论文部分内容阅读
【摘要】节约能源既是国家制定的大政方针，同时也是企业应尽的义务。如果企业既能配合国家的发展战略，又能因节约能源而获利，则企业将获得巨大的经济效益和社会效益。目前市场上一些节电设备大部分是对机械能的节省，如使用变频器，但其节电率仅在15%-25%，解决的也只是电机部分。在塑胶行业，加热部分耗电量巨大，应该采取多种措施达到节能的作用。本文是针对此问题，利用电磁加热的节电新技术，研发高效加热节电设备，用以提高节能率和稳定性。
【关键词】节约能源；电磁加热；加热系统；高效加热节电设备
1.电磁加热节能原理及特点
目前，塑胶机械所用的加热方式普遍为电阻线圈加热，通过传导方式传导热量，只有紧靠在料筒表面侧的热量才能传到料筒上，这样外侧的热量大部分散失到空气中，存在着热传导损失，并导致环境温度的上升；电阻线圈加热另一个缺点是功率密度低，在一些需要温度较高的加热场合就无法适应了。
本高效加热节电设备使料筒内部发热，大大减少热量损失并提高热效率，从而达到节能的目的。
1.1 电磁加热原理
当交变磁场穿过含铁质的物体时，交变磁力线在金属部分产生交变电流（即涡流），涡流使铁分子高速运动，分子间将发生相互碰撞、摩擦而产生热量。
本高效加热节电设备是利用现代电力电子技术、计算机技术、自动控制技术、电磁加热技术研制而成的一款高技术产品，将它与塑料加工机械有机结合而组成一个自动控制系统。利用直接加热塑料加工机械的被加热设备（如料筒）的金属部分，使金属内部直接发热，并在料筒外部包裹一定厚度的隔热保温材料，这样就大大减少了热量的散失，提高了热效率，使料筒外表温度由几百度降低到几十度。
因为电磁加热圈本身并不发热，并且是采用绝缘材料和高温电缆组成，所以不存在电阻加热圈中的电阻丝在高温状态下氧化而缩短使用寿命的问题，因而具有使用寿命长、升温快、温度均匀和无需维修等优点，相应地也就减少了维修时间、降低了成本、提高了产品质量，为企业带来了经济效益。传统加热系统与电磁加热系统的区别如图1所示。
1.2 电磁加热器组成
电磁加热器的系统框图如图2所示，接线原理如图3所示。市电交流220V经过整流滤波后变为大约310V直流，在计算机系统的控制下，通过半桥谐振逆变电路在线圈中产生交变磁场，在被线圈缠绕的发热体中产生涡流以达到加热的目的。
1.3 电磁加热控制器的主要技术参数
工作电压：交流220/380VAC±20%，频率50/60Hz，，输出功率：2.2KW、5KW、10KW、15KW、30KW、40KW、50KW、60KW。每种都可进行功率调节（30%）。
温度：-10～+70℃。
湿度：≤90%RH。
平均无故障时间：>15000小時
热效率：96%。
工作频率：5-40KHz。
IGBT过热保护温度：70±5℃
加热控制到线圈输出的反应时间：0.5秒。
1.4 设备特点
（1）不影响原机器的工作：直接从原加热控制器（交流接触器或固态开关）的输入/出端引入加热停止/开始的控制信号。
（2）交流市电不切断：交流市电不关，在计算机的控制下，根据加热控制信号决定加热的起动或停止。提高反应时间、使用寿命和可靠性。
（3）恒功率输出：交流市电升高时，能自动控制线圈的输出功率稳定。
（4）加热控制输出简单：直接从原接触器或固态继电器的控制端或输出端接出。
（5）一体化结构：将节电控制系统与保护系统一体化设计，集成度高，体积小，兼顾节电和旁路功能，可靠性强，便于现场安装。
（6）专业化设计：针对塑料机械使用的工艺过程，将硬件和软件有机结合，优化算法，专业研发节电功能模块，提升加热系统动态响应的速度，从而实现加热快速跟随，保证在节电的同时不降低产品质量并提高产量。
（7）节电效果显著：原有塑料机械加热方式为电阻式加热，浪费较多，电能利用率在40%左右；利用电磁感应加热，电能利用率可达96%，从而节电可达30-80%以上。
（8）降低维护费用
加热部分采用环形电缆结构，电缆本身不会产生热量，并可承受500℃以上高温，使用寿命高达5年以上而不需维护，交流接触器或固态继电器的输出负载只需几个毫安，因而大大延长其使用寿命（甚至可不要它！），所以基本无维护费用。
