用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源及其控制方法，所述柔性感應(yīng)加熱電源包括：感應(yīng)加熱電源主電路，連接到交流電網(wǎng)，接收交流電；控制電路，產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號；驅(qū)動電路，連接到控制電路和感應(yīng)加熱電源主電路之間，接收控制電路產(chǎn)生的PWM信號，以驅(qū)動感應(yīng)加熱電源主電路；保護(hù)電路，連接到感應(yīng)加熱電源主電路，以防止感應(yīng)加熱電源主電路出現(xiàn)過壓、過熱、過流、缺相中的至少一種，其中，感應(yīng)加熱電源主電路根據(jù)驅(qū)動電路的驅(qū)動產(chǎn)生電壓信號，將所述電壓信號施加到纏繞在風(fēng)機軸承上的多芯電纜，使得多芯電纜發(fā)生感應(yīng)加熱，導(dǎo)致風(fēng)機軸承與風(fēng)機主軸之間由于溫度差而產(chǎn)生間隙，以對風(fēng)機軸承進(jìn)行拆裝。
【專利說明】用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，涉及一種用于大中型風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電 源及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 兆瓦級（例如2. 5MW)風(fēng)力發(fā)電機（簡稱風(fēng)機）的主軸軸承體積和重量大，而風(fēng)力 發(fā)電場一般地理位置偏僻（以荒灘、山地、草原和海邊為主），將主軸和軸承一起運輸回廠 房完成拆卸和裝配的成本較高。因此，風(fēng)力發(fā)電機制造企業(yè)希望開發(fā)出一種能夠兼顧主軸 軸承拆卸和裝配的裝置，而且該裝置適用范圍廣且體積小易于搬運。圖1示出了風(fēng)機主軸 與風(fēng)機軸承的拆裝的示意圖。
[0003] 目前應(yīng)用較為普遍的軸承拆裝方法包括以下三種：機械法、注油法和溫差法。機械 法為傳統(tǒng)方法，包括擊卸法、壓力法和拉拔法。注油法在大型軸承拆卸上替代機械法已經(jīng)得 到廣泛應(yīng)用。溫差法就是通過軸和軸承之間的溫差產(chǎn)生間隙完成拆裝，具體包括干冰降溫 法、油浴法、烘烤法、火焰加熱法和感應(yīng)加熱法。在拆卸過程中，必須明確軸承拆卸的注意事 項：避免損傷軸，不能通過滾動體傳遞拆卸力，當(dāng)軸承需要重新使用時，盡量避免損壞軸承。
[0004] 感應(yīng)加熱法通過電磁感應(yīng)的方法來加熱軸承。此方法是目前過盈配合工件拆卸的 主流研究方向，與其它類型的加熱技術(shù)相比，感應(yīng)加熱法具有顯著的優(yōu)勢：
[0005] (1)感應(yīng)加熱屬于非接觸式加熱，因此加熱中不會給加熱對象（工件）帶入雜質(zhì)；
[0006] ⑵感應(yīng)加熱的加熱功率和區(qū)域可以得到準(zhǔn)確而快速的控制，因此局部加熱和溫 度控制實現(xiàn)容易；
[0007] (3)感應(yīng)加熱過程中不會產(chǎn)生污染物且噪音小。
[0008] 感應(yīng)加熱技術(shù)早在19世紀(jì)末就已經(jīng)出現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用中，但由于當(dāng)時沒有好的技 術(shù)手段來生成和控制用于感應(yīng)加熱的高頻率電流（只能由體積巨大的中頻發(fā)電機組作為 交流電源），所以感應(yīng)加熱技術(shù)一直發(fā)展緩慢。直到1958年美國研制出第一個半導(dǎo)體可控 硅（后稱晶閘管，SCR)之后，感應(yīng)加熱技術(shù)伴隨著電力電子器件性能的不斷改進(jìn)而飛速發(fā) 展。
[0009] 感應(yīng)加熱電源的輸出頻率是影響加熱效果的主要參數(shù)，工業(yè)上按照交流電源工作 頻率的不同，將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域劃分為低頻領(lǐng)域、中頻領(lǐng)域、超音頻領(lǐng)域和高 頻領(lǐng)域。
[0010] 低于500HZ的交流電一般稱為低頻電，而感應(yīng)線圈中的電流頻率越低則渦流在導(dǎo) 體內(nèi)的分布越均勻，同時加熱速度也越慢，因此低頻感應(yīng)加熱主要用于加熱速度沒有嚴(yán)格 要求的大型工件透熱和保溫。雖然隨著半導(dǎo)體器件性能的不斷改進(jìn)，由全控型開關(guān)器件組 成的逆變電源在性能上已經(jīng)超越了工頻電源（電網(wǎng)提供的工業(yè)用電，50?60Hz不等），但 由于工頻電源價格便宜、容量較大等優(yōu)點，目前工業(yè)上仍以工頻感應(yīng)加熱裝置為主。
[0011] l_20kHz的交流電一般稱為中頻電，在半導(dǎo)體開關(guān)器件發(fā)明之前只有中頻發(fā)電機 組能提供中頻交流電，但中頻發(fā)電機組體積大且控制不易，所以自20世紀(jì)70年代開始由半 導(dǎo)體開關(guān)器件組成的逆變電源已逐經(jīng)步取代中頻發(fā)電機組。而功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效 應(yīng)管（power MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)等大容量開關(guān)器件的出現(xiàn)則進(jìn)一步提 升了中頻逆變電源的容量，目前歐美最大容量的中頻感應(yīng)加熱電源容量已經(jīng)達(dá)到MW級，而 國內(nèi)同類型電源單機容量低于2〇〇kW。
[0012] 25-100kHz的交流電一般稱為超首頻電，隨著半導(dǎo)體開關(guān)器件的出現(xiàn)，感應(yīng)加熱技 術(shù)才逐步涉及這個領(lǐng)域。目前，日本在超音頻感應(yīng)加熱電源的研制技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，早 在20世紀(jì)90年代就開發(fā)出了基于IGBT的麗級逆變電源。由于國內(nèi)電力電子技術(shù)的落后， 國內(nèi)超音頻逆變電源的研制雖然起步早但是與國外的差距依然巨大，目前同類產(chǎn)品的容量 只有幾十kW。
[0013] 100kHz以上的交流電一般稱為高頻電，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展不足，國內(nèi)研究 較少涉及這個領(lǐng)域，日本和歐美的發(fā)展方向則略有不同，其中日本以靜電感應(yīng)晶體管（SIT) 技術(shù)為主，歐美則主攻MOSFET技術(shù)，兩者逆變電源容量相差無幾，都已達(dá)到MW級別。
[0014] 雖然我國感應(yīng)加熱技術(shù)研究的起步時間與國外差距不大，但是直到20世紀(jì)80年 代國內(nèi)感應(yīng)加熱技術(shù)才開始快速發(fā)展。目前，國內(nèi)感應(yīng)加熱裝置的加熱對象類型單一，工作 頻率恒定，加熱對象溫度分布不可控，并不能滿足現(xiàn)代機械裝備制造業(yè)對于感應(yīng)加熱產(chǎn)品 越來越多樣性的需求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0015] 為了克服上述缺陷，提供一種用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源，所述柔性 感應(yīng)加熱電源包括：感應(yīng)加熱電源主電路，連接到交流電網(wǎng)，接收交流電；控制電路，產(chǎn)生 脈寬調(diào)制PWM信號；驅(qū)動電路，連接到控制電路和感應(yīng)加熱電源主電路之間，接收控制電路 產(chǎn)生的PWM信號，以驅(qū)動感應(yīng)加熱電源主電路；保護(hù)電路，連接到感應(yīng)加熱電源主電路，以 防止感應(yīng)加熱電源主電路出現(xiàn)過壓、過熱、過流、缺相中的至少一種，其中，感應(yīng)加熱電源主 電路根據(jù)驅(qū)動電路的驅(qū)動產(chǎn)生電壓信號，將所述電壓信號施加到纏繞在風(fēng)機軸承上的多芯 電纜，使得多芯電纜發(fā)生感應(yīng)加熱，導(dǎo)致風(fēng)機軸承與風(fēng)機主軸之間由于溫度差而產(chǎn)生間隙， 以對風(fēng)機軸承進(jìn)行拆裝。
[0016] 控制電路控制PWM信號的移相角的大小，從而調(diào)節(jié)柔性感應(yīng)加熱電源的功率。
