（机械电子工程专业论文）中频感应加热系统的参数分析.pdf

摘要 7 f 电磁感应加热是工业生产中普遍应用的一种高效率、清洁型加热 方武、它的基本原理是利用电磁涡流在导体中发热来加热金属。感应 加热系统最主要的组成部分有整流器、滤波器、逆变器和负载( 加热 线圈和被加热工件) 。电源输入通过这些电路转化为热能，能量损耗 也发生在上述各个环节中。对电磁感应系统的研究就是尽可能减少各 环节的损耗。以使效率最大。 本文第二章介绍了一种新型感应系统。该系统应用了逆阻断型换 该电路的硬件采用了8 0 3 l 单片机，软件模块分主程序、计算子程序 和中断程序三部分，并给出了程序流程图和中断程序的片段。通过分 析，这是一种经济可靠的控制方式。 逆变器是感应系统的重要组成部分。本文讨论的系统采用的是并 联式逆变器。在逆变电路的分析中，讨论电路参数后，着重介绍了逆 变电路的两种控制电路，即逆变启动控制电路和功率输出控制电路。 同时，根据理论分析，给出了系统的设计参数。 一f 给出电路结构以后，本文第三章接着对所给系统电路进行了电磁 分新，从最基本的温度效应出发，应用麦克斯韦方程，分析了系统的 功率密度、磁通分布、功率因数等参数，说明该感应系统电路的合理 性。为建立感应加热的数学模型，先从平板的感应加热入手，找出电 场和电流、磁场和磁通的关系，再由半无限厚扳的消耗、电流密度等， 导出棒材在感应加热中的各参数。 第四章的热传导部分主要是通过对功率转化过程的分析，确定系 统的效率。在感应加热系统中，功率、温度和加热时间是相互关联的， 它们因加热要求、辐射大小、系统结构等不同而变化。在要求的生产 条件下，应用该系统加热，总效率可达7 8 0 a t y | 关键词：晶闸管并联逆变、楚流桥、相控触发、硒经、温度效 应、集肤效应、热传导、辐射 f 、 ! ! 查奎塑奎堂堡主堂竺堕苎 堡壁垒塑垫墨竺苎兰! ! ! ! 堑 a b s t r a c t h e a t i n gt h r o u g he l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o ni sac l e a na n dh i g h e f f e c t i v ew a yo fh e a t i n gt h a ti sw i d e l ya p p l i e di nm o d e mi n d u s t r y 1 r i l e b a s i cp r i n c i d l ei st h a te l e c t r o m a g n e t i cb a c k w e ti nc o n d u c t o rc a np r o d u c e h e a t t h es y s t e mo fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n gc o n s i s t so fc u r r e n t r e c t i f i e r ，e l e c t r i cf i l t e r ，a l t e r n a t o ra n dl o a d t h ee l e c t r i ce n e l g yf r o m p o w e rs u p p l yi st r a n s f o r m e di n t oh e a te n e r g yt h r o u g ht h i sc i r c u i t e n e r g y 1 0 s si si n v a r i a b l ei nt h ep r o c e s s ，t h ea i mo ft h i sp 印e ri st or e d u c et h i sk i n d o fl o s sa n di m p r o v et h ee f f i c i e n c y i nc h a p t e r2 an e wi n d u c t i o ns y s t e mi si n t r o d u c e d ，i nw h i c h s i l i c o nc o n t r o l l i n gr e c t i f i e r ( s c r ) i su s e d d i r e c tc u r r e n ts o u r c ec o n