设备管理_中频感应加热设备的设计

摘要 感应加热电源具有加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和自动化等优点，目前已在金属熔炼、工件透热、淬火、焊接、铸造、弯管、表面热处理等行业得到了广泛的应用。 本设计研究了中频感应加热及其相关技术的发展、现状和趋势，并在较全面的论述基础上，对2.5kHz/250kW可控硅中频感应加热电源的整流电路以及控制电路进行了设计。本文设计的电源电路可用于大型机械热加工设备的感应加热电源。整流电路采用三相桥式全控整流电路，其电路结构简单，使电源易于推广；控制策略选用双闭环反馈控制系统，改善了信号迟滞的缺点，为以后研制大功率、超音频的感应加热电源打下了基础。关键词：可控硅中频电源；感应加热；逆变；保护电路Design of Induction heating power of medium frequency AbstractInduction heating power is equipped with lots of advantages such as high heating efficiency, fast speed ,good controllability, which is prone to make heating of high and partial temperature ，and realize mechanization and automation. At present metal melting, work piece heat penetration, quenching, welding, casting, elbow piece, surface heating processing has been widely applied. Induction heating of medium frequency and development, current situation, and tendency related technology has been studied，and have made quite comprehensive and in the profound elaboration foundation, this article has carried on the design to main circuit and the inversion control of the 2.5kHz/250kW silicon-controlled rectifier intermediate frequency induction heating power. This design is used for big facility of mechanical heating processing. Structure of rectification circuit is easy, which makes power popularized easily. Three-phase bridge rectification circuit is used in Rectification circuit. Rectification circuit uses feedback control of two closed loop, improving the disadvantages. The foundation for inventing induction heating power of big power and super audio is made.Key words：Controllable silicon medium power Induction heating Inverter Protect circuit目 录1.绪论11.1 感应加热电源的特点和应用11.2 感应加热电源的发展阶段11.3 感应加热电源发展的主要因素21.4 感应加热电源的发展趋势22.感应加热电源32.1 基本工作原理32.2 基本结构43.整流电路设计53.1 整流电路的分类53.2 整流电路的选择53.3 三相桥式全控整流电路63.4整流电路的参数设计84.控制电路设计94.1 控制电路系统的概述94.2 控制电路的结构与原理94.3 控制电路的作用114.4 控制策略114.5 2.5kHz/250kW感应加热电源控制电路结构144.6 控制触发回路频率跟踪调节154.6.1 触发要求154.6.2 频率跟踪电路154.7 过流和过压的保护电路165驱动电路的设计245.1 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）对驱动电路的要求245.1.1门极电压对开关特性的影响及选择245.1.2门极串联电阻对开关特性的影响及选择255.2 IGBT过压的原因及抑制255.3 IGBT的过流保护265.3.1设计短路保护电路的几点要求275.4 集成光电隔离驱动模块HCPL-316J275.4.1器件特性275.4.2芯片管脚及其功能介绍285.4.3内部逻辑电路结构分析285.4.4器件功能分析295.4.5驱动电路的试验和注意问题306 辅助直流稳压电源316.1 三端固定稳压器316.2 本次设计用的的电源326.2.1 18伏，15伏稳压电压电源326.2.2 12伏，5伏双路稳压电源326.2.3元器件选择及参数计算337 硬件调试348 结论35致谢37参考文献38附录一 整体电路原理图39附录二控制电路PCB40绪论1.1 感应加热电源的特点和应用感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量对工件进行加热的。