高效节能型大功率电磁加热器的研究与设计.doc

高效节能型大功率电磁加热器的研究与设计（省级、校级 2010年） 河海大学大学生创新训练计划项目申请表 张国玉，女，20岁，共青团员，出生于江苏省盐城市建湖县一个普通的农民家庭。现任计信学院学生会秘书处副部长。获08 09年度学业优秀奖学金，在数学物理竞赛均获奖项，大一积极参加各项学校活动，并获取奖项。09年通过全国英语四级考试。我为人冷静，善于思考，对软件有着浓厚的兴趣，我有恒心和责任感，并且有着很好的团队精神。我的座右铭是努力过即使不成功也不至于一片空白。 宋佳佳,汉族,女，共青团员,山东烟台人，就读于河海大学（常州）计算机与信息学院09自动化1班。现任09自动化1班的团支书。在过去的半年里,我尽职尽责。在班长和组织委员的协助下,策划和 组织过多次团日活动和志愿者活动,每一次活动同学们都积极参与，使我收获很多。我们班级曾获优秀组织奖和优秀团日活动奖等。我喜欢帮助别人，在学习和生活给同学以帮助。我还加入了志愿者服务部，为学校和社会服务，并报名参加省运会志愿者，对于部门的活动我也积极参与，主动提出自己的建议。在忙碌于每月的活动的同时，我也不忘记努力学习，我认真对待自己的学习和工作，希望能在各方面做到最好。所需实验室条件: 河海大学计算机与信息学院（常州）建立的创新实验室，主要功能就是为学生开展实践创新提供必要的场所，近两年先后已培养了600多名学生，近几百项科技制作作品。 项目名称高效节能型大功率电磁加热器的研究与设计项目编号 项目所属一级专业门类电气工程项目所属二级专业类检测技术与自动化装置项目实施时间起始时间： 2010年4月 完成时间：2011年6月申请人或申请团队 姓名年级学校所在院系、专业联系电话E-mail主持人黎胜2008河海大学（常州）计算机与信息学院自动化专孙维广2008河海大学（常州）计算机与信息学院自动化专业15151973832978325412成 员孙继强2008河海大学（常州）计算机与信息学院自动化专业1391583213913915832139139.com马凯琪2008河海大学（常州）计算机与信息学院自动化专业13775197611892002805张国玉2008河海大学（常州）计算机与信息学院自动化专1044828181宋佳佳2009河海大学（常州）计算机与信息学院自动化专业15995017120457590744指导教师姓名张金波年龄43单位计算机与信息学院行政职务/专业技术职务系主任/副教授一、课题论证（1.本课题国内外研究现状述评及研究意义。2本课题研究的主要内容、基本思路、研究方法、重点难点、基本观点和创新之处。3前期相关研究成果和主要参考文献。）1.本课题国内外研究现状述评及研究意义 电磁感应加热技术自投入应用以来，由于它所具有的高效率、小能耗、加热速度快、加热区域极易控制、纯净无污染、易于实现自动化等一系列优点，因而在短短的100年间得到了快速发展，电磁感应加热的应用领域也不断扩大。常见的应用有电磁炉、电磁感应焊接等。电磁感应加热技术在发达国家早已被普遍应用。例如美国1976年的加热设备1/4是以电磁感应加热技术为基础的。20年来年度安装功率数翻了两番多。前苏联到1980年，重油加热比例从60%降到10%。德国则早就过渡到以电磁感应加热和天然气加热为主的时期。日本的制造厂1980年使用感应加热设备的比重占到了35%。并致力于纯正节能技术的研发。在我国，电磁感应加热技术在汽车制造业中的应用，已经进入到世界先进水平的行列。随着大功率电力半导体器件的不断推陈出新，推动了电磁感应加热技术的日新月异。 一些工业发达国家，相继用SCR、IGBT、sIT等电力半导体来实现电磁感应加热，频率也从低频、中频、超音频到高频、超高频。在我国，到80年代末，已开发成功SCR中频电磁感应加热设备。