钢性岩石压力实验机感应加热控制系统的设计.doc

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）0 引言感应加热技术是20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对工件进行加热。由于感应加热具有加热速度快、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、可控性好及易于实现生产自动化等一系列优点，已成为冶金、国防、机械加工等部门及船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少加热技术，如：金属无缝焊接、金属退火处理、金属材料的表面淬火、药品包装封口、饮料包装封口等许多加工工艺均采用感应加热技术。同时，感应加热装置在提高安全水平，适应高效率生产，改善环境，节省能源方面发挥着重要作用，因此近年来得到了迅速发展。我国感应加热技术从50年代开始就被广泛应用于工业生产当中，60年代末开始研制晶闸管中频电源，到目前已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。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逆变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八十年代已经开始。随着工业应用不断提出新的要求和电力电子器件及技术的发展，以及计算机微控制器性能的增强以及现代控制理论的发展，感应加热电源不管其理论还是实践也在不断发展和成熟。但是，总的来说，与发达国家相比，无论是容量、控制技术手段、电源工作频段还是生产规模和工艺技术方面，我们仍然存在很大差距。尤其在高频感应加热电源领域内，还存在许多空白，有待我们去研究和开发1。1概述1.1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，并与二次侧线圈祸合，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祸合效果，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:（1-1）（1-2）由式(2-2)可知，当置于磁场中的导体不动，而磁场随时间变化时，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2。将频率为50Hz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置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 (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。感应加热原理如图1-1所示。图1-1 感应加热原理图Fig.1-1 Principle diagram of induction heating 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。1.2电磁感应加热系统设计在感应加热系统的设计中，系统频率、加热线圈散热与绝缘、加热线圈类型、加热线圈设计等皆须考虑，以下将针对上述因素进行说明。1.2.1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。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20kHz-60kHz。1.2.2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。通常加热线圈与加工物件要相互隔离，然而为提高祸合程度，增加工作效率及缩短加热时间，因此两者之间要尽量接近。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85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。1.2.3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。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。1.2.4加热线圈设计对于非磁性材料，如铜、金、银的相对导磁系数，几乎等于1，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。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。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时，此处与表面的距离称为电流透入深度。由于由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的薄层中。工程上，透入深度可由下面表达式确定： （1-3）式中：导体材料的电阻率()；：导体材料的相对磁导率；：感应涡流的频率(Hz)。由式1-7可以得知，当被加热工件、材料的电阻率和相对磁导率确定以后，透入深度只与感应涡流的频率的平方根成反比，因此我们可以通过改变频率来控制它，频率越高，工件的发热层越薄。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。