由于感应加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和自动化等优点，已在熔炼，铸造，弯管，热锻，焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。在国外，感应加热技术已日趋成熟。在铸造方面，正在迅速发展双联熔炼工艺，即利用中频炉保温改性，进行球墨铁或合金钢的精密浇铸；在锻造方面，利用感应加热实现快速透热热锻，其材料利用率可达85%，锻件表面光洁度可小于50m；在焊接，淬火方面，国外一方面致力于开发大功率全固态高频电源，一方面致力于开发高度自动化的热处理成套处理系统。我国铸件用量大，而铸造行业仍以冲天炉熔炼为主，温度及成分波动大，废品率高。目前，我国较好的铸造业废品率也在6%15%间，而一般铸造厂的废品率高达30%。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，在大型企业推广双联熔炼工艺，改造我国铸造行业是符合我国煤炭资源丰富特点的一条有效途径。这项改造工程不但涉及到保温炉的设计制造，双联熔炼工艺的最佳化控制系统设计，还涉及到大功率中频感应加热电源等。同样地，在锻造，焊接，淬火热处理方面全面推广国外先进技术，改造我国传统产业是必然趋势。近年来在某些高新技术的研究开发中也使用了感应加热。上述这些先进技术的推广和发展均与感应加热电源技术的研究和发展密切相关。1.2 感应加热电源的发展阶段 1）在50年代前，感应加热电源主要有:工频感应熔炼炉，电磁倍频器，中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。50年代末可控硅的出现则标志着固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。硅晶闸管的出现推动了感应加热电源及应用的飞速发展。至今，在中频（500Hz10kHz）范围内，晶闸管中频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。在高频范围内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度，它必须通过改变电路拓扑结构才有可能实现。2）70年代末到80年代初，现代半导体微机集成加工技术与功率半导体技术的结合，为开发新型功率半导体器件提供了条件，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件，极大地推动了电力电子学发展，为固态超音频，高频电源的研制提供了坚实的基础。3）1983年IGBT的问世进一步推动了感应加热电源的发展。IGBT综合了MOS和双极晶体管的优点，具有通态压降低，开关速度快，易驱动等优点，自1988年解决了擎住问题后，大功率高速IGBT己成为众多加热电源的首选器件，频率高达100kHz,功率高达MW级电源已可实现。4）在超高频(100kHz以上)频段，长期以来由电子管振荡式变换器产生。80年代兴起由大功率半导体开关器件为元件的逆变式高频感应加热电源。1.3 感应加热电源发展的主要因素（1）感应加热电源的发展与电力电子器件的发展密切相关，而电力电子器件的发展又是与半导体微机集成加工技术与功率半导体技术分不开的。可控硅出现后，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、高频率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，功率因素提高了，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如磁性材料学。同时，一些相关的技术如磁通集中器，感应线圈的材料和设计，绝缘技术，故障诊断技术和远程控制、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 感应加热电源的发展趋势（1）从电路的角度，感应加热电源的大容量化技术分两类:一是器件的串并联；二是多台电源的串并联。在器件的串并联方式中，必须处理好串联器件的均压问题和并联器件均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串并联数目，且装置的可靠性和串并联数目成反比。