光伏直驱感应加热装置、设备和控制方法与流程

1.本公开涉及感应加热装置领域，特别涉及一种光伏直驱感应加热装置、设备和控制方法。


背景技术：

2.感应加热装置的电源部分通常采用380v三相交流电供电，经无控整流电路将交流电转换为直流电，再通过逆变电路转换为高频交流电为谐振负载电路供电。一台感应加热装置功率数十到数百千瓦不等，而工厂一套感应焊接流水线上配备多台感应加热装置同时工作，会导致同一时间内该厂房用电负荷剧增。感应焊接厂房用电量高，使厂区内峰电用量巨大，电价昂贵。


技术实现要素：

3.鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了一种光伏直驱感应加热装置、设备和控制方法，采用光伏直驱供电，在白天太阳光照射效果最好，发电功率最高，可有效削减厂区内用电峰值，降低用电费用。
4.根据本公开的一个方面，提供一种光伏直驱感应加热装置，包括无控整流电路、直流-直流转换电路、逆变电路和谐振负载，其中：
5.无控整流电路与直流-直流转换电路连接，直流-直流转换电路通过直流母线和逆变电路连接，逆变电路和谐振负载连接；
6.无控整流电路与交流电网连接；交流电网，用于通过无控整流电路、直流-直流转换电路和逆变电路为谐振负载供电；
7.光伏板与直流母线连接；光伏板，用于通过直流母线和逆变电路为谐振负载供电，实现光伏直接驱动感应加热装置。
8.在本公开的一些实施例中，所述谐振负载为感应加热线圈。
9.在本公开的一些实施例中，逆变电路，用于将直流电逆变为高频交流电，高频交流电流过感应加热线圈内部，使感应加热线圈产生交变的电磁场，对待加工的金属工件进行加热。
10.在本公开的一些实施例中，所述直流-直流转换电路，用于控制光伏板侧直流电压，提供宽幅的光伏板直流电压寻优调节范围。
11.在本公开的一些实施例中，所述直流-直流转换电路为升降压斩波电路或降压斩波电路，其中，升降压斩波电路提供的光伏板直流电压寻优调节范围大于降压斩波电路提供的光伏板直流电压寻优调节范围。
12.在本公开的一些实施例中，光伏板和交流电网，用于采用双重供电的方式为光伏直驱感应加热装置供电。
13.在本公开的一些实施例中，光伏板，用于在光伏发电功率大于等于光伏直驱感应加热装置用电功率的情况下，单独为光伏直驱感应加热装置供电。
14.在本公开的一些实施例中，光伏板和交流电网，用于在光伏发电功率大于0且小于光伏直驱感应加热装置用电功率的情况下，联合为光伏直驱感应加热装置供电。
15.在本公开的一些实施例中，交流电网，用于在光伏发电功率等于0情况下，单独为光伏直驱感应加热装置供电。
16.在本公开的一些实施例中，光伏板，用于在交流电网停电或线路检修的情况下，为光伏直驱感应加热装置供电。
17.在本公开的一些实施例中，逆变电路的晶体管，用于在光伏板供电的情况下，对光伏直驱感应加热装置的输出功率进行调节控制。
18.在本公开的一些实施例中，直流-直流转换电路的晶体管，用于在光伏板供电的情况下，对直流母线电压进行宽幅调节以追踪光伏发电最大功率点。
19.在本公开的一些实施例中，直流-直流转换电路的晶体管，用于在交流电网供电的情况下，对光伏直驱感应加热装置的输出功率进行调节控制。
20.在本公开的一些实施例中，所述光伏直驱感应加热装置还包括熔断器和断路器，其中：
21.无控整流电路与交流电网连接之间通过三相电源线连接；
22.熔断器和断路器串联设置在三相电源线上，其中：
23.熔断器，用于在出现故障时，电网侧电流大于选取的熔断器熔断值的情况下，熔断，使得交流电网供电回路断开；
24.断路器，用作交流电网供电回路的手动开关；在电网侧电流大于选取的熔断器熔断值的情况下，断开交流电网供电回路。
25.在本公开的一些实施例中，所述光伏直驱感应加热装置还包括充电电路，其中：
26.充电电路并联设置在三相电源线上，用于在光伏直驱感应加热装置开机时起到减小电流，降低整流后侧直流电压的充电速度；在整流后侧直流充电完成后，充电电路断开。
27.根据本公开的另一方面，提供一种光伏直驱感应加热设备，包括光伏板和如上述任一实施例所述的光伏直驱感应加热装置。
28.根据本公开的另一方面，提供一种光伏直驱感应加热装置控制方法，包括：
29.采用光伏板和交流电网双重供电的方式为光伏直驱感应加热装置供电，其中，所述光伏直驱感应加热装置是如上述任一实施例所述的光伏直驱感应加热装置。
30.在本公开的一些实施例中，所述采用光伏板和交流电网双重供电的方式为光伏直驱感应加热装置供电包括：
