一种适用野外作业的高频螺丝加热拆卸装置研制

黄高星 韦敏 周聪

摘要：为解决生锈螺丝拆卸使用扳手或风炮及火焊等手段束手无策，本文分析了高频螺丝加热拆卸方法，将高频原理技术运用到生锈螺丝拆卸装置当中，成功研制了一种适用户外作业的高频螺丝加热拆卸装置，采用了一种混合调功策略实现全功率输出调节，使用短时间内将生锈螺丝加热达到热胀冷缩的目的，以期达到轻松的拆卸生锈或锈死及变形螺丝的目的，并应投入现场应用。

关键词：螺丝加热拆除;逆变控制;高频电源;野外作业

0引言

电力电子器件的快速发展带动了高频螺丝加热技术的发展，并对其产生深厚影响，体积小、重量轻、速度快、智能化、适用范围大已成为高频螺丝加热技术发展的方向。

螺丝生锈而导致工作无法进行，导致了工作人员因为无法拆卸而造成无法检修的问题，耽误了大量的人力物力。对于生锈螺丝拆卸使用扳手或风炮及火焊等手段，但是对于严重的生锈的螺丝却束手无策，因为过大的力度反而使螺丝被打磨掉边棱更加难以拆卸，本文希望研制一种高频螺丝加热拆卸装置，同时能满足野外作业要求[1-4]。

1设计方案

本文研制的装置功率为1kW，输出电源频率为50kHz，输入电源为单相220V、50Hz的交流电和24V蓄电池组，负载等效电感为100uH，负载等效电阻为16Ω。

装置系统包括整流回路、直流控制回路、充放电控制回路、逆变控制回路、负载回路及蓄电池组以及相应的控制保护模块，如图1所示。

2模块功能

本文将重点介绍系统各模块的功能：

（1）负载回路。高频螺丝加热的负载通常由比较粗的铜管弯制而成一个柱形线圈，把所需加熱的物体置于线圈之内加热。当线圈通以高频的交变电流，在线圈内部感生出交变的磁场，被加热工件内部产生涡流，对加热工件加热[5-6]。为实现负载匹配，使用高频变压器，可以等效为电感和电阻串联连接的电路。为实现串联谐振电路，负载回路与电容器串联。其谐振状态时电路的参数为功率因数为1和负载阻抗为。

（2）整流回路。将交流220V电源整流成直流电源。根据装置要求的功率1kW和频率50kHz，整流回路采用电容滤波的单相不控整流电路，其选型如下：

考虑到电路的冗余，不控桥选择10A/1000V。

（3）直流控制回路。设计一直流PWM斩波电路，将整流回路输出的直流电压斩波降压至24V，提供逆变回路和蓄电池组所需的电源。在电源设计中，滤波电容的选取原则是：T为输入电源的周期，设计输入的工频电的周期T=20ms，R为16Ω，所以。取，电容型号等级为3200uF/450V，而直流控制回路斩波输出侧电容型号等级为3200uF/40V。

（4）逆变控制回路。逆变器在高频螺丝加热电源的地位很重要，不同逆变器拓扑的特性区别很大。本文分析串联型与并联型的优缺点及综合考虑成本、应用场合等问题，采用串联型谐振逆变器作为逆变控制回路[7-9]。为实现全功率输出调节，提出一种混合调功策略，对其采取分段处理：a）在25%～100% Pmax 输出时，当控制角不为零时，开关管Q3和Q4的驱动信号的占空比不再是50%，开关管Q1和Q2的驱动信号的占空比仍然保持是50%，然后通过调节控制来改变串联谐振电路的输出电压，通过输出电压的变化来达到输出功率的调节[2]。

通过上式可以看出，随控制角从0到变化时，输出功率会从最大功率减小到0.25。b） 在0.05%～25%Pmax输出时，对开关管Q1和Q2的驱动信号的占空比保持是50%，开关管Q3关闭，开关管Q4驱动信号的占空比不再是50%，使整个逆变电路工作在半桥状态，输出电压为单极性，输出功率可以在接近 0%到 50%之间调节

（6）充放电回路。控制保护模块检测到蓄电池组电源偏低，就可以为触发充电单元进行充电。若交流输入有电源，可以为装置提供电源，同时也可以为蓄电池进行充电;若交流输入无电源，蓄电池组可提供电源为装置工作。充电单元和放电单元均为简单常用模块，放电单元采用二极管即可实现对蓄电池组的放电，充电单元需升高至28V利用电压比较器LM339和三极管TIP42即可实现对蓄电池组的充电。

（7）控制保护模块。通过采集逆变模块输出的电压和电流，计算其功率，与功率设定值进行比较，送入功率调节器（主要为PI调节器），同时对输出电流进行频率跟踪，获取其控制角和频率，再由控制保护模块实现本文提出的混合调功策略，实现装置功率稳定控制，还设计过热、过流和过压保护机制[5]。

负载回路内加热线圈内有PT100测温探头，同时利用开关管完善的驱动保护电路即可实现过热、过流和过压保护。控制保护模块的主处理器采用美国 TI 公司定点 DSP芯片TMS320F2808，该芯片A/D 转换器模块具有16个通道、12位分辨率和流水线结构，具有低成本、低功耗、和高性能处理能力，特别适用于需要大量数据处理的测控领域和复杂运算的电机控制领域。

3 结论

本文研制了一种高频螺丝加热拆卸装置装置，提出了一种混合调功策略实现全功率输出调节，并应投入现场应用，解决生锈螺丝拆卸使用扳手或风炮及火焊等手段因过大的力度反而使螺丝被打磨掉边棱更加难以拆卸。

该装置能提高工作效率，避免因使用工具不当而造成的损失，更能够有效的做到紧固的作用。装置使用的广泛性，方便于国内的技术提高及普遍应用的效果，提高检修进度，按时完成检修任务，并确保按时供电，提高生产效率。

参 考 文 献

[1] 王小玲. 基于 PWM 整流器的多逆变器高频感应电源[D]. 兰州：兰州理工， 2008：27-28.

[2] 胡程平. 多感应器高频螺丝加热逆变电源功率解耦控制[D]. 杭州：浙江大学， 2012：12-17.

[3] 李韩. 双输出高频螺丝加热电源耦合特性分析[D]. 西安：西安理工大学， 2019：6-7.

[4] 汪军， 陈辉明. 一种新型高频螺丝加热电源双机并联拓扑的研究[J]. 电源技术应用， 2005， 8（7）：5-8.

[5] 张春雨，张智娟， 彭咏龙. 一种高频串联谐振型逆变器的复合控制方法[J].工业加热， 2006， 35（3）： 45-47

作者简介：

黄高星（1994-），男，广西河池，大学本科，助理工程师，主要研究方向：电力系统分析。