中頻感應(yīng)加熱電源設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目中頻感應(yīng)加熱電源的設(shè)計(jì)姓名系（部）電氣工程與自動(dòng)化系專業(yè)度用電子技術(shù)指導(dǎo)教師word文檔可自由編輯中頻感應(yīng)加熱電源的設(shè)計(jì)摘要感應(yīng)加熱電源具有加熱效率高，速度快，可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用。本設(shè)計(jì)研究了中頻感應(yīng)加熱及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀和趨勢(shì)，并在較全面的論述基礎(chǔ)上，對(duì)2.5kHz/250kW可控硅中頻感應(yīng)加熱電源的整流電路以及控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的電源電路可用于大型機(jī)械熱加工設(shè)備的感應(yīng)加熱電源。整流電路采用三相橋式全控整流電路，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)遲滯的缺點(diǎn)，為以后研制大功率、超音頻的感應(yīng)加熱電源打下了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：可控硅中頻電源，感應(yīng)加熱，逆變，保護(hù)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(yīng)加熱電源的特點(diǎn)和應(yīng)用21.2 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段31.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀31.4 影響感應(yīng)加熱電源發(fā)展的主要因素41.5 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢(shì)5第2章感應(yīng)加熱電源的結(jié)構(gòu)及工作原理72.1 基本工作原理72.2 感應(yīng)加熱電源的基本結(jié)構(gòu)8第3章整流電路設(shè)計(jì)83.1 整流電路的分類(lèi)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(shè)計(jì)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?fù)潆娐返膶?duì)偶關(guān)系194.4 串并聯(lián)諧振優(yōu)缺點(diǎn)比較20第5章控制電路設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(yīng)加熱電源控制電路結(jié)構(gòu)285.6 控制觸發(fā)回路頻率跟蹤調(diào)節(jié)285.6.1 觸發(fā)要求285.6.2 頻率跟蹤電路29第6章過(guò)流和過(guò)壓的保護(hù)電路30結(jié)論32謝辭33參考文獻(xiàn)34外文資料翻譯36word文檔可自由編輯前言感應(yīng)加熱技術(shù)是在20世紀(jì)初才應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的，因其具有加熱速度快、物料內(nèi)部發(fā)熱和熱效率高、加熱均勻且具有選擇性、產(chǎn)品質(zhì)量好、幾乎無(wú)環(huán)境

8、污染、可控性好及易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)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(guò)程中，感應(yīng)加熱被廣泛應(yīng)用。感應(yīng)加熱是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用工件中渦流產(chǎn)生的熱量進(jìn)行加熱的，它加熱效率高、速度快、可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱。隨著電力電子技術(shù)的不斷成熟，感應(yīng)加熱技術(shù)得到了迅速發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了中頻感應(yīng)加熱設(shè)備的工作原理，主要設(shè)計(jì)了2.5kHz/250kW可控硅中頻感應(yīng)加熱電源電路部分的整流電路和控制電路，可用于大型機(jī)械熱加工設(shè)備的感應(yīng)加熱電源。整流電路采用三相橋式全控整流電路，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)遲滯的缺點(diǎn)，為以后研

9、制大功率、超音頻的感應(yīng)加熱電源打下了基礎(chǔ)。word文檔可自由編輯第1章概述感應(yīng)加熱技術(shù)是一種先進(jìn)的加熱技術(shù)，它具有傳統(tǒng)加熱方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)因而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活中獲得了廣泛的應(yīng)用。此項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容之一就是感應(yīng)加熱電源的研制，電源的性能價(jià)格比直接決定了其獲得應(yīng)用的速度與廣度，隨著電力電子器件制造技術(shù)及其裝置控制技術(shù)的逐步成熟，以電力半導(dǎo)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(shù)獲得最大限度推廣的重要條件。1.1 感應(yīng)加熱電源的特點(diǎn)和應(yīng)用感應(yīng)加熱是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用工件中渦流產(chǎn)生的熱量對(duì)工件進(jìn)行加熱的。由于感應(yīng)加熱效率高，速度快，可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高

10、溫和局部加熱，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用。在國(guó)外，感應(yīng)加熱技術(shù)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(jìn)行球墨鐵或合金鋼的精密澆鑄；在鍛造方面，利用感應(yīng)加熱實(shí)現(xiàn)快速透熱熱鍛，其材料利用率可達(dá)85%,鍛件表面光潔度可小于50m;在焊接，淬火方面，國(guó)外一方面致力于開(kāi)發(fā)大功率全固態(tài)高頻電源，一方面致力于開(kāi)發(fā)高度自動(dòng)化的熱處理成套處理系統(tǒng)。我國(guó)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(dòng)大，廢品率高。目前，我國(guó)較好的鑄造業(yè)廢品率也在6%-15%問(wèn)，而一般鑄造廠的廢品率高達(dá)30%o隨著我國(guó)電力