1.2.5感应加热的特点与应用自从1890年世界上第一台感应熔炼炉开槽式有芯炉问世以来，无论是感应加热的理论还是感应加热的实际应用装置都得到了很大的发展，感应加热的应用领域也得到了很大的扩展，其中主要的原因在于感应加热比之传统的一些加热方式具有下列的一些特点、优点：1）加热温度高，而且是非接触式加热；2）加热效率高，有利于节能，符合当今能源节约的要求；3）加热速度快，被加热物的表面氧化少，有利于提高产品质量；4）加热温度容易控制，产品质量稳定；5）容易实现装置的自动控制，减轻劳动强度，降低投入；现在，感应加热被广泛用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业过程，己经成为冶金、国防、机械加工等部门及船舶、飞机、汽车制造等行业不可缺少的工业技术设备，此外，在人们的日常生活中，感应加热技术也得到了大量的运用，例如电磁炉、电热水器等家用电气很多就是采用感应加热方式来实现的。1.2.6感应加热技术的发展及趋势感应加热技术从诞生至今，经过近百年的发展，取得了令人瞩目的成果。而感应加热技术的核心就是感应加热电源。20世纪50年代以前，感应加热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中频发电机组和电子管振荡式高频电源，我们称为传统电源。五十年代末，固态电力电子器件的出现与发展，使感应加热技术和现代化生产许多方面密切相关，发挥了很大的生产力的作用，因此世界各国都十分关注感应加热技术的发展，并投入了相当的经济支持和技术力量，使得传统感应加热电源与固态感应加热电源取长补短，互补共存。随着技术的发展和应用场合的要求，感应加热电源主要有以下几种发展趋势：1）智能化控制。随着感应加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。具有计算机接口、远程控制、故障自诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。2）高功率因数，低谐波电源。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，具有高功率因数低谐波污染的电源必将成为发展趋势。3）电源和负载的最佳匹配。由于感应加热电源多用于工业现场，运行工况比较复杂，因此电源逆变器与负载之间的配置方式将直接影响到电源运行的可靠性和效率。为了逆变器能够输出最大功率，必须使负载阻抗与逆变器的功率机器定额相匹配24。2 电磁感应加热装置的结构2.1感应加热系统主电路结构电磁感应加热系统方框图与电路结构图分别如图2-1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2-1 感应加热装置主电路结构框图Fig.2-1 Induction heating device block diagram of main circuit感应加热装置各单元的功能简述如下:1）交流电源:单相220V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:DC/AC，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RLC等效串联或并联谐振电路。如图所示，电路由单相工频交流电(50Hz)输入，经整流环节后成为脉动直流电，再经过滤波环节后成为平滑的直流电，此直流电通过后面的逆变器环节转化为一定频率的交流电压供给负载。感应加热的负载是感应线圈和被加热工件，其可等效为一个电感和电阻串联，负载呈感性。为了提高功率因数和逆变器的输出功率，一般采用联接补偿电容的方法，使感应加热电源负载的固有频率与逆变器的工作频率相同，即负载在电源的工作频率上谐振。随着对工件的加热，负载的固有特性会随着温度的升高而发生变化，尤其是在居里点附近，其电阻率和导磁率都会发生较大的改变，感应加热电源逆变器功率开关器件的工作频率应跟随负载固有频率的变化而变化，因此感应加热电源必须有很好的锁相和频率跟踪能力56。2.2 感应加热电源逆变器的分析与选择根据补偿形式不同，感应加热电源逆变器分为两种：串联谐振式（电压型）逆变器和并联谐振式（电流型）逆变器。根据逆变器的不同，其相应采用的滤波环节也不同。对于串联谐振式逆变器采用大电容稳压滤波，为逆变器提供稳定的直流电压信号；对于并联谐振式逆变器，一般采用平波电抗器作为滤波器件，为逆变器提供平滑的直流电流信号。2.2.1 谐振电路基础知识1）串联谐振如图2-2所示，电感L、电容C和电阻R就构成串联谐振电路，如果将内阻为零的电源加到此电路中，则在电路中将流过电流，即图2-2 串联谐振电路Fig.2-2 Circuit of series resonant （2-1） 其模为： （2-2）式中 Z串联电路的总阻抗； X串联电路的总电抗。 （2-3） 式中 为谐振角频率。此时加在各原件上的电压分别是： （2-4） （2-5） （2-6） 从式（2-l）可知，电路中电流的最大值出现在，即时，有： （2-7） （2-8） （2-9） （2-10） 电工学中定义串联谐振回路品质因数： （2-11） 此时，即，称的状态为串联谐振，由式（2-8）、（2-9）和（2-10）可知，谐振时外电源的电压才全部加在电阻上，此时电感L上的电压和电容C上的电压在量值上完全相等而且方向相反，电压的量值是输入电压值的Q倍。谐振时电流和电压同相，电路的功率因数。2）并联谐振如图2-3所示，将电阻R和电感L串联后与电容C并联就构成了并联谐振电路，同理将内阻为零的电源加到此电路中，则在电路中将流过电流，即：图2-3 并联谐振电路图Fig.2-3 Circuit of parallel resonant （2-12） （2-13） （2-14） 因此并联电路的总阻抗为： （2-15） 电路发生谐振时，式（2-14）的虚数项应为零，即： （2-16） 此时谐振角频率为： （2-17） 谐振时，R对角频率的影响极小，可以忽略，则有：，频率表示为，并联谐振时的谐振频率和串联谐振时差不多，可以认为它们相等。从式（2-14）可知，谐振时电源输入的电流为： （2-18） 阻抗为： （2-19） 式中，同样称为品质因数，这时这各支路电流为： （2-20）其模为： （2-21） （2-22） 其模为： （2-23） 由（2-21）和（2-23）知，谐振时由电源输入的电流很小，而各支路的电流却很大，为电源输入电流的Q倍，因此也称这种谐振为电流谐振。