中頻感應加熱電源設計

1、畢業(yè)設計（論文）題目中頻感應加熱電源的設計姓名系（部）電氣工程與自動化系專業(yè)度用電子技術指導教師word文檔可自由編輯中頻感應加熱電源的設計摘要感應加熱電源具有加熱效率高，速度快，可控性好，易于實現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點，目前已在金屬熔煉、工件透熱、淬火、焊接、鑄造、彎管、表面熱處理等行業(yè)得到了廣泛的應用。本設計研究了中頻感應加熱及其相關技術的發(fā)展、現(xiàn)狀和趨勢，并在較全面的論述基礎上，對2.5kHz/250kW可控硅中頻感應加熱電源的整流電路以及控制電路進行了設計。本文設計的電源電路可用于大型機械熱加工設備的感應加熱電源。整流電路采用三相橋式全控整流電路，其電路結構簡單，

2、使電源易于推廣；控制策略選用雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，改善了信號遲滯的缺點，為以后研制大功率、超音頻的感應加熱電源打下了基礎。關鍵詞：可控硅中頻電源，感應加熱，逆變，保護電路word文檔可自由編輯DesignOfInductionHeatingPowerOfMediumFrequencyABSTRACTInductionheatingpowerisequippedwithlotsofadvantagessuchashighheatingefficiency,fastspeed,goodcontrollability,whichispronetomakeheatingofhighandpartialt

3、emperature,andrealizemechanizationandautomation.Atpresentmetalmelting,workpieceheatpenetration,quenching,welding,casting,elbowpiece,surfaceheatingprocessinghasbeenwidelyapplied.Inductionheatingofmediumfrequencyanddevelopment,currentsituation,andtendencyrelatedtechnologyhasbeenstudiedandhavemadequite

4、comprehensiveandintheprofoundelaborationfoundation,thisarticlehascarriedonthedesigntomaincircuitandtheinversioncontrolofthe2.5kHz/250kWsilicon-controlledrectifierintermediatefrequencyinductionheatingpower.Thisdesignisusedforbigfacilityofmechanicalheatingprocessing.Structureofrectificationcircuitisea

5、sy,whichmakespowerpopularizedeasily.Three-phasebridgerectificationcircuitisusedinRectificationcircuit.Rectificationcircuitusesfeedbackcontroloftwoclosedloop,improvingthedisadvantages.Thefoundationforinventinginductionheatingpowerofbigpowerandsuperaudioismade.KEYWORDS:Controllablesiliconmediumpower,I

6、nductionheating,Inverter,Protectcircuit目錄word文檔可自由編輯前言1第1章概述21.1 感應加熱電源的特點和應用21.2 感應加熱電源的發(fā)展階段31.3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀31.4 影響感應加熱電源發(fā)展的主要因素41.5 感應加熱電源的發(fā)展趨勢5第2章感應加熱電源的結構及工作原理72.1 基本工作原理72.2 感應加熱電源的基本結構8第3章整流電路設計83.1 整流電路的分類93.2 整流電路的選擇93.3 三相橋式全控整流電路93.4 整流電路的參數(shù)設計13第4章逆變器的選擇154.1 串并聯(lián)諧振電路的比較154.2 串聯(lián)諧振電源工作原理174.3 串并

7、聯(lián)諧振逆變器拓撲電路的對偶關系194.4 串并聯(lián)諧振優(yōu)缺點比較20第5章控制電路設計215.1 控制電路系統(tǒng)的概述21word文檔可自由編輯5.2 控制電路的結構與原理215.3 控制電路的作用245.4 控制策略245.5 2.5kHz/250kW感應加熱電源控制電路結構285.6 控制觸發(fā)回路頻率跟蹤調節(jié)285.6.1 觸發(fā)要求285.6.2 頻率跟蹤電路29第6章過流和過壓的保護電路30結論32謝辭33參考文獻34外文資料翻譯36word文檔可自由編輯前言感應加熱技術是在20世紀初才應用于工業(yè)生產的，因其具有加熱速度快、物料內部發(fā)熱和熱效率高、加熱均勻且具有選擇性、產品質量好、幾乎無環(huán)境

8、污染、可控性好及易于實現(xiàn)生產自動化等一系列優(yōu)點，因此近年來得到了迅速發(fā)展。在現(xiàn)代工業(yè)的金屬熔煉、熱處理、焊接等過程中，感應加熱被廣泛應用。感應加熱是根據(jù)電磁感應原理，利用工件中渦流產生的熱量進行加熱的，它加熱效率高、速度快、可控性好，易于實現(xiàn)高溫和局部加熱。隨著電力電子技術的不斷成熟，感應加熱技術得到了迅速發(fā)展。本文設計了中頻感應加熱設備的工作原理，主要設計了2.5kHz/250kW可控硅中頻感應加熱電源電路部分的整流電路和控制電路，可用于大型機械熱加工設備的感應加熱電源。整流電路采用三相橋式全控整流電路，其電路結構簡單，易于推廣；控制策略選用雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，改善了信號遲滯的缺點，為以后研

9、制大功率、超音頻的感應加熱電源打下了基礎。word文檔可自由編輯第1章概述感應加熱技術是一種先進的加熱技術，它具有傳統(tǒng)加熱方法所不具備的優(yōu)點因而在國民經濟和社會生活中獲得了廣泛的應用。此項技術的核心內容之一就是感應加熱電源的研制，電源的性能價格比直接決定了其獲得應用的速度與廣度，隨著電力電子器件制造技術及其裝置控制技術的逐步成熟，以電力半導體器件為主要元件的固態(tài)電源的制造成本正在迅速下降，不斷提升其性能水平是這種新技術獲得最大限度推廣的重要條件。1.1 感應加熱電源的特點和應用感應加熱是根據(jù)電磁感應原理，利用工件中渦流產生的熱量對工件進行加熱的。由于感應加熱效率高，速度快，可控性好，易于實現(xiàn)高

