200KW感應加熱電源主電路設計

1、遼寧工業(yè)大學電力電子技術(shù)課程設計（論文）題目：200K頻應加熱電源主電路設計院（系）：電氣工程學院專業(yè)班級：電氣133學號：130303087學生姓名：陳夾夾指導教師：起止時間：2015-12-24至2015-1-3課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院教研室：電氣學號130303087學生姓名陳央火專業(yè)班級電氣133課程設計（論文）題目200KV感應加熱電源主電路設計課程設計（論文1、，壬2、務3課題完成的設計任務及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實現(xiàn)功能先將交流電通過整流電路變成直流電，再將直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，驅(qū)動電磁線圈產(chǎn)生高頻交變磁場，從而在被加熱的金屬工件內(nèi)產(chǎn)生磁滯損耗和渦流

2、損耗，產(chǎn)生熱量從而達到加熱電源的功能。設計任務1、方案的經(jīng)濟技術(shù)論證。2、導線、開關(guān)、熔斷器、吸收電路選擇。3、整流電路設計。4、逆變電路設計。5、諧振槽路參數(shù)設計。6、確定各器件的具體型號。7、繪制相關(guān)電路圖。8、進行MATLA的真。要求1、文字在4000字左右。2、文中的理論分析與計算要止確。3、文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術(shù)參數(shù)1、輸入電壓三相380V。2、輸入交流電頻率4565H13、輸入最大功率200kw。4、采用晶閘管中頻感應或IGBT高頻感應方式均可。進度計劃第1天:集中學習；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：導線、開關(guān)、熔斷器、吸收電路選擇；第5

3、天：整流機濾波電路設計及器件選擇；第6天：逆變電路設計及器件選擇；第7天：諧振槽路參數(shù)設計；第8天：確定中頻變壓器變比及容量；第9天：MATLA防真、總結(jié)并撰寫說明書；第10天：答辯指導教師評語及成績平時：論文質(zhì)量：答辯：總成績：指導教師簽字：年月日注：成績：平時20%論文質(zhì)量60%答辯20%以百分制計算感應加熱技術(shù)在金屬冶煉、鑄造、鍛造透熱、彎管、燒結(jié)、表面熱處理、銅焊以及晶體生長等行業(yè)得到了廣泛的應用。本文針對感應加熱裝置的需要，對加熱電源的主電路進行設計。引入該電源使得加熱電源的各方面性能都得到一定的改善?？梢愿欂撦d的頻率，提高裝置的效率，從而達到節(jié)能和節(jié)時的雙重目的。本次課題主要對2

4、00KW感應加熱電源主電路進行分析確定了整體方案，它包括整流電路、濾波電路、逆變電路的設計。用三相橋式整流電路對三相工頻交流電進行整流，輸出通過濾波電路做濾波處理。然后，通過對感應加熱電源工作原理的分析，確定以IGBT作為功率開關(guān)器件的電壓型逆變作為本次設計的逆變電路。通過整體方案計算了系統(tǒng)的參數(shù)以及進行了器件的選擇，并通過對設計的主電路的仿真分析驗證了設計的可行性。關(guān)鍵詞：感應加熱；IGBT;整流；逆變器目錄第1章緒論11.1 感應加熱技術(shù)概況11.2 本文設計內(nèi)容1第2章感應加熱電源主電路設計32.1 感應加熱電源主電路總體設計方案32.2 具體電路設計32.2.1 整流電路設計32.2.

5、2 濾波電路設計42.2.3 逆變電路設計52.3 元器件型號選擇82.3.1 整流電路參數(shù)計算與選擇82.3.2 濾波電路參數(shù)計算與選擇92.3.3 逆變電路參數(shù)計算與器件選擇92.3.4 諧振槽路參數(shù)設計與選擇92.4 系統(tǒng)仿真102.4.1 MATLAB仿真軟件簡介102.4.2 感應加熱電源主電路波形仿真11第3章課程設計總結(jié)14參考文獻15第1章緒論1.1 感應加熱技術(shù)概況感應加熱來源于法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應現(xiàn)象，也就是交變的電流會在導體中產(chǎn)生感應電流，從而導致導體發(fā)熱。近幾十年以來，隨著科學技術(shù)的提高以及更先進器件的發(fā)展與應用，感應加熱技術(shù)對工業(yè)部門的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。體積更小，

