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電磁加熱輥的原理及一種溫度控制方法
發表于:2018-07-14 20:24:05 分享至:
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電磁加熱輥的原理及一種溫度控制方法

 

電磁加熱輥,對于在材料加工領域里的從業者來說,十之八九知道電磁加熱輥產品。因為更多的從業者及企業主們在使用導熱油輥、蒸汽加熱輥等產品的過程中,對其漏油、環保、安全、能耗方面的缺陷深有感觸。一方面,是導熱油輥溫度均勻性無法滿足材料生產的需求,無法交付質量一致性的優良材料產品。另一方面特別是導熱油的環境破壞及維護成本增加企業負擔,同時,處理不當時,時有因導熱油泄露發生火災的事故發生。

 

電磁加熱輥一般外形圖

對于電磁加熱輥的原理,簡單概括,就是利用電磁感應的渦流效應及磁滯效應讓輥體自身發熱,通均溫手段讓輥面工作區溫度均一,與被加工材料進行間接或直接的換熱,通過閉環回路進行溫度的補充控制。百家號“聯凈電磁加熱輥”中有另外的文章說明,本文不做重要的介紹。

電磁加熱輥相對于導熱油輥,不存在兩端頭溫度的進油側高,出油側低的情況,線圈直接分布于輥體內部,端部不存在導熱油加熱的換熱情況。所以軸承位的溫度更低,降低了高溫度工藝生產條件下使用加熱輥帶來軸承養護成本及工作強度,減少設備故障率。正因為電磁加熱輥感應線圈放置于輥體內部的原因,線圈與兩個邊部的端蓋止口有一定的安全距離,通常按一般的結構,對應輥面邊部向中心方向大約40~100mm是沒有感應線圈分部的,當然,加工電磁加熱輥時,會在邊部做一定的磁密度補償及均溫補償,但還是會因端蓋散熱、補償不夠等原因(因輥體的不同需求時會有不同的設計方案)造成輥體的邊部效應大。即,輥體兩邊的無效邊會比較大,通常按溫度精度會存在50~150mm的無效邊。電磁加熱輥的溫度邊際效應,詳見下圖:

 

一般電磁加熱輥的溫度分布及邊際效應示意圖

 

關于電磁加熱輥工作區的邊際效應問題,通常是制造商采用強大的溫度均一手段進行彌補,因不同的輥體情況,制作方法有所區別,因涉相關方法及資料涉及企業knowhow問題,在此不作相關介紹。對于電磁加熱輥內部線圈結構,可以是單個或多個組成。配套控制方式可以是每線圈進行獨立回路控制、或多個線圈組合控制、或多個線圈一點控制,多點補償修正。這個跟輥體的線圈結構設計有關系。

為什么會這么復雜呢?用一個線圈不就好了嗎?

是的,當然是用一個線圈好!

一個線圈,做制作、使用及養護等方面來說,都要方便得多。比如,一支300kW的電磁加熱輥,采用10kW電源??槔唇兇楹?,需要30個電源???,光線圈導線就有60根,加上龐大的控制電氣柜,這一把線不論是在現場的施工還是后期的維護都是一十分痛苦的事情。市場上主流的品牌電磁加熱輥,如日本特電、上海聯凈。99%采用單線圈結構都是采用一個線圈的結構方式。

那為什么會有多線圈結構方式呢?

原因有二,下面我們簡要概括:

原因一,輥體溫度均勻技術問題,當企業技術設計及制作水平不夠,無法滿足于邊部較小距離時,采取分段控制的方法。比如模壓輥,直徑約300mm,長度約1500mm電磁加熱輥,有效材料工作寬幅1300mm,工作溫度200℃±2℃。有企業進行分3個線圈獨立控制、也有企業分5個線圈獨立控制。當然,溫度的均勻性也并沒有達到預期分段控制所要達到的目標。

對均溫技術的欠缺,是導致其采用此方法的主要原因。

原因二,對于特殊工藝要求,如輥面橫向工藝溫度需要差異化調節、單位時間的負載有大量的熱量消耗、波動的極不平衡負載、對機械精度需要熱補償修正誤差的工藝?;崽厥舛ㄖ撇鉅旎奈露瓤刂品椒?,如電子軟板業的三線圈一點控制多點補償修正(與上述原因一說的單段獨立控制不是一回事)。即,這樣的方式通常用用特殊制程工藝需求。并不是主流的電磁加熱輥產品溫度的控制手段。

那要采購電磁加熱輥時,是選一段線圈還是多段線圈?