10、溫和局部加熱，易于實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點，已在熔煉，鑄造，彎管，熱鍛，焊接和表面熱處理等行業(yè)得到廣泛的應用。在國外，感應加熱技術已日趨成熟。在鑄造方面，正在迅速發(fā)展雙聯(lián)熔煉工藝，即利用中頻爐保溫改性，進行球墨鐵或合金鋼的精密澆鑄；在鍛造方面，利用感應加熱實現(xiàn)快速透熱熱鍛，其材料利用率可達85%,鍛件表面光潔度可小于50m;在焊接，淬火方面，國外一方面致力于開發(fā)大功率全固態(tài)高頻電源，一方面致力于開發(fā)高度自動化的熱處理成套處理系統(tǒng)。我國鑄件用量大，而鑄造行業(yè)仍以沖天爐熔煉為主，溫度及成分波動大，廢品率高。目前，我國較好的鑄造業(yè)廢品率也在6%-15%問，而一般鑄造廠的廢品率高達30%o隨著我國電力

11、供應的改善，環(huán)保要求的提高，發(fā)展和擴大感應加熱的規(guī)模，在大型企業(yè)推廣雙聯(lián)熔煉工藝，改造我國鑄造行業(yè)是符合我國煤炭資源豐富特點的一條有效途徑。這項改造工程不但涉及到保溫爐的設計制造，雙聯(lián)熔煉工藝的最佳化控制系統(tǒng)設計，還涉及到大功率中頻感應加熱電源等。同樣地，在鍛造，焊接，淬火熱處理方面全面推廣國外先進技術，改造我國傳統(tǒng)產業(yè)是必然趨勢1。近年來在某些高新技術的研究開發(fā)中也使用了感應加熱。上述這些先進技術的推廣和發(fā)展均與感應加熱電源技術的研究和發(fā)展密切相關。word文檔可自由編輯1.2 感應加熱電源的發(fā)展階段(1)在50年代前，感應加熱電源主要有：工頻感應熔煉爐，電磁倍頻器，中頻發(fā)電機組和電子管振蕩

12、器式高頻電源。50年代末可控硅的出現(xiàn)則標志著固態(tài)半導體器件為核心的現(xiàn)代電力電子學的開始。硅晶閘管的出現(xiàn)推動了感應加熱電源及應用的飛速發(fā)展。至今，在中頻(500Hz-10kHz)范圍內，晶閘管中頻感應加熱裝置已完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機組和電磁倍頻器。在高頻范圍內，由于品閘管本身開關特性等參數(shù)的限制，給研制該頻段的電源帶來了很大的技術難度，它必須通過改變電路拓撲結構才有可能實現(xiàn)。(2) 70年代末到80年代初，現(xiàn)代半導體微機集成加工技術與功率半導體技術的結合，為開發(fā)新型功率半導體器件提供了條件，相繼出現(xiàn)了一大批全控型電力電子半導體器件，極大地推動了電力電子學發(fā)展，為固態(tài)超音頻，高頻電源的研制提供

13、了堅實的基礎。(3) 1983年IGBT的問世進一步推動了感應加熱電源的發(fā)展。IGBT綜合了MOS和雙極晶體管的優(yōu)點，具有通態(tài)壓降低，開關速度快，易驅動等優(yōu)點，自1988年解決了擎住問題后，大功率高速IGBT已成為眾多加熱電源的首選器件，頻率高達100kHz，功率高達MW級電源已可實現(xiàn)。(4)在超高頻(100kHz以上)頻段，長期以來由電子管振蕩式變換器產生。80年代興起由大功率半導體開關器件為元件的逆變式高頻感應加熱電源。1.3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀在中頻范圍內，國外裝置的最大容量已達到數(shù)十兆瓦。在高頻(100kHz以上)頻段內，目前國外正處于從傳統(tǒng)的電子管電源向晶體管化全固態(tài)電源的過渡階段，以模

14、塊化，大容量化MOSFET,IGBT功率器件為主。表1-1列出了各國的發(fā)展水平。表1-1各國感應加熱電源的發(fā)展水平word文檔可自由編輯國家MOSFET的參數(shù)IGBT的參數(shù)西班牙600Kw/400kHz30-600Kw/50-100kHz德國480Kw/50-200kHz比利時1000Kw/15-600kHz日本1200Kw/50kHz中國(浙江大學)20kW/300kHz50kW/50kHz（產品）200kW/75kHz（研制）西班牙采用MOSFET的電流型感應加熱電源制造水平達600kW/400kHz。日本主要以SIT為主，電源水平在80年代末達到了10000kW/200kHz.400kW

15、/400kHz。在中頻范圍內，國內己形成200Hz-10000Hz,功率為100kW-3000kW系列產品，可以配備5t以下的熔煉爐及更大容量的保溫爐，也適用于各種金屬透熱，表面淬火等熱處理工藝，尤其在廢舊鋼鐵熔化及鑄造上已經得到了普遍的應用。在高頻(100kHz以上)頻段內，國內浙江大學在90年代研制成20kW/300kHzMOSFET高頻電源，己被成功應用于小型刀具的表面熱處理和飛機渦輪葉片的熱應力考核試驗中，96年天津高頻設備廠和天津大學聯(lián)合開發(fā)出75kW/200kHzSIT感應加熱電源?？偟膩碚f，與國外的水平相差很大。1.4 影響感應加熱電源發(fā)展的主要因素(1)感應加熱電源的發(fā)展與電力

16、電子器件的發(fā)展密切相關，而電力電子器件的發(fā)展又是與半導體微機集成加工技術與功率半導體技術分不開的。可控硅出現(xiàn)后，一代又一代的電力半導體器件先后問世，性能不斷改善，高耐壓和高耐流，低損耗、高頻率使得感應加熱電源的性能和實用性得到了體現(xiàn)。(2)單片機、微型計算機技術和集成芯片技術的發(fā)展使得對感應加熱電源的復雜控制成為可能，體積和重量明顯減小，功率因素提高了，功率控制調節(jié)方便、準確。(3)感應加熱電源的發(fā)展離不開材料學的進步如磁性材料學。同時，一些相關的技術如磁通集中器，感應線圈的材料和設計，絕緣技術，故障診斷技術和遠程控制、智能化技術等等也都影響其發(fā)展。可以說，感應加熱電源的發(fā)展是諸多學科和綜合技