s i s t s o fc u r r e n tr e c t i f i e ra n de l e c t r i cf i l t e r t h ec u r r e n tr e c t i f i e rc i r c u i tw o r k si n ep h a s eb r i d g em o d e s f i r s t l y ，t h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r s a r e a n a l y z e d s e c o n d l y ，t r i g g e rc i r c u i to ft h er e c t i f i e ri se m p h a s i z e d i nt h i s t r i g g e rc i r c u i t t h eh a r d w a r eu s e dm c s 8 0 3 1 s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r t h es o f t w a r em o d u l e si n c l u d em a i np r o g r a m 。i n t e r r u p t e rp r o g r a ma n d c a l c u l a t i o np r o g r a m 1 1 1 ep r o g r a mf l o wc h a r ta n dt h es e g m e n to fi n t e r r u p t e r p r o g r a ma r ea l s op r o v i d e d t h ea n a l y s i so ft h i ss y s t e mp r o v e st h a tt h i s c o n t r o l l i n gm o d e i se c o n o m i c a la n dr e l i a b l e a l t e m a t o ri sa l li m p o r t a n tp a r ti nt h es y s t e m w 1 l a ta l t e r n a t o r c i r c u i ti su s e dj nt h es y s t e mi sp a r a l l e l d u r i n gt h ea n a l y s i s ，d e e p d i s c u s s i o ni si nt w ok i n do fc o n t r o l l i n gc i r e u i t s ：a l t e r n a t o rs t a r t i n g c o n t r o l l i n gc i r c u i ta n dp o w e ro u t p u tc o n t r o l l i n gc i r c u i t t h ed e s i g n i n gp a r a m e t e r sf o rs y s t e mc i r c u i ta r ep r o v i d e d i nt h et h i r d c h a p t e r 。也ee l e c t r o m a g n e t i ca n a l y s e so ft h ec i r c u i ti n t h es y s t e ma 托 p r e s e n t e d a e c o r d i n gt om a x w e l le q u a t i o na n dt e m p e r a t u r ee f f e e t p o w e r d e n s i t y ，m a g n e t i cd i s t r i b u t i o na n dp o w e rf a c t o ra r ea l s oa n a l y z e dw h i c h p r o v e st h a tt h es y s t e mh a v eag o o dr a t i o n a l i t y i no r d e rt ob u i l dt h e m a t h e m a t i c sm o d e lo fi n d u c t i o nh e a t i n g ，t h er e l a t i o n so fe l e c t r i cf i e l d ， c u r r e n t ，m a g n e t i cf i e l di ni n f i n i t ep l a n eb o a r d 。