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高效节能多供电中频感应加热电源设计研究摘要 摘要 随着人们环保意识的提高以及铸造、冶金等工业行业对大功率感应加热设备需 求，研究开发大功率、高效、环保的感应加热用电源设备成为业界所关注的热点技术 课题。 本课题旨在研究新型高效节能大功率感应加热电源，与合作单位共同研究提出一 机三炉感应加热电源装置。此电源装置改变了传统上的一拖一电源的限制，可以极大 地提高冶金铸造行业的工作能力。电源整流部分采用1 2 脉波不可控整流方式，使得 网侧功率因数可达0 9 5 ，电网谐波污染小。逆变部分用k k 管组成的半桥串联谐振电 路，解决了传统并联谐振启动难等问题。利用a v r 单片机作为核心控制处理器，采 用数字p i 调节算法进行功率调整，对负载匹配进行实时监控，实现了逆变的数字控 制，改变了传统模拟电路复杂、维护难、功率控制不方便的弊端。整套一机三炉装置 的控制系统，利用p c 机作上位机，通过c a n 总线来控制三台a v r 逆变控制器，实 现对现场信息的实时监控功能。 整套系统不仅能够提供大功率电能输出，而且具有功率输出任意可调、启动方便， 功率因数高、谐波少，对公用电网的污染小的特点。本课题所研究的感应电源装置无 论对能源环境还是工业生产实际需求都有很大的现实意义。 关键字：中频电源串联谐振一机三炉逆变数字控制器c a n 总线 作者：徐广振 指导教师：张茂青 t h es t u d ya a dd e s i g no f t h ee f f i c i e n t , e a e r g y - s a v i n g 矾dm u l t i - s u p p l ym i d - f r e q u e n c yp o w e rs u p p l yo f i n d u c t i o nh e a t i n g a b s t r a c t t h es t u d ya n d d e s i g no f t h ee f f i c i e n t ，e n e r g y s a v i n g a n d m u l t i s u p p l ym i d - - f r e q u e n c yp o w e rs u p p l y o f i n d u c t i o nh e a t i n g a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee n h a n c i n go fp e o p l e se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nc o n s c i o u s n e s s ，a n d t h en e e do ff o u n d r ya n dm e t a l l u r g yf o rt l l e1 1 i g h - p o w e ri n d u c t i o nc a l e f a c t i o ne q u i p m e n t s ，i t h a sb e e no n ep o p u l a rs p o ta m o n gt h ec o m m u n i t yt or e s e a r c ha n dd e v e l o pp o w e rs u p p l yf o r i n d u c t i o nt a l e f a c t i o n , w h i c hc h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - p o w e r , h i 曲e f f i c i e n c ya n d e n v i r o n m e n t - - f r i e n d l y 1 1 1 ea i mo ft h ep a p e ri st or e s e a r c ha n dd e v e l o pan e w , h i g h - p o w e r , h i g he f f i c i e n c y a n de n e r g y s a v i n gi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yp o w e rs u p p l yf o ri n d u c t i o nh e a t i n g w i t ht h e c o o p e r a t i v ec o m p a n y , w er e s e a r c ho nd e s i g n i n gap o w e rs u p p l yf o ri n d u c t i o nh e a t i n g ， w h i c hc a ns u p p l yt h r e ee l e c t r o n i cf u r n a c e s ，n l cp o w e rs u p p l ye q u i p m e n ti m p r o v e st h e l i m i to ft r a d i t i o n a lo n ep