（检测技术与自动化装置专业论文）多相多频感应加热电源的设计与应用研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 多相多频感应加热电源的设计与应用研究 检测技术与自动化装置 徐婷( 签名) 李宏( 签名) 摘要 本文针对国内现广泛应用的电阻炉加热系统之不足，借助于现代电力电子器件和先 进的控制技术，研究了一种新型的多相多频率感应加热电源，以满足需多段加热或不适 宜应用电阻炉的场合使用之需要。 文中主要通过对感应加热电源的技术分析与比较，选择以i g b t 串联谐振型感应加 热电源为研究对象，研制一路额定功率为1 0 k w ，工作频率在l - - 8 k h z 内可根据负载固 有频率特性调节与设定的中频感应加热电源。并通过对串联谐振型感应加热电源的调功 方式的分析比较而得到适用的调功控制方式。文中不但给出了有关感应加热电源主电路 的设计工作，而且详细计算了主电路各元器件的参数；也进一步给出了感应加热电源的 控制电路分析( 包括锁相环控制电路，电源启动电路，它激转自激电路，死区形成电路 等) 。进而给出了论文研究与设计及试验结果。最后总结与展望了今后的工作。 关键词：多相多频感应加热 i g b t逆变电源移相调功 论文类型：应用研究 n 英文摘要 s u b j e c t ：ad e s i g na n da p p l i c a t i o no fm u l t i p h a s em u l t i f r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n g p o w e r s o u r c e s p e c i a l t y ：d e t e c t i n gt e c h n i q u ea n da u t o m a t i ce q u i p m e n t n a m e ：x ut i n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：l ih o n g ( s i g n a t u a b s t r a c t i nv i e wo ft h ef a u l to fw i d e l yu e s dr e s i s t a n c ef u r n a c eh e a t i n gs y s t e mi nc h i n a , an e w m u l t i p h a s em u l t i - f r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yi ss t u d i e di n t h i sp a p e r w i t ht h e a i do ft h em o d e mp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa n dt h ea d v a n c e dp o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y , i tc a n m e e tt h er e q u i r e do c c a s i o n sw h i c hn e e dt ou s em u l t i f r e q u e n c yh e a t i n gs y s t e mo rw h e r e r e s i s t a n c ef u r n a c eh e a t i n gs y s t e mc a nn o tb eu s e d b yc o m p a r i n gd i f f e r e n ti n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y sa n da n a l y z i n gt h et e c h n o l o g y , t h ei g b ts e r i e sr e s o n a n c ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yw a sc h o s e na st h eo b j e c to fs t u d y a n dt r yt od e s i g nai n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yw h i c ht h er a t e dp o w e ri slo k wa n dt h e o p e r a t i n gf r e q u e n c yi si nt h e1 8 k h zi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y t h es u i t a b l ep o w e rm o d u l a t i o n c o n t r o lm e t h o dw a sc h o s e nb yc o m p a r i s o no fd i f f e r e n tm o d u l a t i o nw a y si ni n d u c t i o nh e a t i n g p o w e rs u p p l y i nt h i sp a p e r , t h em a i nc i r c u i to ft h ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yi sd e s i g n e d ， a n dt h ep a r a m e t e r so ft h em a i nc i r c u i tc o m p o n e n t sa r ec a l c u l a t e da n ds h o w e di nd e t a i l i ta l s o s h o w e dd e t a i l e di n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rc o n t r o lc i r c u i ta n a l y s i s ( i n c l u d i n gp h a s e - l o c k e dl o o p c o n t r o lc i r c u i t ，p o w e rs u p p l ys t a r tc i r c u i t r y , s e l fs t i m u l a t e dc i r c u i t , ad e a d z o n ec i r c u i t ，e t c ) t h e nt e s t i n gr e s u l t sa r eg i v e n f i n a l l y , t h ec o n c l u s i o ni sm a d ea n do u t l o o ki nt h i sf i e l di s g i v e n k e y w o r d s ：m u l t i p h a s em u l t i f r e q u e n c i e s i n d u c t i o n h e a t i n g i g b t c o n t r a v a r i a n tp o w e rs o u r c et h ep h a s es h i f t i n ga d j u s t st h em e r i t t h e s i s ：b a s i cr e s e a r c hf o ra p p l i c a t i o n i i i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：纨坞 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：墟 导师签名： 日期：塑丝，巧 日期：丛墨二丝少 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章概述 第一章概述帚一早僦尬 1 1 感应加热的基本知识 1 1 1 感应加热的原理1 1 1 2 i 感应加热设备在现代工业生产过程中得到了大量的应用，主要包括感应熔炼设备和 感应加热设备两大类，通称为感应电炉。 1 9 世纪初人们发现了电磁感应现象，得知处于交变磁场中的导体会产生感应涡流引 起导体发热，但在开始阶段人们并没有想到利用这一现象，相反则是尽力抑制这种效应， 直到1 9 世纪末期人们才开始有目的的利用这一原理进行对金属的熔炼、热处理、压力加 工前的透热等，由此就出现了关于各种各样的感应加热设备的研究。 a 电磁感应与感应加热 m i h e lf a r a d y 于1 8 3 1 年建立的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交 变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产生电流。这个定律同时也 就是今天感应加热的理论基础。 感应加热的原理图如图1 1 所示： 应线圈 属工件 图l l 感应加热的原理图 如上图1 1 所示，当感应线圈上通以交变的电流f 时，线圈内部会产生相同频率的 交变磁通西，交变磁通痧又会在金属工件中产生感应电势e 。根据m a x w e l l 电磁方 程式，感应电动势的大小为： 口= 譬( 1 - 1 ) 蹴 7 式中是线圈匝数，假如磁通9 是按正弦规律变化的，则有： 9 = 丸s i n 以( 1 - 2 ) 那么可得到感应电动势为： p = 毋c o s 础。 ( 1 3 ) 因此感应电动势的有效值为： 且= 警= 4 4 4 够氏 ( 1 - 4 ) 两安石油大学硕二f = 学位论文 式中9 m 为磁通缈的幅值，厂为频率。 由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在金属内 部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。另 外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流以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 热的。 这样，感应电势在工件中产生感应电流( 涡流) ，使工件加热。其焦耳热为： q = o 2 4 1 2 r t( 1 5 ) 式中，q ：电流通过电阻产生的热量( j ) ； 电流有效值( a ) ； 月：工件的等效电阻( w ) ； r ：工件通电的时间( s ) 。 