11、供應(yīng)的改善，環(huán)保要求的提高，發(fā)展和擴(kuò)大感應(yīng)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(guó)鑄造行業(yè)是符合我國(guó)煤炭資源豐富特點(diǎn)的一條有效途徑。這項(xiàng)改造工程不但涉及到保溫爐的設(shè)計(jì)制造，雙聯(lián)熔煉工藝的最佳化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還涉及到大功率中頻感應(yīng)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(guó)外先進(jìn)技術(shù)，改造我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是必然趨勢(shì)1。近年來(lái)在某些高新技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)中也使用了感應(yīng)加熱。上述這些先進(jìn)技術(shù)的推廣和發(fā)展均與感應(yīng)加熱電源技術(shù)的研究和發(fā)展密切相關(guān)。word文檔可自由編輯1.2 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段(1)在50年代前，感應(yīng)加熱電源主要有：工頻感應(yīng)熔煉爐，電磁倍頻器，中頻發(fā)電機(jī)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(biāo)志著固態(tài)半導(dǎo)體器件為核心的現(xiàn)代電力電子學(xué)的開(kāi)始。硅晶閘管的出現(xiàn)推動(dòng)了感應(yīng)加熱電源及應(yīng)用的飛速發(fā)展。至今，在中頻(500Hz-10kHz)范圍內(nèi)，晶閘管中頻感應(yīng)加熱裝置已完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機(jī)組和電磁倍頻器。在高頻范圍內(nèi)，由于品閘管本身開(kāi)關(guān)特性等參數(shù)的限制，給研制該頻段的電源帶來(lái)了很大的技術(shù)難度，它必須通過(guò)改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才有可能實(shí)現(xiàn)。(2) 70年代末到80年代初，現(xiàn)代半導(dǎo)體微機(jī)集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)的結(jié)合，為開(kāi)發(fā)新型功率半導(dǎo)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(dǎo)體器件，極大地推動(dòng)了電力電子學(xué)發(fā)展，為固態(tài)超音頻，高頻電源的研制提供

13、了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。(3) 1983年IGBT的問(wèn)世進(jìn)一步推動(dòng)了感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。IGBT綜合了MOS和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有通態(tài)壓降低，開(kāi)關(guān)速度快，易驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，自1988年解決了擎住問(wèn)題后，大功率高速I(mǎi)GBT已成為眾多加熱電源的首選器件，頻率高達(dá)100kHz，功率高達(dá)MW級(jí)電源已可實(shí)現(xiàn)。(4)在超高頻(100kHz以上)頻段，長(zhǎng)期以來(lái)由電子管振蕩式變換器產(chǎn)生。80年代興起由大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件為元件的逆變式高頻感應(yīng)加熱電源。1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀在中頻范圍內(nèi)，國(guó)外裝置的最大容量已達(dá)到數(shù)十兆瓦。在高頻(100kHz以上)頻段內(nèi)，目前國(guó)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(guò)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(guó)的發(fā)展水平。表1-1各國(guó)感應(yīng)加熱電源的發(fā)展水平word文檔可自由編輯國(guó)家MOSFET的參數(shù)IGBT的參數(shù)西班牙600Kw/400kHz30-600Kw/50-100kHz德國(guó)480Kw/50-200kHz比利時(shí)1000Kw/15-600kHz日本1200Kw/50kHz中國(guó)(浙江大學(xué))20kW/300kHz50kW/50kHz（產(chǎn)品）200kW/75kHz（研制）西班牙采用MOSFET的電流型感應(yīng)加熱電源制造水平達(dá)600kW/400kHz。日本主要以SIT為主，電源水平在80年代末達(dá)到了10000kW/200kHz.400kW

15、/400kHz。在中頻范圍內(nèi)，國(guó)內(nèi)己形成200Hz-10000Hz,功率為100kW-3000kW系列產(chǎn)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(jīng)得到了普遍的應(yīng)用。在高頻(100kHz以上)頻段內(nèi)，國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)在90年代研制成20kW/300kHzMOSFET高頻電源，己被成功應(yīng)用于小型刀具的表面熱處理和飛機(jī)渦輪葉片的熱應(yīng)力考核試驗(yàn)中，96年天津高頻設(shè)備廠和天津大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)出75kW/200kHzSIT感應(yīng)加熱電源?？偟膩?lái)說(shuō)，與國(guó)外的水平相差很大。1.4 影響感應(yīng)加熱電源發(fā)展的主要因素(1)感應(yīng)加熱電源的發(fā)展與電力

16、電子器件的發(fā)展密切相關(guān)，而電力電子器件的發(fā)展又是與半導(dǎo)體微機(jī)集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)分不開(kāi)的?？煽毓璩霈F(xiàn)后，一代又一代的電力半導(dǎo)體器件先后問(wèn)世，性能不斷改善，高耐壓和高耐流，低損耗、高頻率使得感應(yīng)加熱電源的性能和實(shí)用性得到了體現(xiàn)。(2)單片機(jī)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成芯片技術(shù)的發(fā)展使得對(duì)感應(yīng)加熱電源的復(fù)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(diào)節(jié)方便、準(zhǔn)確。(3)感應(yīng)加熱電源的發(fā)展離不開(kāi)材料學(xué)的進(jìn)步如磁性材料學(xué)。同時(shí)，一些相關(guān)的技術(shù)如磁通集中器，感應(yīng)線圈的材料和設(shè)計(jì)，絕緣技術(shù)，故障診斷技術(shù)和遠(yuǎn)程控制、智能化技術(shù)等等也都影響其發(fā)展。可以說(shuō)，感應(yīng)加熱電源的發(fā)展是諸多學(xué)科和綜合技

