曲延昌

QU Yan-chang

（山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院 電氣工程系，淄博 256414）

0 引言

鋁塑共擠的基本工藝是在一定的溫度與壓力下，將融化的PVC樹脂混合料與帶燕尾槽結(jié)構(gòu)的鋁型材骨架擠合成一體，在鋁型材表面包覆一層泡孔均勻、密度合適的微發(fā)泡塑料，形成一次擠出成型的門窗建材。由于鋁塑共擠型材具有優(yōu)良的保溫性能和隔音效果，也具有很好的機(jī)械強(qiáng)度和抗蝕性等優(yōu)點，近幾年，在高檔建筑領(lǐng)域應(yīng)用越來越多。然而，受生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)水平的限制，目前鋁塑共擠型材的質(zhì)量仍存在一定問題，最突出的是鋁型材燕尾槽內(nèi)PVC料填充不足，在楔角處產(chǎn)生空隙，造成這種質(zhì)量問題的最直接原因是鋁型材骨架在進(jìn)入擠出機(jī)前溫度過低，PVC母料流體在受擠過程中遇冷變硬。根據(jù)實地考察，目前各地生產(chǎn)線用的鋁型材加熱有以下兩種方式：1）循環(huán)熱風(fēng)加熱，熱源一般采用強(qiáng)力熱風(fēng)槍、電熱絲等。進(jìn)入擠塑機(jī)之前，鋁型材經(jīng)過加熱腔時，在與熱空氣接觸的過程中，整體被加熱。由于燕尾槽的楔角是受熱盲區(qū)，以致局部溫度偏低，擠出的型材在燕尾槽的楔角處很容易形成大小不一的空隙，產(chǎn)品質(zhì)量受到影響。如果簡單地將熱空氣的溫度提高，鋁型材骨架受熱后其機(jī)械強(qiáng)度降低，在推進(jìn)過程中極易發(fā)生骨架彎曲，輕則降低產(chǎn)品品質(zhì)，重則釀成生產(chǎn)事故。2）感應(yīng)加熱，利用現(xiàn)有的熱處理設(shè)備對鋁型材骨架進(jìn)行加熱，這種適合于鐵質(zhì)等導(dǎo)磁材料的感應(yīng)加熱設(shè)備對鋁的加熱效果很差，難以獲得滿意的費效比。文中提出的感應(yīng)加熱設(shè)備包括一只特殊結(jié)構(gòu)的加熱器，采用橫向磁通耦合技術(shù)，專門適合于對鋁型材加熱。在電路上通過合理的參數(shù)搭配，消除了這種線圈的漏感對加熱效果的影響。采用具有零壓開關(guān)技術(shù)的單相全橋逆變器，降低了功耗。實驗已經(jīng)證明，這一裝置的加熱效果和經(jīng)濟(jì)性均令人滿意。

感應(yīng)加熱裝置包括加熱器和電氣控制電路兩大部分。前者需要合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)電、磁、熱的轉(zhuǎn)換。后者則是根據(jù)介質(zhì)參數(shù)設(shè)計出相應(yīng)的電路，使效率最大化。

1 加熱器結(jié)構(gòu)與參數(shù)

根據(jù)感應(yīng)加熱的基本原理，目前，對鐵質(zhì)等導(dǎo)磁材料的加熱，通常采用縱向磁通耦合技術(shù)，即磁感線方向與工件的行進(jìn)方向是重合的。對非導(dǎo)磁材料的加熱，比如工業(yè)上應(yīng)用廣泛的鋁、銅等，則采用橫向磁通耦合技術(shù)對其進(jìn)行感應(yīng)加熱，即磁感線方向與工件的行進(jìn)方向是垂直的[1～3]。

針對鋁型材加熱設(shè)計的加熱器包括勵磁線圈和磁路。

1.1 磁路結(jié)構(gòu)

圖1是磁路結(jié)構(gòu)。當(dāng)線圈通以高頻交變電流i時，會產(chǎn)生圖示參考方向的交變磁通φ，鋁型材的移動方向A與磁通φ方向垂直。

圖1 磁路結(jié)構(gòu)

磁芯構(gòu)成了主磁路的主要部分。氣隙是鋁型材的通道。磁路中氣隙的存在，導(dǎo)致了線圈的漏感，為保證在一定的氣隙長度上通過盡可能多的磁通，應(yīng)設(shè)法降低磁路磁阻，如加大磁芯的有效面積。

