（电力电子与电力传动专业论文）电磁感应加热技术安全性设计与研究.pdf

两北t 业大学硕b 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n ef o c t l so ft l l i sp a p e ri sd e s i g n e df o re l e c 仃o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n gr e s o n a n t i n v e r t e rc i r c u i t r e s o n a l l tc o n v e n e rm a i n l yt ot h eu s eo fa u x i l i a r ym e a n sa n ds n u b b e r c i r c u i t ，t h es o f ts w i t c h i n gp o w e rd e v i c e sw i t l lp e r f o n n a n c em i n i m i z ee l e c t r o m a g n e t i c i m e 娲r e n c e ，a i l dr 。d u c e1 0 s s e s ，i n l p r o v eh e a t i n ge m c i e n c y p 印e rb ye l e c 仃o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n gb a s i ct h e o 阱e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n h e a t e rc i r c u i td e s 迢n ，e l e c 加眦g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n gs e c u r 主t y d e s i g na n dr e s u h a i l a l y s i sa i l ds u i n m a r yc o i l s t i n n i o n b a s i ct h e o r yo fe l e c 打o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n g i n c l u d i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e so fe l e c 仃d m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n g ，e l e c t r o m a g n e t i c i n d u 吐i o n h e a t i n gs y s t e md e s i g n ，j o u l ee 腩c t ，e q u i v a l e n t m o d e l ss u c h硒 e 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 gl o a da 芏1 ds oo n e l e c n o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n g c i r c l l i td e s i g ni n c l u d e sp o w e rc i r c u i t ，c o m r o lc i r c u i t ，o s c i l l a t i o n sa 1 1 dd r i v i n gc i r c u i t m o d u i e se x p o u n d e do nt h ec i r c u i td e s i g n c u r r e n td e s i g n si n c l u d ee l e c t r o m a g n e t i c i n d i 工c t i o nh e a t i n gs a f e t yp r o t e c t i o n ，v o l t a g ep r o t e c t i o n ，t e m p e r a f u r ep r o t e c t i o 坞m m s i e n t s u p p r e s s i o nc i r c u h ， s u 唱es u p p r e s s i o nc i r c u i t ，f b es e l e c t i o n a n de m cd e s i g n i n f o n n a t i o n ap r o t o t y p em r o u g hr 印e a t e dt e s t s ，t l es y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b i ea n di h e f i n a i t e x tw i l lb ep r e s e n t e ds o m ee x p e r i