100kW感应加热电源的初步设计.doc

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文）题目：100kw感应加热电源的初步设计院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间：2013-12-30至2014-1-10.- ii -课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气学 号 学生姓名 专业班级 设计题目100kw感应加热电源初步设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能先将交流电变成直流电，再将直流电变成400hz以上的交流电，驱动电磁线圈。产生高频交变磁场，在被加热的金属工件内产生磁滞损耗和涡流损耗，产生热量而加热工件。设计任务与要求1、方案的经济技术论证。（采用晶闸管中频感应或igbt高频感应方式均可）2、整流电路设计。3、逆变电路设计。4、确定中频或高频变压器变比及容量5、通过计算选择器件的具体型号。6、控制电路设计。7、保护电路设计。8、绘制相关电路图。9、模拟实验或matlab仿真。10、完成4000字左右说明书。技术参数1、输入电压三相380v。2、输入交流电频率4565hz。3、具有过流保护。4、输出最大功率100kw。5、负载功率因数0.8。进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：主电路设计；第5天：选择器件；第6天：确定变压器变比及容量；第7天：确定平波电抗器；第8天：触发电路设计；第9天：总结并撰写说明书；第10天：答辩指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要本文主要是利用交直流变换和涡流加热设计的一种感应加热电源，这个电源输入阻抗高,驱动功率小,通态损耗低等一系列优点,以及以商品化的单模块容量大,价格相对便宜,因而更适用于低频率的电源。本课题主要在于逆变电路和整流电路的设计。用三相半控整流电路对三相工频交流电进行整流并用滤波电容进行滤波，然后用以igbt作为功率开关器件的单相电压型逆变器作为本系统的逆变电路，并通过spwm实现了对逆变器和整流器的控制。最后设计了保护电路,保护整流器和逆变器，使电路更加可靠稳定。之后计算了系统的参数以及进行了器件的选择，并对该设计进行系统的仿真分析,验证其可行性。关键词：感应加热；igbt；逆变电路；整流电路；脉冲宽度调制目 录 第1章 绪论21.1 感应加热电源概况21.1.1 感应加热概述21.1.2 感应加热电源概况+21.1.3 感应加热电源工作特性31.2 本文设计内容3第2章 感应加热电源电路设计42.1 感应加热电源总体设计方案42.2 感应加热电源的工作原理42.3 感应加热电源具体电路设计52.3.1. 整流电路的设计52.3.2. 整流触发控制电路的设计62.3.3. 逆变电路设计62.3.4. 逆变电路的调制方式82.3.5. 驱动电路设计82.3.6. 保护电路设计9第3章 参数的计算与器件选择11 3.1整流滤波电路参数计算与器件选择11 3.2 逆变电路参数计算与器件选择12第4章 感应加热电源仿真13第5章 设计总结16参考文献17第1章 绪论感应加热电源概况感应加热概述感应加热技术是20世纪初才开始应用于工业部门的，在我国是伴随着汽车工业和拖拉机工业的诞生而起步的，近年来，随着我国工业的发展，在工业的加工上应用广泛。感应加热原理是交变电流产生交变的磁场，从而利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。装置由两部分组成，一部分是提供能量的交流电源，也称变频电源；另一部分是完成电磁感应能量转化的感应线圈，称感应炉。与传统的加热方式相比，感应加热具有加热速度快、铁屑损耗少、启动快、节能、生产效率高等一系列优点，因此近年来在工业领域中有着广泛的应用。目前，感应加热主要用途是金属加热前的预热、热处理、焊接和融化等。感应加热电源概况感应加热电源是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制技术发展成熟的。是感应加热的中心环节。现在，虽然感应加热电源主要设备比较复杂，一次需要投入的成本相对比较高，感应部件（感应圈）互换性和适应性较差，不宜于在一些形状复杂的工件上应用等。但是它的优点多于缺点,综合性能良好,所以其应用范围越来越广，已经深入到国民经济的各个领域，如冶金、机械制造、轻工、石化、电子等。