[0017] 感應(yīng)加熱電源主電路包括：整流電路，連接到交流電網(wǎng)，接收交流電；橋式可控逆 變電路，連接到整流電路，并且包括橋式連接的四個絕緣柵雙極型晶體管IGBT ;諧振回路， 連接到橋式可控逆變電路，并且包括多個并聯(lián)的諧振電容器，其中，驅(qū)動電路連接到橋式可 控逆變電路，將控制電路產(chǎn)生的PWM信號施加到IGBT上，控制IGBT的導(dǎo)通和截止，其中，纏 繞在風(fēng)機軸承上的多芯電纜連接到諧振回路的兩端。 ~
[0018]控制電路控制PWM信號的頻率，以使得柔性感應(yīng)加熱電源的輸出信號的頻率實時 跟蹤由諧振電容器和纏繞在風(fēng)機軸承上的多芯電纜所構(gòu)成的LC振蕩電路的諧振頻率。 [0019]交流電為三相交流電，并且整流電路包括并聯(lián)連接的三對二極管，三對二極管之 間的節(jié)點分別連接到三相交流電中的相應(yīng)交流電。
[0020]保護(hù)電路包括：電壓傳感器，連接到整流電路的輸出端或橋式可控逆變電路的輸 入端，接收整流電路的輸出電壓或橋式可控逆變電路的輸入電壓；過壓保護(hù)電路，連接到電 壓傳感器，從電壓傳感器接收整流電路的輸出電壓或橋式可控逆變電路的輸入電壓，將整 流電路的輸出電壓或橋式可控逆變電路的輸入電壓轉(zhuǎn)換為用于過壓保護(hù)的模擬信號；模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，連接到過壓保護(hù)電路，從過壓保護(hù)電路接收用于過壓保護(hù)的模擬信號，并將用于過 壓保護(hù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從模數(shù) 轉(zhuǎn)換器接收轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，并且將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號與預(yù)定過壓保護(hù)閾值進(jìn)行比較，如果 轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號超出預(yù)定過壓保護(hù)閾值，則向控制電路發(fā)送故障信號。
[0021] 保護(hù)電路還包括：溫度傳感器，連接到橋式可控逆變電路的IGBT，感測IGBT的溫 度；過熱保護(hù)電路，連接到溫度傳感器，從溫度傳感器接收IGBT的溫度，將IGBT的溫度轉(zhuǎn)換 為用于過熱保護(hù)的模擬信號，其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到過熱保護(hù)電路，從過熱保護(hù)電路接收 用于過熱保護(hù)的模擬信號，并將用于過熱保護(hù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，其中， FPGA從模 數(shù)轉(zhuǎn)換器接收轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，并且將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號與預(yù)定過熱保護(hù)閾值進(jìn)行比較，如 果轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號超出預(yù)定過熱保護(hù)閾值，則向控制電路發(fā)送故障信號。
[0022] 保護(hù)電路還包括：電流傳感器，連接到纏繞在風(fēng)機軸承上的多芯電纜所在的負(fù)載 回路，感測負(fù)載回路的電流；過流保護(hù)電路，連接到電流傳感器，接收負(fù)載回路的電流，將負(fù) 載回路的電流轉(zhuǎn)換為用于過流保護(hù)的模擬信號，其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到過流保護(hù)電路，從 過流保護(hù)電路接收用于過流保護(hù)的模擬信號，并將用于過流保護(hù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號，其中，F(xiàn)PGA從模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，并且將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號與預(yù)定過流保護(hù) 閾值進(jìn)行比較，如果轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號超出預(yù)定過流保護(hù)闞值，則向控制電路發(fā)送故障信號。
[0023] 保護(hù)電路還包括：缺相傳感器，連接到交流電中的兩相交流電之間，感測兩相交流 電之間的相間電壓；缺相保護(hù)電路，連接到缺相傳感器，接收相間電壓，將相間電壓轉(zhuǎn)換為 用于缺相保護(hù)的模擬信號，其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到缺相保護(hù)電路，從缺相保護(hù)電路接收用 于缺相保護(hù)的模擬信號，并將用于缺相保護(hù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，其中，F(xiàn)PGA從模數(shù) 轉(zhuǎn)換器接收轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，并且將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號與預(yù)定缺相保護(hù)閾值進(jìn)行比較，如果 轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號小于預(yù)定缺相保護(hù)閾值，則向控制電路發(fā)送故障信號。
[0024] 控制電路在接收到故障信號之后停止產(chǎn)生PWM信號，以保護(hù)柔性感應(yīng)加熱電源。 [0025] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于上述柔性感應(yīng)加熱電源的控制方法包括：讀取 柔性感應(yīng)加熱電源的負(fù)載電流的上升沿時刻，計算負(fù)載電流的頻率和相位；根據(jù)柔性感應(yīng) 加熱電源的負(fù)載電壓與柔性感應(yīng)加熱電源的控制電路產(chǎn)生的PWM信號同頻同相，獲得負(fù)載 電壓的頻率和相位；根據(jù)負(fù)載電壓的頻率和相位以及負(fù)載電流的頻率和相位執(zhí)行柔性感應(yīng) 加熱電源的鎖相環(huán)功能，使得負(fù)載電流的頻率和相位跟蹤負(fù)載電壓的頻率和相位。
[0026] 執(zhí)行柔性感應(yīng)加熱電源的鎖相環(huán)功能的步驟包括：計算柔性感應(yīng)加熱電源的負(fù)載 電壓的相位與負(fù)載電流的相位之間的相位差；補償負(fù)載電壓的相位與負(fù)載電流的相位之間 的相位差；確定負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間的差是否大于設(shè)定值；如果負(fù)載電 壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間的差大于設(shè)定值，則對負(fù)載電流的頻率進(jìn)行修正,使得負(fù) 載電流的頻率跟蹤負(fù)載電壓的頻率。
[0027] 執(zhí)行柔性感應(yīng)加熱電源的鎖相環(huán)功能的步驟還包括：如果負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載 電流的頻率之間的差不大于設(shè)定值，則確定是否是第一次滿足負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載電流 的頻率之間的差不大于設(shè)定值；如果是第一次滿足負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間 的差不大于設(shè)定值，則確定負(fù)載電壓的相位與負(fù)載電流的相位之間的相位差的符號；根據(jù) 所述相位差的符號對負(fù)載電流的頻率和相位同時修正，使得負(fù)載電流的頻率和相位跟蹤負(fù) 載電壓的頻率的相位。
