（电气工程专业论文）中频感应加热电源在钢轨淬火生产线上应用的研究.pdf

现d p l l 的算法，并对采用d p 王毛的感应加热电源的相位零b 偿与起动闫题进行了探讨。 最后给淡了综合试验结果，验证了该感应加热电源能够 满足钢轨淬火生产的实际需要。 关键词：感应加热，钢轨淬火，串联谐振，i g b t ， 数字锁楣环 t 疆er 嚣s e a r c 飘o nm i d f r e q u e n c ym g h p o w 嚣ri n d u c t l o n 联嚣a 霉e ra p p b v l n gt o t h 嚣p r o d u c r l 灌o nl l n eo fr a i lq u e n c l h n g a b s t r a c t m i d f 沁q u e n c yh i g h - p o w e ri n i b c t i o nh e a t e ri sa ) p l i e d w i d e 玲i ni n d u s t r y ，s u 点a sr e 蠡n i 鹅，c a s t i 鹘，f o r 馨i n g ，d i a 髓e 糯y ， q u e 芏l c h i n g ，w 迫d i n g p 主1 e ，s i m e r i n g ，协e 黜o l i z e ，蜮g a 娃d c 搿s 瓴1g r o w ma n ds oo n m e a n 谢疽l e ，谢也m es p e e i a lh e a t i 鹕 c h a f a c t e f i s t 至c s ，忿s e a r c h b ga n dd e v e l o p i n gm e h l d u c t i o nh e a 圭e r ， w h i c hc a n o p e r a t e 幻o v e s o n i c 舶e n c y 鑫n d h i 咖 p o w e r ，b e c o m e s 氇eo n eo f 呶ef b 烈捧醴r e s e a r 馥w o r ki n 雠s 6 e l d 。l n 倦et r a d eo ft o 蛆el e 攘g 饿蝉e n c h i n g ，t 1 1 eh i 曲一p o w e r i n d u c t i o nh e a t e ri so n eo f 畦l e 靶e ye q u i p m e n t so n 也ep m d u c t i o n l i n e 。i 芏lo 以e rt oi m p r o v e 饿ec 咖lo nr a i lh e a t i n gt e 娃巾e r a t u r e a n dd e p 獭，儇er e s e a r c 燃n ga n dd e s i 鲥n go ft h eh i 曲巾o w e 。 i n d u c t i o nh e a t c f ，w h i c hh a sl l i 曲e 箍c i e n c y ，l o w 忡黔i s e ，s 饶b l e a n df e l i a b l eo p e f a t i o n ，h a v et 量l ee x t r e m e l yv i t a ls i g n i 蠡c a n c ei n t 量l ep r o d u c t i o np r a c t i c e t h i sd i s s e r t a t i o ns 拄e s s e so n 娃l ed e s i 黔o ft 沁黼a i nc i r c u i t a n dc o n t r o lc i f c u i tf o f l0 k 耐15 0 k wi n d u c t i o n h e a t i n g a p p l i c a t i o n 髓eo l di n d u c t i o nh e a t e r ，诫ma na 差l 舔o g ym e t h o d a n ds i l i c o nc o n 臼o lu n i tw a sl | e n o v a t e dl n e a n so f 】v 【c u d s 8 0 c 3 2 0a n di g b td e v i c e s t h ef o f m u l a et oc 融c u l a t e p a f a m e t e r so f m a 主辆c i r c 硅量ta r ed e r 至v e d ，t 量l ee q u i v a l e n tc i r e u i to f m es y s t e m 被dt h ee 叫i v a l e n t 搬o d e lo f 像el o a de s t a b l i s h e d ，t l l e s 扛u c t u r ea n dp r 主n c 磷eo f 也ec o n t r o lc i f c u i t 熊毹y z e di n d e t a i l h e r e b a s e do nt h er e q u e s to f 舶q u e n c y 红a c i n gf o rt h ev o l t a 9 9 s o w c e di n d u c