17、術(shù)共同決定的。word文檔可自由編輯1.5 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢(shì)(1)從電路的角度，感應(yīng)加熱電源的大容量化技術(shù)分兩類(lèi)：一是器件的串并聯(lián)；二是多臺(tái)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?jiǎn)栴}和并聯(lián)器件均流問(wèn)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(tái)電源的串并聯(lián)技術(shù)是在器件用并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)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(shù)，在單機(jī)容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可簡(jiǎn)單地通過(guò)串并聯(lián)運(yùn)行方式得到大容量裝置，每臺(tái)單機(jī)只是裝置的一個(gè)單元(或一個(gè)模塊)。串聯(lián)逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源。當(dāng)兩電壓源并聯(lián)時(shí)，相互間的幅值，相

18、位和頻率不同或波動(dòng)時(shí)將導(dǎo)致很大的環(huán)流，以致逆變器件的電流產(chǎn)生嚴(yán)重不均。因此，串聯(lián)逆變器存在并機(jī)擴(kuò)容困難：而對(duì)并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流大，電抗器可充當(dāng)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(shí)間來(lái)糾正直流電流的偏差，達(dá)到多機(jī)并聯(lián)擴(kuò)容。目前，感應(yīng)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(jìn)，SIT將失去存在價(jià)值。感應(yīng)加熱電源諧振逆變器可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，但由于通常功率較大，對(duì)功率器件，無(wú)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(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱電源高頻化仍有許多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需進(jìn)一步

19、探討。(3)感應(yīng)加熱電源多應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，具運(yùn)行工況比較復(fù)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(fù)載對(duì)象各式各樣，而電源逆變器與負(fù)載是一有機(jī)的整體，負(fù)載直接影響到電源的運(yùn)行效率和可靠性。對(duì)焊接，表面熱處理等負(fù)載，一般采用匹配變壓器連接電源和負(fù)載感應(yīng)器，對(duì)高頻，超音頻電源用的匹配變壓器要求漏抗很小，如何實(shí)現(xiàn)匹配變壓器的效率，從磁性材料選擇到繞組的設(shè)計(jì)已成為一重要課題。另外，從電路拓?fù)渖县?fù)載結(jié)構(gòu)以三個(gè)無(wú)源元件代替原來(lái)的二個(gè)無(wú)源元件，以代替匹配變壓器實(shí)現(xiàn)高效，低成本隔離匹配。(4)隨著感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線自動(dòng)化程度及對(duì)電源高可靠性要求提高，感應(yīng)加熱電源正向智能化控制方向發(fā)展。具有計(jì)算

20、機(jī)智能接口、遠(yuǎn)程控制、故障自動(dòng)診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。(5)由于感應(yīng)加熱用電源一般功率都很大，目前對(duì)它的功率因數(shù)，諧波污染word文檔可自由編輯指標(biāo)還沒(méi)有具體要求。但隨著減少電網(wǎng)無(wú)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(shù))及低諧波污染電源必將成為今后發(fā)展趨勢(shì)。(6)當(dāng)今高新技術(shù)飛速發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，感應(yīng)加熱是一個(gè)重要的研發(fā)和加工手段。因此，感應(yīng)加熱電源是某些高新技術(shù)研發(fā)中心不可缺少的裝備?？梢钥隙ǖ恼f(shuō)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源在高新技術(shù)領(lǐng)域會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，對(duì)感應(yīng)加熱電源的可靠性和可控性要求更高。如何設(shè)計(jì)制

21、造大功率超高頻、高性能的感應(yīng)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(yīng)加熱電源的結(jié)構(gòu)及工作原理2.1基本工作原理感應(yīng)加熱是利用導(dǎo)體處于交變電磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流）所形成的熱效應(yīng)使導(dǎo)體本身發(fā)熱。根據(jù)不同的加熱工藝要求，感應(yīng)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(yīng)加熱的物體必須是導(dǎo)體，感應(yīng)加熱能在被加熱物體內(nèi)部直接生熱，因而熱效率高，升溫速度快，容易實(shí)現(xiàn)整體均勻加熱或局部加熱（包括表面加熱）。感應(yīng)加熱是利用交流電建立交變磁場(chǎng)產(chǎn)生渦流對(duì)金屬工件進(jìn)行感應(yīng)加熱的?；竟ぷ髟砣鐖D2.1所示，圖中A為

22、感應(yīng)線圈（也稱負(fù)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(nèi)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)，置于交變磁場(chǎng)中的被加熱工件B要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加熱的金屬工件，然后在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，感?yīng)線圈與被加熱金屬不直接電接觸，能量是通過(guò)電磁感應(yīng)傳遞的。BA圖2-1感應(yīng)加熱基本原理dt由電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)02為:(2-1)word文檔可自由編輯設(shè)磁通中對(duì)時(shí)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(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(nèi)有足夠大的渦流，亦即要求金屬工件內(nèi)有較大的電動(dòng)勢(shì)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?yàn)榻饘俟ぜ械母袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)e2正比于磁通變化率，所以ii的頻率越高，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為就越大。近代感應(yīng)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(yīng)加熱電源研究的方向和追求的必然。2.2感應(yīng)加熱電源的基本結(jié)構(gòu)隨著電力電子學(xué)及功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)不斷的完善，已形

