基于单管IGBT的挤塑机电磁加热系统设计与实现①

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(1. 安徽三联学院电子电气工程学院，安徽 合肥 230601；2. 安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

电磁加热技术越来越受到各行各业加热需求的青睐，如金属的冶炼、塑胶行业的注塑机、造粒机的加热、锅炉加热、石油钻井、输油管道加热等都有广泛应用[1～5]。很多学者开展了相关研究工作，文献[6]研究了基于晶闸管控制的半桥逆变型电炉电磁加热系统；文献[7]采用IGBT替代晶闸管作为低Q值感应加热电源的半桥逆变开关管，提高了电源的工作频率；文献[8]研究了一种基于SiC MOSFET的零电压谐振全桥变换器，将开关频率扩展到180kHz至400kHz，效率达98%以上。上述研究中，半桥逆变和全桥逆变分别需要两个和四个功率开关管，开关管数量多而且需要专用的驱动电路，开关电路控制较为复杂，适用于大功率加热场合。针对光缆挤塑机加热功率需求，设计了一种基于单个功率开关管(IGBT)的电磁加热系统，简化了加热装置的硬件设计，同时将单片机控制器引入到加热系统中来实现加热温度的闭环控制，提高了温度控制的稳定性。

1 挤塑机电磁加热系统简介

在光缆设备领域，挤塑机单元是光缆设备的一个重要组成部分。目前挤塑机单元加热方式普遍采用电阻丝发热圈，加热片装于机身、机颈、机头各部分，加热装在外部加热筒内的塑料，使之升温，以达到工艺操作所需要的温度。热传导损失严重并导致工作环境温度上升，另外电阻丝加热最大的缺点就是功率密度低，在一些温度较高的场合就无法适应此种加热方式,热量流失严重，耗电量很大。

图1 挤塑机电磁加热装置工作示意图

挤塑机电磁加热系统组成如图1所示，电磁加热器安装在单片机控制柜内，电磁加热线圈采用耐高温的硅橡胶铜线或者聚四氟乙烯铜线，可采取直接绕制式或哈佛式结构。根据加热工艺的需求，设置4个温度分布区间，各加热段由独立电磁加热器进行加热，实时检测炉膛温度并与设定温度比较，通过PID算法动态调节加热功率，从而实现炉膛温度恒定在设定值附近。

2 电磁加热控制器设计

2.1 电磁加热控制器结构

电磁加热控制器结构框图如图2所示，输入电源为AC220V交流电，通过整流滤波变成直流电作为LC谐振电路的输入，同步振荡电路控制IGBT周期性导通和截止，使加热线圈中产生高频电流即形成涡流从而实现对炉膛负载加热。由于IGBT工作在大电流、大电压状态下，同时设计了IGBT硬件保护和软件保护，硬件保护电路采集IGBT电流电压，当出现过流过压故障时，该保护电路将控制同步振荡电路使IGBT导通时间缩短，即降低LC谐振电路中电感的储能；软件保护功能由单片机系统实现，保护过程与硬件保护类似，单片机可以直接封锁IGBT触发脉冲的输出，待故障解除后可自动解锁。

图2 电磁加热控制器结构框图

控制器通过热电偶采集炉膛实际温度，将实际温度与设定温度差值作为PID算法输入，PID算法输出最终控制IGBT驱动信号占空比，从而实现炉膛温度的闭环控制。设计的RS485通讯接口可以实现电磁加热控制器的远程监控。

2.2 硬件设计

2.2.1 整流滤波电路

采用由四个二极管构成的单相不可控整流电路，整流后并联滤波电容，整流滤波电路输出约300V直流电压直接连接LC谐振电路，该电路具体结构与工作过程不再赘述。

2.2.2 LC谐振电路

LC谐振电路如图3所示，图中IGBT功率管Q2周期性导通与截止。当Q2导通时，DC300V电压经加热线圈L、Q2到地形成回路，此时线圈L储能；当Q2截止时，由于L中的电流大小和方向不能突变，其储存的磁场能变为电场能而释放出来，即线圈L中的感应电流对并联电容C进行充电。当L中的磁场能全部转换为C的电场能时，功率管Q2集电极电压达到峰值电压。之后，电容C经L放电，功率管Q2集电极电压下降，当电容C上的电场能全部转换为L的磁场能时，L产生左正右负的感应电动势，此时，功率管IGBT内部的阻尼二极管导通完成线圈续流。当L中的能量释放完后，经同步控制振荡电路使功率管Q2重新导通。如此周而复始，使加热线圈L和谐振电容C之间形成高频振荡，从而使线圈L中产生涡流而加热炉膛。

图3 LC谐振电路

2.2.3 IGBT 驱动电路

功率管IGBT驱动主要由两个三极管构成的推挽式电路组成。如图4所示，三极管Q3和Q4构成推挽电路，两者轮流导通。当触发信号IGBTCL为高电平时，Q3导通、Q4截止，IGBT导通；反之，当触发信号IGBTCL为低电平时，Q3截止、Q4导通，IGBT截止。稳压管D6起限压作用，防止IGBT栅源间出现过压而损坏。