m e n t a 】d a t a e l e c 喇c a l h e a t i n gl o a dc h a n g e sw i mt e m p e r a t u r ec h a n g e si nm e 行e q u e n c y m o d u l a t i o no f t h i ss t u d y ，w o r kw i t h i nt h es y s t e ：mt of o l l o wac e r t a i nf k q u e n c yr c s o n a i l t 缸q u e n c y e n s u r et h a tm eo p e m t i n ge m c i e n c yo ft h eh e a t i n gs y s t e m i nt h eb c s t c o n d i t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r o m a 弘e t i ci n d u c t i o nh e a t i n g ，e i e c t r o m a g i l e t i ci n t e 疵r e n c e ，s o f t s w i t c h i n gt e c i l i l o l o 影 n 西北t 业大学硕上学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景与动机 电磁感应加热来源于电磁感应现象，即交变的电流会在导体中产生感应电流， 从而导致导体发热。长期以来，人们在各种场合尽量抑止这种发热现象，来减少 损耗。1 9 世纪末期，人们又发现此现象的有利面，即将之应用到感应加热场合。 由于此技术相较于传统直接加热技术而言具有以下优点： 非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触。 加热效率高，速度快，可以减少表面氧化现象。 容易控制温度，提高加工精度。 可实现局部加热。 可实现自动化控制。 可减少占地、热辐射、噪音和灰尘。 能加热形状复杂的工件 工件加热均匀产品质量好 电磁感应加热的实现是采用大功率开关元件，对交流市电整流滤波后的高压 直流进行高频调制，形成2 0 k h z 5 0 k h z 的高频电流磁场，将此磁场加在铁质的 导磁金属容器上，金属中的载流子将在涡旋电场的作用下运动而形成电流，因办i 金属的电阻很小，所以不大的感应电动势便可产生较强的涡电流。由于被加热物 件的阻抗特性及涡流在导磁金属容器上的流动，因此产生砟且( r 表示被加热物件 的等效电阻) 的电功率，使金属容器温度上升，达到加热目的。 在实际电路中，开关过程是客观存在的，一定条件下还可能对电路的工作造 成严重影响。在很多电路中，开关元件在电压很高或电流很大的条件下，在门极 的控制下开通或关断，开关过程中电压、电流不为零，出现了重叠，因此导致了 开关损耗。而且电压和电流的变化很快，波形出现了明显的过冲，这导致了开关 噪声的产生i l ”。 在提高开关频率的同时，开关损耗也会随着增加，电路效率严重下降，电磁 干扰也增加了，所以简单的提高开关频率是不行的。针对这些问题出现了软开关 技术，它利用以谐振为主的辅助换流手段，解决了电路中的丌关损耗和丌关噪声 问题，使开关频率可以大幅度提高。 目i j 电磁感应加热的研究大致分为两方面，其一为逆变电路的结构，研究零 电压电路与零电流电路在电磁感应加热系统应用上的优缺点与注意事项；其二为 西北工业大学硕十学位论文 第一帝绪论 电磁感应加热线圈与加工物件的能量转移与消耗，此部分研究以有限元素法来模 拟探讨。 相对并联谐振而言，串联谐振的最大优点是能使电磁感应加热系统在无负载 或短路情况下操作，避免因短路而使系统损坏；此外电路构架也具备升压的效果。 因此，基于已有的研究基础与相关设计原理下，试设计脉冲频率调制串联谐振感 应加热系统，并对其设计方法进行说明。 1 2 研究内容 在电磁感应加热系统中，提供高频交流电流的电路是非常重要的环节。本文 分析了在电磁感应加热电路中逆变器电路的拓扑和控制方式及其特点，探讨如何 提高输出电流频率和保证整机的高效率。并且在理论分析基础上，试制高效率、 高可靠性、功率可调的电磁感应加热样机。为了减小体积和提高加热速度，要求 在开关器件和技术允许的情况下尽量提高开关频率。高的开关频率必然带来大的 开关损耗，所以要求采用软开关技术。为此，也必须对逆变电路的控制方法和软 开关实现方法进入深入的研究。最后，本文将给出试验所测得的部分试验结果。 设计采用a t 8 9 s 5 2 作为控制器，通过集成电路s g 3 5 2 4 产生p w m 信号，以 6 n l3 6 高速光耦合器作为驱动信号隔离芯片，用i r 2 l l o 作为丌关元件的骀动芯片， 设计脉冲频率调制串联谐振电路，使开关元件工作于软丌关状念，系统处于最佳 状态以达到理想的加热效果。 1 3 论文结构 本论文共分为五个章节，最后并包含参考文献。 第一章绪论：说明本文的研究背景与动机、研究内容及论文结构。 第二章电磁感应加热基础理论：针对感应加热原理进行说明，考虑系统所 需的相关条件，并对负载特性进行讨论。 