本科毕业设计(论文)中期报告-基于移相控制的感应加热电源.doc

燕 山 大 学本科毕业设计（论文）中期报告课题名称：基于移相控制的感应加热电源 学院（系）： 电气工程学院 年级专业： 10级应用电子技术 学生姓名： 张超 指导教师： 吴俊娟 完成日期： 2015.5.2 一、 毕业设计的进展情况的简要说明已完成工作：了解感应加热技术现状和发展，掌握感应加热原理；分析感应加热电源的谐振槽路和拓扑结构，撰写开题报告；分析感应加热电源的各种调功方式，重点研究移相控制调功控制，完善设计方案，撰写论文初稿；主电路开环仿真，撰写中期检查报告；设计闭环控方案，频率跟踪电路和驱动电路。在进行中的工作：电路闭环仿真（闭环模块中锁相环和功率跟踪模块的搭建为重点），完善完成硬件电路设计，翻译外文资料（L. Grajales, K.R. Wang. Design Of A 10 Kw, 500 KHz Phase-Shift Controlled Series-Resonant Inverter For Induction HeatingC. Proc. Industry applications society annual meeting, Toronto, Oat, Canada, 1993: 843849），撰写论文。二、 已完成任务情况2.1 查阅的主要文献资料本论文参考的主要文献资料为-黄瑾瑜.基于移相控制的高频感应加热电源的研究J. 机械制造与自动化.2010, 1(1):165-168。2.2 设计思路a) 感应加热电源的构成和原理分析感应加热的工件和感应线圈一起可用串联的RC电路等效，而为了有效利用电源容量需串联或并联电容进行无功补偿。故其负载等效电路可等效为图2-1所示串联振荡电路和并联振荡电路。图2-1与之对应，高频感应加热电源的逆变器分为串联谐振式电压型逆变器和并联谐振式电流逆变器。电源拓扑串联谐振逆变器并联谐振逆变器电路图适合负载低阻值负载高阻值负载启动难易简单（自激、它激）困难（自激）布线要求较高较低可靠性较差较可靠通过上表对比，本课题采用串联谐振逆变器。b) 感应加热电源的调功方式的研究串联谐振逆变器的功率调节方式分为直流调功和逆变调功。该部分只以移相调功方式为例感性重点讲述逆变调功方式中的移相调功（移相PWM调功）。串联谐振逆变器主电路原理图如图2-3所示。VTl，VT4为基准臂(或移相臂)开关，相位互差180，VT2，VT3为移相臂(或基准臂)开关，滞后或超前VTl，VT4 角开通，角可在士180范围内调节。通过调节逆变器移相臂驱动信号与基准臂驱动信号之间的相位差来改变输出电压的脉宽，并利用集成锁相环跟踪负载频率的变化，达到调功的目的。在移相角超前的情况下，负载始终工作在感性状态。如图2-3，保持输出电流的相位滞后定向臂驱动定相臂驱动脉冲信号前沿角，称为初始锁相时间所对应的锁相初始角。VT2，VT3称为定相臂，VTl，VT4称为移相臂，VTl，VT4超前VT2，VT3角开通(假设2大于O)。输出电压U傅里叶级数表示为输出电压基波分量为输出功率因数角为负载等效阻抗为输出有功功率为输出功率随着移相角增大而单调减小，在移相角最大时，输出脉宽最小，输出功率减小，负载工作频率远大于谐振频率；随着移相角逐渐减小，其输出脉宽逐渐增大，输出功率也逐渐增大，负载工作频率下降；移相角为0时，输出脉宽最大，输出功率也最大，工作频率等于负载频率。从图32可以看出，这种调功方式下逆变器的换流方式为VT3D2VT2，VT2D3VT4以及VT1D4VT4，VT4D1VT1，属于逆变器桥臂换流(即由每个桥臂的反并联二极管换流至该桥臂的开关器件)。还可以看出这种方式下定向臂和移相臂均能实现零电流开通，在较小时，基准臂VT3，VT2实现准零电流关断，但移相臂VTl，VT4的关断电流不随移相角的增大而单调减小。以上说明在这种移相控制方式下，能够实现定相臂主开关元件的准谐振软开关。c) 系统框图本课题的系统框图如上所示。其中主电路部分采用三相不控整流和外部移相控制的MOSFET可控全桥逆变组合的典型的逆变侧调功的电路拓扑。谐振槽路采用串联谐振负载等效。图2-3控制回路由移相功率控制电路和频率跟踪电路组成。通过对负载侧的电流和电压采样，利用移相芯片UC3875和外围电路实现功率控制，利用CD4046锁相环电路实现频率跟踪。其中功率调节部分是通过检测串联谐振负载两端电压和流过电流，由 模拟乘法器转换成功率信号，并接置UC3875的3脚。d) 感应加热电源硬件电路设计主电路设计传统主电路如图2-4。考虑软开关的实现，在移相臂和定相臂上各种并联缓冲电容。图2-4传统逆变器只能工作中感性状态下，而实际工况下，由于负载变化逆变器可能短时间内工作在容性或者阻性状态。为了抑制MOSFET自身反并联二极管的作用，改进后主电路如图2-5，通过在桥臂串并联快恢复二极管，使逆变器即使在容性状态下也能安全运行。图2-5主要参数设计：额定功率P=20KW,工作频率f=100KHZ，输入电源三相380V/50HZ,负载等效电感L=0.11mH，负载等效电阻R=13，负载补偿电容C=100nF。控制回路控制回路由移相功率控制电路和频率跟踪电路组成。开环仿真利用MATLAB进行开环仿真。仿真电路如图2-4。图2-4移相角为0时输出电压电流波形：移相角为0时开关管VS1-VS4的驱动波形和输出电压电流波形：移相角为30时开关管VS1-VS4的驱动波形：移相角为30时输出电压电流波形：移相角为45时开关管VS1-VS4的驱动波形：移相角为45时输出电压电流波形：移相角为60时开关管VS1-VS4的驱动波形：移相角为60时输出电压电流波形：闭环仿真 闭环仿真主