由此可以看出，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。感应线圈中流过 的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的 涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工 件升温更快。另外，涡流的大小与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透 入深度有关。 b 透入深度与集肤效应 在感应加热过程中存在着三种效应：集肤效应、邻近效应和圆环效应，下面分别介 绍这三种效应。 集肤效应：当交流电通过导体时，沿导体截面上的电流分布不是均匀的，最大的电 流密度出现在导体的表面层，我们称这种电流集聚的现象为集肤效应。 邻近效应：两根通有交流电的导体距离很近时，导体中的电流分布会受彼此的影响 而有所变化。若两导体中电流方向相反，则最大的电流密度出现在两导体的内侧，反之 若导体中电流方向相同，则最大电流出现在导体外侧，这种现象就称作邻近效应。 圆环效应：将交流电通过圆环形线圈时，最大的电流密度出现在线圈导体的内侧， 这种现象称作圆环效应。 感应加热设备( 电源) 就是综合利用此三种效应的设备。交变磁场在导体中感应出的 交变涡流由于集肤效应的影响，其沿横截面由导体表面至中心按指数规律衰减，工程上 规定，当涡流强度由表面向内层衰减到其最大值的0 3 6 8 倍时，此处与表面的距离称为 电流透入深度。由于涡流产生的热量与涡流的平方成正比，因此热量由工件表面至芯部 的下降速度比涡流的下降速度快的多，我们可以近似认为感应加热的热量集中在厚度为 电流透入深度6 的薄层中。工程上，透入深度可以由下面表达式确定： l 5 = 5 0 3 0 f 二-( 1 6 ) 、弘 2 第一章概述 其中： p ：导体材料的电阻率( q 幸c m ) ； 肼：导体材料的相对磁导率； 厂：感应涡流的频率( h z ) 由上式可以得知，当被加热工件，材料的电阻率p ，及相对磁导率所确定以后，透 入深度万只与感应涡流的频率厂的平方根成反比，因此我们可以利用改变频率来改变它， 因为在某些金属热处理中，工艺要求工件的透入深度要在一定的范围之内，如此以来我 们就可以很好的满足工艺要求。 1 1 2 感应加热的特点与应用 自工业上开始应用感应加热电源以来，在这期间，无论是感应加热的理论还是感应 加热的装置都得到了很大的发展。感应加热的应用领域亦随之扩大，其应用范围也越来 越广。究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点【i 】： ( 1 ) 加热温度高，而且是非接触式加热； ( 2 ) 加热效率高，可以节能； ( 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 ) 作业环境好，几乎没有热，噪声和灰尘； ( 8 ) 作业占地面积少，生产效率高； ( 9 ) 能加热形状复杂的工件； 0 0 ) 工件容易加热均匀，产品质量好。 在用领域方面，感应加热已广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，服 务于冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造等行业中。此外， 感应加热也已进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水器等。下面把感应 加热电源的应用领域以表1 1 的形式给出。 表1 1感应加热电源的应用领域 应用部门主要用途 黑色、有色金属的冶炼和保( 升) 温；金属材料的热处理；冷坩锅熔炼、区域熔炼、 冶金 悬浮熔炼等制取纯材料；锻造、挤压、压制等型材生产的透热；焊管生产的焊缝。 黑色和有色金属零件的铸造和精密铸造金属的熔炼；机器零件的淬火，特别是表面淬 机械制造火以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热；化学热处理的感应加热；压力加 工( 锻、挤、轧等) 前的透热，特别是模锻、精锻等：钎焊、对焊、硬质合金的熔焊； 金属涂层及其它场合的加热烘干；热装配等。 轻工 罐头封口加热、合成纤维生产中间接加热等。 石油、化工 化学反应釜等容器加热、输油管道焊接缝现场退火、输油管路的保温等。 电子 电子管生产中的真空除气时的加热等。 嚣安石洼大学硕士学袋论文 1 1 3 感应加热的发展简史 磁感应现象是感应加热技术静基础。在近百年的时闻里，电磁感应原瑷被广泛应 用予电动机、发电机、变压器和射频通讯装置中，而在这些设备中电路和磁路的热效应 均被著作是有害的副效应。壹捌十九世纪末，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 m 发明了“潜沟式”有心感应炉，也即 现在广泛使用的有心炉的原形挣l 。1 9 2 1 年，美国入e 。e n o r t h r u p 又发明了无心感应炉， 并尝试将己经问世的中频发电机组用于向感应加热负载供电。随着感应加热技术理论的 逐步系统化，实践应用也有很大麓进展，诧对正在广播通讯领域迅速推广黔电子三极管 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；随着王业化进糕的加快，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，这一系列因素促进了感威加热技术的迅速发展，使感应加热设备的应用数量不断 增长，应用范围也不断扩大。 