PLC在電磁感應(yīng)加熱造紙烘缸中的應(yīng)用

0 引言
目前在造紙行業(yè)中，國內(nèi)外大小廠家廣泛采用的仍然是傳統(tǒng)的油加熱和蒸汽加熱造紙烘缸。在多年的生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)造紙烘缸設(shè)備暴露出諸多的不足：能源利用率低、設(shè)備投資大、污染環(huán)境、生產(chǎn)事故頻發(fā)等。隨著近些年國際上能源緊缺現(xiàn)象的加劇以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，各個(gè)工業(yè)部門都在不斷改造老舊的設(shè)備，開發(fā)節(jié)能高效的新型設(shè)備。作為造紙生產(chǎn)線中的耗能大戶，加熱烘缸的改造，需要從根本上改變由熱油和過熱蒸汽作為加熱介質(zhì)的加熱方式，尋找一種簡(jiǎn)單方便又無污染的替代方案。
“感應(yīng)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、汽車制造等行業(yè)已有成功應(yīng)用。本文將“感應(yīng)加熱”應(yīng)用到造紙烘缸設(shè)備的開發(fā)中，設(shè)計(jì)了一個(gè)小型試驗(yàn)紙機(jī)中頻感應(yīng)烘缸，并利用SIEMENS S7-200系列PLC產(chǎn)品，開發(fā)了一套成本低、控制精確、操作方便的控制系統(tǒng)。經(jīng)過調(diào)試運(yùn)行，電磁感應(yīng)烘缸完全可以滿足原有生產(chǎn)工藝的要求，運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯，可以作為傳統(tǒng)烘缸的替代產(chǎn)品，有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 感應(yīng)加熱電源
1．1 感應(yīng)加熱電源原理
開發(fā)感應(yīng)加熱電磁烘缸，關(guān)鍵是開發(fā)穩(wěn)定可靠的感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)。目前各個(gè)領(lǐng)域投入使用的感應(yīng)加熱電源，主要結(jié)構(gòu)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(fù)載電路；
(4)電源保護(hù)及控制電路。
感應(yīng)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(zhuǎn)換為直流電；根據(jù)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可有效降低設(shè)備成本；整流后的直流電再經(jīng)過逆變電路，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逆變電路控制；按要求得到的交變電流加載到諧振負(fù)載電路上，在負(fù)載線圈上產(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(dá)到加熱金屬器件的目的；“保護(hù)控制電路”起保護(hù)作用以及調(diào)節(jié)加熱功率的大小。

1．2 串聯(lián)諧振型感應(yīng)電源
串聯(lián)諧振型感應(yīng)電源又稱“電壓型感應(yīng)電源”，其主電路原理圖如圖2所示。A 區(qū)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(chǔ)能電容組成，它把50Hz工頻網(wǎng)絡(luò)和中頻網(wǎng)絡(luò)隔開，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還沒有工作前電容器就儲(chǔ)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(fù)載電路；負(fù)載電路D為電感器和電容器組成的串聯(lián)振蕩電路，它對(duì)工件進(jìn)行感應(yīng)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(xiàn)很小的阻抗。所以方波電壓加到串聯(lián)振蕩電路時(shí)，感應(yīng)器負(fù)載電流ia實(shí)際上接近于正弦波。
1．3 逆變調(diào)功
逆變調(diào)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，通過在逆變過程中改變頻率或者相位角等辦法來實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的方法。常見調(diào)功方法主要有脈沖頻率調(diào)制法(PFM)、脈沖密度調(diào)制法(PDM)、脈沖寬度調(diào)制法(PWM)等。
PWM法是通過調(diào)節(jié)輸出電壓的脈沖寬度以及輸出頻率來實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的。由于改變脈動(dòng)寬度時(shí)，脈沖的周期也變化，頻率相應(yīng)改變，為了區(qū)別于工作頻率不變的移相PWM方法，也稱這種方法為脈沖寬度與頻率混合調(diào)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(fù)載在不同工作頻率下的特性。而串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源要求其工作頻率必須跟蹤負(fù)載的諧振頻率。在串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源使用移相PWM方法時(shí)，通常使某一橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)與輸出電流的相位保持一致，另一橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)與輸出電流的相位差則可以調(diào)節(jié)，通過改變兩個(gè)橋臂開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之問的相位差，來改變輸出電壓有效值，以達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。由于PWM＆PFM 調(diào)功方式具有不可控整流、電路簡(jiǎn)單、成本較低、功率調(diào)節(jié)范圍寬、控制電路實(shí)現(xiàn)較易、頻率變化不大等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)的電磁感應(yīng)烘缸中將采用此種調(diào)功方式。