到90年代，以IGBT为主的超音频电磁感应加热电源、sIT高频电磁感应加热电源也相继研制成功，虽然我国的感应加热设备已经达了较高的水平。但是，与世界领先水平相比，还存在较大差距，主要体现在设备的可靠性、工艺的制造水准，尤其是大功率电力半导体器件的研发生产和国际先进水平的差距就更为明显。且控制器所需的IGBT、sIT等元器件几乎都依赖进口，这就使国产的IGBT超音频电源与传统的加热设备相比，成本会提高很多，这样不利于电磁感应加热技术的广泛推广应用。现在感应加热在技术上已经很成熟，但在我国由于电力供应以及设计和制造的标准化、系列化等问题没有解决好，推广较缓慢。但是随着各种问题的不断解决，电磁感应加热技术一定会在不久的将来迅速推广开来。 2本课题研究的主要内容、基本思路、研究方法、重点难点、基本观点和创新之处。高频电磁感应加热广泛应用于注塑行业，焊接行业，商用电磁炉行业，表面热处理行业等且具有以下优点：(1) 快速加热。高频电磁感应加热是现行最快的加热方法之一。(2) 节能。热效率达到90%以上，比热阻式节能30-50%。(3) 易于改装升级。例如只需在注塑机的料筒外绕相应的线圈，接到控制器上即可。(4) 绿色环保 。运行过程中无噪音，无扬尘，安全无污染。(5) 温度调节精准可靠。本课题的设想及要解决的问题硬件部分：（1） 半桥模式串联谐振主电路的设计和调试。（2） 电源部分问题的解决，包括+5伏电源和+15伏电源的稳定获取，以及220交流电的整流滤波。（3） 高频PWM波的产生，以及驱动电路的合理设计。（4） 单片机外围电路的搭建及引脚的合理利用。（5） 电磁兼容EMC的考虑，包括对反馈到电网谐波的抑制，PCB制版的电磁抗干扰设计，以及单片机的选取。（6） 散热设计的考虑。软件部分：（1） 实现电压与功率特性如下：208V-270V恒功率输出,100V208V恒流输出。（2） 额定功率：5kW且功率可调，调功模式采用PFM(调频)实现 。（3） IGBT保护温度:805 。 （4）各种保护的实现，包括线盘短路保护；电压过高过低保护；过流保护；频率跟踪保护； 相位监测跟踪保护；负反馈调节保护等。（5） 软启动/停止控制功能(可直接关电源)的实现 。（6） 故障提示(指示灯)。（7） 温度显示。 3前期相关研究成果和主要参考文献。前期相关研究成果：（1）已完成基于IGBT高频开关串联谐振主电路的设计和调试，并通过互感器示波器观察到震荡波。（2）已完成220V交流电通过整流滤波得到稳定的直流电源，通过VPer12a，变压器和7805及外围电路得到+5V，+15V直流电源设计。（3） 已完成基于KA3525的高频PWM波的产生电路，以及驱动电路的合理设计，得到20K左右两路交替导通的稳定的方波。（4）已完成加上CD4046锁相和LM339比较器负反馈实现的稳定可靠震荡电路，上电调试实现大功率加热功能。（5）已完成单片机外围电路的搭建及引脚的合理利用，下一部将完成包括实现电压与功率的特性：208V-270V恒功率输出,100V208V恒流输出；5kW的额定功率且功率可调，调功模式采用PFM(调频)实现 ；实现IGBT保护温度:805 ；其他各种保护的实现，包括线盘短路保护；电压过高过低保护；过流保护；频率跟踪保护；相位监测跟踪保护；负反馈调节保护等；软启动/停止控制功能(可直接关电源)的实现；故障提示(指示灯) 和温度显示等。（6）下一步将完成电磁兼容EMC的设计，包括对反馈到电网谐波的抑制，PCB制版的电磁抗干扰设计，散热设计的考虑，最后完成整机测试修改以期达到技术要求。参考文献：1 李德赤, 李宇, 陈惠标, 熊益仲.基于电磁感应技术的电饭锅控制器研究J. 电器技术, 2006,6:46-492郝海.电磁感应中的感应热研究J.铸造，1999，83李宗刚.节能技术M.兵器工业出版社，19914俞宏生.电磁场涡流方程数值计算方法研究J.