o w e rs u p p l yf o ro n ee l e c t r o n i cf u r n a c em o d e ，a n de n h a n c e st h e m a n u f a c t u r ea b i l i t yo ft h em e t a l l u r g ya n df o u n d r yi n d u s t r ys h a r p l y n l cr e c t i f i c a t i o nc 沁u i t p a r to ft h ep o w e rs u p p l yi st h e1 2p u l s ew a v eu n c o n t r o l l a b l ec 沁u 沁a n d t h ep o w e rf a c t o r o ft h ee l e c t r i cn e t w o r ki sm o l et h a n0 9 5 t h i sl e a d st ol e s sh a r m o n i cw a v e sp o l l u t i o n s b y a d o p t i n gah a l f - b r i d g es e r i e sr e s o n a n c e c i r c u i tm a d eu po fw i t hk ka st h ei n v e r s ev a r i a t i o n p a r t , w es o l v et h ed i 伍c u l t yo fs t a r t u po ft h et r a d i t i o np a r a l l e lr e s o n a n c ec i r c u i t m c o n t r o l l e ri sa v r , u s i n gd i g i t a lp ia l g o r i t h mt oc o n t r o lt h ep o w e rs u p p l y , m o n i t o r st h el o a d m a t c h i n g ，a n da c h i e v e st h ed i g i t a lc o n t r o lo ft h ei n v e r s e t h i si m p r o v e st h ec o m p l e x i t y , d i f f i c u l t ym a i n t e n a n c e ，d i s c o m m o d i o u s l yc o n t r o lt h ep o w e ro ft h ea n a l o gc i r c u i t m c o n t r o ls y s t e m so ft h ep o w e rs u p p l yf o rt h r e ee l e c t r o n i cf u m a c e sa r em a d eu po fp ca s h o s tc o m p u t e r p cc o n t r o l st h r e ea v ri n v e r s i o nc o n t r o l l e rb yc a nb u s ，a n dm a k e s c o n t r o l l i n gt h el o c a l ei n f o r m a t i o ni nt i m ec o m e s t r u e m sw h o l es y s t e mh a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c sb e s i d e ss u p p l y i n gh i 曲p o w e r , f o r e x a m p l ep o w e ro u t p u ta r b i t r a r i l yc h a n g e d ，e x p e d i e n t l ys t a r t e d ，h i g hp o w e rf a c t o r , l e s s h a r m o n i cw a v e sa n dl e s sp o l l u t i o nf o rp o w e r - n e t w o r k t h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yp o w e r s u p p l ye q u i p m e n tf o ri n d u c t i o nc a l e f a c t i o n h a sm a n ym e a n i n g sf o re n e r g ys o u r c e s ， c i r c u m s t a n c ea n dt h en e e do f t h ei n d u s t r y k e yw o r d s ：i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c yp o w e rs u p p l y s e r i e sr e s o n a n c eo n ep o w e r s u p p l y t h r e ee l e c t r o n i cf u r n a c ei n v e r s i o nd i g i t a lc o n t r o l l e rc a nb u s w r i t t e nb y ：x uc , u a n g z h e n s u p e r v i s e db y ：z h a n g m a o q i n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：缘窆退 日期：迎岔s ! 