多台电源的串并联技术是在器件串并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元(或一个模块)。串联逆变器输出可等效为低阻抗的电压源。当两电压源并联时，相互间的幅值，相位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以致逆变器件的电流产生严重不均。因此，串联逆变器存在并机扩容困难:而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大，电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC或DC/DC环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容。（2）目前，感应加热电源在中频段主要采用晶闸管，超音频段主要是IGBT，而高频段，随着MOSFET和IGBT性能不断改进，SIT将失去存在价值。感应加热电源谐振逆变器可实现软开关，但由于通常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需进一步探讨。（3）感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁，冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接，表面热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频，超音频电源用的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的效率，从磁性材料选择到绕组的设计已成为重要课题。另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二个无源元件，以代替匹配变压器实现高效，低成本隔离匹配。（4）随着感应热处理生产线自动化程度及对电源高可靠性要求提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算机智能接口、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目标。（5）由于感应加热用电源一般功率都很大，目前对它的功率因数，谐波污染指标还没有具体要求。但随着减少电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数(采用大功率三相功率因数校正技术)及低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。（6）当今高新技术飞速发展，新材料、新工艺不断涌现，感应加热是一个重要的研发和加工手段。因此，感应加热电源是某些高新技术研发中心不可缺少的装备。可以肯定的说，随着科学技术的发展，感应加热电源在高新技术领域会有更广泛的应用。在这一领域，对感应加热电源的可靠性和可控性要求更高。如何设计制造大功率超高频、高性能的感应加热电源，是电力电子科技工作者的重要课题。2.感应加热电源2.1 基本工作原理感应加热是利用导体处于交变电磁场中产生感应电流（涡流）所形成的热效应使导体本身发热。根据不同的加热工艺要求，感应加热采用的电源的频率有工频（5060Hz）、中频(6010000Hz)和高频(高于10000Hz)。感应加热的物体必须是导体，感应加热能在被加热物体内部直接生热，因而热效率高，升温速度快，容易实现整体均匀加热或局部加热（包括表面加热）。感应加热是利用交流电建立交变磁场产生涡流对金属工件进行感应加热的。基本工作原理如图1所示，图中A为感应线圈（也称负载线圈），B为被加热的金属工件。若线圈A中通以交流电流i1，则在线圈A内产生随时间变化的磁场，置于交变磁场中的被加热工件B要产生感应电动势e2，形成涡流i2，这些涡流使金属工件发热，消耗电能。由上可知，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属工件，然后在金属内部转变为热能，感应线圈与被加热金属不直接电接触，能量是通过电磁感应传递的。 B A 图1 感应加热基本原理由电磁感应定律可知，感应电动势为： （2-1）设磁通对时间t按正弦规律变化，即则 （2-2）其中感应电动势的幅值为：2为了要使金属工件加热到一定的温度，必须要求金属工件内有足够大的涡流，亦即要求金属工件内有较大的电动势，从式（2-2）可知，要增大有如下两种途径：（1）增大线圈A中的电流。增大即增大金属工件中的交变磁通的最大值。（2）增大线圈中电流的频率。因为金属工件中的感应电动势正比于磁通变化率，所以的频率越高，感应电动势就越大。近代感应加热广泛采用中频及高频电源的原因就在于此，也是成为感应加热电源研究的方向和追求的必然。2.2 基本结构随着电力电子学及功率半导体器件的发展，感应加热电源拓扑结构经过不断的完善，已形成一种固定的AC/DC/AC变换形式，基本结构如图2所示。