对中频炉温控系统的探讨

【摘 要】中频炉是目前工业上应用较多的加热装置之一，广泛用于有色金属的熔炼、加热，如熔炼生铁、普通钢、不锈钢、工具钢、铜、铝、金、银及合金等。它的电源是通过将工频50Hz交流电转变为中频（100Hz以上至10000Hz）交流电而得到的。运用电磁感应原理实现对物料的加热。本文主要探讨了中频炉温控系统总体方案的设计、控制原理等。在总结了国内中频炉的温控系统发展的基础上，通过对中频炉工作原理与温度控制方法的分析，提出了以单片机为控制主机，K型热电偶为温度采集元件，字符型液晶作为显示单元，3*4矩阵键盘作为输入设备，中频电源部分采用单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路的控制系统。本文完成了系统结构框架的搭建，完成了温度采集部分、给定部分、输出部分、执行部分电路的设计。

【关键词】温度控制;并联谐振;热电偶

0 绪论

在工业生产过程中，很多时候要用到加热装置。在钢铁冶炼行业，广泛采用煤炭加热的方式。但是煤炭加热有很多缺点，例如会造成大气的污染，加热效率低，控制精度不高。

随着电力事业的发展，各大区域电网的形成，电能的使用以其方便、安全、环保等优点受到市民喜欢。因此出现了电磁感应炉这种新产品。

电磁感应炉与传统锅炉相比，具有安装方便、加热快、效率高、体积小、无污染，操作简单等显著特点。但是传统的感应炉存在控制不方便、精度不高、效率低、动态性能差等缺点。本文针对上述系统的缺点重点探讨了如何改善系统的性能、简化操作等。

中频炉是目前工业上用的较多的加热装置之一，它采用中频电源，广泛用于有色金属的熔炼、加热。

中频炉就是运用电磁感应原理来实现加热的功能。根据英国物理学家法拉弟电磁感应理论，当电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会感应出电动势，如果闭合就会产生感应电流。中频炉即利用中段频率，交变电流产生交变磁场，再利用交变磁场产生涡流达到加热效果。

调节电源的频率就可以调节磁场交变的频率，从而改变涡流效应的强弱，实现调温的功能。

本文主要论述内容可概括如下：

（1）结合中频炉加热过程的特点，对比各种控制元件，选择最合适的元件。

（2）设计出系统的硬件原理图，说明系统控制的原理。

1 系统的设计方案探讨

1.1 系统的设计思想

一个系统的设计受到很多因素的影响，例如用途、功能、使用对象、成本、性能、耗能、寿命、污染、噪声等。

中频炉在设计时应该满足以下几个基本要求：温度可以按照要求自由调节，可以实时显示炉子的温度，操作简单，成本较低，控制精度高，动态性能好。

按照要求，该中频炉控制系统就需要有温度采集模块、炉子功率调节模块、人机接口等模块。系统的结构图如图1所示。

图1 系统的结构

系统运行过程是：通过人机接口给定温度，传感器采集温度，得到给定与反馈的差值通过数字PID算法得到控制量，根据控制量的大小调节中频炉电源频率的大小，到达不断调节系统功率的作用，改善了系统的动态性能，当温度达到给定值时报警提示关闭中频炉。

1.2 方案对比与选择

1.2.1 输入输出部分

输入输出设备是人与机器设备信息交流的窗口，它设计的好坏直接关系到用户操作的难易程度。

方案1：用VB做一个上位机可视化软件界面，通过串口实现单片机与PC之间的数据交换，通过PC给单片机输入温度给定量，单片机把采集到的温度通过PC机显示出来。

方案2：输入部分采用3*4矩阵键盘，输出部分采用1602字符型液晶。这种方案操作简单，成本低廉。

对比两种方案，方案一成本太高，中频炉一般都用在工厂里，工作环境比较恶劣，方案一不太适合，方案二不仅能满足使用要求，而且价格便宜，我们选择方案二。

1.2.2 温度采样部分

方案1：温度采集转换电路主要由热电偶、热电偶冷端补偿电路、信号放大电路、A/D转换电路组成。

方案2：温度采集转化电路主要由热电偶、MAX6675组成。根据热电偶测温原理，热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，在以往的应用中，有很多种冷端补偿方法，如冷端冰点法或电桥补偿法等，但调试都比较麻烦。另外，由于热电偶的非线性，以往是采用微处理器表格法或线性电路等方法来减小热电偶本身非线性带来的测量误差，但这些都增加了程序编制及调试电路的难度。而MAX6675对其内部元器件的参数进行了激光修正，从而对热电偶的非线性进行了内部修正。同时，MAX6675内部集成的冷端补偿电路、非线性校正电路、断线检测电路都给K型热电偶的使用带来了极大的方便。