感应加热电源工作特性 本设计所要求的电源应该能够满足感应加热器工作在最佳状态下，感应加热器的工作特性决定了其电源应该具有以下特性：1、该电源应该提供一个在大范围内连续可调的电流，以驱动负载线圈产生一定的磁场。2、由于本电源要应用于感应加热装置，所以，电源的频率要在一定范围内连续可调。3、电源的负载为感应加热器，即负载呈感性。因此，应具有过电流保护电路以抑制开、关电源等电流变化较大的场合所产生的瞬态电压对功率器件的冲击。本文设计内容 本文设计主要包括以下几个方面： 1、整流电路的设计。 2、整流触发控制电路的设计。 3、逆变电路的设计。 4、逆变电路调制方式的设计。 5、驱动电路的设计。 6、保护电路的设计。 感应加热电源的技术参数：1、 输入三相电压380v。2、 输入交流电频率4565hz。3、 输出最大功率100kw。4、 负载功率因数0.8。第2章 感应加热电源电路设计感应加热电源总体设计方案如图2.1 所示，感应加热电源主要由主电路、控制电路和驱动电路三部分组成。本设计系统主电路采用的是交直交结构，包括输入整流器、直流滤波器、逆变器、交流滤波器及隔离变压器等组成部分。系统控制部分的硬件电路总体上采用了：控制板和驱动板两个大的模块。控制板有三大功能：（1）负责接收设定的控制指令和数据；（2）生成并向驱动板上的驱动芯片提供spwm 信号；（3）接收并且处理系统的反馈信号。驱动板的主要功能是：（1）接收控制电路发送过来的驱动信号并将其直接放大处理送给逆变器的功率开关管；（2）检测并向控制芯片反馈经过预处理的故障信号。感应加热电源原理框图：三相工频交流电整流滤波电路全桥逆变电路隔离滤波输出感应 加热器驱动电 路 图2.1 感应加热电源原理框感应加热电源的工作原理从图2.1中我们可以看出感应加热电源工作的过程为：首先将电网输入的380v 工频交流电加到三相桥式半波整流电路上，然后通过三相整流电路整流后输出的电压经电解电容滤波成为平稳的直流电压，再通过采用spwm进行控制的逆变电路将平稳直流转换为脉宽调制输出的交流，输出spwm 波幅值恒定，宽度按正弦规律变化，该交流基波频率为所需要的电流输出频率。逆变器输出的脉宽调制波经lc 低通滤波电路滤去高频分量，得到纯正的正弦波交流电，再经变压器隔离变压得到设计所要求的电流和频率均可调的交流电供给感应加热器的交流线圈。本设计的核心和难点工作在于逆变器和dsp 控制电路的设计。逆变器部分主要包括逆变电路拓扑结构的选择及其功率开关器件参数的设计和选择；控制部分则包括逆变驱动电路、控制电路等硬件电路的设计和spwm 信号波的产生和保护电路等部分的设计。感应加热电源具体电路设计 整流电路方案有单相、三相，当整流负载容量较大，直流电压脉动较小、易滤波时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源提供。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广泛的是三相桥式可控整流电路、双反星形可控整流电路以及十二脉波可控整流电路等。从经济和适用角度分析，本设计采用三相半控整流电路。逆变电路有电压型逆变电路和电流型逆变电路两种。两种电路具有一下特点：电压型逆变器短路保护较为困难。电流型逆变器的短路保护则比较容易。电压型逆变器工作时，开关管承受反压较大。电流型逆变器工作时，开关管受的反压很小，其大小仅仅是开关管反并联二极管的导通压降，非常小。电压型逆变器的起动较为简单。电流型逆变器起动较为困难。电压型逆变器由于电压高，电流小，对槽路布局要求较低。电流型逆变器则由于电压低，电流大而对槽路布线要求很高。电压型逆变器工作更为可靠。电流型逆变器工作可靠性较差。综合比较两种电路的优缺点，电压型逆变电路以其在换流时自然过零关断、关断时间短、起动较容易、适用于频繁起动工作的场所的特点被广泛的应用在感应加热、电焊机等场合。因此本设计采用电压型逆变电路结构。单相逆变电路主要采用桥式接法。主要有：单相半桥和单相全桥逆变电路此实验采用单相全桥逆变电路。2.3.1. 整流电路的设计本设计采用三相桥式晶闸管半控整流电路。它具有如下优点：在启动过程中，调节晶闸管的触发角，可以控制整流输出直流电压由低到高逐渐变化，这样可以防止浪涌电流损毁整流器，实现了软启动；当电源出现故障时，可以封锁晶闸管的触发信号，从而切断直流侧滤波电容的充电回路，关闭直流环节，以防止故障的进一步扩大。三相可控整流电路如图2.2所示。输入整流部分由三相晶闸管整流桥组成，在感应加热电源开机启动时通过调节晶闸管的导通角来实现软启动，限制冲击电流不超过电源满载时的额定电流。软启动结束后，可控硅/整流桥的导通角最大，此时相当于标准的整流桥。