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数字化变频工业微波设备电气控制系统的设计

文章来源:www.wbptw.com   作者:阿达森微波干燥设备   发布时间:2018-10-15 15:19   浏览次数:

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  新型数字化变频微波电源与传统的工频变压器升压式微波电源相比,具有效率高、电网适应范围广、功率连续可调的优点,而且可以反馈微波电源和磁控管的工作状态和故障信息。该文开发了一套基于新型数字化变频微波电源的工业微波整机智能控制系统,提高了工业微波设备的自动化水平、稳定性及可靠性,对于工业微波设备的推广及应用具有重大意义。

  微波加工技术是利用微波的高频电场效应来进行产品的加热、干燥、灭菌、催化等,是一种新型的特殊加工工艺,在工业领域的应用极具前景。

工业微波设备

  磁控管是微波的发射源,是微波设备的核心部件。一台工业微波设备通常包含多个磁控管。磁控管是高压负载,需要特定的微波电源来进行驱动才能正常工作。磁控管电源对于微波设备的性能和效率具有决定性作用。传统的微波磁控管供电电源存在效率低、重量大、功率不可调等缺点。该文针对连续式工业微波设备,开发了一种基于数字化变频微波电源的工业微波电气控制系统,实现了微波功率连续可调,显著减少设备体积,有效提高系统的效率和自动化程度,符合工业微波设备的发展趋势。

  1 数字化变频微波电源

  1.1 变频微波电源与传统微波电源对比

  该文采用的磁控管,额定功率是1 kW,发射的微波频率是2450 MHz。

  传统的工业微波设备采用工频变压器升压结合半波倍压整流电路,作为磁控管的驱动电源,电路如图1所示。工作原理是:单相220 VAC的输入电压,经高压变频器升压,在副边的阳极抽头得到2 kV以上的交流电压;经半波倍压整流,在磁控管的阳极和灯丝之间产生4 kV以上的直流高压,驱动磁控管产生微波;高压变压器副边采取双抽头结构,灯丝抽头产生磁控管灯丝的预热电流,一般是3.3 VAC/10 A左右。高压变压器采用漏磁变压器形式,在初、次级线圈之间,人为添加硅钢叠片构成漏磁支路,利用主磁路的饱和效应与漏磁支路的非饱和特性,通过漏磁支路分流和吸收初级电压变化时的磁通波动,在输入电压波动的情况下稳定阳极电压,确保磁控管工作的稳定。磁控管发射微波工作在间歇模式, 微波平均功率的调节通过改变输入侧火力开关的通、断时间比来实现。

  


  图1 工频变压器升压式微波电源电路图

  传统微波电源主要存在以下缺点:工频变压器体积大、重量大、效率低;磁控管阳极电压通过高压变压器的漏磁支路进行开环调整,缺乏反馈控制,不利于磁控管工作状态以及微波功率的稳定控制;微波瞬时功率无法控制,仅能通过火力开关来调整微波的平均功率,无法满足对于瞬时功率要求严格或者微波工艺控制有精细要求的场合;磁控管频繁开关,磁控管的使用寿命大幅缩短,使用和维护成本高。

  因此,该文开发了数字化变频微波电源,如图2所示。变频微波电源采用高频开关电源作为主电路结构,输入侧经输入整流后由软开关逆变电路改为高频交流电压,经高频变压器升压以及输出侧整流、滤波后,得到磁控管的阳极电压,阳极电压的调节通过调整开关管控制信号的频率来实现,即开关管工作在PFM模式(频率范围40~60 kHz)。高频变压器副边采用双抽头的结构,可同时提供阳极电压和灯丝的预热电流。变频微波电源设计有阳极电压、阳极电流采样反馈电路,微波输出功率可由反馈量计算得出,通过数字闭环控制算法,可以实时调整阳极电压值,从而实现磁控管的恒功率输出。电源设计有数字通信接口,可与PLC等工控单元进行交互,磁控管的输出功率值由上一级工控单元进行设置,工控单元也可以通过数字通信接口获取微波电源的工作状态以及故障信息。

  