一般由整流器、滤波器、逆变器及一些控制和保护电路组成。图2 感应加热电源的基本结构3.整流电路设计3.1 整流电路的分类整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式各种各样；按组成的器件可分为不可控、半控和全控三种，按电路结构可分为桥式电路和零式电路，按交流输入相数分为单相电路和多相电路，按变压器二次侧电流的方向是单相或双相，又分为半波电路和全波电路；实用电路是上述的组合结构。整流电路的实质就是把交流电能转换为直流电能的电路。3.2 整流电路的选择半波整流：变压器的次级绕组与负载相接，中间串联一个整流二极管，就是半波整流。利用二极管的单向导电性，只有半个周期内有电流流过负载，另半个周期被二管所阻，没有电流。这种电路，变压器中有直流分量流过，降低了变压器的效率；整流电流的脉动成分太大，对滤波电路的要求高。只适用于小电流整流电路。全波整流：一是变压器与半流整流电路相同，但用四个二极管组成桥式电路，将次级线圈的正、负半周都用起来；二是变压器的次级绕组圈数加倍，中间抽头，实际上由两个次级线圈构成。中间抽头接负载一端，另两个端子各串联一个二极管后接负载的另一端。经常使用的整流电源电路是效率高的全波整流电源电路，仅用电容器作为滤波电路的电路有中心抽头式和桥式。现在装有4个整流二极管的桥式整流器能够很便宜买到，而且变压器的使用效率也高，所以几乎都为桥式整流电路。桥式整流属于全波整流，三相整流只有全波整流，没有半波整流。三相全波整流也只有桥式整流。 所以在此设计中选用了三相桥式全控整流电路。3.3 三相桥式全控整流电路整流电路采用三相全控桥式整流电路，其作用为将从三相电网输入的50Hz电压整流成脉动的直流电压。三相桥式整流电路图如图3所示。图3 三相桥式全控整流电路晶闸管AB、BC、CA接成共阴极，晶闸管AC、BA、CB接成共阳极，并与变压器和负荷分别构成两个三相半波可控整流电路，两个三相半波可控整流电路串联就构成三相桥式全控整流电路，如图4所示。图4 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路的输出电压为三相半波可控电路的两倍三相桥式全控整流电路的输出电压为： （3-1）式中：输出直流电压平均值； 电网相电压； 触发移相角。当=0时，对于共阴极组的晶闸管依次触发阴极电位最高的晶闸管，对于阴极组的晶闸管组依次触发阴极电位最低的晶闸管，使晶闸管导通。把一个周期平均分为6段，如图5所示。 图5 不同的输出波形在AB段内，a相电压最高，电流从变压器a相绕组流出，经过AB负荷和BA（在此段内，b相电压最低，共阳极组的晶闸管BA正处于导通状态），回到变压器b相绕组。a相绕组内的电流为正，b相绕组内的电流为负。负荷电压Ud=Uab。在AC段内，a相电压仍然最高，晶闸管AB继续导通，电流从a相绕组流出，经过AB负荷和CB。晶闸管BA承受反向电压而关断，所以电流回到c相绕组。b相绕组内的电流为正，c相绕组内的电流为负。负荷电压Ud=Uac。在AB和AC段内，由于负荷的电感量较大，流过AB的电流也保持不变。在BC段内，b相电压最高，晶闸管BC因得到触发脉冲而导通，由于b点电位高于a点电位，所以晶闸管AB因承受反向电压而关断。电流从b相绕组流出。在这一段内，c相电压仍然最低，晶闸管CB继续导通。负荷电压Ud=Ubc。在BA段内，BC和AC导通，Ud=Uba。在CA段内，AC和CA导通，Ud=Uca。在CB段内，CA和BA导通，Ud=Ucb。 上面图5是不同时的输出电压波形给出了在感性负载电流非断续的状态下，不同角下的输出电压的波形，其中的状态称为整流桥的逆变工作状态，其实质是负载向电网反馈能量。3.4整流电路的参数设计(1)二极管电压额定值；二极管的耐压可按式(3-2)确定，根据电网电压，考虑到其峰值、电压波动等因素。取波动系数为1.3，安全系数=1.5。 （3-2）由于交流侧电压为380V，代入上式，可得： （3-3）(2)确定电流额定值I：整流二极管的电流额定值是根据其结温而确定的，可按式(3-4)来确定： （3-4）式中：冲击电流值；安全系数，取=2；将上式变形为：A （3-5）需要说明的是，由于有的存在，在开始启动时，可以使其占空比很小，这样几乎没有冲击电流，所以实际上二极管的耐流可以更小。（3）的选取；的耐压和耐流与整流二极管是相同等级的。由于频率较高，所以要选择GTR、MOSFET、IGBT等工作频率较高的自关断器件。（4）电力电容的计算；因为是6个脉动整流波动，50Hz电网输入。周期为20ms，所以每个波动的时间为20/64ms，根据公式(3-6)可以得到： （3-6）式中，取I=115.83A，t=4ms，=600V ,得到：C=772.2F可以选取3000F/400V的电容4个串联，这样实际的容量为750F，耐压为1600V。4.控制电路设计4.1 控制电路系统的概述敢应加热对其电源提出了一定的技术要求，感应加热电源的控制系统就是根据这些要求来设计和实现的。在生产过程中，根据不同的工艺，中频电源不仅要输出各种不同的功率，而且还需要在各种扰动下维持和调整各种指标。