（9）增大了供电变压器的宽裕度
该设备只用原电阻圈总功率的30-50%装机功率，大大减轻了实际负荷，增加了企业负荷的使用容量。
（10）加热温度范围大
电阻加热方式功率密度小，热量散失大，一般难以加热到400度以上，而本设备采用内加热方式，可加热到600度以上。
1.5 安装使用
（1）在替代电阻式加热时，可以按电阻式加热功率容量的一半选择加热设备。即：如原来是20KW加热片，改用节能加热时，只需选择10KW的高效加热设备。
（2）也可以把电阻式加热的实际用量作为高效加热设备的总功率。即25KW电阻式加热装机容量，而在实际工作中，如果每小时只使用10度电能，选择高效加热时，只需选用10KW的设备即可。
（3）安装简单；只需拆除原加热圈，在加热位置按技术要求，绕上专用电缆即可。
2.项目实施
据某塑胶行业理事会调查统计：电费在塑料制品成本中占到40%的比重，电能消耗巨大是长期以来困扰着企业的重要问题。另外，设备生产时加热系统所产生的热量使环境温度升高3-5℃，又增加了企业为车间降温的费用。每到用电高峰期，企业是拉闸限电的首要对象，因停电而停产给企业造成了不必要的损失。 下面以注胶机加热系统节能改造实例加以说明。
图4是原注胶机加热部分原理图，图4-2是注胶机电磁加热部分原理图。
（1）设备改造前在冷机刚开机状态下用电流钳表和万用表测量一下机器加热总功率，测量每组加热圈温度控制器的接通和断开平均比值，测量从冷机刚开机到正常使用的时间（预温时间），并作记录。
（2）断开设备所有交流输入，拆开加热网罩，拆开原来加热圈上交流输入线并做好记号，拆掉加热圈。
（3）在整个料筒部分包裹上4cm厚的高温棉，在高温棉上包裹上一层高温布，然后在高温布上再包一层0.8MM厚环氧板。（见图4）
（4）在料筒环氧板外缠绕多组高温线，每组绕22圈。根据实际计算，每1-2组需配置控制器1台。
（5）从机器电源输入端接出电源到控制器的电源端，从交流接触器的控制端接出加热控制信号到控制器控制输入端，线圈绕组接入电磁控制器输出端。
（6）开机调试到出正常产品为止。
（7）设备改造后在冷机刚开机状态下用电流钳表和万用表测量一下机器加热总功率，测量每组加热圈温度控制器的接通和断开平均比值，测量从冷机刚开机到正常使用的时间（预温时间），并作记录。
（8）算出设备的节电率。
我们以加热功率为63KW的注胶机为准来看经济效益。
注胶机工作24小时，加热部分63KW，一天约耗电590KW，每千瓦加热圈一天耗电9.3度。我们以保守的30%节电率计算（实际节电率可能更高），注胶机一天可节电177度，一个月可节电5310度，按市电0.85元/度计算，一个月可节省电费4513元。
综上所述，根据注胶机用电的工作特性、人体在高温工作环境工作时的生理特点、电网供电情况和对设备长期使用寿命的考虑，在标准工作状态下，各种不同的注胶机节能效率为30%以上。考虑到电网及其设备工作不标准的因素，经过实践证明，电磁加热节能设备节电可达到60%或以上，同时，机器寿命可延长25%或以上，供电网络也会因为减载而延长使用寿命，综合经济效益（折算为电价）为50-80%。同时，因为网络减载，为供电网络系统的扩容留出了空间，允许在进行一定规模的电网扩容时不必再投入线路改造等扩容费用，还可降低生产现场环境温度3-4度，减少降温成本。
3.结束语
目前，市场上关于塑料机械电磁加热节能改造技术已引起众多企业的关注，其实电磁感应加热技术早就有了，而且在其他行业应用很多，例如：钢材的热处理、家用电磁炉等。只是利用在塑料机械加热节能改造中还是最近几年的事，由于这种方式属于被加热体自身发热，热效率能够达到95%以上，并彻底解决传统电阻加热方式传导热效率低的问题，因此，采用电磁加热方式对于塑胶机械来说，可以有明显的节电效果。
参考文献
[1]梁灿彬，秦光戎，梁竹健.电磁学（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]沈庆通.感应节能与制造新技术[A].全国第五届热处理节能论文集[C].