f i n i t eb o a r d ，r o u n dm a t e r i a l a r er e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l y i nc h a p t e r4 t h ea i mi st oa s c e l l a i nt h ee m c i e n e yo f 血i ss y s t e r nb yt h e a n a l y s i so f t h ep r o c e s so f p o w e rt r a i l s f o i t sd u r i n gt h eh e a te x c h a n g e i nt h e s y s t e m ，p o w e r ，t e m p e r a t u r ea n dh e a t i n gt i m ea r er e l a t i v ew h i c hw i l lb e c h a n g e di fh e a t i n gm e t h o d s ，r a d i a t i o na n ds y s t e mc o n s t r u c t i o nc h a n g e d u n d e rn o r m a le n v i r o n m e n t ，t h et o t a le m c i e n c yo f t h i ss y s t e mi su 口t o7 8 北方交通大学硕士学位论文中频感应加热系统的参数分析 k e y w o r d s ：s c r ，p a r a l l e la l t e r n a t o r ，r e c t i f i e rb r i d g ec i r c u i t ，p h a s e c o n t r o l l i n gt r i g g e r ，d o u b l ec o n t r o l l i n g ，t e m p e r a t u r ee f f e c t ，r a d i a t i o n i i i 北方交通大学硕士学位论文 中频感应加热系统的参数分析 第一章绪论 一、感应加热系统概述 自从两个世纪以前法拉第发现电磁感应定律以来，人们便开始了 对电磁感应加热的研究，感应加热能源应用于工业领域也已有八十多 年的历史。由于感应加热所具备的优势，即加热效率高、加热速度快、 加热温度高且非接触、易控制、作业环境好、无污染等，在这期间， 感应加热理论和感应加热设备都有了很大发展。 感应加热的基本原理是：处在交流线圈中的导体因感生磁场的作 用，其内部会产生涡流，涡流的焦耳效应使导体得以加热。但是导体 中的感生电流却是以表面最强、在径向从外向内按指数函数递减的方 式分布的，即存在集肤效应。集肤深度与通过线圈的电流频率平方根 成反比。当磁场强度一定时，被加热导体吸收的功率又与集肤深度成 反比，所以，理论上，为提高加热效率，可以采用增大输入功率或提 高工作频率的方法。但是一般说来大功率或高频率的设备其价格贵， 且电源本身的效率也会低一些。另外为满足高效率而采取高频率，与 穿透加热温度均匀性的要求也是相矛盾的。因此，为得到合理的高效 率，正确地选择各参数是非常必要的。 这里所说的效率是感应加热系统的总效率，即系统输入的电能和 消耗在工件上的电能的关系。系统的效率与以下几个因素有关： 1 ) 电源的转化效率 2 ) 加热负载和线圈对电源的匹配状态 3 ) 线圈与工件问的耦合状态 4 ) 设备( 包括炉体和辅助设备) 的工作效率 每个因素实质上就是一个过程，其中包含了影响效率的所有参 数。 对于感应加热炉，从电源送出的有功功率只有一部分为炉料所吸 收，其余的能量均变为各种形式的损耗。通常感应炉中真正用于炉料 升温和加热的功率只占电源输出总功率的6 0 7 0 ，其余的3 0 4 0 都以各种形式损耗掉了( 见下图) 。