整流后通过电解电容cd滤波得到平稳的直流送到逆变器。高频滤波电容ch 用于提供高频 图2.2 输入整流滤波电路无功电流的通路。电抗器ld 主要起限流作用，限制流过整流桥电力二极管的电流尖峰，改善网侧的功率因数。2.3.2. 整流触发控制电路的设计可控硅变流技术在电子电力系统中已经应用得极其广泛,而可控硅触发系统则是变流装置中不可缺少的电路单元。集成电路kj系列触发器具有移相性能好,控制角与控制电压成比例,移相范围宽、抗干扰能力强、温漂小、输出功率大及可靠性高等一系列优点。集成电路kj系列触发器利用在起动瞬间三相干扰触发脉冲同时存在的特点，设计出抗干扰电路，消除了在按下起动按钮的瞬间出现的干扰触发脉冲。利用电容的滤波作用，在变换电路的输入端加接滤波电容，消除了在移相至某区域出现的低幅值超前干扰触发脉冲；利用电容的充电效应，使得每次起动时，移相电压都由一较低值渐增至给定值，实现了限流起动的要求。2.3.3. 逆变电路设计本设计采用单相电压型全桥逆变电路，其电路具有以下特点：（1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同；（3）当交流侧为阻感负载时需提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用,为了给交流侧向直流才反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管,又称为续流二极管。电压型逆变电路如图2.3所示。电压型逆变电路负载分析：电容与负载串联构成了电压型逆变器的负载电路。如图3.3所示。由图可知，负载阻抗为： (2-1) 图2.3 电压型逆变电路 图2.3电压型负载电路 负载阻抗的模为: (2-2)当imz(jw)=0时，即,电路发生谐振，设谐振角频率为。所以 则= （2-3）由于=，故谐振频率为： (2-4）品质因数： （2-5）则电感和电容上的电压分别为： （2-6） （2-7）可见，电路发生串联谐振时外部电源电压全部加在电阻上，电感上的电压和电容上的电压大小相等，方向相反，且大小等于外部电压的q 倍，因此我们也常常把串联谐振称为电压型谐振，q 为谐振电路的品质因数。2.3.4. 逆变电路的调制方式当今逆变电源控制应用最为广泛的就是spwm正弦脉冲宽度调制法。它是调制波为正弦波，载波为三角波或锯齿波的一种脉冲宽度调制法，由于三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波的函数值的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电。spwm调制的工作原理：冲量等效原理，大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。正弦波脉冲宽度调制波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。根据采样控制理论，脉冲频率越高，spwm波形越接近正弦波。逆变器输出电压为spwm波形时，其低次谐波得到很好地抑制和消除，高次谐波又能容易滤去，从而可得到畸变率极低的正弦波输出电压。根据脉宽调制的特点，逆变器主电路的开关器件在其输出电压半周内要开关n 次，而器件本身的开关能力与主电路的结构及其换流能力有关，所以，应用脉宽调制技术时必然受到一定条件的制约，主要有下列两点：开关频率。电力电子器件的开关频率受到其固有开关时间和开关损耗的限制。为了使逆变器输出尽量接近正弦波，应该尽可能增大载波比，但开关器件本身允许的开关频率又限制了载波比不能太大。最小间歇时间与调制度。为保证主电路开关器件的安全工作，必须使所调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间。2.3.5. 驱动电路设计驱动电路的作用是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求,转化为加在电力电子器件控制端和公共端之间,可以使其断开和开通的信号。而在逆变电路中，容易损坏的部件是组成逆变桥的igbt,因此其驱动与保护是逆变器能否可靠工作的基础和关键。对igbt 驱动电路的基本要求如下：(1) 提供适当的正向和反向输出电压，使igbt 可靠的开通和关断。(2) igbt的开关时间应综合考虑。快速开通和关断有利于提高工作频率，减小开关损耗。(3) igbt开通后，驱动电路应提供足够的电压、电流幅值，使igbt在正常工作及过载情况下不致退出饱和而损坏。