t i o nh e a t 酗ss u n n l va n o v e lp h a s es h i ns t r a t e g yi 8 p r o p o s e di n s 撇td e s 礤b e sak i 稚o f p w mp f mh y b r i d c o n t r o lm e t h o df o rv o l t a g ef e ds e r i e sr e s o n a n c ei n d u c t i v e h e a t i n ga n dp r o v i 如sa ne x p e r 主m e n t a lc i f c u i t t 量l i 8m e t h o dh a s t h ea d v a n t a g e so f 诚d ea f e ao fp o w e rm o d m a t i o na n dl i t t l e c h a n g eo f 热q u e n c y i ta 妇昨t o 饿ei 矗d u c t i v eh e a t i n go f m e d i 碱p o w e ra n ds u 薹) p i y 翻：q u e n c y - am e 穗o df o r i m p l e m e n t a t i o nt h ed i 酉t 出p h a s el o c k e dl o o p ( d p l l ) a p p l i e d t oi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs i m p l yi s p u t f o m a f di n 呶e p a p e r t h ep r o c e s so fi 嫩p l e m e 妣i n gt h i sm 鼬o du s i n gd s pi s p r e s e n t e da l s o 。t h e 薮它q u e n c yt r a c k i n gm e t 董l o db a s e do nd p 己l ， 曲a s ec o 蝉e n s a t i o n m e t h o da n ds t a n i n go ft 量l ei n d u c t 主o n h e a t i n gp o w e rs u p p l y a r ea n a l y z e d e x p e r i m e n t a l f e s u l t 8 v 嘲移 饿e m i d f 沁q u e n c y h i 醴一p o w e rm d u c t i o nh e 幽rc 鼢a 缱a i n 也ef e q u e s t o ft l l e r a i l q u e n c h i n gp r o d u c t i o nl i n e k e yw o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ，融i l 驰e n c h i n g ，s e r i e s r e s o n 鼢c e ，i g b t ，d i g i t a lp h a s el o c k e dl o o p ( d p l l ) 北京交通大学o l 级二| 二程硕士学位论文中频感应加热电源在钢鞔淬火生产线上应用的研究 第一章感应加热奄源的应用和研究 1 1 基本芏作原理 感应加热是根据电磁感应服璞，剩嗣工件中涡滤产生的热 量对工 牟进行加热的。感应加热法的基本工作原理如图1 1 所 示，电源向感应线圈通入交变电流f ，焉产生一定频率的交变磁 通咖，如式( 1 1 ) ：交变磁通垂在嚣子感应圈内酌工件中产生感应 电势e2 ，如式( 1 2 ) 及感应电流如，如使褥工件发热，产生发 热功率p 。按这个原理进行的加热l q 感应麴热，磁遴隧时闻 # 按正弦规律变亿，露： 盘壤王稃 霸1 1 饕斑翱热藩拳萄谗 = 痧。( i ) t 在_ i 侔中产生豹感应电势： 睨= 一函，( i ) s i n ( ( i ) t - h 2 ) 黪瘫窀势毋 旗融露 ( 1 1 ) ( 1 。2 ) 感应电势的蟠毽为励。= 庐。u 或h 庐旃，为了提赢感应加热的效 l - 北京交通大举0 1 级工程硕士学位论文 中频感应加热电源在钢轨淬必生产线上应用的研究 率，要求扔。尽可能大。瓒大电源通入感应线圈的电流f ，或者 提高电源的频率厂都能使褥历。增加。从上述原理苇难看出， 在囊范圈肉： ( 1 提高电源通入感应线圈的电流f f 。 ( 2 ) 提巍电源的频率 成为感应加热电源研究的方向和追求的必然。 1 2 感_ | 盘加热赶源的特点和应用 感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热 鼙对工件进行加热豹。由于感应加热效率离，速度快，可按性 好，易于实现离温和羯部加热，易于实现枫械化和自动化等优 点，已在熔炼，铸造，弯管，热锻，焊接和表面热处理等行渡 得到广泛的应用。在溪外，感虚加热技术已丑趋成熟。在铸造 方面，正在迅速发展双联熔炼工艺，邸利用中频炉保滠改性， 进行球墨铁或合金钢酶精密浇铸；在锻造方面，利用感癍加热实 现快速透热热锻；淬火方箍，国外一方耨致力予开发大功率全 固态齑频电源，一方蘧致力予开发高度囊动化豹热处理成套处 理系统。