6、重量更輕，高效節(jié)能，負載適應范圍大成為感應加熱裝置發(fā)展的方向。它是利用處在交磁場中的導體內(nèi)產(chǎn)生渦流和磁滯損耗作用于金屬而引起熱效應，在瞬時間產(chǎn)生大量的熱能以此對工件表面或整體進行加熱。與傳統(tǒng)加熱方式相比，感應加熱技術(shù)具有很大的優(yōu)勢，如加熱效率高，速度快，可控性好，易于實現(xiàn)高溫和局部加熱等等。目前，感應加熱技術(shù)廣泛應用于淬火、鍛造熔煉、鍛造毛坯加熱，金屬表面熱處理等行業(yè)中。為了獲得更高的電能轉(zhuǎn)換效率，提高電能的利用效率，就要求電源裝置具有較高的輸入輸出功率因數(shù)，并且實現(xiàn)電力電子的軟開關(guān)，以降低開關(guān)損耗。近年來隨著新型電子器件的發(fā)展與應用，高頻電源的市場需求促進了新的功率器件的產(chǎn)生，同時新器件也會

7、帶來高頻電源的發(fā)展，感應加熱電源電路中的諧振逆變器通過功率器件來實現(xiàn)軟開關(guān)的功能，所以感應加熱電源會朝著大容量化、大功率與高頻率相統(tǒng)一的方向發(fā)展，但是其中有些技術(shù)需要我們進一步解決。隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)以及現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，感應加熱電源的發(fā)展也逐步趨于成熟。目前，感應加熱技術(shù)發(fā)展趨勢：更加大功率化、大容量化和高頻化；低功耗、高功率因數(shù)；控制智能化、數(shù)字化；加熱技術(shù)無氧化；應用廣泛化等。1.2 本文設計內(nèi)容本文的設計內(nèi)容為200KW感應加熱電源主電路設計，此次設計要實現(xiàn)的功能是：先將工頻交流電通過整流器及濾波電路變成直流電，再將直流電轉(zhuǎn)換為頻率超過2000Hz以上得到的交流電。由此交流

8、電驅(qū)動電磁線圈產(chǎn)生高頻交變磁場。在被加熱的金屬工件內(nèi)產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，產(chǎn)生熱量而加熱工件。該電源應該提供一個在大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的電流，以驅(qū)動負載線圈產(chǎn)生一定的磁場。由于電源要應用于感應加熱裝置，所以電源的頻率要在一定范圍內(nèi)可調(diào)。電源的負載為感應加熱器，即負載呈感性。感應加熱電源的技術(shù)參數(shù)：輸入三相電壓380V，輸入交流電頻率4565Hz,輸出最大功率200KW,感應方式采用IGBT高頻感應。第2章感應加熱電源主電路設計2.1 感應加熱電源主電路總體設計方案感應加熱電源主電路原理圖如圖2.1所示圖2.1感應加熱電源主電路原理圖本設計系統(tǒng)主電路采用的是交一直一交結(jié)構(gòu)，包括輸入整流器、直流濾波

9、器、逆變器、交流濾波器及隔離變壓器等組成部分。整流濾波電路將輸入的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡孀冸娐分械哪孀兤鬏敵龅拿}寬調(diào)制波經(jīng)LC低通濾波電路濾去高頻分量，得到純正的正弦波交流電，再經(jīng)變壓器隔離變壓得到設計所要求的電流和頻率均可調(diào)的交流電供給感應加熱器的交流線圈從而利用感應加熱線圈產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗進行加熱。2.2 具體電路設計2.2.1 整流電路設計整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設備。整流電路應用十分的廣泛，例如直流電動機，電鍍和電解電源，同步發(fā)電機勵磁，通信系統(tǒng)電源等。本設計不用整流變壓器而直接由380V三相交流接入再整流為直流電源。

10、常用的三相可控整流的電路有三相半波、三相半控橋、三相全控橋、雙反星形等。從經(jīng)濟和適用角度分析，本設計采用三相半控整流電路。本設計采用三相橋式晶閘管半控整流電路。它具有如下優(yōu)點：在啟動過程中，調(diào)節(jié)品閘管的觸發(fā)角，可以控制整流輸出直流電壓由低到高逐漸變化，這樣可以防止浪涌電流損毀整流器，實現(xiàn)了軟啟動；當電源出現(xiàn)故障時，可以封鎖品閘管的觸發(fā)信號，從而切斷直流側(cè)濾波電容的充電回路，關(guān)閉直流環(huán)節(jié)，以防止故障的進一步擴大。三相可控整流電路如圖2.2所示。輸入整流部分由三相品閘管整流橋組成，在感應加熱電源開機啟動時通過調(diào)節(jié)品閘管的導通角來實現(xiàn)軟啟動，限制沖擊電流不超過電源滿載時的額定電流。軟啟動結(jié)束后，可控

