在同一线圈上实现对工件感应加热与直流消磁的设备的制作方法

1.本实用新型涉及一种可以在一个线圈上同时输出中频感应加热电流与直流消磁电流的设备，可以应用于现场管道施工及维修。


背景技术：

2.对于处于现场施工建设阶段的石油与天然气管道或者对于已经建设好的石油与天然气管道，因地磁、高速流体、雷电、机加工等多种原因会导致管道带磁，从而引起焊接磁偏吹，焊接位置、焊接强度、无损探伤都达不到技术标准要求，因此需要在焊接的时候对管口进行消磁处理。并且，由于远距离管路的这种磁性是存在于整根管道的(不仅仅存在于管口)，因此需要在焊接的时候进行持续消磁，即在焊接的同时进行消磁。
3.管口在焊接时，除需要进行消磁外还需要进行预热处理(在一定的基础温度下完成焊接)。这种预热处理一般采用感应加热的方法。因此，在进行管口焊接时，往往需要同时进行感应加热和消磁。
4.为了实现对管口的感应加热和消磁，现有的技术手段需要同时使用感应加热机和消磁机两种设备，并且还需要用到焊机实现对管口的焊接。为此，需要在管道上绕制中频感应线圈以及中频感应线圈，这两个线圈分别通感应加热机的中频感应电流与消磁机的直流消磁电流，而且两者不能同时运行。这导致了现场安装结构复杂、运行程序繁琐，更严重的问题是由于在加热、消磁与焊接这三个工序中反复循环操作，焊接工序不能连续进行，导致焊接时管口温度不稳定，影响了焊接质量。而且由于中频感应线圈对消磁线圈存在很强的电磁感应，这种结构的设备也很容易损坏。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是：需要同时使用感应加热机和消磁机两种设备实现对管口的感应加热和消磁。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供了一种在同一线圈上实现对工件感应加热与直流消磁的设备，其特征在于，包括逆变频率f1在5000hz～20000hz之间、输出最大中频电流的设计范围为200～1000a、输出中频电压u1的设计范围为300～1000v的中频感应加热器输出通道以及斩波频率f2在8000hz～30000hz之间、输出最大电流的设计范围为200～800a、输出直流电压u2的设计范围为10～60v的直流消磁电流输出通道，中频感应加热器输出通道及直流消磁电流输出通道与同一个感应线圈相连，中频感应加热器输出通道与直流消磁电流输出通道相互之间保持电气隔离，其中：
7.在中频感应加热器输出通道中设置用于将直流消磁电流输出通道输出的直流消磁电流施加在感应线圈后产生的直流电压分量隔离的谐振电容器组，中频感应加热器输出通道的中频交流电压经由谐振电容器组加载在感应线圈上；
8.在直流消磁电流输出通道中设置由电抗器一及滤波电容组组成的用于滤除直流消磁电流中的斩波交流成分并抑制直流斩波引起的脉动的lc滤波电路一及由电抗器二及
滤波电容组组成的用于消除中频感应加热器输出通道对直流消磁电流输出通道的干扰的lc滤波电路二，直流消磁电流输出通道输出的直流消磁电流经由lc滤波电路一及lc滤波电路二加载在感应线圈上。
9.优选地，在所述中频感应加热器输出通道中设置三相整流桥一，三相交流电源经过三相整流桥一整流后输出直流电压，该直流电压先经过滤波电容后再输入充电缓冲电路，充电缓冲电路输出的直流电压经由滤波电感l后输入逆变滤波电容组；逆变滤波电容组输出的直流电压经过无感电容输入igbt逆变桥，igbt逆变桥在主控器板的控制下完成变流转换，将直流电压转换成中频交流电压，中频交流电压经由谐振输出电路及所述谐振电容器组加载在所述感应线圈上。
10.优选地，所述谐振输出电路两个输出端分别连接一个所述谐振电容器组后与所述感应线圈相连，主控器板通过电压互感器对任意一组谐振电容组两端的电压进行采样。
11.优选地，所述谐振输出电路两个输出端连接一个所述谐振电容器组后与所述感应线圈相连，主控器板通过电压互感器对谐振电容组两端的电压进行采样，且在电压互感器上串联隔直电容。
12.优选地，所述电抗器一选择电感值为l1的电抗器，选择容值为c的所述滤波电容组的，则满足：且
13.优选地，所述电抗器二选择电感值为l2的电抗器，选择容值为c的所述滤波电容组，则满足：