(4) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘。(5) 驱动电路应具有较强的抗干扰能力及对igbt的保护功能。igbt多采用专用的混合集成驱动器,如m57962l。图2.4给出了m57962l型igbt驱动器的原理和接线图。这些混合集成驱动器内部都具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断igbt,并向外电路给出故障信号。m57962l输出的正驱动电压均为+15v左右，负驱动电压为-10v。对于大功率igbt器件来讲，一般采用由专业厂家或生产该器件的厂家提供的专用驱动模块。 图2.4驱动电路2.3.6. 保护电路设计保护电路包括过电流保护和过电压保护。此设计主要采用过电流保护。（1）引起过流的原因电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分过载和短路两种情况。（2）整流电路过电流保护用在可控硅整流装置中的过电流保护方式很多，如快速熔断器保护、快速电流继电器保护、自动空气断路器保护和电子回路保护等。整流电路过流保护如图2.5所示。 图2.5 整流电路过流保护电路 当负载电流超过设定值或发生短路时，需对电源本身提供保护，系统的过流保护在系统的安全性方面占有重要的地位。如图2.6的过电流保护。图2.6 逆变电路过电流保护第3章 参数的计算与器件选择3.1整流滤波电路参数计算与器件选择（1）三相半控整流电路，其整流输出的直流电压为：= (3-1) 式中：整流滤波输出电压平均值； 整流电路输入线电压。则 = 1.35=1.35380v=513v (3-2)本电源的最大输出功率为=100kw，考虑到滤波器的损耗以及功率开关管的开关损耗，设逆变器的变换效率为90%，则整流电路最大输出直流功率为： = =100/0.90111.1kw (3-3) 则整流电路的最大输出直流电流为： =111.1/513216.6a (3-4) （2）整流二极管参数计算在三相整流电路中，每个桥臂的二极管所承受的正反向电压的最大值为三相交流电网线电压的峰值，在实际应用中还需要考虑到电网电压的波动以及各类浪涌电压的影响，因此需要留有一定的安全裕量，一般取为此峰值电压的23 倍，则整流二极管的额定电压为：=v (3-5) 流过二极管的电流有效值为： 125.1a (3-6) 按照有效值相等的原则来选取二极管的额定电流，并留有一定的裕量，一般1.52 倍, 则整流二极管的额定电流为：= =a (3-7) 所以选取耐压值为1300v，额定电流为150a型号为ry255的整流二极管。（3）滤波电容的参数计算滤波电容器主要起滤波和稳定电压的作用。由于采用了三相桥式整流电路，应按下式设计滤波电容的值：= (3-8) t1为整流输入电压的频率，=50hz，直流电源的负载电阻： =2.4 (3-9) 因此： = (3-10) 电容耐压值为： =1.51.35380=769.5v (3-11) 由于耐压要求较高，所以选择6个1000电容，耐压为400v，分成相同的两组串联。3.2 逆变电路参数计算与器件选择 igbt 所承受的正向电压值就是前面整流电路的输出电压，实际应用时留有一定的安全裕量，一般取为23 倍。因此igbt 的额定电压为： =513=（10261539） (3-12) 逆变电路输出电流有效值最大为： =300.6a (3-13) 由于igbt 在一个周期内桥臂的开关管只导通不到一半的时间，同时考虑到1.52 倍的安全裕量，则流过igbt 的电流有效值为： =2425.2a (3-14) 由以上计算可知，应选1000v-400a型号为kk300-10的igbt四只。第4章 感应加热电源仿真通过上面的理论上的设计,我们可以勾画出一个感应电源的完整形态,然后再组成一个感应加热电源,最后用仿真来验证其设计的可行性。如图4.1为感应加热电源的仿真实验图，用matlab来验证其可行性。 图4.1主电路的仿真图仿真结果如下图所示。图4.1逆变输电压波形由图4.2可以看出，仿真后的输出波形与理论分析及计算结果相一致，符合系统的设计要求。本章设定了感应加热电源的负载为一定值，对此负载进行仿真分析。图4.3为系统工作在谐振状态下的输出波形，系统保持工作在谐振状态，实现了频率的自动跟踪，确保了电源的稳定运行，符合前面的设计要求，验证了系统设计的可行性。 图4.2滤波输出电感电流和负载电压波形 图4.3系统输出仿真波形第5章 设计总结本次设计是为加热装置设计一个适合的感应加热电源,通过本次设计知道了光是课本上的知识还是远远不过,毕竟现在的知识更新太过于快速,本次设计涉及到的知识根本不知道,有的必须在