PLC在電磁感應加熱造紙烘缸中的應用

0 引言
目前在造紙行業中，國內外大小廠家廣泛采用的仍然是傳統的油加熱和蒸汽加熱造紙烘缸。在多年的生產過程中，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、污染環境、生產事故頻發等。隨著近些年國際上能源緊缺現象的加劇以及人們環保意識的增強，各個工業部門都在不斷改造老舊的設備，開發節能高效的新型設備。作為造紙生產線中的耗能大戶，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的加熱方式，尋找一種簡單方便又無污染的替代方案。
“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，在鋼鐵冶煉、汽車制造等行業已有成功應用。本文將“感應加熱”應用到造紙烘缸設備的開發中，設計了一個小型試驗紙機中頻感應烘缸，并利用SIEMENS S7-200系列PLC產品，開發了一套成本低、控制精確、操作方便的控制系統。經過調試運行，電磁感應烘缸完全可以滿足原有生產工藝的要求，運行穩定，節能效果明顯，可以作為傳統烘缸的替代產品，有廣闊的市場前景。

1 感應加熱電源
1．1 感應加熱電源原理
開發感應加熱電磁烘缸，關鍵是開發穩定可靠的感應加熱電源系統。目前各個領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，電路結構簡單，可有效降低設備成本；整流后的直流電再經過逆變電路，變換成大小和方向都隨時間變化的交流電，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載電路上，在負載線圈上產生交變的磁場，從而在置于交變磁場中的金屬器件表面產生渦流，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 串聯諧振型感應電源
串聯諧振型感應電源又稱“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的直流電ud；B為直流中間路，它由一個濾波電感和濾波儲能電容組成，它把50Hz工頻網絡和中頻網絡隔開，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能建立的電壓，以便于啟動逆變電路；C 為單相橋式串聯逆變電路，它將直流電壓u'd逆變為中頻方波電壓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振蕩電路，它對工件進行感應加熱。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振蕩電路時，振蕩電路呈高阻，比基波頻率高幾倍的諧波電壓加到串聯振蕩電路時，振蕩電路呈現很小的阻抗。所以方波電壓加到串聯振蕩電路時，感應器負載電流ia實際上接近于正弦波。
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現功率調節的方法。常見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法是通過調節輸出電壓的脈沖寬度以及輸出頻率來實現功率調節的。由于改變脈動寬度時，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。在串聯諧振感應加熱電源使用移相PWM方法時，通常使某一橋臂的驅動脈沖信號與輸出電流的相位保持一致，另一橋臂驅動脈沖信號與輸出電流的相位差則可以調節，通過改變兩個橋臂開關器件的驅動信號之問的相位差，來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、電路簡單、成本較低、功率調節范圍寬、控制電路實現較易、頻率變化不大等優點，開發的電磁感應烘缸中將采用此種調功方式。