2.2.2 电压型串联逆变器和电流型并联逆变器的分析比较1）负载串联谐振型逆变器串联谐振型逆变器的电路结构如图2-4所示。图2-4 串联谐振式逆变器的电路结构图Fig.2-4 Structure diagram of series resonant inverter circuit 逆变器由4个电力MOSFET（VT1VT4）和与其反并联的快速二极管VD1VD4组成两个桥臂，其输入电压值恒定不变，输出电压的波形为矩形且不受负载变化的影响。工作时，轮流触发VT1,4和VT2,3且使其开关频率与负载的固有频率相等，LC谐振槽路发生谐振，输出正弦波电流。串联谐振式电压型逆变器的工作原理如图2-5所示。图2-5 串联谐振式电压型逆变器工作原理图Fig.2-5 Principle picture of work of the series resonant-voltage inverter 在理想状态下，当时，触发VT1,4，电流从电源正端VT1RCVT4电源负端流通。负载电路工作在振荡状态，因而负载电流按正弦规律变化，在期间，电流经VT1,4流通，形成的正半波。到时刻，电流降到零，电容C上的电压极性为左负右正。此时，关断VT1,4，触发VT2,3，电流从电源正端VT3CRVT2电源负端流通，在期间，电流经VT2,3流通，形成的负半波。在实际应用中，上、下桥臂MOSFET必须遵守先关断后开通的原则，一般留有死区时间，快速二极管D1-D4在MOSFET关断时，为负载振荡电流提供续流回路，在期间，输出侧能量通过其回馈给电源。2）负载并联谐振型逆变器并联谐振型逆变器的电路结构如图2-6所示。图2-6 并联谐振式逆变器电路结构图Fig.2-6 Structure diagram of parallel resonant inverter circuit 其中，是整流器输出的脉动直流电压，是平波电抗器，C是补偿电容，其与感应加热线圈并联；L和R是感应加热线圈的等效电感和电阻。逆变桥由四只桥臂构成，每一臂由开关器件MOSFET和与其串联的二极管组成。由于的作用，为平滑的直流。通过对开关器件VT1、VT2、VT3和VT4的控制使直流电流变换成交流矩形波电流输出，为使逆变器正常工作，应控制逆变器开关器件的工作频率略高于负载谐振频率。图2-7 并联谐振式逆变器工作原理图Fig.2-7 Principle picture of work of the parallel resonant inverter 此时负载回路对输出的高频矩形波电流中的高次谐波电流呈现低阻抗，对其基波电流呈现高阻抗，因而使输出电压接近正弦波。并联逆变桥的四个开关状态及其工作原理分别如图2-7所示56。从电路原理可知电压型串联逆变器和电流型并联逆变器在各种变量的波形、电路的拓扑、还有电路的特性等方面都存在着对偶关系，下面对两种逆变器的主要差别进行比较，见表2-1所示：表2-1 电压型逆变器和电流型逆变器的对比Tab.2-1 Comparison of voltage inverter and current inverter电压型逆变器电流型逆变器输入端并联电容，等效为电压源输入端串联电感，等效为电流源负载为R、L、C串联谐振电路负载为R及L、C并联谐振电路输入端电压为恒定直流输入端电流为恒定直流输出电压为方波输出电压为正弦波输出电流为正弦波输出电流为方波负载阻抗频率特性为串联谐振特性，因此不宜空载负载阻抗频率特性为并联谐振特性，因此可以空载逆变失败，浪涌电流大，保护困难逆变失败电流受大电抗限制，保护容易逆变器结构简单，控制相对简单，可采用不控整流逆变器结构较复杂，控制较复杂，需采用可控整流功率器件不需要承受反向电压功率器件需要承受反压，高速大容量二极管选择困难理解和掌握上表中的对偶关系有助于分析和比较两种逆变电路的工作原理，串联谐振型逆变器和并联型谐振逆变器电路拓扑结构和电路波形的对偶关系使之具有相互对偶的优缺点，两种逆变电路在具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，因此在设计中需多角度对逆变电路形式进行权衡和选择。下面对这两种逆变电路进行分析：1）并联谐振逆变器负载电路本身为谐振电流提供通路，但需要功率器件具有承受反压的能力，而目前的高频功率器件MOSFET、IGBT模块内存在反并联二极管，不能承受反压，因此要求逆变器桥臂串联同功率开关器件容量相当的二极管来承受反压，目前大容量快速恢复二极管的制造水平有限，选择较为困难。串联谐振型逆变器不能为谐振电流提供通路，需在逆变桥臂增加续流二极管以提供续流通路，故功率器件不需要承受反压。续流二极管只在功率因数角对应时间内通有电流，逆变器工作在准谐振状态时，对此二极管的容量要求较小，选择相对容易。2）串联谐振型逆变器对负载电路布线电感要求较低，而并联谐振型逆变器对负载电路的布线要求相对较高。串联逆变器起动容易，适用于频繁起动工作的场合；而并联逆变器需附加起动电路，起动较为困难。3）串联逆变器是恒压源供电，为避免逆变器的上、下桥臂开关器件同时导通，造成电源短路，换流时，必须保证先关断、后开通。此时的杂散电感，即从直流端到器件的引线电感上产生的感生电势，可能使器件损坏，因而需要选择合适的器件来吸收浪涌电压。并联逆变器是恒流源供电，为避免滤波电抗上产生大的感生电势，电流必须连续。也就是说，必须保证逆变器上、下桥臂器件在换流时，是先开通后关断。这时，虽然逆变桥臂直通，由于足够大，也不会造成直流电源短路，但换流时间长，会使系统效率降低，因而需要缩短换流时间。4）从谐振电容的选择来看，并联谐振电路属于电流谐振，谐振电容电压较低，在提供无功能量一定的情况下，需要较多电容并联，成本增加。而串联谐振电路属于电压谐振，谐振电容电压为谐振电压，在要求提供无功能量一定时，电容成本相对较低，可有效降低电源成本。综合考虑电压型串联逆变器与电流型并联逆变器的对比和优缺点情况，结合目前的高频器件用在电流型逆变器中必须串联二极管，增加了结构设计和安装的工作量以及分布参数。