11、硅/整流橋的導通角最大，此時相當于標準的整流橋。整流后通過電解電容C,慮波到平;急的皙流送,逆變器丁高姬g波電容Ch用于提供高頻無功電流的通路電捕備Lit主要起限流作用，限制流過整流橋電力二極管的電流尖峰，斐善網(wǎng)側(cè)«功率因數(shù)。圖2.2整流電路2.2.2 濾波電路設計近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種低電力電子器件在工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ顟萌找鎻V泛。因此，諧波和無功問題也日益嚴重，并引起了人們的日益關(guān)注。許多電力電子裝置都要消耗無功功率，會對公用的電網(wǎng)帶來如下不利影響：導致電流增大和視在功率增大，設備容量增加；設備和線路損耗增加；導致電壓波動大等。為了盡可能的減小上述問題帶來的影響

12、，本次設計中，通過整流電路后輸出的脈動直流通過濾波電路是輸出電壓值趨于穩(wěn)定。濾波電路中，電解電容Cd濾波得到平穩(wěn)的直流送到逆變器。高頻濾波電容Ch用于提供高頻無功電流的通路。濾波電路如圖2.6所示全IB-I«04.一.三1=CH>.-a«4a,一a_3T圖2.6濾波電路2.2.3 逆變電路設計與整流相對應，把直流電變成交流電成為逆變。逆變電路分為有源逆變和無源逆變兩類。通常情況下，不加特殊說明，逆變電路都是指無源逆變電路，而無源逆變電路又包含電壓型和電流型逆變兩種。本設計采用單相電壓型全橋逆變電路，它共有4個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。把橋臂1和4作為一對，

13、橋臂2和3作為另一對，成對的兩個橋臂同時導通，兩對交替導通各導通180度。全橋逆變電路是單相逆變電路中應用最為廣泛的。具電路具有如下特點：（1）直流側(cè)為電壓源，或并聯(lián)有大電容，相當于電壓源，直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗；（2）由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負載阻抗角無關(guān)；而交流側(cè)輸出電流波形和相位因負載阻抗情況的不同而不同；（3）當交流側(cè)為阻感負載時需要提供無功功率，直流側(cè)電容起到緩沖無功能量的作用；為了給交流側(cè)向直流才反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)了反饋二極管。電壓型全橋逆變電路如圖2.3所示。電壓型逆變電路負載分析：電容與負載串聯(lián)構(gòu)成了電

14、壓型逆變器的負載電路。如圖2.4所示。由圖2.4可知，負載阻抗為：1，八，、ZRjwLRjXljXcRjX（2-1）jwC*CCd卜江0圖2.3電壓型逆變電路圖2.4電壓型負載電路負載阻抗的模為：|Z| R2 (Xl Xc)2R2(WL W1C)2(2-2)設諧振角頻率為Wo 。所以jwo L- 0 jW0C(2-3)由于 Wo=2 fo ,故諧振頻率為:fo12 LC(2-4)1當ImZ(jW)=0時，即jWL。，電路發(fā)生諧振,jWC品質(zhì)因數(shù):WoLw0CRR.C(2-5)則電感和電容上的電壓分別為:UljWoLI.woLjVUjQU(2-6)UcWoCRUjQU(2-7)可見，電路發(fā)生串聯(lián)

15、諧振時外部電源電壓全部加在電阻上，電感上的電壓和電容上的電壓大小相等，方向相反，且大小等于外部電壓的Q倍，因此我們也常常把串聯(lián)諧振稱為電壓型諧振，Q為諧振電路的品質(zhì)因數(shù)。當今逆變電源控制廣泛的采用了SPWM弦脈沖寬度調(diào)制法。它是調(diào)制波為正弦波，載波為三角波或鋸齒波的一種脈沖寬度調(diào)制法，由于三角波或鋸齒波的上下寬度是線性變化的波形，因此它與調(diào)制波相交時，就可以得到一組幅值相等，而寬度正比于調(diào)制波的函數(shù)值的矩形脈沖序列用來等效調(diào)制波，用開關(guān)量取代模擬量，并通過對逆變器開關(guān)管的通斷控制，把直流電變成交流電。SPWM制的工作原理：沖量等效原理，大小、波形不相同的窄脈沖變量作用于慣性系統(tǒng)時，只要它們的沖