[0028]執(zhí)行柔性感應(yīng)加熱電源的鎖相環(huán)功能的步驟還包括：如果不是第一次滿足負(fù)載電 壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間的差不大于設(shè)定值，則通過就近原則確定負(fù)載電壓的相位 與負(fù)載電流的相位之間的相位差的符號；根據(jù)所述相位差的符號對負(fù)載電流的頻率和相位 同時修正，使得負(fù)載電流的頻率和相位跟蹤負(fù)載電壓的頻率的相位。所述就近原則為：如果 負(fù)載電流落后負(fù)載電壓的角度Θ小于180°，則確定相位差為0，且相位差是正值；如果負(fù) 載電流落后負(fù)載電壓的角度Θ大于 180°，則確定相位差為180。-0，且相位差為負(fù)值。 [00 29]所述控制方法還包括：設(shè)定風(fēng)機軸承的可控溫度區(qū)間[TO, T1]，其中，T0〈T1 ;當(dāng)被 加熱的風(fēng)機軸承的溫度達(dá)到Τ1時，通過可編程邏輯控制器PLC封鎖控制電路產(chǎn)生的PWM 信號，使得柔性感應(yīng)加熱電源的功率輸出為零，從而風(fēng)機軸承的溫度逐漸下降；當(dāng)風(fēng)機軸 承的溫度下降到Τ0時，解除PWM信號的封鎖，使得柔性感應(yīng)加熱電源開始輸出功率，從而 被加熱工件的溫度逐漸上升；重復(fù)上述步驟，使得風(fēng)機軸承的溫度被限定在可控溫度區(qū)間 [T0，T1]之內(nèi)。
[0030]通過采用本發(fā)明的用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源及其控制方法，通過將 多芯電纜纏繞在將被加熱的金屬工件（例如風(fēng)機軸承）上，不需要移動金屬工件；金屬工件 加熱過程中無燃料消耗，并且絕緣物消耗很小，絕緣帶能夠重復(fù)使用50次以上，減少了處 理費用；利用在工件材料內(nèi)部的感應(yīng)電流加熱，可使整個加熱區(qū)域保持均勻，避免了由于局 部高溫產(chǎn)生的工件表面損壞；與常規(guī)的加熱方式相比，使用感應(yīng)加熱縮短了加熱時間；避 免操作人員接觸因氣體加熱和電阻加熱帶來的火焰、爆炸性氣體以及高溫的元件；可實現(xiàn) 超過90%的利用率，為工件傳輸更多的能量，提高電源效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]通過結(jié)合附圖，從下面的實施例的描述中，本發(fā)明這些和/或其它方面及優(yōu)點將 會變得清楚，并且更易于理解，其中：
[0032] 圖1是示出風(fēng)機主軸與風(fēng)機軸承的拆裝的示意圖；
[0033] 圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源的框圖；
[0034]圖3是^出根據(jù)本發(fā)明的用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源的操作示意圖； [0035]圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的柔性感應(yīng)加熱電源、多芯電纜以及風(fēng)機軸承之間的連接 的示意圖；
[0036] 圖5是事件管理器的功能框圖；
[0037] 圖6是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理框圖；
[0038] 圖7是中斷結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0039] 圖8是復(fù)位信號發(fā)生電路的示意圖；
[0040] 圖9是比較單元的框圖；
[0041] 圖1〇是電流反饋信號調(diào)理電路的示意圖；
[0042] 圖11是隔離放大電路的示意圖；
[0043] 圖12是根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動電路的示意圖；
[0044] 圖13是根據(jù)本發(fā)明的保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0045] 圖14是根據(jù)本發(fā)明的過壓保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0046] 圖15是根據(jù)本發(fā)明的過熱保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0047] 圖16是根據(jù)本發(fā)明的過流保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0048] 圖17是根據(jù)本發(fā)明的缺相保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0049] 圖18是示出根據(jù)本發(fā)明的用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源控制方法的流 程圖；
[0050] 圖19是示出根據(jù)本發(fā)明的柔性感應(yīng)加熱電源的鎖相環(huán)過程的流程圖；
[0051] 圖20是示出橋式可控逆變電路的驅(qū)動信號的波形圖；
[0052] 圖21是示出根據(jù)本發(fā)明的模糊PI控制的框圖。
【具體實施方式】
[0053] 下面參照附圖來描述本發(fā)明的實施例。
[0054] 在本發(fā)明中，以多芯電纜纏繞工件（例如風(fēng)機軸承）來取代固定結(jié)構(gòu)的感應(yīng)線圈， 基于軟件鎖相環(huán)（SPLL)實現(xiàn)感應(yīng)加熱電源輸出頻率對負(fù)載諧振頻率的實時跟蹤，對逆變 電路采用移相脈寬調(diào)制（PWM)策略實現(xiàn)電源功率的閉環(huán)模糊比例積分（PI)控制，基于電源 中的可編程邏輯控制器（PLC)和溫度傳感器實現(xiàn)被加熱工件的溫度控制，從而達(dá)到被加熱 對象的溫度均勻分布和溫度上升速度可控的目的。
[0055]圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源的框圖。
[0056] 參照圖2,柔性感應(yīng)加熱電源包括加熱電源主電路1、控制電路2、驅(qū)動電路3和保 護(hù)電路4。
[0057] 感應(yīng)加熱電源主電路1連接到交流電網(wǎng)，接收交流電，例如三相交流電。
[0058] 控制電路2連接到驅(qū)動電路3，產(chǎn)生PWM信號，并控制PWM信號的移相角的大小，從 而調(diào)節(jié)柔性感應(yīng)加熱電源的功率。
[0059] 驅(qū)動電路3連接到控制電路2和感應(yīng)加熱電源主電路1，接收控制電路2產(chǎn)生的 PWM信號，以驅(qū)動感應(yīng)加熱電源主電路1。
[0060]感應(yīng)加熱電源主電路1根據(jù)驅(qū)動電路3的驅(qū)動產(chǎn)生電壓信號，將所述電壓信號施 加到纏繞在風(fēng)機軸承上的多芯電纜，使得多芯電纜發(fā)生感應(yīng)加熱，導(dǎo)致風(fēng)機軸承與風(fēng)機主 軸之間由于溫度差而產(chǎn)生間隙，以對風(fēng)機軸承進(jìn)行拆裝。
[0061]保護(hù)電路4連接到感應(yīng)加熱電源主電路1，以防止感應(yīng)加熱電源主電路i出現(xiàn)過 壓、過熱、過流、缺相中的至少一種。
[0062]圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的柔性感應(yīng)加熱電源的電源主電路的框圖。
[0063]參照圖3,感應(yīng)加熱電源主電路1包括整流電路11、橋式可控逆變電路12和諧振 回路13。
[0064]整流電路11連接到交流電網(wǎng)，接收交流電。整流電路11可以是不可控整流電路。 整流電路11包括并聯(lián)連接的三對二極管，三對二極管之間的節(jié)點分別連接到三相交流電 中的相應(yīng)交流電。
[0065]橋式可控逆變電路I2連接到整流電路11，并且包括橋式連接的四個絕緣柵雙極 型晶體管（IGBT)，g卩，兩對IGBT。
[0066]驅(qū)動電路3連接到橋式可控逆變電路12,將產(chǎn)生的PWM信號施加到IGBT上，控制 IGBT的導(dǎo)通和截止。
[0067] 諧振回路13連接到橋式可控逆變電路12,并且包括多個并聯(lián)的諧振電容器。纏繞 在風(fēng)機軸承上的多芯電纜連接到諧振回路13的兩端。
[0068] 控制電路2可控制PWM信號的頻率，以使得柔性感應(yīng)加熱電源的輸出信號的頻率 實時跟蹤負(fù)載諧振頻率，所述負(fù)載諧振頻率是由諧振電容器和纏繞在風(fēng)機軸承上的多芯電 纜所構(gòu)成的LC振蕩電路的諧振頻率。
[0069] 在圖3中，Ch為高頻濾波電容，Cd為穩(wěn)壓電容，C0NTR0L_1和C0NTR0L_2是兩對開 關(guān)器件IGBT的控制信號（即，驅(qū)動電路3產(chǎn)生的PWM信號），R為諧振回路的等效電阻，C 為諧振回路的補償電容，L為纏繞在風(fēng)機軸承上的多芯電纜的等效電感。圖4示出了根據(jù) 本發(fā)明的柔性感應(yīng)加熱電源、多芯電纜以及風(fēng)機軸承之間的連接的示意圖。
