毕业设计-大功率感应加热电源设计

武汉理工大学毕业设计（论文）I摘要感应加热电源在金属熔炼、铸造、锻造、透热、淬火、弯管、烧结、表面热处理、铜焊以及晶体生长等行业得到了广泛的应用。同时，由于感应加热电源的加热特点，超音频、大功率是感应加热电源领域研究的重点之一。本文详细介绍了所设计的感应加热电源，它主要包括不控整流，滤波缓冲电路，降压斩波，逆变电路，数字锁相环电路，保护电路和单片机采样显示电路。而且本文高频感应加热电源的斩波电路和控制电路进行设计中，采用的是专门电压控制型芯片控制和 IGBT 器件取代原有的模拟控制和晶闸管器件，实现对老装备的更新改造；推出主电路的参数计算公式，建立了系统的等效电路，负载的等效模型并分析了控制电路的结构和原理。关键词：感应加热；串联谐振；数字锁相环武汉理工大学毕业设计（论文）IIAbstractInduction heating power in metal smelting, casting, forging, heated, quenching, bend, sintering and surface treatment, brazing and crystal growth industries has been widely used。At the same time, due to the characteristics of inductive heating power, super audio, heating power inductive heating power field study is one of the key。This paper introduces the design of induction heating power, it mainly includes not controlled rectifier circuit, step-down, filtering buffer chopper, inverter circuits, digital circuit, protect circuit chip and sampling display circuit。 And this high-frequency heating power of chopping circuit and control circuit design, use the special voltage control chip control and IGBT device replacing simulation control and brake canal of old equipment, realizing the renewal and transformation，Introduced the main circuit parameters calculation formula, established the system of the equivalent circuit model of equivalent load, and analyses the structure and principle of the control circuit.Keywords: induction heating, Series, Digital phase lock loop武汉理工大学毕业设计（论文）1绪论感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象，也就是交变的电流会在导体中产生感应电流，从而导致导体发热。长期以来，技术人员都对这一现象有较好了解，并且在各种场合尽量抑止这种发热现象，来减小损耗。比较常见的如开关电源中的变压器设计，通常设计人员会用各种方法来减小涡流损耗，来提高效率。然而在 19 世纪末期，技术人员又发现这一现象的有利面，就是可以将之利用到加热场合。 高频感应加热利用电磁感应原理对工件进行加热，其功率密度在被加热工件内的分布可通过选择电源频率和合理设计感应线圈而得到。过去因受半导体器件的限制，高频感应加热电源都采用电子管振荡结构，致使设备存在着效率低，体积大，使用前需要预热，而且电子管使用寿命短等缺点，随着大功率半导体器件的发展，高频大功率感应加热电源的研制取得了很大的进展。