域内的电力电子变换电源类产品领域。

背景技术：

目前很多使用单位都有多种规格尺寸的产品需要进行加热，但是不会同时加热多种规格的产品，加热工艺有类似的，也有完全不同的，常常在产品换型时，需要手工去更换感应器，若感应器尺寸相差太大，还需要更换变压器箱、调整谐振电容等，换型时间较长，工作效率较低。或者直接购买多套独立设备，进行独立加热，设备投入成本高，设备利用率低。市场上没有一种能够采用一套设备分时控制多个加热线圈的感应加热产品。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：解决了如何通过一套设备分时控制多个加热线圈的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供了一种分时输出感应加热电源，其特征在于，包括主回路和控制回路，主回路包括三相电源，三相电源与电源输入空气开关的一端连接，电源输入空气开关的另一端通过三相输入电缆连接整流桥的一端，整流桥的另一端连接交流接触器的一端，交流接触器的另一端依次连接电抗器、滤波电容组，滤波电容组连接至少两个逆变IGBT模块，每个逆变IGBT模块包括两个IGBT，其中一个公共的逆变IGBT模块连接隔值电容组，其他每个逆变IGBT模块连接独立的中频变压器和谐振回路，谐振回路包含谐振电容组件和感应线圈，谐振电容组与感应线圈连接，两个中频变压器均与隔值电容组连接，滤波电容组和三相输入电缆均与主控制板连接，每个逆变IGBT模块连接一个驱动板；控制回路包括控制电源，控制电源连接至断路器的一端，断路器的另一端连接用于主回路电力电子器件的冷却和变压器、谐振电容器组冷却的冷却风机，冷却风机并联有开关电源以及相互串联的交流接触器和主控板继电器，开关电源连接主控制板，主控制板分别连接多个通过切换控制单元互锁和控制的驱动板，多个驱动板均与开关电源连接，开关电源连接扩展继电器，扩展继电器连接主控制板，驱动板的数量与逆变IGBT模块的数量相同。

优选地，所述的整流桥、逆变IGBT模块、变压器和谐振电容组均采用空冷结构。

优选地，所述的所有逆变IGBT模块连接在同一直流母线上，所有逆变IGBT模块共用一个公共的逆变IGBT模块，所有逆变IGBT模块共用隔值电容组。

优选地，所述的主控制板包括DSP数字式处理器和CPLD数字式可编程逻辑编辑器、AVR单片机芯片。

优选地，所述的主控制板连接至少两块驱动板和一块公共驱动板，每块驱动板分别连接到对应通道的逆变IGBT模块。

优选地，所述的谐振电容组与感应线圈之间设有输出端子。

优选地，所述的开关电源连接电源指示灯和报警指示灯，报警指示灯连接主控制板。

本实用新型经过在电机铝壳加热装配定子、转子内孔加热装配轴、电机端盖内孔加热装配轴承、电机绕组钎焊等应用场合多次使用，设备可靠性和经济性得到充分的保证，大大节省用户换型时更换感应线圈的时间、达到快速切换、提高工作效率和生产效率、降低设备成本，一台分时双输出设备成本约为两台传统设备价格的2/3。目前已经生产分时双输出、分时三输出设备50多台。