這個要選擇什么樣的產品時,這里面原因可能會有人際關系、資金預算等方面的原因,從技術角度上來說,選一個線圈的準沒錯,如果你是這個設備的使用者,你的制程工藝又沒有特殊需求,那你就不要給自己今后找麻煩,選一個線圈結構的。相信我的推薦!

對于常規的電磁加熱輥的溫度控制,都是采用單個或多個閉環回路來進行控制的,我們在此就不多說。本文想針對一些特殊制程的工藝需求,采用多線圈控制差異化溫度的一些方法給大家分享,拋磚引玉。下面我們列舉針對布料燙整定型專用電磁加熱輥筒來分步詳細說明。

技術領域

涉及紡織輔助設備領域,具體地,涉及一種運用于針織圓機的僅通過一個感應加熱電源??榻蟹智芳尤鵲募尤裙跫捌浼尤確椒?。

 

背景技術

在織布行業中,圓織機有著龐大的市場占有率,在圓織機的織布機構內部,可以增加一個立式的電磁加熱輥,作為布料的燙整處理,可以省去后續的燙整工序。

1為現有技術的采用立式的電磁加熱輥的針織圓機的結構圖。如圖1所示,其中電磁加熱輥的輥體401,被設置在針織圓機50中織出的圓筒型的布料60的位置的下方,布料60包裹在輥體401表面,電磁加熱輥直接對布料60進行烘干。(現有技術的針織圓機50通?;拱ㄉ醇?、儲紗器、喂紗嘴、送紗盤、紗圈托架等等部件,本案中為了避免上述部件遮擋本案的結構,所以圖紙中不顯示上述部件)

繼續參考圖1,在實際生產工藝中,根據不同的布料,對此方法的燙整工藝會有不同的需求,即在物料經過輥面的過程中,要實現分段溫度燙整。通常,在輥體方面采用上中下三個溫度區,分別為第一溫區A、第二溫區B、第三溫區C,根據不同的布料工藝需求,可能采用第一溫區A、第二溫區B、第三溫區C溫度分布為不同位置高度的溫區。如第一溫區A高、第二溫區B較第一溫區A低、第三溫區C較第二溫區B低;第一溫區A低、第二溫區B較第一溫區A高、第三溫區C較第二溫區B高等方式組合燙整工藝。按此方法,可以在電磁輥中設三個加溫區,由三個檢測點控制加溫,對應三個感應加熱線圈,每個線圈對應一個感應加熱電源???。

現有技術中,通過三個感應加熱電源??櫸直鴝雜γ扛魷呷?,對每個線圈進行溫度監控和加熱。但是,在實際使用中,通常感應加熱電源??櫚墓ぷ髯刺氖奔潿?,?;刺氖奔浣銑?,利用率不高,而且感應加熱電源的成本很高,這造成了電磁加熱輥的實際成本上升,核心部件的利用率較低。

與此同時,燙整面料工藝對溫差有一定容忍量,一般,燙整面料工藝對溫差的波動可以在3至5℃左右,在這個溫差范圍內,燙整面料的效果沒有什么差別。

 

方案內容

針對現有技術中的缺陷,本方案提供了一種分區循環加熱的加熱輥及其加熱方法,克服了現有技術的困難,減少兩個感應加熱電源??櫚氖褂?,降低了電磁加熱輥的實際成本,提高了核心部件的利用率。

根據本方案的一個方面,提供一種分區循環加熱的加熱輥,包括:加熱輥???、電源???、循環加熱切換??橐約翱刂頗??;

所述熱輥??榘ㄒ還跆?,所述輥體內環繞著三個感應加熱線圈,每個感應加熱線圈分別對應所述輥體表面的一個溫區,且每個溫區分別設有一熱電阻;