17、術共同決定的。word文檔可自由編輯1.5 感應加熱電源的發(fā)展趨勢(1)從電路的角度，感應加熱電源的大容量化技術分兩類：一是器件的串并聯(lián)；二是多臺電源的串并聯(lián)。在器件的串并聯(lián)方式中，必須處理好串聯(lián)器件的均壓問題和并聯(lián)器件均流問題，由于器件制造工藝和參數(shù)的離散性，限制了器件的串并聯(lián)數(shù)目，且裝置的可靠性和用并聯(lián)數(shù)目成反比。多臺電源的串并聯(lián)技術是在器件用并聯(lián)技術基礎上進一步大容量化的有效手段，借助于可靠的電源用并聯(lián)技術，在單機容量適當?shù)那闆r下，可簡單地通過串并聯(lián)運行方式得到大容量裝置，每臺單機只是裝置的一個單元(或一個模塊)。串聯(lián)逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源。當兩電壓源并聯(lián)時，相互間的幅值，相

18、位和頻率不同或波動時將導致很大的環(huán)流，以致逆變器件的電流產生嚴重不均。因此，串聯(lián)逆變器存在并機擴容困難：而對并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流大，電抗器可充當各并聯(lián)器之間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的AC/DC或DC/DC環(huán)節(jié)有足夠的時間來糾正直流電流的偏差，達到多機并聯(lián)擴容。目前，感應加熱電源在中頻段主要采用晶閘管，超音頻段主要是IGBT,而高頻段，隨著MOSFET和IGBT性能不斷改進，SIT將失去存在價值。感應加熱電源諧振逆變器可實現(xiàn)軟開關，但由于通常功率較大，對功率器件，無源器件，電纜，布線，接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是高頻電源。因此，實現(xiàn)感應加熱電源高頻化仍有許多應用基礎技術需進一步

19、探討。(3)感應加熱電源多應用于工業(yè)現(xiàn)場，具運行工況比較復雜，它與鋼鐵，冶金和金屬熱處理行業(yè)具有十分密切的聯(lián)系，它的負載對象各式各樣，而電源逆變器與負載是一有機的整體，負載直接影響到電源的運行效率和可靠性。對焊接，表面熱處理等負載，一般采用匹配變壓器連接電源和負載感應器，對高頻，超音頻電源用的匹配變壓器要求漏抗很小，如何實現(xiàn)匹配變壓器的效率，從磁性材料選擇到繞組的設計已成為一重要課題。另外，從電路拓撲上負載結構以三個無源元件代替原來的二個無源元件，以代替匹配變壓器實現(xiàn)高效，低成本隔離匹配。(4)隨著感應熱處理生產線自動化程度及對電源高可靠性要求提高，感應加熱電源正向智能化控制方向發(fā)展。具有計算

20、機智能接口、遠程控制、故障自動診斷等控制性能的感應加熱電源正成為下一代發(fā)展目標。(5)由于感應加熱用電源一般功率都很大，目前對它的功率因數(shù)，諧波污染word文檔可自由編輯指標還沒有具體要求。但隨著減少電網無功及諧波污染要求的提高，具有高功率因數(shù)(采用大功率三相功率因數(shù)校正技術)及低諧波污染電源必將成為今后發(fā)展趨勢。(6)當今高新技術飛速發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，感應加熱是一個重要的研發(fā)和加工手段。因此，感應加熱電源是某些高新技術研發(fā)中心不可缺少的裝備?？梢钥隙ǖ恼f，隨著科學技術的發(fā)展，感應加熱電源在高新技術領域會有更廣泛的應用。在這一領域，對感應加熱電源的可靠性和可控性要求更高。如何設計制

21、造大功率超高頻、高性能的感應加熱電源，是電力電子科技工作者的重要課題2-3。word文檔可自由編輯第2章感應加熱電源的結構及工作原理2.1基本工作原理感應加熱是利用導體處于交變電磁場中產生感應電流（渦流）所形成的熱效應使導體本身發(fā)熱。根據(jù)不同的加熱工藝要求，感應加熱采用的電源的頻率有工頻（5060Hz）、中頻（6010000Hz）和高頻（高于10000Hz）。感應加熱的物體必須是導體，感應加熱能在被加熱物體內部直接生熱，因而熱效率高，升溫速度快，容易實現(xiàn)整體均勻加熱或局部加熱（包括表面加熱）。感應加熱是利用交流電建立交變磁場產生渦流對金屬工件進行感應加熱的?；竟ぷ髟砣鐖D2.1所示，圖中A為

22、感應線圈（也稱負載線圈），B為被加熱的金屬工件。若線圈A中通以交流電流i1,則在線圈A內產生隨時間變化的磁場，置于交變磁場中的被加熱工件B要產生感應電動勢02,形成渦流i2,這些渦流使金屬工件發(fā)熱，消耗電能。由上可知，感應加熱是靠感應線圈把電能傳遞給要加熱的金屬工件，然后在金屬內部轉變?yōu)闊崮?，感應線圈與被加熱金屬不直接電接觸，能量是通過電磁感應傳遞的。BA圖2-1感應加熱基本原理dt由電磁感應定律可知，感應電動勢02為:(2-1)word文檔可自由編輯設磁通中對時間t按正弦規(guī)律變化，即GGmsincot則e2=-6Mccoscot=；，M，sin(-t90)=EM2sin(ot+90)(2-2

23、)其中感應電動勢的幅值為：Em2=8中m=2徘mf為了要使金屬工件加熱到一定的溫度，必須要求金屬工件內有足夠大的渦流，亦即要求金屬工件內有較大的電動勢e2,從式(2-2)可知，要增大e2有如下兩種途徑：(1)增大線圈A中的電流i1。增大i1即增大金屬工件中的交變磁通的最大值Gm。(2)增大線圈中電流ii的頻率。因為金屬工件中的感應電動勢e2正比于磁通變化率，所以ii的頻率越高，感應電動勢為就越大。近代感應加熱廣泛采用中頻及高頻電源的原因就在于此，也是成為感應加熱電源研究的方向和追求的必然。2.2感應加熱電源的基本結構隨著電力電子學及功率半導體器件的發(fā)展，感應加熱電源拓撲結構經過不斷的完善，已形