附图说明

图1为主回路和双变压器及谐振回路结构原理图；

图2为控制回路原理图；

图3为分时三输出逆变回路IGBT驱动控制连接图。

具体实施方式

为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本实用新型为一种分时输出感应加热电源，即为分时双输出或多输出感应加热电源，其包括主回路和控制回路，如图1所示，主回路包括一个三相380V工频50Hz电源输入空气开关K1，三相电源与电源输入空气开关K1的一端连接，电源输入空气开关K1的另一端通过三相输入电缆连接整流桥BD1的一端，整流桥BD1的另一端连接交流接触器KP2的一端，交流接触器KP2的另一端依次连接电抗器IND1、滤波电容组GCAP2，滤波电容组GCAP2连接至少三个逆变IGBT模块(本实施例中，设有三个逆变IGBT模块)，所有逆变IGBT模块连接在同一直流母线上，所有逆变IGBT模块共用一个公共的逆变IGBT模块，所有逆变IGBT模块共用隔值电容组CAP5，隔值电容组CAP5与公共的逆变IGBT模块连接，其他每个逆变IGBT模块连接独立的中频变压器(本实施例中，设有两个输出，即两个中频变压器TANS1、TANS2)和谐振回路，谐振回路包含谐振电容组(CAP1～CAP4)和感应线圈(COIL1、COIL2)，谐振电容组与感应线圈连接，隔值电容组CAP5与两个中频变压器(TANS1、TANS2)连接，谐振电容组与感应线圈之间设有输出端子。滤波电容组GCAP2和三相输入电缆均与主控制板MB连接，每个逆变IGBT模块连接一个驱动板。

三相电源进电后通过整流桥全桥整流，将50Hz交流电源整流为直流电源，采用交流接触器缓冲电容充电，通过大电感、大电容组滤波，多个逆变IGBT模块连接在同一直流母线上，并且多个逆变IGBT模块共用一个公共的IGBT模块，如图1中的IGBT3和IGBT4为公共IGBT模块，每个逆变IGBT模块只需要另外增加一个IGBT模块即可，多个逆变IGBT模块共用隔直电容组。通过逆变IGBT模块后，每个逆变IGBT模块连接独立的隔离变压器和谐振回路，谐振回路包含谐振电容组件和感应线圈。

在逆变环节，降低IGBT的开关损耗是关键，本实用新型采用零电流开关方案，在DSP和CPLD的准确、快速控制下，能保证在各种工况下实现零电流开关，准确跟踪谐振频率，不产生相位偏移，并通过降低死区时间、提高驱动速度、选用快速型IGBT等措施，保证了低损耗和稳定的IGBT逆变。在隔离和阻抗匹配环节，本实用新型采用了高频铁氧体或超微晶铁心变压器，并采用高频电缆制作绕组以降低涡流损耗，采用降低漏感以及提高散热能力的结构设计和加工变压器。在谐振环节，本实用新型的谐振电容器组采用多个空冷聚丙烯薄膜电容器，替代传统的水冷式电热电容器，用降低漏感、降低感应损耗、提高散热能力的方式串并联组合，以获得低损耗、高电压和大电流的谐振输出。

本实用新型的控制部分线路如图2所示，该控制回路包括220VAC控制电源，220VAC控制电源连接至断路器(即控制电源开关)CK1的一端，断路器CK1的另一端连接冷却风机，冷却风机并联有开关电源SPOW以及相互串联的交流接触器KP2和主控板继电器KP3，该冷却风机还可以并联多个冷却风机(本实施例中，FUN1、FUN2是电源内部的2个冷却风机)，冷却风机用于主回路电力电子器件的冷却和变压器、谐振电容器组的冷却。开关电源SPOW连接主控制板MB，主控制板MB分别连接显示单元和切换电路，切换电路分别连接多个驱动板(本实施例中，驱动板为3个，PB1～PB3)。所有驱动板均与开关电源SPOW连接，开关电源SPOW连接扩展继电器K3，扩展继电器K3连接主控制板MB，驱动板的数量与逆变IGBT模块的数量相同。

主控制板MB是本实用新型的核心控制线路板，所有的测量、运行、控制、保护、输入和输出均在主控制板MB上完成，显示和按键单元连接至主控制板MB，完成操作和界面显示，采用多组隔离驱动板组合，也连接至主控制板MB，受DSP和CPLD的控制，通过切换控制单元互锁和控制，实现分时驱动IGBT完成逆变。主控制板MB连接至少两块驱动板和一块公共驱动板，每块驱动板分别连接到对应通道的逆变IGBT模块。开关电源SPOW连接电源指示灯LA1和报警指示灯LA2，报警指示灯LA2连接主控制板MB。受DSP的控制，当装置发生报警时，报警指示灯LA2亮。

