（检测技术与自动化装置专业论文）基于调频方式电磁炉的控制系统.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 基于调频方式电磁炉的控制系统 检测技术与自动化装置 李灵鑫 王华民教授 摘要 签名房狯 签名： 电磁感应加热技术是一种新型的加热技术，它较目前电热丝加热技术、远红外线加热 技术、微波加热技术具有无可比拟的优越性。电磁炉利用电磁感应加热技术，以其节能， 高效，环保的优点越来越多的应用于宾馆、饭店、单位食堂等，具有强大的优势和发展潜 力。 本文介绍了感应加热的基本原理，分析串联谐振感应加热电源的谐振槽路和拓扑结 构。主电路采用单相不控整流i g b t 全桥逆变电路，调节频率调节功率。完成了试验装置 的设计、制作和调试，其中包括主电路、控制电路、i g b t 缓冲电路、驱动电路、采样以 及保护电路的设计。在以d s p 为控制核心的硬件平台的基础上编制了系统的控制程序，并 进行了调试。 最后，论文给出了实验结果，输出的波形满足控制要求。 关键词：感应加热；电磁炉；调频 t i t l e ：e l e c t r o m a g n e t i co v e nc o n t r o ls y s t e mb a s e do n t h ef r e q u e n c y r e g u l a t i o nm o d e m a j o r ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o nd e v i c e s a u t h o r ：l i n g x i nl i s u p e r v i s o r ：p r o f 。h u a m i nw a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： e j e c t r o m a g n e t l ci n d u c t i o n h e a t i n gi s an e w t y p e o f h e a t i n g t e c h n o i o g y i th a s l n c o m p a r a b l es u p e r i o r i t yc o m p a r e dw i t ht h e r m a le l e c t r i c f i l a m e n tt e c h n o l o g y ，f a ri n f r a r e d n e a t m gt e c h n o l o g ya n dm i c r o w a v e h e a t i n g t e c h n o l o g y e l e c t r o m a g n e t i co v e nu s i n g e 上e c t m m a g i n e 1 ci n d u c t i o nh e a t i n g t e c h n o l o g yh a sb e e nm o r ea n dm o r ea p p 】i e di nh o t e l s ， r e s t a u 啪t s ， c a i l t e e n su n i t sw i t h i t s g r e a ta d v a n t a g e so f h i g h l ye f f i c i e n t ， e n e r g y s a v i l lg ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n d d e v e l o p m e n tp o t e n t i a l 。 ln l sp a p e r i n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fi n d u c t i o n h e a t i n g ，a n da n a l y s i st h er e s o n a n t t a l l kr o a da i l d t o p o l o g yo fs e r i e sr e s o n a n ti n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r t h em a i n c i r c u i ti s c o m p o s e do fan o n 。