近年来在某些商瓤技术的研究开发中也使用了感应加 热。上述这些先进技术的推广和发旋均与感应加热电源技术的 研究和发展密切相关。随着铁路向高速、重载方向的快速发展， 对线路的关键郝件钢轨的纯净度和强韧饯的要求越来越高，对 钢轨进行全长淬火是解决这一阔题豹有效方法之。丽感应秀瑶 热电源是钢轨淬火生产线上的关键设备之一。为了提高对钢轨 加热湿度莘瑶宓日热深度的控制，研究稻设计具有效率高、噪音低、 i ! 塞銮堡杰堂! ! 璧三堡堡圭堂些燕苎 主塑壁窭塑垫垒塑垄塑垫鎏盔生主缝圭生旦塑婴塞 运行稳定可靠的感应加热魄源在生产实践中其有非常重要的意 义。 1 3 感应加热电源的发襞阶段 ( 1 ) 在5 0 年代蓠，感应加热电源主要有：工频感应熔炼炉， 电磁倍频器，中频发电机缓和邀子管振荡器式离频电源。5 0 年 代来可控礁的出现则标恣着以固态半导体器件为核心的现代电 力电子学的开始。硅潞阕管的出现推动了感应加热电源及应用 的飞速发震。至今，在中频( 5 0 0 h z l o k h z ) 范围内，晶阍管中 频感应加热装嚣已完全取代了传统豹中频发电机组和奄磁倍频 器。在高频范阑内，由于晶闹管本身开关特性等参数的限制， 给研制该频段静电源带来了摄大的技术难度，它必须通过改交 电路拓扑结构才存可能实现。 f 2 ) 7 0 年代末刭8 0 年代初，现代半导体微槐集成加工技术 与功率半导体技术的结合，为开发掰黧功率半导体器件提供了 条 孛，相继出现了一大羝全控型窀力暾子半寻体器件，极大建 推动了电力电子学发展，为固态超蛮频，薪频电源的研铡提供 了坚实的基础。 ( 3 ) 1 9 8 3 年i g b t 的闯世进一步攥动了感应麴热电源的发 展。i g b f r 综合了m o s 和双极磊体管魄优点，共有遥态愿降低， 开关速度快，易驱动等优点，自1 9 8 8 年解决了擎住问题后，大 功率高速 g b t 己戏为众多船热电源的曾选器彳串，频率高达 1 0 0 k h z ，功率葱达m w 级电源己可实现。 ( 4 ) 在超赢频( 1 0 0 k h z 骠上) 频段，长裁以来由电子管振荡式 变换器产生。8 0 年代兴超由大功率半导体开关器件为元件豹逆 ，3 乾京交通大学o l 缀王程磋学垃论文 中频感应加热电源在钢辘淬火生产线上应用的研究 交式高频感应加热电源。 1 4 国内外发展现状 在中频范围内，冒外装鬟的最大容量已达到数卡兆瓦。在 高频( 1 0 0 l ( h z 以上) 频段内，嚣前颡钤正处于从传统的电子管电 源向晶体管化全固态电源的过渡阶段，以模块化，大容量化 m o s f e t ，l g b t 功率器件为主。表1 1 歹i 出了各国的发展水平。 西班牙采用m o s f e t 的逛流型感应加热电源制造水平达到 6 0 0 k w 4 0 0 】( h z 。目本主要以s i t 为主，屯源水平在8 0 年代末 达至8 了l o o o k w ，2 0 0 k l 壬z ，4 0 0 l ( w 4 0 0 k h z 。 裘“备西黪窿撇热魄澜热教展承擎 在中频范围内，国内已形成2 0 0 h z l o o o o h z ，功率为 l o o k w 一3 0 0 0 k w 系列产品，可以配备5 t 以下的熔炼炉及更大容 羹豹保温炉，也适用于各种金属透热，表面淬火等热处理王艺， 尤其在废| 日钢铁熔化及铸造上己经得到了普遍的应用。在高频 ( 1 0 0 【h z 以上1 频段内，豳内浙江大学在9 0 年代研制成 2 0 k w 3 0 0 k h zm o s f e t 高频电源，己被成功应用于小型刀具的 表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核试验中，9 6 年天津赢 竖塞薹曼套堂! ! 璧三堡堡主兰竺堡塞 ! 塑壁塞垫垫塑递垄塑整堡盔生兰璧圭鏖窭堑蟹窒 频设备厂和天津大学联合开发出7 5 k w 2 0 0 k h zs i t 感应加热电 源。总的来说，与国外的水平相差很大。 5 影响感应加热毫源发展的主要因素 ( 1 ) 感应加热电源的发展与泡力电子器停的发展密切稿关， 丽电力电子器件舱发成又是与半导体微枫集成加工技术和功率 半导体技术分不开的。可控硅如现后，一代又一代的电力半导 体器件先辰润凝，性能不敝改善，藏耐嚣莘眭商耐流，低损耗、 高频率使得感应加热惫源的性能和实用性得到了体现。 ( 2 ) 单片机、微型计算枫技术和集成芯片技术的发艘傻得对 感应加热电源的复杂控制成为可能，体积和蕙爨明最减小，功 率因素提离了，功率控测调节方便、准确。 ( 3 ) 感应加热电源的发展离不开毒于料学的进步如磁性材料 学。溺时，一些相关的技术如磁遴集中器，感应线鬻的材料及 设计，绝缘技术，故障诊叛技术和远程控剿、餐熊化技术等等 也都影响其发展。霹以说，感应加热电源的发展是诸多学秘秘 综合技术共同决定的。 1 6 感应加热电源的发展趋势 ( 1 ) 从电路的角度，感疲加热电源的大容爨化技术分甄类： 一是器件的串并联；二是多台电源的审并联。在器件的串并联方 式中，必须处理好串联器件的均压问越和著联器件均流问越， ! ! 塞窭望查堂! ! 堑三堡婴主堂堡兰兰 ! 