其中，主控制板MB为现有技术，型号为BT056，由上海巴玛克电气技术有限公司设计和制造。

本实用新型具有以下特点：

1、IGBT实现多通道逆变切换

本实用新型具备多个逆变IGBT模块，且多个逆变IGBT模块共用了一个公共逆变IGBT模块作为其中一个桥臂，因此增加一个通道只需增加一对IGBT模块，节省成本。

具备多通道逆变切换控制单元，实现逆变电气切换、电气互锁，每个单元采用一个输入信号进行控制，当其中一个单元拿到信号并输出时，其他单元自动锁死，不会输出。

2、多通道可以运行在不同的工况

多通道可以连接不同的感应器、可以加热不同的工件、可以输出不同的功率、可以实施不同的加热工艺。

每通道逆变输出可连接不同的变压器、谐振电容组和完全不同的感应线圈，匹配不同的谐振频率，变压器可设计不同的变比，实现不同的输出电流匹配，可以用于加热完全不同产品，实现多种完全不同的加热工艺，使用时不需要更换任何部件，多个感应线圈可同时连接在设备上，需要使用时直接放入产品，启动对用工位加热即可，实现快捷的产品和工艺加热切换。

3、谐振频率和相位自动跟踪

在多通道快速切换的运行工况下，仍然实现了频率和谐振相位的自动跟踪，允许不同通道的频率有较大的不同；因此，本实用新型技术就相当于两台或多台非同时运行的电源，这简化了用户生产线的设计以及控制。

本产品具备在切换不同的通道运行后，能够自动跟踪对应通道的相位和谐振频率，不需要对设备和参数做任何调整，频率跟踪范围最大值是最小值的2-4倍，能够实现不同谐振频率的回路通过一个控制单元即可完成自动跟踪和控制，多个单元可以设置不同的加热功率、加热时间、运行模式(恒流控制、恒功率控制、恒温度控制、工艺程序运行)之间切换，和采用多台设备分时加热效果完全一样，多个谐振回路之间互不影响。

4.多通道控制权获取和锁定机制

采用电气切换和电气互锁，通过特殊设计的电气回路，直接对多通道IGBT驱动板的驱动电路进行切换和互锁，采用特殊订制的IGBT驱动板，通过电气信号输入即可实现IGBT驱动输出使能控制，而不需要设计多个、复杂的控制单元，结构简单，可靠性高，成本低。

每个通道设计一个启动输入信号，当任意一个通道输入启动信号，其他通道的IGBT驱动板同时锁死，然后控制单元输出驱动信号逆变IGBT输出，此过程中其他通道输入信号失效，直到输出的通道停止输出时，并断开输入信号时，再输入其他通道输入信号才能启动，安全性和可靠性高，不会出现因为误动作导致多路输出。

5.共用一块主控制板MB及一个主控程序

分时双输出或多输出感应加热电源多通道采用同一块主控制板MB，同一个单通道主控制程序，不需要对控制板和控制程序进行切换，同一块主控制板MB可以进行不同的输出设定、运行模式选择、不同的谐振频率跟踪，并且保证每个逆变IGBT都能实现ZCS软开关，通过串口通讯、IO输入即可实时调整运行状态，满足多种加热工艺快速切换。

6.全空冷结构

整流桥BD1、逆变IGBT模块(图1中有3个逆变IGBT模块，3个逆变IGBT模块上设有6个IGBT，即IGBT1-IGBT6)、高频变压器和谐振电容器均采用空冷结构；电源内部不需要通水，因此可彻底消除水系统故障。