能量损耗的途径主要有以下几条： 1 、电路损耗功率：这一部分是指由电源起，到感应器两端止的 一段上的损耗，其实就是电路损耗，主要包括电源变压器、相平衡器 件、功率因素补偿电容器、传输线路及控制部件等所引起的损耗。这 一部分损失必须在电源设备中加以考虑，通常这一部分损失在4 7 6 之间。这一部分损失的一大部分又集中在补偿电容器组与感应器之间 ! ! 查銮望盔兰堡圭堂些垦苎 童塑壁堕塑垫墨竺堕兰! ! ! 塑 的一段上，因此如何设计安装这一段线路将是减少线路损失的关键。 2 、感应器本身的热损失及感应器一炉料间的能量传输损失：反映 这一损失程度的是炉子的电效率。影响炉子电效率的因素很多，如感 应器本身的热损失( 主要由炉体冷却系统带走的热量) 、炉料电阻率、 炉体几何构造等影响。 3 、炉料的热损失：反映这一损失程度的是炉子的热效率。它包 括通过炉料辐射、传导、对流及蓄热损失的能量。 对电磁感应加热系统的研究就是设法使上述各环节的能量损失减 小到最低，以达到使效率最大的目的。 感应加热炉能流示意图 加 热 金 豆 用 聃 毫 1 二、国内外研究现状 随着电力半导体器件的开发和电力电子技术的不断发展，感应加 热技术得到了迅速发展，感应加热装置的面貌也日新月异，尤以设备 的体积、重量和性能方面的变化最为突出。目前，感应加热装置的生 产和使用企业对技术的要求是：在经济性得到保证的前提下，尽量通 过感应电路中各参数的匹配达到提高效率的目的。 从上世纪7 0 年代开始，世界上一些工业发达的国家便开始重视 开发电力半导体式感应加热装置。除在装置的机械结构上追求更轻巧 实用外，开发的重点是尽可能应用性能更优良的电力半导体器件， 通过对感应电路的优化设计，以达到装置高效率和高寿命的目的。基 于感应加热基本理论已较为成熟的现实，目前国际上此领域最前沿的 研究大都集中在如何选用更优良的电力半导体器件( 如v m o s 、i g b t 等) 和采用更先进的计算机系统控制等方面上，而这方面的先进技术 又集中掌握在一些大公司手中，如德国b e c h e 公司、意大利a n s a l d o 北方交通大学硕士学位论文 中频感应加热系统的参数分析 工业系统公司、美国p i l l a r 工业公司等。如p i l l a r 公司采用i g b t 的串联逆变中频感应电源( i o o k w ) ，与同类型电子管式装置相比 体积缩小2 3 ，重量减轻2 3 ，节约耗电量i 3 ，中频电源的效率提高 3 5 。 我国几乎在同一时期也开始了这方面的研究工作，研究方向基本 与国外一致。北京、辽宁、天津的一些研究所和感应设备生产企业相 继开发了小型的应用晶闸管、s i t 或i g b t 从低频到高频的某些类型的 电力半导体式感应加热装置。但从技术上分析，国内开发的此类装置 存在以下几方面的不足：单一强调电力半导体的性能而忽视了整体电 路的优化，造成主电路集成度低，中间继电器使用多，连线复杂，不 但稳定性受到损害，也因各环节的不匹配而影响效率；控制电路对我 国质量较差的电网适应能力不足；操作保护电路设计缺陷较多，如电 源缺相保护电路的应用尚不普遍；辅助功能较少，如机械手、光电监 视器等一些高技术手段的应用非常有限。由于以上这些主要原因的存 在，所以我国自行开发的感应加热装置与同类型国外先进设备比较， 效率低、综合性能差，直接影响生产效率。 三、本文工作重点 前面提到电磁感应加热能量损耗的途径主要有三条，由于后两种 损失所占比例较高，它们往往更容易引起人们的注意，对这两方面的 研究也更多，主要是通过提高炉体结构的合理性来控制这类损失。但 现在看来要再在炉体结构上有新的突破较困难，这是因为目前解决这 类问题的途径大多靠的是经验。 本文基于减少第一类损失，即最大限度提高电源电路效率，提出 了一种实用新型电源电路。具体地说，在电路中应用了目前技术较成 熟的晶闸管并联电桥电路。由于该电路有效控制了逆变换流时器件承 受的反压时间( 晶闸管关断时间) ，因而功率因数和效率都会提高， 启动失败也大为减少。通过理论分析和实际参数的演算证明，可提高 系统效率3 5 左右，这对于规模化工业生产意义重大。 本文是结合某厂实际，以金属( 黄铜、锻铝、钢) 锻前穿透加热 为例，对影响效率的因素展开讨论的。由于所涉及项目是该铁路用品 生产企业3 0 0 万美元技改项目的一部分，考虑项目完整性，在提出电 路并分析确定参数之后，接着分析了系统的磁场效应，确定了系统的 磁效应参数，最后通过对热传导的分析确定了加热时间等其他重要参 数在磁效应分析中，尽量用正弦函数和指数函数取代双曲线函数和 贝塞耳函数，使理论分析和计算更简单。 