第三章电磁感应加热电路设计：针对系统电路进行设计，说明软开关技术 与逆变电路的工作原理。 第四章电磁感应加热安全性设计：针对系统工作过程可能出现的现象作出 相应的保护。 第五章结果分析与总结：记录产品各种测试实验数据，分析并进行相应说 明。总结设计与调试经验。 西北t 业大学硕十学位论文第二章电磁感戌加热苹础理论 第二章电磁感应加热基础理论 2 1 电磁感应加热基本原理 所谓电磁感应加热就是利用电磁感应现象对金属物件进行加热的方式。此原 理应用最多的地方是变压器。变压器一次侧与二次侧各有一组线圈，一次侧输入 的交流电压会使线圈产生正负交替变化的磁场，并与二次侧线圈耦合，因而在二 次测产生感应电压，提供负载电流。一般变压器为了提高耦合效果，采用高磁导 率的铁磁性材料为铁心，铁心产生的铁损会使变压器温度升高。产生铁损的原因 有两种，一是与铁心材料的磁滞现象有关，另一种则是与变压器线圈在铁心产生 的涡流有关。电磁感应加热就是利用铁损加热使温度上升。另一方面，由于金属 物件具备导热的特性，因此适合非接触性电磁感应作用加热。 根据电磁感应定律，当通过导体回路的磁通量随时间发生变化时，回路中会 有感应电动势产生，从而产生感应电流。磁通量的变化可以由磁场变化引起的， 也可以是由于导体在磁场中运动或导体回路中的一部分切割磁力线的运动而产生 的。感应电动势的大小与磁通量变化的快慢有关( 电磁感应现象的实质是磁通量 变化产生感应电动势) ；感应电动势的方向总是企图由它产生的感应电流建立一个 附加的磁通量，以阻止引起感应电动势的那个磁通量。麦克斯韦在分析电磁感应 现象的基础上，提出了一个大胆的假设：变化的磁场在其周围空间激发了一种新 的电场，这种电场称为涡旋电场。电磁感应定律的数学公式表示如下： 占塑( 2 _ 1 )占l z ij d t 占丝：一旦f f 8 嬲：一f 擘勰 ( 2 川) d t d t 誓8 i 由式( 2 1 ) 可知，当置于磁场中的导体不动，而磁场随时问变化时，金属 中的载流子将在涡旋电场的作用下运动而形成电流，这种电流呈涡旋状，因此成 为涡电流。因为金属的电阻很小，所以不大的感应电动势便可产生较强的涡电流。 从而可以在金属内产生大量的焦耳热，这就是感应加热的基本原理。 将频率为5 0 h z 的市电接入系统，整流滤波后利用逆变电路将其转变为不同频 率的交流电流，供应负载部分的加热线圈，加热线圈将建立交变磁场。若将磁性 或非磁性的导电物件景入加热线圈所建立的交变磁场内，由于磁力线的切割，被 加热物件将在不同深度会产生感应电流厶( 即涡流) 。由于被加热物件的阻抗特性 及涡流在被加热物件上的流动，因此产生露r ( r 表示被加热物件的等效电阻) 的 电功率热消耗，使被加热物件温度上升，达到加热的目的。电磁感应加热系统方 西北工业人学硕学位论文 第二章电磁感应加热摹础理论 框图，如图2 1 所示。 市 电 图2 1 感应加热系统方框图 简言之，电磁感应加热系统中有三个阶段的能量转换，首先是电能转变为磁 能，接着通过电磁感应原理将磁能转变为电能，最后由具有导电性的物体吸收电 能转换为热能，达到升温的效果【4 4 1 。 2 2 电磁感应加热系统设计 感应加热系统的设计中，系统频率、被加热物件的电阻系数与相对导磁系数， 被加热物件的温度分布及加热时间等皆须考虑。以下将针对上述因素进行说明。 2 2 1 系统频率 被加热物件在加热线圈建立的交变磁场内，其感应的涡流并非均匀分布在被 加热物件的各个剖面层上，越靠近加工物件表面处，电流密度越大，而且加热线 圈上的电流频率越高，涡流往物件表层集中的程度越明显。表2 1 提供被加热物 件不同加热深度的频率选择。 表2 一l 感应加热频率的选择 加热深度( m m )频率选择( 2 0 7 2 0 ) 1 0 0 至2 0 0( 1 8 0 h z 7 5 至1 0 0 l k h z 5 0 至7 5 ，材玉 2 s 至5 03 k h z 1 3 至2 5 i o k h z 小丁1 35 0 k h z 考虑加热对象的加热深度及使用用途，本文设计电磁感应加热系统工作频率 为2 0 k h z 6 0 k h z 。 2 2 2 被加热物件电阻系数 影响加热深度的另一个因素是被加热物件的电阻系数，大部分加工物件的电 阻系数与温度变化有线性关系，其关系为： p = n 【1 + a p q ) 】 ( q 一脚)( 2 3 ) 其中， 4 西北工业人学硕上学位论文第二章电磁感应加于血基础理论 p ：温度口下的电阻系数值 岛：温度b 下的电阻系数值 口一舅：代表不同的温度值( ) a ：电阻温度系数 不同材质的被加热物件的p 、a 各不相同，具体数值可参照表2 2 所列数值。 表2 2 不同加工物件p 、a 被加热物件a p ：。一胁) 铝 4 2 9 1 0 - 32 6 5 l o 一8 铜3 9 3 l o - j1 7 2 1 0 - 3 纯铁6 5 1 0 一3 9 7 1 1 0 一8 银 4 1 1 0 41 5 9 l o - 。 铜( 9 0 ) ，锌( 1 0 ) ，青铜合金 1 8 6 1 0 - j 3 9 l o - 3 铜( 6 5 ) ，锌( 3 5 ) ，黄铜合金 1 6 x l o 一36 4 1 0 一8 图2 2 温度变化下的电阻系数 根据表2 2 所提供的数据及式( 2 3 ) 可得，不同温度下电阻系数线性曲线， 如图2 2 所示。