c o n t r o l l e dr e c t i f i e ra n da s i n g l e - p h a s ef u l l - b r i d g ei g b ti n v e r t e rc i r c u i tt o r e g u l a t et h ef r e q u e n c ya n dp o w e r t h ed e s i g no fe x p e r i m e n t a ld e v i c e h a sb e e n i n c i u d i n gp o w e rc i r e u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，i g b ts n u b b e rc i r e u i t ，s a m p l i n g c i r c u i t ， a n dd r i v i n gc i r c u i t i t ss o f t w a r eh a sb e e np r o g r a m m e da n d d e b u g g e d p l a t f o r ma si t sc o n t r o lc o r e c o m p l e t e d ， p r o t e c t i n gc i r c u i t o nt h ed s ph a r d w a r e f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u i t ss h o wt h a tt h eo u t p u tw a v e f o r mc a nm e e tt h ec o n t r 0 1 d e m a n d k | e yw 。r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ；e l e c t t o m a g n e t i c 0 v e n ；f r e q u e n c yr e g u l a t i 。n 独刨性：声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明；j 本人所呈交的学位论文是我 。 ，。 一 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 一11 。 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我_ 同工作的同志对本文所研究的工 j ) 作和成果的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并已致谢。 t - 。， 本论文及其相关资料若有不实之处h 由本人承担_ 切相关责任 本力曩套 论文作者签名：雀。基鑫，+ y 呕一年一之月渺目 学位论文使用授权声明 在导师的指导下创作完成毕业论文。、本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士砑生学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即；1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，；学校可以采用影印、u 缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 、为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：二燃导师签名 磬垒，! o n 石年多月a 卢日 绪论 1 绪论 1 1 感应加热的特点和用途m 自工业上开始应用感应加热能源以来，已过去8 0 年了。在这期间，感应加热理论和 感应加热装置都有很大的发展，感应加热的应用领域也随之扩大，其应用范围越来越广。 究其原因，主要是感应加热具有如下特点： ( 1 ) 加热温度高，而且是非接触式加热； ( 2 ) 加热效率高节能； ( 3 ) 加热速度快被加热物的表面氧化少； ( 4 ) 温度容易控制产品质量稳定，省能； ( 5 ) 可以局部加热产品质量好，节能； ( 6 ) 容易实现自动控制省力； ( 7 ) 作业占地少生产效率高； ( 8 ) 能加热形状复杂的工件； ( 9 ) 工件容易加热均匀产品质量好； ( 1 0 ) 作业环境好几乎没有噪声和灰尘； 在应用方面，感应加热可以用于金属的熔炼、透热、热处理和焊接等过程，已成为冶 金、国防i 机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的能源。此外， 感应加热也已经进入人们的家庭中，例如微波炉、电磁炉都是用感应加热为能源。 1 2 感应加热与电力电子器件的发展“钉耶1 感应加热电源是感应加热的关键设备之一，感应加热电源的发展与电力电子学及电力 半导体器件的发展密切相关，电力半导体器件的飞速发展大大拓宽了电力电子技术的应用 范围，目前电力半导体器件正向大容量、高频率和智能化等方向发展。 从本世纪初玻璃管汞弧整流器的发明标志电力电子学的起源，而5 0 年代末半导体硅 晶闸管( s c r ) 的出现则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。s c r 具 有体积小、重量轻、效率高、寿命长的，技术成熟等特点，是当前具有最高耐压容量与最 高电流容量的器件，其最大电流额定值8 0 0 0 a ，电压额定值1 2 k v ，在中频( 1 k - - 一l o k ) 范 围内，晶闸管中频感应加热装置己完全取代了传统的中频电机组和电磁倍频器。但是由于 晶闸管关断时其门极不可控，需要复杂的辅助换流关断电路，其发展受到一定限制，国外 发达国家除大容量的晶闸管和特殊品种外，一般产品己停止生产。 7 0 年代中期发展起来的门极可关断晶闸管( g t o ) ，使半导体电力电子技术进入了自 关断阶段。