為了獲得所需的力學(xué)性能 ,預(yù)應(yīng)力鋼絲需要在一定的張力條件下加熱到 400 ℃左右進(jìn)行熱處理。在成品生產(chǎn)線上通過高效中頻感應(yīng)爐對鋼絲進(jìn)行加熱 ,是近幾年采用的新工藝。由于在能量的轉(zhuǎn)換過程中存在損耗 ,而轉(zhuǎn)換的效率與許多因素有關(guān) ,如鋼絲的特性、線圈的幾何形系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的加熱溫度、生產(chǎn)的線速度等參數(shù) ,把加熱材料所需的熱能換算成電能 ,根據(jù)所需的電功率設(shè)定整流電壓 ,然后由電壓電流雙閉環(huán)系統(tǒng)控制晶閘管完成直流電壓的調(diào)節(jié)。逆變器為自激系統(tǒng) ,不可調(diào)。這樣系統(tǒng)就把電能轉(zhuǎn)變成熱能 ,使鋼絲狀、鋼絲穿過加熱線圈的速度等 ,這就需要建立合適的控制模型 ,采用可靠的方式對溫度進(jìn)行控制。

1 　系統(tǒng)控制原理
整個(gè)控制系統(tǒng)是由溫度、電壓和電流 3 個(gè) PID調(diào)節(jié)器組成的三環(huán)系統(tǒng) ,控制原理如圖1所示。加熱到所需的溫度。

2 　溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)
溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器由溫度誤差 PID 調(diào)節(jié)器、功率與速度的匹配、負(fù)載的匹配、功率與電壓的換算等 4部分組成。溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器如圖2所示。

2. 1 　功率與速度的關(guān)系
加熱材料所需的熱功率與材料穿過線圈的速度成正比例關(guān)系 ,用公式表示:
Es = SecWs Hs ( tout - tin) (1)
Pt = Es v (2)
Pt =ηPe (3)
式中: Sec ———材料的截面積 ,m2;
Ws ———材料的體積質(zhì)量 ,kg/ m3;
Hs ———材料的質(zhì)量熱容 ,J / (kg· K) ;
tin ———材料的入口溫度 , ℃;
tout ———材料的出口溫度 , ℃;
v ———材料穿過加熱線圈的速度 ,m/ s ;
P ———加熱材料所需的熱功率 ,W; Pe ———轉(zhuǎn)換成熱功率所需的電功率 ,W;
Es ———加熱1 m材料所需的能量 ,J / m;
η———能量轉(zhuǎn)換效率 , %。