例如锻坯加热时，为保证工件的出口温度，电源必须具有电压自动调节的能力，以适应电网电压的波动的影响。另外，在感应加热系统出现故障情况下，电路中会出现过电流和过电压，控制系统中保护部分应该负责故障的处理。因此，与其他自动装置一样，中频电源必须具备相应的控制功能，才能有可靠的工作和产品质量的保证。随着加热工业的发展和新产品的生产工艺的变化，对感应加热电源的控制系统功能的要求也更加的多样化和智能化。4.2 控制电路的结构与原理控制电路包括整流控制电路、逆变控制电路，保护电路等，如图6所示。 图6 感应加热电源控制电路整流控制电路的任务是根据各种输入信号(给定，反馈，故障等)综合情况发出宽度合适的脉冲，以便输出合适的直流电压。感应加热电源主要用于工业快速，均匀加热，特点是随着加热过程的进行，负载不断变化，负载的固有谐振频率变化，功率因数变化。这些变化取决于负载的电气特性如导电性、渗透性、耦合系数和几何性质如形状等等；同时，不同的负载需要的功率大小也不同，这样必须对逆变器的输出功率和频率都做相应的调整。也就是说，整流侧和逆变侧是协调工作的。在本设计中采用的是由整流侧调节功率，逆变侧进行频率跟踪方案。整流桥的控制一般用典型的全可控整流(在不要求移相调节直流侧电压时)或可控整流(需要调节直流侧电压时)，具体用哪一种取决于控制策略。逆变控制电路包括开关器件的驱动电路，死区形成电路，锁相环电路。其中，驱动电路所产生的脉冲的次序和占空比由控制策略决定，硬件主要是由集成驱动模块及其一些外围电路组成，也有用纯模拟电路搭成的，还可以是数字与模拟电路共同合成。死区形成电路在串联谐振型中是必不可少的，有的集成驱动模块中含有该单元，在设计时就可以省略；有的虽然含有一定的延迟环节，但时间太短，需要另加延迟。锁相环电路的目的是跟踪负载的谐振频率，从而控制逆变电路的工作频率，这就是所谓的锁相控制。一般采样电压取自负载电容两端，这是由于电容对高次谐波的阻抗小，其端电压的高次谐波分量最小，基波分量最大。以此信号作为反馈，可有效降低高次谐波的干扰，使系统能稳定地跟踪谐振频率，再加上适当的偏置电路，可以使得工作频率略高于谐振频率。保护电路主要是防止过电流，短路保护。功率调节方式有三种：（1）改变功率因数z通过改变工作频率来改变功率因数。通常，为减小器件开关损耗，工作频率应大于谐振频率。若逆变器的工作电压不变，则在谐振点附近负载等效阻抗最低，如图7所示，电流最大，因而输出功率也最大。 图7等效阻抗的频率特性 图8 移相控制开关动作当提高工作频率时阻抗也随之增大，电流减小，功率因数也减小，因此输出功率随之减小。由此可见，逆变器的输出功率可由工作频率来调节，特别当负载回路Q值较高时调节更灵敏。因此，直流端可为三相全控整流电源。逆变电路的工作频率f的大小由所需的功率要求决定。这种调功方法速度快,整流电路简单。但是当所需功率很小时，会让系统工作在严重失谐的状态，无功损耗大。（2）改变直流电压移相调功是通过移相控制，即每个桥臂的两个开关管互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小调节负载电压的宽度，从而调节输出功率，如图8所示。根据脉冲的作用先后可把桥臂分为超前臂(Q1, Q3)和滞后臂(Q2、Q4)。移相调功时电路仍工作在谐振状态，实现负载电压基波分量与负载电流同相。在两桥臂开关器件都关断时，由反并联二极管续流。（3）调频来调节输出功率目前，高频感应热处理电源采用桥式逆变电路，通过调频的方式来调节输出功率。为了减小逆变管的开关损耗，逆变器的工作频率大于其谐振频率。若逆变器的工作电压不变，则在谐振点附近的输出功率最大，当提高逆变器工作频率时，负载等效阻抗增高，输出功率减小，输出功率因数很低，而且逆变器主开关管工作在硬开关状态，开关损耗大，效率低。高频感应热处理逆变电源采用并联谐振式全桥DC/AC逆变电路，以晶闸管为主开关器件，由电流调节和功率调节组成双闭环进行功率调节，用频率跟踪电路控制逆变器的工作频率，使逆变器始终工作于谐振状态，逆变器输出功率因数接近于1，而且能始终工作在准零电流开关状态、整机工作效率较高。4.3 控制电路的作用感应加热电源的控制电路必须至少起着以下作用:（1）调节控制电路必须对整流电路、逆变电路等系统主电路部分进行功能控制。对于整流电路、逆变电路必须在各种扰动下维持系统各参量(如电流、输出电压等)不偏离其设定值。（2）上述各参量因各种故障而超出其设定的极限值时，控制电路应将调节器封锁，使整流电路转入逆变工作状态。（3）是为了达到调节和保护等目的，系统必须具有对各种参量进行测量和监视的能力。例如对冷却水的压力、水流量、水温，控制柜中的气温，中频电压和电流等参量的测量和监视。（4）中频加热电源的负载频率必须要实现自动跟踪功能。（5）控制为了协调各部分工作，保证整个电源能按照预定的程序正常运行，系统必须具有严密的控制操作。但是，与其他自动装置相比较，中频电源对各项调节品质指标的要求(动态的和静态的)相对要低一些。而动态指标与静态指标相比，后者是主要的。前者仅限于电源在扰动下不至于失去控制。