至翌 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 讲铲日 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 中频电磁感应加热技术发展历程 法拉第1 8 3 1 年发现的电磁感应现象，就是感应加热技术的基础。在近一百年的 时间里，电磁感应原理被广泛应用于电动机、发电机、变压器和射频通信装置中，而 在这些设备中电路和磁路的热效应均被看作有害的副效应。直到十九世纪末， f o u c a u l t 、h e a v i s i d e 以及t h o m s o n 等人对涡流理论和能量由线圈向铁芯传输的原理进 行了系统的研究后，才逐步建立了感应加热的理论基础。同时人们也开始意识到电磁 感应中涡流效应的应用价值。 随着人们对感应加热现象认识的不断加深，2 0 世纪初法国、意大利和瑞典等国 开始研究使用感应加热技术。1 9 1 6 年，美国的j r w y a t t 发明了“潜沟式”有心感应 炉，并尝试将已经问世的中频发电机组用于向感应加热负载供电。随着感应技术理论 的逐步系统化，实践应用也有很大的进展，此时正在广播通讯领域迅速推广的电子三 极管也被引进到感应加热技术中。二次世界大战之后，由于能源紧张，以感应炉取代 低效率的燃料炉，取得了明显的节能效果。随着工业化进程的加快，人们环保意识的 不断提高，世界各国都在大力发展感应加热技术以取代污染严重、劳动条件差、自动 化程度低的燃料炉，这些因素促进了感应加热技术的迅速发展，感应加热设备的应用 数量的不断增长，应用范围的不断扩大。 五十年代末出现的晶闸管引起了感应加热技术以至整个电力电子学的一场革命。 晶闸管在电力电子学中的应用具有划时代的意义，它标志着以固态半导体器件为核心 的现代电力电子学的开始。因此晶闸管出现后，欧洲各国先后开始研制晶闸管中频装 置，1 9 6 6 年瑞士、西德都研制成功晶闸管中频装置。到七十年代后期，晶闸管中频 装置已逐渐取代了中频发电机组，成为中频感应加热领域的主导产品。在中频 ( 1 5 0 h z - - 1 0 k h z ) 范围内，晶闸管中频感应加热装置其优点有【l j ： 1 产品设计简单，制造方便，不需要大量的工夹模具和加工设备，因此一般工 厂都可以生产，且生产周期短。 2 体积小，重量轻，材料消耗少，可节约硅钢片、铜材和钢材。 3 点效率高，感应加热用晶闸管中频电源装置效率一般在9 0 以上，而中频发 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究第一章绪论 电机组只有8 5 左右。 4 这种电源装置在运行中能根据负载变化而自动调整频率，无需频繁切换补偿 电容器，使装置在工作过程中功率因数基本上保持不变，系统的输出功率一直保持在 额定值上，从而较短的时间内完成对负载的感应加热。易于实现自动控制，适用于加 热过程自动化。 5 这种装置没有旋转部分，运行可靠，维护简单，运行中噪声和振动较小。 6 安装简单，不需要特殊的基础，运输移动方便。 自8 0 年代以来，现代半导体微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，相继出现了一批全控型电力电子半导体器件g t r 、 m o s f e t 、i g b t 、s i t h 、m c t 等，极大地推动了电力电子学的发展，为固态超音频、 高音频的研制提供了坚实基础。 目前在中频范围内，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。国外装置的最大容量已达数十兆瓦，如美国应达公司生产的固态变频 电源已经达到2 0 0 0 0 k w ，目前是世界上最大的【4 3 】。国内也已经形成了功率近 5 0 0 k w 1 0 0 0 0 l w 系列，可以配置3 5 吨以下熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于 各种金属透热，表面淬火等热处理工艺。但一般均采用并联谐振型逆变器结构，存在 不易用于频繁启动、受负载影响大等缺点。因此研究结构简单，易于频繁启动的串联 逆变中频电源是中频电源领域的课题，尤其是在熔炼炉和铸造应用中。 中频电源多用于工业现场，运行工况比较复杂，负载各式各样，而逆变电源和负 载是有机整体，负载变化直接影响到电源的运行效率和可靠性，所以负载匹配是研究 的一个方向。另外，随着自动化程度的提高、实际应用需求以及能源环保的要求，开 发大容量、智能化、高效节能的中频电源已经成为发展目标。 