作者简介：曾敏，湖南益阳人，电子讲师，广东省中山市中山中等专业学校电子科教学干事，研究方向：电子技术应用。
【关键词】节约能源；电磁加热；加热系统；高效加热节电设备
1.电磁加热节能原理及特点
目前，塑胶机械所用的加热方式普遍为电阻线圈加热，通过传导方式传导热量，只有紧靠在料筒表面侧的热量才能传到料筒上，这样外侧的热量大部分散失到空气中，存在着热传导损失，并导致环境温度的上升；电阻线圈加热另一个缺点是功率密度低，在一些需要温度较高的加热场合就无法适应了。
本高效加热节电设备使料筒内部发热，大大减少热量损失并提高热效率，从而达到节能的目的。
1.1 电磁加热原理
当交变磁场穿过含铁质的物体时，交变磁力线在金属部分产生交变电流（即涡流），涡流使铁分子高速运动，分子间将发生相互碰撞、摩擦而产生热量。
本高效加热节电设备是利用现代电力电子技术、计算机技术、自动控制技术、电磁加热技术研制而成的一款高技术产品，将它与塑料加工机械有机结合而组成一个自动控制系统。利用直接加热塑料加工机械的被加热设备（如料筒）的金属部分，使金属内部直接发热，并在料筒外部包裹一定厚度的隔热保温材料，这样就大大减少了热量的散失，提高了热效率，使料筒外表温度由几百度降低到几十度。
因为电磁加热圈本身并不发热，并且是采用绝缘材料和高温电缆组成，所以不存在电阻加热圈中的电阻丝在高温状态下氧化而缩短使用寿命的问题，因而具有使用寿命长、升温快、温度均匀和无需维修等优点，相应地也就减少了维修时间、降低了成本、提高了产品质量，为企业带来了经济效益。传统加热系统与电磁加热系统的区别如图1所示。
1.2 电磁加热器组成
电磁加热器的系统框图如图2所示，接线原理如图3所示。市电交流220V经过整流滤波后变为大约310V直流，在计算机系统的控制下，通过半桥谐振逆变电路在线圈中产生交变磁场，在被线圈缠绕的发热体中产生涡流以达到加热的目的。
1.3 电磁加热控制器的主要技术参数
工作电压：交流220/380VAC±20%，频率50/60Hz，，输出功率：2.2KW、5KW、10KW、15KW、30KW、40KW、50KW、60KW。每种都可进行功率调节（30%）。
温度：-10～+70℃。
湿度：≤90%RH。
平均无故障时间：>15000小時
热效率：96%。
工作频率：5-40KHz。
IGBT过热保护温度：70±5℃
加热控制到线圈输出的反应时间：0.5秒。
1.4 设备特点
（1）不影响原机器的工作：直接从原加热控制器（交流接触器或固态开关）的输入/出端引入加热停止/开始的控制信号。
（2）交流市电不切断：交流市电不关，在计算机的控制下，根据加热控制信号决定加热的起动或停止。提高反应时间、使用寿命和可靠性。
（3）恒功率输出：交流市电升高时，能自动控制线圈的输出功率稳定。
（4）加热控制输出简单：直接从原接触器或固态继电器的控制端或输出端接出。
（5）一体化结构：将节电控制系统与保护系统一体化设计，集成度高，体积小，兼顾节电和旁路功能，可靠性强，便于现场安装。
（6）专业化设计：针对塑料机械使用的工艺过程，将硬件和软件有机结合，优化算法，专业研发节电功能模块，提升加热系统动态响应的速度，从而实现加热快速跟随，保证在节电的同时不降低产品质量并提高产量。
（7）节电效果显著：原有塑料机械加热方式为电阻式加热，浪费较多，电能利用率在40%左右；利用电磁感应加热，电能利用率可达96%，从而节电可达30-80%以上。
（8）降低维护费用
加热部分采用环形电缆结构，电缆本身不会产生热量，并可承受500℃以上高温，使用寿命高达5年以上而不需维护，交流接触器或固态继电器的输出负载只需几个毫安，因而大大延长其使用寿命（甚至可不要它！），所以基本无维护费用。
（9）增大了供电变压器的宽裕度
该设备只用原电阻圈总功率的30-50%装机功率，大大减轻了实际负荷，增加了企业负荷的使用容量。
（10）加热温度范围大