24、成一種固定的AC/DC/AC變換形式，基本結(jié)構(gòu)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(hù)電路組成4。2-2感應(yīng)加熱電源的基本結(jié)構(gòu)框圖第3章整流電路設(shè)計(jì)word文檔可自由編輯3.1 整流電路的分類(lèi)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?，?yīng)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(jié)構(gòu)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(cè)電流的方向是單相或雙相，又分為半波電路和全波電路；實(shí)用電路是上述的組合結(jié)構(gòu)5。整流電路的實(shí)質(zhì)就是把交流電能轉(zhuǎn)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(jí)繞組與負(fù)載相接，中間串聯(lián)一個(gè)整流二極管，就是半波整流。利用二極管的單向?qū)щ娦裕挥邪雮€(gè)周期內(nèi)有電流流過(guò)負(fù)載，另半個(gè)周期被二管所阻，沒(méi)有電流。這種電路，變壓器中有直流分量流過(guò)，降低了變壓器的效率；整流電流的脈動(dòng)成分太大，對(duì)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(gè)二極管組成橋式電路，將次級(jí)線圈的正、負(fù)半周都用起來(lái)；二是變壓器的次級(jí)繞組圈數(shù)加倍，中間抽頭，實(shí)際上由兩個(gè)次級(jí)線圈構(gòu)成。中間抽頭接負(fù)載一端，另兩個(gè)端子各串聯(lián)一個(gè)二極管后接負(fù)載的另一端。經(jīng)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(gè)整流二極管的橋式整流器能夠很便宜買(mǎi)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(méi)有半波整流。三相全波整流也只有橋式整流。所以在此設(shè)計(jì)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(wǎng)輸入的50Hz電壓整流成脈動(dòng)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(yáng)極,并與變壓器和負(fù)荷分別構(gòu)成兩個(gè)三相半波可控整流電路，兩個(gè)三相半波可控整流電路串聯(lián)就構(gòu)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(wǎng)相電壓；a觸發(fā)移相角。當(dāng)口=0時(shí)，對(duì)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(duì)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(dǎo)通。把一個(gè)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(nèi)，a相電壓最高，電流從變壓器a相繞組流出，經(jīng)過(guò)VT1負(fù)荷和VT6（在此段內(nèi)，b相電壓最低，共陽(yáng)極組的晶閘管

28、VT6正處于導(dǎo)通狀態(tài)），回到變壓器b相繞組。a相繞組內(nèi)的電流為正，b相繞組內(nèi)的電流為負(fù)。負(fù)荷電壓Ud=Uabo在VT4段內(nèi)，a相電壓仍然最高，晶閘管VT1繼續(xù)導(dǎo)通，電流從a相繞組流出，經(jīng)過(guò)VT1負(fù)荷和VT2。晶閘管VT6承受反向電壓而關(guān)斷，所以電流回到c相繞組。b相繞組內(nèi)的電流為正，C相繞組內(nèi)的電流為負(fù)。負(fù)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(nèi)，由于負(fù)荷的電感量較大，流過(guò)VT1的電流也保持不變。在VT3段內(nèi)，b相電壓最高，晶閘管VT3因得到觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通，由于b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電位，所以晶閘管VT1因承受反向電壓而關(guān)斷。電流從b相繞組流出。

29、在這一段內(nèi)，c相電壓仍然最低，品閘管VT2繼續(xù)導(dǎo)通。負(fù)荷電壓Ud=Ubco圖3-5&=600俞出電壓波在VT6段內(nèi)，VT3和VT4導(dǎo)通，Ud=Uba。在VT5段內(nèi),VT4和VT5導(dǎo)通，Ud=Uca。在VT2段內(nèi)，VT5和VT6導(dǎo)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(shí)的輸出電壓波形給出了在感性負(fù)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(shí)質(zhì)是負(fù)載向電網(wǎng)反饋能量網(wǎng)。3.4 整流電路的參數(shù)設(shè)計(jì)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(wǎng)電壓，考慮到其峰值、電壓波

30、動(dòng)等因素。取波動(dòng)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(cè)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(jié)溫而確定的，可按式(3-4)來(lái)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(shuō)明的是，由于有Vch的存在，在開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，可以使其占空比很小，這樣幾乎沒(méi)有沖擊電流，所以實(shí)際上

31、二極管的耐流可以更小。(3)Vch的選?。籚ch的耐壓和耐流與整流二極管是相同等級(jí)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(guān)斷器件。(4)電力電容的計(jì)算；因?yàn)槭?個(gè)脈動(dòng)整流波動(dòng)，50Hz電網(wǎng)輸入。周期為20ms,所以每個(gè)波動(dòng)的時(shí)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(gè)串聯(lián)，這樣實(shí)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(yīng)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(jié)構(gòu)及工作波形如圖4-1所示。由于并聯(lián)諧振型的感應(yīng)加熱電源易于實(shí)現(xiàn)保護(hù)，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(gè)不可忽視的換相電感，會(huì)使逆變器產(chǎn)生浪涌電壓，從而使器件的開(kāi)關(guān)損耗增加，甚至引起功率器件的擊穿。對(duì)此，將采用電流源逆變器最佳相角控制方案來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。并聯(lián)諧振串聯(lián)諧振圖4-1逆變器主電路結(jié)構(gòu)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(fù)載為并聯(lián)諧振負(fù)載。通常需電流源供電，在感應(yīng)加熱中，電流源通常由整流器加一個(gè)大電感構(gòu)成。由于電感