1 2 课题的来源及研究意义 本课题来源于江苏省苏州市科学技术局，新能源与节能技术领域( 代码31 ) 科技 工业类别( 代码0 2 0 5 ) ，项目名称k g p s d x 高效节能环保一机三炉成套设备的控制 系统研制。 能源已经成为全人类所关注的热点，怎么样更好的节能环保已经成为全人类所要 解决的重要内容。列入国家中长期科学技术规划“重点领域及其优选主题 首位的“工 2 商效节能多供电中频感应加热电源设计研究第一章绪论 业节能 和“高能耗行业的高效节能技术与装备”被摆在前所未有的突出重要位置， 意味着这不但涉及铸造、冶炼和加热行业的工艺技术创新，而且极大地关联到其他产 业的革命。这将对我国的整个基础工业产生极大影响。中国是个制造业大国，而铸造、 冶炼和加热行业则是制造业的基础，作为生产汽车零部件、轧辊和有色、黑色、合金 铸造的设备和高速钢、模具钢、合金钢等特殊钢的冶炼设备以及用于淬火、锻造、冲 压等加热设备的高效节能环保技术的研究开发，理所当然成为人们关注的重要课题。 而冶金行业节能环保关键又在于冶炼设备的节能设计上。目前感应加热用电源都 是一台整流器配一台逆变器向一台电炉供电，俗称“一拖一刀。特别是在大铸件时， 因目前电炉容量的限制，就要求几个电炉共同熔炼铸造，那么这样就相应需要多套电 源装置，从电源装置配置特别是有色金属利用上就存在很大的浪费。而k g p s d x 高 效节能环保一机三炉成套设备( 俗称“一拖三”) ，打破了一台电源配置一台电炉的传 统模式，形成一台变频电源装置同时向三台感应电炉供电，进行不同或相同作业的成 套设备，为我国铸造、冶炼和加热行业的发展提供了新一代高效节能的先进设备。 传统的一台电源配置一台电炉的模式要想用来浇铸大件时，例如汽车行业的汽车 底盘的浇铸，因为目前感应炉容量大小的限制，必须采用多台感应炉共同工作来完成 变频电源l ( 3 0 0 0 k w ) 变频电源2 ( 2 5 0 0 k w ) 变频电源3 ( 2 0 0 0 k w ) 感应炉1 3 0 t 铸件 感应炉2 2 0 t 铸件 感应炉3 1 盯铸件 调压保温 调压保温 调压保温 铸 时间t 图1 - 1 一拖一大件浇铸工作示意图 这种大件的浇铸，以确保工件的质量。这样对于一拖一模式就要多台进行配合使用如 图1 1 所示。 从图1 1 中可以看出，要浇铸6 0 t 的大型铸件，需要三套变频感应炉系统。而独 立的三套变频电源就需要三套独立的变压器和整流装置，且功率都是很大，那么制作 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究第一章绪论 这三套独立变压器和整流装置就需要大量的有色金属、可控硅元件、磁芯材料等有限 资源。这对于现在提出来的可持续发展战略以及保护资源环境的思想有所违背，并且 对于企业来说也增加了成本降低了市场竞争能力。对此本课题和合作研发单位共同提 出一台变频电源配置三台电炉的模式，如图1 2 。 图l - 2 一拖三浇铸工作示意图 采用一台3 0 0 0 k w 的中频电源来供电，先对3 0 t 铸件进行熔炼，达到要求后， 把3 0 0 0 k w 功率分出5 0 0 k w 来对3 0 t 铸件进行保温，而剩下的2 5 0 0 k w 用来对2 0 t 铸件进行熔炼，再到满足要求后，再分出5 0 0 k w 用来对2 0 t 铸件进行保温，所剩的 2 0 0 0 k w 完成用来对1 0 t 铸件熔炼。待到都熔炼要求后，同时用这三个炉中的液金属 来铸造所要求的大件。这样就充分利用一台变频电源和三台电炉来完成大件的铸造， 节约了两台电源装置，这样就大大节约了有色金属原料，进而降低了企业成本，并且 也充分利用了电源的功率输出。 1 3 国内外研究现状 2 0 世纪9 0 年代以来，我国高能耗行业的成套设备研究已先后突破了一批关键共 性技术，使我国的铸造、冶炼和加热产品能耗有所下降，但仍比先进国家平均水平高 出2 1 左右。究其原因，除了先进发达国家的技术创新能力强，先进技术推广应用及 时等因素外，其优良的装备是其中最重要的因素，其典型的装备制造商当数美国的 a b b 、英达( n d u c t o t h e r m ) 、彼乐( p i l l a r ) 、阿贾克斯( a j a x ) 和德国的容 克( 几肘k e r ) 以及日本的富士等跨国公司。他们生产的熔炼设备功率大、效高率， 4 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究第一章绪论 自动控制技术先进，节能效果明显。因此在世界各国的市场份额很大。我国的铸造、 轧辊、汽车、泵业等行业的熔炼、加热设备市场几乎全被他们所控制和垄断。尽管如 此，这些公司仍投入巨资，不断研究开发新的技术和装备，以确保他们的领先地位和 世界市场的占有率。 我国高能耗行业的成套熔炼设备的研究开发也比较早，在1 9 6 9 年原国家二机部 已开始有组织的研制，但由于种种原因，直至1 9 9 6 年还处于低水平的生产状态，功 率范围、节能效果、自动化控制程度等主要技术性能指标大大落后于先进国家。而进 口设备价格昂贵，国内好多铸造企业望而却步，所以我国的铸造行业一直处于缓慢发 展状态，因此也制约了我国基础工业的发展。为了缩短我国与先进发达国家之间的差 距，国家出台了一系列鼓励民族工业振兴发展的政策，国内各相关科研院所和企业投 入了较大的人力物力从事先进技术和设备的开发研究，并取得了较大的成绩。