塑堡垒塑垫皇竖垄塑垫鎏丛冬主垡= 兰窒望塑婴塞 出于器俘制造工艺和参数的离散往，限制了器俘的串并联数目， 且装置的可靠性和串并联数目成反比。多台电源的串并联技术 是在器件串并联技术基石舞上避一步大容量化的有效手段，借助 于可靠的电源串并联技术，在革机容景适当的情况下，可简单 娥通过串并联运行方式得到大容量装嚣，每台单机只是装置的 一个单元( 或一个模块) 。 串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源。当两电压源 并联时，相互问的幅值，相位和频率的不同或波动时将导致缀 大的环流，以致逆变器件的电流产生严羹不均。因此，串联逆 变器存在并桃扩容困难：面对并联逆变器，逆变器输入端的囊流 大，电抗嚣可充当各并联器之阔的电、瀛缓冲环节，使褥输入端 的a c d c 或d c d c 环节有足够的时间来纠正赢流电浚的偏差， 达到多枫并联扩察。 ( 2 ) 国前，感殿加热电源在中频段主要采用晶闸镣，超音频 段主要是i g b t ，两高频段，隧着m o s f e t 鄹i g b t 性能不断 改进，s j t 将失去存在价值。感应加热电源谐振逆交器可实现 软开关，但由于邋常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆， 布线，接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是离频电源。因此， 实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需进一步探 讨。 f 3 ) 感应加热奄源多斑用于工业现场，箕运行工况比较复 杂，它与钢铁，冶金和金属热处理行妲具有十分密切的联系， 它的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载是一有机的整体， 负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接，表面热处 理等受载，一般聚用蹑配交压器连接电源和负载感应器，对嵩 频，超音频电源用的江配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配 6 ! ! 塞塞堡查鲎! ! 壁三堡曼主堂垡堡壅 生塑壁些查旦整璺堡婪塑塾竖壅兰些点罂星塑婴垄 变压器的效率，从磁性材料选择到绕缱的设计已成为一萋要课 题。另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的 二个无源元件，以代替匹配变莲器实现赢效，低戏本隔离匹配。 ( 4 ) 随着感应热处理生产线自动化程度及对电源赢可靠性 要求提高，感应加热电源正向餐能化控制方向发展。具有计算 机智能接口、远程控刮、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鞫标。 ( 5 ) 由予感应加热用电源一般功率都很大，嗣前对它的功率 因数，谐波污染指标还没有具体要求。但随着减少电网无功及 谐波污染要求的提高，具有高功率因数( 采用大功搴三搬功率因 数校正技术) 及低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。 ( 6 ) 当今高薪技术飞速发展，新材料、新工艺不断涌现，感 应加热是一个重要的研发和船工手段。因此，感应加热电源怒 某些高耨技术研发中心不可缺少的装备。可以赣定的说，随着 秘学技术的发展，感应加热电源在高新技术领域会有更广泛的 应用。在这一领域，对感皮加热电源的霹靠性和可控性要求更 高。如何设计制造大功率超高频、离性能的感疲加热电源，是 电力电子科技王作者的重要课题。 1 7 课题的来源及意义 根据铁路耨建线路稆既有线路大、维修任务对淬火钢轨需 求鬃的逐年增加，北京铁路局保定工务器材厂每年需要对 4 0 0 0 0 噫钢轨进行淬火。不但生产任务藿，藤丑对淬火质量的 要求也越来越赢。丽感应加热电源是提高生产效率和淬火质量 的关键设螽之一，派有l o o k w 2 5 k h z 中频加热设备已不能满 ，- i ! 塞銮鎏奎堂! ! 堡三堡塑圭堂垡鲨苎 生塑鳖堕垫垫塞透垄塑垫堡冬兰兰塑圭鏖望墼塑塞 足生产豹实际要求。例如：在= ! ；芝产中校据不同材质的钢轨特点， 为了提高产品的蔟薰和生产效率，不同的材质采用不同的工作 频率。根据生产实际经验，工作频率为1 0 k h z 慕本可以满足生 产的实际需求。 如果l o k h z 工作频率在原2 5 k h z 中频加热设备上进行技 术改造实现，这样不但满足了生产的实际需要，减少了购鬣中 频加热设备的投资，而且对中频加热设备的技术改造及产晶设 计具有实际意义。鉴于此，j 0 京铁路局保定工务器材厂联合红 墨电子设备厂完成了对该设备的技术改造。 1 。8 论文的目的和肉容 论文的目的簧在研究中频感疲加热电源在锈轨淬火生产 线上豹应用，研究其控铡方法，并对l o k h z 1 5 0 k w 的中频感应 加热嚷源样机进行实验分析，为以后研制大功率超音频感应加 热电源打下基础。 本论文的内容主要包括以下4 个部分： ( 1 ) 分析感应加热电源的工作原理，对各阶段豹工作模式进 行描述，建立系统的等效电路，负载的等效模型：分掇控制恕路 豹结构和原理。 ( 2 ) 分析感应加热电源的调功方法，并对几种方法进行了综 合评价。 