2 0 世纪5 0 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技术的一场 革命。晶闻管在电力电子技术中的应用具有划时代的意义，它标志着以固态半导体器件 为核心的的现代电力电子技术的开始。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、西德研制成功晶阙管中频装置。到2 0 世纪7 0 年代后期，晶闸管 中频装置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。 到了2 0 世纪8 0 年代，随着一系列新型全控型器件如m o s f e t , i g b t , s i t m c t 等 电力电子器锋的墨现，促使电力电子技术向更高频率豹应用领域发展。在超音频范重内 ( 2 0 l o o k h z ) ，开发数百千瓦的感应加热电源不困难。在高频范围内( 1 0 0 k n z ) ，日本采 用s i t 的系列化高频感应加热电源，十年代末已经达到4 0 0 k w 4 0 0 k h z 的水平，丽采耀 m o s f e t 的感应加热电源的容量也可达到1 2 0 k w 3 0 0 k h z 的水平。 1 2 感应加热技术的发展现状与趋势 重2 1 感应加热技术的国内外发展现状 感应加热技术从诞生至今，经过了近百年的发展，取得了令人注目的成果，尤其是 2 9 世纪6 0 年代以后，固态电力电子技术的出现与发展，使感应加热技术与现代佬生产 的许多方面密切相关，发挥了很大的生产力的作用。因此世界各国十分关注感应加热技 术的发展，并投入相当的经济支持稻技术力量。 a 国外感应加热技术现状【4 】1 5 】【6 】 目前，在低频感应加热领域普遍采用传统的工频感应炉。国外的工频感应加热装置 可达数百兆瓦，用于数十随的犬型堑件透热或数酉吨的食用水保温。预计短期内，以圆 4 第一章概述 态器件构成的低频感应加热电源在功率、价格、可靠性方面还很难与简单可靠的工频感 应炉竞争，虽然其效率、体积和性能均大于工频炉。 在中频( 1 5 0 1 - - i z 2 0 k h z ) 范围内，晶闸管感应加热装置已经完全取代了传统的中频 发电机和电磁倍频器，国外的装置容量已经达到数十兆瓦。 在超音频( 2 0 k h z - 1 0 0 k h z ) 范围内，i g b t 的应用占主导地位。1 9 9 4 年日本采用 i g b t 研制出了1 2 0 0 k w 5 0 k h z 电流型感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态，实 现了微机控制。1 9 9 3 年西班牙也报道了3 0 - 6 0 0 k w 5 0 - - l o o k h z 的i g b t 电流型感应加 热电源。欧美地区其他一些国家的系列化超音频感应加热电源的最大容量也达数百千瓦。 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 领域，国外己从传统的电子管电源过渡到晶体管全固态电源。 以日本为例，其系列化的焊管用电子振荡器的水平为5 1 2 0 0 k w 1 0 0 - - 5 0 0 k h z ，而采用 s i t 的固态高频感应加热电源的水平可达4 0 0 k w 4 0 0 k h z 。欧美各国采用m o s f e t 的高 频感应加热电源的容量也在突飞猛进。例如，西班牙采用m o s f e t 的电流型感应加热电 源制造水平可达6 0 0 k w 4 0 0 k h z ；比利时i n d u c t o e l p h i a e 公司生产的电流型m o s f e t 感 应加热电源水平可达l m w 1 5 6 0 0 k h z 。 b 国内感应加热技术现状【7 】【8 】 我国感应加热技术从2 0 世纪5 0 年代开始就被广泛应用于工业生产当中，2 0 世纪6 0 年代末开始研制晶闸管中频电源，浙江大学首先研制成功国内第一台晶闸管中频电源， 到目前己经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了较为广阔的应用市场。 在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，己经形成了1 0 0 5 0 0 0 k w 5 0 0 - - 一8 0 0 h z 的系列化产品。但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，因 此在开发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的同时，尽快研制出结构简单，易于频 繁启动的串联谐振型中频电源也是中频领域有待解决的问题。 在超音频领域的研究工作2 0 世纪8 0 年代已经开始。浙江大学采用晶闸管倍频电路 研制了5 0 k w 5 0 k h z 的超音频电源，采用时间分隔电路研制了3 0 k h z 的晶闸管超音频电 源。