高效、 节能、环保已成为世界熔炼设备开发研究的必然趋势。 目前世界上还未见采用一套变频装置同时向三台感应电炉供电、变频器采用大功 率晶闸管器件构成串联逆变电路、电流同步跟踪的逆变功率控制方式、功率范围 5 0 0 - 6 0 0 0 k w 、装置两侧的功率因数c o s 9 5 的k g p s - d x 高效节能环保一机三炉 熔炼成套设备。即使是最强大的美国英达公司也未见有“一拖三一产品的市场销售。 产业化前景更是非常乐观。国家的产业政策和科技政策正在进一步加大对能耗大、效 率低的陈旧设备淘汰的力度，加大对高效节能环保设备的扶持力度，对本项目的研究 有很大的推动力，对以后产品产业化也极为有利。 k g p s d x 高效节能环保“一机三炉 熔炼成套设备的应用领域十分广泛，特别 适用连续铸造的造型生产线进行连续作业的应用领域，如汽车、拖拉机、铸管、船舶、 石油、泵业等行业的铸造流水线，且节约能源可观，生产效率明显，具有十分广阔的 市场前景。 1 4 本论文研究内容 所谓“一机三炉”熔炼成套设备是指一套变频电源装置同时向三台感应电炉供电， 进行不同或相同的作业。不同作业：一炉进行金属熔炼，另一炉进行熔液保温，还有 一炉可以修筑；或一炉熔炼，另二炉保温；或二炉熔炼，炉保温，且三炉的作 业状态可作不间断方式交换，保证2 4 小时连续运行。相同作业：三炉同时进行熔炼 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究第一章绪论 或保温、浇造作业。这种设备不但作业方式可以任意调节，各炉之间的功率也可按熔 炼材料的不同而任意调节。这种设备特别适用于汽车、铸管、拖拉机、造船、泵业等 机械化连续铸造的造型生产线进行连续作业，功率因数始终保持在9 5 以上，只需“一 机一炉 传统设备二分之一的电力即可连续生产运行，节约能源可观，提高生产效率 明显。 要重点解决的关键技术问题是控制系统，所有本论文研究内容如下： ( 1 ) 研究设计按任意比例运行功率负荷分配技术。主要采用上位机调配方式来 解决，即在整机额定功率范围内根据每炉所需的功率通过上位机调配来满足，每炉功 率根据采样电流和电压得出数据并输送给自身移相调频系统作为反馈量，使得整个系 统闭环稳定运行。 ( 2 ) 研究设计自动控制系统。采用串联逆变线路变频电源和先进闭环系统控制 技术，输入功率调节信号和采样的电流和电压值相比较( 采用p i 调节器) ，通过调节 晶闸管导通时刻来调节炉子的功率。根据炉内炉料的变化，经采样电流和电压送回闭 环调节系统，使得每炉的功率能够快速自动控制在额定功率范围内稳定运行。 ( 3 ) 研究设计网侧功率因数达到c o s 矽9 5 、电网谐波污染最小的，逆变器用 整流电源。采用二组三相六脉冲整流桥串联来解决整流桥进行电流不平衡的难题，不 需要用大电抗器来限流，噪声低，功率因数可始终保持在o 9 5 以上。从根本上解决 了采用二组三相六脉冲整流桥并联、需用二组电流环来调节进线电流平衡，而且需要 大电抗器来限流、噪声大、振动大和对工用电网冲击污染大的顽症。 1 5 本论文的工作 针对课题要解决的控制系统的关键技术，对此本论文工作安排如下： l 、从中频感应电源装置整体结构进行研究，分析设计整流、逆变主电路的结构、 性能，设计出满足本课题所需要的主电路。理论研究和模拟仿真上达到所要设计参数。 2 、在分析感应加热电路负载特性的基础上，设计基于a v r 单片机的逆变数字 控制器。实现数字p i 功率调整算法，达到调节功率的目的。并对a v r 单片机外围电 路以及实现程序进行详细研究设计。 3 、实现整套一机三炉装置的协调控制，利用c a n 高抗干扰现场总线实现通信 连接。实现对现场信息的实时监控。 6 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究 第二章中频感应加热系统主电路研究 第二章中频感应加热系统主电路研究 2 1 电磁感应加热原理 2 1 1 感应加热原理及应用 利用变压器原理，将感应线圈电流和熔体的感生电流类比为变压器的原、次极电 流，并将坩埚体内的感生电流处理为变压器铁芯中的感应涡流，则水冷坩埚系统的感 应加热相当于变压器空载时的发热行为。目前，在炼钢生产中通常所用的无芯感应炉， 也是利用电磁感应在金属内部形成的感应电流来加热和熔化金属的。为使必要的电磁 现象产生，感应电炉由变频电源、电容器、感应线圈和坩埚中的金属炉料组成基本电 路。 变频电源将5 0 h z 的工频电流增频后变成1 5 0 h z 2 0 0 0 0 0 0 h z 的电流，并把这种电 流输送给感应线圈和电容器组成的回路中。 由法拉第定律可知，当通过导体回路的磁通量发生变化时，回路就会产生感应电 流。感应电流在闭合回路流动时，自由电子要克服许多阻力，必须消耗一部分能量做 功，使一部分电能转换成热能。感应电流具有的这种热效应，可使闭合回路中导体温 度升高。 当交变频率的电流通过坩埚外侧的螺旋型水冷圈时，在线圈所包围的空间和四周 就产生了磁场。该磁场的极性和强度随交变电流的频率而变化，因此是一个交变磁场。 交变磁场的磁力线一部分穿透金属炉料，还有一部分穿透坩埚材料。磁场的方向和磁 力线的数量与疏密程度等取决于通过水冷线圈的电流强度、频率和线圈的匝数和几何 尺寸。 