為延長加熱時間，方向A上的長度應(yīng)優(yōu)先予以考慮，這樣可獲得較好的加熱效果。

1.2 電氣參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，勵磁線圈與工件間的能量耦合關(guān)系可用變壓器模型描述，得出感應(yīng)加熱的負(fù)載模型。

圖2 負(fù)載模型及其等效電路

在圖2中，r是勵磁線圈的電阻，Llk是線圈的漏感，Lm是線圈的勵磁電感，T相當(dāng)于一只變比為n：1的變壓器，Ro是鋁型材的渦流電阻。Req是渦流電阻折合到一次側(cè)的等效負(fù)載電阻。L'm和R'eq是圖2（b）中Lm和Req的串聯(lián)等效電路，顯然有：

如果鋁型材從磁路氣隙中拿出，變壓器T二次側(cè)相當(dāng)于開路，此時測出的電感是漏感與勵磁電感之和，電阻是線圈的內(nèi)阻。

測量結(jié)果如表1所示。

表1 測量結(jié)果

運用MATLAB求解：

2 電路結(jié)構(gòu)

2.1 LLC諧振變換器

圖2所示的模型中，Llk是這種加熱器磁路結(jié)構(gòu)所固有的，完全可以看成是磁集成變壓器的一部分。為消除線圈漏感對電磁轉(zhuǎn)換的影響，采用LLC變換器是最佳選擇。圖3是這種變換器的原理接法，電容Cr與加熱器負(fù)載串接[5]。

圖3 LLC諧振變換器

根據(jù)文獻(xiàn)[5]，這種變換器有兩種頻率，分別是：

通常情況下，只要工作頻率高于f1，變換器就可以實現(xiàn)零壓開關(guān)（ZVS）。綜合考慮變換器功率開關(guān)的頻率范圍限制和輸出功率等因素，Cr的容量選為30nF，采用Cr與Llk諧振，變換器阻抗圖如圖4所示，可以明顯看出，諧振點頻率在22.875kHz附近。

圖4 LLC諧振變換器阻抗圖

2.2 主電路結(jié)構(gòu)

整個感應(yīng)加熱裝置的主電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。智能晶閘管DB1負(fù)責(zé)對直流母線電壓UDC進(jìn)行調(diào)整。VT1～VT4是逆變橋的功率管。Cr是諧振電容，選用的是高耐壓大電流的電熱型薄膜電容。虛線框內(nèi)的是線圈及負(fù)載。逆變橋功率管采用恒頻驅(qū)動，通過調(diào)整直流母線電壓實現(xiàn)調(diào)功。

圖5 主電路結(jié)構(gòu)

3 實驗結(jié)果

設(shè)計的加熱裝置性能指標(biāo)如下：直流母線電壓320V～480V（智能晶閘管可調(diào)輸出），輸出功率10.2kW（最高）。變換器工作頻率22.95kHz。圖6是逆變橋一只功率管的開關(guān)波形，波形（上）是IGBT管的驅(qū)動波形，為安全起見，采用負(fù)壓偏置。波形（下）是IGBT管C、E兩端的電壓波形。可以明顯看出，IGBT管在零壓下開通、在零壓下關(guān)斷，屬于零壓（ZVS）開關(guān)，整個逆變橋具有較高的效率。

圖6 功率管開關(guān)波形

圖7 是輸入功率比較圖。在同一出口溫度和線速下，本裝置與熱風(fēng)機(jī)對同種型號的型材進(jìn)行加熱，以便進(jìn)行比較。從圖中可看出，不論對哪種型號的型材進(jìn)行加熱，本裝置的輸入功率都小于熱風(fēng)機(jī)的，可以得出這樣的結(jié)論：本裝置具有明顯的節(jié)電效果。

圖7 輸入功率比較

4 結(jié)論

本設(shè)計根據(jù)工質(zhì)的特性，通過對磁路進(jìn)行分析，提出的設(shè)計方案，實現(xiàn)了對鋁型材的加熱，體現(xiàn)出了感應(yīng)加熱的優(yōu)點，可作為對其他非導(dǎo)磁材料進(jìn)行感應(yīng)加熱的參考。對漏感較大磁路的處理，在電路上，根據(jù)LLC變換器的基本原理，將外接電容與漏感構(gòu)成諧振環(huán)節(jié)，有效地消除了漏感對變換器工作的影響，這一點，對其他設(shè)計（如非接觸充電）也有一定的借鑒意義。

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