31.在光伏发电功率大于等于光伏直驱感应加热装置用电功率的情况下，采用光伏板单独为光伏直驱感应加热装置供电；
32.在光伏发电功率大于0且小于光伏直驱感应加热装置用电功率的情况下，采用光伏板和交流电网联合为光伏直驱感应加热装置供电；
33.在光伏发电功率等于0情况下，采用交流电网单独为光伏直驱感应加热装置供电。
34.在本公开的一些实施例中，所述采用光伏板和交流电网双重供电的方式为光伏直驱感应加热装置供电包括：
35.在交流电网停电或线路检修的情况下，采用光伏板为光伏直驱感应加热装置供电。
36.在本公开的一些实施例中，所述光伏直驱感应加热装置控制方法还包括：
37.在光伏板供电的情况下，采用逆变电路的晶体管对光伏直驱感应加热装置的输出功率进行调节控制；采用直流-直流转换电路的晶体管对直流母线电压进行宽幅调节以追踪光伏发电最大功率点；
38.在交流电网供电的情况下，采用直流-直流转换电路的晶体管对光伏直驱感应加热装置的输出功率进行调节控制。
39.本公开采用光伏直驱供电，在白天太阳光照射效果最好，发电功率最高，由此可以有效削减厂区内用电峰值，降低用电费用。
附图说明
40.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为相关技术交流电网供电的感应加热装置一些实施例的拓扑结构示意图。
42.图2为相关技术交流电网供电的感应加热装置另一些实施例的拓扑结构示意图。
43.图3为相关技术光伏并网、感应加热装置在电网取电的供电方案拓扑结构示意图。
44.图4为本公开光伏直驱感应加热装置一些实施例的示意图。
45.图5为本公开光伏发电直驱感应加热装置的拓扑结构示意图。
46.图6为本公开光伏直驱感应加热装置控制方法一些实施例的示意图。
47.图7为本公开光伏直驱感应加热装置控制方法另一些实施例的示意图。
具体实施方式
48.下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
49.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
50.同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。
51.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。
52.在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
53.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
54.图1为相关技术交流电网供电的感应加热装置一些实施例的拓扑结构示意图。相
关技术感应加热装置产品大多采用此类拓扑结构，其中的降压斩波电路起到感应加热装置最核心的功率调节功能，通过改变降压斩波电路中晶体管开通的占空比通过调节开关管导通和关断的占空比，调节斩波输出电压大小，从而调节斩波输出功率，逆变电路输入的功率，从而调节感应加热设备的输出功率。
55.图2为相关技术交流电网供电的感应加热装置另一些实施例的拓扑结构示意图。此方案无buck电路，不由控制buck电路晶体管的开通关闭进行调功控制，而是由逆变电路进行晶体管的开通关闭进行调功控制，此方案的控制算法较为复杂，控制难度较高。此方案从380v电网取电，经无控整流为直流电，再逆变为高频交流电给谐振负载供电。
56.发明人通过研究发现：图1或图2实施例的相关技术感应加热装置功率高，一个感应焊接厂房多条生产线中众多感应加热装置用电量大，使厂内用电负荷大、厂区内峰电用量巨大，电价昂贵。另外，市网停电或厂内线路检修时，焊接产线需停线停产。
57.图3为相关技术光伏并网、感应加热装置在电网取电的供电方案拓扑结构示意图。感应加热装置从380v电网取电，经无控整流为直流电，再逆变为高频交流电给谐振负载供电。380v电网供给感应加热装置的一部分电由光伏板发出经逆变器逆变后并网提供。
58.发明人通过研究发现：图3实施例的相关技术在厂房顶铺设光伏板，利用太阳能发电。图3实施例采用光伏发电经逆变器转换为交流电并网的方式供给给一部分厂内用电负荷，达到降低电网侧用电量的效果。光伏发出的直流电经逆变器转换为380v交流电，再经感应加热装置的无控整流电路整流成直流供电。此过程经历两次转换，每次转换有一定损耗，导致光伏发电利用率较低。图3实施例厂房顶部光伏发电到感应加热装置直流侧的利用率低，经两次转换损耗浪费多。
