论文部分内容阅读
【摘要】针对油管中频加热修复系统设计的要求，采用单片机和空间矢量脉宽调制（SVPWM：Space Vector Pulse Width Modulation）算法控制方案，并以单片机为核心设计了系统的硬件电路，编制了相应的软件。为提高系统实用性和抗干扰性能，本系统中频电源电压、频率可调、加热温度可预设，同时设计了完善的保护电路和友好的人机交换界面。实际应用表明，该系统效率高，抗干扰能力强，易于操作。
【关键词】中频加热；SVPWM；油管修复；系统设计
1.油管中频加热修复原理
当感应线圈上通入交变的电流i时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通Φ，交变磁通Φ又会在输油管中产生感应电动势，中频加热就是靠感应线圈将热能传递给要加热的输油管，然后在输油管内部转换成热能。感应线圈与被加热输油管并不直接接触，能量是通过电磁感应传递。输油管中产生的感应电动势会引起涡流产生的焦耳热为：
式中，Q：中频加热产生的热量（J）；I：感应线圈中电流有效值（A）；R：输油管的等效电阻（Ω）；t：输油管加热时间（S）；从式（1）可以看出，中频加热产生的热量大小与感应线圈中的电流的平方成正比，因此提高感应线圈中的电流可以使输油管中产生的涡流增大，同时提高工作频率也会使得输油管的感应电流增大，从而增加发热效果，使工件升温更快，但是由于集肤效应，工作频率越高能加热的深度越浅，所以我们选择了中频加热，而不是工频加热或者高频加热。
2.系统整体设计
本系统拟采用STM32单片机作为主控制器，首先将380V工频交流电进行整流与滤波然后送入由4个IGBT组成的逆变器，通过SVPWM算法来控制逆变的频率，然后升压以后送入感应线圈对输油管道进行加热。本系统采用7英寸彩屏液晶显示器进行显示，同时将修复记录存入存储器，同时本系统还可以跟上位机进行信息的交换，随时可以将修复记录上传至上位机储存与处理。
3.系统硬件设计
3.1 逆变电路设计。逆变技术是电力变换的基本形式之一，通过电力电子元件和触发策略将直流转变为交流并提供负载或回馈电网就是通常意义上的逆变。其基本原理是通过半导体功率开关器件的开通关断作用，将直流电能变换得到质量较高能满足负载对电压和频率要求的交流电能，逆变器是完成该变换的装置。逆变技术中最常用的就是脉宽调制。SVPWM技术，是近年研究出的一种比较新颖的、成熟的控制方法。
3.2 SVPWM原理。本系统逆变技术用到电路为全桥电路，SVPWM技术就是专门来驱这些电路的控制方法，其原理理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，從而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM波形。
4.系统软件设计
考虑到单片机的计算能力有限，难以进行复杂的数据处理。因此在功能比较复杂的控制系统中，通常以PC机为上位机，单片机为下位机，由单片机完成数据的采集及对装置的控制，而由上位机完成各种复杂的数据处理及对单片机的控制，同时单片机实时监测感应电源的电流、电压。当电压、电流过大，采取过压过流保护。
本系统考虑到不同材质的输油管道需采用不同的加热功率与加热时间，同时不同的输油管的管壁厚度需要调节中频电源频率，以此到达系统具有宽广的使用场合。因此设计了友好的图形界面。软件框图如下
参考文献
[1]张恒洋.在役输油管线盗油孔焊接修复的安全评价研究[D].中国石油大学，2011.
[2]易龙强，戴瑜兴.SVPWM技术在单相逆变电源中的应用[J].电工技术学报，2007.
[3]刘诚，严黔.感应加热设备温度程序控制方案的比较与研制.山东电力技术，2002，20（4）：52～53.
作者简介
胡广（1994-），男，就读于长江大学电子信息学院，研究方向为电子信息工程.
【关键词】中频加热；SVPWM；油管修复；系统设计
1.油管中频加热修复原理
当感应线圈上通入交变的电流i时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通Φ，交变磁通Φ又会在输油管中产生感应电动势，中频加热就是靠感应线圈将热能传递给要加热的输油管，然后在输油管内部转换成热能。感应线圈与被加热输油管并不直接接触，能量是通过电磁感应传递。输油管中产生的感应电动势会引起涡流产生的焦耳热为：
式中，Q：中频加热产生的热量（J）；I：感应线圈中电流有效值（A）；R：输油管的等效电阻（Ω）；t：输油管加热时间（S）；从式（1）可以看出，中频加热产生的热量大小与感应线圈中的电流的平方成正比，因此提高感应线圈中的电流可以使输油管中产生的涡流增大，同时提高工作频率也会使得输油管的感应电流增大，从而增加发热效果，使工件升温更快，但是由于集肤效应，工作频率越高能加热的深度越浅，所以我们选择了中频加热，而不是工频加热或者高频加热。
2.系统整体设计
本系统拟采用STM32单片机作为主控制器，首先将380V工频交流电进行整流与滤波然后送入由4个IGBT组成的逆变器，通过SVPWM算法来控制逆变的频率，然后升压以后送入感应线圈对输油管道进行加热。本系统采用7英寸彩屏液晶显示器进行显示，同时将修复记录存入存储器，同时本系统还可以跟上位机进行信息的交换，随时可以将修复记录上传至上位机储存与处理。
3.系统硬件设计
3.1 逆变电路设计。逆变技术是电力变换的基本形式之一，通过电力电子元件和触发策略将直流转变为交流并提供负载或回馈电网就是通常意义上的逆变。其基本原理是通过半导体功率开关器件的开通关断作用，将直流电能变换得到质量较高能满足负载对电压和频率要求的交流电能，逆变器是完成该变换的装置。逆变技术中最常用的就是脉宽调制。SVPWM技术，是近年研究出的一种比较新颖的、成熟的控制方法。
3.2 SVPWM原理。本系统逆变技术用到电路为全桥电路，SVPWM技术就是专门来驱这些电路的控制方法，其原理理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可由组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，從而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM波形。
4.系统软件设计
考虑到单片机的计算能力有限，难以进行复杂的数据处理。因此在功能比较复杂的控制系统中，通常以PC机为上位机，单片机为下位机，由单片机完成数据的采集及对装置的控制，而由上位机完成各种复杂的数据处理及对单片机的控制，同时单片机实时监测感应电源的电流、电压。当电压、电流过大，采取过压过流保护。
本系统考虑到不同材质的输油管道需采用不同的加热功率与加热时间，同时不同的输油管的管壁厚度需要调节中频电源频率，以此到达系统具有宽广的使用场合。因此设计了友好的图形界面。软件框图如下
参考文献
[1]张恒洋.在役输油管线盗油孔焊接修复的安全评价研究[D].中国石油大学，2011.
[2]易龙强，戴瑜兴.SVPWM技术在单相逆变电源中的应用[J].电工技术学报，2007.
[3]刘诚，严黔.感应加热设备温度程序控制方案的比较与研制.山东电力技术，2002，20（4）：52～53.
作者简介
胡广（1994-），男，就读于长江大学电子信息学院，研究方向为电子信息工程.