f 3 ) 描述了感黩加热电源主电路的设计要点，箍岛主电路参 数计算公式；对控制电路进行设计和考虑。 ( 4 ) 讨论并研究l o k h z l5 0 k wi g b t 轿波调功感应加热电源 样橇并测得波形。对整流例斩波控制、逆交侧锁榴控制、桥臂 开关器件的驱动电路都作了详细说明。 r 翡京交通大学0 l 级工程硕士学位论文申频感应加热电源在钢轨淬火生产线上应用豹硪究 第二章感应加热电源的结构及工作原理 2 旗应加热电源的基本结构 随着电力电子学及功率半导体器传的发鼹，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 e d c a c 变换 形式，基本结构如图2 1 所零。一般由整流器、滤波器、逆交 嚣及一些控制秘保护电路组成。在后文对各个部分将进行说明 讲解。 报据逆变器的特点，感应热热逆交电源又分为串联谐振和 并联谐振两秽：串联谐振型嘏骶源逆交器和势驳谐振型电流源 逆交器。其主电路练构及工作波形如霭2 2 所零。 由于并联谐振型豹感应加热魄源易于实现保护，豳此，弗 联谐振型电流源逆变器更优于串联谐振型电压源逆变器。然丙， 褒采用i g b t 豹电流源逆交器中，由予存在一个不可忽视的换 相电感，会便逆变器产生浪涵电压，从丽傻器件的开关损耗增 加，甚囊日l 起功率器件的击穿。 北京交通大学o l 缓工程硕士学位论文申壤感癍加热电源在钢轨漳火生产线上应用豹研究 毒赣堪艨 秘拳2 懋蛾甑穗i 陶 并鼗瓣蒙 对此，将采用电流源逆变器最馈鞠角控制方寨来解决这个 目题。 2 2 感应加热逛源的主电路蠢作模式 主电鼹豹工作模式主要搔的是逆变器的工绍过程。圭电路 工作模式( 假设开关器件是i g b t ) 般是让工作频率在谐振 频率附近。为了减小逆变管翡开关损耗，逆交器的工作频率略 大予其谮掇频率，这样电路豹阻抗接近最小，负载效率离，同 髓开关器件的损程最小。 若逆变嚣的工作电箍不变，期在谐振点附避盼辕出功率最 大，当提商逆变器工作频率对，负载等效阻抗增薅，输出功率 减小，输出功率因数缀低，蕊爨逆变器主开关管工作在硬开关 状态，开关损耗大，效率低。 参考图2 3 ，工作在感性负载状态时，输蹬魄流的相位滞 菇于电压相位，箕换流过程是这样进行躲( 参考图2 2 ) ，假设 当前熬工作状态是在电压帮电流的正半波，k m l 和k m 4 导递。 襄京交通大学o l 级工程颈士学位论文中频感应加热屯源在钢轨淬火生产线上应用的秘究 蠢氧3 黧静蹇精睦羹蔫下麴i t 器 ( 1 ) k m l 和k m 4 关新，负载电压反自，瓶电流仍然为正， 由d 2 和d 3 续流，这个电流迅速地减小。 ( 2 ) 在滞韪一个死区时间后，k m 2 和k m 3 加上开通脉冲， 瞧此时不流过电流，等待电流自然过零籍，从二掇管换至同桥 臂的i g b t 上。 ( 3 1 电流翔然_ 遘零反向，电流从k m 2 和k m 3 流过，实现了 换流。 由于k m 2 和m 3 中的电流是从零开始上升的，蒸本实瑗 了零毫流开通，其开关擐耗很小。另一方瓤，k m i 靼k m 4 关 断时毫漉谶未避零，_ l 毙时仍存在一定的关断损耗，但是由于 i g b t 关断时闽缀短，预留的死区不长，所以适当薅控制逆变 器的工作频率，使之商予负载电路的谐振频率，就霹以使上( 下) 桥臀的i g b t 向下( 上) 桥髂黔反并联二极管换流，其瞬间电流也 是很小的，印l g b t 关断和反并联二圾管开通是在小电流下发 生豹，这样氇限制了器俘的关断损耗。当开关频率缀蹇对，工 作频率与开关频率应接近楣等，让输出电压的基波电压和漱流 阂相位比较好。戮为若是开关器件的反向二极管续流很大，在 高频下冀反向恢复效应会根大，对将要开通的器件有很大的冲 1 1 。 苎塞銮鎏杰兰! ! 堡三矍堡主兰生造三 要鉴鲎蜜垫垫塑塑垄塑塾鎏盔兰耋垡= 兰些登璧竺! 塞 击。在实际运行中，、可以绘开关器件并联缓冲电容以减小器件 的损耗，适当士魂选择电容蘧能实现软开关工作。从上述分析可 知，串联谐振裂逆变器在适当的工作方式下，开关损耗很小。 因露，可以工作在较嘉的工作频率下，这也是审联谐振型逆交 器在感应加热电源中受到更多霾视的主要原因之一。 需要注意的楚，当可控器件采用蒋通晶耀管时，必须要解 决管予的关断闷题。若桥式电路的负载为容性，工作频率低于 负载谐振频率，刘其欹滚次序为k m d ( 甓内换流) 和d k m ( 臂 润换切) ，后者哭涉及管子的开通，前者刘涉及管子豹关断。但 由于晶阑管中的电流为正弦波，有自然过零豹性质，故属自然 换流：其次，由于是臂肉换流，当晶阐篱内电流过零，反并二极 管相继导通之后，其正自愿降u d 便囊动作为晶耀管的反囱电 压，只要二极管电流豹持续时间t t q ，晶闸镑馁能可靠关断。 由以上分析可见，若逆交电路工4 乍在察性情况下，雯| j 可以利用 自身负载电压关凝退出导逶的晶阀篱，即可以采用负载换流方 式，不需要设踅独立豹换流电路，主电路就简化了。若i g b t 感应加热电源采用容性方式，在臂间换流过程中，将会流过缀 大的开通电流，使工 乍条件恶亿。为了避免产生这种现象，所 以让电路工作在感性下。 2 3 控制毫路的结构与原理 控制电路镪摇熬流控剃电路、逆变控制电路，保护电辫 等( 如图2 4 ) 。 