59.鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了一种光伏直驱感应加热装置、设备和控制方法，下面通过具体实施例对本公开进行说明。
60.图4为本公开光伏直驱感应加热装置一些实施例的示意图。如图4所示，本公开光伏直驱感应加热装置30可以包括无控整流电路31、直流-直流转换电路32、逆变电路33和谐振负载34，其中：
61.无控整流电路31与直流-直流转换电路32连接，直流-直流转换电路32通过直流母线35和逆变电路33连接，逆变电路33和谐振负载34连接。
62.无控整流电路31与交流电网连接；交流电网，用于通过无控整流电路、直流-直流转换电路32和逆变电路33为谐振负载34供电。
63.光伏板与直流母线35连接；光伏板，用于通过直流母线35和逆变电路33为谐振负载34供电，实现光伏直接驱动感应加热装置。
64.在本公开的一些实施例中，所述直流-直流转换电路32，可以用于控制光伏板侧直流电压，提供宽幅的光伏板直流电压寻优调节范围。
65.在本公开的一些实施例中，所述直流-直流转换电路32可以为升降压斩波电路或降压斩波电路。
66.在本公开的一些实施例中，升降压斩波电路提供的光伏板直流电压寻优调节范围大于降压斩波电路提供的光伏板直流电压寻优调节范围，采用升降压斩波电路为更优选的方案。
67.本公开上述实施例光伏直驱方案的光伏感应加热装置产品而言，由于光伏板输出
特性，需要直流母线电压进行宽幅变化才能保证光伏板时刻处在最大输出功率点，发出的光伏电能最多。
68.图5为本公开光伏发电直驱感应加热装置的拓扑结构示意图。如图5所示，本公开直流-直流转换电路32采用升降压斩波电路(又名buck-boost变换器)。本公开光伏电接在由本发明提出的光伏直驱感应加热装置主电路拓扑中的升降压斩波电路后端，由本公开提出的光伏直驱感应加热装置主电路拓扑中的升降压斩波电路准确调节光伏板侧的电压既感应加热装置直流母线的直流电压。由于升降压斩波电路的特性，可对无控整流部分后直流电压再进行宽幅的降压或升压调节，以此时刻控制光伏板侧直流电压，可进行更宽幅的光伏板直流电压寻优调节，使光伏系统保持最大光伏发电功率的范围加大，保证充足的发电量供给给感应加热装置使用。
69.相比于将光伏发出的电能接入感应加热装置直流母线无控整流后端(此时的直流母线电压是固定值)，或是感应加热装置的buck降压电路后端的方案(可调节直流母线电压范围0～515v)，本公开上述实施例可以更宽幅调节光伏板侧的直流电压(可调节直流母线电压范围0～1000v)，可使光伏板发电量在更长时间内保持最大值，因此此方案能加大光伏板的发电量，使系统获得更大的发电功率，相同光伏板装机容量下，可以适配的感应加热装置的容量更高。
70.本公开上述实施例光伏板上的发电功率随光伏板电压变化，存在唯一一个最大值点，dc/dc转换器可实现准确调节光伏板侧的电压与感应加热装置直流母线的直流电压。由dc/dc转换器时刻控制光伏板侧直流电压，可进行更宽幅的光伏板直流电压寻优调节范围，使光伏系统保持最大光伏发电功率的时间加大，保证充足的发电量供给给感应加热装置使用。相比于无dc/dc部分即直接将光伏发出的电能接入感应加热装置直流母线的方案，若无此dc/dc部分，光伏板的电压等于感应加热装置的直流母线电压(固定值)，此场景下，光伏板发电功率较本专利提出的方案低20％～30％。因此本公开上述实施例提出的方案能加大光伏板的发电量，使系统获得更大的发电功率。限于安装光伏板屋顶面积所限，相同光伏板安装面积既相同光伏装机容量下，可以适配的感应加热装置的容量更高。
71.在本公开的一些实施例中，如图5所示，逆变电路33的晶体管t1-t4，用于在光伏板供电的情况下，对光伏直驱感应加热装置的输出功率进行调节控制；直流-直流转换电路32的晶体管vt1，用于在光伏板供电的情况下，对直流母线35电压进行宽幅调节以追踪光伏发电最大功率点。
72.在本公开的一些实施例中，如图5所示，直流-直流转换电路32的晶体管vt1，用于在交流电网供电的情况下，对光伏直驱感应加热装置的输出功率进行调节控制。