所述電源??橥ü鲅芳尤惹謝荒?櫸直鵒鈾齦杏尤認呷?;

所述控制??櫸直鵒尤鏊鋈鵲繾枰約把芳尤惹謝荒??,根據所述熱電阻測得的溫度數值,通過所述循環加熱切換??櫚鶻謁齙繚茨?橛朊扛齦杏尤認呷χ淶牧幼刺?。

優選地,所述循環加熱切換??榘ㄈ黿喲テ?,所述接觸器的一端連接所述電源???,另一端連接所述熱輥??櫓械囊桓齦杏尤認呷?,每個所述接觸器上還設有一接收控制信號的接觸器線圈,所述接觸器線圈分別連接到所述控制???。

優選地,所述輥體內還設有一輥體內軸,所述輥體環形包覆在輥體內軸外的,可相對于輥體內軸旋轉,所述感應加熱線圈相互平行地環繞在所述輥體內軸表面,被所述輥體內軸和所述輥體完全覆蓋。

優選地,所述加熱輥??榛拱ㄒ換沸蔚南巒屏χ岢瀉鴕換沸蔚納現С胖岢?,所述輥體的內圈的上下兩側分別通過所述上支撐軸承和下推力軸承夾持所述輥體內軸的上下表面。

優選地,所述輥體的上部還設有一集電環,所述控制??橥ü黽緇妨鈾鋈鵲繾?。

優選地,所述電源??槭且桓咂檔绱鷗杏尤鵲繚?,頻率在18至40kHz。

根據本方案的另一個方面,還提供一種分區循環加熱的加熱方法,采用如上述的分區循環加熱的加熱輥,包括以下步驟:

S101:所述加熱輥開始工作;

S102:所述控制??榻脅裳員?,判斷第一溫區的所述熱電阻測得的實時溫度數值是否小于預存的該溫區目標溫度,若是,執行步驟S103;若否,執行步驟S104;

S103:斷開第二、第三溫區的感應加熱線圈與電源???,接通第一溫區的感應加熱線圈與電源???,執行步驟S108;

S104:所述控制??榻脅裳員?,判斷第二溫區的所述熱電阻測得的實時溫度數值是否小于預存的該溫區目標溫度,若是,執行步驟S105;則若否,執行步驟S106;

S105:斷開第一、第三溫區的感應加熱線圈與電源???,接通第二溫區的感應加熱線圈與電源???,執行步驟S108;

S106:所述控制??榻脅裳員?,判斷第三溫區的所述熱電阻測得的實時溫度數值是否小于預存的該溫區目標溫度,若是,則執行步驟S107;若否,執行步驟S102;

S107:斷開第一、第二溫區的感應加熱線圈與電源???,接通第三溫區的感應加熱線圈與電源???,執行步驟S108;

S108:對被接通的溫區進行電磁加熱;以及

S109:加熱結束,執行步驟S102。

優選地,所述控制??榻脅裳員鵲牟裳德適?/span>100至500毫秒。

優選地,所述步驟S103、S105、S107中,斷開前1秒,停止電源???。

優選地,所述步驟S108中,進行電磁加熱之前還包括延時1秒。

優選地,所述步驟S105中,進行電磁加熱的時間長度為10秒。

與現有技術相比,本方案的分區循環加熱的加熱輥及其加熱方法采用三個采溫點進行溫度對比,僅通過一個感應加熱電源??槎勻鑫露惹醒仿至骷尤?,減少兩個感應加熱電源??櫚氖褂?,降低了電磁加熱輥的實際成本,提高了核心部件的利用率。

 

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述,本方案的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:

1為現有技術的采用立式的電磁加熱輥的針織圓機的結構圖;

2為本方案的分區循環加熱的加熱輥的??榱郵疽饌?;

3為本方案中加熱輥??櫚鈉拭嬙?;

  

4為本方案中輥體的立體局剖結構示意圖;以及

 

 

5為本方案的分區循環加熱的加熱方法的流程圖。

 