16、量即變量對時間的積分相等，其作用效果基本相同。正弦波脈沖寬度調(diào)制波形，就是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形。根據(jù)采樣控制理論，脈沖頻率越高，SPWM形越接近正弦波。逆變器輸出電壓為SPWM形時，其低次諧波得到很好地抑制和消除，高次諧波又能容易濾去，從而可得到畸變率極低的正弦波輸出電壓。根據(jù)脈寬調(diào)制的特點，逆變器主電路的開關(guān)器件在其輸出電壓半周內(nèi)要開關(guān)N次，而器件本身的開關(guān)能力與主電路的結(jié)構(gòu)及其換流能力有關(guān)，所以，應用脈寬調(diào)制技術(shù)時必然受到一定條件的制約，主要有下列兩點：開關(guān)頻率。電力電子器件的開關(guān)頻率受到其固有開關(guān)時間和開關(guān)損耗的限制。為了使逆變器輸出盡量接近正弦波，應該盡可能增大

17、載波比，但開關(guān)器件本身允許的開關(guān)頻率又限制了載波比不能太大。最小間歇時間與調(diào)制度。為保證主電路開關(guān)器件的安全工作，必須使所調(diào)制的Id脈沖波有個最小脈寬與最小間隙的限制，以保證脈沖寬度大于開關(guān)器件的導通時問與關(guān)斷時間。主電路如圖2.5所示。2.3元器件型號選擇2.3.1 整流電路參數(shù)計算與選擇(1)三相半控整流電路，具整流輸出的直流電壓為:3.2Ud=5式中：Ud整流濾波輸出電壓平均值；Ui一整流電路輸入線電壓；i32MUd=Ui1.35Ui=1.35380=513V本電源的最大輸出功率為Pm=200KW考慮到濾波器的損耗以及功率開關(guān)管器件的開關(guān)損耗，設逆變器的變換效率為95%則整流電路最大輸出

18、直流功率為：Pdm=m=200/0.95=210.5KW則整流電路的最大輸出直流電流為:PdmIdmdm=210.5/513=410.4AUd(2)整流二極管參數(shù)計算在三相整流電路中，每個橋臂的二極管所承受的正反向電壓的最大值為三相交流電網(wǎng)線電壓的峰值，在實際應用中還需要考慮到電網(wǎng)電壓的波動以及各類浪涌電壓的影響，因此需要留有一定的安全裕量，一般取為此峰值電壓的23倍,則整流二極管的額定電壓為：UN=(23)2Ui=(23).2380(1074.61612)V流過二極管的電流有效值為：IIVTdm 410.4236.9A按照有效值相等的原則來選取二極管的額定電流，并留有一定的裕量，一般1.52

19、倍，則整流二極管的額定電流為：I2369IN(1.52)=(1.52)9=(226.4301.8)A1.571.57所以選取而t壓值為1300V,額定電流為250A的整流二極管。2.3.2 濾波電路參數(shù)計算與選擇濾波電容器主要起濾波和穩(wěn)定電壓的作用。由于采用了三相橋式整流電路，應按下式設計濾波電容的值：c-(68)RdCd300T1為整流輸入電壓的頻率，Ti=50Hz,直流電源的負載電阻:Rd=UA=213=1.25()Id410.4因此:33l1=-=(400534)(F)電容耐壓值為:Uc=1.51.35Ui=1.51.35380=769.5Vc由于耐壓要求較高，所以選擇6個1000F電容

20、，耐壓為400V,分成相同的兩組串聯(lián)。2.3.3 逆變電路參數(shù)計算與器件選擇IGBT所承受的正向電壓值就是前面整流電路的輸出電壓Ud,實際應用時留有一定的安全裕量，一般取為23倍。因此IGBT的額定電壓為：Un=(23)Ud=(23)513=(10261539)逆變電路輸出電流有效值最大為：Ihm-1d=-410.4=569.6A2、2cos2,20.8由于IGBT在一個周期內(nèi)橋臂的開關(guān)管只導通不到一半的時間，同時考慮到2.3.4 倍的安全裕量，則流過IGBT的電流有效值為：Ivhnm2IHM=2569.6=805.4A由以上計算可知，應選1000V-300A型號為KK300-10的IGBT四