4.4 控制策略直到目前为止，工业中常用的中频电源仍以并联谐振逆变电路为主，功率调节方式都是采用单独调节可控整流器输出电压的方法。中频电源的开环控制如图9所示。d2图9 中频电源开环原理控制过程如下：整流触发控制角调节器把输入控制信号转换成控制角。可控整流电路在电网电压为的条件下把转换成直流输出电压；经过滤波电感后，逆变器将输入直流电压转换为频率为f的中频电压向负载输出电能；负载电路将中频电压转换成工件温度，改变控制信号即可改变工件温度。开环系统的特点是结构简单，但是对扰动没有调节能力。图10 中频电源控制原理闭环调节系统的原理图如10所示。电压反馈电路把输出中频电压，转换成反馈电压（直流），后者与给定电压Us相比较，并产生差值电压；电压调节器将此差值电压放大。这样系统在外界干扰和的作用下也能维持输出电压为恒值。扰动模拟三相电网电压的波动；扰动模拟由于负载性质变时所引起的阻抗变化，当直流电压为定值时，负载阻抗变化将引起输出电压的变化。图中另一内环描述逆变电路具有频率自动跟踪的能力。脉冲形成电路将连续变化的负载电压换成同步脉冲，作为逆变触发电路的控制信号。经过感应加热的产品最重要的技术指标就是温度。还可以通过测量温度然后作为反馈信号进行控制。中频输出功率与工件温度之间存在如下关系： （4-1）式中： 电源总效率； C锻件的比热容； 锻件加热时间； G锻件质量；环境温度。 （4-2）式中：中频电压 等效电阻故有： （4-3）生产过程中若要保持工件的温度在控制的范围内，工件的温度是控制的关键因素。由上面的分析可知，调节中频电压的值就可达到调节锻件温度的目的。而中频电压在生产过程中会发生波动，且温度控制具有一定的滞后性，所以，在控制锻件温度的控制系统中，一般采用温度和电压双闭环的方法。温度和中频电压串级控制，温度闭环为外环，电压闭环为内环。系统控制框图如图11所示。控制系统实际应用中的控制系统外环根据用户给定的设定温度和反馈的工件温度进行PI调节后设定给定电压值，内环根据和中频电压反馈经过PI调节后通过整流控制角调节器设定整流的角，控制中频电源的输出功率。在电压闭环和温度闭环中都采用了PI调节器。比例调节P反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减少偏差，较大的比例系数可以使系统很快到达设定位，但是也增加了系统的不稳定性；积分调节I用于消除静态误差，提高系统的无差度；在感应加热中，热惯性比电惯性大得多，所以一般忽略微分调节D，在实际设备中采用PI调节双闭环控制。本装置是采用电流电压双闭坏控制电路。4.5 2.5kHz/250kW感应加热电源控制电路结构设计的2.5kHz/250kW感应加热电源的控制电路是电流电压双闭环控制，其中采用电流为内环，电压为外环的控制方式，如图12所示。图12 2.5kHz/250kW感应加热器的控制系统图中Ug为给定电压，Uf为负载反馈电压，If为负载反馈电流，Ig为负载电流给定，为三相全控整流桥的导通角。通过对主回路的三相全控整流桥的控制，即对三相全控桥的六个晶闸管导通角的控制，来实现对负载功率的控制。并联逆变式负载采用频率自动跟踪，需要对单相逆变器通断的控制，来保证负载电路为谐振回路，从而实现负载的功率输出最大。4.6 控制触发回路频率跟踪调节4.6.1 触发要求为使逆变器可靠换向，必须按一定引前功率因数运行。逆变器在加热过程中，炉子的电感是个变量，其震荡频率在加热过程中是不断地变化的，为使逆变器安全地工作，触发频率必须紧跟炉子电感的变化。同时逆变器电流超前于电压的角度不能太小，否则晶闸管承受反向电压的时间太短，就不能可靠地关断晶闸管，待负载电压过零后，管子又将得到正向电压，造成换向失败，但引前触发角不能太大，它会造成功率因数下降，输出电压值升高。总之触发应是在一定的引前角下进行，逆变器的换向必须在负载电压过零前结束，逆变器触发频率必须跟踪于负载频率。4.6.2 频率跟踪电路频率自动跟踪可由逆变器或负载端的电流或电压量，经过处理，产生脉冲，使逆变器随炉子参数的变化不断改变触发脉冲频率。它分为两种恒时间原则及恒功率因数原则。（1）恒时间t原则，即加热过程中始终保持引前触发时间为恒值。其缺点是当换向重叠时间增加时，安全余量势必减小，对换向不利。启动时为使逆变器可靠换向，需人为增大t值。本原则功率因数随炉子负载变化而变化。（2）恒功率因数原则，其目的是炉子在加热运行过程中，始终保持引前触发角平为恒定值。本原则在运行中当频率降低时，tf将自动增大，使引前触发角保持不变，启动时虽然换向重叠时间增大，但因频率较低也能保证tk有足够的值，炉料温度升高的过程中tf值将自动减小，由于负载电流下降，tk值几乎不受影响，本装置随频率自动变化。4.7 过流和过压的保护电路电力电子半导体器件特点之一是承受过电压、过电流的能力较差，一旦遇到故障，几乎瞬间就坏。为了提高电力电子装置的可靠性，除了在选择器件时，需有一定的电压和电流裕量外，还需要采用一定的保护措施。一般过电压是用阻容元件吸收和消耗产生过电压的能量，或是选用非线性元件限制过电压的幅度和用电子电路来实施保护等方法来抑制过电压。过电流一般是采用快速熔断器，快速直流开关和电子电路来实施过电流保护的。