附圖標記

10

101

102

103

104

105

20

201

202

203

30

301

302

303

304

305

306

40

401

402

403

404

405

406

407

408

409

410

50

60

A

B

C

控制???/span>

溫度信號采集器

通信接口

輸出接口

可編程邏輯控制器

上位機

電源???/span>

啟動信號接口

高頻輸出接口

電源

循環加熱切換???/span>

接觸器線圈

第一溫區接觸器

接觸器線圈

第二溫區接觸器

接觸器線圈

第三溫區接觸器

加熱輥???/span>

輥體

高頻接口

集電環

集電環信號接口

輥體內軸

感應加熱線圈

感應加熱線圈

感應加熱線圈

下推力軸承

上支撐軸承

針織圓機

布料

第一溫區

第二溫區

第三溫區

 

具體實施方式

本領域技術人員理解,本領域技術人員結合現有技術以及上述實施例可以實現變化例,在此不予贅述。這樣的變化例并不影響本方案的實質內容,在此不予贅述。

 

第一實施例

2為本方案的分區循環加熱的加熱輥的??榱郵疽饌?。如圖2所示,本方案的分區循環加熱的加熱輥,包括加熱輥???0、電源???0、循環加熱切換???0以及控制???0。電源???0分別為加熱輥???0和控制???0供電,循環加熱切換???0設置在電源???0和加熱輥???0之間,可以選擇性接通或斷開加熱輥???0中每個感應加熱線圈406、407、408的供電連接??刂頗??0根據每個溫區的溫度與目標溫度的比較,對循環加熱切換???0進行調整,通過循環加熱每個溫區,使得每個溫區都能達到預定的溫度值。由于在燙整面料工藝對溫差有一定容忍量(只要將溫差控制在3至5℃之內,燙整效果不會有差別),所以即使本方案不是時刻監控并調整每個溫區的溫度,其燙整效果和使用價值與現有技術的每個溫區都設有一套感應加熱電源??櫚淖爸檬竅嗤?。但在本方案中,只需要使用一個感應加熱電源???,所以,本方案與現有技術在實現成本上相差很大。

繼續參考圖2,具體來說,加熱輥???0包括一垂直于地面的輥體401,輥體401內環繞著三個感應加熱線圈406、407、408,每個感應加熱線圈分別對應輥體表面的一個溫區,且每個溫區分別設有一熱電阻(圖中未示出)。由于針織生產工藝的特殊性,本方案中特別選用電磁感應加熱裝置作為熱源。電磁感應加熱的基本工作原理是利用交變的電流產生交變的磁場,這個交變的磁場使其中的金屬導體內部產生渦流(eddy current),從而使輥體401迅速發熱。輥體401的下部設有一個高頻接口402連接到電源???0,形成供電回路。輥體401的上部還設有一集電環403以及集電環信號接口404。由于輥體401在使用中會一直旋轉,集電環403可以在連續旋轉的同時,始終傳輸信號,避免導線在旋轉過程中造成扭傷。加熱輥???0對應三個溫區的熱電阻分別通過集電環信號接口404連接到控制???0中的溫度信號采集器101。

控制???/span>10中的溫度信號采集器101將從熱電阻測得的每個溫區的實時溫度發送到可編程邏輯控制器104。上位機105中預存有各個溫區的目標溫度、加熱時間,延遲時間等等控制數據,連接到可編程邏輯控制器104的通信接口102,進行數據交換。可編程邏輯控制器104對每個溫區的實時溫度與目標溫度進行對比,調整循環加熱切換???0中的連接狀態。而且,可編程邏輯控制器104還通過輸出接口103連接到電源???0中的電源203的啟動信號接口201。其中,可編程邏輯控制器104(英文簡稱PLC),可能采用市面上通行的品牌。也可以是采用單片微型計算機(英文簡稱MCU)、數字信號微處理器(英文簡稱DSP)、復雜可編程邏輯器件(英文簡稱CPLD)、現場可編程門陣列(英文簡稱FPGA)等系統處理,且不以此為限。為通用方便,優先采用PLC系統。上位機105可以是個人電腦,工控機、人機顯示屏、文本操作屏,液晶顯示屏等終端操作設備,且不以此為限。

