高频感应加热电源

高频感应加热电源 毕业设计( 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ) 题 目 高频感应加热电源 设计与仿真研究 专 业 自 动 化 班 级 自 053 班 学 生 王 强 指导教师 孙 强 教 授 2009 年 第1章 概 述 感应加热是利用电磁感应原理，使处于交变磁场中的金属材料内部迅速感应出很大涡流，从而使加热材料升温直到熔化，完成将电能转换成热能对被加工工件进行加热的。由于是从工件内部，即从工件的电流透入深度层开始加热的，因此大大节省了热传导时间，加热速度快金属 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面氧化层薄，金属烧损少，生产效率高可以根据不同的工艺要求，对工件进行局部或整体加热，而且对加热深度和加热温度都比较容易控制，一般只需控制加热时间和电压，温差可保证在士0.5-1以内，而热效率可高达 50-60并且感应加热设备可以随时开停，不需电极或填加燃料，容易实现机械化和自动化。在人类环保意识不断增强的今天，感应加热的无污染、无噪音、作业的环境条件的改善使它具有被广泛推广应用的巨大优势。1.1 感应加热的现状与发展趋势1.1.1 感应加热的现状 国外感应加热技术现状:目前，在低频感应加热场合普遍采用传统的工频感应炉。国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件的透热或数百吨的钢水保温。 在中频150Hz,lOKHz范围内，晶闸管感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器，国外的装置容量已达数十兆瓦。 在超音频10,100KHz范围内，早期基本是空白，晶闸管出现以后，一度曾采用晶闸管以时间分割电路和倍频电路构成的超音频电源。 八十年代开始，随着一系列新型功率器件的相继出现，以这些新型器件主要有 G TO GTR MCT IGBT BSIT 和 SITH构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热电源逐渐占据了主导地位，其中以 IGBT 应用最为普遍，这是因 IGBT 使用起来方便可靠，很受电路设计者的欢迎。1994 年日本采用 IGBT 研制出了 1200KW/50KHz 的电流型感应加热电源? 姹淦鞴ぷ饔诹愕缪箍 刈刺 迪至宋? 刂啤,贰?赖厍 钠渌 恍? 胰缬? ?ü ?鹗康鹊南盗谢 羝蹈杏 尤鹊缭匆泊锸 偾 摺?在高频100KHz 以上领域，国外目前正处于从传统的电子管振荡器向 固 态 电 源 的过 渡 阶 段 。以 日 本 为 例其 电 子 管振 荡 器 的 水平为 5,1200KW/100 - 500KHz，而采用 SIT 的固态高频感应加热电源的水平可达400KW/400KHz，并且在 1987 年就己开始研制 1200KW/200KHz 的 SIT 电源。欧美各国采用 MOSFET 的高频感应加热电源的容量正在突飞猛进，例如，德国的电子管高频电源水平约为 1100KW，而其在 1989 年研制的电流型MOSFE 感应加热电源的容量已达 480KW/50 ,200KHz，比利时的 InductoElphiac 公司生产的电流型 MOSFET 感应加热电源的水平可达 1MW/15 ,600KHz，美国应达公司已经推出 2000KW/400KHz 的 MOSFET 高频感应加热电源。 国内感应加热技术现状: 我国感应加热技术从 50 年代开始就被广泛应用于工业生产当中。60 年代末开始研制晶闸管中频电源。到目前已经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了较为广阔的应用市场。 在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，己经形成了 500 ,8000Hz/100 ,3000kW 的系列化产品。但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，因此在开发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的同时，尽快研制出结构简单，易于频繁启动的串联谐振逆变中频电源也是中频领域有待解决的问题。 在超音频领域的研究工作八十年代已经开始。浙江大学采用晶闸管倍频电路研制了 50kW/50kHz 的超音频电源，采用时间分隔电路研制了 30KHz的晶闸管超音频电源。从九十年代开始，国内采用 IGBT 研制超音频电源。浙江大学研制开发的 50kW/50kHz 的 IGBT 超音频电源已经通过浙江省技术鉴定。