14.优选地，在所述直流消磁电流输出通道中设置三相干式变压器，三相交流电源流经三相干式变压器的初级绕组，三相干式变压器的次级绕组输出的三相感生电源经过三相整流桥二整流后输出直流电压；三相整流桥二输出的直流电压依次流经前置滤波电容组、斩波调压器、所述电抗器一、所述滤波电容组以及所述电抗器二后加载在所述感应线圈上。
15.本实用新型只需要一种设备、在管道上绕制一个线圈，可以在这个线圈上同时输出中频感应加热电流和直流消磁电流，因此实现了同时加热和消磁。这不仅简化了现场的安装和操作，使运行变得简单，更重要的是保证了焊接质量，而且设备可靠性高，不容易损坏。
附图说明
16.图1为本实施例的电路原理图。
具体实施方式
17.下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
18.本实用新型首先设计了一种可以在一个线圈上同时输出中频电流与直流电流的电路，并且可以隔离掉较高的中频感应电压，并在电源上设计中频感应电流逆变器以及直流斩波调压器，且两者都通过pwm脉宽调节的方法，实现独立可调，最后在同一个线圈上同
时输出中频感应加热电流与直流消磁电流。在本实用新型中，中频感应加热逆变器的输出以及直流消磁电流的输出与输入动力电源都是隔离的。
19.如图1所示，本实施例公开的一种在同一线圈上实现对工件感应加热与直流消磁的设备包括中频感应加热器输出通道以及直流消磁电流输出通道，中频感应加热器输出通道及直流消磁电流输出通道与同一个感应线圈coil相连，中频感应加热器输出通道与直流消磁电流输出通道相互之间保持电气隔离。
20.中频感应加热器输出通道的逆变频率f1在5000hz～20000hz之间，可以较好地实现独立输出。中频感应加热器输出通道的输出最大中频电流的设计范围200～1000a(ac)，输出中频电压u1的设计范围为300～1000v(ac)。本实施例中，以中频感应加热器输出通道的逆变频率f1为8000hz、输出最大中频电流为400a(ac)以及输出中频电压u1约600v(ac)为例进一步说明本实用新型。中频感应加热器输出通道的感应加热功率从0.1kw～80kw独立可调。
21.直流消磁电流输出通道的斩波频率f2在8000hz～30000hz之前，可以在高效率与低成本之间取得较好的平衡，并且要避开中频感应加热器的逆变频率。直流消磁电流输出通道的输出最大电流的设计范围为200～800a(dc)，输出直流电压u2的设计范围为10～60v(dc)。本实施例中，以直流消磁电流输出通道的斩波频率f2为16000hz、输出最大电流为400a(dc)以及输出直流电压u2为20v(dc)为例进一步说明本实用新型。直流消磁电流输出通道的直流消磁电流从0a～400a独立可调(可以关闭)。
22.采用上述电路结构后，中频感应加热电流与直流消磁电流会相互影响：感应线圈coil上兼有中频电压和直流电压两种分量。中频感应加热电流会在感应线圈coil上产生比较高的中频电压，幅值达数百伏特，该电压(中频电压分量)必须加以抑制，才能不影响直流消磁电路的运行。另一方面，直流消磁电流也需要流过同一个线圈(包括延长电缆)，会在线圈上产生一个几十伏特的直流电压分量，该直流分量也必须加以隔离，不能进入中频变压器线圈，并且也不能进入中频电压反馈信号通道。
23.为解决上述问题，本实用新型的具体电路如图1所示，三相380vac电源经由总断路器k1同时供给中频感应加热器输出通道以及直流消磁电流输出通道。由dsp主控器板mb对总断路器k1输出的三相电压v-a、v-b、v-c进行采样。
24.在中频感应加热器输出通道中，三相380vac电源经过三相整流桥bd1整流后输出直流电压。直流电压先经过滤波电容c4后再输入充电缓冲电路。本实施例中，充电缓冲电路由缓冲接触器kp2、缓冲电阻rb1以及自恢复保险丝fl构成，自恢复保险丝fl与缓冲电阻rb1串联后再与缓冲接触器kp2并联。本实施例中，由分流器sf1对滤波电容c4输出的直流电流进行采样，并设置直流电流表id1显示滤波电容c4输出的直流电流。充电缓冲电路输出的直流电压经由滤波电感l后输入逆变滤波电容组gca2。本实施例中，设置直流电压表vd1显示滤波电感l输出的直流电压。逆变滤波电容组gca2输出的直流电压依次经过无感电容c2及无感电容c3输入igbt逆变桥。igbt逆变桥在dsp主控器板mb的控制下完成变流转换，将直流电压转换成中频交流电压。dsp主控器板mb通过电流传感器ct2对igbt逆变桥输出的中频交流电流进行检测。igbt逆变桥的输出端与输出端子tem1，输出端子tem1与输入端子tem2相连。输入端子tem2经由谐振输出电路及谐振电容器组c5与输出端子tem3相连，输出端子