北京交逶大学0 l 级工程硕士学位论文中频感应加热电源在钢轨淬火生产线上应用的研究 黼毛4 穰擞鼬热奄激控制魄瓣燕雕 整流控髑电路的任务怒根据各秘输入债号( 绘定，反馈， 故障等) 综合德况发窭宽度合适的脉冲，以便输出合逶的直流电 惩。感应加热电源主要用于工业快速，均匀加热，特点是隧蔫 加热过程的避行，受载不断变化，负载的固脊谐振频率变化， 功率因数变纯。这些变化取决予负载的电气特性如导电性、渗 透性、藕合系数和几何性质如形状等等；同时，不同的负载需要 的功率大小也不阉，这样必须对递交器的输出功率帮频率都做 相应的调整。也就是说，整流侧和逆变侧是协调工作豹。在本 课题中采用的是出整流侧调节功率，逆变侧进行频率跟踪方案。 整流娇的获制一般用典型扮不可控整流( 在不要求移相调节童 流侧奄压对) 或可控整流( 需器调节煮流侧电压时) ，具体鼹哪一 种取决予控翩策略。 逆变控制电路包括开关器件的鞭动电路，死区形成电路， 锁相环电路。其中，驱动电路聪产生的脉冲的次序霸占空比由 控制策略决定，硬 串主要是由集成驱动模块及箕一些外围电鼹组成， 也有用纯模拟电路搭成的，还可以是数字与模拟邀路共同合成。 死区形成电路在串联谐振溅中燕必不可少的，有的集成驱动模 1 3 。 o 妻| 窜 i e 象交通大学0 1 级工程碳士学位论文中羰感应加热电源在钢轨淬火生产线上废用的研究 块中含有该肇元，在设计时就可以省蝰：有的虽然含有一定的延 迟环节，但时润太短( 如lo o n s ) ，需要另由强延迟。 镁相环媳鼹的目的是跟踪受载的谐掇频率，从丽控翻逆变 电路的工作频率，这就是所谓的锁相控翎。一般采样电压取彝 负载电容疆端，这是由于电容对赢次谐波的隧抗小，其端毫压 的高次谐波分羹最小，基波分量最大。以此信号作为反馈，可 有效降低高次谐波豹干扰，绶系统能稳定魂跟踪谐振频率f 。， 荐加上适当的偏置电路，可以使得工于琴颓率略藤予谐振频率。 保护电路主要足防业过电流，短路保护。 2 4 调功控制策略 感应加热主要用于工业快速、均匀加热。特点是随蘑加热 过程的进行，负载不断变化，谐振频率变化，功率因数交亿， 质量因素变化，这样必须对逆变器豹输出功率和频率帮做相应 的调整。功率调节方式褰三种：一楚改变功率因数：二怒改变童 流电压：三楚调频来调节输壅功率。 2 4 改变功率因数调功 通过改变工作频率来改变功率因数。遥常，为减小器件开 关损耗，工作频率应大于谐振频率。若逆燮器的工作电压不变， 则在谐振点附近负载等效阻抗最低( 如图2 5 ) ，电流最大，闲面 输出功率也最大。 匏京交通大学0 1 级工程弼i 士学位论文 中频感应加热电源在钢轨淬火生产线上应餍的研究 - 百飞r _ 虿飞r 耵 。 订广翁 弱f 。 瓣幺簿熬隧拣豹鞭寒特性 强2 移棚羧潮弹哭动捧 当提搿工作频率时阻抗也隧之增大，电流减小，功率因数 也减小，因此输如功率隧之减小。由j 域：可见，逆变器的输出功 率可由工作频率来调节，特别当负载飘路q 值较高时调节更灵 敏。因此，煮流端可为三相不控整流电源。逆变电路的工作频 率f 的大小由掰需的功率要求决定。这种调功方法速度快，整 流电路简单。但是当所需功率很小时，会让系统工作在严重失 谐的状态，无功损耗大。 2 4 ，2 整澄铡斩波调功 整流侧斩波调功的目的是改变崴流端魄莲，调节输出到负 载躲能量，本文审采用的就怒这种方法。根据负载所需功率要 求，通逮轿波器黪占空比来调节。在稳泰运行过程中，实时从 谐振咽路中反馈电流的交化，从而了解负载的交化，通过与基 准值比较获褥占空比的大小。_ l 逝方法控镑l 简单方便，最工作频 率与谐振频率可以同步，功率因数高，无功损耗小。 2 。4 。3 移相控制调功 移樱调功是透过移棚控制，邸每个桥臂的两个开关管 l8 0 。互 导逶，谣个桥臂的导通角糟纛一个相位，即移楣角， - 1 5 - i ! 要薹篓奎堂! ! 塑三塑雯主鲎焦堕兰 ! 塑壁生型翌塑塑童塑塾竖盔兰妻些圭窑里篓篓! 塞 通过调节移相角的大小调节负载电压的宽度，从雨调节输出功 率( 如图2 6 ) 。根据脉冲的作用先后可把桥翳分为超前鹫( q 1 ， q 3 ) 和滞后鹫( q 2 、q 4 ) 。移捆调功时电路仍工作在谐振状态， 实现负载电压基波分量与负载电流网相。在两桥臂开关器件都 关断时，由反并联二极管续流。 北京交通大学o l 级 二程硕士学位论文 中频感应搬热电源在钢轨淬火生产线上应用的研究 第三章感应加热电源的设计与参数计算 3 主电路设计 3 1 1 相控整流调压方式的缺点 相控式低频整流电路是传统的直流端调压方式，它采用半 控型元件作为功率开关，用相控方式实现调压、电源换流。这 种恕路的优点是主宅路结构简单，控制方便。由于傻用较旱， 技术巍很成熟，因丽得到广泛应用。但也存在以下阀惩： ( 1 ) 深控下网侧功率因数降低；由定义，整流电貉网侧功率因 数九为： = 垫c o s 由l ( 3 1 ) 式中：# 一整流电路入端电流波形畸变因数 $ l 一网侧蒸波电压_ 和电流的相位羡 整流电路网侧功率因数与基波功率因数，c o s 巾l 蠢关。由 相控式整流电路分析可知，在输出电流为连续著忽略换流过程 影响豹条件下，有： c o s 审l = c o sd( 3 2 ) 式中：o 一熬流咆路滞籍控制角。 上式( 3 2 ) 表明，网侧功率因数将随n 丽变化，在深控下， 直流输出电压很低，a 很大，相应网侧功率因数很低。