電源???/span>20中的高頻輸出接口202通過循環加熱切換???0以及加熱輥???0中的高頻接口402,分別連接到感應加熱線圈406、407、408供電。電源???0是一高頻電磁感應加熱電源,其加熱的效果由頻率,電流,磁場共同決定。在本實施例中,出于烘干布料的工藝要求(需要考慮所需溫度、布料的適度、加熱的速度、材料抗老化以及常用的布料材質等等),優選的頻率為18至40kHz,但不以此為限。

循環加熱切換???/span>30包括三個接觸器302、304、306,接觸器的一端連接電源???0的高頻輸出接口202,另一端連接熱輥???0中的高頻接口402,向感應加熱線圈406、407、408供電。每個接觸器302、304、306上還設有一接收控制信號的接觸器線圈301、303、305,接觸器線圈301、303、305分別連接到控制???0的輸出接口103。接觸器302、304、306利用線圈流過電流產生磁場,可以使觸頭閉合,導通感應加熱線圈406、407、408與電源???0。其中,接觸器302、304、306可以是交流接觸器,或是直流接觸器。

 

3為本方案中加熱輥??櫚鈉拭嬙?。如圖3所示,輥體401內還設有一輥體內軸405、一環形的下推力軸承409和一環形的上支撐軸承410。輥體401環形包覆在輥體內軸405外的,可相對于輥體內軸405旋轉,感應加熱線圈406、407、408相互平行地環繞在輥體內軸405表面,被輥體內軸405和輥體401完全覆蓋。感應加熱線圈406、407、408分別對應了輥體401表面的第一溫區A、第二溫區B和第三溫區C。

 

4為本方案中輥體的立體局剖結構示意圖。如圖4所示,輥體401的內圈的上下兩側分別通過上支撐軸承410和下推力軸承409夾持輥體內軸405的上下表面,使得輥體401可以相對于輥體內軸405流暢地旋轉。工作狀態下,輥體401可以被針織圓機50(參見附圖1)織出的圓筒形的布料60(參見附圖1)包緊,而隨著布料的旋轉而轉動,而此時,輥體內軸405保持不動,并不會跟隨旋轉。輥體401與輥體內軸405之間保留一定距離,防止輥體401在旋轉中劃傷感應加熱線圈406、407、408。

 

5為本方案的分區循環加熱的加熱方法的流程圖。如圖5所示,本方案的分區循環加熱的加熱方法,采用上述的分區循環加熱的加熱輥,包括以下步驟:

S101:加熱輥開始工作。

S102:控制??榻脅裳員?,判斷第一溫區的熱電阻測得的實時溫度數值是否小于預存的該溫區目標溫度,若是,執行步驟S103;若否,執行步驟S104。

S103:斷開第二、第三溫區的感應加熱線圈所對應的接觸器,接通第一溫區的感應加熱線圈所對應的接觸器,執行步驟S108。

S104:控制??榻脅裳員?,判斷第二溫區的熱電阻測得的實時溫度數值是否小于預存的該溫區目標溫度,若是,執行步驟S105;則若否,執行步驟S106。

S105:斷開第一、第三溫區的感應加熱線圈所對應的接觸器,接通第二溫區的感應加熱線圈所對應的接觸器,執行步驟S108。

S106:控制??榻脅裳員?,判斷第三溫區的熱電阻測得的實時溫度數值是否小于預存的該溫區目標溫度,若是,則執行步驟S107;若否,執行步驟S102。

S107:斷開第一、第二溫區的感應加熱線圈所對應的接觸器,接通第三溫區的感應加熱線圈所對應的接觸器,執行步驟S108。

S108:對被接通的溫區進行電磁加熱。以及

S109:加熱結束,執行步驟S102。

優選地,自加熱輥啟動開始頻繁對三個溫度點進行采樣對比,采樣頻率可以在100至500毫秒。

優選地,在步驟S103、S105、S107中,在接觸器斷開前1秒左右的時間(這個時間可根實際據需要而定,不以此為限),停止電源???。這么做的目的在于能夠防止接觸器觸點斷開時產生拉弧,將接觸器觸點損壞。