电阻加热方式功率密度小，热量散失大，一般难以加热到400度以上，而本设备采用内加热方式，可加热到600度以上。
1.5 安装使用
（1）在替代电阻式加热时，可以按电阻式加热功率容量的一半选择加热设备。即：如原来是20KW加热片，改用节能加热时，只需选择10KW的高效加热设备。
（2）也可以把电阻式加热的实际用量作为高效加热设备的总功率。即25KW电阻式加热装机容量，而在实际工作中，如果每小时只使用10度电能，选择高效加热时，只需选用10KW的设备即可。
（3）安装简单；只需拆除原加热圈，在加热位置按技术要求，绕上专用电缆即可。
2.项目实施
据某塑胶行业理事会调查统计：电费在塑料制品成本中占到40%的比重，电能消耗巨大是长期以来困扰着企业的重要问题。另外，设备生产时加热系统所产生的热量使环境温度升高3-5℃，又增加了企业为车间降温的费用。每到用电高峰期，企业是拉闸限电的首要对象，因停电而停产给企业造成了不必要的损失。 下面以注胶机加热系统节能改造实例加以说明。
图4是原注胶机加热部分原理图，图4-2是注胶机电磁加热部分原理图。
（1）设备改造前在冷机刚开机状态下用电流钳表和万用表测量一下机器加热总功率，测量每组加热圈温度控制器的接通和断开平均比值，测量从冷机刚开机到正常使用的时间（预温时间），并作记录。
（2）断开设备所有交流输入，拆开加热网罩，拆开原来加热圈上交流输入线并做好记号，拆掉加热圈。
（3）在整个料筒部分包裹上4cm厚的高温棉，在高温棉上包裹上一层高温布，然后在高温布上再包一层0.8MM厚环氧板。（见图4）
（4）在料筒环氧板外缠绕多组高温线，每组绕22圈。根据实际计算，每1-2组需配置控制器1台。
（5）从机器电源输入端接出电源到控制器的电源端，从交流接触器的控制端接出加热控制信号到控制器控制输入端，线圈绕组接入电磁控制器输出端。
（6）开机调试到出正常产品为止。
（7）设备改造后在冷机刚开机状态下用电流钳表和万用表测量一下机器加热总功率，测量每组加热圈温度控制器的接通和断开平均比值，测量从冷机刚开机到正常使用的时间（预温时间），并作记录。
（8）算出设备的节电率。
我们以加热功率为63KW的注胶机为准来看经济效益。
注胶机工作24小时，加热部分63KW，一天约耗电590KW，每千瓦加热圈一天耗电9.3度。我们以保守的30%节电率计算（实际节电率可能更高），注胶机一天可节电177度，一个月可节电5310度，按市电0.85元/度计算，一个月可节省电费4513元。
综上所述，根据注胶机用电的工作特性、人体在高温工作环境工作时的生理特点、电网供电情况和对设备长期使用寿命的考虑，在标准工作状态下，各种不同的注胶机节能效率为30%以上。考虑到电网及其设备工作不标准的因素，经过实践证明，电磁加热节能设备节电可达到60%或以上，同时，机器寿命可延长25%或以上，供电网络也会因为减载而延长使用寿命，综合经济效益（折算为电价）为50-80%。同时，因为网络减载，为供电网络系统的扩容留出了空间，允许在进行一定规模的电网扩容时不必再投入线路改造等扩容费用，还可降低生产现场环境温度3-4度，减少降温成本。
3.结束语
目前，市场上关于塑料机械电磁加热节能改造技术已引起众多企业的关注，其实电磁感应加热技术早就有了，而且在其他行业应用很多，例如：钢材的热处理、家用电磁炉等。只是利用在塑料机械加热节能改造中还是最近几年的事，由于这种方式属于被加热体自身发热，热效率能够达到95%以上，并彻底解决传统电阻加热方式传导热效率低的问题，因此，采用电磁加热方式对于塑胶机械来说，可以有明显的节电效果。
参考文献
[1]梁灿彬，秦光戎，梁竹健.电磁学（第2版）[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]沈庆通.感应节能与制造新技术[A].全国第五届热处理节能论文集[C].
作者简介：曾敏，湖南益阳人，电子讲师，广东省中山市中山中等专业学校电子科教学干事，研究方向：电子技术应用。