73.在本公开的一些实施例中，光伏感应加热装置可以采用逆变桥调功以及buck-boost斩波电路调功的调功方式。在白天光伏发电时，采用buck-boost斩波电路对直流母线电压进行宽幅调节以追踪光伏发电最大功率点，获得最大的发电功率，此时光伏感应加热装置采用逆变桥调功的控制方式；在夜晚光伏不发电时，采用交流电网供电，buck-boost斩波电路调压调功的控制方式。
74.本公开采用无控整流 buck-boost斩波电路 直驱的方式。
75.在本公开的一些实施例中，如图4和图5所示，所述谐振负载34为感应加热线圈。
76.在本公开的一些实施例中，逆变电路33，用于将直流电逆变为高频交流电，高频交流电流过感应加热线圈u
out
内部，使感应加热线圈产生交变的电磁场，将待加工的金属工件放入感应加热线圈中，在金属工件上将感应出交变的电流，由于电流在金属中的涡流效应，待加工的金属工件被加热，实现感应焊接、淬火等工艺效果。
77.在本公开的一些实施例中，如图5所示，所述光伏直驱感应加热装置还包括熔断器f和断路器qf，其中：
78.无控整流电路31与交流电网连接之间通过三相电源线连接。
79.在本公开的一些实施例中，如图5所示，熔断器f和断路器qf均串联设置在三相电源线上，其中：
80.熔断器f，用于在出现故障时，电网侧电流大于选取的熔断器熔断值的情况下熔断，使得交流电网供电回路(主回路)断开。
81.断路器qf，用作交流电网供电回路的手动开关(手动开关机旋钮)；在电网侧电流大于选取的熔断器熔断值的情况下，自动断开交流电网供电回路。
82.在本公开的一些实施例中，所述光伏直驱感应加热装置还可以包括充电电路，其中：
83.充电电路并联设置在三相电源线上，用于在光伏直驱感应加热装置开机时起到减小电流，降低整流后侧直流电压的充电速度；在整流后侧直流充电完成后，充电电路断开。
84.在本公开的一些实施例中，如图5所示，km为接触器，r为充点电阻，km和r组成充电电路，在光伏感应加热装置开机时起到减小电流的作用，可降低整流后侧直流电压的充电速度，保护直流电容c1，在整流后侧直流充电完成后，km断开。
85.在本公开的一些实施例中，如图5所示，无控整流电路包括滤波电感ld和无控整流桥模块bv。
86.图4和图5还给出了本公开光伏直驱感应加热设备一些实施例的示意图。如图4和图5所示，本公开光伏直驱感应加热设备可以包括光伏板10、交流电网20和光伏直驱感应加热装置30，其中：
87.在本公开的一些实施例中，交流电网20可以为网侧380v三相交流电。
88.在本公开的一些实施例中，光伏板10和交流电网20，用于采用双重供电的方式为光伏直驱感应加热装置30供电。
89.在本公开的一些实施例中，光伏板10，用于在光伏发电功率大于等于光伏直驱感应加热装置30用电功率的情况下，单独为光伏直驱感应加热装置30供电。
90.在本公开的一些实施例中，光伏板10和交流电网20，用于在光伏发电功率大于0且小于光伏直驱感应加热装置30用电功率的情况下，联合为光伏直驱感应加热装置30供电。
91.在本公开的一些实施例中，交流电网20，用于在光伏发电功率等于0情况下，单独为光伏直驱感应加热装置30供电。
92.在本公开的一些实施例中，光伏板10，用于在交流电网20停电或线路检修的情况下，为光伏直驱感应加热装置30供电。
93.本公开上述实施例光伏直驱感应加热装置改进方案采用光伏发电供电的方式，解决了常规感应焊接厂房电网侧用电量大、电费昂贵的的问题。
94.本公开上实施例的光伏直驱感应加热装置根据其光伏发电特性，在上午8点到下午4点这段时间内太阳光照射效果最好，发电功率最高，该时间段与厂区内各生产机器工作时间段吻合度高，可有效削减厂区内用电峰值，降低用电费用。并采用光伏发电和380v电网双重供电模式给高功率的感应加热装置供电。太阳光光照充足时，光伏发电功率可满足感应加热装置用电功率，此时可由光伏发电单独供电；太阳光光照不足时，光伏发电功率小于感应加热装置用电功率，此时由380v电网补充供电保证感应加热装置满功率运行。
95.本公开上述实施例的光伏板发出的直流电不经过逆变器逆变为交流电输入到380v交流电网进行并网，再从380v交流电网取电，经感应加热装置的整流部分整流为直流电；而是采用直接给感应加热装置直流母线供电的直驱方式。本公开上述实施例节省了光伏发电经逆变器转换为交流电进行并网，再通过感应加热装置的整流部分整流为直流电这两次转换过程，降低了转换损耗，提高了光伏利用率。
