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电磁感应加热技术在电线机组中挤塑机温度控制系统上的应用
   

  电线机组中的挤塑机采用电磁感应加热原理及其能量转换过程。通过电磁感应加热技术实现微

处理器对挤塑机温度的有效控制,利用电磁感应加热输出功率控制算法和温度的模糊控制算法来进

行挤塑机温度的软件控制,从而达到节能、升温快、高效率和高精度的控制目的;将挤塑机的传统

加热方式和电磁感应加热方式进行了比较,用数据说明了电磁感应加热方式用于塑料机械上的经济

价值。

  电线机组中的挤塑机是把塑料原料加热熔融后经挤塑机中的模具生产电线后,经冷却定型成

为电线电缆产品。挤塑机的料筒温度对电线产品性能和质量有着重要影响。如果温度过高,料筒中

的塑料会发生分解;如果温度过低,会使塑料塑化不良,流动性变差,成型电线不好,所以塑料熔体温

度过低和过高都会影响产品的最终质量。同时不同的原料根据产品的工艺要求其最佳挤塑温度各不

相同。因此,需要对加热料筒的温度进行分段控制。目前,国际上通常对塑料熔体温度的控制精度

在±1℃,而我国尚在±5℃范围徘徊。

  20世纪初,电磁感应加热技术开始应用于工业生产中,由于其具有加热速度快、物料内部发热

和加热效率高、加热均匀且有选择性、产品质量好、几乎无环境污染、可控性好,易于实现机械化

和自动化等一系列优点,因而得到了迅速的发展。家用微波炉、电磁炉也都是利用电磁感应加热。

1电磁感应加热原理

  电磁感应加热技术简称为IH(InductionHeating)技术,是在法拉第感应定律的基础上发展起

来的,是法拉第感应定律的一种应用形式。电磁感应加热是利用高频交变电流通过线圈产生交变磁

场,当交变磁场内的磁力线通过被加热的金属工件时,就会在被加热的金属工件表面产生无数的小

涡流,因为金属的电阻很小,所以较低的感应电动势便可产生较强的涡电流。从而可以在金属内产

生大量的焦耳热,使被加热的金属工件本身自行高速发热。电磁感应加热原理如图1所示。





   电磁感应加热,正是利用电磁感应现象产生的感应电流对加热体做功,电能转化为金属导体

的内能,使得金属导体的温度升高,达到加热的目的。整个能量转化过程如图2所示。


2传统加热与电磁感应加热方式比较

2.1传统加热

  传统挤塑机通常采用电阻加热方式,这种加热方式存在以下问题:

  (1)热损失大,效率低。目前采用的电阻加热器是由电阻丝绕制而成,其内外两面都发热,

内面(紧贴料筒部分)的热传导到料同上,而外面的热量大部分散失到空气中;另外由于传导过程

复杂,从电阻丝 绝缘层 料筒外壳 料筒内的塑料塑化,热损失大,热效率仅为20%~30%左右,能

源浪费严重。另外电阻热的发热效率本身就较低。

  (2)挤塑机工作环境温度升高。由于加热时向周围环境散发大量的热,从而使周围环境温度

上升,特别是夏季对生产环境影响很大,现场工作温度都超过了45℃,对工人的身体影响很大,有

些企业不得不采用空调来降低工作温度,这又造成能源的第二次浪费。

  (3)使用寿命短、维修量大、废品率高。由于采用电阻丝发热,其加热温度高达800℃左右,

电阻丝容易因高温氧化而被烧断,常用电热器使用寿命只有半年左右,因此维修量和维修费用都相

对较大。在一段或几段电阻丝烧断的情况下,难以及时发现,造成料筒温度不均,从而使产品报

废,导致其废品率提高。

2.2电磁感应加热

  电磁感应加热技术应用于挤塑机的料筒加热上,其特点在于:

  (1)节能效果好,热损失小,效率高。由于感应线圈与被加热金属并不直接接触,能量通过

电磁感应进行传递。与电阻丝加热方式相比减少了热传导和空气热对流的损耗,热效率很高,达

85%以上,比电阻丝加热方式提高2~3倍。与电阻丝加热相比,节点在30%以上,最大可达75%。

  (2)升温快。由于料筒金属壳的电阻很小,所以较小的感应电动势便可产生较强的涡电流。

从而可在金属内产生大量的焦耳热。同时还有热量散失少,热效率高,所以料筒内熔体升温快。

  (3)环保效果好。电磁感应加热方法可以显著降低环境温度,同时节能的本身就是环保。

  (4)使用寿命长。电磁加热装置采用特制线圈和半导体器件,线圈连续运行温度只有100℃

左右,平均无故障时间可达3年以上,节约了运行成本。

  (5)可提高产品产量。由于该加热方式的发热效率高,能显著减少升温时间,因此可提高产

品产量。

2.3经济效益

  据不完全统计,我国目前共有包括挤出机、注射机在内的各种塑料机械55万台(套),每台

(套)功率都在100KW以上,总耗电310亿KW·h。而三峡水电站6台70万KW机组的发电量仅304亿

KW·h。即我国塑料机械全年用量超过了三峡水电站总的发电量,可见耗电之大。如果所有塑料机

械都安装电磁加热装置,按节电30%计算,可省出2台70万kW机组或节约标准煤300多万t,减排烟

尘、废水、二氧化硫450多万t。对缓解国家电力紧张,降低企业生产成本,节约资源,保护环境

等都具有十分重要的意义。

3电磁感应加热的温度控制

3.1输出功率控制

  挤塑机的料筒一般分为三段、四段或更多段,每一段的温度不同。在挤塑机开始工作之前,料

筒各段温度必须都到达设定温度,因此为了减少等待时间,要求料筒各段同时到达设定温度。而由

于挤塑机料筒温度是一个非线性、大惯性、有滞后、相邻段有较强偶合的参数,很难建立温度和时

间的关系,也就很难实现同时到达设定温度。一般是通过实验和经验结合,来设定同时到达设定温

度,控制效果并不是很理想。而用电磁感应加热技术加热,它可实现对感应加热电源输出电流幅值

的直接控制,并且根据温度模型方程和预期温度,建立在某一恒定电流幅值条件下,实现感应加热

电流幅值受控下的温度间接控制。

3.2温度控制算法

  目前新兴一种具有非线性、大惯性、有滞后、相邻段有较强偶合的温度控制算法——模糊控制

算法。模糊控制主要是模拟人的思维、推理和判断的一种控制方法,它将人的经验、常识等用自然

语言的形式表达出来,建立一种适用于计算机处理的输入输出过程模型,是智能控制的一个重要研

究领域。

  温度控制就属于无法建立精确的数学模型系统的控制问题。用电磁感应加热输出功率控制算法

和温度的模糊控制算法结合的方法可以实现挤塑机料筒温度高精度控制,控制精度在±1℃左右。

4结论

  通过对挤塑机传统加热方式与电磁感应加热方式的比较,突出显示了电磁感应加热方式在节

能、加热效率和升温速度等方面的优点,再结合电磁感应加热输出功率控制算法和温度的模糊控

制算法,实现对挤塑机温度的高精度控制,体现了将电磁感应加热技术应用于挤塑机等塑料成型

加工设备上的巨大经济价值。预计在不久的将来,电磁感应加热方式将在挤塑机等塑料成型设备

上替代传统的电阻丝加热方式。

                                
 
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