图4 IGBT驱动电路

图5 同步控制振荡电路

图6 浪涌电流硬件保护电路

2.2.4 同步控制振荡电路

功率管IGBT出现过压、过流或过热时都极易损坏，设计IGBT电路时需要采取相应的保护措施。当IGBT截止时，由于集电极(C)-发射极(E)之间电流几乎为零，即使C-E间电压很高，IGBT的功率也很小，即发热量小；如果IGBT导通时，C-E间存在较大电压，则IGBT功率很高，容易烧毁IGBT。为保护IGBT不因过热而损坏，需要严格控制IGBT的导通时刻，保证功率管IGBT在集电极零电压下导通。为此，设计了同步控制振荡电路，见图5所示。在LC谐振过程中，当IGBT集电极接近零电压时，比较器U5A的同向端比反向端电位低，U5A输出低电平，电容C29充电，比较器U5C的反向端电位慢慢增加，当反向端电位超过同向端电位时，IGBT截止，谐振过程开始，炉膛加热，比较器U5A输出高电平，电容C29反向充电，使U5C反向端电位始终比同向端电位高，IGBT维持截止状态。谐振过程结束后，当IGBT集电极接近零电压，IGBT导通，加热线圈L开始充电，如此周而复始。

图7 系统软件主程序流程

图5中，信号PWM和IGBTEN由单片机给定，通过调整PWM信号的占空比可以改变比较器U5C同向端的电位，同向端参考电位的改变使IGBT驱动脉冲占空比发生变化，即实现了加热功率的调节。IGBTEN是IGBT驱动使能信号，高电平有效，当IGBTEN=0时，二极管D19导通，同向端被拉成低电平，IGBT处于截止状态。

2.2.5 硬件保护电路

硬件保护主要有浪涌电流保护和IGBT集电极过压保护。对于浪涌电流保护，首先通过电流互感器和整流滤波电路将浪涌交流电流变成直流电压(见图6中的标号current)，然后送到比较器的反向输入端，比较器的同向输入端接固定电位。当出现浪涌电流时，比较器输出低电平(即图5和图6中的over_curr信号)，此时同步控制振荡电路中二极管D18导通，比较器U5C同向端被拉低，其输出为低电平,IGBT截止。IGBT集电极过压保护过程与浪涌电流保护相类似。当出现过压时，图5中的over_volt信号为低电平，导致IGBT截止。

图8 光缆挤塑机加热测试现场

图9 两种加热温度下IGBT栅极驱动波形和集电极电压波形

2.2.6 单片机系统

单片机系统的主要目的是实现炉膛温度闭环控制、软件保护与报警等功能。通过自带A/D转换器的Atmega16 单片机，实现对电流、电压、IGBT与炉膛温度的采集与处理，结合按键和液晶显示实现各种参数的设置与显示。

2.3 软件设计

单片机软件的主要功能是实现温度设定、温度闭环控制、参数采集与显示、软件保护与故障报警等。软件采用C语言编程，程序结构模块化，图7给出了系统主程序流程图。系统上电后，首先进行初始化操作，包括初始化A/D转换、PWM、加热温度以及禁止IGBT驱动等。接下来，系统判定是否需要重新设定加热温度，若需要则通过按键调整，然后使能IGBT驱动，加热过程开始。之后，系统主程序进入无限循环状态，不停检测温度等参数并进行PID运算，更新PWM占空比调节加热功率来调节加热温度，使实际加热温度慢慢逼近设定值。在系统运行过程中，若出现IGBT超温或过压过流等情况，则进行相应的操作处理。

3 测试结果及讨论

为验证所设计的挤塑机电磁加热系统的有效性，进行了现场测试，测试现场为某光缆生产企业，测试现场实物图见图8。

测试时，谐振电路选择L=120μH、C=0.8μF。设定炉膛加热温度分别为160℃和200℃，待炉膛温度稳定后(温度波动约为±1℃)，利用示波器进行了电磁加热控制器中IGBT栅极驱动波形和集电极电压波形的测量，测量结果见图9。

图9中示波器通道1测量的是IGBT集电极电压波形，纵向每格是100V，通道2测量的是IGBT栅极驱动波形，驱动脉冲峰-峰值为18V，结果与其驱动电路设计相吻合。从图9中可以看出，在LC谐振电路参数不变的情况下，炉膛加热温度越高，需要线圈储能越多，这样线圈充电时间就越长，即IGBT导通时间长，栅极驱动脉冲占空比越大。加热温度越高，IGBT集电极所承受的电压就越高，160℃和200℃所对应的峰值电压分别为566V和672V。

在IGBT集电极能承受的电压范围内(测试所用IGBT耐压值为1200V)，可以进一步提高加热温度，但由于受到同步控制振荡电路的限制，IGBT栅极驱动脉冲占空比极值有限，导致加热功率有限，可以通过减小谐振电路中的线圈电感量来提高加热功率，这样虽然可以减小IGBT栅极驱动脉冲占空比，但随着加热功率的提高，IGBT导通电流和集电极电压也会随之上升，因此加热功率的提升程度主要受IGBT参数影响。

4 结 论

文中设计的基于单个IGBT的电磁感应加热装置在同步控制振荡电路和单片机系统的控制下，可以安全可靠工作，加热功率满足光缆挤塑机要求，温度控制精度高。光缆挤塑设备采用电磁加热方式后，可降低加热功耗，能够有效减低企业产品的生产成本，提高竞争力。该电磁加热系统对其它加热设备具有借鉴作用。