g t o 具有高导通电流密度，高耐压及高阻断d u d t 等特点，因而在大容量变流 器中得到广泛的应用。它的缺点是门极驱动电路较复杂，驱动功率要求较大，以及需要一 个庞大的吸收电路。 西安理工大学硕士学位论文 同时期出现的还有电力晶体管( g t r ) ，它的容量也比较大，因此在开关电源、电机驱 动、通用逆变器等中等频率和中等功率容量的电路中广泛应用。其缺点是存在二次击穿、 安全区易受各种参数影响、过流能力较低。 在超音频( 2 0 k h z 7 5 k h z ) 频段内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限制，必须改 变拓扑结构，采用倍频逆变电源，但由于双谐振回路耦合使负载呈非线性，使系统复杂化。 功率m o s 晶体管( m o s f e t ) 的出现，使超音频电源成为现实。m o s f e t 为多子工作器件，不 存在存储时间，开关时间小，不存在二次击穿问题，驱动功率小，易并联，但m o s f e t 电 流容量小，耐压低。 i g b t 综合了m o s 管和双极性晶体管的优点，通态压降低( i g b t 的通态压降比v d m o s f e t 低，特别是在电流较大的区域) 、开关速度快、功耗小( 在1 0 0 0 v 以上时，i g b t 的开关损耗 只有g t r 的1 1 0 ，与电力m o s f e t 相当) 、电流密度高、耐电压高、热稳定性好，是一种有 发展前途的电力电子器件，自1 9 8 8 年解决擎住效应后，己成为电力电子器件中的首选器 件。n 1 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 段，主要以模块化、大容量化m o s f e t 功率器件为主，也有用另 一功率器件静电感应晶体管( s i t ) ，s i t 集大电流、高耐压和高频特性于一体，成为很 有发展前途的功率电子器件，电源水平在8 0 年代末达到1 0 0 0 k w 2 0 0 k h z ，4 0 0 k w 4 0 0 k h z 。 由于其开关频率非常高，很适合于高频感应加热。但是s i t 有较大的通态压降，又是一种 常通器件，而且s i t 很少进入国际流通渠道，价格偏高，所以不适合大部分电力电子技术 的应用场合。 可以看出，器件的发展特点是向全控化、集成化、高频化、多功能化的方向发展。一 个在截止状态时能承受高电压，在导通状态时，具有大电流和很低的压降，在开关转换时， 具有短的开、关时间，能承受高的d i d t 和耐d u d t ，以及具有全控功能的器件正是电力 电子器件发展的目标。 1 3 感应加热的趋势“1 感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展密切相关，因此当前功率器件在性 能上的不断完善，以其大容量化、高频化的特点带动感应加热电源的大容量化和高频化的 不断发展。 ( 1 ) 高频化、大容量化 早期的晶闸管和晶体管由于受到容量与频率互相制约的影响，不能同时获得大功率、 高频率的效果。目前，感应加热电源在中频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用i g b t ， 而高频频段，由于s i t 存在高导通损耗等缺陷，主要发展m o s f e t 电源。随着新型高频大 功率器件的问世和发展，将来的感应加热电源必将朝着大功率和高频率两者相统一的方向 发展，在这方面仍有许多应用基础技术需要进一步探讨。 ( 2 ) 低损耗、高功率因数 新型功率器件的通态电阻很小，通态压降小，所以在高频工作条件下，损耗主要表现 2 绪论 在基极或门极驱动电路的损耗及器件的开关损耗上。随着功率器件的发展，再加上驱动电 路的不断完善和优化，使得整个装置的损耗明显降低。另外，由于感应加热电源一般功率 都很大，随着整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数的电源将是今后的发 展趋势。目前谐振技术的引入，一方面降低了电源中开关器件的开通和关断损耗，同时利 用锁相技术将逆变器的工作频率锁定在槽路固有的谐振频率内，使得该电源能始终运行在 负载功率因数接近为l 的状态。 ( 3 ) 智能化、复合化 智能化指的是功率半导体集成电路本身，包括过电压、欠电压、过电流、过热等检测 与保护功能。复合化指的是在一个功率模块内除了一个或多个功率器件芯片外，还包括相 同数量的二极管等，在较小功率模块内也出现了保护电路与功率器件集成一体的电路。因 此，采用智能化与复合化的集成电路将使元器件数量减少，自动组装降低了成本，电路本 身具有诊断与保护等功能而提高了可靠性。 随着感应加热生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正朝 着智能化控制方向发展，具有计算机智能接口远程控制、故障自动诊断等控制性能的感应 加热电源正成为下一代发展目标。 ( 4 ) 应用范围不断扩大 采用感应加热方法对锻造钢坯透热，节水节电、无污染；铸造熔炼方面可以实现普 通钢、特种钢、非铁金属材料的精细熔炼，同时可提高效率、无污染；感应钎焊效率高， 对被焊母材无损伤，适用于精度高、批量大的工件和体积大、难移动的母材局部钎焊；钢 塑材料制造、铝塑薄膜加工以及食品工业、医药工业的封口工艺也大量采用感应加热方式。 