由式(3)可知 ,電功率與材料的相對速度成比例關(guān)系 ,但是由于轉(zhuǎn)換效率受很多因素影響 ,因此電功率與速度的關(guān)系不是線性的比例關(guān)系。鋼絲的直徑越小 ,加熱時(shí)的非線性越明顯 ,偏差的大小取決于鋼絲穿過加熱線圈的相對速度。為了保持材料的出口溫度為一恒定值 ,控制系統(tǒng)采用分段線性化以得到接近真實(shí)的加熱曲線。控制系統(tǒng)對整個(gè)加熱曲線分 4 段進(jìn)行線性化 ,構(gòu)建速度、電功率加熱折線圖?？刂葡到y(tǒng)采用的加熱曲線如圖 3 所示的折線 ,其中 S1 , S2 , S3 , S4為4 個(gè)速度設(shè)定點(diǎn), S1 , S4分別為產(chǎn)品的最小和速度設(shè)定值, S4 - S3 = S3 - S2 =S2 - S1。P1 , P2 , P3 , P4為相應(yīng)的 4 個(gè)功率設(shè)定點(diǎn),當(dāng)速度 S2 ≤S ≤S3時(shí),可知相應(yīng)的功率:P = P2 + ( P3 - P2) ( S - S2) / ( S3 - S2) (4)同理有: P = P1 S/ S1 　　(0 ≤S ≤S1) (5)　　P = P1 + ( P2 - P1) ( S - S1) / ( S2 - S1) 　( S1 ≤S ≤S2) (6)P = P3 + ( P4 - P3) ( S - S3) / ( S4 - S3) 　( S3 ≤S ≤S4) (7)不同規(guī)格的鋼絲在處理之前 ,都必須通過調(diào)試設(shè)置 S - P 的 4 對坐標(biāo)值 ,設(shè)定的值保存在工控機(jī)中 ,而后生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品 ,只需調(diào)用相應(yīng)的加熱曲線即可。中頻電爐控制系統(tǒng)接受選用的加熱參數(shù) ,控制整個(gè)加熱過程。從交流輸入到中頻感應(yīng)輸出 ,電功率必須設(shè)定一個(gè)效率因子η來進(jìn)行匹配?？刂葡到y(tǒng)通過 AC/
DC整流器的輸出電壓乘以電流來計(jì)算加熱時(shí)輸出的電功率 ,由于從工頻交流輸入到直流輸出的損耗很小 ,認(rèn)為 Pe (AC) = Pe (DC) = UDC IDC ,轉(zhuǎn)換的效率因子η= Pt/ Pe (DC) 。
2. 2 　負(fù)載的自動(dòng)匹配
由于爐子的工作頻率 ,材料的規(guī)格及生產(chǎn)的線速度不同都會(huì)改變中頻電爐的電氣負(fù)載特性 ,控制系統(tǒng)采用等效電阻 R = UDC/ IDC來反映電氣負(fù)載。這個(gè)負(fù)載不能預(yù)先計(jì)算 ,而且隨時(shí)改變。為了得到所需的加熱溫度 ,需要一定的電功率 Pset ,控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測直流輸出的電流和電壓 ,并計(jì)算實(shí)際的輸出功率 Preal。系統(tǒng)剛開始啟動(dòng)時(shí) ,根據(jù)設(shè)定的初始電阻來計(jì)算設(shè)定的電壓值。如果 Pset ≥Preal時(shí) ,說明實(shí)際的電阻值比預(yù)設(shè)值大 ,于是增大預(yù)設(shè)的負(fù)載電阻值 ,同時(shí)加大電壓的設(shè)定值 ,使輸出的功率適當(dāng)增加 ,直到 Pset = Preal ,反之亦然。負(fù)載的電阻值一般為0～1Ω,如果把電阻的初始值設(shè)為 0. 5Ω,同時(shí)把系統(tǒng)可以修正的誤差設(shè)為 100 % ,系統(tǒng)就可以在0～1Ω之間自動(dòng)修正負(fù)載電阻。這樣系統(tǒng)時(shí)刻控制直流輸出電壓 ,保持電功率等于需求值 ,使系統(tǒng)可以自動(dòng)跟隨電氣負(fù)載的變化而變化 ,始終使加熱溫度滿足工藝要求。
2. 3 　溫度的 PID調(diào)節(jié)
中頻加熱爐的基本目的就是把需要處理的材料加熱到所需的溫度 ,為了得到可靠的高精度的處理結(jié)果 ,必須在整個(gè)生產(chǎn)過程中都保持材料的出口溫度在允許的偏差范圍內(nèi)。中頻爐可以在不使用溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的情況下進(jìn)行生產(chǎn) ,控制系統(tǒng)根據(jù)所需的加熱溫度計(jì)算出所需的電功率 ,然后在整個(gè)生產(chǎn)過程中都保持恒功率輸出。系統(tǒng)可以維持最基本的加熱需求 ,但是不能根據(jù)變化的情況自動(dòng)調(diào)整功率的大小 ,若設(shè)定參數(shù)不準(zhǔn)確、材料特性的變化、入口溫度的改變等都會(huì)使最終的出口溫度受到影響。為了滿足溫控精度的要求 ,必須使用溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。被加熱材料的實(shí)際溫度是通過紅外線高溫計(jì)檢測的 ,實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的偏差送給溫度 PID 調(diào)節(jié)器 ,所需的電功率根據(jù)偏差的變化相應(yīng)地增加或減少。溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的精度依賴于溫度檢測裝置的精度 ,為了得到較高精度并避免系統(tǒng)振蕩 ,系統(tǒng)僅僅對微弱的溫度偏差信號(hào)進(jìn)行校正。一般在設(shè)定的出口溫度的 5 %以下 ,如果實(shí)際的溫度偏差信號(hào)大于這個(gè)值 ,溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)器將被禁止。
2. 4 　溫度控制注意事項(xiàng)
在材料入口溫度、材料特性、生產(chǎn)線速度等因素一定的情況下 ,材料的出口溫度的高低取決于控制系統(tǒng)輸出功率的大小 ,功率越大 ,溫度越高 ,反之亦然 ,功率決定溫度。在實(shí)際生產(chǎn)中 ,各種因素的干擾使得紅外線高溫計(jì)測不準(zhǔn) ,如被加熱材料放射系數(shù)的改變、環(huán)境光線的影響、加熱時(shí)產(chǎn)生的煙霧、鋼絲的抖動(dòng)使探頭沒有對準(zhǔn)鋼絲中心等。測不準(zhǔn)會(huì)造成控制系統(tǒng)來回振蕩 ,可以適當(dāng)延長高溫計(jì)的采樣時(shí)間以避免這個(gè)問題。
材料入口溫度的改變會(huì)嚴(yán)重影響材料加熱后的出口溫度 ,由于拉絲機(jī)生產(chǎn)的半成品鋼絲的溫度直接受冷卻條件的影響 ,冷卻效果越差 ,鋼絲殘留的熱量越多 ,使得進(jìn)入中頻爐鋼絲的入口溫度越高 ,因此入口溫度直接受冷卻條件的影響。一般而言 ,半成品鋼絲的溫度要比氣溫高些 ,因此隨著存放時(shí)間的變化 ,內(nèi)外層鋼絲的溫度會(huì)不一樣 ,這樣就必須在生產(chǎn)中根據(jù)實(shí)際情況 ,適時(shí)恰當(dāng)?shù)匦薷牟牧系娜肟跍囟?tin。
3 　使用效果
在實(shí)際使用中 ,出口溫度為380 ℃,溫度控制系統(tǒng)可以在 ± 5 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)。出口溫度始終保持380 ℃左右 ,誤差小于5 ℃,可以滿足工藝要求。