总的来说，国内目前的超音频电源研制水平大致为 500kW/50kHz， 【5】与国外的水平相比还有一定的差距。1.1.2 感应加热电源的发展趋势 (1)大功率、高频率 电力半导体器件的大容量与其使用频率有着密切的关系。早期的晶闸管和晶体管由于受到容量与频率相互制约的影响，不能同时获得大功率、高频率的效果。随着新型器件的发展，如 MOSFET，IGBT，MCT 等，未来的感应加热电源必将朝着大功率和高频率两者相统一的方向发展，在这方面仍有许多基础应用技术需要进一步探讨。 (2)低损耗、高功率因素 新型功率器件的通态电阻小，通态压降小，所以在搞破工资条件下，损耗主要表现在基极或门极驱动电路的损耗及器件的开关损耗上。 随着功率器件的发展，再加上驱动电路的不断完善和优化，使得整个装置的损耗明显降低。另外，由于感应加热电源一般功率都很大，随着整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因素的电源将是今后的发展趋势。目前谐振技术的引入，一方面降低了电源中开关器件的开通和关断损耗，同时利用锁相技术将逆变器的共作频率锁定在槽路 3)固有的谐振频率内，使得该电源能始终运行在负载功率因素接近为 1 的状态。 (自能化、复合化 自能化指的是功率半导体集成电路本身，包括过电压 、欠电压、过电流、过热等检测与保护功能。复合化指的是一个功率模块内除了一个或多个功率器件芯片外，还包括相同数量的二极管等，在较小功率模块内也出现了保护电路与功率器件集成一体的电路。因此，采用自能化与复合化的集成电路将使元器件数量减少，自动组装降低了成本，电路本身具有诊断与保护等功能而提高了可靠性。随着感应加热生产线自动化控制程度及对电源可靠性的提高，感应加热电源正朝着智能化控制方向发展，有计算机智能接口远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展的目标。 (4)应用范围扩大化 采用感应加热电源方法对锻造钢坯透热，节水节电、无污染;铸造熔炼方面可以实现普通钢、特种钢、非金属材料的精细熔炼，同时课提高效率、无污染，金属成分可控;感应钎焊效率高，对被焊母材无损伤，适用于精度高、批量大的工件和体积大、难移动的母材局部钎焊及各类金属材料的焊接;各类零部件的表面热处理大量采用感应加热方法;钢塑材料制造、钢塑薄膜加工以及食品工业、医药工业的封口工艺也大了 【10】采用感应加热的方式 。1.2 感应加热的工作原理 感应加热工作原理如图 1-1 所示。感应加热依靠交变磁场对加热材料的涡流作用。将一金属导体外面套上一个匝数为 N 1 的线圈，当交变电流 i 1 流入感应线圈，感应圈内就会产生交变磁通 Φ，使感应圈中的工件受到电磁感应而产生感应电势 e。设工件的等效匝数为 N 2 。 则线圈内工件受电磁感应产生涡流感应电势: dφ e N 2 (1-1) dt 若磁通 φ 若呈现正弦规律变化: φ φ m sinωt 则有: dφ e N 2 N 2φ m ωcosωt (1-2) dt e 的有效值为: E ? 4.44 N 2φ m (V) (1-3) Φ i1 图 1-1 感应加热的工作原理 感应电势 E 在工件内产生涡流电流 Ι 2 ， Ι 2 使工价内部开始加热，产生焦耳热: Q 0.24Ι 2 Rt (卡) 2 (1-4) 式中 Ι 2 ——感应电流有效值(安) R——工件等效电阻(欧) t——时间(秒) 由式(1-4)知，当工价材料一定(R 一定)，要获得更高的热量 Q，需要提高感应电流 Ι 2 ，进而要提高感应电势 E。对于一确定装置其感应线圈匝数已定，要提高感应电势 E，可以采用提高交变电流 i 1 或电源频率的方法。 亦即:工件要获得一定的加热功率，电源频率要高，所需的感应线圈电流, 1 可越小。 金属中产生的功率为: P EI cos Φ 4.44 fN 2 Φ m I cos Φ (1-5) 另外，感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强度有关，而且与工件的截面积大小、截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁等特性有关。 在感应加热设备中存在着三个效应一一集肤效应、邻近效应和圆环效应: 集肤效应:当交流电通过导体时，沿导体截面上的电流分布是不均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象称为集肤效应。 邻近效应:当两根通有交流电的导体靠的很近时，在互相影响下，两导体中的电流要重新分布，这种现象称为邻近效应。 圆环效应:若将交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应。 