[0070] 下面描述控制電路2的電路設(shè)計。
[0071] 近年來，數(shù)字控制技術(shù)越來越多地應(yīng)用于中頻感應(yīng)加熱電源。與傳統(tǒng)模擬控制器 相比，數(shù)字控制器可以實現(xiàn)先進(jìn)控制算法，并且能大幅度地提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。 本發(fā)明可選用數(shù)字信號處理器（DSP)作為核心處理器構(gòu)成控制電路2。例如，本發(fā)明選擇 TMS320F2812芯片。TMS320F2812是德州儀器（TI)公司推出的高性能32位定點DSP芯片， 它的主頻最高可達(dá)到150MHz，足以滿足實時性控制的需求。TMS320F2812具有豐富的片內(nèi) 資源，主要包括：CPU、片內(nèi)各種存儲器、片外存儲器接口（XINTF)、3個32位的CPU定時器、 外設(shè)中斷擴(kuò)展模塊（PIE)、3個外部中斷、2個事件管理器（EVA/EVB)、1個12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換 器（ADC)、1個串行外設(shè)接口（SPI)、2個異步串行通信接口（SCI)、1個增強型的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控 制器（eCAN)、l個多通道緩沖串行接口（McBSP)、最多56個通用輸入/輸出口（GPI0)、JTAG 邊界掃描支持等。
[0072] 控制電路2可實現(xiàn)鎖相運算、功率調(diào)節(jié)、故障信號處理、系統(tǒng)復(fù)位、PWM波形發(fā)生等 功能。
[0073] (1)鎖相功能
[0074] 圖5是TMS320F2812的事件管理器的功能框圖。
[0075] 參照圖5, TMS320F2812片內(nèi)事件管理器A里有三個捕獲單元，都能夠捕捉到外部 信號引腳的跳變。每個捕獲單元有一個2級深的FIFO(先入先出），用于存儲信號跳變的時 亥IJ。而且用戶可設(shè)定上升沿、下降沿或上升下降沿檢測。
[0076] 電流反饋信號調(diào)理電路輸出的信號連接到的捕獲單元1 (CAP1_QEP1)。這樣，捕獲 單元可以捕獲到電流反饋信號的上升沿時刻，然后通過鎖相運算，得到同頻同相的輸出信 號。
[0077] (2)功率調(diào)節(jié)功能
[0078] 圖6是TMS320F2812的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理框圖。
[0079] TMS320F2812片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)共有16個輸入通道，可配置成獨立和級聯(lián)兩 種模式。片內(nèi)ADC包含一個12位ADC核，內(nèi)含采樣/保持電路；模擬量的輸入范圍為〇? 3V ;時鐘頻率達(dá)到25MHz ;ADCL0引腳為基準(zhǔn)電壓輸入引腳（一般接地）。輸入的模擬量與 采樣數(shù)字量的關(guān)系可表示為：
[0080]數(shù)字量=4095 X (模擬量-ADCL0) /3
[0081] 功率設(shè)定信號連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的通道0 (ADCINA0)。通過采樣將模擬信號轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號，控制PWM信號的移相角大小，從而達(dá)到功率調(diào)節(jié)的目的。
[0082] (3)故障信號處理功能
[0083] 圖7示出了 TMS320F2812的中斷結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0084] TMS320F2812的中斷由兩級組成，一級是PIE中斷，另一級是CPU中斷。由圖7中 可以看出，TMS320F2812有3個外部中斷引腳：XINT1、XINT2和XNMI_INT13。每個中斷可以 設(shè)置成上升沿觸發(fā)或者下降沿觸發(fā)。
[0085] (4)系統(tǒng)復(fù)位功能
[0086] 圖8示出了 TMS320F2812的復(fù)位信號發(fā)生電路。
[0087] TMS320F2812通過復(fù)位引腳US丨來實現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位時，終止所有當(dāng)前操作，使CPU 進(jìn)入已知的初始狀態(tài)，刷新流水線操作，復(fù)位所有CPU寄存器，復(fù)位相關(guān)信號的狀態(tài)。復(fù)位 完成后，CPU從0x3FFFC0H處取復(fù)位向量到PC寄存器中,然后開始執(zhí)行程序。
[0088]如圖8所示，復(fù)位信號由PLC給出。當(dāng)PLC給出復(fù)位信號（低電平）時，2701芯片 的二極管導(dǎo)通，JP3A (接復(fù)位引腳）與JP：3B (接地）相通，(PU復(fù)位。
[0089] (5)PWM波形發(fā)生功能
[0090] 圖9示出了 TMS320F2812的比較單元的框圖。
[0091] TMS：320F2812的事件管理器（EVA/EVB)均有3對全比較單元（參見圖9)。每個全 比較單元可以產(chǎn)生1對互補的PWM波形，并可編程設(shè)置死區(qū)。
[0092] (6)電流反饋信號調(diào)理電路
[0093] 圖10示出了 TMS320F2812的電流反饋信號調(diào)理電路的示意圖。
[0094]取主變壓器初級電流作為反饋信號（鎖相環(huán)的輸入）。如圖10所示，初級電流互 感線圈產(chǎn)生的電流信號經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后通過穩(wěn)壓管限幅之后進(jìn)入電壓 跟隨電路；之后，信號經(jīng)過有源二階低通濾波器濾波；然后通過過零比較轉(zhuǎn)換為同頻同相 的方波信號，連接到DSP的捕獲單元1。
[0095] (7)隔離放大電路
[0096] 圖11示出了 TMS320F2812的隔離放大電路的示意圖。
[0097] DSP輸出的PWM信號經(jīng)過芯片SN74HCT245N進(jìn)行放大，然后經(jīng)過光耦隔離器 (A3020)后輸出到驅(qū)動電路3。
[0098] 下面描述驅(qū)動電路3的電路設(shè)計。
[0099] 圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動電路3的示意圖。
[0100] 參照圖12,驅(qū)動電路3可以是以芯片M57962L為核心構(gòu)成的電路。M57962L由光電 耦合電路、接口電路、保護(hù)電路（短路檢測、復(fù)位及柵極關(guān)斷）和驅(qū)動級四部分組成。+15V 電源加在4腳；-15V電源加在6腳；PWM信號由14腳輸入；引腳5是輸出引腳，通過10歐 電阻器接在IGBT的柵極上；1腳是故障檢測引腳，通過二極管接在IGBT的集電極上；8腳是 故障信號輸出引腳。
[0101] 驅(qū)動電路3的保護(hù)過程如下：一旦IGBT發(fā)生過流，則集電極電壓升高，二極管1D1 截止，檢測電路檢測到1腳為高電平，柵極關(guān)斷電路通過8腳輸出低電平，光耦TPL_521的 1、2腳導(dǎo)通，3、4腳也導(dǎo)通，4腳輸出過流故障信號。
[0102] 下面描述保護(hù)電路4的電路設(shè)計。
[0103] 圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)框圖。
[0104] 保護(hù)電路4可基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)而設(shè)計。
[0105]參照圖13,保護(hù)電路4通過傳感器和相應(yīng)的保護(hù)電路將電流、電壓、溫度、相位等 需要監(jiān)控保護(hù)的指標(biāo)輸入A/D轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)PGA讀出A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果與預(yù)設(shè)的保護(hù)閾值比較， 當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果超過保護(hù)閾值時，fpga向控制電路2發(fā)出故障信號。在圖13中，缺相 傳感器指的是用于缺相保護(hù)的連接在三相電路中的兩相電路之間的電壓互感器。