  图2 数字化变频微波电源和磁控管的电气连接示意图

  试验条件为:磁控管的输出微波功率为850 W。输入电压在180~240 V内变化时,变频微波电源和传统微波电源的工作效率曲线如图3所示;输入电压在180~264 V内变化时,变频微波电源和传统微波电源的输入功率曲线如图4所示。效率是指磁控管的输出微波功率对微波电源输入侧的总效率(即微波电源和磁控管的总效率)。

  


  图3 输入电压180~240V时,两种电源的工作效率曲线

  


  图4 输入电压180~264 V时,两种电源的输入功率曲线

  对比图3、图4可以得出:

  1)对输入侧电压波动的适应性,变频电源明显强于传统微波电源。输入电压从180 V增加到240 V,变频电源的效率基本稳定在64%左右,而传统微波电源的效率从61.2%下降到55.5%;输入电压从180 V增加到264 V,变频电源的输入功率变化量为218 W,传统微波电源的输入功率变化量为489 W。

  2)变频电源的总体效率为64%左右,高于传统电源,而且随着电网电压的上升,变频电源的效率优势进一步扩大。

  综上所述,数字化变频微波电源具有以下明显优势:

  1)功率变换通过软开关实现,变压器工作在高频状态,电源的体积、重量大幅低于传统电源,电源效率也得到提高;

  2)通过阳极电压的精细调节,控制磁控管在恒功率模式工作,微波功率在250~1200 W连续可调,与工频变压器式电源通过控制输入侧火力开关的通、断时间比来调节微波平均功率相比,实现了微波瞬时功率的调节与控制,提高了微波设备的工艺性能;

  3)具有出色的电网电压适应性和输出功率稳定性,非常适合工业现场的应用;

  4)具有输入过压、输入欠压、电源过温、浪涌保护等完善的保护功能,而且磁控管工作在连续输出模式,使用寿命大幅延长,从而大幅降低了工业微波设备的使用成本和设备故障率。

  1.2 数字化变频微波电源的通信及控制

  变频微波电源具有专用的通信接口与主机交互。微波电源的通信接口电路是3.3 V的TTL电平,与自主开发的控制中继板进行信号互联。图5是典型的变频微波电源控制系统结构图。

  


  图5 典型的变频微波电源控制系统结构图

  PFM是控制中继板发送给变频电源的方波信号,工作在频率调制模式,用设定微波功率的输出值,PFM信号的频率与微波功率设定值的对应关系如表1所示。FG是变频电源发送给控制中继板的反馈信号,表示变频电源的工作状态以及故障类型信息,图6是FG信号的波形示意图,变频电源和磁控管均正常工作时,FG信号是频率为100 Hz、占空比50%的方波信号;GND是TTL电平信号的参考电位。

  表1 PFM信号频率与微波功率设定值的对应关系

  


  


  图6 FG信号工作波形

  控制中继板起到信号转换的作用,单个控制中继板可以实现最多18个变频电源的控制交互,并且通过RS485电气接口与PLC等工业控制器进行通信。在工业微波设备中,PLC通过自由口协议或MODBUS协议从控制中继板获取相对应变频电源的工作状态以及故障类型信息,同时也通过控制中继板来设定变频电源所对应的微波输出功率。变频电源具有完善的诊断功能,可以将电源本身以及磁控管的故障信息反馈至PLC,便于系统的诊断和维护。表2是FG信号故障类型脉冲的个数与具体的故障类型之间的对应关系。

  表2 故障类型脉冲个数与故障类型的对应关系

  


  2 微波设备整机电气控制系统

  2.1 电气控制系统总体设计

  该文设计的工业微波设备的微波总功率是15 kW,采用箱式隧道炉的整体结构,微波箱由3节箱体连接而成,单个微波箱的微波功率是5 kW。磁控管选用三星OM75P(11),发射的微波频率为2450 MHz,额定输出功率1 kW,风冷型。整个设备配置15个风冷型磁控管及变频微波电源,单个微波箱配置5个磁控管及变频微波电源。

  图7是工业微波设备电气控制系统原理图。系统选用麦格米特品牌MC100系列小型PLC,型号是MC100-1614BRA1。该款PLC采用220 VAC供电,其资源配置包括16个数字输入点,14个继电器输出点,2个模拟输入通道,1个模拟输出通道。

  


