PLC在電磁感應加熱造紙烘缸中的應用

0 引言
目前在造紙行業(yè)中，國內外大小廠(chǎng)家廣泛采用的仍然是傳統的油加熱和蒸汽加熱造紙烘缸。在多年的生產(chǎn)過(guò)程中，傳統造紙烘缸設備暴露出諸多的不足：能源利用率低、設備投資大、污染環(huán)境、生產(chǎn)事故頻發(fā)等。隨著(zhù)近些年國際上能源緊缺現象的加劇以及人們環(huán)保意識的增強，各個(gè)工業(yè)部門(mén)都在不斷改造老舊的設備，開(kāi)發(fā)節能高效的新型設備。作為造紙生產(chǎn)線(xiàn)中的耗能大戶(hù)，加熱烘缸的改造，需要從根本上改變由熱油和過(guò)熱蒸汽作為加熱介質(zhì)的加熱方式，尋找一種簡(jiǎn)單方便又無(wú)污染的替代方案。
“感應加熱”是一種合適的加熱方式，具有熱效率高、加熱均勻、安全等特點(diǎn)，在鋼鐵冶煉、汽車(chē)制造等行業(yè)已有成功應用。本文將“感應加熱”應用到造紙烘缸設備的開(kāi)發(fā)中，設計了一個(gè)小型試驗紙機中頻感應烘缸，并利用SIEMENS S7-200系列PLC產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)了一套成本低、控制精確、操作方便的控制系統。經(jīng)過(guò)調試運行，電磁感應烘缸完全可以滿(mǎn)足原有生產(chǎn)工藝的要求，運行穩定，節能效果明顯，可以作為傳統烘缸的替代產(chǎn)品，有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 感應加熱電源
1．1 感應加熱電源原理
開(kāi)發(fā)感應加熱電磁烘缸，關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)穩定可靠的感應加熱電源系統。目前各個(gè)領(lǐng)域投入使用的感應加熱電源，主要結構大致相同，都是由如下的幾部分組成：
(1)整流變換電路(AC-DC)；
(2)逆變電路(DC-AC)；
(3)諧振負載電路；
(4)電源保護及控制電路。
感應加熱電源的原理圖如圖1所示。其中，整流變換電路將50 Hz工頻市電轉換為直流電；根據整流得到的直流電壓大小是否可變，整流電路可以分為“可控整流”和“不可控整流”，其中“不可控整流”只需要采用大功率二極管作為整流元件即可，電路結構簡(jiǎn)單，可有效降低設備成本；整流后的直流電再經(jīng)過(guò)逆變電路，變換成大小和方向都隨時(shí)間變化的交流電，其頻率和幅值可以通過(guò)逆變電路控制；按要求得到的交變電流加載到諧振負載電路上，在負載線(xiàn)圈上產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，從而在置于交變磁場(chǎng)中的金屬器件表面產(chǎn)生渦流，完成能量的傳遞，達到加熱金屬器件的目的；“保護控制電路”起保護作用以及調節加熱功率的大小。

1．2 串聯(lián)諧振型感應電源
串聯(lián)諧振型感應電源又稱(chēng)“電壓型感應電源”，其主電路原理圖如圖2所示。A 區域部分為三相橋式不可控橋式整流電路，它將工頻交流電整流成脈動(dòng)的直流電ud；B為直流中間路，它由一個(gè)濾波電感和濾波儲能電容組成，它把50Hz工頻網(wǎng)絡(luò )和中頻網(wǎng)絡(luò )隔開(kāi)，電容很大，它兩端基本上是平滑的直流電壓u'd，此電壓是在逆變電路C還沒(méi)有工作前電容器就儲能建立的電壓，以便于啟動(dòng)逆變電路；C 為單相橋式串聯(lián)逆變電路，它將直流電壓u'd逆變?yōu)橹蓄l方波電壓ud，并把它加到負載電路；負載電路D為電感器和電容器組成的串聯(lián)振蕩電路，它對工件進(jìn)行感應加熱。中頻電壓u'd中含有明的基波和諧波成份：接近諧振頻率的基波電壓加到串聯(lián)振蕩電路時(shí)，振蕩電路呈高阻，比基波頻率高幾倍的諧波電壓加到串聯(lián)振蕩電路時(shí)，振蕩電路呈現很小的阻抗。所以方波電壓加到串聯(lián)振蕩電路時(shí)，感應器負載電流ia實(shí)際上接近于正弦波。
1．3 逆變調功
逆變調功是整流部分不采用相控整流，而是用簡(jiǎn)單的不可控整流代替，整流輸出電壓不可控制，通過(guò)在逆變過(guò)程中改變頻率或者相位角等辦法來(lái)實(shí)現功率調節的方法。常見(jiàn)調功方法主要有脈沖頻率調制法(PFM)、脈沖密度調制法(PDM)、脈沖寬度調制法(PWM)等。
PWM法是通過(guò)調節輸出電壓的脈沖寬度以及輸出頻率來(lái)實(shí)現功率調節的。由于改變脈動(dòng)寬度時(shí)，脈沖的周期也變化，頻率相應改變，為了區別于工作頻率不變的移相PWM方法，也稱(chēng)這種方法為脈沖寬度與頻率混合調制(PWM＆PFM)方法。
一般的逆變器如DC-DC變換逆變器中，常用的移相PWM方法的工作頻率是固定的，不需考慮負載在不同工作頻率下的特性。而串聯(lián)諧振感應加熱電源要求其工作頻率必須跟蹤負載的諧振頻率。在串聯(lián)諧振感應加熱電源使用移相PWM方法時(shí)，通常使某一橋臂的驅動(dòng)脈沖信號與輸出電流的相位保持一致，另一橋臂驅動(dòng)脈沖信號與輸出電流的相位差則可以調節，通過(guò)改變兩個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)器件的驅動(dòng)信號之問(wèn)的相位差，來(lái)改變輸出電壓有效值，以達到調節功率的目的。由于PWM＆PFM 調功方式具有不可控整流、電路簡(jiǎn)單、成本較低、功率調節范圍寬、控制電路實(shí)現較易、頻率變化不大等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)的電磁感應烘缸中將采用此種調功方式。