6.1.空冷高频绕组

采用很多股(根据漆包线的芯径，数量为100-5000根)耐高温漆包线加工成空冷高频电缆，每股之间均相互绝缘，因此高频涡流损耗很低，工作频率可达100KHz以上，多股漆包线通过编织换位使每股的电流均匀，电缆成型后外部包绕耐高稳绝缘带，变压器的初级和次级均采用这种空冷高频电缆绕制而成。

6.2.散热能力强的绕组和磁心结构

本项目的绕组和磁心的结构使得初级绕组、次级绕组和磁心三部分均可以得到充分散热，不仅散热能力强，而且变压器的漏感很小，这不仅节约了成本，而且变压器功率可以更大，可以适应的场合更多。

6.3.采用低损耗铁氧体或者超微晶作为变压器磁心，以提高变压器的工作频率和功率等级。一般采用多组磁心以提高变压器功率，多组磁心的组合形式大多采用三角形，以提高散热能力、降低漏感，也可以采用四角形或E型组合。

6.4.初级和次级绕组的结构使得绕组可以简单地并联以提高输出电流，各并联绕组的电流均等，这特别适合于感应加热的场合。很多场合次级可以是单匝多组并联结构，单个变压器的次级输出电流可达3000A。

6.5.多个此种变压器可以通过绕组串联或并联的方式获得更高的功率。

6.6.变压器初级或次级可放置抽头以适应不同场合和工况的应用。

6.7.变压器的绕组或磁心上可放置测温传感器，以监测变压器工作温度，防止变压器在过载时超温损坏。

6.8.变压器连带磁心、绕组和安装固定部件整体浸绝缘漆定型固化。

6.9.使用时变压器的绝缘等级达到F级，整体耐温为150℃，根据选取的漆包线等级，绕组最高耐温可达240℃。

7.全数字式控制结构

主控制板MB采用DSP数字式处理器和CPLD数字式可编程逻辑编辑器、AVR单片机芯片进行控制，DSP进行AD采集和DA转换，总共上百个输入输出信号处理，CPLD采集硬件保护信号十多个，脉冲信号输入输出十多个通道，同时DSP采集的数据通过软件设置进行保护的信号十多个。

DSP和CPLD承担了以下功能：设备运行状态、输入和输出电量、ZCS过零相位跟踪、频率跟踪、各部分功率器件温度检测、对外模拟量输入输出信号、IO控制输入输出信号、DSP与CPLD之间通讯、DSP与显示单元通讯、DSP对外RS232串口通讯控制数据交换、DSP与辅处理器AVR单片机芯片通讯数据交换等，所有输入输出信号均经过数字式处理后进行控制和输出。

如图3所示，是分时三输出逆变回路IGBT驱动控制连接图，采用一块主控制板MB，输出一组逆变脉冲信号，同时连接3组逆变驱动板(如图中驱动板PB1、驱动板PB2、驱动板PB3)和一块公共驱动板PB4。每块驱动板分别连接到对应通道的IGBT模块，如图中的逆变IGBT模块1、逆变IGBT模块2、逆变IGBT模块3、逆变IGBT模块4，其包括8个IGBT。其中，逆变IGBT模块4为公共模块。DC2\DC-为直流电压。

驱动板PB1、驱动板PB2、驱动板PB3分别由继电器信号J1-3、J2-3、J3-3控制使能端，继电器闭合时，驱动板可以输出，继电器断开时，驱动板不输出。

本实用新型具有下列三个最主要的技术特点：

1.全空冷结构

变压器和谐振电容组均采用空冷结构；电源内部不需要通水，因此可彻底消除水系统故障。

2.采用一块主控板，DSP和CPLD控制，分时控制两个或多个逆变IGBT模块输出，双回路或多回路谐振单元。

逆变IGBT模块之间具备互锁功能，有一个逆变IGBT模块输出时，其他逆变IGBT模块自锁不输出，并实现准确可靠的零电流IGBT逆变，同时保证装置测量、控制、运行、显示、限制、保护等各项功能高效有序的运行。