本文分析的最终目的是想说明，通过合理的电路设计和参数选 择，可以有效提高感应加热系统的工作效率。 北方交通大学硕士学位论文 中频感应加热系统的参数分析 第二章系统电源电路 2 1 电源电路的提出 目前的感应加热装置已广泛采用了电力半导体器件。虽然设备的 个体结构千差万别，但总体电路结构大都由整流器、滤波器、逆变器 及其控制和保护电路组成( 图2 一卜0 ) 。工作时，三相工频电流经整 流器整流、滤波器滤波，成为平滑直流送到逆变器。逆变器是感应加 热系统中最重要的组成部分，它是采用电力半导体作为电子开关的， 能将直流电转变为较高频率的交流电供给负载。逆变器的工作频率和 输出功率决定了系统的频率和功率。大部分感应系统的线圈就是逆变 器的一部分。感应线圈和炉料在一 图2 - i 一0 电力半导体式感应加热装置电路构成 起显示的功率因数很低，为提高功率因素数，需要由调谐电路向感应 加热线圈提供无功能量。耦合电路的作用是完成电源与感应加热线圈 的负载匹配。 对将要设计的这一零件锻前感应加热系统的基本要求是：加热材 料：黄铜h 6 2 、锻铝d l 3 1 、钢q 2 3 5 a ：生产效率：8 0 0 k g h ( 黄铜) 、 4 0 0 k g h ( 锻铝) 、5 0 0 k g h ( 钢) ；加热温度：7 5 0 1 2 ( 黄铜) 、4 5 0 c ( 锻 铝) 、1 2 5 0 ( 钢) ：坯料锻前温差：1 5 ：坯料尺寸：击2 0 5 0 m m 、 i ，5 0 】6 0 m m 。 4 目前国外在感应加热电源方面的发展方向呻。2 町是：对整流电路， 由于大功率可关断器件的出现。斩波器已越来越受重视“，但对于小 型电源，几乎仍全部用晶闸管三相全控电桥，对电桥的控制则由单片 机完成。平滑滤波器必须与整流电路合理搭配“”。目前常用的有l 、c 、 r 和i i 型。逆变器多采用单相桥式并联、串联、串并联t 最新方向是 时间分割式逆变电路“。逆交桥中的电力半导体则选用开关速度高、 损耗低、单个模块容量大的器件“”。国内的发展趋势与国外相同，但 发展程度较低。 综合分析国内外现状后，结合企业实际，初步决定在所设计的感 应系统中，直流电流源采用品闸管三相全控整流电路，电感滤波电路。 对于逆变电路，电流型( 并联) 和电压型( 串联) 各有优缺点，但从 特定生产要求的单一性来看，设计电路即使在满功率运行状态下负载 阻抗匹配也不会发生太大变化，从技术成熟、生产安全和前期投资考 虑，选用并联逆变电路更为合适 1 “。最终设计的电源电路中，整流电 路如图2 - i - 1 ，逆变振荡电路如图2 - i - 2 。严格地讲，这两幅图只是 系统接线图，在图2 - 1 - 1 中并未标出与整流电路相连的整流启动电路、 脉冲放大电路、整流控制电路、滤波电路等，在图2 一卜2 中，与之相 连的直流输入电路、振荡控制电路等也未出现。 2 1 1 整流电路 2 1 1 。1 整流电路的分析 整流器的作用是把交流电能转换成直流电能，在感应加热装置 中，整流器的负载是逆变器。对整流器的基本要求是：提供负载所需 连续的、稳定的直流功率，负载短路或逆变器颠覆时能保护，负载变 化时能限制输出电压和电流，保持供电电网的稳定。图2 1 1 所示电 路可以简化为图2 - l - 3 的电路，它是一个三相全控桥式整流电路。 图中的l 和r 可以看成滤波电抗l d 和并联逆变器的等值电路，它们 也是整流电路的负载。这个电路既可以作为整流，也可以作为有源逆 变，即在逆变电路逆变失败时，把电感l 中储存的能量变成工频电流 送回电网，而且整流和逆变之间可连续平滑互换，只要改变可控硅的 控制角即可。 当此电路作为整流状态工作时， 极接在一起，阳极分别接在a 、b 、 接在一起，阴极分别与各电源相连。 5 如图2 - 1 3 。可控硅s c r ”5 的阴 c 三相电源上，s c r 2 郇则是阳极 因为要全控，所以在任何时候必 图2 - i - i整流电路图 6 图2 - l - 2逆变电路圈 7 须至少有两个可控硅同时导通才能构成电流回路。如图2 - 1 - 4 所示， 在t l t ) 区间。a 相电压最正，c 相电压最负，b 相电压介于二者之间， 但为控制的需要，在t 。