可控硅器件的抗过流能力较弱，热容量较小，过载电流流过器件时会使器件温度迅速上升，如来不及切断或限制过电流，很快就会使器件因温度过高而损坏；过载电流越大器件能承受过电流时间越短，因此线路设计须考虑保护。本设计是采用快速熔断器的保护措施，这是一种最简单有效的过电流保护器件。它的分断时间短（ 10ms），允许能量小，分断能力强（1000A）以上）。使用时，与被保护晶闸管直接串联，如图14整流电路中的快速熔断器所示。图14 感应加热电源电路换流过程中的电压毛刺会引起电路产生过电压，这种现象主要靠增加阻容吸收来克服，须注意：逆变回路二极管上也需要加阻容吸收。阻容吸收电路俗称缓冲电路，电路是由电容和电阻串联而成，利用电容来吸收尖峰状态的过电压能量，利用与电容串联的电阻来消耗产生过电压的能量。电阻还能阻止电容与线路分布电感形成的振荡以及限制当开关器件导通时，由电容放电引起的di /dt和浪涌电流。整流器和逆变器等同一个谐波源，在运行时都会向电网注入谐波电流电压，这些谐波分量都将产生不良影响。这是本设计的缺点，也是今后研究的一个重要趋势，目前只能靠LC滤波器来尽量减少谐波分量的影响。5 驱动电路的设计 驱动电路的作用是将控制电路输出的PWM脉冲放大到足以驱动IGBT，所以单从原理上讲，驱动电路主要起开关功率放大作用，即脉冲放大作用器。其重要性在于IGBT的开关特性与驱动电路的性能密切相关。5.1 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）对驱动电路的要求5.1.1 门极电压对开关特性的影响及选择驱动电路的要求与IGBT的特性密切相关，见表5.1。设计门极驱动电路时，应特别注意其开通特性、负载短路能力和引起的误触发等问题。正偏置电压UGE增加，通态电压UCE下降，开通能耗EON也下降，只有当UGE大到一定值时，UCE才能达到较低的饱和值。若+UGE固定不变时，导通电压将随集电极电流增大而增高，开通损耗将随结温而升高。由此可知当门极电压在15V左右时，通态压降接近饱和，但是门极电压不能超过20V，否则可能击穿门极与发射极之间的氧化膜，这里选择18V。 表5.1 IGBT的门极驱动与特性的关系特 性、负载短路能力条件 UCE大UCE 大RG 大 减小减小 增大微增大 增大减小增大减小减小负偏电压-UGE直接影响IGBT的可靠运行，负偏电压增高时漏极浪涌电流明显下降，对关断能耗无显著影响，-UGE与集电极浪涌电流和关断能耗EOFF的关系十分密切。因为当IGBT关断时，会在集电极和射极间产生很高的电压上升率，引发较大的位移电流，使得门极与发射极间的电压升高，可能超过门极阀值，导致脉冲浪涌电流过大，发生擎住效应。为了避免这种误触发，在IGBT关断时，应在门极上加负电压，-5V-10V。因此，驱动电路输出选择+18V和-5V为开通和关断电压。5.1.2门极串联电阻对开关特性的影响及选择门极电阻增加，将使IGBT的开通与关断时间增加；因而使开通与关断能耗均增加。而门极电阻减小，则又使增大，可能引发IGBT误导通，同时RG上的损耗也有所增加。因为RG的具体数值还与栅控电路的具体形式及IGBT的电压、电流大小有关，所以门极电阻选择要适当。本设计中的门极电阻可选取30。综上所述对驱动电路的要求可归纳如下：IGBT与MOSFET都是电压驱动，都具有一个2.55.0V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因为IGBT对栅极电荷集聚较敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压UGE有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外,IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的门极电压，使IGBT不致退出饱和而损坏。驱动电路要能传递几百Hz的脉冲信号。驱动电平+UGE也必须综合考虑。+UGE增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的IC增大，IGBT能承受短路电流的时间减少，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中UGE应选得小些，一般选1215V。在关断过程中，为尽快抽取PNP管中的存储电荷，需施加一负偏压UGE，但它受IGBT的G、E间最大反向耐压限制，一般取-2-10V。驱动电路与控制电路应严格隔离。IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功能，并有较强的抗干扰能力。5.2 IGBT过压的原因及抑制 IGBT关断时，由于主回路电流的急剧变化，主回路的杂散电感引起高压，产生开关浪涌电压，由于此开关浪涌电压，关断时的电压轨迹超过了RBSOA（反向偏置电压安全动作区域）就会损坏元件。