[0106]具體地，參照圖13,保護(hù)電路4包括電壓傳感器401、過壓保護(hù)電路4〇2、A/D轉(zhuǎn)換 器409 和 FPGA 410。
[0107]電壓傳感器401連接到整流電路11的輸出端或橋式可控逆變電路12的輸入端， 接收整流電路11的輸出電壓或橋式可控逆變電路12的輸入電壓。過壓保護(hù)電路402連接 到電壓傳感器401，從電壓傳感器401接收整流電路11的輸出電壓或橋式可控逆變電路i2 的輸入電壓，將整流電路11的輸出電壓或橋式可控逆變電路 12的輸入電壓轉(zhuǎn)換為用于過 壓保護(hù)的模擬信號。A/D轉(zhuǎn)換器409可以是多通道A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器409連接到過 壓保護(hù)電路402,從過壓保護(hù)電路402接收該模擬信號，并將該模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 FPGA 410連接到A/D轉(zhuǎn)換器409,從A/D轉(zhuǎn)換器409接收轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，并且將轉(zhuǎn)換的數(shù) 字信號與預(yù)定過壓保護(hù)閾值進(jìn)行比較，如果轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號超出預(yù)定過壓保護(hù)閾值，則向 控制電路2發(fā)送故障信號。
[0108] 圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的過壓保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)框圖。
[0109]參照圖14,過壓保護(hù)所取信號為整流電路11的輸出電壓DC1和橋式可控逆變電 路I2的DC2。DC1與DC2均為直流電壓，典型值為500 V到600V，保護(hù)值為650V。由于二 者電路完全相同，圖14中只包括其中一路。
[0110] 保護(hù)電路參數(shù)如圖14所示，其原理分析如下：直流大電壓經(jīng)過分壓電路后變?yōu)橹?流小電壓，該電壓輸入運放組成的電壓跟隨器后又經(jīng)三極管功率放大，放大后的信號進(jìn)入 隔離光耦，再經(jīng)運算放大環(huán)節(jié)輸出，最后經(jīng)平波電容與限幅二極管后進(jìn)入后面的A/D轉(zhuǎn)換 器410。整個電路是一個線性環(huán)節(jié)，輸入輸出關(guān)系為：U。= 0.00481。當(dāng)輸入電壓達(dá)到保護(hù) 值650V時輸出電壓為3. 12V，后面的A/D轉(zhuǎn)換器410的輸入電壓電平為0到3. 3V，可見過 壓保護(hù)電路402滿足設(shè)計要求。
[0111] 橋式可控逆變電路12的IGBT在操作中溫度可能過高，可能會導(dǎo)致燒毀IGBT從而 危害系統(tǒng)安全，因此有必要對IGBT進(jìn)行溫度保護(hù)。因此，保護(hù)電路4還可包括溫度傳感器 403和過熱保護(hù)電路404。
[0112] 溫度傳感器403連接到橋式可控逆變電路12的IGBT，感測IGBT的溫度。過熱保 護(hù)電路404連接到溫度傳感器403,從溫度傳感器403接收IGBT的溫度，將IGBT的溫度轉(zhuǎn) 換為用于過熱保護(hù)的模擬信號。A/D轉(zhuǎn)換器409連接到過熱保護(hù)電路404,從過熱保護(hù)電路 404接收該模擬信號，并將該模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。FPGA 410從A/D轉(zhuǎn)換器409接收 轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，并且將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號與預(yù)定過熱保護(hù)閾值進(jìn)行比較，如果轉(zhuǎn)換的數(shù)字 信號超出預(yù)定過熱保護(hù)閾值，則向控制電路2發(fā)送故障信號。
[0113] 鉑熱電阻PT100是一種廣泛應(yīng)用的測溫元件，它在0攝氏度時電阻為100 Ω，隨溫 度升高阻值也升高且阻值是溫度的單值函數(shù)。鉑熱電阻PT100具有精度髙，穩(wěn)定性好，抗干 擾性強的優(yōu)點。本發(fā)明可采用怕熱電阻PT10作為溫度傳感器。
[0114] 圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的過熱保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)框圖，電路具體參數(shù)如圖15所示。 過熱保護(hù)電路404采用可控精密穩(wěn)壓源和電位器調(diào)節(jié)產(chǎn)生4. 096V參考電源，R1 = R2, VR2 為100 Ω精密電阻，當(dāng)溫度不為0攝氏度時，電橋輸出毫伏級的壓差信號，壓差信號（反映 溫度信息）經(jīng)過運算放大環(huán)節(jié)直接輸入A/D轉(zhuǎn)換器410。
[0115] 如IGBT保護(hù)溫度為70攝氏度（要求iGBT的工作溫度在70攝氏度之下），則過熱 保護(hù)電路404的輸出電壓為咖，：；0:·-麗^)=服 > 可以用此時A/D轉(zhuǎn)換器的 輸出作為FPGA的預(yù)定過熱保護(hù)閾值。 當(dāng)柔性感應(yīng)加熱電源工作時，負(fù)載的突然短路會導(dǎo)致流過橋式可控逆變電路12 的IGBT的電流瞬間劇增損壞IGBT。因此，有必要監(jiān)測負(fù)載回路電流并對其進(jìn)行過流保護(hù)。 因此，保護(hù)電路4還可包括電流傳感器405和過流保護(hù)電路406。
[0117] 電流傳感器405連接到負(fù)載回路（即，纏繞在風(fēng)機軸承上的多芯電纜所在的負(fù)載 回路），感測負(fù)載回路的電流。過流保護(hù)電路406連接到電流傳感器405,接收負(fù)載回路的 電流，將負(fù)載回路的電流轉(zhuǎn)換為用于過流保護(hù)的模擬信號。A/D轉(zhuǎn)換器409連接到過流保 護(hù)電路406,從過流保護(hù)電路406接收該模擬信號，并將該模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。FPGA 410從A/D轉(zhuǎn)換器409接收轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，并且將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號與預(yù)定過流保護(hù)閾值進(jìn) 行比較，如果轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號超出預(yù)定過流保護(hù)閾值，則向控制電路2發(fā)送故障信號。
[0118] 圖16示出了根據(jù)本發(fā)明的過流保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)框圖。過流保護(hù)電路406采用 一個霍爾電流傳感器將負(fù)載電流信號轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號，該信號被真有效值轉(zhuǎn)換芯片 AD637(AD637將正弦電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎扔谄溆行е档闹绷麟娖剑┺D(zhuǎn)換為直流電平信號，電平 信號經(jīng)放大、濾波環(huán)節(jié)后最終輸出正比于負(fù)載回路電流有效值的直流電平信號，輸出信號 最終進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器409, FPGA410將轉(zhuǎn)換結(jié)果與預(yù)定過流保護(hù)閾值比較即可判斷是否發(fā)生 過流故障。
[0119] 在輸入到柔性感應(yīng)加熱電源的三相交流電發(fā)生缺相時，會在電路中產(chǎn)生負(fù)序電 流，使整流電路11的輸出電流過大，從而威脅電源各期間的安全。因此需要進(jìn)行缺相保護(hù)。 因此，保護(hù)電路4還可包括缺相傳感器407和缺相保護(hù)電路408。