这意味 整在输出有功功率降低的同时，整流电路每相由电网吸取的感 i ! 塞塞望查篓! ! 塑三塑塑圭耋丝笙墨! 塑曼壁塑垫曼堡堡塑垫篓盔兰要塑圭鎏里塑壁壅 性基波无功功率却相应增大。 ( 2 ) 由邀网电流包含高次谐波掰产生不赵影响。商次谐波电 流的存在，馊电路产生畸变功率d ，从i 丽增加了电路的无功功 率q 。因为电路中各种功率可分剐表达为： 蓁液翮鹾簿 矧麴瞵辩 慈粳在功率 螭鞠率 酝訾冀s 瓤热 是；姒。厨 s 。w 。戤抒习i 哥 器喊再_ ： ( 3 。3 ) ( 3 ，莉 睡秘 缀瓣 s 臻穗扎瞧 ) 汰 3 s ) ，橡 譬。丽，4 i r 帝一厮- 瓣秘。蛰 式中； 露龟瘩蕊嚣黝率 嚣萋蝴葫率t 冀= 尹 彗t 赢2 + o 2 飘8 式( 3 8 ) 表明，由于畸变功率d 豹存在，总无功功率增加， 电流谐波含量越赢，增加薰也越大。此外，谐波电流流经奄网 对，还会佼嬲阔英饱电磁性负载滠丹增嚣，影响出力；也会通 过辐射和感应等方式对其他设备霸熬流电路自身的控制电翡产 生于扰。 ( 3 ) 囱换流g l 起的邀网魄疆波形畸变；相控整流电路可采用 电源换流方式，无需设置独立关断电路。因此，主毫路绫橱简 单。阉时，由于采用上述换流方式，导致叠滚期中电网电压畸 8 ， 茔窒薹塑套鲎! ! 塑三堡塑主堂堡堕苎 主塑璺壁塑整塞塑壅塑整整丛生主煞圭蜜旦竖婴塞 变，后采不仅是整流魄路蠡身性麓受列不良影晌，蕊且也降低 了电网质量，产生电网干扰，对同一接入点的网间其他用电设 备带来不良影响。 3 1 + 2 整流瞧路豹理想状态 矗e 册e 麴3 ，l 瓣变捺瀑壤辩糕鬻 我们希罄整流电路豹理憨状态是这样的： ( 】) 网侧电愿电流均为秃翡变正弦波，若入端电压为： l l n = u n m s i n t( 3 9 ) 其中：( i ) 一电掰角频攀。 剡艨鸯：i h = i n m s i n ( | ) t( 3 1 0 ) ( 2 ) 网铡功率因数灭= l ，这相当予入端电平无畸变光相 移，电飚对整流电路只提供有功功率； ( 3 ) 负载端电压u 。一c o n s t ( 电联墼) 绒输出电流i o c o n s 电流型) ； ( 4 ) 能实现快速调节； 5 ) 有再生能力。 为实现上述要求，依靠传统的电路，采属半控型元馋、 电源换流、低频开关方式和相控方式怒燹法达到的。 0 譬， 北京交通大学0 i 级王程硕士学位论文中频感应加热电源在钢轨淬火生产线上疵用的研究 3 1 。3 接近理想豹整瀛电路 我们以单相整流电路为蜊，假设电路内部无损耗。曹先我 们根据能量平衡原照， 按图3 1 所示物理曩符号，有： u n i n = l l o i o = u o i o( 3 。l1 ) 即输出电流i 。可表达为： ；警 纽1 2 ) 将( 3 。9 ) 和( 3 1 0 ) 代入上式，褥 j 一警s 澎秽“洲。城 式中 扣警 屯s 瀚凇 取l 督 上式表明，为了实现电压型整流电路的理想状态，输出电 流为脉动波。其中除包含赢流分量i o 外尚包含二次谐波i 0 2 ， 因此出端功率瞬时健为： p o = u o i o = u o l o ( 1 一c o s 2 t )( 3 1 5 ) 平均功率 曩避；薹或露拦瓯。 ，l 囝 电路模型始图3 ，2 ( a ) 所示。这与直流升压型电路很相似， 只是为了适应电源u n 的交交性质，用v d l v d 4 缎成的单相 一2 0 一 北京交通大学o i 缴工程硕士学位论文 中频感应加热电源在钢轨淬火生产线上应用扮研究 全桥电路代替。 3 斟 张熙 业 丽 乙2 l r、t c 2坪j 诬 糊 2叠【 磅 与j i c ) 啼 一， 罐) 霭& 2 自麟鬻搬- 随自嘴誊电踌 站獭淹壤藉潲哇l 藉母壹i 戆予羝凌藩赣电路婀v 融嚣避( v 静i 雠掰麟) 等散 簌辫 ( 1 ) 开关状态分析：全控蝥元件v s 采闵斩控式+ 其赣波频率 f c 远高于电网频率f o ，当v g 处于通态辩，其端压u 。= o ，不控桥 入端毫流i ；= o ，v d l v d 4 处于断态，塞滤输出电艇u 。一u 。， 受载中能量由支撑电容c d 维持，此时开关等效电路如强( b ) 。 瀚中v s 褫为理想二极管。 当v s 处于断态，恕源电噩u n o 融，有v d l d 3 导通， ，2 i 整塞窭塑奎鲎! ! 堡三堡堕兰堂堡婆苎皇鉴壁翌垫垫整篓垄熨塾堡叁兰兰垡= 兰些塑堕塑垄 u 。一u 。= u 。，i 。= i n i 。等效电路如图( c ) 所示。 当v s 处于断态，电源电压u n x r 时， x r o 为欠补偿，当c x x r 时， x 7 r 逆变轿上主开关器侔鼹耐匿、蘸重流由输出功率决定。由于 有电容等器件缎成的关断缓冲电路，一般耐压是囊流端最大电 压的2 倍即可。例如，直流电雁为5 0 0 v ，则开关器件可以取耐 压值1 2 0 0 v 。由予有变压器耦合电路，其初级侧的电流相对较 小，匝比越大，电流越小。对于1 5 0 k w 的容景，煮流电压为 8 8 0 v ，则直流端电流为1 7 0 a ，负载电流有效馕2 6 6 a ，耐流馕 可取为3 a ，若并联则耐流可以选的更小。当霞比为l o 时， 谐振网路的电流就是2 6 6 0 a 。可选德国疆门藤的型号为 s 1 0 4 1 3 0 0 g a l 7 4 d 的i g b t 模坟。