该图表示加热温度与被加热物件的电阻系数线性几乎成正比例关 系【4 4 1 。由以上数据和图表可知，在同一磁场中，铁质材料比其他材质材料的加热 效果要好，且被加热物件的温度越高加热效果越好。这也是电磁炉等电磁感应加 热电器推荐使用铁质材料锅具的原因。 两北工业人学硕士学位论文第一二章 电磁感应加热基础理论 2 2 3 被加热物件相对导磁系数 除工作频率与被加热物件电阻系数外，被加热物件的相对导磁系数( 以) 也 是决定被加热物体加热深度的重要因素；以值越大趋肤深度越明显，加热深度越 浅。相对导磁系数的大小除了与加工物件材质及所受磁场强度、磁性饱和及磁化 过程影响外，温度大小也是决定卢，大小关键因素之一，对于一些铁磁性材料，当 其加工温度达到居里点以上时，铁磁性质消失，成为顺磁材料( ，稍大于1 ) ， 与温度之间的关系如图2 3 所示j 。 相 封 錾 磁 像 数 。c 图2 3 铁的，与温度之间的关系 对于一般铁磁性材料，居里点温度除了部分合金约为3 6 0 至4 5 0 间外，一 般均在7 2 0 至8 3 0 日j 。所谓居罩点温度办称为居单温度，其特性如图2 4 所 刁i 。 m 磁化强度 m s t 温度 图2 - 4 磁化强度与温度的关系 图中m 。为磁性材料饱和磁化强度，随着加工物件温度升高而降低，当温度增 加至某一温度，而使m 。降为零，此温度为居里温度。由于磁性物质磁化度强， 大，耦合系数高，铁损高，有较大涡流损耗，比非磁性质仅有涡流损失有较快电 磁感应加热温升速度。所以，当加热温度不高于3 6 0 时，被加热对象首选材料应 选铁质材料。 6 西北工业人学硕上学位论文第一二章屯磁感应加热基础理论 2 3 加热线圈散热与绝缘 理想电磁感应加热应是被加热物件加热，而电磁感应加热线圈保持在低温状 态，但实际有两个因素将造成电磁感应加热线圈受热，第一个因素是高频大电流 在加热线圈上流动所产生的热，第二个因素是被加热物件在加热过程中辐射大量 热能的影响。因此，大功率加热线圈须加装冷却装置来降温，电磁感应加热线圈 常见的冷却方式有自冷式、水冷式、油冷式及强行空气对流冷却，其比较如表2 3 所示。 表2 3 加热线圈常见的散热方式 方式叙述效率 自冷式增加加热线圈表面积方式，结构简单，通_ l i j 丁二小功散热慢、效率较低。 率加热器 水冷式加热线圈上加装循环冷却管，并流通水流，成本较 散热快、效率较高。 低。 油冷式感府线圈放置在冷却油池中，构造复杂，成本较高。散热快、效率较高。 空气冷加热线圈的环管，强行空气冷却循环或不加循环散热慢、效率较低，风扇散热 却式 管，以大犁风扇散热，成本比水冷方式为低。 方式，其散热不均匀。 通常加热线圈与加工物件要相互隔离，然而为提高耦合程度，增加工作效率 及缩短加热时间，因此两者之| 日j 要尽量接近。为避免加工物件表面容易放电等不 定因素造成短路，一般可在加热线圈表面涂抹一层环氧树脂，增加绝缘效果。” 本文采用空气冷却式冷却方法。通过风扇通风散热，利用热敏电阻阻值随温 度变化而变化的特性监控样机内部温度变化情况，使电磁感应加热线圈工作在8 妒 以下的环境温度中。考虑到样机内部温度不均匀因素，实际测量内部各位置温 度后，将热敏电阻安装在内部温度最高的地方监视内部温度变化。 2 4 加热线圈类型 电磁感应加热线圈有很多类型。加热线圈尺寸与材质选择都会受操作条件的 限制，如频率、功率与电流等；而其他因素包含制作型式、工件外形与物理特性 及所要求温度条件等。 加热线圈因为要满足不同功率、频率与加热形态的需求及本身材质、形状、 体积、大小等差异，线圈形式主要分为单匝型和多匝型，一般单匝型线圈用于加 热面积较小者；对于较大面积加热需求，多匝型加热线圈可提供较高功率及较短 加热时间。总之，加热线圈的选择需考虑到加热实际情况，才能获得最佳效果m j 。 加热线圈特点及用途整理如表2 4 。 表2 4 常见加热线圈特色与用途 7 西北t 业人学顾上学位论文 第二章电磁感应加热基础理论 种 型态材料特色与用途 类 a 单匝金属与绝缘材料适用于柱状体负载之硬化或局部加热 匝数依据负载加热跃度弹性伸缩，加热圆周亦 b 多匝螺旋管状 铜 可冈应负载体积调整 酌量加入铁心材料可加强加热程度，一般适用 c 内部螺旋状 铜 于较复杂的负载 d 单匝平面翟薄铜片适用丁较窄范围的负载加热 e 单匝发夹型 铜适用于不同部位的加热 f 多匝扁平状铜适用于平面加热 g多层次型铜适用于低电流、高电压的加热 h铁心屯感裂镍铁适用于棱角型薄片负载之淬火 本文研究应用于平面加热的电磁加热装置，考虑加热功率及加热时间等因素， 采用多匝扁平状电磁感应加热线圈，对物件进行单侧加热。 2 5 加热线圈设计 关于感应加热线圈设计的所有分析，必须考虑加热线圈电磁效应，下面就针 对设计感应加热线圈的上述因素进行说明。 对于非磁性材料，如铜、金、银的相对导磁系数，几乎等于l ，这些非磁性材 料在高频时，有较深电流浸透度，导致加热深度较深，所以铜绕制的加热线圈， 其电流浸透深度位置较深，因此也较不受涡流所产生的趋肤效应所产生的焦耳热 影响。所以本文采用铜材料绕制电磁感应加热线圈。 2 5 1 趋肤效应 在均匀柱状导体中通过直流电流时，电流密度在导体的横截面上是均匀分布 的。