1 4 本课题的主要内容 电磁炉是感应加热电源的一个具体应用，研究电磁炉从本质上也是研究感应加热电 源。本课题重点研究以下几个方面的内容： ( 1 ) 逆变器各种拓扑结构的分析 重点分析串联谐振工作原理，并对并联谐振作简单的分析和对比。 ( 2 ) 系统主电路的设计分析计算 重点是器件选型、主电路参数的计算以及元器件选取，包括缓冲电路参数的确定。 ( 3 ) 系统控制部分的设计 该控制器就是通过改变触发频率，调节输出功率。 ( 4 ) 信号采集电路以及驱动电路p c b 板的设计，制作和调试等。 ( 5 ) 连接系统，带上负载，进行加热实验。 1 5 ，j 、结 本章主要概述了感应加热的特点及用途，电力电子器件的发展以及今后的发展趋势， 最后分析了本课题的主要内容。 西安理工大学硕士学位论文 2 感应加热电源的原理及结构分析 2 1 感应加热基本工作原理 感应加热是利用电磁感应的原理将电能转变成热能。在一个金属导体外面套上一个匝 数为1 的线圈，如图2 - 1 所示，当交变电流通入感应线圈时，感应圈内就会产生交变磁 通，使感应圈中的工件受到电磁感应而产生感应电势e 。设工件的等效匝数为：。 则感应电动势为 图2 1 感应加热原理 f i g 2 - 1p r i n c i p l eo fi n d u c t i o nh e a t i n g e ；一n ，堂( 2 1 ) 2 d t 如果磁通是交变的，设 驴= 加s i n c o t ( 2 2 ) 则 p ；一2 譬；一n 2 c m c o c o s 耐 ( 2 3 ) “f e 的有效值为 e = 4 4 4 f u ：九 ( 2 4 ) 感应电势e 在工件中产生感应电流，：，：使工件内部( 工件表层电流透入深度层) 开始加热，其焦耳热为： q = o 2 4 1 2 2 r t ( 2 5 ) 式中，一感应电流有效值( a ) 尺一工件电阻( q ) f 一时间 ( s ) 感应加热与其他的加热方式( 燃气加热、电阻丝加热) 不同，它把电能直接送到工件 内部变成热能而将工件加热，而其它的加热方式是先加热工件表面，然后通过热传导加热 内部。 金属中产生的功率为： 4 感应加热电源的原理及结构分析 p = e 1 c o s = 4 4 4 f l v 2 “i c o s o ( 2 6 ) 从以上可以看到，如果增大电流和提高频率都可以增加发热效果，使加热对象快速升 温，所以感应电源通常需要输出高频大电流。 感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强度有关，而且与工件的截面大小、截面形状 有关，还与工件本身的导电、导磁等特性有关。 在感应加热设备中存在三个效应：集肤效应、临近效应和圆环效应。 集肤效应：当交流电通过导体时，沿导体截面上的电流分布是不均匀的，最大电流密 度出现在导体的表层，这种电流积聚现象称为集肤效应。 临近效应：当两根通有交流电的导体靠的很近时，在相互影响下，两导体中的电流要 重新分布。当两根导体流过的电流是反方向时，最大电流密度出现在导体内侧；当两根导 体流过的电流是同方向时，最大电流密度出现在导体外侧，这种现象称为近邻效应。 圆环效应：若将交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这 种现象称为圆环效应。 感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备。在感应圈中置一金属工件，感应线圈 两端加上交流电压，产生交流电流i ，在工件中产生感应电流f ，。此两电流方向相反， 情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。当电流i ，和感应电流f ，相互靠拢时，线圈 和工件表现出临近效应，结果i ，聚集在线圈内侧表面，电流i ：积聚在工件的外表面。这时 线圈本身表现为圆环效应，工件本身表现为集肤效应。 交变磁场在导体中感应出来的电流称为涡流。由电磁场理论可以推导，工件中产生涡 流由于集肤效应，沿横截面由表面至中心按指数衰减。工程上规定，当涡流强度从表面向 内层降低到其数值等于最大涡流强度的0 3 6 8 倍时，该处到表面的距离称为电流透入深 度。由于涡流产生的热量与涡流的平方成正比，因此由表面至芯部热量下降速度要比涡流 下降速度快得多，可以认为( 8 5 - 一9 0 ) 的热量集中在厚度为的薄层内。 透入深度由下式确定： a = 4 2 p 肛一p s r 比o ，f ( 垅m ) ( 2 7 ) 式中：p 工件电阻率( q m ) ，心真空磁导率4 x x l 0 。7 ( h m ) a 工 件磁导率( h m ) ，以工件相对磁导率，角频率( r a d s ) ，厂频率( h z ) 。 将鳓和万的数值代入，即可得公式： = 5 0 3 3 0 、p 以厂肌) ( 2 8 ) 从上式可以看出，当材料电阻率、相对磁导率给定后，透入深度仅与频率f 平方根 成反比，此工件的加热厚度可以方便的通过调节频率来加以控制。频率越高，工件的加热 厚度就越薄。这种性质在工业金属热处理方面获得了广泛的应用。 