当磁力线的极性和强度产生周期性的交替变化时，磁力线被金属炉料所切割，就 相当于导体作切割磁力线的运动。在坩埚内的金属炉料方向所构成的闭合回路产生感 应电动势e ，感应电动势和磁通量的变化率成比例。对于频率为厂的交变磁场 e = e f 九( 2 - 1 ) 式中九一交变磁场的磁通量w b ；厂一交变电流的频率勉；c 一系数。 在感应电动势的作用下，金属料中产生感应电流。根据欧姆定律，感应电流的大 7 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究 第二章中频感应加热系统主电路研究 小和电动势成正比，和电阻成反比，= 诲r 。 又根据焦耳一楞次定律可知，电流通过导体所散发的热量与电流的平方、导体的 电阻及通电时间成正比，即 q = 1 2 r t( 2 2 ) 式中q 一热量，；，一感应电流a ；r 一金属表面电阻q ；f 加热时间s 。 综上所述，电磁感应现象和电流热效应为感应加热原理【2 】。 因此，在感应电炉中正是由于变频电流通过感应线圈使坩埚中的金属炉料因电磁 感应而产生感应电流。利用这种电流转化为热能使炉料加热熔化。频率越高，感应电 流越大。所以高频电源进行感应加热的能量强。电阻的作用使电能成为焦耳热耗散， 也就是构成耗散函数，焦耳热使金属料熔化成高温熔体。 由此可见，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流及涡流引起发热的原理是 相同的，不同的是在一般电气设备中涡流是有害的，而感应加热却是利用涡流进行加 热。 在感应加热中由于集肤效应的作用，使得电流密度从工件的表面至中心按指数规 _ 苎 律衰减，分布规律为j = j o e 艿，其中，一离导体表面垂直距离等于x 处的电流密度； 厶一工件表面电流密度；万一透入深度，在工程上规定为当涡流强度从表面向内层降 低到其数值等于表面最大涡流强度的0 3 6 8 ，即五时，该处到表面的距离成为透入深 2 度。从分布规律公式可以得出在超过2 万的地方电流就很小了。根据焦耳定律，焦耳 热与电流的平方成正比，因此功率密度由表向里的衰减比电流密度的变化更为显著。 2 x 按照p = p o e 艿分布。这样功率密度在超过万的地方就很小了，趋于零值，而8 5 一- 9 0 的热量都集中在艿薄层内。所以感应加热时工件各部分的发热量相差很大，各部 分的温度也不相等，而是表面温度高，中间温度低，有时工件表面已经烧红，甚至熔 化，而其内部却仍为黑色。 所以透入深度在电磁感应加热中是十分重要的，它与电流的频率厂、导体材料的 导磁参数以及电阻率p 有关，由下式可以求出透入深度万： 6 = 跞=一s 0 3 岳 3 ( 2 - 3 ) 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究第二章中频感应加热系统主电路研究 显然，导体的电阻率愈小，导磁率愈大，电流频率愈高，集肤效应愈明显。大多 数情况下被加热的工件属于铁磁物质，即各种型号的钢和铸铁。相对导磁率从随着 温度的上升而下降，开始升温时它下降得很慢，当温度上升到居里点( 7 0 0 - 8 0 0 ) 后，它迅速下降为1 ，可以认为它失去磁性。这样工件各点的温度不一样，因而每一 点的电阻率和相对磁导率都不一样，给工程设计计算带来困难。所以大多数情况下只 【 对居里点之后的热态进行计算。透入深度可以近似为8 = 5 0 3 悔，( 取= 1 ) 。万层集 v ， 中了8 6 5 的总热量，因此称为直接加热层。由以上分析可知，电源的频率对工件加 热的影响很大，在不同工艺中采用不同频率。 感应加热的最大特点是将工件直接加热，其优点是工人劳动条件好、加热速度快、 温度容易控制、加热过程中不会混入杂质及金属烧损小等，因此在机械制造业和冶金 工业中得到广泛应用，主要用于淬火、透热、熔炼、钎焊合烧结等方面【l 】。 2 1 2 中频感应炉和工频感应炉性能对比 工频感应炉采用5 0 h z 工频电流供电，电流每秒钟反复5 0 次，中频感应电炉采 用专用的变频电源供电，电流频率一般在2 0 0 h z - - 1 0 0 0 h z ，典型中频电炉频率为 5 0 0 h z 。现在实际应用的感应炉大部分是中频炉，其相对工频炉有下列优点： ( 1 ) 电流的透入深度。依据公式( 2 3 ) ，以铸铁为例，当电流频率是5 0 h z 时， 电流的透入深度为8 3 m m ，当电流频率为5 0 0 h z 时，电流透入深度减小为2 6 m m 。较 小的电炉透入深度使金属表现出较大的等效电阻，同样大小的感应电流会产出较大的 热量。所以一般情况下中频感应电炉的电消量会比工频感应电炉提高几个百分点。 ( 2 ) 中频电流可以使较小的金属产生足够的热量，所以中频感应电炉对炉料的 体积没有要求。一般的边角废料都可以放到炉内熔化。中频炉在熔化完毕后可以将炉 料全部倒出，直接加固体料熔化不影响熔化效率。 工频感应电炉需要较大体积的炉料。尤其是从冷态开始熔化时，它通常需要一个 不小于1 5 额定容量的起熔块。在炉料熔化完毕后，工频感应电炉不能将炉料全部倒 空，必须留1 5 - 1 3 炉料供下一炉起熔。所以工频感应电炉通常采用倒出半炉，再加 半炉冷料的作业方式。 