33、值較大，可以近似認(rèn)為逆變器輸入端電流固定不變。交替開(kāi)通和關(guān)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(kāi)關(guān)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(fù)載為串聯(lián)諧振負(fù)載。通常需電壓源供電，在感應(yīng)加熱中，電壓源通常由整流器加一個(gè)大電容構(gòu)成。由于電word文檔可自由編輯容值較大，可以近似認(rèn)為逆變器輸入端電壓固定不變。交替開(kāi)通和關(guān)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(kāi)關(guān)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(guò)零以后進(jìn)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(guò)零以前進(jìn)行，負(fù)載電流也總是越前于電壓一小角。這就是說(shuō)，兩者都是工作在容性負(fù)載狀態(tài)。(2)串聯(lián)諧振逆變器在換流時(shí)，晶閘管是自然關(guān)斷的，關(guān)斷前其電流己逐漸減少到零，因而關(guān)斷時(shí)間短，損耗小。在換流時(shí)，關(guān)斷的晶閘管受反壓的時(shí)間較長(zhǎng)。并聯(lián)諧振逆變器在換流時(shí)，品閘管是在全電流運(yùn)行中被強(qiáng)迫關(guān)斷的，電流被迫降至零以后還需加一段反壓時(shí)間，因而

35、關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)。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(yīng)加熱裝置中使用。(3)串聯(lián)諧振逆變器起動(dòng)較容易，適用于頻繁起動(dòng)工作的場(chǎng)所；而并聯(lián)諧振逆變器需附加起動(dòng)電路，起動(dòng)較為困難，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。至今仍有人在研究并聯(lián)諧振逆變器的起動(dòng)問(wèn)題。串聯(lián)諧振逆變器品閘管暫時(shí)丟失脈沖，會(huì)使振蕩停止，但不會(huì)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(shí)，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(dāng)逆變失敗時(shí)，浪涌電流大，保護(hù)困難。但隨著保護(hù)手段的不斷完善以及器件模塊本身也有自帶保護(hù)功能，串聯(lián)諧振逆變器的保護(hù)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(shí)，由于電流受大電抗限制，沖擊

36、不大，較易保護(hù)。(5)串聯(lián)諧振逆變器感應(yīng)線圈上的電壓和補(bǔ)償電容器上的電壓，都為諧振逆變器輸出電壓的Q倍。當(dāng)Q值變化時(shí)，電壓變化比較大，所以對(duì)負(fù)載的變化適應(yīng)性差。流過(guò)感應(yīng)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(yīng)線圈和補(bǔ)償電容器上的電壓，都等于逆變器的輸出電壓，而流過(guò)它們的電流，則都是逆變器輸出電流的Q倍。逆變器器件關(guān)斷時(shí)，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(yīng)加熱線圈與逆變電源（包括補(bǔ)償電容器）的距離較遠(yuǎn)時(shí)，對(duì)輸出功率的影響較小。而對(duì)并聯(lián)諧振逆變器來(lái)說(shuō)，感應(yīng)加熱線圈應(yīng)盡量靠近電源（特別是補(bǔ)彳§電容器），否則功率

37、輸出和效率都會(huì)大幅度降低。綜合比較申、并聯(lián)諧振逆變器的優(yōu)缺點(diǎn)，決定對(duì)串聯(lián)諧振式電源進(jìn)行研究。在高頻設(shè)備中，串聯(lián)諧振型相比并聯(lián)諧振型更具有優(yōu)點(diǎn)：這是因?yàn)槟壳坝糜诟哳l的功率開(kāi)關(guān)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(fù)載電路的諧振點(diǎn)，其負(fù)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(fù)載回路必須提供一定的電壓，以保證被關(guān)斷管所在臂的電流能迅速轉(zhuǎn)移到正在開(kāi)通的橋臂中去，但換流結(jié)束后，這一電壓的存在將使被關(guān)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(hù)，則會(huì)出現(xiàn)環(huán)流損壞器件。因此，每一橋臂必須串入與開(kāi)關(guān)器件相同電壓、電流

38、及功率等級(jí)的快速恢復(fù)整流二極管，以承受反壓。然而，隨著逆變?nèi)萘康脑龃蠼o二極管提出了較高的要求，有時(shí)難以滿足。而電壓型中每個(gè)橋臂有二極管續(xù)流，只要逆變器的工作狀態(tài)合理，對(duì)二極管的反向恢復(fù)能力無(wú)太高要求，極易滿足。因此，目前在大多數(shù)場(chǎng)合，高頻感應(yīng)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(duì)于基波具有最小阻抗，所以負(fù)載電流i近似正弦波同時(shí)，為避免逆變器上、下橋臂間的直通，換流必須遵循先關(guān)斷后導(dǎo)通的原則，在關(guān)斷與導(dǎo)通間必須留有足夠的死區(qū)時(shí)間。word文檔可自由