在感应线圈中置以金属工件，感应线圈两端加上交流电压，产生交流电流, 1 ，在工件中产生感应电流 i 2 。此两电流方向相反，情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。当电流, 1 和感应电流 i 2 相互靠拢时，线圈和工件表现出邻近效应，结果，电流, 1 集聚在线圈的内侧表面，电流 i 2 聚集在工件的外表面。这时线圈本身表现为圆环效应，而工件本身表现为集肤效应。 交变磁场在导体中感应出的电流亦称为涡流。工件中产生的涡流由于集肤效应，沿横截面由表面至中心按指数规律衰减，工程上规定，当涡流强度从表面向内层降低到其数值等于最大涡流强度的 0.368，该处到表面的距离?称为电流透入深度。由于涡流所产生的热量与涡流的平方成正比，因此由表面至芯部热量下降速度要比涡流下降速度快的多，可以认为热量85-90集中在厚度为?的薄层中。透入深度?由下式确定: 2 ρ / uω ρ / πu 0 u r f 1-6 式中: ρ ——工件电阻率 m u 0 ——真空磁导率， 4π × 10 7 工件磁导率H/m u r ——工件相对磁导率 ω ——角频率rad/s f ——频H/m u —— 率HZ 将 u 0 和 π 的数值代入，即可得公式: ? 50300 ρ / u r f (mm) (1-7) 从上式可以看出，因当材料电阻率、相对磁导率给定后，透入深度?仅与频率 f 平方根成反比，此工件的加热厚度可以方便的通过调节频率来加以控制。频率越高，工件的加热厚度就越薄。1.3 影响感应加热电源发展的主要因素 影响感应加热电源发展的因素主要有以下几点: 1感应加热电源的发展与电力电子学及半导体器件的发展密切相关。一代又一代的电力半导体器件先后问世，性能不断改善，高耐压和高耐流、低损耗使得感应加热电源的性能和实用性得到了体现。 2单片机、微型计算机技术和集成芯片技术的发展使得对感应加热电源的复杂控制成为可能，体积和重量明显减小，功率因数提高了，功率控制调节方便、准确。 3感应加热电源的发展离不开材料学的进步，譬如磁性材料学。同时，一些相关的技术如感应线圈的材料及设计、绝缘技术、故障诊断技术、远程控制和智能化技术等等也都影响其发展.可以说，感应加热电源的发展是诸多学科和综合技术共同决定的。1.4选题背景、意义和任务1.4.1课题研究背景和意义 自从工业上开始使用感应加热技术以来，感应加热理论和感应加热装置都有很大的发展，应用范围也越来越广。随着我国电力供应的改善，环保要求的提高，发展和扩大感应加热的规模是必然的趋势。 目前国内固态高频感应加热电源还处于研究阶段随着频率的提高，感应加热电源的研制遇到很多有待解决的问题，如如何改善开关器件在高频下开关环境，使逆变器在现有条件下提高工作频率;如何提高整机容量，使其朝着高频率、大功率的方向发展，针对逆变桥输出功率现有的调节方式，如何达到集拓扑简单化、高功率因素等优点于一身等。1.4.2课题研究的主要任务 本文以串联感应加热电源为主要研究对象，对其各种功率调节方式的优缺点进行了比较，并对选定的功率调节方式和电路的工作过程进行了详细的分析。在分析锁相环稳定性的基础上，分析了整个系统的稳定性。对 主回路进行了计算机仿真并给?隽巳非械牟问 扑恪?第二章感应加热技术分析 感应加热电源实质上是一种AC-DC-AC的变压变频装置。其主电路基本结构如图2-1所示，包括整流电路、滤波电路和逆变电路三大部分，辅助一些控制电路和保护电路。工作时，三相或单相的工频交流电经整流器整流并经滤波器滤波后成为平滑的直流电，送入逆变器中，把直流电压变为所需频率的交流电压供给负载。感应加热电源的负载是由感应线圈和被加热物体一起组成的，功率因数较低，为了提高功率因数，采用连接电容器来补偿无功功率。而为了减小开关损耗又常采用谐振软开关技术，实现零电压或零电流开关。这样根据补偿电容与负载感应线圈连接方式的不同，可以将逆变电路分为并联谐振电路和串联谐振电路两大类。 AC DC AC DC 整流 滤波 逆变 负载 控制及 保护 图2-1系统主电路基本结构2.1负载分析 感应线圈通以交变电流，产生磁场，在工件内感应出电流。它可等效为变压器，线圈为原边，被加热工件为副边，且其副边为单匝短路的，可以将感应加热电源的负载表示为如图2-2所示。当感应圈通入交变电流时，就会产生磁场，由于感应圈与被加热工件之间存在气隙，一部分磁通会穿过工件，称为主磁通;另一部分磁通没有通过工件，称为漏磁通。漏磁通的大小是由于工件与感应圈的气隙大小决定的。 R1 M L1 L2 R2 图2-2负载的变压器模型 上图中 R1 为初级线圈即感应线圈的电阻， L1 为初级线圈的电感; R2为次级线圈即被加热工件的电阻， L2 为次级线圈的电感:M为互感。