9 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究第二章中频感应加热系统主电路研究 么 受冲刷最严 酲 j 一嘲鼎蕊 隧 豳爨 燃 蕤 磊t 骝臻 * - 气l蕹瞄a e 8 出鼎l 墨_ 躁- 重的部位 羹 国澄黯露瓣弱爨! h 翳 h ： “； h _ _ h ：i e 日：坚 r s q p f ( 2 4 ) 其中：尸是功率，厂是工作频率。从上式可知驼峰和频率的平方根成反比。频率 越低，驼峰越高。驼峰的存在会对电炉产生两方面的影响。 a 驼峰越高说明炉料流动的速度越快，这增加了炉料与空气接触的机会，使炉料 氧化烧损较大； b 快速流动的炉料对炉衬产生冲刷，缩短炉衬的使用寿命。 ( 4 ) 工频感应电炉因受电流透入深度和电磁力的影响，功率密度一般不会超过 3 0 0 k w t 。标准配置的工频感应电炉熔化一炉的时间一般在2 h 2 5 h 左右。熔化时间长 使热损耗增加。 中频感应电炉有更高的功率密度，通常可以做到5 0 0 k w a 1 5 0 0 k w t 。所以中频感 应电炉熔化一炉的时间都在1 h 以内。熔化时间短，使热损耗降低。 ( 5 ) 工频炉电气系统主要特点： a 依靠电源变压器抽头调压改变输出功率。 b 需要平衡电容器和平衡电抗器。设备占地面积大，造价高。 c 补偿和平衡调节需要手工操作。 d 合闸和分闸，变压器调压，补偿和平衡调节都由交流接触器进行。易损坏，需 经常维修。 中频炉电气系统主要特点： 1 0 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究第二章中频感应加热系统主电路研究 a 改变固体电源的输出电压或是输出频率改变输出功率。输出功率连续可调，操 作方便。 b 三相自然平衡。设备简单，占地面积小，造价低。 c 通过改变频率来改变功率因数补偿。补偿电容器固定联接，主回路无触点，故 障率低。 d 计算机控制，全自动工作，无需专人操作。 2 2 感应加热中频电源主电路 中频电源是一种将工频电能变为中频电能的变频器，它把工频交流电经整流后， 利用逆变器变换为较高频率的输出电流，且频率变化范围不受电网频率的限制。主电 路一般有以下几个环节组成： ( a ) 整流环节( a c d c ) ，包含滤波器。主要作用是把三相工频交流电变换成 为直流电； ( b ) 逆变环节( d c a c ) ，主要作用是把直流电变换为单相中频交流电流，供给 负载电路； ( c ) 负载及谐振槽路环节，把电能转化为热能： ( d ) 控制及保护环节，控制电路的功率输出，以及系统安全保护。 主电路结构图，如图2 2 所示。 2 3 整流电路分析设计 图2 - 2 中频电源主电路结构图 整流部分是中频电源的重要组成部分，它将三相工频交流电能转换成直流电能。 目前大多数中频电源都采用三相全控桥式电路。本文就三相全控桥整流电路的原理作 研究，分析其谐波及功率因数，进而提出本文所采用的整流方式。 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究第二章中频感应加热系统主电路研究 2 3 1 三相全控桥整流电路工作过程 由晶闸管组成的三相全控桥式整流电路可以表示为图2 3 所示，变压器一般都采 用d ，y 连接，相当于两组互差1 8 0 。换相的三相半波整流电路串联而成。图中滤波 电感l d 的电感为无穷大，电源负载近似等效为r d 。 ：) 一 “ 一z 1 1t 37 巧l d 一一一一厂 一k 一一k 一l 一、 、 r d 、 vv 1 汀j汀j6一 图2 - 3 三相全控桥式整流电路原理图 三相全控桥式整流电路正常工作时，控制电路按给定的控制角，依照 t 1 一t 2 一t 3 t 4 _ t 5 t 6 的顺序分别向六个晶闸管发出触发脉冲，脉冲的相位依次 相差6 0 。，晶闸管在承受正向压降且有触发脉冲的情况下导通，在承受反向压降的 情况下关断【3 卜【7 1 。由于触发脉冲与三相电压配合，使整流电路在任何时候都有两个晶 闸管导通，电源两相形成导电回路，负载上的电压即为两组之间的线电压。三相的线 电压经过导换，依次在一个周期内六次加在负载上，形成6 脉动直流电压。图2 4 所 示为m a t l a b s i m u l i n k 仿真，整流电路输出的直流电压波形( 触发角口= 0 0 ) 。 图2 46 脉整流电路输出的直流电压波形 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究第二章中频感应加热系统主电路研究 由于滤波电感很大，在触发角口固定时，整流电流基本是连续平直的。且在任何 控制角下晶闸管的导通角总是1 2 0 。分析图2 4 可得三相全控桥式整流电路输出的 电压值为 = 等压c 。s 删( 耐) ( m 代表直流脉动数，三相全控整流m 取6 ) s m 一s l n 一 = 压，产c o s 口= 2 ，产c o s 口= 1 3 5 u 2 t c o s 口= 2 3 4 c o s 口( 2 - 5 ) m6 式中，为整流变压器二次侧线电压，为二次侧相电压。 所以对于电感性负载要求最大触发移相范围为9 0 。当触发角在0 - 9 0 。范围变 化时，三相全控桥式整流电路的直流电压随之在0 - - - 5 1 4 v 范围内连续可调，从而可 以满足电源功率调节的要求，但是这种调节方法有缺陷，在下面谐波分析可知。 