[0120] 缺相傳感器407連接到三相交流電中的兩相交流電之間，感測兩相交流電之間的 相間電壓。缺相保護(hù)電路408連接到缺相傳感器407,接收相間電壓，將相間電壓轉(zhuǎn)換為用 于缺相保護(hù)的模擬信號。A/D轉(zhuǎn)換器409連接到缺相保護(hù)電路408，從缺相保護(hù)電路408接 收該模擬信號，并將該模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。FPGA 410從A/D轉(zhuǎn)換器409接收轉(zhuǎn)換的 數(shù)字信號，并且將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號與預(yù)定缺相保護(hù)閾值進(jìn)行比較，如果轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號小 于預(yù)定缺相保護(hù)閾值，則向控制電路2發(fā)送故障信號。
[0121] 圖17示出了根據(jù)本發(fā)明的缺相保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)框圖。缺相保護(hù)電路408在輸入 的三相交流電A、B相與B、C相之間分別接一個缺相傳感器407,以檢測相間電壓。缺相傳 感器407可以是電流型電壓互感器，例如TAVB32型電流型電壓互感器。TAVB32電流型電 壓互感器事實上是一個變比近似為一的電流互感器，額定輸入/輸出電流為2mA。相間電 壓經(jīng)過采樣電阻后被轉(zhuǎn)變?yōu)閙A級的正弦電流信號進(jìn)入電壓互感器。電壓互感器二次側(cè)輸 出電流（與一次側(cè)近似相等）經(jīng)一個510Ω電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號。之后類似過流保護(hù)電路 406,正弦電壓信號經(jīng)AD637、放大和濾波環(huán)節(jié)后，最終輸出正比于相間電壓有效值的直流電 平信號，該信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器409后進(jìn)入FPGA 410與預(yù)定缺相保護(hù)閾值進(jìn)行比較判斷是否 發(fā)生故障。當(dāng)發(fā)生缺相時，與所缺相相連的回路輸出電平會大幅下降，當(dāng)輸出電平低于預(yù)定 缺相保護(hù)閾值時，F(xiàn)PGA410即可判斷發(fā)生缺相。在FPGA 410中對兩個輸入電平進(jìn)行簡單的 組合邏輯判斷還可分辨出哪一相交流電發(fā)生故障。
[0122] 控制電路2接收到故障信號之后，可停止產(chǎn)生PTO1信號，以保護(hù)柔性感應(yīng)加熱電 源。
[0123] 下面描述根據(jù)本發(fā)明的用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源控制方法。
[0124] 圖18是示出根據(jù)本發(fā)明的用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源控制方法的流 程圖。
[0125] 柔性感應(yīng)加熱電源控制方法主要包括三個部分：相位頻率跟蹤控制、基于PWM移 相的功率模糊PI控制、PLC溫度控制。相位頻率跟蹤控制是為了保證在風(fēng)機軸承拆裝過程 中電源的輸出頻率能夠與負(fù)載諧振頻率保持一致，基于PWM移相的功率模糊PI控制是為了 提高電源的功率調(diào)節(jié)范圍和穩(wěn)定性，而PLC溫度控制是為了滿足對工件加熱速度和溫度分 布的實時控制要求。
[0126] 圖18是示出根據(jù)本發(fā)明的用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源控制方法的整 體控制框圖。
[0127] (1)相位頻率跟蹤控制
[0128] 為了保證感應(yīng)加熱電源提供最大功率輸出，同時讓開關(guān)器件（即，橋式可控逆變 電路12的四個IGBT)工作在軟開關(guān)狀態(tài)，需要使柔性感應(yīng)加熱電源的負(fù)載電壓和負(fù)載電流 保持同頻同相。一方面，由于負(fù)載電壓與柔性感應(yīng)加熱電源的橋式可控逆變電路12中的某 一個驅(qū)動脈沖（即，控制電路2產(chǎn)生的PWM信號）同頻同相，因此負(fù)載電壓的頻率和相位信 息是已知的。另一方面，將負(fù)載電流的測量信號經(jīng)過調(diào)理電路（參見圖10)處理后，再利用 DSP捕獲單元捕捉調(diào)理信號的上升沿，便可計算出負(fù)載電流的頻率（或周期）和相位?；?負(fù)載電壓、負(fù)載電流的頻率和相位信息即可完成柔性感應(yīng)加熱電源的鎖相環(huán)功能，使得負(fù) 載電流的頻率和相位跟蹤負(fù)載電壓的頻率和相位。
[0129]圖19示出了根據(jù)本發(fā)明的柔性感應(yīng)加熱電源的鎖相環(huán)過程的流程圖。
[0130] 具體地，參照圖19,執(zhí)行柔性感應(yīng)加熱電源的鎖相環(huán)功能的步驟可包括：計算柔 性感應(yīng)加熱電源的負(fù)載電壓的相位與負(fù)載電流的相位之間的相位差；補償由于柔性感應(yīng)加 熱電源的硬件電路延遲造成的相位差（g卩，補償系統(tǒng)固有的相位差）；確定負(fù)載電壓的頻率 (或周期）與負(fù)載電流的頻率（或周期）之間的差是否大于設(shè)定值；如果負(fù)載電壓的頻率 與負(fù)載電流的頻率之間的差大于設(shè)定值，則對負(fù)載電流的頻率進(jìn)行修正，使得負(fù)載電流的 頻率跟蹤負(fù)載電壓的頻率。
[0131]另一方面，如果負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間的差不大于設(shè)定值，則確 定是否是第一次開放（這里，第一次開放是指第一次進(jìn)行頻率和相位同時修正（調(diào)節(jié)），也 就是第一次滿足負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間的差不大于設(shè)定值）；如果是第一 次滿足負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間的差不大于設(shè)定值，則確定負(fù)載電壓的相位 與負(fù)載電流的相位之間的相位差的符號；根據(jù)所述相位差的符號對負(fù)載電流的頻率和相位 同時修正，使得負(fù)載電流的頻率和相位跟蹤負(fù)載電壓的頻率的相位。需要注意的是，這里 的相位修正與前面提到的相位補償存在本質(zhì)區(qū)別，因為鎖相環(huán)只能保證電流反饋信號（鎖 相環(huán)輸入信號）和驅(qū)動信號（鎖相環(huán)輸出信號）之間是同頻同相的,然而實際上在電流反 饋?旨號和負(fù)載電流彳胃號之間、驅(qū)動信號與負(fù)載電壓信號之間由于柔性感應(yīng)加熱電源的硬件 電路的存在而導(dǎo)致會有一定的時間延遲,前面提到的相位補償就是對這個系統(tǒng)延遲進(jìn)行補 償。這里的相位修正是進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，是鎖相環(huán)實現(xiàn)鎖相的關(guān)鍵。
[0132] 此外，如果不是第一次滿足負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間的差不大于設(shè) 定值，則通過就近原則確定負(fù)載電壓的相位與負(fù)載電流的相位之間的相位差的符號；根據(jù) 所述相位差的符號對負(fù)載電流的頻率和相位同時修正，使得負(fù)載電流的頻率和相位跟蹤負(fù) 載電壓的頻率的相位。具體地，所述就近原則為：如果負(fù)載電流落后負(fù)載電壓的角度Θ小 于180°，則確定相位差為Θ，且相位差是正值；如果負(fù)載電流落后負(fù)載電壓的角度 0大于 180°，則確定相位差為180° -Θ，且相位差為負(fù)值。
[0133] 這里的鎖相程序包含了相位補償功能。相比傳統(tǒng)通過硬件進(jìn)行相位補償?shù)姆椒ǎ?本發(fā)明的軟件相位補償更加靈活、便捷。
[0134] (2)基于P麗移相的功率模糊PI控制
[0135] 與整流調(diào)功、直流斬波調(diào)功等直流調(diào)功方式相比，逆變調(diào)功調(diào)節(jié)速度快，而且不會 增加柔性感應(yīng)加熱電源的主電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。常見的逆變調(diào)功方式有脈沖密度調(diào)制、脈 沖頻率調(diào)制和PWM移相調(diào)制等。與前兩種方法相比，PWM移相調(diào)制具有調(diào)節(jié)范圍廣、系統(tǒng)穩(wěn) 定性強等優(yōu)點。