24、成一種固定的AC/DC/AC變換形式，基本結構如圖2-2所示。一般由整流器、濾波器、逆變器及一些控制和保護電路組成4。2-2感應加熱電源的基本結構框圖第3章整流電路設計word文檔可自由編輯3.1 整流電路的分類整流電路是電力電子電路中最早出現(xiàn)的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，應用十分廣泛，電路形式各種各樣；按組成的器件可分為不可控、半控和全控三種，按電路結構可分為橋式電路和零式電路，按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路，按變壓器二次側電流的方向是單相或雙相，又分為半波電路和全波電路；實用電路是上述的組合結構5。整流電路的實質就是把交流電能轉換為直流電能的電路。3.2 整流電路的選擇半波整流：變壓

25、器的次級繞組與負載相接，中間串聯(lián)一個整流二極管，就是半波整流。利用二極管的單向導電性，只有半個周期內有電流流過負載，另半個周期被二管所阻，沒有電流。這種電路，變壓器中有直流分量流過，降低了變壓器的效率；整流電流的脈動成分太大，對濾波電路的要求高。只適用于小電流整流電路。全波整流：一是變壓器與半流整流電路相同，但用四個二極管組成橋式電路，將次級線圈的正、負半周都用起來；二是變壓器的次級繞組圈數(shù)加倍，中間抽頭，實際上由兩個次級線圈構成。中間抽頭接負載一端，另兩個端子各串聯(lián)一個二極管后接負載的另一端。經常使用的整流電源電路是效率高的全波整流電源電路，僅用電容器作為濾波電路的電路有中心抽頭式和橋式。現(xiàn)

26、在裝有4個整流二極管的橋式整流器能夠很便宜買到，而且變壓器的使用效率也高，所以幾乎都為橋式整流電路6。橋式整流屬于全波整流，三相整流只有全波整流，沒有半波整流。三相全波整流也只有橋式整流。所以在此設計中選用了三相橋式全控整流電路。3.3 三相橋式全控整流電路整流電路采用三相全控橋式整流電路，其作用為將從三相電網輸入的50Hz電壓整流成脈動的直流電壓。word文檔可自由編輯三相橋式整流電路圖如圖3-1所示圖3-1橋式全控整流電路晶閘管VT1、VT3、VT5接成共陰極，晶閘管VT4、VT6、VT2接成共陽極,并與變壓器和負荷分別構成兩個三相半波可控整流電路，兩個三相半波可控整流電路串聯(lián)就構成三相橋

27、式全控整流電路，如圖3-2所示。圖3-2相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路的輸出電壓為三相半波可控電路的兩倍三相橋式全控整流電路的輸出電壓為：Ud=2.34J0cosa(3-1)式中：Ud輸出直流電壓平均值;word文檔可自由編輯Uo電網相電壓；a觸發(fā)移相角。當口=0時，對于共陰極組的晶閘管依次觸發(fā)陰極電位最高的晶閘管，對于陰極組的晶閘管組依次觸發(fā)陰極電位最低的晶閘管，使晶閘管導通。把一個周期平均分為6段，如圖3-3,3-4,3-5,3-6所示。圖3-3a=00俞出電壓波形在VT1段內，a相電壓最高，電流從變壓器a相繞組流出，經過VT1負荷和VT6（在此段內，b相電壓最低，共陽極組的晶閘管

28、VT6正處于導通狀態(tài)），回到變壓器b相繞組。a相繞組內的電流為正，b相繞組內的電流為負。負荷電壓Ud=Uabo在VT4段內，a相電壓仍然最高，晶閘管VT1繼續(xù)導通，電流從a相繞組流出，經過VT1負荷和VT2。晶閘管VT6承受反向電壓而關斷，所以電流回到c相繞組。b相繞組內的電流為正，C相繞組內的電流為負。負荷電壓Ud=Uacoword文檔可自由編輯圖3-.4a=300俞出電壓波形在VT1和VT4段內，由于負荷的電感量較大，流過VT1的電流也保持不變。在VT3段內，b相電壓最高，晶閘管VT3因得到觸發(fā)脈沖而導通，由于b點電位高于a點電位，所以晶閘管VT1因承受反向電壓而關斷。電流從b相繞組流出。

29、在這一段內，c相電壓仍然最低，品閘管VT2繼續(xù)導通。負荷電壓Ud=Ubco圖3-5&=600俞出電壓波在VT6段內，VT3和VT4導通，Ud=Uba。在VT5段內,VT4和VT5導通，Ud=Uca。在VT2段內，VT5和VT6導通，Ud=Ucb。word文檔可自由編輯圖3-6a=900俞出電壓波形上圖是不同a時的輸出電壓波形給出了在感性負載電流非斷續(xù)的狀態(tài)下，不同a角下的輸出電壓的波形,其中a>90二的狀態(tài)稱為整流橋的逆變工作狀態(tài),其實質是負載向電網反饋能量網。3.4 整流電路的參數(shù)設計二極管電壓額定值Urrm;二極管的耐壓可按式(3-2)確定，根據(jù)電網電壓，考慮到其峰值、電壓波

30、動等因素。取波動系數(shù)為1.3,安全系數(shù)口=1.5。VrrmUacM拒M1.3MU(3-2)由于交流側電壓Uac為380V,代入上式，可得：Vrrm之Uac父衣父1.3父"=380父亞父1.3父1.5=1047.774/(3-3)(2)確定電流額定值I:整流二極管的電流額定值是根據(jù)其結溫而確定的，可按式(3-4)來確定：12t之IRta(3-4)式中：Ir沖擊電流值；a安全系數(shù)，取a=2;將上式變形為：word文檔可自由編輯(3-5)I_Ir=2i.3In=2115.831.3=213A需要說明的是，由于有Vch的存在，在開始啟動時，可以使其占空比很小，這樣幾乎沒有沖擊電流，所以實際上