时刻把触发脉冲送到s c r ，并使之导通而不 触发s c 氏，因此在在t l t 2 区间，就由s c r 。j 与负载构成回路，加在 负载上的电压是a 相和b 相之差，即为线电压u 。到时刻，a 相 和b 相电压相等，即h a b 等于0 。若为纯电阻负载，则s c r 自动关 断。但这时的负载是电感性的，必须外加强迫才使其关断。在t ：时刻 触发s c r 。由于s c 民导通才使s c r 关断，使电流由s c r i j 换流到 s c r 。而使a 、c 相和电路构成回路，在t 2 t ，区间的整流电压就是 u 。在t ，时刻触发s c r 3 。，由于s c r 3 导通才使s c r i 关断，使电流由 s c r ，。换流到s c 。，而使b 、c 相和电路构成回路，整流电压等于u b c a 就这样可控硅依下列顺序循环触发导通：1 、4 1 、6 3 、6 - - 3 、2 - - 5 、 2 - 5 、4 - - l 、4 ，每次换流之间的相位差为6 0 度。由以上分析可知， 若用宽度小于6 0 度的窄脉冲触发可控硅时，在一个周期中每个可控 硅都需触发两次。例如s c r 。，一次是在t 处，与s c 凡同时触通，迟 后6 0 度，即到t 2 处则与s c 同时触通，因而为双脉冲触发。 此桥路作为有源逆变状态工作时其电路连接方式和可控硅触发顺 序与作为整流器时完全一样，只是把可控硅的控制角调整到大于9 d 度。其实，有源逆变本身是整流电路的一种工作状态，这种状态只在 逆变失败出现，这里不再赘述。 综合该三相桥式全控整流电路的整流波形和逆变波形，可绘出桥 路在不同控制角n 时，交流线电压与整流输出电压的波形( 图2 1 5 ) 。 下面就该整流电路的参数加以分析。 一、整流输出电压u 。和输出电流i 。 由图可知，当控制角由0 9 逐渐增大到1 8 0 。时，输出电压的平 a ，b c 基皋拳 口l 附三 彩诹碱黝ft 些 ：l | 火l i | ! ：i 吠m 必0 以i u 3 必删。 0 lt ，t - t 国2 - 1 3 整流电路 圈2 - 1 4 整流波形 0 j ! 查奎望查兰堕主堂垡堡塞 ! 塑壁壁塑垫墨竺垫兰! ! ! 塑 均值由最大值逐渐减小到0 ，然后又由0 变负，并逐渐变到负的最大 值。整流器输出为负电压，说明它进入了逆变状态。具体地说，控制 角由0 。变到9 0 。区间，电路处于整流状态，输出直流电压由最大值 变到0 。当6 0 。 9 0 4 时，u 。变负：d = 1 8 0 。时，u d = - u 。其控制特性曲线 如图2 - 1 7 。但应该注意的是，在此计算时，忽略了线路电感和整流元 件上的压降，并且始终把三相电源电压看成是平衡的。而且这里省略 了实际电路中加在桥臂上的限制电流变化d i d t 幅度的电感。 如果加上电感，再考虑线路电感，这时可控硅元件之间的换流 就不是瞬时完成的，而存在换流重叠角_ r ，此时直流输出电压的平均 值为 乩= 三 r * r u d d n r t + e ”甜。d 刎 = 扣7 而i c o s 詈c o s t 曩t d m t + f 脚l c o s ( 耐一詈) d 耐 ：型uc o s 兰c o s 陋+ 兰) 万 2 、 2 。 = 1 3 5 u 。c o s +上)_-cos(= 式中心为换流期间的直流电压， 而由图2 - 1 6 得 工程设计上认为u l d - = 丝l 堑。 = 而，c o s ( 耐一孚) ；“。：2 u , c o s ( 耐+ 冬) 0 0 故“7 d = 4 2 uc o s l - c o s a n 6 在这里，始终将三相电源看成完全平衡的，其线电压有效值为u ， 整流桥中各桥臂参数完全一致。 rr rr 整流输出直流电流为，。= i j d = = 盟c o s 口 ” 尺r 其中r 为整流电路等效负载电阻。 二、 流过s c r 的电流和进线电流 如果滤波电抗l d 的电感量足够大( 在后面的参数设计计算中会看 到我们取滤波电抗的值约为5 m h ) ，流过每个可控硅的电流为方波 当o = 0 。时，每臂可控硅在每周期内只导电1 2 0 。这样便可绘出流 过三相全控整流电路每个桥臂可控硅的电流k 波形和进线电流i t 波 形，如图2 - 1 8 。 根据电流波形，可列出流过每个桥臂可控硅的电流有效值： i i =痧= 厮 式中i 。