从2 0 世纪9 0 年代开始，浙江大学开始对i g b t 超音频电源进行研制，1 9 9 6 年研制 开发的5 0 k w 5 0 k h z 的i g b t 电流型并联逆变感应加热电源已经通过了浙江省技术鉴定， 目前的研制水平为2 0 0 k w 5 0 k h z 。另外，浙江大学在2 0 世纪9 0 年代已经研制成功 3 0 k w 3 0 0 l ( h z m o s f e t 高频感应加热电源，并己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。 总体上来说，国内目前的研制水平与国外的水平相比还有一定的差距。 1 2 2 感应加热技术的发展趋势 感应加热电源技术的发展与电力电子器件的发展密切相关，随着电力电子器件的大 容量化、高频化以及感应加热电源电路结构等的发展变化将带动感应加热电源有以下发 展趋势1 9 1 。 ( 1 ) 高频化 两安石油大学硕一i ：学位论文 目前，感应加热电源在中频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。感应加热电源谐振 逆变器中采用电力电子器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对电 力电子器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频感 应加热电源。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，特 别是新型高频大功率电力电子器件( 女n s i c 与i e g t 等功率器件) 的批量应用将进一步促进 高频感应加热电源的发展。 ( 2 ) 大容量化 从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为两大类：一 类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联。在器件的串、并联方式中，必须 认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散 性，限制了器件的串、并联数日，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。多台电源的 串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的 电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、并联运行方式得到大 容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块。 ( 3 ) 负载匹配 感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁、冶金和金属热 处理行业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、表面热处理等负载，一般 采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频、超音频电源用的匹配变压器要求漏抗 很小，如何实现匹配变压器的高能输入效率，从磁性材料选择到绕组结构的设计已成为 一重要课题。另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的两个无源元件以 取消匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配。 ( 4 ) 智能化、复合化控制 智能化指的是电力电子器件集成电路本身，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1 个或多个电力电子器件芯片外， 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电力电子器件在一 起的电路。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。随着感应热处理生产线自动 化控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向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。 ( 5 ) 高功率因数，低谐波电源 新型电力电子器件的通态电阻很小，通态压降小，所以损耗首先表现在基极、栅极、 或门极驱动电路的损耗上。随着电力电子器件的发展，再加上驱动电路的不断完善和优 6 第一章概述 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，目前对 它的功率因数、谐波污染指标还没有严格要求，但随着对整个电网无功及谐波污染要求 的提高，具有高功率因数( 采用大功率三相功率因数校正技术) 低谐波污染电源必将成为 今后发展趋势。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的固有谐振频率内，使得该电源始终 运行在负载功率因数接近为l 的状态。 ( 6 ) 应用范围扩大化 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、金属成份可控； 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 的母材局部钎焊及各类金属管材的焊接；各类零部件的表面热处理大量采用感应加热方 法；钢塑材料制造、铝塑薄膜加工以及食品工业、医药工业的封口工业大量采用感应加 热方法。 