31、二極管的耐流可以更小。(3)Vch的選取；Vch的耐壓和耐流與整流二極管是相同等級的。由于頻率較高，所以要選擇GTR、MOSFET、IGBT等工作頻率較高的自關斷器件。(4)電力電容的計算；因為是6個脈動整流波動，50Hz電網輸入。周期為20ms,所以每個波動的時間為20/6%4ms,根據(jù)公式(3-6)可以得到：Q=CMAU=I大(3-6)式中，取I=115.83A,t=4ms,AU=600V，得到：C=772.2仙F可以選取3000仙F/400V的電容4個串聯(lián)，這樣實際的容量為750pF,耐壓為1600V。word文檔可自由編輯第4章逆變器的選擇4.1 串并聯(lián)諧振電路的比較感應加熱逆變電源又

32、分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種：串聯(lián)諧振型電壓源逆變器和并聯(lián)諧振型電流源逆變器14。其主電路結構及工作波形如圖4-1所示。由于并聯(lián)諧振型的感應加熱電源易于實現(xiàn)保護，因此，并聯(lián)諧振型電流源逆變器更優(yōu)于用聯(lián)諧振型電壓源逆變器。然而，在采用IGBT的電流源逆變器中，由于存在一個不可忽視的換相電感，會使逆變器產生浪涌電壓，從而使器件的開關損耗增加，甚至引起功率器件的擊穿。對此，將采用電流源逆變器最佳相角控制方案來解決這個問題。并聯(lián)諧振串聯(lián)諧振圖4-1逆變器主電路結構并聯(lián)諧振式電源采用的逆變器是并聯(lián)諧振逆變器，其負載為并聯(lián)諧振負載。通常需電流源供電，在感應加熱中，電流源通常由整流器加一個大電感構成。由于電感

33、值較大，可以近似認為逆變器輸入端電流固定不變。交替開通和關斷逆變器上的可控器件就可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電流，其電流幅值取決于逆變器的輸入端電流值，頻率取決于器件的開關頻率。用聯(lián)諧振式電源采用的逆變器是用聯(lián)諧振逆變器，其負載為串聯(lián)諧振負載。通常需電壓源供電，在感應加熱中，電壓源通常由整流器加一個大電容構成。由于電word文檔可自由編輯容值較大，可以近似認為逆變器輸入端電壓固定不變。交替開通和關斷逆變器上的可控器件就可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電壓，其電壓幅值取決于逆變器的輸入端電壓值，頻率取決于器件的開關頻率。串聯(lián)諧振逆變器和并聯(lián)諧振逆變器的差別，源于它們所用的振蕩電路不同，前

34、者是用L、R和C串聯(lián)，后者是L、R和C并聯(lián)；(1)串聯(lián)諧振逆變器的輸入電壓恒定，輸出電流近似正弦波，輸出電壓為矩形波，換流是在晶閘管上電流過零以后進行，因而電流總是超前電壓一小角。并聯(lián)諧振逆變器的輸入電流恒定，輸出電壓近似正弦波，輸出電流為矩形波，換流是在諧振電容器上電壓過零以前進行，負載電流也總是越前于電壓一小角。這就是說，兩者都是工作在容性負載狀態(tài)。(2)串聯(lián)諧振逆變器在換流時，晶閘管是自然關斷的，關斷前其電流己逐漸減少到零，因而關斷時間短，損耗小。在換流時，關斷的晶閘管受反壓的時間較長。并聯(lián)諧振逆變器在換流時，品閘管是在全電流運行中被強迫關斷的，電流被迫降至零以后還需加一段反壓時間，因而

35、關斷時間較長。相比之下，串聯(lián)諧振逆變器更適宜于在工作頻率較高的感應加熱裝置中使用。(3)串聯(lián)諧振逆變器起動較容易，適用于頻繁起動工作的場所；而并聯(lián)諧振逆變器需附加起動電路，起動較為困難，起動時間長。至今仍有人在研究并聯(lián)諧振逆變器的起動問題。串聯(lián)諧振逆變器品閘管暫時丟失脈沖，會使振蕩停止，但不會造成逆變顛覆。而并聯(lián)諧振逆變器晶閘管偶爾丟失觸發(fā)脈沖時，仍可維持振蕩。(4)串聯(lián)諧振逆變器并接大的濾波電容器，當逆變失敗時，浪涌電流大，保護困難。但隨著保護手段的不斷完善以及器件模塊本身也有自帶保護功能，串聯(lián)諧振逆變器的保護不再是難題。并聯(lián)諧振逆變器用接大電抗器，但在逆變失敗時，由于電流受大電抗限制，沖擊

36、不大，較易保護。(5)串聯(lián)諧振逆變器感應線圈上的電壓和補償電容器上的電壓，都為諧振逆變器輸出電壓的Q倍。當Q值變化時，電壓變化比較大，所以對負載的變化適應性差。流過感應線圈上的電流，等于諧振逆變器的輸出電流。并聯(lián)諧振逆變器的感應線圈和補償電容器上的電壓，都等于逆變器的輸出電壓，而流過它們的電流，則都是逆變器輸出電流的Q倍。逆變器器件關斷時，將承受較高的正向電壓，器件的電壓參數(shù)要求較高。word文檔可自由編輯（6）串聯(lián)諧振逆變器的感應加熱線圈與逆變電源（包括補償電容器）的距離較遠時，對輸出功率的影響較小。而對并聯(lián)諧振逆變器來說，感應加熱線圈應盡量靠近電源（特別是補彳§電容器），否則功率

37、輸出和效率都會大幅度降低。綜合比較申、并聯(lián)諧振逆變器的優(yōu)缺點，決定對串聯(lián)諧振式電源進行研究。在高頻設備中，串聯(lián)諧振型相比并聯(lián)諧振型更具有優(yōu)點：這是因為目前用于高頻的功率開關器件不能承受反壓的原因。若將其用于并聯(lián)逆變電路，由于工作頻率接近于并聯(lián)諧振負載電路的諧振點，其負載電壓接近正弦波，而逆變器的輸出電流為一方波。通常為了可靠換流，換流間負載回路必須提供一定的電壓，以保證被關斷管所在臂的電流能迅速轉移到正在開通的橋臂中去，但換流結束后，這一電壓的存在將使被關斷管承受反壓，而大部分器件都不能承受反壓，若用反并聯(lián)快速二極管予以保護，則會出現(xiàn)環(huán)流損壞器件。因此，每一橋臂必須串入與開關器件相同電壓、電流