为整流器的输出直流电流，平均值为 i f 磊if - 2 ，3 i 。d 烈= ；i 。 计算迸线电流i 。的有效值为 = 击= 。钟7 l = 蹂两) = 远t d = 0 8 1 6 i 。 这里是以滤波电感量大、电流连续为前提推导的结果。 jl i g i d 。8 。厂 时 0 1 己0 4 ；3 6 0 一 】4 l 一一- j j j 图2 - i - 8 整流桥臂可控硅电流和进线电流 2 1 1 2 整流电路的触发电路 由前面分析可知，整流成功的关键是正确地触发各路可控硅，保 证触发的准确性和可靠性。为实现这一目的，在本电路的设计中，采 用了单片机触发电路。 a 、硬件电路 触发电路如图2 1 9 。它的基本配置为：8 0 3 l 单片机、7 4 l s 3 7 3 锁存器和程序存储器e p r o m 2 7 3 2 ，以及模数转换片a d c 0 8 0 9 和一些 接口电路组成。其中的核心是8 0 3 l 单片机。它通过外部中断i n t 接 受工频电网来的同步信号，使它的输出脉冲( p ，d p ，) 与被触发可 j ! 查奎翌盔堂堡圭兰垒丝奎生塑堕生塑垫墨竺盟兰塑! 塑 臼 图2 - 1 9单片机相控触发电路 控硅的电源同步。i n t 0 中的断口作为接受正常和非正常停机的断口。 p 2 口中的p 2o p 2 3 作为e p r o m 的四根地址传输线端，p ：、p 2 ，分别作 为接受启动和定时信号，p 2 。p ：，用于发送启动、停止和故障信号端。 p 。口全部用作数据和地址传输端，与锁存器、外部程序存储器、和a d 1 2 转换器相连。由于p 。口没有锁存功能，因而它输出的地址信息经由锁 存器送到程序存储器a o a 2 。 本电路采用a d c 0 8 0 9 实现设定值、定时值和整流输出电压、电 流的a d 转换，以满足整流电路的恒压、恒流和恒功率的三种运行 方式可任意选择的要求。实质上，a d c 0 8 0 9 就是8 0 3 1 的外部数据存 贮器，它有8 个模拟输入和8 个数字输出通道及相应的模拟开关。单 片机可通过它的a d d a 、a d d b 和a d d c 端，以及a l e 的锁存作用， 选择任一路信号。a d c 0 8 0 9 的a d 转换工作也受到8 0 3 1 的r d 、 w r 和p ，三端信号，经与或非门的控制，转换结束则由e o c 端向8 0 3 l 的p ，。端发出通知，而8 0 3 l 则采用程序查询方法读取转换结果。 为了提高触发电路的抗干扰能力，与外围电路的信号传输一律采 用光电耦合器( 光耦) 作电位隔离。当系统过电流时，经过电流检测 环节检出信号，经光电耦合器向8 0 3 l 的i n t o 端和脉冲输出口p l m p 的与非门，同时发出封锁和停机指令，以便立即封锁可控硅的触发脉 冲，同时停止整个控制电路工作，回到初始状态，以便再起动时，仍 具有软起动功能。本触发电路是由8 0 3 l 的p lo u p 。，端输出6 路双脉冲， 经与j l q 1 、光耦和非驱动器、脉冲变压器去触发三相整流桥中的6 个 可控硅。 这里，同步脉冲电路的抗干扰能力是决定单片机相控触发电路的 稳定性和可靠性的关键因素。图2 i 9 所示的单相交流电经t 变成方 波向c 充电，其幅值受稳压管z d 限制。当t 截止时，c 经r 放电， 形成倒锯齿波；当c 上电压降低到某值时，比较器i c 输出正电压， 使t 2 导通，8 0 3 l 的i n t i 端获得同步信号。显然，电网电压只控制t ， 而同步信号在c 的放电区间出现，这时t 。截止。在一般情况下，电网 电压波形畸变和幅值变化，只对t 。的导通有影响，对t 的截止状态 几乎无任何影响。因此，这种同步电路的输出脉冲不受电网波形畸变 和幅值变化的影响。 b 软件设计 基本设想是： ( 1 ) 充分发挥8 0 3 1 的软件功能，即除完成一般触 发电路的任务外，还用软件实现数字化p i 调节器的功能和形成功率信 号的功能，以便满足三相可控硅整流电路的恒功率运行要求；( 2 ) 在8 0 3 1 内部直接产生双脉冲； ( 3 ) 采用软件实现鉴频、锁相功能， 以适应电网频率波动的运行环境，使触发器能在工频由4 5 h z 5 5 h z 变化时，仍能输出使三相平衡、正负半波对称的触发脉冲。相对于电 源频率变化是每周期校正一次，而对可控硅的控制角a ，则是每周期 校正6 次。 