感应加热技术从诞生至今，经过近百年的发展，取得了令人瞩目的成果，尤其是六十年代以后，固态电力电子器件的出现与发展，使感应加热技术和现代化生产许多方面密切相关，发挥了很大的生产力作用，因此世界各国都十分关注感应加热技术的发展，并投入了相当的经济支持和技术力量。目前传统的感应加热电源与固态感应加热电源取长补短，互补共存。我国感应加热技术从50年代：后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。到目前己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，已经形成了500-“8000Hz100 4000KW 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己经开始。浙江大学采用晶闸管倍频电路研制了50KW50kHz的超音频电源，采用时间分隔电路研制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250KW50kHz超音频电源已经产品化。近期，浙大已经研制出100KW250kHz的电流型感应加热电源，而在电压型电源方面也取得了一定的成果，如50KW200kHz的产品已经实验通过。武汉理工大学毕业设计（论文）2感应加热是利用处在交变磁场中的导体内产生的涡流和磁滞损失作用于金属本体而引起热效应，在极短的时间内产生大量的热能，以此来对金属表面或整体进行加热，感应加热是利用电磁感应原理把电能转化为热能的设备。感应加热技术诞生之前，都是使用煤气或石油为能源的装置来加热金属和非金属，与之相比，电磁感应加热主要有如下优点：1）热速度快，效率高，容易实现高功率密集。由于感应加热是从金属内部即从金属的电流透入深度层开始加热，这样就很大程度地节省了热传导的时间，因此加热速度快，生产效率可达60以上。2）采用非接触式加热方式，在加热过程中不易渗入杂质。3）加热温度由工件表面向内部传导或渗透，具有精确的加热深度和加热区域，并易于控制。4）工件损耗少，被加热物的表面氧化少。5）节能环保，作业环境好，几乎没有热，噪声和灰尘，而且占地少，适合现代环保的要求。6）工作容易，加热均匀，产品质量好，且能加热形状复杂的工件。7）自动化程度高，对于感应加热装置，可频繁的起停，控制温度的精度高。由于高频感应加热的优点不断地被接受和利用，使得国内外在高频感应加热电源的研究也不断地增加。武汉理工大学毕业设计（论文）31 感应加热的物理机理及总体方案的确定1.1 感应加热的物理机理如下图 1.1 所示，通有电流的线圈在它的周围会产生磁场，特别是当高频交流电通过时，线圈周围会出现交变磁场。工件导体放入磁场时，磁力线会切割工件，在工件导体中产生感应电动势，从而产生与线圈电流方向相反的涡流。图 1.1 感应加热的物理机理设线圈匝数为 1N,通入电流大小为 1i，频率为 f 的交流电，并令工件的等效圈数为 N，线圈内的磁通为 ，线圈内的工件导体上感应电动势为 e，由法拉第电磁感应定律（1-1）dtNe假设 是按正弦规律变化，设 ，由式（1-1）可得tmsin（1-2）tfemcos2co则感应电动势 e 的有效值为（1-3） 2fNE由于工件导体本身电阻的存在，当涡流流过工件时，会引起工件发热，根据焦耳一楞茨定理有 （1-4） RtIQ24.0式中， 为工件导体的发热量， 2I为流过工件导体内的涡流，R 为阻碍涡流的电阻，tQ为通电时间。 从式（1-2 ）可知 ，涡流的频率与线圈的电流同频率，由于高频电流的集肤效应，工件导体的涡流分布不均匀，电流分布情况可以表示为（1-5）exp0i武汉理工大学毕业设计（论文）4式中， 为导体表面电流密度， 为电流透0i x入深度，单位 cm， 为电流分布的密度，单位 cm。涡流密度降为表面电流密度的 ，即 36.8%处的深度称为电流分布带的宽度 ，可表e1 示为 （1-6） frr503219式中， 为金属电阻率，单位 ， 为金属的相对导磁率，f 为电流的频率，单位cm2rHZ。在电流透入深度范围内工件吸收的功率为吸收总功率的 86.5%，因此 成为选择加热电源频率，制造感应圈选用钢管材的重要参数之一。其功率密度在被加热工件内的分布可方便的通过频率的选择和感应线圈的合理设计而得到。