3.双回路或多回路不同谐振频率和相位自动准确跟踪

双回路或多回路谐振频率可以设计不同，可连接不同规格的感应线圈，加热完全不同规格的工件，包括尺寸、材质、加热工艺，都可以完全不同，切换输出单元时可自动跟踪不同谐振回路的谐振频率、阻抗匹配，通过设置不同的输出功率，达到完全不同的加热工艺要求，并且能使IGBT逆变始终工作在最佳工作点，更换感应器后无需调整电源参数。

此外，本实用新型同时采用了下列措施，以提高设备性能：

在整流的输入侧采用滤波电路，以提高电源的功率因素、降低输入电流谐波。

系统采用零电流(ZCS)电路实现高频低损耗IGBT逆变，能快速精准地跟踪负载的变化，及时调整逆变频率和相位；消除了目前普遍存在的IGBT逆变容易脱离ZCS模式的缺陷，因此解决了IGBT容易损坏的问题。

较模拟式控制方式相比，系统在跟踪速度、跟踪精度、综合保护能力、效率等性能上均明显提高。

采用快速IGBT驱动电路，与现行驱动电路相比，能明显改善谐振波形，降低死区时间，并进一步降低开关损耗，增加高频跟踪逆变的稳定性；同时具有短路保护和欠压保护功能。

在意外保护或发生供电回路快切或闪变情况下，装置可以进行自动监测，并自动恢复运行，避免停机造成的生产损失。

内置PID程序，适合温度闭环运行，也可以实现升温及降温速度控制。由于采用数字式，适应各种快速和慢速温度变化的场合，温度时间常数范围从1秒至数万秒，并且可以在线整定。

具有恒输出电流运行、恒输出功率运行、温度闭环运行、分段运行四种运行模式。

提供可选的感应器水流量检测及水流量低保护功能，可以实时监测感应器水流量，且保护值可任意设置。

实现输出功率0-100％连续可调，完善的保护限制功能，具有短路、过载、过压、过流、过温保护和限制功能，具有变压器状态检测。

配置RS232/RS485C接口和通讯协议，支持MODBUS协议，通过RS232/RS485，可以实现通讯控制，并与其他设备协调运行，完成对加热对象特别的过程控制。

采用高亮度点阵显示单元，可提供中文显示界面，显示操作简单，界面用户友好。

运行控制、限制保护等参数均可在线进行设置，断电后设置的参数不丢失。

能记录在运行过程中所发生的报警和故障事件，所有保存的事件均能在系统显示单元上查询。

用户接口包括隔离的数字量输入输出接口、继电器接点输出接口，隔离的模拟量输入接口。

通过用户接口，可以方便地实现远方控制、中央控制等功能。

本实用新型的电源能固定连接两个或多个感应器，实现分时的多工位加热；与两台独立设备相比，该技术不仅可以提高生产线效率，而且能降低设备投资成本，还能在一台设备上控制两个工位，提高自动化程度。

电源采用DSP控制器和CPLD进行数字式控制，输出通道的切换是IGBT电子软切换，具有高效、快速、无机械损耗、长寿命、可实现自动化等优点；多个通道可以是不同的工件和不同的功率；同时兼具有数字界面和接口、多种运行和控制模式等特点。可广泛用于多工位钎焊、热处理、热装配、晶体生长等场合。

本实用新型已经试制和试用成功。

某青岛厂家定做的加热铸铁产品外壳，然后热配合套轴，左右两个线圈内径尺寸不同，工件尺寸不同，采用一台分时双出电源，分别针对两种不同的产品设计不同的变压器和谐振电容、感应线圈配置，达到最高效率的分时加热两种产品的目的

南通某厂家定做的加热电机产品外壳，然后热配合套定子，左右两个线圈内径尺寸不同，工件尺寸不同，采用一台分时双出电源，分别针对两种不同的产品设计不同的变压器和谐振电容、感应线圈配置，达到最高效率的分时加热两种产品的目的。