基于前述设想设计的控制程序包括主程序、计算子程序和中断服 务程序三部分。图2 1 1 0 所示为其漉程图。 北方交通大学硕士学位论文 中频感应加热系统的参数分析 a 主程序 它的主要功能有7 方面。 ( 1 ) 启动后，首先进行初始化，即完 成各个控制寄存器控制字的确定、堆栈的设置、参数传送以及自检等 必要的准备。( 2 ) 循环检测起动信号( p ：) ，并相应发出起动指示 ( p ，。) 。( 3 ) 起动后，设置初值。( 4 ) 如要定时，则通过a d c 0 8 0 9 取定时值，存人寄存器。( 5 ) 测量电源周期t ，求出采样周期t c ( = t 6 ) 。具体方法是：检测电源同步信号输入端1 n t ，当1 n t i 有效时， 起动计时器t l ；再检测l n t ，当1 n t l 再次有效时，停止t 计时，t 中的计时值即为电源周期t ；将该值除6 可求出采样周期t 。；把t c 与标准值t c 。( 3 7 m s ) 和t c 。( 3 m s ) 相比较，必须满足t c l t c t c 。，然后把t c 和t 值存入工作寄存器，否则，须重测t 。( 6 ) 开中 断。( 7 ) 循环检测采样标志位，如已置位，则调用计算子程序。 b 计算子程序 它是本触发电路控制程序的核心，需完成两方面的主要功能。( 1 ) 首先检测电源同步标志是否置位，如已置位，则求出t c 的修正值t c ， 并修正t c 。方法是利用t 。的第6 次实际计时值，与前5 次的固定定 时值t c 比较，求出其差值除6 后，作为t c 的修正值t c ；然后把原 来的t c 与t c 作算术和或差运算( 视t c 是正或负而定) ，得到新 的t c 值，并存入原来存t c 的寄存器中，下一周期就以此t c 值继续运 行。其实，这种求取t c 、修正t c 的过程，就是数字鉴频和数字锁相， 系统中每个电源周期都进行一次。( 2 ) 通过a d c 0 8 0 9 取设定值和电 流、电压反馈值，并把电流、电压反馈值作乘法运算，求取功率反馈 信号。然后将设定值和所选反馈信号值比较，并对其差值作p i 运算， 得到与可控硅控制角a 相对应的数值；据此查表求出a 。该表是根据 和1 。= 詈= 警c o s 口以及式只= u l = 半c o s 2 口预先计算 出的三相全控桥式整流电路的输出电压u d 、电流i d 和功率( p d ) 各自 与a 的对应值。而且已存入e p r o m 中： 式中 p d - 一整流输出功率， w ； 【卜整流电路的输入线电压，v ； a 可控硅的控制角，( 。) 。 求出a 值后，需求出新旧a 的差值，即o 的绝对值，看是否大 于5 。若小于5 。，则用新a 值，否则便以旧口值加5 。代替，以保 证每次a 的变化不大于5 。使系统工作更稳定，并使系统具有软起 “ 口u = 口o 曲 u = 口 ou 堑厅 = 反d砒0u函 坩l o f呸3 一万 式 r 公 u 北方交通大学硕士学位论文 中频感应加热系统的参数分析 动、软停止功能。接着要判断a 处于0 1 8 0 。的哪一区间，以确定t o 的延时起点和延时值，同时确定t o 延时结束，该向p 口的哪个端口 送脉冲。这里需说明的是，流程图中仅显示判断a 值的三个循环中的 一个，即c i = 6 0 。，另两个判断为6 0 。 1 ) ，方向相反。 因此串联谐振又称为电压谐振。并联逆变是以并联谐振为基础的，由 于电路结构的不同，并联谐振发生时由电源输入的电流很小而个支路 的电流却很大，为电源输入电流的q 倍( q 1 ) 。因此并联谐振又称 电流谐振。串并联逆变是综合了前两种逆变方式的优点而出现的一种 电路形式，应用较少。 在后面的分析中我们将知道，出于实际情况，特别是出于操作安 全的考虑，在所设计的感应加热电源中应用了并联逆变电路，所以， 在此对并联逆变电路深入加以分析。 图2 一卜l l 是将r 与l 串联后与c 并联的电路，是常见并联谐振 电路的简图。如果将内阻为0 的电源e = e 。s i n m t 接入电路，则在此 电路中将流过电流 ， ee!e 一二 1 l - - 7 - 7 2 r + j n f ll c 。了2 j 州e 厶l厶2 i = i l + i 。c ：曼+ 垂：垦j ! f ! ：芝竺垦：曼= 兰2 垂 = r + l j t n l + j 栅= 坚气茜藉孚型e 因此，并联电路的总阻抗为