39、編輯Dt>2Dq3圖4-2串聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu)（a）容性負(fù)載（b）感性負(fù)載圖4-3負(fù)載輸出波形當(dāng)串聯(lián)諧振逆變器在低端失諧時(shí)（容性負(fù)載），它的波形見(jiàn)圖4-3（a）。由圖可見(jiàn)，工作在容性負(fù)載狀態(tài)時(shí)，輸出電流的相位超前于電壓相位，因此在負(fù)載電壓仍為正時(shí)，電流先過(guò)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(fù)特性，使得在換流時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)電流，而使器件產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗，而且在二極管反向恢復(fù)電流迅速下降至零時(shí)，會(huì)在與MOSFET串聯(lián)的寄生電感中產(chǎn)生大的感生電勢(shì)，而使MOSFET受到很高電壓尖峰的沖擊當(dāng)串聯(lián)諧振型逆

40、變器在高端失諧狀態(tài)時(shí)（感性負(fù)載），它的工作波形見(jiàn)圖4-3（b）o由圖可見(jiàn)，工作在感性負(fù)載狀態(tài)時(shí)，輸出電流的相位滯后于電壓相位，具換流過(guò)程是這樣進(jìn)行的，當(dāng)上（T）橋臂的MOSFET關(guān)斷后，負(fù)載電流換至下（上）橋臂的反并聯(lián)的二極管中，在滯后一個(gè)死區(qū)時(shí)間后，下（上）橋臂的MOSFET加上開(kāi)通脈沖等待電流自然過(guò)零后從二極管換至同橋臂的MOSFET.由與MOSFET中的電流是從零開(kāi)始上升的，因而基本實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通，其開(kāi)關(guān)損耗很小。另一方面，MOSFET關(guān)word文檔可自由編輯斷時(shí)電流尚末過(guò)零，此時(shí)仍存在一定的關(guān)斷損耗，但是由于MOSFET關(guān)斷時(shí)間很短，預(yù)留的死區(qū)不長(zhǎng)，并且因死區(qū)而必須的功率因數(shù)角并不大

41、，所以適當(dāng)?shù)乜刂颇孀兤鞯墓ぷ黝l率，使之略高于負(fù)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(guān)斷和反并聯(lián)二極管開(kāi)通是在小電流下發(fā)生的，這樣也限制了器件的關(guān)斷損耗。上述分析可知，串聯(lián)諧振型逆變器在適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞较?，開(kāi)關(guān)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(dǎo)體高頻感應(yīng)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?fù)潆娐返膶?duì)偶關(guān)系用、并聯(lián)諧振逆變電路由于所接的負(fù)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?fù)涞确矫娑即嬖谥鴮?duì)偶關(guān)系，如表4-

42、4。表4-4串并聯(lián)諧振逆變器對(duì)偶關(guān)系對(duì)偶項(xiàng)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(dāng)工作在負(fù)載諧振頻率時(shí)，入端電流為全波整流波形當(dāng)工作在負(fù)載諧振頻率時(shí)，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(fù)載阻抗頻率特性為串聯(lián)諧振特性，因此/、宜空載負(fù)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(fù)載開(kāi)路保護(hù)易逆變器及負(fù)載短路保護(hù)容易短路及直通保護(hù)困難短路及直通保護(hù)容易電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(fù)載為RLC串聯(lián)電路負(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對(duì)偶關(guān)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(duì)偶關(guān)系則可以有針對(duì)性的設(shè)計(jì)正確可靠的保護(hù)短路。word文檔可自由編輯4.4 串并聯(lián)諧振優(yōu)缺點(diǎn)比較串聯(lián)諧振逆變器和并聯(lián)諧振逆變器優(yōu)缺點(diǎn)比較如表4-5?？梢钥闯觯?lián)諧振逆變器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以采用不控整流，控制方便簡(jiǎn)單，采用大電容濾波，當(dāng)發(fā)生上、下橋臂短路故障時(shí)，由于電容電壓不會(huì)突變，因此瞬時(shí)放電電流將會(huì)很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)間內(nèi)將器件關(guān)斷，就會(huì)造成器件的永久損壞。因此，需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間，保證開(kāi)關(guān)器件先關(guān)斷后導(dǎo)通。串聯(lián)諧振無(wú)需平波電感，減小了電源體積和成本，啟動(dòng)比