当交变电流通过导体时，由于交流电产生的交变磁场会在导体内部引起涡流， 电流密度在导体横截面上的分布不再均匀，越靠近导体表面处电流密度越大，这 种现象称为趋肤效应。随着交变电流频率的提高，趋肽效应越明显，因此，在设 计绕组、选择导线线经时必须考虑趋肤效应引起的有效截面的减小，通常采用多 股绝缘细导线编织成束来削弱趋肤效应。 穿透深度 穿透深度指的是由于趋肤效应，交流电流沿导线表面开始达到的径向深度。 导线流过高频交变电流时，有效截面的减小可用穿透深度来表示。当导线为圆铜 8 西北工业大学硕上学位论文 第二章电磁感戍加热基础理论 h ：型( m m )( 2 - 4 ) t l 式中厂一电流频率( h z ) 。 当流过圆铜线的电流频率从1 k h z 到5 0 k h z 时，穿透深度见表2 5 所示。 表2 5 频率从l k h z 到5 0 k h z 圆铜线的穿透深度表 ，( k h z ) l3571 01 31 51 8 h ( m m )2 0 8 91 2 0 60 9 4 3 6o 7 8 9 9o 6 6 0 8o 5 7 9 60 5 3 9 6o 4 9 2 6 ，( k h z ) 2 0 2 32 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 h ( m m )o 4 6 7 30 4 5 3 80 4 】8 00 3 8 1 50 3 5 3 2o 3 3 0 4o 3 1 1 5o 2 9 5 5 导线选择原则 在选则电磁感应加热线圈线径时，应遵循导线直径小于两倍穿透深度的原则。 当导线要求的直径大于由穿透深度决定的最大直径时，可采用小直径的导线多股 并绕或采用扁铜带绕制。 考虑设计工作频率范围为2 0 z 6 0 k h z ，所以选择导线的线径应大于等于 0 3 1 m m 。 2 5 2 临近效应 所谓临近效应是指两相邻带电导体或绕组，因电流方向不同，产生交变的磁 场相互作用，影响磁通大小变化的结果。当频率越高，加工物件与加热线圈问的 间隙越小则临近效应就越明显，同时，其产生的涡流使两者接近面的磁通加强， 电流浸透浅，加热程度提高；而距离较远处，磁场减弱，加热效果较差。 但必须注意的是，趋肤深度只会影响涡流分布状况，而临近效应却会改变涡 流的大小，因此感应加热设计中，如局部加热，则可将加工物件置于感应线圈外 侧，反之如全面性的加热型态，将加工物冒于感应线圈内部，应可获得较佳的工 作特性m 1 。 2 6 焦耳效应 2 6 1 磁滞损 对于加热线圈及被加热物件之间为非接触电磁感应作用而言，由于加工物件 经磁化、去磁、再磁化的分子往复运动，因此造成磁滞损失使得被加热物件产生 热而达到温度上升的现象。通常磁滞损主要是由铁磁性材料所产生的。 9 西北工业大学硕上学位论文第一二章电磁感心加热基础理论 图2 5 磁滞网线 图2 5 显示了电流与磁密的关系，图中下方中竖线表示电流所处位置，图中 上方黑点表示电流所处位置对应的磁密。从上图可看出，对铁磁材料丽言，当电 流达到最大值，再逐渐减小到零的时候，对应的磁密并不回到零，而是一个正的 数值，即图中的b ，。该磁密称为剩磁( 磁密) 。只有当电流进步变为负值，且达 到一定大小后，磁密才变为零。可以看出，在这个过程中，磁密是滞后于电流的。 显然，当电流从负的最大，逐渐变为零，进一步变为j 下值的过程中，磁密也滞后 于电流。该曲线称为磁滞回线。软磁材料与硬磁材料的区别在于，前者剩磁很小， 而后者剩磁较大。如果磁滞回线所包围的磁滞环面积越大，则表示磁滞损相对地 提高。本文设计的加热线圈磁钢选用软磁材料。 2 6 2 涡流损 电磁感应加热提供不同频率电流于加热线圈上，被加热物件因电磁感应作用 而产生感生电动势，此电势将在被加热物件上产生涡流，并在被加热物件的各 剖面层呈现非均匀、非等量的流动，造成l 且的损失，此项涡流损与上述的磁滞 损一样，在被加热物件上最终皆以热的形态表现出来，因此涡流损又称焦耳损， 这也是感应加热的目的与特色。不同加热频率下，磁滞损与涡流损所占的比重不 相同，如图2 6 所示，当工作频率越高时，则整体的铁损中，涡流损( 正比于厂2 ) 所占比重越大，其工作斜率几乎与铁损的斜率一致，而涡流损失，可用下列的近 似公式表示： = k 。忙一f ) 2 ( 吲磁) ( 2 5 ) 其中， x ，：涡流损比例 e ：单位重量下的涡流损( 阡，。) 占。：最大磁通密度( r ) 西北工业大学硕i 学位论文第一二章电磁感戍加热基础理论 ：工作频率( 舷) f ：加热厚度( 肌) 从式( 2 5 ) 可知，要增加被加热物件的涡流损可以提高系统的工作频率和 增大最大磁通量。在实际应用中，则以提高系统的工作频率方法来增加被加热物 件涡流损。 7 图2 6 铁损与加热频率之关系 2 7 加热负载等效模型 在电气结构上，感应力【| 热负载电路可视为一个电感器，对线性介质而言，电 感器大小与结构回路中导体几何形状及实体排列有关。感应加热线圈电感值与线 圈长度、线圈材料的导磁系数数及面积有关。 感应加热系统中的实际负载，包含加热线圈与加工物件，犹如一耦合变压器； 加热线圈视为一次测，加工物件视为二次测，其等效电路如图2 7 所示。 