[0136] PWM移相調(diào)功包括兩種移相調(diào)功方式：感性移相調(diào)功和容性移相調(diào)功。圖20示出 了橋式可控逆變電路I2的四個IGBT(G1-G4)的驅(qū)動信號的波形圖，其中，圖20中的（a)示 出了感性調(diào)功的四路驅(qū)動脈沖G1?G4以及負(fù)載電壓U0、負(fù)載電流i0的波形，圖20中的 (b)示出了容性調(diào)功的四路驅(qū)動脈沖G1?G4以及負(fù)載電壓U0、負(fù)載電流iO的波形。
[0137] 感性移相調(diào)功是指橋式可控逆變電路12的四個IGBT中的移相橋臂（例如G2、G4) 的驅(qū)動信號超前于四個IGBT中的固定橋臂（例如G1、G3)的驅(qū)動信號，參見圖20中的（a); 容性移相調(diào)功是指四個IGBT中的移相橋臂（例如G2、G4)的驅(qū)動信號滯后于固定橋臂（例 如G1、G3)的驅(qū)動信號，參見圖20中的（b)。
[0138] 在本發(fā)明中采用感性移相調(diào)功方式。由圖20中的（a)分析可知，在感性移相調(diào)功 過程中，移相角β越大，功率越小，驅(qū)動信號頻率也越高。
[0139] 感應(yīng)加熱電源的閉環(huán)控制系統(tǒng)是一個時變、非線性的系統(tǒng)，傳統(tǒng)ΡΙ控制的控制特 性比較依賴于系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型，所以采用傳統(tǒng)ΡΙ控制難以取得良好的控制效果。另外， 單一的模糊控制雖然不需要精確的數(shù)學(xué)模型，但容易使系統(tǒng)在平衡點產(chǎn)生微小的震蕩。模 糊ΡΙ控制結(jié)合了 ΡΙ控制和模糊控制的優(yōu)點，既能使系統(tǒng)具有超調(diào)量小、調(diào)整時間短等優(yōu)良 的動態(tài)性能，又能使系統(tǒng)具有凈差小、被控制量震蕩小等優(yōu)良的靜態(tài)性能。
[0140] 所謂的模糊ΡΙ控制就是用模糊控制實現(xiàn)ΡΙ參數(shù)的自整定，即，使得控制系統(tǒng)根據(jù) 當(dāng)前的實際情況調(diào)整比例參數(shù)Κ ρ和積分參數(shù)Ki，以獲得實時最優(yōu)的調(diào)節(jié)作用。圖21示出 了根據(jù)本發(fā)明的模糊PI控制的框圖。
[0141] (3)PLC溫度控制
[0142] 由于在感應(yīng)加熱過程中熱慣性比較大，無法做到實時控制，所以在本發(fā)明中可采 用下面相對簡單的控制方式：設(shè)定一個可控溫度小區(qū)間[TO, Tl]，T0<T1 ;當(dāng)被加熱工件的 溫度達(dá)到Τ1時，用PLC封鎖驅(qū)動脈沖（S卩，控制電路2產(chǎn)生的PWM信號），功率輸出為零，被 加熱工件的溫度會逐漸下降；當(dāng)被加熱工件的溫度下降到TO時，解除驅(qū)動脈沖封鎖，電源 功率開始輸出，被加熱工件的溫度逐漸上升，如此反復(fù)循環(huán)。因此，被加熱工件的溫度就被 限定在一個可控溫度小區(qū)間[TO, T1]之內(nèi)。
[0143] 雖然本發(fā)明的柔性感應(yīng)加熱電源應(yīng)用于風(fēng)機軸承的拆裝，但是本發(fā)明不限于此， 也可應(yīng)用于需要被拆裝的其它金屬工件。
[0144] 通過采用本發(fā)明的用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源及其控制方法，通過將 多芯電纜纏繞在將被加熱的金屬工件（例如風(fēng)機軸承）上，不需要移動金屬工件；金屬工件 加熱過程中無燃料消耗，并且絕緣物消耗很小，絕緣帶能夠重復(fù)使用50次以上，減少了處 理費用；利用在工件材料內(nèi)部的感應(yīng)電流加熱，可使整個加熱區(qū)域保持均勻，避免了由于局 部高溫產(chǎn)生的工件表面損壞；與常規(guī)的加熱方式相比，使用感應(yīng)加熱縮短了加熱時間；避 免操作人員接觸因氣體加熱和電阻加熱帶來的火焰、爆炸性氣體以及高溫的元件；可實現(xiàn) 超過90%的利用率，為工件傳輸更多的能量，提高電源效率。
[0145] 雖然本發(fā)明是參照其示例性的實施例被具體描述的，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 應(yīng)該理解，在不脫離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對·其進(jìn)彳于形式 1 和細(xì)節(jié)的各種改變。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于風(fēng)機軸承拆裝的柔性感應(yīng)加熱電源，包括： 感應(yīng)加熱電源主電路，連接到交流電網(wǎng)，接收交流電； 控制電路，產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號； 驅(qū)動電路，連接到控制電路和感應(yīng)加熱電源主電路之間，接收控制電路產(chǎn)生的PWM信 號，以驅(qū)動感應(yīng)加熱電源主電路； 保護(hù)電路，連接到感應(yīng)加熱電源主電路，以防止感應(yīng)加熱電源主電路出現(xiàn)過壓、過熱、 過流、缺相中的至少一種， 其中，感應(yīng)加熱電源主電路根據(jù)驅(qū)動電路的驅(qū)動產(chǎn)生電壓信號，將所述電壓信號施加 到纏繞在風(fēng)機軸承上的多芯電纜，使得多芯電纜發(fā)生感應(yīng)加熱，導(dǎo)致風(fēng)機軸承與風(fēng)機主軸 之間由于溫度差而產(chǎn)生間隙，以對風(fēng)機軸承進(jìn)行拆裝。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性感應(yīng)加熱電源，其中，控制電路控制PWM信號的移相角的 大小，從而調(diào)節(jié)柔性感應(yīng)加熱電源的功率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性感應(yīng)加熱電源，其中，感應(yīng)加熱電源主電路包括： 整流電路，連接到交流電網(wǎng)，接收交流電； 橋式可控逆變電路，連接到整流電路，并且包括橋式連接的四個絕緣柵雙極型晶體管 IGBT ； 諧振回路，連接到橋式可控逆變電路，并且包括多個并聯(lián)的諧振電容器， 其中，驅(qū)動電路連接到橋式可控逆變電路，將控制電路產(chǎn)生的PWM信號施加到IGBT上， 控制IGBT的導(dǎo)通和截止， 其中，纏繞在風(fēng)機軸承上的多芯電纜連接到諧振回路的兩端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的柔性感應(yīng)加熱電源，其中，控制電路控制PWM信號的頻率，以 使得柔性感應(yīng)加熱電源的輸出信號的頻率實時跟蹤由諧振電容器和纏繞在風(fēng)機軸承上的 多芯電纜所構(gòu)成的LC振蕩電路的諧振頻率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的柔性感應(yīng)加熱電源，其中，交流電為三相交流電，并且整流電 路包括并聯(lián)連接的三對二極管，三對二極管之間的節(jié)點分別連接到三相交流電中的相應(yīng)交 流電。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的柔性感應(yīng)加熱電源，其中，保護(hù)電路包括： 電壓傳感器，連接到整流電路的輸出端或橋式可控逆變電路的輸入端，接收整流電路 的輸出電壓或橋式可控逆變電路的輸入電壓； 過壓保護(hù)電路，連接到電壓傳感器，從電壓傳感器接收整流電路的輸出電壓或橋式可 控逆變電路的輸入電壓，將整流電路的輸出電壓或橋式可控逆變電路的輸入電壓轉(zhuǎn)換為用 于過壓保護(hù)的模擬信號； 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，連接到過壓保護(hù)電路，從過壓保護(hù)電路接收用于過壓保護(hù)的模擬信號，并 將用于過壓保護(hù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，并且 將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號與預(yù)定過壓保護(hù)閾值進(jìn)行比較，如果轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號超出預(yù)定過壓保護(hù) 閾值，則向控制電路發(fā)送故障信號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的柔性感應(yīng)加熱電源，其中，保護(hù)電路還包括： 溫度傳感器，連接到橋式可控逆變電路的IGBT，感測IGBT的溫度； 過熱保護(hù)電路，連接到溫度傳感器，從溫度傳感器接收IGBT的溫度，將IGBT的溫度轉(zhuǎn) 