38、及功率等級的快速恢復整流二極管，以承受反壓。然而，隨著逆變容量的增大給二極管提出了較高的要求，有時難以滿足。而電壓型中每個橋臂有二極管續(xù)流，只要逆變器的工作狀態(tài)合理，對二極管的反向恢復能力無太高要求，極易滿足。因此，目前在大多數(shù)場合，高頻感應加熱逆變器以串聯(lián)更為流行。4.2 串聯(lián)諧振電源工作原理串聯(lián)諧振逆變器也稱電壓型逆變器，其原理圖如圖4-2所示。串聯(lián)諧振型逆變器的輸出電壓為近似方波，由于電路工作在諧振頻率附近，使振蕩電路對于基波具有最小阻抗，所以負載電流i近似正弦波同時，為避免逆變器上、下橋臂間的直通，換流必須遵循先關斷后導通的原則，在關斷與導通間必須留有足夠的死區(qū)時間。word文檔可自由

39、編輯Dt>2Dq3圖4-2串聯(lián)逆變器結構（a）容性負載（b）感性負載圖4-3負載輸出波形當串聯(lián)諧振逆變器在低端失諧時（容性負載），它的波形見圖4-3（a）。由圖可見，工作在容性負載狀態(tài)時，輸出電流的相位超前于電壓相位，因此在負載電壓仍為正時，電流先過零，上、下橋臂間的換流則從上（下）橋臂的二極管換至下（上）橋臂的MOSFETo由于MOSFET寄生的反并聯(lián)二極管具有慢的反向恢復特性，使得在換流時會產生較大的反向恢復電流，而使器件產生較大的開關損耗，而且在二極管反向恢復電流迅速下降至零時，會在與MOSFET串聯(lián)的寄生電感中產生大的感生電勢，而使MOSFET受到很高電壓尖峰的沖擊當串聯(lián)諧振型逆

40、變器在高端失諧狀態(tài)時（感性負載），它的工作波形見圖4-3（b）o由圖可見，工作在感性負載狀態(tài)時，輸出電流的相位滯后于電壓相位，具換流過程是這樣進行的，當上（T）橋臂的MOSFET關斷后，負載電流換至下（上）橋臂的反并聯(lián)的二極管中，在滯后一個死區(qū)時間后，下（上）橋臂的MOSFET加上開通脈沖等待電流自然過零后從二極管換至同橋臂的MOSFET.由與MOSFET中的電流是從零開始上升的，因而基本實現(xiàn)了零電流開通，其開關損耗很小。另一方面，MOSFET關word文檔可自由編輯斷時電流尚末過零，此時仍存在一定的關斷損耗，但是由于MOSFET關斷時間很短，預留的死區(qū)不長，并且因死區(qū)而必須的功率因數(shù)角并不大

41、，所以適當?shù)乜刂颇孀兤鞯墓ぷ黝l率，使之略高于負載電路的諧振頻率，就可以使上（下）橋臂的MOSFET向下（上）橋臂的反并聯(lián)的二極管換流其瞬間電流也是很小的，即MOSFET關斷和反并聯(lián)二極管開通是在小電流下發(fā)生的，這樣也限制了器件的關斷損耗。上述分析可知，串聯(lián)諧振型逆變器在適當?shù)墓ぷ鞣绞较?，開關損耗很小因而，可以工作在較高的工作頻率下這也是用聯(lián)諧振型逆變器在半導體高頻感應加熱電源中受到更多重視的主要原因之一。4.3 串并聯(lián)諧振逆變器拓撲電路的對偶關系用、并聯(lián)諧振逆變電路由于所接的負載諧振電路不同，所表現(xiàn)的特性不同，它們之間在各種變量的波形、電路的特性、還有電路的拓撲等方面都存在著對偶關系，如表4-

42、4。表4-4串并聯(lián)諧振逆變器對偶關系對偶項串聯(lián)諧振逆變器并聯(lián)諧振逆變器電壓電流波形入端電壓為直流入端電流為直流當工作在負載諧振頻率時，入端電流為全波整流波形當工作在負載諧振頻率時，入端電壓為全波整流波形輸出電壓為方波輸出電流為方波輸出電流為正弦波輸出電壓為正弦波電路特性負載阻抗頻率特性為串聯(lián)諧振特性，因此/、宜空載負載阻抗頻率特性為并聯(lián)諧振特性，因此可以空載逆變器及負載開路保護易逆變器及負載短路保護容易短路及直通保護困難短路及直通保護容易電路拓撲結構入端并聯(lián)電容G（等效電壓源）入端串聯(lián)電感Ld（等效電流源）負載為RLC串聯(lián)電路負載為RLC并聯(lián)電路從上面的表格可以看出，理解和掌握串并聯(lián)逆變器的電

43、壓、電流波形以及電路拓撲結構的對偶關系有助于分析和比較兩種逆變器的工作原理，而了解其電路特性的對偶關系則可以有針對性的設計正確可靠的保護短路。word文檔可自由編輯4.4 串并聯(lián)諧振優(yōu)缺點比較串聯(lián)諧振逆變器和并聯(lián)諧振逆變器優(yōu)缺點比較如表4-5。可以看出，串聯(lián)諧振逆變器的結構簡單，可以采用不控整流，控制方便簡單，采用大電容濾波，當發(fā)生上、下橋臂短路故障時，由于電容電壓不會突變，因此瞬時放電電流將會很大，遠遠超出了功率器件的額定電流，如果不能在器件的允許短路時間內將器件關斷，就會造成器件的永久損壞。因此，需要設置死區(qū)時間，保證開關器件先關斷后導通。串聯(lián)諧振無需平波電感，減小了電源體積和成本，啟動比

44、較簡單，可以自激工作，也可以他激工作。開關器件承受的反壓比較小，這一特點正是IGBT、MOSFET等器件要求的。一般這些器件內部都集成有反并聯(lián)二極管，非常適合于用聯(lián)諧振逆變器。補償電容要求耐壓高，采取適當措施可以降低補償電容上的電壓。串聯(lián)諧振逆變器對負載槽路布線工藝的要求較低，調試比較簡單。表4-5串并聯(lián)諧振優(yōu)缺點比較串聯(lián)諧振逆變器并聯(lián)諧振逆變器結構簡單結構較復雜控制較簡單控制相對復雜可米用不控整流需米用可控整流不宜空載，需加空載保護可以空載無短路保護能力，需加短路保護拓撲本身具有短路保護能力開關器件同時流過有功和無功電流開關器件只流過有功電流小需平波電感，體積較小，成本低需平波電感，體積較大