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，工件加热速度快， 温度容易控制，加热过程中不会混入杂质及金属烧损小等，因此应用的比较广泛。当前在 冶金和制造方面，感应加热主要用于淬火、透热、钎焊和烧结等场合。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 2 感应加热电源的基本结构n 1 随着电力电子学及功率半导体器件的发展，感应加热电源拓扑结构经过不断的完善， 已形成一种固定的a c d c a c 变换形式，基本结构如图2 2 所示。 图2 - 2 感应加热电源结构图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo fi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r 一般由整流器、滤波器、逆变器及一些控制和保护电路组成。根据逆变器的特点，感 应加热逆变电源又分为串联谐振和并联谐振两种：串联谐振型电压源逆变器和并联谐振型 电流源逆变器。其主电路结构如图2 3 、2 4 所示。 图2 - 3 串联谐振式拓扑结构 f i g 2 - 3s e r i e sr e s o n a n tt o p o l o g y d 4 感应加热电源的原理及结构分析 d 2 d 4 图2 4 并联谐振式拓扑结构 f i g 2 4p a r a l l e lr e s o n a n tt o p o l o g y 2 3 感应加热电源负载电路及其特性 感应加热电源的负载是由感应线圈和被加热的工件组成。感应圈产生的磁通垂直穿过 工件的横截面。由变压器原理可知，感应圈和工件如同一个变压器，感应圈为原边，工件 本身既是变压器的铁心又是变压器的副边，副边是单匝，而且是短路的。因此，可以将感 应加热电源的感应器( 负载) 表示为图2 5 所示模型。图2 5 的电路又可以等效为图2 - 6 。 r 1 图2 5 感应线圈等效电路 f i g 2 - 5i n d u c t i o nc o i le q u i v a l e n tc i r c u i t r 1 歹( l t m ) j f ( ：一m ) 图2 6 感应圈等效电路模型 f i g 2 6i n d u c t i o nc o i le q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l r l 初级线圈电阻 l l 初级线圈电感 7 西安理工大学硕士学位论文 r 2 次级线圈电阻 l 2 次级线圈电感 m 互感 l l m 原边的漏感 l 2 一m 副边的漏感 感应器虽然相当于一个变压器，但它的参数却与普通变压器不同。由于工件与感应圈 通常有一定的间隙，所以原边漏磁通很多。其次，在加热的过程中，参数l 1 一m 、m 、r 2 、 l 2 - - m 等都有可能发生变化。 根据图2 - 6 ，可以得出： u = ，( l 1 一m ) i i + 1 1r + j e o m ( 1 1 - 1 2 ) ( 2 9 ) 0 ；j w ( l 2 一m ) 1 2 + ，2r 2 一j c o m ( 1 1 - ，2 ) ( 2 1 0 ) 由式( 2 1 0 ) 得： j ：。! ! ! 咝( 2 11 ) j 毒一 i j j w l 2 + r 2 将式( 2 1 1 ) 代入( 2 9 ) 得： j 也+ 警r 江州鸣一者鲁鹇江 亿1 2 ) = r s i t + j c o l s l l 其中： 耻即熹尺： 他 ，= 三。一万w 忑2 m i 2 ： ( 2 1 4 ) 因此，可以将感应加热电源负载电路等效为电阻r 。与电感，相串联的电路，如图2 7 。 8 图2 7 线圈的等效电路 f i g 2 7e q u i v a l e n tc i r c u i tc o i l 从图2 7 电阻电感等效电路可以求出感应器的功率因数。 感应加热电源的原理及结构分析 c o s 九2 南 当感应器线圈中流过电流时，其有功功率为： p l = i j rs 无功功率为： ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) a 工= lm l ， ( 2 1 7 ) 品质因数为： q = 鲁；警一等 汜 感应加热负载均为功率因数很低的感性负载，如果不加以补偿，就会造成很大的能量 浪费。在感应加热电源中都采用电容器来补偿感应器的无功功率，提高其功率因数，使电 源仅供给有功功率。 常用的补偿功率因数有如下两种：电容与负载串联，电容与负载并联。 电容与负载串联电路，如图2 - 8 所示。 图2 8 串联电容补偿 f i g 2 8s e r i e sc a p a c i t o rc o m p e n s a t i o n 根据上式画出电路的矢量图，如图2 - 9 所示。 9 西安理工大学硕士学位论文 u c 厂 厶。乇 舶。 ， u r r 图2 9 串联电容补偿矢量图 f i g 2 9s e r i e sc a p a c i t o rc o m p e n s a t i o nc i r c u i tv e c t o r s 可以看出，未加补偿电容时功率因数角为妒，；加入补偿电容以后，功率因数角减小 为砂，功率因数大大提高了。