1 3 论文选题的意义和主要内容 1 3 1 选题的意义 感应加热技术是2 0 世纪初才开始应用于工业部门的，它是通过电磁感应原理及利 用涡流( 因被加热工件存在导体电阻，大电流涡流在其内部流动，可迅速产生大量热量) 对工件进行加热的。由于感应加热技术具有加热速度快、物料内部发热和热效率高、加 热均匀且具有选择性、产品质量好、几乎无环境污染、可控性好及易于实现生产自动化 等一系列优点，因此近年来得到了迅速发展。目前，感应加热已广泛应用于铸造熔炼、 锻造毛坯加热、钢管弯曲、金属表面热处理、焊接、粉末冶金等行业中。众所周知，以 上这些行业中的传统加热方式大多是以煤、油、气为能源通过燃烧产生热量或利用箱式 电阻炉进行加热的，除均存在能耗高、劳动条件差、工艺质量难以控制等缺陷外，以煤、 油、气为能源通过燃烧产生热量的加热方式还存在环境污染严重的问题、严重制约了我 国机械和有色及冶金与化工工业的发展。因此，全面推广感应加热技术，是改造我国传 统产业的必然趋势。 1 3 2 本文的主要内容 本文通过对感应加热电源的技术分析与比较，选择以i g b t 串联谐振型感应加热电 源为研究对象，研制其中一路额定功率为1 0 k w ，工作频率在1 - - 8 k h z 的中频感应加热 电源。并通过对串联谐振型感应加热电源的调功方式的分析比较而得到适用的调功控制 方式。第三章给出了有关感应加热电源主电路的设计工作，并详细计算了主电路各元器 件的参数；第四章较为详细的给出了感应加热电源的控制电路分析；第五章给出了论文 研究与设计试验；最后一章为本次论文所做工作的总结和对今后工作的展望。 7 西安石油大学硕：l 学位论文 第二章感应加热电源结构与相关单元分析 感应加热电源是实现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变 换技术及电力电子器件的发展密切相关。 2 1 感应加热电源的基本结构 2 0 世纪5 0 年代前，感应加热电源主要为：工频感应熔炼炉用电源、电磁倍频器、 中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。这类传统装置效率较低( 一般为5 0 0 o - - - , 6 0 ) 、 热惯性大、寿命短( 4 0 0 0 - 6 0 0 0 h ) 、工作频率可调范围极小，不能满足不同工艺、不同负 载的要求。 随着电力电予技术及电力电子器件的发展，感应加热电源拓扑结构经过不断的完善， 已形成了一种固定的a c d c a c 变换形式，基本结构如下图2 1 所示。一般由整流器、滤 波器、 # 二w ， b 黼。a ， 一蝴卜婀吲降 f 斟 整流器 控蝴 图2 1感应加热装置的基本结构框图 2 2 电压型串联逆变器与电流型并联逆变器的比较分析1 2 1 1 。i i 在感应加热电源中为了提高功率因数，有效利用电源容量，一般都采用电容器来补 偿无功功率，即在负载端组成振荡回路。根据补偿形式，负载端可分为串联振荡回路和 并联振荡回路。故根据感应加热电源逆变器后所选择负载的特点，感应加热电源又分为 串联型逆变感应加热电源和并联型逆变感应加热电源两种。 2 2 1 电压型串联逆变器 l- m啦l 盯i 广- !cr 附 ! c d - ：1 v 。一卜c ) 一 二 u o l 订 浔嘶 阳sf 哺 厂 厂 i uuu ； 朋刀刀 vvv j 图2 2 串联型逆变感应加热电源结构图 由图2 2 可见，串联逆变的振荡线路是用、足和c 串联构成振荡回路，与并联逆 g 口 “ 口 第二章感瘴翔热电源缚梅与糖关单嚣分析 变相比较其电路具有如下几个特点： ( 1 ) 串联逆变器对电源呈现低阻抗，要求由电压源供电，因此，经整流和滤波的直 流电源末端必须连接一个大的滤波电容器。 f 2 ) 串联逆交器的直流电源电压是稳定的，负载电流波形为正弦渡，电藤波形为矩 形波。 ( 3 ) 串联逆变器中，有必要把二极管与开关管反并联，起到续流作用，并使开关篱 不承受过高的反压，这种二极管一般都做在大功率开关管模块内。 ( 4 ) 串联逆变器中，当触发电路工作暂时处于不正常状态时，逆变电路立即停振。 ( 5 ) 串联逆变器起动容易，适用予需要频繁起动的场合，既可以鲁激工作，也可以 他激工作。 ( 国串联逆变器巾的开关管由于承受矩形波电莲，故d u d t 筐较大，电压吸收回路起 着关键作用，而对以幼要求较低。 一 ( 7 ) 串联逆变回路中发生谐振时产生大电压，u c = 一u l - - - - q t , r , l 。( 2 一1 ) 值得注意的是在串联型逆变感应加热电源的整流部分，一般选择不控整流电路。主 电路采用由二极管全桥整流电路供电，电容器滤波，其功率调节是逆变器用相移的方式 调节输出电压的占空毖来实现静，有耗誊| 少、功率因数高、谐波小、结擒篱单的优点， 适合于中小功率的感应加热场合。 2 。2 。2 电流型并联逆变器 u o v d z v r 2 疗 l o l 口 a 八八 一 vv ； r r | 一 uuu i 垂2 - 3 菸联型逆囊感痰期热毫源结构圈 由图2 3 可见，并联逆变所用的振荡线路是五、足和c 并联振荡，与串联逆变相比 较其电路具有如下几个特点： ( 1 ) 并联逆变器对电源呈现高阻抗，要求由电流源供电，因此，需在直流电源末端 连接一个大的电抗器。 