按变 压 器 的 原 理 可 以 画 出 它 的 等 效 电 路 ， 如 图 2-3 所 示 。 中X 1 jω L1 M ，它代表感应线圈的漏磁通引起的电抗; X m jωM ，它图 代表主磁通引起的互感抗; X 2 jω L2 M ，它代表工件中涡流引起的漏磁通所导致的漏感抗。 X1 X2 R1 Xm R2 图2-3负载等效电路 感应加热的负载虽然相当于一个变压器，但它的参数却与普通的变压器有很大不同。由于工件与感应线圈之间存在一定的间隙，所以原边的漏磁很多。其次，在加热过程中， X 1 X 2 X m R2 的变化都很大。为分析方便，可把图2-3的电路等效成图2-4电阻与电感串联的形式。其中品质因素: QL Rs Q (2-1) PL X S 由(2-1)式可知，Q值于等效后的线圈参数 Rs ， X s 有关，而影响 R1这两个参数的因素包括感应线圈的电感和电阻，工件的电感和以及外加频率等。通常Q值很低，为了提高 Xm负载电路的功率因素，可在负载上并联或者串联电容已提高其功率因素。 图2-4串联等效电路2.2串联谐振槽路 如前所示，为了提高负载电路的功率因素，通常在负载上并联或者串联电容已提高其功率因素，电容与负载串联也就构成了串联谐振电路，电感线圈以电阻与电感串联的等效形式表示，则串联振荡电路如图2-5所示，由图可见，负载阻抗为: R L C 图2-5串联谐振电路 1 Ζ R j (ω L ) R j(Χ L Χ C) R jΧ (2-2) ωC 1 2 Ζ R 2 Χ L Χ C) R 2 ωL ( 2 ( ) (2-3) ωC在 Im 〔 Zjω 〕 , 0 时产生串联谐振，设谐振角频率为 ω 0 ，则 ω0 L 1 0 即 ω0 1 (2-4) ω0 C LC 由于 ω 0 2 π 0 故 0, 1 (2-5) 2π LC谐振时电路各参数如下: 等效阻抗: Ζ Ζ 0 R (2-6) U 谐振电流: Ι Ι 0 (2-7) R 电容 C、电感 L 上的电压: U C U L QU (2-8) 谐振电路的品质因数: ω0 L 1 Q (2-9) R ω 0 CR 可见，谐振时外电源电压全部加在电阻上，此时电感上的压降和电容上的压降大小相等，方向相反，它们的值是电源电压的Q倍，所以，串联谐振也称为电压谐振。2.3主电路拓扑结构选择 目前感应加热用逆变器通常采用全桥串联逆变器与全桥并联谐振逆变器，对其工作原理在此不做赘述，高频工作条件下串联逆变器与并联逆变器的区 别: 并联逆变器在换流期间，会在开关器件的两端产生较高的电压，而使得开关器件损坏。 并联谐振逆变器对槽路布线的要求较高，而串联谐振逆变器对布一线的要求较低，负载引出线的电感只会引起负载回路中电感量大小的变化，而不会影响它的结构。 并联谐振逆变器的起动比较困难，需对滤波大电感预充电，起动控制电路相对复杂。而串联谐振逆变器起动较简单，它既可以自激起动，也可以它激起动。 并联逆变器在发生故?隙搪肥保 捎诖蟮绺械淖饔枚 拗频缌髟龃螅 冉先菀资迪直;ぁ, 痴衲姹淦髟诜? 收隙搪肥保 捎电容电压不能突变，因此，瞬间放电电流会很大，可能会损坏器件，需外部的保护电路来切断驱动信号源使器件关断。 并联谐振逆变器对负载电路的补偿电容的耐压要求不高，只要达到逆变器的输入直流电压值即可。串联谐振逆变器对负载电路的补偿电容的耐压要求较高。 适用于高频感应加热主电路拓扑结构的还有其它种类的逆变器，比如 E 类谐振和双 E 类谐振，虽然它们对开关器件的频率要求较低，能谐振在 l.1Hz 左右，但是当负载阻抗大于正常设计阻抗时，它们的工作状况极为不可靠，甚至导致逆变器的损坏，另外，此类变换器开关管承受的电压和电流应力相当高。 综仁所述，本课题研究串联谐振逆变器做为主电路拓扑结构，电压源由整流器加一个大的滤波电容构成，可以近似认为逆变器输入端电压为恒值直流电压。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电压，其电压幅值取决于逆变器的输入端电压值，频率取决于器件的开关频率。2.4 串联逆变器的常用功率调节方式 根据逆变器的功率调节方式的不同，可以将串联逆变器的功率调节方法分为两种: a) 直流调功:这种方法是通过调节输入的直流电压幅值来调节 输出功率。 b) 逆变调功:这种方法是通过调节输出电压的频率来调节负载 功率因素或调节输出电压的有效值得大小(调节占空比)来 实现功率调节。2.4.1 直流侧调功 直流侧调功即在逆变器的直流电压源侧通过对逆变环节输入电压值得调节实现对逆变器输出功率的调节。通常有两类直流侧调功方式:相控整流调功和直流斩波调功，2.4.1.1 相控整流调功 整流电路采用可控(或半控)器件进行可控整流，通过调节不同的触发角得到幅值大小不同的直流输出电压供给逆变环节，从而改变逆变器的输出功率。其原理图如图 2-6 所示。 .