45、，成本局啟動容易，可以自激或他激工作啟動困難，啟動時間長功率器件反并聯(lián)二極管，無需外接二極管需要大功率局頻一極需高耐壓諧振電容，尤箕是Q值較大時沒有高壓危險對負載槽路布線工藝要求比較低，不會影響功率和效率負載槽路布線工藝要求比較高，感應器和補償容的引線不能過長綜合比較串聯(lián)諧振逆變器和并聯(lián)諧振逆變器的優(yōu)缺點，同時為了設計和布線的簡便，本課題選用串聯(lián)諧振逆變器電路拓撲。word文檔可自由編輯第5章控制電路設計5.1 控制電路系統(tǒng)的概述感應加熱對其電源提出了一定的技術要求，感應加熱電源的控制系統(tǒng)就是根據(jù)這些要求來設計和實現(xiàn)的。在生產過程中，根據(jù)不同的工藝，中頻電源不僅要輸出各種不同的功率，而且還需要

46、在各種擾動下維持和調整各種指標。例如鍛坯加熱時，為保證工件的出口溫度，電源必須具有電壓自動調節(jié)的能力，以適應電網電壓的波動的影響。另外，在感應加熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下，電路中會出現(xiàn)過電流和過電壓，控制系統(tǒng)中保護部分應該負責故障的處理。因此，與其他自動裝置一樣，中頻電源必須具備相應的控制功能，才能有可靠的工作和產品質量的保證。隨著加熱工業(yè)的發(fā)展和新產品的生產工藝的變化，對感應加熱電源的控制系統(tǒng)功能的要求也更加的多樣化和智能化。5.2 控制電路的結構與原理控制電路包括整流控制電路，逆變控制電路，保護電路等，如圖5-1所示。整流控制電路的任務是根據(jù)各種輸入信號（給定，反饋，故障等）綜合情況發(fā)出寬度合適

47、的脈沖，以便輸出合適的直流電壓。感應加熱電源主要用于工業(yè)快速，均勻加熱，特點是隨著加熱過程的進行，負載不斷變化，負載的固有諧振頻率變化，功率因數(shù)變化。這些變化取決于負載的電氣特性如導電性、滲透性、耦合系數(shù)和幾何性質如形狀等等；同時，不同的負載需要的功率大小也不同，這樣必須對逆變器的輸出功率和頻率都做相應的調整。也就是說，整流側和逆變側是協(xié)調工作的。在本設計中采用的是由整流側調節(jié)功率，逆變側進行頻率跟蹤方案。整流橋的控制一般用典型的全可控整流（在不要求移相調節(jié)直流側電壓時）或可控整流（需要調節(jié)直流側電壓時），具體用哪一種取決于控制策略。word文檔可自由編輯圖5-1感應加熱電源控制電路逆變控制電

48、路包括開關器件的驅動電路，死區(qū)形成電路，鎖相環(huán)電路。其中，驅動電路所產生的脈沖的次序和占空比由控制策略決定，硬件主要是由集成驅動模塊及其一些外圍電路組成，也有用純模擬電路搭成的，還可以是數(shù)字與模擬電路共同合成。死區(qū)形成電路在串聯(lián)諧振型中是必不可少的，有的集成驅動模塊中含有該單元，在設計時就可以省略；有的雖然含有一定的延遲環(huán)節(jié)，但時間太短，需要另加延遲。鎖相環(huán)電路的目的是跟蹤負載的諧振頻率，從而控制逆變電路的工作頻率，這就是所謂的鎖相控制。一般采樣電壓取自負載電容兩端，這是由于電容對高次諧波的阻抗小，其端電壓的高次諧波分量最小，基波分量最大。以此信號作為反饋，可有效降低高次諧波的干擾，使系統(tǒng)能穩(wěn)

49、定地跟蹤諧振頻率f。,再加上適當?shù)钠秒娐?，可以使得工作頻率略高于諧振頻率。保護電路主要是防word文檔可自由編輯止過電流，短路保護。功率調節(jié)方式有三種：(1)改變功率因數(shù)通過改變工作頻率來改變功率因數(shù)。通常，為減小器件開關損耗，工作頻率應大于諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點附近負載等效阻抗最低，如圖5-2所示，電流最大，因而輸出功率也最大。圖5-2等效阻抗的頻率特性圖5-3移相控制開關動作當提高工作頻率時阻抗也隨之增大，電流減小，功率因數(shù)也減小，因此輸出功率隨之減小。由此可見，逆變器的輸出功率可由工作頻率來調節(jié)，特別當負載回路Q值較高時調節(jié)更靈敏。因此，直流端可為三相全控整流電源

50、。逆變電路的工作頻率f的大小由所需的功率要求決定。這種調功方法速度快，整流電路簡單,但是當所需功率很小時，會讓系統(tǒng)工作在嚴重失諧的狀態(tài)，無功損耗大。(2)改變直流電壓移相調功是通過移相控制，即每個橋臂的兩個開關管180二互補導通，兩個橋臂的導通角相差一個相位，即移相角，通過調節(jié)移相角的大小調節(jié)負載電壓的寬度，從而調節(jié)輸出功率，如圖5-3所示。根據(jù)脈沖的作用先后可把橋臂分為超前臂(Q1,Q3)和滯后臂(Q2、Q4)。移相調功時電路仍工作在諧振狀態(tài)，實現(xiàn)負載電壓基波分量與負載電流同相。在兩橋臂開關器件都關斷時，由反并聯(lián)二極管續(xù)流。(3)調頻來調節(jié)輸出功率目前，高頻感應熱處理電源采用橋式逆變電路，通