tem3连接感应线圈coil。igbt逆变桥输出的中频交流电压经由谐振输出电路及谐振电容器组c5加载在感应线圈coil上。谐振输出电路包括中频隔离变压器t，中频隔离变压器t的原边绕组连接有输入电容组c1。谐振电容组c5连接在中频隔离变压器t的副边绕组。直流消磁电流对中频感应加热器输出通道的干扰的消除和设计：直流消磁电流施加在感应线圈coil上(包括延长电缆)，会产生一个几十伏特的直流电压分量，本实用新型中，该直流电压分量通过谐振电容组c5隔离，不进入中频隔离变压器t的副边绕组中。可以如图1所示，把谐振电容组c5设计为两组串联，两组谐振电容组c5分别连接在中频隔离变压器t的副边绕组的两个输出端上。dsp主控器板mb通过电压互感器pt对任意一组谐振电容组c5两端的电压进行采样，在电压互感器pt上也没有直流分量。另外一种可行的方式是仅有一组谐振电容组c5，中频隔离变压器t的副边绕组经由该谐振电容组c5与输出端子tem3相连。dsp主控器板mb同样通过电压互感器pt对谐振电容组c5两端的电压进行采样，此时，在电压互感器pt上串联一个小的隔直电容。
25.自总断路器k1输出的三相380vac电源经由断路器k2输入直流消磁电流输出通道。在直流消磁电流输出通道中，三相380vac电源流经三相干式变压器的初级绕组，三相干式变压器的次级绕组输出的三相感生电源经过三相整流桥bd2整流后输出直流电压。本实施例中，逆变控制板通过电流互感器对三相干式变压器的输出进行采样。三相整流桥bd2输出的直流电压依次流经滤波电容组gca3、斩波调压器vsti、电抗器l1、滤波电容组gca1以及电抗器l2后通过输出端子tem3加载在感应线圈coil上。
26.直流斩波输出回路的滤波计算与设计：在上述电路中，直流斩波输出回路的滤波由电抗器l1(0.1mh)与滤波电容组gca1(4
×
600uf)完成：
27.输出回路的l1＝0.1mh(100uh)，滤波电容组gca1的容值c＝2400uf，因此lc的时间常数为：按微秒来计算为：
28.而斩波频率f2按16khz计算，则半周期为
29.由于2040us》》31.25us，因此输出滤波可以很好地滤除斩波交流成分，实现平稳的直流输出。
30.另一方面：电抗器l1对于斩波频率f2＝16khz来说，感抗为：2πf2l1＝2
×
3.14
×
0.0001
×
16000＝10ω，过冲电流按输出直流电压u2的一半除以感抗来计算，为：这对于400a级别的输出最大电流来说是很小的，因此可以实现很好的抑制直流斩波引起的脉动。
31.中频感应加热器对直流消磁电路的干扰的消除计算和设计：中频感应加热器输出通道对直流消磁电流输出通道的干扰的消除由电抗器l2(1mh)与滤波电容组gca1(4
×
600uf)完成：
32.由于消磁直流输出电压比较低，对于数百伏特的中频电压来说，感应线圈coil上的中频电流基本上由中频电压大小以及电抗器l2的感抗所决定。
33.电抗器l2在中频感应加热器输出通道的逆变频率f1＝8000hz作用下的感抗为2πf1l2＝2
×
3.14
×
0.001
×
8000＝50.24ω。中频感应加热器输出通道的输出中频电压u1按照600v计算，因此流入直流消磁电流输出通道的中频电流分量幅值为u1/2πf1l2＝600/50.24
＝11.94a(此为8000hz的中频电流成分)。
34.可能会影响直流消磁电流输出通道正常工作的是电压而不是电流，因此还需要计算滤波电容组gca1在逆变频率f1＝8000hz下的容抗，以计算干扰电压的高低。则滤波电容组gca1(4
×
600＝2400uf)滤波电容组在逆变频率f1＝8000hz下的容抗为：1/2πf1c＝1000000/(2
×
3.14
×
8000
×
2400)＝0.0083ω。因此，因中频感应电流/电压的输出，在滤波电容组gca1两端产生的中频电压分量为仅为输出直流电压u2＝20v的0.5％水平，因有电抗器l2的存在(1mh)，完全不会影响到直流消磁电路的正常工作。
35.本实施例中由微处理器dsp来完成数字式控制，以及各种加强功能，以满足客户对操作和工艺的要求。