0 ) 荠联逆变器的壹流电源电流是稳定的，受载电流为矩形波，而电压则是正弦波。 ( 3 ) 并联逆变器的每一桥臂必须串入快速恢复二极管，以承受反压。 4 ) 著联逆变器在自身构成的闭合回路中继续维持振荡。 ( 5 ) 并联逆变器则需要采取较复杂的起动措施，一般只能工作在自激状态。 ( 6 ) 在并联逆变器中刚好相反，d i d t 值较大，丽对d u d t 的要求低一些。目前，针对 9 两安石油人学硕上学位论文 两种电路结构，国内外都有广泛的研究。 ( 7 ) 并联逆变回路发牛谐振时产生大电流，无= q i a 。( 2 2 ) 与串联型逆变感应加热电源相比较，并联型逆变感应加热电源的整流部分一般采用 三相桥式全控整流电路，如一般用晶闸管全桥整流电路供电，电路中加了大电抗器滤波， 其功率调节一般是通过调节晶闸管三相全桥整流电路的移相触发角从而调节输出电压来 实现的。 2 2 3 混合型逆变器 混合型的感应加热电源一般指串并联混合式。我们也可以把它看成属于并联逆变感 应加热电源的范畴。因为并联逆变器的振荡回路是电流谐振，对熔炼等大功率场合的负 载回路来说，电流相当大，可达l 到几千甚至数十千安培。为了减小这样大的电流所产 生的损耗，适当提高感应器电压是有好处的，故出现了串连有升压电容的串并联谐振电 路。也就有了混合型感应加热电源。其原理电路如图2 4 所示： 图2 - 4 串并联谐振电路 用串联电容c l 补偿一部分，补偿后仍为感性，再用并联电容c 2 补偿另一部分，故 电容升压回路仍具有并联振荡回路性质。因此，串并联逆变器和并联逆变器具有相似的 特点，也归为并联感应加热电源范畴。并且，由于升压电容c l 提升了感应圈三两端的电 压，减小了电流，降低了线圈损耗，故这种串并联感应加热电源电路适合了大功率场合 的使用。 总之，串连谐振型逆变器和并联谐振型逆变器在电路拓扑结构和工作特性上的对偶 关系使之具有相互对偶的优缺点，作为感应加热电源而言，两种逆变电路在具体选用时 有一定的局限性的同时又都有各自适宜的应用场合和范围。 2 3 感应加热电源的负载分析 感应加热是电热的一种好的形式。置于交变磁场中的金属工件，由于电磁感应而直 接在工件自身产生涡流发热。感应加热具有加热时间短，效率高，便于控制温度，保证 加热质量，改善劳动条件，易于组合自动线生产，因此得到越来越广泛的应用。通常， 在1 5 0 - 1 0 1 0 3 h z 频段的感应加热称为中频感应加刹汜j 。 我们可以通过观察图2 5 负载示意图来总结感应加热负载的特点。 l o 第二章感应加热电源结构与相关单元分析 谜鹤 ( a )( b )( c ) 图2 - 5 负载示意图 ( a ) 熔炼( b ) 透热( c ) 淬火 由图2 5 可知，中频感应加热负载有一个共同特点，就是均由一个具有很大电感的 空心线圈与被加热工件组成工作负载。因此，它是一个功率因数很低的感性负载。 我们常把具有很大电感的线圈叫做感应器。感应器是将电能转换为热能的关键。当 在感应器内通以中频大电流而产生强磁场时，便在被加热工件中感应出很大涡流。为分 析方便，我们把中频感应加热负载等效为一个变压器，感应器视为原边绕组，工件视为 副边绕组，于是便得到了负载等效电路，如图2 - 6 所示，其中，- l 、x i 表示感应器的电阻 与电抗，x 1 2 表示互感抗，2 、娩表示被加热工件的电阻与电抗。 图2 6 负载等效电路 但经分析可知中频感应加热负载为功率因数( c o s 9 ) 值很低的感性负载。故为提高功 率因数，有效利用电源容量，采用中频电容器补偿无功功率，这样便组成了振荡回路。 根据补偿形式，负载可分为串联振荡回路和并联振荡回路。即感应加热电源逆变器 按其负载补偿电容所处位置的不同，可分为并联逆变器( 电流型逆变器) 和串联逆变器 ( 电压型逆变器) 。这在上一节已经分析说明这里不在赘述。 2 4 电力电子器件的选择 2 4 1 电力电子器件的发展 1 9 5 7 年美国通用电气公司研制出世界上第一只晶闸管( s c r ) 标志着电力电子技术的 诞生。晶闸管是一种通过对其门极进行控制能使之导通而不能使之关断的半控型器件。 经过了2 0 世纪6 0 年代的工艺完善和应用开发，到了2 0 世纪7 0 年代，晶闸管已经形成 了从低压小电流到高压大电流的系列产品。同时一系列派生器件也陆续被开发出来，如 不对称晶闸管( a s c r ) 、光控晶闸管( l a s c r ) 、快速晶闸管f i s t ) 逆导晶闸管( r c t ) 和门极 可关断晶闸管( c t o ) 等。 1 9 4 8 年美国贝尔实验室发明了第一只晶体管，到了2 0 世纪7 0 年代，用于电力应用 两安石油大学硕士学位论文 中的晶体管( g t r 一电力晶体管) 出现并得到了广泛的应用。g t r 属于全控型器件，其开 关速度与晶闸管相比也有很大的提高，可达到2 0 k h z ，g t r 的一度广泛应用促进了传统 直流电源装置的革新，出现了所谓的“2 0 千周革命”。但是g t r 存在二次击穿、不易并 联扩容以及开关频率仍然不够高等问题，因此到了现在其应用大大减小了。 2 0 世纪7 0 年代后期，电力电子器件高频化进程中的一个标志性器件：功率场效应 晶体管( p o w e rm o s f e t ) 开始进入实用阶段。p o w e rm o s f e t 是一种压控双极性器件，它 的开关频率高( 可达数百千赫甚至兆赫) 、开关损耗低、安全工作区宽、输入阻抗高、驱 动容易，另外这种器件在大电流区域具有负温度系数，很容易实现并联扩容。