96.本公开上述实施例无需装配光伏逆变器，节省配电房和大功率光伏逆变器的建设和设备费用。本公开上述实施例采用市网380v三相交流电与光伏电双重供电模式，在市网停电或厂内线路检修时，能继续利用光伏供电保证设备不间断运行，无需停线停产，提高感应焊接厂房生产系统的供电可靠性。
97.图6为本公开光伏直驱感应加热装置控制方法一些实施例的示意图。图6实施例的光伏直驱感应加热装置控制方法具体为光伏直驱感应加热装置的供电模式控制方法。优选的，本实施例可由本公开光伏直驱感应加热装置控制方法执行。该方法包括以下步骤：
98.步骤60，采用光伏板和交流电网双重供电的方式为光伏直驱感应加热装置供电，其中，所述光伏直驱感应加热装置是如上述任一实施例(例如图4或图5实施例)所述的光伏直驱感应加热装置。
99.在本公开的一些实施例中，步骤60可以包括步骤61-步骤64中的至少一项，其中：
100.步骤61，在光伏发电功率大于等于光伏直驱感应加热装置用电功率的情况下，采用光伏板单独为光伏直驱感应加热装置供电。
101.步骤62，在光伏发电功率大于0且小于光伏直驱感应加热装置用电功率的情况下，采用光伏板和交流电网联合为光伏直驱感应加热装置供电。
102.步骤63，在光伏发电功率等于0情况下，采用交流电网单独为光伏直驱感应加热装置供电。
103.步骤64，在交流电网停电或线路检修的情况下，采用光伏板为光伏直驱感应加热装置供电。
104.基于本公开上述实施例提供的光伏直驱感应加热装置控制方法，采用光伏直驱供电，解决了常规感应焊接厂房电网侧用电量大的问题。光伏直驱感应加热装置根据其光伏发电特性，在上午8点到下午4点这段时间内太阳光照射效果最好，发电功率最高，该时间段与厂区内各生产机器工作时间段吻合度高，可有效削减厂区内用电峰值，降低用电费用。
105.本公开上述实施例采用光伏发出的直流电直接供给到感应加热装置的直流母线上的方式，节省了光伏发电经逆变器转换为交流电进行并网，再通过感应加热装置的整流部分整流为直流电这两次转换过程，降低了转换损耗，提高了光伏利用率。相比于传统方案无需装配光伏逆变器，节省配电房和大功率光伏逆变器的建设和设备费用。
106.本公开上述实施例采用了市网380v三相交流电与光伏电双重供电模式，在市网停
电或厂内线路检修时，能继续利用光伏供电保证设备不间断运行，无需停线停产，提高感应焊接厂房生产系统的可靠性，保障生产效率。
107.图7为本公开光伏直驱感应加热装置控制方法另一些实施例的示意图。图7实施例的光伏直驱感应加热装置控制方法具体为光伏直驱感应加热装置的功率调节控制方法。优选的，本实施例可由本公开光伏直驱感应加热装置控制方法执行。该方法可以包括步骤70-步骤80中的至少一项：
108.步骤70，在光伏板供电的情况下，采用逆变电路的晶体管对光伏直驱感应加热装置的输出功率进行调节控制；采用直流-直流转换电路的晶体管对直流母线电压进行宽幅调节以追踪光伏发电最大功率点。
109.步骤80，在交流电网供电的情况下，采用直流-直流转换电路的晶体管对光伏直驱感应加热装置的输出功率进行调节控制。
110.基于本公开上述实施例提供的光伏直驱感应加热装置控制方法，采用光伏发电给高功率的感应加热装置供电，实现降低厂区电网侧用电量大、电费昂贵的问题。通过光伏发出的直流电直接给感应加热装置的直流母线供电的直驱方式，提高光伏发电利用率。本公开上述实施例将感应加热装置的buck降压电路替换为buck-boost升降压电路，对感应加热装置的直流母线电压进行从降到升的宽幅调节，提高光伏板发电最大功率时间，最大化本发明提出的光伏感应加热装置的光伏发电效率。
111.至此，已经详细描述了本公开。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
112.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指示相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种非瞬时性计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
113.本公开的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本公开限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本公开的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。