  图7 电气控制系统原理图

  工业微波设备的传送带速度要求在0.5~5 m/min连续可调,传送电机选择三相380 VAC的4级交流异步电机,传送电机功率为1.5 kW。传送电机通过麦格米特的高性能变频器MV300G-4T2.2进行调速,变频器输出频率范围在5~50 Hz连续可调。PLC的数字输出点Y0用于传送变频器使能控制,模拟输出通道(AVO+、AO-)用于传送变频器输出频率给定,模拟给定电压1~10 V对应传送变频器5~50 Hz的输出频率。

  第1~第3微波箱各有5套变频微波电源和磁控管,各由1个主接触器来控制微波电源的启动和停止。PLC的数字输出点Y2、Y3和Y4分别用于控制第1箱~第3箱的微波启停。抽湿风机用于抽取物料在被微波加热过程中产生的大量水蒸气,抽热风机用于抽取微波电源和磁控管工作过程中产生的热量,均为2级三相380 VAC的1.5 kW离心风机。抽湿风机和抽热风机不需调速,分别由PLC的数字输出点Y5、Y6控制启停。由于磁控管需要强制吹风冷却,每个微波箱均配置1台单相240 W离心风机用于磁控管散热,3个微波箱的磁控管散热风机统一控制,由数字输出点Y7控制启停。

  PLC主模块的数字输入点X0~X7分配有相应的系统控制功能。工业微波设备在运行过程中,炉门一定要保持完全关闭,否则将造成微波泄漏而对操作人员造成身体伤害,严禁打开或者关闭不严,数字输入点X2用于检测门限位开关的状态。微波设备在工作过程中一定要有物料可接收微波的功率,严禁在空载条件下开启微波,否则导致磁控管的大量烧毁,输入点Y3用于采集物料开关的信号,PLC可自动检测微波设备内部是否已有物料进入,进而采取相应的保护措施。传送变频器的故障信号由数字输入点X4进行采集。每个磁控管的外壳上安装有温度开关,一旦磁控管温度过高而达到温度开关的阈值,温度开关动作将被PLC检测到,控制系统将关闭磁控管输出而保护磁控管。磁控管的温度开关均为常闭类型,动作温度为150 ℃,复位温度为135 ℃,单个微波箱的5个温度开关采取串联连接,数字输入点X5,X6,X7分配用于检测第1~第3微波箱温度开关的状态。

  2.2 系统通信设计

  通信是工业微波整机控制系统的重要组成部分,包括触摸屏与PLC之间的通信、PLC与控制中继板之间的通信以及控制中继板与微波电源之间的通信。图8是系统通信连接示意图。

  PLC主模块有PORT0和PORT1两个通信口,PORT0是RS232的电气接口,PORT1兼容RS232和RS485的连接定义。该文PORT0用于触摸屏通信,PORT1选择RS485的电气连接用于与中继板的通信。

  


  图8 系统通信连接示意图

  触摸屏选用麦格米特的7寸彩色TFT触控屏MZ600-TT07SK10。将触摸屏的通信口COM1与PLC的通信口PORT0通过专用的RS232通信电缆进行连接。PLC和触摸屏之间采用MODBUS协议进行通信,PLC工作在MODBUS从站状态,触摸屏作为MODBUS主站。

  第1~第3微波箱各有1个控制中继板,控制中继板的RS485通信口用于与PLC的PORT1通信口进行通信,采用自由口协议进行交互。通过中继板各自的拨码开关,将第1~第3箱中继板的通信站号设置为1,2,3,PLC通过已设置好的站号,可以识别中继板的位置。中继板的3线式TTL通信口P1~P5(最大可以到P18)连接变频微波电源(PS1~PS15),第1~第3箱中继板分别控制各自微波箱的5台变频微波电源。

  3 结束语

  该文设计了工业微波设备的电气系统,包括新型的数字化变频微波电源及工业微波整机的电气控制。采用数字化变频微波电源,具有效率高、电网适应范围广、功率连续可调的优点,并可反馈微波电源和磁控管的工作状态以及故障信息,与传统工频变压器升压式微波电源相比具有极大的性能优势。在此基础上,设计了基于PLC的工业微波整机电气控制系统,实现了整机的自动化控制,提高了工业微波整机的智能化水平及可靠性,对于促进工业微波设备的推广及应用意义重大。

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