同樣地,步驟S108中,進行電磁加熱之前還包括延時1秒左右的時間(這個時間可根實際據需要而定,不以此為限)。這么做的目的在于使接觸器觸點接合牢靠后再通電源,以免造成線路接觸不好帶來的如拉弧使接觸器觸點粘結損壞。

步驟S105中,進行電磁加熱的時間長度為10秒。該時間可以通過上位機來設定,根據需要可以修改??悸塹教さ募尤仁奔浠崾辜尤裙蹺露裙?,損壞布料,而加熱時間較短,則不能使加熱輥到達目標溫度,所以優選的時間段為5至20秒之間,但不以此為限。

 

本方案的分區循環加熱的加熱輥的使用過程大致如下:

控制???/span>10中的溫度信號采集器101將從熱電阻測得的每個溫區的實時溫度發送到可編程邏輯控制器104,與上位機105中預存的各個溫區的目標溫度進行比較,發現第一溫區A的當前溫度沒有達到設定溫度,則首先單獨對第一溫區A進行加熱。此時,可編程邏輯控制器104通過輸出接口103控制第一溫區接觸器302首先接通(第二溫區接觸器304、第三溫區接觸器306禁止接通),延時1秒后,可編程邏輯控制器104向電源???0的啟動信號接口201輸送啟動加熱的信號,電源???0開始工作,立式電磁加熱輥烘筒開始工作。僅通過感應加熱線圈406對第一溫區A加熱10秒(該時間可以通過上位機開放,根據需要可以修改),加熱10秒后,可編程邏輯控制器104通過輸出接口103控制電源???0的啟動信號接口201斷開。延時1秒后,斷開302交流接觸器線圈301控制信號,同時,接觸器觸點斷開。(本實施例中,假設通過10秒加熱后,第一溫區A達到設定溫度)

控制???/span>10第二次對比每個溫區的實時溫度與目標溫度,發現第一溫區A的當前溫度達到設定溫度、第二溫區B的當前溫度沒有達到設定溫度,則開始單獨對第二溫區B進行加熱??殺喑搪嘸刂破?04通過輸出接口103控制第二溫區接觸器304接通(其中第一溫區接觸器302、第三溫區接觸器306禁止接通)。延時1秒后,啟動加熱,僅通過感應加熱線圈407對第二溫區B加熱10秒,加熱時間到后,啟動信號接口201先斷開,1秒后,第二溫區接觸器304斷開。同樣,加熱時間長短可以通過上位機開放設置。(本實施例中,假設通過10秒加熱后,第二溫區B達到設定溫度)

控制???/span>10第三次對比每個溫區的實時溫度與目標溫度,發現第一溫區A的當前溫度達到設定溫度、第二溫區B的當前溫度達到設定溫度,第三溫區C的當前溫度沒有達到設定溫度,則開始單獨對第三溫區C進行加熱。第三溫區接觸器306接通(第一溫區接觸器302、第二溫區接觸器304禁止接通)。延時1秒后,啟動加熱,僅通過感應加熱線圈408對第三溫區C加熱10秒,該加熱時間可以通過上位機設置。加熱時間到后,加熱停止,延時1秒后,接觸器306斷開。

通過這種方式,本方案可以僅用一個電源??椴歡涎芳尤榷雜θ鑫慮娜齦杏尤認呷?,在此過程中,如果有一個溫區達到設定的目標溫度,則換成在其余兩個溫區(沒達到設定目標溫度)之間循環加熱。如果只有一個溫區沒有達到目標溫度,則只在一個溫區間加熱,直至達到目標溫度,若中途有溫區溫度下降低于設定溫度時,則進入一個或多個溫區的循環加熱。

綜上可知,本方案的分區循環加熱的加熱輥及其加熱方法采用三個采溫點進行溫度對比,僅通過一個感應加熱電源??槎勻鑫露惹醒仿至骷尤?,減少兩個感應加熱電源??櫚氖褂?,降低了電磁加熱輥的實際成本,提高了核心部件的利用率。

以上對本方案的具體實施例進行了描述。需要理解的是,本方案并不局限于上述特定實施方式,本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改,這并不影響本方案的實質內容。

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