51、過調頻的方式來調節(jié)輸出功率。為了減小逆變管的開關損耗，逆變器的工作頻率大于具諧振頻率。若逆變word文檔可自由編輯器的工作電壓不變，則在諧振點附近的輸出功率最大，當提高逆變器工作頻率時，負載等效阻抗增高，輸出功率減小，輸出功率因數(shù)很低，而且逆變器主開關管工作在硬開關狀態(tài)，開關損耗大，效率低。高頻感應熱處理逆變電源采用并聯(lián)諧振式全橋DC/AC逆變電路，以晶閘管為主開關器件，由電流調節(jié)和功率調節(jié)組成雙閉環(huán)進行功率調節(jié)，用頻率跟蹤電路控制逆變器的工作頻率，使逆變器始終工作于諧振狀態(tài)，逆變器輸出功率因數(shù)接近于1,而且能始終工作在準零電流開關狀態(tài)、整機工作效率較高。5.3 控制電路的作用感應加熱電源的控

52、制電路必須至少起著以下作用：(1)調節(jié)控制電路必須對整流電路、逆變電路等系統(tǒng)主電路部分進行功能控制。對于整流電路、逆變電路必須在各種擾動下維持系統(tǒng)各參量(如電流、輸出電壓等)不偏離其設定值。(2)上述各參量因各種故障而超出其設定的極限值時，控制電路應將調節(jié)器封鎖，使整流電路轉入逆變工作狀態(tài)。(3)是為了達到調節(jié)和保護等目的，系統(tǒng)必須具有對各種參量進行測量和監(jiān)視的能力。例如對冷卻水的壓力、水流量、水溫，控制柜中的氣溫，中頻電壓和電流等參量的測量和監(jiān)視。(4)中頻加熱電源的負載頻率必須要實現(xiàn)自動跟蹤功能。(5)控制為了協(xié)調各部分工作，保證整個電源能按照預定的程序正常運行，系統(tǒng)必須具有嚴密的控制操作

53、。但是，與其他自動裝置相比較，中頻電源對各項調節(jié)品質指標的要求(動態(tài)的和靜態(tài)的)相對要低一些。而動態(tài)指標與靜態(tài)指標相比，后者是主要的。前者僅限于電源在擾動下不至于失去控制。5.4 控制策略直到目前為止，工業(yè)中常用的中頻電源仍以并聯(lián)諧振逆變電路為主，功率調節(jié)方式都是采用單獨調節(jié)可控整流器輸出電壓的方法160中頻電源的開環(huán)控制如圖5-4所示。word文檔可自由編輯可控整流Ud濾波電路Ud1d2UNI逆變電路負載電路fTC圖5-4中頻電源開環(huán)原理控制過程如下：整流觸發(fā)控制角調節(jié)器把輸入控制信號5轉換成控制角a?？煽卣麟娐吩陔娋W電壓為Uc的條件下把a轉換成直流輸出電壓Ud；經過濾波電感Ld后，逆變器

54、將輸入直流電壓Ud轉換為頻率為f的中頻電壓Un向負載輸出電能；負載電路將中頻電壓轉換成工件溫度%,改變控制信號Uo即可改變工件溫度又。開環(huán)系統(tǒng)的特點是結構簡單，但是對擾動沒有調節(jié)能力。閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)的原理圖如5-5所示。電壓反饋電路把輸出中頻電壓uh,轉換成反饋電壓Ut（直流）,后者與給定電壓Us相比較，并產生差值電壓AU;電壓調節(jié)器將此差值電壓放大。這樣系統(tǒng)在外界干擾d/口d2的作用下也能維持輸出電壓為恒值。擾動a模擬三相電網電壓的波動；擾動d2模擬由于負載性質變時所引起的阻抗變化，當直流電壓Ud為定值時，負載阻抗變化將引起輸出電壓的變化。圖中另一內環(huán)描述逆變電路具有頻率自動跟蹤的能力。脈沖形

55、成電路將連續(xù)變化的負載電壓換成同步脈沖，作為逆變觸發(fā)電路的控制信號。word文檔可自由編輯培U給定電壓流制調口百整控角節(jié)可控整流壓饋路電反電波路濾電圖5-5中頻電源控制原理經過感應加熱的產品最重要的技術指標就是溫度。還可以通過測量溫度然后作為反饋信號進行控制。中頻輸出功率印與工件溫度Tc之間存在如下關系：CTc-TdG0.24to(5-1)式中：n電源總效率;C鍛件的比熱容；to鍛件加熱時間；G鍛件質量；Td環(huán)境溫度。Ph=UhRh(5-2)式中：uh中頻電壓rh等效電阻word文檔可自由編輯故有:UH2/Tc一兀G(5-3)0.24t0Rh生產過程中若要保持工件的溫度在控制的范圍內，工件的溫

56、度是控制的關鍵因素。由上面的分析可知，調節(jié)中頻電壓UH的值就可達到調節(jié)鍛件溫度的目的。而中頻電壓在生產過程中會發(fā)生波動，且溫度控制具有一定的滯后性，所以，在控制鍛件溫度的控制系統(tǒng)中，一般采用溫度和電壓雙閉環(huán)的方法。溫度和中頻電壓用級控制，溫度閉環(huán)為外環(huán)，電壓閉環(huán)為內環(huán)。系統(tǒng)控制框圖如圖5-6所示。Us+Ur整流控制角調節(jié)器PI調節(jié)PI調節(jié)aUdf可控L_整流濾波電路逆變電路UH負載Tr!電路電壓反饋溫度反饋TrTg圖5-6感應加熱溫度控制系統(tǒng)實際應用中的控制系統(tǒng)外環(huán)根據(jù)用戶給定的設定溫度Tg和反饋的工件溫度Tr進行PI調節(jié)后設定給定電壓值Us,內環(huán)根據(jù)Us和中頻電壓反饋Ur經過PI調節(jié)后通過整流控制角調節(jié)器設定整流的豆角，控制中頻電源的輸出功率。在電壓閉環(huán)和溫度閉環(huán)中都采用了PI調節(jié)器。比例調節(jié)P反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用以減少偏差，較大的比例系數(shù)可以使系統(tǒng)很快到達設定位，但是也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性；積分調節(jié)I用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度；在感應加熱中，熱慣性比電慣性大得多，所以一般忽略微分調節(jié)D,在實際設備中采用PI調節(jié)雙閉