目前p o w e r m o s f e t 的容量也己经达到很高的应用水平，研制水平达到2 5 0 a 1 0 0 0 v 。p o w e r m o s f e t 有一很大的不足是其导通电阻比较大，这是由于其导通电阻与泸5 成正比，因 此在高频、大功率系统中的应用就受到了限制。 2 0 世纪8 0 年代后期，绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 的出现标志着双极型复合器件的 研制成功。i g b t 综合了m o s f e t 开关频率高，输入阻抗高，热稳定性好，驱动容易和 g t r 的载流能力强的优点，而且其通态阻抗很小，是一种更为理想的高频、高压、大电 流器件。目前i g b t 的商业应用水平己达到1 2 0 0 3 5 0 0 v 5 0 k h z 。另一种2 0 世纪8 0 年 代后期出现的复合器件m c t 的研制水平也达到3 0 0 a 2 0 0 0 v ，1 0 0 0 1 0 0 0 v 。 通过器件的对比和根据我们对应用技术的掌握情况决定在本设计中采用i g b t 为逆 变器主开关器件。 2 4 2 电力电子器件i g b t 的发展情况及特点 i g b t ( i n s u l a t eg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 绝缘栅双极晶体管是一种新型的电力电子器 件。现成为电力电子领域的新一代主流产品。它是一种具有m o s 输入、双极输出功能 的m o s 、双极相结合的器件。结构上，它是由成千上万个重复单元组成，并采用大规模 集成电路技术和功率器件技术制造的一种大功率集成器件。i g b t 既有m o s f e t 的输入 阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高的优点，又具有双极型晶体管的电流 密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点。所以i g b t 功率器件的三大特点就是高 压、大电流、高速。这是其它功率器件不能比拟的。它是电力电子领域非常理想的开关 器件。 目前，国外大量i g b t 产品涌入国内市场，而国内i g b t 还处于研制阶段。 a i g b t 的发展背景 回顾电力电子器件的发展，大体可分为四代产品。第一代是以2 0 世纪5 0 年代出现 的s c r 为代表。其优点是功率容量特别大，目前的水平己达到7 0 0 0 v 8 0 0 0 a 。但缺点是 开关速度低，关断不可控因其强制换流关断使控制电路非常复杂，限制了它的应用。为 解决s c r 关断的不可控问题，2 0 世纪7 0 年代出现了以门极可关断晶闸管g t o 和巨型 双极晶体管g t r 为代表的第二代产品。它们都是自关断器件开关速度比s c r 高，控制 电路也得到了简化。目前的g t _ o 和g t r 的水平分别达到了6 0 0 0 w 6 0 0 0 a 、1 0 0 0 v 4 0 0 a 。 1 2 第_ 章感应加热电源结构与相关单元分析 但是，g t o 的开关速度还是较低，g t r 存在二次击穿和不易并联问题。另外，它们共 同存在驱动电流大、功耗损失大的问题。2 0 世纪7 0 年代末出现了以场效应晶体管 v d m o s 和静电感应晶体管s i t 为代表的第三代产品。与前两代双极器件相比v d m o s 和s i t 具有开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单等特点。但导通电阻 限制了它们的电流容量和功率容量。不过，人们利用超大规模i c 技术把v d m o s 的元 胞尺寸做得很小( 只有几个平方微米) ，大大增加了元胞的数量、减小了导通电阻、提高 了电流容量。目前的v d m o s 水平达到6 0 0 v 1 6 0 a 。但是，容量还是很低。1 0 0 v 以下， v d m o s 是最理想的开关器件。但高压，特别是5 0 0 v 以上，由于导通电阻( 主要是漂 移区电阻) 随耐压的2 5 次方增加，限制了v d m o s 的电流容量。为了解决v d m o s 的 导通电阻大的问题，二十世纪8 0 年代诞生了以绝缘栅控双极型晶体管i g b t 为代表的第 四代产品。 b i g b t 的发展过程及最新动态 1 9 8 2 年美国r c a 公司和g e 公司发明了i g b t 。设计者很巧妙地将v d m o s 的n + 衬底换成p + 衬底，引入p n 结注入机制，使高阻n 漂移区产生电导调制效应，大大降 低了导通电阻。在v d m o s 基础上，进行这一小的变动就形成了m o s 、双极型相结合 的i g b t 。导通电阻的降低加上m o s 、双极双电流通道使i g b t 的电流密度很高。不仅 具备了m o s 和双极型的双重优点，而且i g b t 的电流密度是v d m o s 的2 0 倍，是g t r 的5 倍以上。然而，最早的i g b t 还不能使用。当时器件存在两个主要问题：1 ) 器件内 部寄生了四层p n p n 晶闸管结构，使器件产生闭锁效应，从而导致栅极失去控制能力。 2 ) 由于n 漂移区存在非平衡载流子的注入，在器件关断时，有一