选择补偿电容的大小，可以使负载电路工作在感性、阻性、 容性状态。 在超音频和高频感应加热电源中，由于逆变器件采用的是自关断器件，通过对上下桥 臂换流过程的分析可知，当工作于感性状态时可以避免上下桥臂的直通，所以在超音频和 高频串联式感应加热电源中，经常使w l 。略大于1 以，即处于略感性状态。 当电容与负载并联时，电路如图2 一1 0 所示。 ， 1 0 lc i 型 二 r 5 = i气 c 上j 上 一 图2 - 1 0 并联补偿电容 f i g 2 1 0p a r a l l e lc a p a c i t o rc o m p e n s a t i o n 感应加热电源的原理及结构分析 r ? 、| 一 图2 1 1 并联补偿电容矢量图 f i g 2 1 1p a r a l l e lc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o rv e c t o r s 从图2 1 1 中可以看出并联补偿电容后，功率因数角由原来的：减小为妒，所以功率因 数增大。选择c 的大小可以使电路工作于容性、阻性、感性状态。在超音频和高频电源中， 采用了自然关断器件为开关器件，这些自关断器件女f l m o s f e t 、i g b t 都不能承受反压，因此 限制了并联补偿电容方式在超音频和高频感应加热电源中的应用。 2 4 串联谐振感应加热电源n 1 补偿电容和负载感应器相串联的电源，称为串联谐振加热电源。串联逆变器要求用电 压源供电。 2 4 1 串联谐振电路的分析 a 微分方程法 根据图2 - 8 ，对负载电路可以建立如下方程组： u = u c + u r + u l u r = r s i 吼由鲁 i ：c d u c d f 根据电路的初始条件，联立解方程组， 出响应均为正弦波。具体求解过程略。 b 谐波分析法 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 可以得到：当输入电压u 为交流方波时，输 微分方程用于分析电路的暂态过程，而谐波分析法用来分析稳态过程。 一个非正弦函数，如果满足狄里赫利条件，就可以展开成傅立叶级数形式。利用傅立 叶级数将方波电压( 非正弦电压) 分解成一系列正弦电压，分别计算各次谐波电压在负载 上产生的电流，再用叠加原理将各次谐波电流重新合成，得到输出电流。 将交流方波电压砜进行傅立叶分解得： 西安理工大学硕士学位论文 _ _ 一一 1 2 负载阻抗： 负载谐振角频率： 品质因数： 砜= 等( s i n 耐+ 三s i i l 3 舯一+ 丢s i n 叫 ( 2 2 3 ) 托 3n ；墼s i n 耐+ 堕s i n 3 耐”+ 盟s i n 3 刎 兀3兀n兀 z 咄+ j 钇，+ 面1 咄+ j ( c o l ，一去) 负载的阻抗幅值为： 基波阻抗幅值为： 谐波阻抗幅值为： 基波电流幅值为： 谐波电流幅值为： z i z 。i o 2 - x f i c = 。 q = 百o ) o l s ；丽1 = 12 = r 5 咄一= ，1 埘 ：f 瓦万 吨p 摹吾 咄丽 r s ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 些啦盟寺 堕 感应加热电源的原理及结构分析 4 u d k 2两2一r17 2 司露d 4 u 丽汜3 ，) ru m 一 假如q = 5 ，n - - 3 ，贝0 1 盖：亍：! 一；f ：三一：n n 2 5 ( 2 3 2 ) uu 一= 7 = = = = = = = = = = 毒芦= = = = = = = = = = = z )l 厶 ，1 ，l ，z 1 + q 2 c ，z 一言，23 1 + 5 2 c 3 一三，2 由此可见，三次谐波电流幅值已经远远小于基波电流幅值，高次谐波电流幅值就更小 了。所以可以近似认为负载电流就是基波电流，是正弦波。 2 4 2 工作原理 a 感性状态 1 ( a ) s l 、s 4 开通 ( c ) s 2 、s 3 开通 ( b ) d 2 、d 3 续流 ( d ) d i 、d 4 续流 d 2 图2 - 1 2 感性负载条件下工作过程 f i g 2 1 2w o r kp r o c e s si nt h ec o n d i t i o n so fi n d u c t i v el o a d 如图2 1 2 ( a ) 所示，在某一时刻开关管l 、4 处于导通状态，2 、3 处于关断状态，电 流通过s l 流过负载，再通过s 4 流回电源负端。虚线为电流的方向，流过负载的电流成正弦 振荡的正弦波。负载电流过零之前( 半周期) 关断开关管s 1 、s 4 ，此时为了防止上下桥臂 1 3 高 = 生k 西安理工大学硕士学位论文 直通，两组驱动脉冲中设置了死区，此时开关管s 2 、s 3 尚未开通；四个开关管均处于关断 状态，负载电流通过反并联二极管d 2 、d 3 续流，电流方向如图2 1 2 ( b ) 所示。