经上述比较，方案1具有电路结构复杂，使用较为麻烦，可靠性不高等明显缺点。方案二不仅降低了系统设计的难度，而且提高了系统的可靠性与精度。很明显我们选用方案二。

1.2.3 控制器的选择

方案1：采用PLC作为控制器，PLC在电气控制方面用途较广，其抗干扰能力较强，控制系统的电路简单。但是其价格昂贵。

方案2：采用51系列的单片机作为控制器，其价格便宜，但是控制系统电路相对有点复杂。

对比两种方案，虽然基于PLC的控制系统电路比较简单，但是其价格成本比单片机贵的很多，单片机完全可以满足系统的要求，所以我们采用方案二。

2 系统的设计描述

2.1 系统的整体结构

本系统是一个温度采集与控制的系统，根据控制要求，将整个控制系统分为CPU主板、整流逆变分板以及控制面板三部分。

图2 系统结构

2.2 系统的硬件配置

2.2.1 中频炉电源的产生

1）整流部分

将三项220V 50Hz相位相差120度的交流电通过三相桥式不可控整流得到幅值恒定的直流电。选用型号为快速恢复HFA30PA60C的二极管，Vrrm为600V，IF （A） 为15A的。

空载时，输出电压值最大，为Ud=■U2=2.45U2=538V。随着负载加重，输出电压平均值减小，最小平均值为Ud=2.34U2=515V。可见，Ud在2.34U2到2.45U2之间变化。

二极管的承受的最大反向的电压为■U2=220*■=538V。流过二极管的平均电流Ivd=■Id，本中频炉的功率设计为10kV，经过估算，Id≈10000/538=19A，所以Ivd=■Id=6.3A，选择HFA30PA60C可以满足要求。

三相不可控桥式整流电路图，如图3。

图3 三相不可控整流

2）逆变部分

逆变的方法很多，中频炉多采用并联谐振式的逆变电路。调节桥臂导通的频率来控制电源的频率，使桥臂1、4和桥臂2、3以100Hz―10000Hz的中频轮流导通，就可以在负载上得到中频交流电，通过调频来改变中频炉的温度。

可控硅选用SK040R，It（AV）通态平均电流为40A，Udrm为1000V，Ig门极触发电流为5mA到40mA， tgt为2us， tq为35us。如图所示图4。

图4 并联谐振式逆变

2.2.2 温度采集电路

热电偶配合芯片max6675构成了温度采集转换电路。如图5所示。

图5 温度采集

（1）热电偶型号为XC-K-14，线芯实心，内外层为陶瓷，测温范围为-73度到1090度。

（2）MAX6675是美国MAXIM公司生产的带有冷端补偿、线性校正、热电偶断线检测的串行K型热电偶模数转换器，它的温度分辨能力为0.25℃，冷端补偿范围为-20～+80℃，工作电压为3.0～5.5V。

在工业温度测控场合，K型热电偶因其线性度好，价格便宜，测量范围宽而得到广泛的使用;但它往往需要冷端补偿，且电路较复杂，调试麻烦。而MAXIM公司生产的K型热电偶串行模数转换器MAX6675不但可将模拟信号转换成12bit对应的数字量，而且自带冷端补偿。

根据热电偶测温原理，热电偶的输出热电势不仅与测量端的温度有关，而且与冷端的温度有关，在以往的应用中，有很多种冷端补偿方法，如冷端冰点法或电桥补偿法等，但调试都比较麻烦。另外，由于热电偶的非线性，以往是采用微处理器表格法或线性电路等方法来减小热电偶本身非线性带来的测量误差，但这些都增加了程序编制及调试电路的难度。而MAX6675对其内部元器件的参数进行了激光修正，从而对热电偶的非线性进行了内部修正。同时，MAX6675内部集成的冷端补偿电路、非线性校正电路、断线检测电路都给K型热电偶的使用带来了极大的方便。

MAX6675的CS引脚从高电平变为低电平时，MAX6675将停止任何信号的转换并在时钟SCK的作用下向外输出已转化的数据。相反，当CS从低电平变回高电平时，MAX6675将进行新的转换。在CS引脚从高电平变为低电平时，第一个字节D15将出现在引脚SO。一个完整的数据读过程需要16个时钟周期，数据的读取通常在SCK的下降沿进行。MAX6675的输出数据为16位，其中D15始终无用，D14～D3对应于热电偶模拟输入电压的数字转换量，从而获得12位的温度数字量。

2.2.3 键盘、显示部分电路

此键盘为3*4矩阵键盘，提供了12个按键，‘0’到‘9’为数字键，‘*’设置键，#为确认键。通过键盘可以输入给定的温度值。

矩阵键盘见下图6。

图6 矩阵键盘

采用逐行扫描的方式获得键盘按键。

本系统的显示部分选用的是1602字符型液晶，用液晶的好处是液晶显示不需要反复扫描，节省了CPU的资源。

2.2.4 可控硅驱动

此部分电路主要由光电耦合器和晶闸管组成。采用调节桥臂导通的频率来控制电源的频率，通过调频来改变中频炉的温度。MOC3041光电耦合器的耐压值为400v，它的输出级控制着晶闸管的门级，它控制着晶闸管的导通。接法见图7。

图7

3 总结

该系统采用先进的以89C52单片机为核心的系统构成了温度调节系统，它的硬件简单，调试、修改方便，可以方便地实现现代化控制，可靠性高，调试简单。

温度采集部分采用芯片MAX6675，不仅简化了电路的结构、使用简单，而且提高了系统的抗干扰能力，增强了系统的性能，提高了温度采集的精度。

最后，由于作者理论水平的有限和实践经验的缺乏，本论文一定存在着缺点和不足，恳请各位老师批评指正。

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