1.2 感应加热电源总体方案的确定系统要求设计并制作工作频率约为 100KHZ，输出功率最大为 15KW 的感应加热电源，要求能适应加热工件和用于真空蒸发镀膜加热源。在系统设计中，电网提供的是单相交流电，设计的电源给负载加热时也是用的交流电，这就意味着我们要用到交直交变换，即先把电网送过来的交流通过整流变为直流，然后把直流通过逆变又变换为交流，为了实现对直流电压大小的控制，中间还需加一个直流斩波的环节，所以系统设计大致包括四个部分：不控整流、大电容储能滤波、逆变电路和谐振负载。图中通过不可控整流的方式将交流变为直流，再通过大电容滤波变成比较稳定的直流电作为逆变电路的供电电源，在逆变侧部分实现系统的逆变输出和功率调节。在直流斩波调功控制当中需要对斩波后的输出进行比较，需要检测，在本设计中决定采用霍尔传感器检测斩波后输出电压，斩波控制决定采用电压 PWM 型控制芯片 SA3525A 来控制，逆变这一部分决定采用全控型器件 MOSFET 来作为开关器件，而逆变的控制电路是由基于 CD4046 锁相环电路来控制的，锁相环控制电路的主要作用是让逆变器工作在谐振状态下或小感性的准谐振状态，高效率的输出有功功率，其中逆变器中的开关型器件 MOSFET 采用美国国际整流器（IR）公司利用自身独有的高压集成电路技术及 CMOS 技术，于 1990 年前投放市场IR2110 驱动电路。最后经过霍尔传感器检测系统的电压，电流和频率经过 A/D 转换，送至单片机，单片机通过控制液晶显示器使其显示出来。决定采用如下图 1.2 所示的方框结武汉理工大学毕业设计（论文）5构图：图 1.2 整机原理方框图低通滤波器 斩 波 控 制不可控整流 斩波调功 低通滤波 逆变器 负载 电流检测电压检测真 有 效 值转 换整 形A/D转 换单片机最小系统液 晶 显 示测频逆 变 驱 动锁 相 环 跟 踪20V5HZ武汉理工大学毕业设计（论文）6随着电力半导体器件的发展，大功率全控型器件进入了实用阶段。利用普通的单相整流器和斩波电路配合组成输出电压可调的直流电源，能够满足加热装置，镀膜蒸发功率连续可调的要求。由于电源的输出功率只有 15KW，并考虑到将来的工作电源环境，故采用单相工频电源供电。由电网进入的交流电经过低通滤波器后，进入不可控整流桥堆整流，这里的低通滤波器是一个防电磁干扰的滤波器，它一方面将电网中的高次谐波滤除，另一方面感应加热电源也会产生各种谐波，该滤波器也会将其滤除，防止污染电网，它采用成品EMI 模块。交流电经整流电路变成脉动的直流信号，经电解电容平滑滤波后进入斩波器开关器件的高端，在脉宽调制电路（PWM）的控制下进行直流调功，输入给串联逆变器一定的电压，逆变器在锁相环电路控制下，进行频率自动跟踪，让逆变器工作在谐振频率附近，频率稍微高于谐振频率，即准谐振状态，功率因数接近与 1.这样即可满足感应加热工艺，又保证系统的可靠稳定，提高了整机效率。然后利用单片机采样显示。感应加热电源的主电路如下图 1.2 所示：图 1.2 感应加热电源主电路武汉理工大学毕业设计（论文）72 整流电路设计2.1 整流电路参数计算及器件的选型整流电路采用的是单相不可控桥式整流电路。具体的整流电路图如下图 2.1 所示：图 2.1 整流电路图参数计算主要是整流二极管参数的计算，由于整流电路后接高频斩波调功电路，所以根据 计算整流后的直流平均电压 ,即PDCU3.1DCU(2-1)VPDC28603.1.式中， 为相电压。P根据输出功率 的要求，结合前面的分析，考虑逆变器用的是锁相环进行频KW150率自动跟踪，逆变器工作在谐振或小感性负载状态更好，保守估计可取变换效率 ，%85要求整流器的输出功率为(2-2)KWPd 65.1780.50故整流器的输出电流(2-3)(.2)(0 AUIDCdAV通过每个二极管的电流为(2-4)(85.30)(0)(IAVD整流二极管承受的最高反向电压为(2-5)(124.12VPRM考虑采用日本富士康三相整流二极管模块 6R175E-080，其基本参数如下：反向重复峰值电压 ,反向非重复峰值电压为 ,平均输出电流为VUDR80URSM80( 为 时) ，浪涌电流 ,结温 ,正向压降AI750CTO10AIFSM10CTj154武汉理工大学毕业设计（论文）8(最大值)，反向漏电流 (最大值