21、只。2.3.5 諧振梢路參數(shù)設計與選擇(1)槽路電容設計由于此感應加熱電源不采用阻抗匹配變壓器，因此在設計槽路電容時，主要考慮它與諧振電感的無功能量交換平衡。感應加熱電源直流側(cè)電壓Ud,逆變時在負載上產(chǎn)生正負交變的方波正負U&經(jīng)傅氏級數(shù)展開基波電壓有效值2.82Ud/3.14。取Q=3,因此諧振槽路電容兩端電壓為：Uc=QU=3*2.82/3.14*Ud=1382.2v其阻抗為：Xc=Uc/Ic=1382.2/30=46()所以C=1/wXc=189(nF)所以可按1382.2V和189nF選配槽路電容。(2)諧振電阻和電感的設計諧振時有XL=XC=46()所以L=XL/w=336(u

22、H)Q=wL/R=3所以槽路線圈和負載等效電阻R=wL/Q=9()可按1382.2V和30A及336uH設計加熱線圈，負載和等效電阻為9歐姆左右2.4系統(tǒng)仿真2.4.1 MATLA防真軟件簡介MATLAB矩陣實驗室)是MATrixLABoratory的縮寫，是一款由美國TheMathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件。MATLA是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。除了矩陣運算、繪制函數(shù)/數(shù)據(jù)圖像等常用功能外，MATLABE可以用來創(chuàng)建用戶界面及與調(diào)用其它語言(包括C,C+林口FORTRAN編寫的程序。盡管MATLA在要用于數(shù)值運算，但利用為數(shù)眾多的

23、附加工具箱(Toolbox)它也適合不同領(lǐng)域的應用，例如控制系統(tǒng)設計與分析、圖像處理、信號處理與通訊、金融建模和分析等。另外還有一個配套軟件包Simulink,提供了一個可視化開發(fā)環(huán)境，常用于系統(tǒng)模擬、動態(tài)/嵌入式系統(tǒng)開發(fā)等方面。MATLAS口Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLABT以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用

24、的形式十分相似，故用MATLA來解算問題要比用C,FORTRAN語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLA曲吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB2為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C,FORTRANC+,JAVA的支持。可以直接調(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLA函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB!好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。20世紀70年代，美國新墨西哥大學計算機科學系主任CleveMoler為了減輕學生編程的負擔，用FORTRAN寫了最早的MATLAB1984年由Little、Moler、SteveBanger

25、t合作成立了的MathWorks公司正式把MATLABt向市場。至U20世紀90年代，MATLA此成為際控制界的標準計算軟件。2.4.2 感應加熱電源主電路波形仿真電源的設計師一個復雜的過程，因此不能僅憑理論分析就進行硬件設計，可能會造成很多在經(jīng)濟人力方面的浪費，所以在進行硬件設計之前，應該對理論設計的電路通過專業(yè)工具進行仿真。前面分析了感應加熱電源的工作原理以及硬件電路的組成，那么接下來就是通過專業(yè)的系統(tǒng)仿真軟件來對設計的電路進行仿真，驗證設計電路的可行性。逆變電路仿真波形如圖2.7所示JI圖2.7逆變輸出電壓仿真波形圖2.8濾波輸出電流和負載電壓波形圖2.9系統(tǒng)輸出仿真波形由圖2.7和圖2

26、.8可以看出，經(jīng)過Matlab軟件仿真后的輸出波形與理論分析及計算結(jié)果基本一致，基本符合本次設計要求。本次設計設定了感應加熱電源的負載為一定值，對此負載進行仿真分析。圖2.9為系統(tǒng)工作在諧振狀態(tài)下的輸出波形,系統(tǒng)保持工作在諧振狀態(tài)，實現(xiàn)了頻率的自動跟蹤，確保了電源的穩(wěn)定運行，符合前面的設計要求，驗證了系統(tǒng)設計的可行性。第3章課程設計總結(jié)在理論分析計算的基礎(chǔ)上，本文針對感應加熱裝置的需要設計了一種感應加熱電源，此次設計完成了感應加熱電源主電路的搭建，包括整流、濾潑、逆變電路等，確定了以IGBT作為功率開關(guān)器件的電壓型逆變器作為本系統(tǒng)的逆變電路，在額定功率下對整個感應加熱電源系統(tǒng)進行仿真調(diào)試，現(xiàn)察并截取電路關(guān)鍵部分的波形