a c r w 图2 7 加热负载的等效参数模型 其中： 尼：加热线圈导体电阻 r ，：被加热物体等效电阻 事实上，感应加热系统等效电路模型中，由于各参数受很多因素影响，例如 西北工业大学烦l 学位论文第二章电磁感应加热基础理论 电磁感应、趋肽效应、介质特性等，因此上述负载模型只能视为一个理论基础 架构。 2 8 加热负载要求 在高频时，被加热物件中所产生涡流并非均匀、等量的在被加热物件各剖面 层上流动，因此产生焦耳损失也有所不同，各部位局部加热程度也大大不同。而 被加热物件表面集中的涡流，随着被加热物件的加热深度，呈指数函数减小。感 应加热的功率损失与涡流流动量主要是集中在加工物件的趋肤深度内，因此调整 工作频率即可配合加热形态所需的加热深度。大约6 4 的感应电流流经深度为a h ( 穿透深度) 内的加工物件表面，而产生约为8 7 的功率消耗。因此负载厚度应 大于或等于2 h 。 对于其他形态的加热物体而言，渗透深度是相当重要的，可以透过它与工件 尺寸去预测加热效率，例如：当圆柱体或薄板的厚度不小于两倍渗透深度时，可 以有较好的电磁功率吸收，取得理想的加热效果。 2 9 本章小结 本章主要阐述电磁感应加热技术基础原理及系统设计思路，探讨了工作频率 与功率关系及被加热负载具有的特性。感应加热线圈设计是本章设计重点，感应 加热线圈的分析须考虑电磁效应及材料。由于工作环境等因素影响，还须考虑加 热线圈的冷却方式等等。 西北t 业人学硕士学位论文 第三章电磁感应加热电路设计 第三章电磁感应加热电路设计 3 1 系统电路设计 电磁感应加热系统方框图与电路结构图分别如图3 1 和图3 2 所示。其中 整流电路、逆变电路与负载电路属于功率级部分，驱动电路与控制电路则属于弱 电部分。 图3 一l高频感应加热系统方框图 - 一 j 息j k zz 田 项孙 _一 一降一与 zz 图3 2 感应加热系统的主逆变电路架构 高频感应加热装置各单元的功能简述如下： ( 1 ) 、交流电源：单相2 2 0 v 市电。 ( 2 ) 、整流滤波：将交流电源转换为稳定的直流电压源。 ( 3 ) 、输入电感：供应近似稳定的直流电流源与升压的功用。 ( 4 ) 、逆变电路：d c a c ，提供可调变频的交流电流。 ( 5 ) 、隔离驱动：进行开关的高频隔离驱动工作。 ( 6 ) 、控制电路：驱动功率器件开关的信号。 ( 7 ) 、谐振电容：与加热负载形成r l c 等效串联或并联谐振电路。 西北丁业丈学硕1 。学位论文 鹅二章电磁感府加热l 乜路设计 ( 8 ) 、加热负载：加热线圈与加热物件的组合。 3 1 1 谐振式负载 负载换流式无源逆变电路负载通常是感应加热一类负载，这些负载可用以下 两种等效电路表示，如图3 3 所示。一般采用图a 所示串联等效电路。负载从电 源吸收有功功率，= 甜c o s 矿，负载与电源之间传递无功功率g = 讲s i n 妒。其中。 u 、，为电源输出电压、电流的有效值。负载的功率因数如公式( 3 一1 ) 所示 c o s p ：_ ! ! ：， ( 3 一1 ) r2 + 如 l ) 2 ll ( a ) 串联等效电路 ( b ) 并联等效电路 图3 3 谐振式负载等效电路 这类负载的实际电感量包括线圈自身的电感量和较大的漏电感量，故l 很大， 所以功率因数c o s 妒很低，负载吸收的有功功率很小。其解决方法是采用电容补偿 来提高负载的功率因数。 按补偿电容与负载的连接方式，可分为串联补偿( 串联谐振) 负载电路和并 联补偿( 并联谐振) 负载电路，简称串联负载电路和并联负载电路，如图3 4 所 示。具有这两种负载电路的无源逆变屯路分别称为串联谐振式逆变电路和并联谐 振式逆变电路，简称串联逆变电路和并联逆变电路。 l l ( a ) 串联负载也路 ( b ) 并联负载电路 图3 4 电容补偿负载电路 对于串联负载电路，电路工作频率越靠近谐振频率，曲线越陡，q 值越大。 若o 值很大，当电路工作在谐振频率附近某个频率下时电流可达较大幅值，且 谐振分量都很小，近似为零所以电流近似为只含基波分量的正弦波。这是因为 非正弦周期函数可分解为各次谐波之和，而各次谐波本身都是形弦波。 西北工业人学碗十学位论文第三市电磁感府加热电路设计 根据以上分析，本文设计一个串联谐振式逆变电路，原理周如图3 5 所示。 其中c 。为滤波电容，减小电压纹波，使整流输出电压连续而平稳；当c 。足够大时， u 。可看成恒压源。每个桥臂上与开关功率管反并联的二极管在换流时起作用。c 为补偿电容，其作用是使负载构成串联谐振电路，使负载电流发生振荡。l 和r 分 别为负载中的电感和等效电阻。 图3 5 串联逆变电路 因为振荡条件为rq l c ，而一般l c 总是很大，总满足振荡条件，所以屯 容器容量可调范围很大，故u 。不必由可控电路提供，可采用不可控整流电路。调 节电容器c 可改变负载功率因数，调节输出功率。 串联谐振电路在发生自然振荡( 即衰减振荡) 时，其电流具有自然过零特点； 所以可利用导通的一组开关功率管反并联二极管，使负载电流后半周负相电流连 续，且反并联二极管通态压降( 约o 7 v ) 恰好是开关功率管的反压，使开关功率 管可靠关断。如果在后半周触发另一组开关功率管，则可实现直流电流到交流村 流转变。 