计算机辅助工程，1997，65彭勇刚，洪杰.变频控制在注塑机控制器中的应用J.机电工程，2002，66周航慈.单片机应用程序设计技术M.北京航空航天大学出版社，20027邹云屏.检测技术与电磁兼容性设计M.华中理工大学出版社， 19958德根等.AVR高速嵌入式单片机原理与应用M.北京航空航天大学出版社，20019沈庆通，张宗杰.强力感应器与导磁体的发展J.金属热处理，1985 二、项目方案（包括项目的训练目标、前期准备、组织实施、过程管理、实践环节、教师指导、项目结题等）1、训练目标：通过本项目更好地培养学生的创新精神和实践能力！在开发实践过程中，了解项目开发的过程，掌握软硬件设计方法，加深对专业知识的应用，提高学生的科学素质。2、前期准备：熟悉原由开发成果，熟悉相关应用软件和电路设计等相关知识。3、组织实施：根据老师指导和团队各成员的能力以及课题的实际情况对团队成员进行具体分工。4、过程管理：在项目开发过程中，将实行指导老师和学生共同负责制。一方面成员之间将进行相互讨论；另一方面将在教师指导下，确定各个环节中所要达到的目的、任务以及解决问题的方法和各种注意事项。5、实践环节：电路板设计、调试。6、教师指导：张金波老师从事了多年的教学和科研工作，并取得众多科研成果，拥有丰富的实践经历和指导经验。7、项目结题：将通过撰写论文、展示制作出的实物、归纳项目开发各个环节中所遇到的问题及其解决方案、各成员在此次项目中的收获以及最后的总结报告等方式作为项目结题。 三、完成项目研究的条件和保障（1申请人或团队情况，包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣、已有的实践创新成果等；2.学校提供条件，包括项目开展所需的实验实训情况、配套经费、相关扶持政策等。）申请人简介： 黎胜，男，20岁，共青团员，四川省内江市。来自计算机与信息学院（常州）08级自动化专业，现任计算机及信息工程学院（常州）分科协电子设计部副部长，曾任08级自动化1班班长，副排长。获河海大学精神文明建设“先进个人”，军训期间获“优秀个人”荣誉称号，获0809年度国家励志奖学金，社会工作奖学金，获第三届校区“飞思卡尔”智能小车竞赛三等奖，获第八届校区电子设计大赛三等奖，成功参加过全国大学生英语竞赛，成功通过英语四、六级。在电子方面有着浓厚的兴趣，具有一定的动手能力，工作认真积极。座右铭：壁立千仞，无欲则刚。 孙维广，男，20岁，共青团员，出生于江苏省建湖县。获第三届校区“飞思卡尔”智能小车竞赛三等奖，成功参加与第八届校区电子设计大赛。大一积极参加学校和部门举办的活动。通过了英语四级和计算机二级考试。我对电子制作有着浓厚的兴趣，有着很好的团队合作精神，很想提高自己的动手能力。座右铭：当雄鹰在天空飞翔时，它告诉人们：勇气和胆量，眼光和行动，是最重要的成功元素。 孙继强，男，汉族，20岁，中共预备党员，出生于吉林省辽源市，计算机与信息学院(08)级自动化专业，现任08自动化3班班长、计算机及信息工程学院（常州）分科协电子设计部副部长。曾获国家励志奖学金，学业优秀奖学金，精神文明奖学金，艺体类奖学金。获得“飞思卡尔”智能小车校内选拔赛三等奖，校区电子设计大赛低年级组一等奖。参加了校区和各个部门举办的多项活动，多次获得奖励，并受通报表扬一次。对电子设计有着浓厚兴趣，对工作认真负责。座右铭：只为成功找方法，不为失败找借口。 马凯琪,男，21岁,共青团员，山西阳泉市人，就读于河海大学（常州）计算机与信息学院自动化专业。现任河海大学常州校区宣传部副部长，曾任08级自动化1班文艺委员。在大学中，我进入了实验室。但我一样没有放松我的理论知识学习，大一的时候，由于我的刻苦学习，荣获了学业优秀奖学金，获物理竞赛二等奖。在数学竞赛中也取得优异的成绩，此外还获艺术体育类奖学金。在我看来