2 3 2 变压器的磁势平衡关系研究 焚地器原边黾况阴坡彤和隅值是与焚挫器的连援和焚化有关的。假足整流燹压器 铁芯的导磁系数为无穷大，每相铁芯柱上的磁势相等为m ，一次二次侧匝比为1 ，所 有绕组匝数为w 。根据变压器铁芯柱上磁势平衡的原理可得方程式 。一之。：。一：。一。：m 1 2 b12 z l 口一乞a2 6 2h c c2 w(2-6) 可列出回路电压方程 = 厶警+ 厶瓦d ( 卜 “剪= 厶警+ 厶磊d ( 铲u = 厶警+ 厶缸吒) 其中，厶为原边绕组漏电感，厶为磁势产生的主磁通引起的主电感，将上述三 式相加得 + + = ( 厶+ 厶) 瓦d ( 。+ 屯+ 。) 一厶d 乞o 。+ 乞+ f 2 c ) ( 2 7 ) 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究 第二章中频感应加热系统主电路研究 因电源为三相对称正弦电压，故“邶+ “b c - i - u 酬= 0 ；因控制的对称性二次三相电 流对称，任一瞬间f 2 。+ f 2 。+ f 2 。= 0 ，故一次三相电流亦是对称电流，所以。+ f 1 6 + f 1 。= 0 ， 变压器不存在剩余磁势，m = 0 ，于是得 。= 之。 6 = 如6 。= 之。 = 。一。= 之。一之。 = 。一。= 之。一之。 毛= 。一。= 之。一之。 三相桥式电路的变压器各铁芯柱没有直流或交流剩余磁势，消除了交直流磁势不 平衡，提高了变压器的利用率，正因为三相桥式整流电路的诸多优越性，使其在大功 率整流中获得极其广泛的应用【7 1 。 2 3 3 交流侧谐波和功率因数 公用电网中，通常电压波形畸变很小，而电流波形畸变可能很大。因此，不考虑 电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波的情况有很大的实际意义。 中频感应电源直流回路中有很大的滤波电感，因此在触发角固定时，直流电流为 恒定值。根据以上对三相全控桥式整流电路的分析，电网三相电轮流向负载提供电流， 交流侧三相电流，m a t l a b s i m u l i n k 仿真波形如图2 5 所示。其中触发角口= 0 0 。 图2 - 5 交流侧三相电流波形 1 4 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究 第二章中频感应加热系统主电路研究 由图2 - 5 可以列出a 相电流的表达式( 触发角口= 0 0 ) i ( e o t ) = 0 , 0 c o t 至，里 c o t 卫，坐 c o t 2 万 6 6 6 6 厶，詈耐詈 协8 ) 也等耐 警 由以上可知，变压器二次侧( 电网) 单相电流为周期性的正弦函数，它可以用傅 里叶级数的形式分解成各次正弦函数，即各次谐波电流。对于周期为2 万的周期函数 f ( x ) ，其傅里叶级数表达式为： 厂( x ) = i a o + 砉( c 。s 珊+ 瓦s i n , u ) ( 2 9 ) 其中，= 妻厂 ) c 。s ，z x 出 ( n = o ，1 ，2 ，3 ) ( 2 1 0 ) 驴i ，f f ( x ) s i i l 融 ( n _ 1 ，2 ，3 ) ( 2 - 1 1 ) 由于i ( c o t ) 为周期为2 万的奇函数，因此= 0 。 = 三 压。i ds i n 刀t o t a l ( c o t ) + 臣- l ds i nn c o t d ( c o t ) 万6 ，膏 = 兰厶s i n 删( 研) 万 ：三互( s 等- - c o s c 0争 = 一上i s 一j 万，loo 把，既代入式( 2 - 9 ) 可得 ( 2 1 2 ) z ( c o t ) = 砉哆鲁c c o s 等一s - 警) s i n n c o t = 2 4 _ 7 厶( s 证研一吾s 试5 耐一专s m 7 耐+ 六s 证耐+ 去s m 3 耐一杏s 洫7 研 一土s i n l 9 耐+ 1 s i n 2 3 c o t + 上s i n 2 5 c o t ) 1 92 32 5 = 竽柚耐+ 等厶。磊。，去s m 耐 = 弘s i n c a t + ( 一1 ) 忸s i n n c o t n = 6 k + l k = l , 2 ，” 1 5 ( 2 1 3 ) 高效节能多供电中频感应加热电源设计研究第二章中频感应加热系统主电路研究 由式( 2 1 3 ) 可得电流基波和各次谐波有效值分别为 i 、：堑i d 石 (2- 1 4 ) 厶：坐l ，刀：6 k + l ，后：l ，2 ，3 电流中仅含有6 k ：l ：l ( k 为j e 整数) 次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且 与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 厅 三相电流波形的有效值为1 - 争d ，所以可得基波因数为 ，= 1 = 二0 9 5 5 ( 2 1 5 ) l7 根据电工学基本理论，功率因数( p f ) 定义为有功功率p 与视在功率s 的比值， 用公式表示为