在电力电子线路中，用i g b t 作为开关元件，为了转移i g b t 开关在关断过程 所承受的应力冲击，特别是限制关断过程的寄生电感产生的感生电势，往往需要 电容器作为缓冲元件，并且需要在0 1 o 5 脚内电压“上升到”3 0 0 6 0 0 v 。电 容器将承受l o o o 6 0 0 0 y 声的电压变化率的冲击。如果电容量为1 0 0 0 p f ，则冲 击电流峰值将达1 6 a 。如果是l o n f 电容器，则这个冲击电流峰值将达l o 6 0 a 。 电容器的电流是因为电容器端电压变化而产生的，这个电流与电容量和电容 器端电压随时间的变化率成正比，别出越大，电容器电流就越大。由于驯西引 起的电流持续时间短、占空比小，实际流过电容器的有效值电流与峰值电流相比 很小，在这种状态下电容器受到的最大冲击是峰值电流。 从理论上讲电容器可以无限大的电流冲击。但是实际的电容器为了做得体积 小、成本低，实际的电极不得不做得尽可能的薄，这样电极的导电面积非常小， 自然可以承受的电流就有限。因此，实际的电容器都有电流( 有效值、峰值电流) 限制。这样的工作状态要求电容器具有很大驯出承受能力，所以在电流比较大的 西北工业大学硕 j 学位论文第三章电磁感m 加热电路设计 应用场合，缓冲电容器通常选用聚丙烯电容器。本文设计串联逆变主电路如图3 6 所示。 图3 6 串联逆变电路设计 由于i g b t 工作在高速丌关状态，如果直流母线存在较大的寄生电感，将会在 i g b t 关断时出现很高感生电势，不仅增加i g b t 关断损耗，而且感生电势过高时 还会击穿i g b t 。母线电感以及缓冲电容及其元件内部的杂散电感，对i g b t 电路 尤其是大功率i g b t 电路有极大的影响。因此，希望它越小越好。要减小这些电感， 可从以下方面入手。 第一，直流母线要尽量短； 第二，缓冲电路要尽司能地贴近模块； 第三，选用低电感的聚丙烯无极电容， r 一d 1 r l i 囝| 牮牮 卜一ii | 囝l 卒l 畔 li il t j 。；_ i 6 由 矿“ j ：露f2 “i 然。 与i g b t 相匹配的快速缓冲二极管。 c s l 图3 7i g b t 与电容位置 1 6 西北丁业大学硕士学位论文 第三章电磁感应加热f u 路垃计 为了减小缓冲电容及其元件内部的杂散电感，i g b t 与缓冲电容( c s l ) 间的距 离越短越好，设计中实际位置如图3 7 所示。 3 1 2 逆变电路功率管选择 电力电子技术随着双极型功率晶体管和功率m 0 s f e t 的出现，已经起了很大 的变化。但是，电力变换器方面的需求，并没有通过双极型功率晶体管和功率 m o s f e t 得到完全的满足。双极型功率晶体管虽然可以得到高耐压、大容量的元 件，但是却有交换速度不够快的缺陷。而功率m o s f e t 是单极型电压驱动器件， 开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单，但 是存在着不能得到高耐压、大容量元件等的缺陷。i g b t ( 绝缘栅双极晶体管) 作 为一种既有功率m 0 s f e t 的高速交换功能又有双极型晶体管的高电压、大电流处 理能力的新型元件，成为中小功率电力电子设备的主导器件。 如图3 8 所示为i g b t 的简化等效电路，由图可以看出这是用双极型晶体管 与m o s f e t 组成的达林顿结构，相当于一个由m o s f e t 驱动的厚基区p n p 晶体 管。图中矾为晶体管基区内的调制电阻。因此，i g b t 的驱动原理与功率m 0 s f e t 基本相同，它是一种电压控制型器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压 决定的；当栅极一发射极i 日j 的电压为正且大于开启电压时，m o s f e t 内形成沟道， 并为晶体管提供基极电流进而i g b t 导通。由于电导调制效应，使得电阻凡，减小r 这样高耐压的i g b t 也具有很小的通态压降。当栅极与发射极间施加反向电压或不 加信号时，m 0 s f e t 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得i g b t 关断。 图3 嚣i g b t 简化等效电路 选择i g b t 需要考虑i g b t 的额定电压、额定电流。i g b t 额定电压与输入电 源电压有密切关系。i g b t 集电极电流变大时，集电极一发射极间电压p k 上升， 稳态损耗变大，交换损耗增大，元器件发热增加。由于需要将使i g b t 、缓冲二极 管结温控制在结温r ，1 5 0 使用，因此选定i g b t 额定电流非常重要。作为大体 标准，一般在装置的最大电流值元件的额定电流的情况下使用。 西北工业大学顽t 学位论文 第三章电磁感廊加热电路设计 本文所选i g b t 型号是h g l g 3 0 n 6 0 c 3 d 。其绝对最大额定值( 乃= 2 5 ) ：栅 极一发射极短路状态时，集电极一发射极间外加最大电压。= 6 0 0 v ；集电极一发 射极间短路状态时，栅极一发射极外加最大电压圪。