开关管s l 、 s 4 完全关断并经过死区阶段以后，触发开关管s 2 、s 3 ，负载电流过零后即从反并联二极管 换流到开关管s 2 、s 3 ，如图2 - 1 2 ( c ) 所示；等负载电流快要过零时( 一个周期) ，关断s 2 、 s 3 ，负载电流通过反并联二极管d 1 、d 4 进行续流，如图2 - 1 2 ( d ) 所示。等s 2 、s 3 完全关 断并经一个死区时间触发s 1 、s 4 ，如此循环工作。 b 容性状态 吼1 ( a ) s 1 、s 4 歼通 ( b ) d l 、d 4 续流 ( c ) s 2 、s 3 续流( d ) d 2 、d 3 续流 图2 1 3 容性条件下工作过程 f i g 2 - 1 3c a p a c i t i v el o a dc o n d i t i o n sp r o c e s s 在某一时刻开关管s 1 、s 4 开通，s 2 ，s 3 处于关断状态，负载电流经s 1 ，负载，s 4 流回 电源的负端，如图2 - 1 3 ( a ) 所示。由于容性状态下电流先换向，所以在关断开关管s l 、 s 4 之前电流已经换向，经续流二极管d 4 、负载槽路、d l 流进电源，如图2 - 1 3 ( b ) 所示。 此时关断s 1 、s 4 ，经过一个死区时间，i s 1 、s 4 完全关断，开通开关管s 2 、s 3 ，此时的电 流从续流二极管换到开关管s 2 、s 3 ，如图2 1 3 ( c ) 所示。经过一段时间，电流过零换向， 电流经d 3 、负载槽路、d 2 续流，如图2 - 1 3 ( d ) 所示；关断开关管s 2 、s 3 ，经过一个死区 时间，开通s 1 ，s 4 ，电流经续流二极管d 2 ，d 3 换到开关管s l ，s 4 。 由以上分析可知，换流是在上下桥臂的二极管与i g b t 之间完成的，如果二极管的反向 恢复时间长，则在i g b t 开通瞬间会因二极管的恢复电流使上下桥臂直通而损坏器件。因此 与i g b t 反并联的二极管必须是快恢复二极管，必要时应采取抑制浪涌电流的措旌。因此在 超音频和高频串联感应加热电源中，通常都使负载工作在感性状态，而不选取容性状态。 c 串联逆变器在两种工作状态的输出波形 1 4 感应加热电源的原理及结构分析 电压 电流 广 _，-_ 广|厂。| |、 l | 0 | l | l | l | 图2 - 1 4 感性负载波形 f i g 2 1 4i n d u c t i v el o a dw a v e f o r m 弋 j _ 八 | 0弋|弋 l v | | | | 图2 1 5 容性负载波形 f i g 2 1 5c a p a c i t i v el o a dw a v e f o r m 2 5 并联谐振感应加热电源阳， 对负载电路的分析可用微分方程和谐波分析法 2 5 1 微分方程法 微分方程用来分析电路的暂态过程，对负载电路可以建立以下方程： l ：c 丝鱼( 2 3 3 ) 。 d r = t r + 岛鲁 ( 2 3 4 ) = f c + t ( 2 3 5 ) 根据电路的初始条件解出联立的方程组，求出和等变量的表达式。 具体求解的过程略。 1 5 西安理工大学硕士学位论文 结论：当输入电流为交流方波时，输出响应和屯均为正弦波。 2 5 2 谐波分析法 谐波分析法常用来分析电路的稳态过程。 一个非正弦函数，如果满足狄里赫利条件，就可以展开成傅立叶级数形式。利用傅立 叶级数将方波电流( 非正弦电流) 分解成一系列正弦电流，分别计算各次谐波电流在负载 上产生的电压，再用叠加原理将各次谐波电压重新合成，得到输出电压： 、：一 1 + + _ 1 n n o ) t )(1236)qi d ( s i n w t + 二s i n 3 c o t s i n n e a t ) = + + 一 ( ；! ls i n 埘+ 三l s i n3 耐+ + 三ls i n n 耐 负载电路阻抗： z ：竺型章 汜3 7 ，= 孚( 2 3 7 ) b + j w l s + 意，“几 因为咄 r s ，故可以将z 简化为： 生 z ： ( 2 3 8 ) 咫+ j ( w l s 一嘉)龇 阻抗幅值为： 生 吲2 一c ( 2 3 9 ) 亿2 + ( 也s 一壶) 2 根据电路理论，可知电路的谐振频率为： 驴赢 4 品质因数： q ：c o o l s ；一三一 ( 2 4 1 ) n so j o c r s 1 6 z i = 三s c ( 2 4 2 ) 感应加热电源的原理及结构分析 定义 r 肝= 缶 当负载电路发生谐振时，谐振频率为，所以基波阻抗幅值为： 谐波阻抗为： l z 。i = z - i 去= r h pr h p 2 两 假设q = 5 ，则三次谐波阻抗幅值为：i z ，i = 0 0 7 5 r h e 即三次谐波阻抗幅值为基波阻抗幅值的0 0 7 5 倍。 由此可知，谐波阻抗幅值远远小于基波阻抗幅值。 谐波电压幅值： 吒j n 卜警n 南 万 。 万j 一， 1 ， 基波电压幅值： ， 。盟 谐波电压幅值与基波电压幅值的比： 乩。 1 咒、1 + q ( 挖一三) ： ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) ( 2 4 7 ) 以q = 5 ，n = 3 为例 坠：一；0 0 2 5 一= ，= = = = = = = = = = = = = = = = 3 1 ( 3 一争2 可以看出3 次谐波电压幅值已经远远小于基波电压幅值，高次谐波电压就更低了。