44、較簡(jiǎn)單，可以自激工作，也可以他激工作。開(kāi)關(guān)器件承受的反壓比較小，這一特點(diǎn)正是IGBT、MOSFET等器件要求的。一般這些器件內(nèi)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(bǔ)償電容要求耐壓高，采取適當(dāng)措施可以降低補(bǔ)償電容上的電壓。串聯(lián)諧振逆變器對(duì)負(fù)載槽路布線工藝的要求較低，調(diào)試比較簡(jiǎn)單。表4-5串并聯(lián)諧振優(yōu)缺點(diǎn)比較串聯(lián)諧振逆變器并聯(lián)諧振逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)較復(fù)雜控制較簡(jiǎn)單控制相對(duì)復(fù)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(hù)可以空載無(wú)短路保護(hù)能力，需加短路保護(hù)拓?fù)浔旧砭哂卸搪繁Ｗo(hù)能力開(kāi)關(guān)器件同時(shí)流過(guò)有功和無(wú)功電流開(kāi)關(guān)器件只流過(guò)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(dòng)容易，可以自激或他激工作啟動(dòng)困難，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)功率器件反并聯(lián)二極管，無(wú)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(shí)沒(méi)有高壓危險(xiǎn)對(duì)負(fù)載槽路布線工藝要求比較低，不會(huì)影響功率和效率負(fù)載槽路布線工藝要求比較高，感應(yīng)器和補(bǔ)償容的引線不能過(guò)長(zhǎng)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(diǎn)，同時(shí)為了設(shè)計(jì)和布線的簡(jiǎn)便，本課題選用串聯(lián)諧振逆變器電路拓?fù)洹ord文檔可自由編輯第5章控制電路設(shè)計(jì)5.1 控制電路系統(tǒng)的概述感應(yīng)加熱對(duì)其電源提出了一定的技術(shù)要求，感應(yīng)加熱電源的控制系統(tǒng)就是根據(jù)這些要求來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的。在生產(chǎn)過(guò)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(dòng)下維持和調(diào)整各種指標(biāo)。例如鍛坯加熱時(shí)，為保證工件的出口溫度，電源必須具有電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力，以適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)的影響。另外，在感應(yīng)加熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下，電路中會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流和過(guò)電壓，控制系統(tǒng)中保護(hù)部分應(yīng)該負(fù)責(zé)故障的處理。因此，與其他自動(dòng)裝置一樣，中頻電源必須具備相應(yīng)的控制功能，才能有可靠的工作和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。隨著加熱工業(yè)的發(fā)展和新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝的變化，對(duì)感應(yīng)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(jié)構(gòu)與原理控制電路包括整流控制電路，逆變控制電路，保護(hù)電路等，如圖5-1所示。整流控制電路的任務(wù)是根據(jù)各種輸入信號(hào)（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(yīng)加熱電源主要用于工業(yè)快速，均勻加熱，特點(diǎn)是隨著加熱過(guò)程的進(jìn)行，負(fù)載不斷變化，負(fù)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(fù)載的電氣特性如導(dǎo)電性、滲透性、耦合系數(shù)和幾何性質(zhì)如形狀等等；同時(shí)，不同的負(fù)載需要的功率大小也不同，這樣必須對(duì)逆變器的輸出功率和頻率都做相應(yīng)的調(diào)整。也就是說(shuō)，整流側(cè)和逆變側(cè)是協(xié)調(diào)工作的。在本設(shè)計(jì)中采用的是由整流側(cè)調(diào)節(jié)功率，逆變側(cè)進(jìn)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(diào)節(jié)直流側(cè)電壓時(shí)）或可控整流（需要調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓時(shí)），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(yīng)加熱電源控制電路逆變控制電

48、路包括開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路，死區(qū)形成電路，鎖相環(huán)電路。其中，驅(qū)動(dòng)電路所產(chǎn)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(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)模塊中含有該單元，在設(shè)計(jì)時(shí)就可以省略；有的雖然含有一定的延遲環(huán)節(jié)，但時(shí)間太短，需要另加延遲。鎖相環(huán)電路的目的是跟蹤負(fù)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(fù)載電容兩端，這是由于電容對(duì)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(hào)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(dāng)?shù)钠秒娐罚梢允沟霉ぷ黝l率略高于諧振頻率。保護(hù)電路主要是防word文檔可自由編輯止過(guò)電流，短路保護(hù)。功率調(diào)節(jié)方式有三種：(1)改變功率因數(shù)通過(guò)改變工作頻率來(lái)改變功率因數(shù)。通常，為減小器件開(kāi)關(guān)損耗，工作頻率應(yīng)大于諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點(diǎn)附近負(fù)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(kāi)關(guān)動(dòng)作當(dāng)提高工作頻率時(shí)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(jiàn)，逆變器的輸出功率可由工作頻率來(lái)調(diào)節(jié)，特別當(dāng)負(fù)載回路Q值較高時(shí)調(diào)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(diào)功方法速度快，整流電路簡(jiǎn)單,但是當(dāng)所需功率很小時(shí)，會(huì)讓系統(tǒng)工作在嚴(yán)重失諧的狀態(tài)，無(wú)功損耗大。(2)改變直流電壓移相調(diào)功是通過(guò)移相控制，即每個(gè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管180二互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大小調(diào)節(jié)負(fù)載電壓的寬度，從而調(diào)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(diào)功時(shí)電路仍工作在諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓基波分量與負(fù)載電流同相。在兩橋臂開(kāi)關(guān)器件都關(guān)斷時(shí)，由反并聯(lián)二極管續(xù)流。(3)調(diào)頻來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率目前，高頻感應(yīng)熱處理電源采用橋式逆變電路，通

51、過(guò)調(diào)頻的方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率。為了減小逆變管的開(kāi)關(guān)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(diǎn)附近的輸出功率最大，當(dāng)提高逆變器工作頻率時(shí)，負(fù)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(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，效率低。高頻感應(yīng)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(kāi)關(guān)器件，由電流調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)組成雙閉環(huán)進(jìn)行功率調(diào)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(zhǔn)零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)、整機(jī)工作效率較高。5.3 控制電路的作用感應(yīng)加熱電源的控