= 2 0 v ；集电极电极容许最 大直流电流，c = 6 3 a ，3 0 a ( = 1 1 0 ) ；缓冲二极管平均正向电流。1 - 2 5 a ；结 温r = 一4 0 1 5 0 。系统最大工作电流，= 1 5 a ，内部环境温度最高为8 0 ，最 大直流电压为3 l o v 。小批量样机实验证明所选i g b t 满足设计要求。 3 1 3 a c d c 整流器件选取 输入交流电压为0 2 2 0 v ，输出最大功率为易= 3 彭矿，因此电路的直流电压 为： = 2 = 2 2 2 0 = 3 1 0 矿( 3 _ 2 ) 根据最大输出功率易，且考虑整流器的效率叩约为0 9 ，因此整流器输出功率 b 如下： 口1 只= 二旦= 二= 3 3 世( 3 3 ) ” 行o 9 因此，整流器的输出电流，。为 ，。旦一：型篓丝：1 0 6 一( 3 4 ) 4 。 3 l o 矿 根据上述计算并参考电流与电压安全系数为1 5 2 o 及整流器产品规格，选 用2 5 6 0 0 v 桥式整流器。 3 1 4 整流滤波电感设计 常见滤波电感主要有：共模滤波电感、差模滤波电感和整流滤波电感。前两 种电感主要用于各种滤波器，工作在交流条件。而后种用来滤除整流后交流纹 波，使整流后直流部分更加平直。由于它工作在直流条件，整流滤波电感( 扼流 圈) 的设计，受到直流磁化的影响，不得不考虑直流磁化对电感的影响【3 0 】。 由于直流磁化力同电流大小成正比，这要求滤波电感必须适应于大电流条件。 因此，选择什么样的材料作磁芯。如何设计好滤波线圈，减少直流磁化力的影响， 防止磁芯饱和，不能不成为一个值得重视的问题。由于铁粉心的饱和磁通密度高， 直流磁化影响较小，费用低，是一种理想材料。 整流滤波电感工作在直流大电流条件下。工作电流变化，引起电感值的变化 越小越好。就是说要求磁芯的直流磁化力影响较小，即具有某种恒磁导特性。由 于直流磁化的影响，电感趋于饱和，电感量会随着工作电流增加而减小。恒磁导 特性，亦可称为恒电感特性，是指电感在一定的直流磁化力范围内其电感量不低 西北 _ 业大学硕上学位论文第三章电磁感应加热电路设计 于初始电感量的半。根掘这个特性，可以通过挑选不同的磁芯，不同的规格， 以达到不同的百分比要求。 制作滤波电感，选用何种磁芯材料，除了必须注意防止磁芯饱和问题外，还 必须考虑到磁芯的恒磁导特性。应该避免只注意电感量的指标，选择磁导率高的 材料，以减小线圈的匝数，而对于电感额定电流较大时，电感量是否减小，减小 到什么程度，会不会达到饱和，考虑较少。 为了更好地进行电感设计，满足恒磁导的设计要求，设计中可能会用到的磁 学知识和磁学公式。直流磁化力可以通过( 1 ) 进行计算： h = 0 a 面l no e( 3 - 5 ) 或h = n i na | m 3 与) 其中，为线圈匝数：，为电流，单位为安培( a ) ；，为磁芯的平均磁路长度， 单位为厘米( c m ) 。将上述公式进行一下变化，则有： h | n i = o a 拜 l 或h | n i = 、l l ( 3 _ 6 ) 对于一个环形磁芯，由于 ，= 【( d + d ) 2 】石 ( c m )( 3 7 ) 其中，d 为外径，d 为内经，单位厘米( c m ) 。 因此，又可由以下方法求得，即 驯，= o 8 p + d ) 或驯m = 1 【( d + d ) x o 5 厅】( 3 _ 8 ) 对于任何一个规格的环形磁芯，都可得到一个日m 值，将此值乘以安匝数， 就是直流磁化力，即： 日= ( 驯m o e ( 或舭m ) ( 3 q ) 由此可以看出，驯，同，或( d + d ) 成反比。尺寸大的磁芯驯m 值就小，当 安匝数一定时，选用大尺寸的磁芯，日值就小，恒磁导特性就好。亦可以说，在日 值确定的条件下，大尺寸的磁芯就有较大的安匝数。本文设计电感量9 6i ih ，如 图3 叫所示。 1 9 西北工业人学硕士学位论文第二章电磁感戍加热 乜路设计 正面 3 0 缒陋定垃 漆包线线径书1 8 m m 图3 9 整流滤波电感 3 1 5 直流滤波电容器及谐振电容器选取 电容器的主要参数是选择使用电容器的基本依据，电容器的主要参数如下： 、额定电压与介电强度 电容器两端可以持续旌加的电压，一般电容器为直流电压，专用于交流电的 则为交流有效值电压。电容器的额定电压低于电容器中介质的介电强度( 击穿电 压) ，制作工艺的不同，击穿电压与电容器的额定电压的差值也不尽相同。如电解 电容器的氧化铝介质可以控制的非常精确，故一般的击穿电压为额定电压的1 1 1 3 倍；其他介质则通常为1 7 5 2 倍以上：抑制电源电磁干扰用电容器需要更高 的比值，以确保电气安全。 、电容量 电容器的电容量由测量交流容量时所呈现的阻抗决定。通常交流电容器随频 率、电压以及测量方法的变化而变化，只不过不同规格的电容器变化程度不一样 而已，除非要求电容量特别精确、温度特性特别稳定，一般电容器的电容量随频 率的变化低于电容量的容差精度。和频率一样，测量时的温度对电容器的容量有 一定的影响。随着测量温度的下降，电容器会随之变化。 、容量误差 电容器在制造过程中不可能确保每个电容器的电容量都与设计值( 或标称值) 完全一致，总是存在一定的偏差，即电容器的容量误差。电容器的容量误差多以 百分数表示。多数电容器的容量误差为j 级：5