因 此，工程上可以近似认为负载两端的电压就是基波电压。 2 6 串联逆变器和并联逆变器的比较m 轴1 串联谐振式逆变器和并联谐振式逆变器的直流侧分别是电压源和电流源。因此，也称 为电压型逆变器和电流型逆变器，两者之间存在着对偶性。下面对两者应用过程中的主要 1 7 西安理工大学硕士学位论丈 差别进行比较分析 ( 1 ) 串联谐振式逆变器短路保护较为困难。串联谐振式逆变器的负载电路对电源呈 低阻抗，逆变器采用电压源供电，因此在直流电源的两端并接有大的滤波电容。在逆变器 发生短路故障时，由于电容器上电压不能突变，瞬时放电电流将会很大，此时必须在功率 器件的允许短路时间内采取保护措施，否则功率器件就会损坏，这一缺点可以通过研制合 理有效的保护电路予以克服。相反并联谐振式逆变器的短路保护则比较容易。并联谐振式 逆变器采用电流源供电，直流电源末端串接有一大滤波电感。在逆变器发生短路故障时， 短路电流的上升将会受到此滤波电感的抑制，功率器件的保护就相对比较容易实现。 ( 2 ) 并联逆变器工作时，开关管承受反压较大。由于自关断器件i g b t 承受反压的能 力很低，因此应用中就需要给每个桥臂的主开关管串接同等容量的快恢复二极管，而大容 量的快恢复二极管价格很贵且不易购买。同时i g b t 内部有寄生的反并联二极管，在器件受 反压作用时，该二极管可能会引起较大的环流损坏器件。串联逆变器工作时，开关管承受 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。 ( 3 ) 串联逆变器相当于一个恒压源，负载为r ，l 和c 的串联，其输出电压为矩形波， 电流为近似正弦波。而并联逆变器相当于一个恒流源，负载为r ，l 和c 的并联，其输出电 流为矩形波，输出电压为近似正弦波。 ( 4 ) 由于串联逆变器由电压源供电，在换流过程中为避免逆变器上下桥臂开关管同 时导通造成电压源短路，在控制中必须确保先关断再开通，即必须保证死区时间的存在。 此时电路的杂散电感上的感生电势可能对器件构成威胁，因此要有有效的尖峰电势吸收电 路对圭开关器件进行保护。并联逆变器由电流源供电，换流时为了避免直流滤波电感上产 生大的感生电势，必须保证电流连续，即换流时要遵循先开通后关断的原则，保证重叠时 问的存在。重叠时间内，虽然逆变器桥臂直通，但由于l 比较大能够限制电流上升率，不 会造成直流电源短路，但换流过长会使系统效率降低，因此重叠时间不可过长。 ( 5 ) 串联逆变器的起动较为简单。串联逆变器既能自激工作，也能他激工作。对于 应用于淬火等需要频繁起停的场合，这一点上串联逆变器有应用优势。并联逆变器起动较 为困难。并联逆变器起动前需对直流滤波大电感预充电，以保证其为电流源。并联逆变器 只能工作于自激状态，当驱动信号频率不等于负载固有谐振频率时，系统就起动不起来， 因此并联逆变器起动之前必须测定负载的固有谐振频率。 ( 6 ) 串联逆变器由于电压高，电流小，对槽路布局要求较低，感应加热线圈与逆变 电源的距离远时对输出功率的影响很小，当采用同轴电缆或将来回线绞接在一起铺设时影 响则几乎可以不计。并联逆变器则由于电压低，电流大而对槽路布线要求很高。感应加热 线圈与逆变电源( 尤其是谐振电容器) 的距离应尽量靠近，否则两者之间引线的分布电感会 改变负载电路的结构，使逆变器工作受到很大影响。 ( 7 ) 并联逆变器工作可靠性较差，在感应加热过程中，负载的等效阻抗等参数会有 一定的变化，因此负载的谐振频率就会相应有变化，此时如果逆变器控制电路不能及时准 1 8 感应加热电源的原理及结构分析 确的跟踪到负载谐振频率，就可能使逆变器停振，甚至发生逆变颠覆的故障。 2 7 小结 本章研究了感应加热的基本原理，分析了感应加热电源的结构，负载特性以及串联谐 振感应加热电源和并联谐振感应加热电源在结构、工作过程上的差别，其中串联谐振型感 应加热电源是分析的重点。 1 9 西安理工大学硕士学位论文 3 系统的硬件结构与实现 3 1 概述 本课题的主要目的是制作一个3 k w 电磁炉实验装置，该装置采用调节工作频率的方式 调节输出功率。整流部分采用单相不控整流桥，逆变部分采取全桥逆变，控制部分引入 d s p 2 8 1 2 ，实现数字化控制。同时还设计了过压、过流、过温保护电路，i g b t 的缓冲吸收 电路，驱动电路，以及独立的供电电源等。 3 2 系统的主电路设计 m f 7 3 8 r 0 10 2 0 a c 2 2 图3 1 主电路 f i g 3 1m a i nc i r c u i t 该主电路采取单相交流输入，经过桥式不控整流，大电容滤波后得到的平滑直流电压 供给逆变器。其中m f 7 3 8 r o l o 一2 0 为负温度系数的热敏电阻，抑制系统加电启动瞬时产生 的浪涌电流。逆变部分采取全桥逆变，开关器件i g b t 的触发频率要大于负载电路的固有频 率，使系统工作在感性状态。 3 2 1 整流电路设计3 1 在单相桥式整流电路中，因为每只二极管只在交流输入电压的半个周期内通过电流， 所以每只二极管的平均电流只有负载上电流平均值的一半；二极管上承受的最大反向电压 为u 月。= 2 u 加，考虑到电网电压的波动范围为1 0 ，在实际选用二极管时，应考虑 1 0 的余量，最高反相工作电压