，其主要性能指标：掇源耐压 e 反之，u o ( t ) 为负，捌2 dc 。 当负载。增加至c + s ，时，相角掣s ( t ) 增加，v8 ( t ) 一 vc ( t ) 为王e ，由式露知u o ( t ) 为正，结栗饺( 1 ) 2 升高。在锁相环正 常工作频率范阉内，m2 最终将锁定在。，此时，vs ( t ) 一v i ! 塞至墨奎兰! ! 堡三篓堡主兰焦堡苎! 塑壁壁垫垫皇塑垄塑塾造查生主塑：垦壁旦整墅塑 e ( t ) 一k l ，k l 为常数，其作用是饺压控振荡器的振荡频率u ：一。 c + s ，达到了跟踪的鹾的。 3 。3 3 傈护毫路 在系统过载或短鼹薅簧采取必要的保护措施。一般楚通过 反馈来封锁驱动电路的脉冲，在后文中提到的l o k h z 1 5 0 k w 的 电路中就是用主电路中串联的电阻来检测电流的大小，经过一 定豹处理对逆变及斩波的驱动e b x 8 4 l 进行控制以保护电路。 4 5 北京变通 学0 1 级工程硕士学位七 ：文 小频感应加热电源在钢轨淬火生产线上应用的研究 第四章lo k h z 15 0 k w 感应加热电源样机 41 主电路结构和参数计算 411 主电路 利用上文讲述的主电路设计和参数计算以及控制电路的设 计，研制了1 0 k h z l5 0 k w 单相串联谐振感应加热电源样机。剀 41 是陔样机的主电路结构。为了减小逆变管的开关损耗，逆 变器的工作频率大于其谐振频率。若逆变器的工作电压不变， 则在谐振点附近的输出功率最大，当提高逆变器工作频率时， 负载等效阻抗增高，输出功率减小，输出功率冈数很低，而日 逆变器主开关管工作在硬开关状态，开关损耗大，效率低。变 电源采用串联谐振式全桥d c ，a c 逆变电路，以i g b t 为主开关 器件，由电流凋节和功率调节组成烈闭环的p w m 直流斩波器 进行功率调节，用频率跟踪电路控制逆变器的工作频率，使逆 变器始终工作于谐振状态，逆变器输出功率因数接近于1 ，而 且i g b t 能始终工作在准零电流升关状态，整机工作效率较高。 且i ( j b t 能始终工作在准零电流开关状态，接机工作效率较高。 北京交通大学0 1 级工程硕学位论文中频感应加热电源在钢轨淬火生产线上应用的研究 圈4 1l o l 激z ，1 5 0 l 感应加热电源主电路 图中l o 一一感应线圈季厅箨到离频变压器初级豹等效点感 c o 一串联谐振电骞 r o 一一负载及线路的等效电阻 由于袋麓了受载谐振技术，为保证主开关管工作予z c s 状 态，输融功率的调节只能依靠改变逆变挢的供电电愿来实现。 本瞧源的功率调节由三鞠不霹控桥式整流电路、p w m 直流轿 波媳路、功率控制奄路等部分缀成，由电流调节鄹功率调节组 成双闭环功率控翻亳路爨有调燕范潮宽，输出稳定性好等优点。 4 2 参数计算 假设垂比n l o ，额定功率p = l5 0 k w u d = 2 3 4 u 2 2 3 4 4 3 8 0 v = 8 8 9 + 2 v 考虑到国路的损耗，端电题取为8 8 0 v u 。= u d = 8 8 0 v u o l = 2 u d s i n t 拜兰s 6 0 s i n ( ) t u 。1 有效值= 3 9 6 0 3 v p = u di d = u i c o n 串一u i 矗7 ( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 3 ) ( 4 4 ) 乾京交通大学o l 级工程硕士学位论文 5 6 0 i d = 3 9 6 i = l5 0 l o 。 i d 搿2 6 7 6 a i 一3 7 8 a ! 塑壁堡塑整皂签堡翼塾登查兰主矍圭鏖塑塑型窒 ( 4 5 ) 对1 次级= 1 0 4 3 7 8 8 3 7 8 8 a 因为工作频率等于谐振频率，所以 u c h = u l h = q u = 5 6 0 v ( 4 + 6 ) 令q = l o 、r h = o 2 0 q 、6 ) o = 2 嚣f o = 2 嚣1 0 3 则由q = ( 。o l h ) 。h = l ( 。o r h c h ) 德： l h = 3 1 8 l o 一6 王c h = 7 9 6 l o 一6 p = 7 9 6 u d = 7 0 7 8 0 3 弘f 假定让毫路工作频率。嵩于谐振频率。o ，且令期望的初级 平均电流值i 为3 8 0 a ， 则囱 ，_ 孽。旦) 挪； 可推出辟1 0 0 0 2 5 岛= l o 0 0 2 5 h z 4 2 控制电路结构 4 2 1 控涮电路结构 新示 负载 换及 ( 4 7 ) 设计的l o k h z l5 0 k w 感应加热器的按制电路结构如图4 ，2 ：主要由单片机、三相不可控整流桥、靳波调功、逆变桥、 腰配电路、i g b t 驱动电路、电流及频率检测电路、a ，d 转 系统电源等环节缀成。其中，革片机采用d s 8 0 c 3 2 0 ，是 4 8 - j 京交通大学o l 缀工程硕士学位论文中频感馥柏热电源在钢轨淬火生产线上斑用的研究 美匿d a l l a s 公司的商速升级产品，专门为嵌入式系统设计 的。每个机器的周期对钟数为4 个，高达4 0 m h z 。提供了较为 究美的全比较