換為用于過熱保護(hù)的模擬信號， 其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到過熱保護(hù)電路，從過熱保護(hù)電路接收用于過熱保護(hù)的模擬信 號，并將用于過熱保護(hù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 其中，F(xiàn)PGA從模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，并且將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號與預(yù)定過熱保 護(hù)閾值進(jìn)行比較，如果轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號超出預(yù)定過熱保護(hù)閾值，則向控制電路發(fā)送故障信 號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的柔性感應(yīng)加熱電源，其中，保護(hù)電路還包括： 電流傳感器，連接到纏繞在風(fēng)機軸承上的多芯電纜所在的負(fù)載回路，感測負(fù)載回路的 電流； 過流保護(hù)電路，連接到電流傳感器，接收負(fù)載回路的電流，將負(fù)載回路的電流轉(zhuǎn)換為用 于過流保護(hù)的模擬信號， 其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到過流保護(hù)電路，從過流保護(hù)電路接收用于過流保護(hù)的模擬信 號，并將用于過流保護(hù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 其中，F(xiàn)PGA從模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，并且將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號與預(yù)定過流保 護(hù)閾值進(jìn)行比較，如果轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號超出預(yù)定過流保護(hù)閾值，則向控制電路發(fā)送故障信 號。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的柔性感應(yīng)加熱電源，其中，保護(hù)電路還包括： 缺相傳感器，連接到交流電中的兩相交流電之間，感測兩相交流電之間的相間電壓； 缺相保護(hù)電路，連接到缺相傳感器，接收相間電壓，將相間電壓轉(zhuǎn)換為用于缺相保護(hù)的 模擬信號， 其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接到缺相保護(hù)電路，從缺相保護(hù)電路接收用于缺相保護(hù)的模擬信 號，并將用于缺相保護(hù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號， 其中，F(xiàn)PGA從模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號，并且將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號與預(yù)定缺相保 護(hù)閾值進(jìn)行比較，如果轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號小于預(yù)定缺相保護(hù)閾值，則向控制電路發(fā)送故障信 號。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6-9中的任一項所述的柔性感應(yīng)加熱電源，其中，控制電路在接收到 故障信號之后停止產(chǎn)生PWM信號，以保護(hù)柔性感應(yīng)加熱電源。
11. 一種用于根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任一項所述的柔性感應(yīng)加熱電源的控制方法，所 述控制方法包括： 讀取柔性感應(yīng)加熱電源的負(fù)載電流的上升沿時刻，計算負(fù)載電流的頻率和相位； 根據(jù)柔性感應(yīng)加熱電源的負(fù)載電壓與柔性感應(yīng)加熱電源的控制電路產(chǎn)生的PWM信號 同頻同相，獲得負(fù)載電壓的頻率和相位； 根據(jù)負(fù)載電壓的頻率和相位以及負(fù)載電流的頻率和相位執(zhí)行柔性感應(yīng)加熱電源的鎖 相環(huán)功能，使得負(fù)載電流的頻率和相位跟蹤負(fù)載電壓的頻率和相位。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的柔性感應(yīng)加熱電源的控制方法，其中，執(zhí)行柔性感應(yīng)加熱 電源的鎖相環(huán)功能的步驟包括： 計算柔性感應(yīng)加熱電源的負(fù)載電壓的相位與負(fù)載電流的相位之間的相位差； 補償由于柔性感應(yīng)加熱電源的硬件電路延遲造成的相位差； 確定負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間的差是否大于設(shè)定值； 如果負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間的差大于設(shè)定值，則對負(fù)載電流的頻率進(jìn) 行修正，使得負(fù)載電流的頻率跟蹤負(fù)載電壓的頻率。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的柔性感應(yīng)加熱電源的控制方法，其中，執(zhí)行柔性感應(yīng)加熱 電源的鎖相環(huán)功能的步驟還包括： 如果負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間的差不大于設(shè)定值，則確定是否是第一次 滿足負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間的差不大于設(shè)定值； 如果是第一次滿足負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間的差不大于設(shè)定值，則確定 負(fù)載電壓的相位與負(fù)載電流的相位之間的相位差的符號； 根據(jù)所述相位差的符號對負(fù)載電流的頻率和相位同時修正，使得負(fù)載電流的頻率和相 位跟蹤負(fù)載電壓的頻率的相位。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的柔性感應(yīng)加熱電源的控制方法，其中，執(zhí)行柔性感應(yīng)加熱 電源的鎖相環(huán)功能的步驟還包括： 如果不是第一次滿足負(fù)載電壓的頻率與負(fù)載電流的頻率之間的差不大于設(shè)定值，則通 過就近原則確定負(fù)載電壓的相位與負(fù)載電流的相位之間的相位差的符號，其中，所述就近 原則為：如果負(fù)載電流落后負(fù)載電壓的角度Θ小于180°，則確定相位差為Θ，且相位差是 正值；如果負(fù)載電流落后負(fù)載電壓的角度Θ大于180°，則確定相位差為180° -Θ，且相 位差為負(fù)值； 根據(jù)所述相位差的符號對負(fù)載電流的頻率和相位同時修正，使得負(fù)載電流的頻率和相 位跟蹤負(fù)載電壓的頻率的相位。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的柔性感應(yīng)加熱電源的控制方法，所述控制方法還包括： 設(shè)定風(fēng)機軸承的可控溫度區(qū)間[T0，T1]，其中，?ΧΚΤ1 ; 當(dāng)被加熱的風(fēng)機軸承的溫度達(dá)到Τ1時，通過可編程邏輯控制器PLC封鎖控制電路產(chǎn)生 的PWM信號，使得柔性感應(yīng)加熱電源的功率輸出為零，從而風(fēng)機軸承的溫度逐漸下降； 當(dāng)風(fēng)機軸承的溫度下降到Τ0時，解除PWM信號的封鎖，使得柔性感應(yīng)加熱電源開始輸 出功率，從而被加熱工件的溫度逐漸上升； 重復(fù)上述步驟，使得風(fēng)機軸承的溫度被限定在可控溫度區(qū)間[T0，T1]之內(nèi)。
【文檔編號】H05B6/04GK104244479SQ201410532427
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】張文波, 田河江, 陳鋒 申請人:北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司