为了对这种过电压进行抑制，采用适当的布线使主电路中的所有寄生电感减至最小时有利的，然后采用抑制网络，并以最短的距离将其连接起来，在本系统中，采用的缓冲回路如下图5.2所示：（1）工作原理 在IGBT导通时，通过R1使Cs1充电到直流电源U d。当T1由导通变为截止时，由于主回路的杂散电感，电流Io将通过Cs1、D1流向变压器原边，管子两端的电压为电容电压与二极管电压之和，由于电容器Cs1上的电压不能突变，所以T1管子两端电压将得到抑制。（2）缓冲器回路的设计1、缓冲器电容的计算：当T1由导通变为截止时，为维持负载电流的连续，电流Io将流过电容Cs1、D1、变压器原边、T4，杂散电感L中储存的能量绝大部分将转移到Cs1储存，即： 图5.2 缓冲器回路图这里：- 主回路的杂散电感 - IGBT关断时的集电极电流 - IGBT关断时的集电极发射极电压-直流电源电压按经验选取2、缓冲器阻抗R的计算:对缓冲器阻抗的要求使IGBT在关断信号到来之前，将缓冲器电容上的电压放至直流电压。若阻抗很小，会使电流波动，IGBT开通时的集电极电流初始值将增大，在满足的前提下，希望选取尽可能大的阻值，选取R=10。在缓冲电路中，电容要选为无感电容。电阻要选为无感电阻。 3、缓冲器二极管的选择：要选择快恢复二极管，若二极管选择不当，会产生很高的尖峰电压，同时在二极管反向恢复时期电压波动。这里选择二极管型号为MUR8100。由图5-2可知缓冲器二极管D1和缓冲器电容Cs1的公共点是二极管的阳极，所以图5.3中二极管电压为实际电压的相反值，可以看出，在T1由导通变为截止时，D1导通，Cs1充电，所充电压为，其中L为主回路的杂散电感。在T3由导通变为截止时， D1不通并承受反压，Cs1通过R1充电，所充电压为，其中L1为变压器的漏感。5.3 IGBT的过流保护在选择IGBT的型号时，考虑了器件的工作电流及允许的过电流，然而在故障条件下，器件承受较大的故障浪涌电流，这是不允许的，所以要用某些方法保护器件免受破坏。对于负载变化引起的过载，通过闭环控制，是可以调节的。但是当出现更为严重的过载，例如逆变电路桥臂短接等问题时，故障电流在IGBT管中急剧上升，这时就要给IGBT提供一个快速保护电路。 在主电路所示IGBT的逆变电路中，T1 和T3, T2和T4分别组成一个桥臂，如果由于故障或误操作使得同一桥臂上的IGBT同时导通，即会产生桥臂短路现象，比如，T1和T3同时导通即会由短路电流流过两个IGBT，其电流通路如图所示。由于T1和T3支路的电感很小，短路电流的上升率和浪涌冲击电流均很大，又可能导致IGBT烧毁。5.3.1设计短路保护电路的几点要求 （1）在器件实效之前完成IGBT的关断，对于IGBT所经历的所有工作状况，它应该是成立的。 （2）应有一定的抗干扰能力。 （3）由于快开关的和杂散电感相互作用，开关电路产生噪声，以及电路中其它的电磁干扰，故障检测应有一定的抗干扰能力。 （4）应足以适用于电路中的各种短路情况。（5）不应影响IGBT的开关特性。5.4 集成光电隔离驱动模块HCPL-316J设计IGBT 的驱动电路和保护电路是对它应用的关键。如何保证系统稳定且可靠工作,又使系统的开发周期短,性价比高,是一个需要综合考虑的问题。目前实际产品应用中有各种典型的驱动电路,但都存在一定的不足。鉴于对电源和驱动的要求,结合本次毕业设计选择了AGILENT公司的光电耦合驱动器件HCPL-316J 设计电路及与控制器的接口。其内部集成集电极-发射极电压（UGE）欠饱和检测电路及故障状态反馈电路。下面给出具体设计过程及其应用。图5.3 HCPL316J芯片管脚该芯片为SO16 封装的表贴器件,其输入输出部分分别排列在芯片的两边。如下图5.4所示。5.4.1器件特性兼容CMOS/TTL电平； 光隔离，故障状态反馈； 开关速度最大500ns； “软”IGBT关断； 欠饱和检测及带滞环欠压锁定保护； 宽工作电压范围（1530V）； 用户可配置自动复位、自动关闭。5.4.2芯片管脚及其功能介绍见表5.2。表5.2 各管脚功能表脚号符号功能说明脚号符号功能说明1正向输入信号端8芯片内部LED1反向电压2反向输入信号端16正向导通的输出电压3输入部分电源端15芯片内部LED2正向电压4GND1输入部分接地端14DESAT饱和过电压输出端5故障信号输入端12正向导通的输出电压一般加在开关器件发射极上6故障复位输入端9,10反向截止电压7芯片内部LED1 正向电压13正向导通的输出电压一般加在发射极上。11正向及反向输入信号端,经过内部光耦隔离放大后输出端5.4.3 内部逻辑电路结构分析该芯片片内分为驱动隔离和保护隔离两部分主要功能模块。输入信号通过上部光电隔离器LED1 传送到输出,故障信号通过下部光电隔离器LED2 反馈到驱动离模块。基本工作原理如下:（1）正常工作时阈值电压UVLO点为低电平,DESAT 脚和7 V比较输出为低电平, E 点信号随LED1 变化,FAULT点电位始终为低电平,三级复合达林顿管工作,输出电压VOUT=VC。电路中通过一个内部互锁逻辑1和2保证在同一时间输出端C点只有一种状态。（2）实现保护功能时 欠压保护当Vcc2低于UVLO=12V时,电路中UVLO保护和DESAT保护同时激活,A点