52、制電路必須至少起著以下作用：(1)調(diào)節(jié)控制電路必須對(duì)整流電路、逆變電路等系統(tǒng)主電路部分進(jìn)行功能控制。對(duì)于整流電路、逆變電路必須在各種擾動(dòng)下維持系統(tǒng)各參量(如電流、輸出電壓等)不偏離其設(shè)定值。(2)上述各參量因各種故障而超出其設(shè)定的極限值時(shí)，控制電路應(yīng)將調(diào)節(jié)器封鎖，使整流電路轉(zhuǎn)入逆變工作狀態(tài)。(3)是為了達(dá)到調(diào)節(jié)和保護(hù)等目的，系統(tǒng)必須具有對(duì)各種參量進(jìn)行測(cè)量和監(jiān)視的能力。例如對(duì)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(cè)量和監(jiān)視。(4)中頻加熱電源的負(fù)載頻率必須要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤功能。(5)控制為了協(xié)調(diào)各部分工作，保證整個(gè)電源能按照預(yù)定的程序正常運(yùn)行，系統(tǒng)必須具有嚴(yán)密的控制操作

53、。但是，與其他自動(dòng)裝置相比較，中頻電源對(duì)各項(xiàng)調(diào)節(jié)品質(zhì)指標(biāo)的要求(動(dòng)態(tài)的和靜態(tài)的)相對(duì)要低一些。而動(dòng)態(tài)指標(biāo)與靜態(tài)指標(biāo)相比，后者是主要的。前者僅限于電源在擾動(dòng)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(diào)節(jié)方式都是采用單獨(dú)調(diào)節(jié)可控整流器輸出電壓的方法160中頻電源的開(kāi)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(fù)載電路fTC圖5-4中頻電源開(kāi)環(huán)原理控制過(guò)程如下：整流觸發(fā)控制角調(diào)節(jié)器把輸入控制信號(hào)5轉(zhuǎn)換成控制角a?？煽卣麟娐吩陔娋W(wǎng)電壓為Uc的條件下把a(bǔ)轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓Ud；經(jīng)過(guò)濾波電感Ld后，逆變器

54、將輸入直流電壓Ud轉(zhuǎn)換為頻率為f的中頻電壓Un向負(fù)載輸出電能；負(fù)載電路將中頻電壓轉(zhuǎn)換成工件溫度%,改變控制信號(hào)Uo即可改變工件溫度又。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是對(duì)擾動(dòng)沒(méi)有調(diào)節(jié)能力。閉環(huán)調(diào)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(zhuǎn)換成反饋電壓Ut（直流）,后者與給定電壓Us相比較，并產(chǎn)生差值電壓AU;電壓調(diào)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(dòng)a模擬三相電網(wǎng)電壓的波動(dòng)；擾動(dòng)d2模擬由于負(fù)載性質(zhì)變時(shí)所引起的阻抗變化，當(dāng)直流電壓Ud為定值時(shí)，負(fù)載阻抗變化將引起輸出電壓的變化。圖中另一內(nèi)環(huán)描述逆變電路具有頻率自動(dòng)跟蹤的能力。脈沖形

55、成電路將連續(xù)變化的負(fù)載電壓換成同步脈沖，作為逆變觸發(fā)電路的控制信號(hào)。word文檔可自由編輯培U給定電壓流制調(diào)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(jīng)過(guò)感應(yīng)加熱的產(chǎn)品最重要的技術(shù)指標(biāo)就是溫度。還可以通過(guò)測(cè)量溫度然后作為反饋信號(hào)進(jìn)行控制。中頻輸出功率印與工件溫度Tc之間存在如下關(guān)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(shí)間；G鍛件質(zhì)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(chǎn)過(guò)程中若要保持工件的溫度在控制的范圍內(nèi)，工件的溫

56、度是控制的關(guān)鍵因素。由上面的分析可知，調(diào)節(jié)中頻電壓UH的值就可達(dá)到調(diào)節(jié)鍛件溫度的目的。而中頻電壓在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生波動(dòng)，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(jí)控制，溫度閉環(huán)為外環(huán)，電壓閉環(huán)為內(nèi)環(huán)。系統(tǒng)控制框圖如圖5-6所示。Us+Ur整流控制角調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)aUdf可控L_整流濾波電路逆變電路UH負(fù)載Tr!電路電壓反饋溫度反饋TrTg圖5-6感應(yīng)加熱溫度控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的控制系統(tǒng)外環(huán)根據(jù)用戶給定的設(shè)定溫度Tg和反饋的工件溫度Tr進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后設(shè)定給定電壓值Us,內(nèi)環(huán)根據(jù)Us和中頻電壓反饋Ur經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后通過(guò)整流控制角調(diào)節(jié)器設(shè)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(diào)節(jié)器。比例調(diào)節(jié)P反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)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(dá)設(shè)定位，但是也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性；積分調(diào)節(jié)I用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度；在感應(yīng)加熱中，熱慣性比電慣性大得多，所以一般忽略微分調(diào)節(jié)D,在實(shí)際設(shè)備中采用PI調(diào)節(jié)雙閉