一種適用野外作業的高頻螺絲加熱拆卸裝置研制

黃高星 韋敏 周聰

摘要：為解決生銹螺絲拆卸使用扳手或風炮及火焊等手段束手無策，本文分析了高頻螺絲加熱拆卸方法，將高頻原理技術運用到生銹螺絲拆卸裝置當中，成功研制了一種適用戶外作業的高頻螺絲加熱拆卸裝置，采用了一種混合調功策略實現全功率輸出調節，使用短時間內將生銹螺絲加熱達到熱脹冷縮的目的，以期達到輕松的拆卸生銹或銹死及變形螺絲的目的，并應投入現場應用。

關鍵詞：螺絲加熱拆除;逆變控制;高頻電源;野外作業

0引言

電力電子器件的快速發展帶動了高頻螺絲加熱技術的發展，并對其產生深厚影響，體積小、重量輕、速度快、智能化、適用范圍大已成為高頻螺絲加熱技術發展的方向。

螺絲生銹而導致工作無法進行，導致了工作人員因為無法拆卸而造成無法檢修的問題，耽誤了大量的人力物力。對于生銹螺絲拆卸使用扳手或風炮及火焊等手段，但是對于嚴重的生銹的螺絲卻束手無策，因為過大的力度反而使螺絲被打磨掉邊棱更加難以拆卸，本文希望研制一種高頻螺絲加熱拆卸裝置，同時能滿足野外作業要求[1-4]。

1設計方案

本文研制的裝置功率為1kW，輸出電源頻率為50kHz，輸入電源為單相220V、50Hz的交流電和24V蓄電池組，負載等效電感為100uH，負載等效電阻為16Ω。

裝置系統包括整流回路、直流控制回路、充放電控制回路、逆變控制回路、負載回路及蓄電池組以及相應的控制保護模塊，如圖1所示。

2模塊功能

本文將重點介紹系統各模塊的功能：

（1）負載回路。高頻螺絲加熱的負載通常由比較粗的銅管彎制而成一個柱形線圈，把所需加熱的物體置于線圈之內加熱。當線圈通以高頻的交變電流，在線圈內部感生出交變的磁場，被加熱工件內部產生渦流，對加熱工件加熱[5-6]。為實現負載匹配，使用高頻變壓器，可以等效為電感和電阻串聯連接的電路。為實現串聯諧振電路，負載回路與電容器串聯。其諧振狀態時電路的參數為功率因數為1和負載阻抗為。

（2）整流回路。將交流220V電源整流成直流電源。根據裝置要求的功率1kW和頻率50kHz，整流回路采用電容濾波的單相不控整流電路，其選型如下：

考慮到電路的冗余，不控橋選擇10A/1000V。

（3）直流控制回路。設計一直流PWM斬波電路，將整流回路輸出的直流電壓斬波降壓至24V，提供逆變回路和蓄電池組所需的電源。在電源設計中，濾波電容的選取原則是：T為輸入電源的周期，設計輸入的工頻電的周期T=20ms，R為16Ω，所以。取，電容型號等級為3200uF/450V，而直流控制回路斬波輸出側電容型號等級為3200uF/40V。

（4）逆變控制回路。逆變器在高頻螺絲加熱電源的地位很重要，不同逆變器拓撲的特性區別很大。本文分析串聯型與并聯型的優缺點及綜合考慮成本、應用場合等問題，采用串聯型諧振逆變器作為逆變控制回路[7-9]。為實現全功率輸出調節，提出一種混合調功策略，對其采取分段處理：a）在25%～100% Pmax 輸出時，當控制角不為零時，開關管Q3和Q4的驅動信號的占空比不再是50%，開關管Q1和Q2的驅動信號的占空比仍然保持是50%，然后通過調節控制來改變串聯諧振電路的輸出電壓，通過輸出電壓的變化來達到輸出功率的調節[2]。

通過上式可以看出，隨控制角從0到變化時，輸出功率會從最大功率減小到0.25。b） 在0.05%～25%Pmax輸出時，對開關管Q1和Q2的驅動信號的占空比保持是50%，開關管Q3關閉，開關管Q4驅動信號的占空比不再是50%，使整個逆變電路工作在半橋狀態，輸出電壓為單極性，輸出功率可以在接近 0%到 50%之間調節

（6）充放電回路。控制保護模塊檢測到蓄電池組電源偏低，就可以為觸發充電單元進行充電。若交流輸入有電源，可以為裝置提供電源，同時也可以為蓄電池進行充電;若交流輸入無電源，蓄電池組可提供電源為裝置工作。充電單元和放電單元均為簡單常用模塊，放電單元采用二極管即可實現對蓄電池組的放電，充電單元需升高至28V利用電壓比較器LM339和三極管TIP42即可實現對蓄電池組的充電。

（7）控制保護模塊。通過采集逆變模塊輸出的電壓和電流，計算其功率，與功率設定值進行比較，送入功率調節器（主要為PI調節器），同時對輸出電流進行頻率跟蹤，獲取其控制角和頻率，再由控制保護模塊實現本文提出的混合調功策略，實現裝置功率穩定控制，還設計過熱、過流和過壓保護機制[5]。

負載回路內加熱線圈內有PT100測溫探頭，同時利用開關管完善的驅動保護電路即可實現過熱、過流和過壓保護。控制保護模塊的主處理器采用美國 TI 公司定點 DSP芯片TMS320F2808，該芯片A/D 轉換器模塊具有16個通道、12位分辨率和流水線結構，具有低成本、低功耗、和高性能處理能力，特別適用于需要大量數據處理的測控領域和復雜運算的電機控制領域。

3 結論

本文研制了一種高頻螺絲加熱拆卸裝置裝置，提出了一種混合調功策略實現全功率輸出調節，并應投入現場應用，解決生銹螺絲拆卸使用扳手或風炮及火焊等手段因過大的力度反而使螺絲被打磨掉邊棱更加難以拆卸。

該裝置能提高工作效率，避免因使用工具不當而造成的損失，更能夠有效的做到緊固的作用。裝置使用的廣泛性，方便于國內的技術提高及普遍應用的效果，提高檢修進度，按時完成檢修任務，并確保按時供電，提高生產效率。

參 考 文 獻

[1] 王小玲. 基于 PWM 整流器的多逆變器高頻感應電源[D]. 蘭州：蘭州理工， 2008：27-28.

[2] 胡程平. 多感應器高頻螺絲加熱逆變電源功率解耦控制[D]. 杭州：浙江大學， 2012：12-17.

[3] 李韓. 雙輸出高頻螺絲加熱電源耦合特性分析[D]. 西安：西安理工大學， 2019：6-7.

[4] 汪軍， 陳輝明. 一種新型高頻螺絲加熱電源雙機并聯拓撲的研究[J]. 電源技術應用， 2005， 8（7）：5-8.

[5] 張春雨，張智娟， 彭詠龍. 一種高頻串聯諧振型逆變器的復合控制方法[J].工業加熱， 2006， 35（3）： 45-47

作者簡介：

黃高星（1994-），男，廣西河池，大學本科，助理工程師，主要研究方向：電力系統分析。