基於SVPWM算法的油管中頻加熱修複係統設計
科技專論
作者：胡廣等
【摘要】針對油管中頻加熱修複係統設計的要求，采用單片機和空間矢量脈寬調製（SVPWM：Space Vector Pulse Width Modulation）算法控製方案，並以單片機為核心設計了係統的硬件電路，編製了相應的軟件。為提高係統實用性和抗幹擾性能，本係統中頻電源電壓、頻率可調、加熱溫度可預設，同時設計了完善的保護電路和友好的人機交換界麵。實際應用表明，該係統效率高，抗幹擾能力強，易於操作。
【關鍵詞】中頻加熱；SVPWM；油管修複；係統設計
1.油管中頻加熱修複原理
當感應線圈上通入交變的電流i時，線圈內部會產生相同頻率的交變磁通Φ，交變磁通Φ又會在輸油管中產生感應電動勢，中頻加熱就是靠感應線圈將熱能傳遞給要加熱的輸油管，然後在輸油管內部轉換成熱能。感應線圈與被加熱輸油管並不直接接觸，能量是通過電磁感應傳遞。輸油管中產生的感應電動勢會引起渦流產生的焦耳熱為：
式中，Q：中頻加熱產生的熱量（J）；I：感應線圈中電流有效值（A）；R：輸油管的等效電阻（Ω）；t：輸油管加熱時間（S）；從式（1）可以看出，中頻加熱產生的熱量大小與感應線圈中的電流的平方成正比，因此提高感應線圈中的電流可以使輸油管中產生的渦流增大，同時提高工作頻率也會使得輸油管的感應電流增大，從而增加發熱效果，使工件升溫更快，但是由於集膚效應，工作頻率越高能加熱的深度越淺，所以我們選擇了中頻加熱，而不是工頻加熱或者高頻加熱。
2.係統整體設計
本係統擬采用STM32單片機作為主控製器，首先將380V工頻交流電進行整流與濾波然後送入由4個IGBT組成的逆變器，通過SVPWM算法來控製逆變的頻率，然後升壓以後送入感應線圈對輸油管道進行加熱。本係統采用7英寸彩屏液晶顯示器進行顯示，同時將修複記錄存入存儲器，同時本係統還可以跟上位機進行信息的交換，隨時可以將修複記錄上傳至上位機儲存與處理。
3.係統硬件設計
3.1 逆變電路設計。逆變技術是電力變換的基本形式之一，通過電力電子元件和觸發策略將直流轉變為交流並提供負載或回饋電網就是通常意義上的逆變。其基本原理是通過半導體功率開關器件的開通關斷作用，將直流電能變換得到質量較高能滿足負載對電壓和頻率要求的交流電能，逆變器是完成該變換的裝置。逆變技術中最常用的就是脈寬調製。SVPWM技術，是近年研究出的一種比較新穎的、成熟的控製方法。
3.2 SVPWM原理。本係統逆變技術用到電路為全橋電路，SVPWM技術就是專門來驅這些電路的控製方法，其原理理論基礎是平均值等效原理，即在一個開關周期內通過對基本電壓矢量加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等。在某個時刻，電壓矢量旋轉到某個區域中，可由組成這個區域的兩個相鄰的非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內分多次施加，從而控製各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉，通過逆變器的不同開關狀態所產生的實際磁通去逼近理想磁通圓，並由兩者比較結果來決定逆變器的開關狀態，從而形成PWM波形。
4.係統軟件設計
考慮到單片機的計算能力有限，難以進行複雜的數據處理。因此在功能比較複雜的控製係統中，通常以PC機為上位機，單片機為下位機，由單片機完成數據的采集及對裝置的控製，而由上位機完成各種複雜的數據處理及對單片機的控製，同時單片機實時監測感應電源的電流、電壓。當電壓、電流過大，采取過壓過流保護。
本係統考慮到不同材質的輸油管道需采用不同的加熱功率與加熱時間，同時不同的輸油管的管壁厚度需要調節中頻電源頻率，以此到達係統具有寬廣的使用場合。因此設計了友好的圖形界麵。軟件框圖如下
參考文獻
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作者簡介
胡廣（1994-），男，就讀於長江大學電子信息學院，研究方向為電子信息工程.