另外由于电压型逆变器可以利用逆变调功，不必像电流型逆变器那样必须采用可控整流或直流斩波，可见采用电压型逆变器的感应加热装置在整体结构上更加简洁。因此，本设计的逆变器采用电压型串联逆变器910。2.3逆变电路各器件及其选择根据以上分析，本文设计一个串联谐振式逆变电路,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。因为振荡条件为R2，而一般L/C总是很大，总满足振荡条件，所以电容器容量可调范围很大，故Ud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0.7V)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电流转变。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，dv/dt越大，电容器电流就越大。由于dv/dt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dv/dt承受能力，所以在电流比较大的应用场合，缓冲电容器通常选用聚丙烯电容器。 2.3.1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MOSFET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MOSFET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MOSFET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。IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为一种既有功率MOSFET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。2.3.2 AC/DC整流器件选取输入交流电压为0220V，输出最大功率为=3KW，因此电路的直流电压为: =220=310V （2-24）根据最大输出功率，且考虑整流器的效率约为0.9，因此整流器输出功率如下: =3.3KW （2-25）因此，整流器的输出电流为: =10.6A （2-26）根据上述计算并参考电流与电压安全系数为1.52.0及整流器产品规格,选用25A/600V桥式整流器。2.3.3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。而后一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。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于初始电感量的一半。根据这个特性，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。2.3.4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:1）额定电压与介电强度电容器两端可以持续施加的电压，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1.11.3倍;其他介质则通常为1.752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。2）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。3）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:士5%:K级:士10%;M级:士20%;S级:士50%/一20%;Z级:士80%/一20%o4）损耗因数由于漏电流、介质吸收、等效串联电阻等原因产生的损耗与工作频率有关系。对于介质吸收，通常只要损耗低，其介电系数的变化就可以忽略。介质在电场下的极化过程使分子间碰撞而消耗能量，从而产生损耗，因而也造成了介电系数的降。在电解电容器中，等效串联电阻是造成损耗的主要原因，而漏电流、介质吸收造成的损耗则可以忽略不计。因此，电解电容器的损耗因数则以串联等效电阻ESR同容抗l/wC之比，有时也称损耗角正切(tan)表示。因此，电解电容的损耗角正切(tan)是随频率上升的。损耗因数标志着电容器本身在工作时的自身损耗的大小，这个损耗的大小可定义为:在电容器被施加交流电时，每个周期电容器产生的损耗与每个周期电容器存储的功率之比，即：损耗因数=5）等效串联电阻电容器电极到引出端的电阻，一般箔式电容器的等效串联电阻(ESR)比金属电容器的ESR小，双金属化和加重金属化的ESR比一般金属化的ESR小，多引出线的ESR比单引出线的ESR小，平面电极板的ESR比粗糙电极板的ESR小，等等。6）温度系数温度系数是电容器随温度变化的程度，有的介质的介电系数随温度的升高而大，大多数的介质属于这一类，通常其变化范围小于容差范围;而有的介质虽为温度的上升而减小，如聚丙烯;有的介质则可能在不同的温度范围而有不同的变化，像H类陶瓷电容器。7）工作温度范围任何介质都存在工作温度范围，过高的温度会使介质的物理特性发生变化(如熔化、介电强度下降)和化学变化(如炭化)而不再满足电容器介质性能的要求;电解电容器则要避免电解液的蒸发而造成电容器的永久损坏。8）漏电流电容器的漏电流主要是介质的绝缘电阻不是无限大和介质存在的缺陷(杂质)产生的，不同的介质，漏电流不一样，如铝电解电容器的漏电流主要是由于氯、铁、铜离子的存在而产生的对氧化铝介质的破坏以及微型原电池效应造成的。9）寿命多数电容器在理论上没有寿命的问题，只有液态介质(电极)或介质在施加电压后出现介电系数下降而出现寿命问题。最明显的是铝电解电容器，山于铝电解电容器的负电极是电解液，当电解液干涸后铝电解电容器的负电极面积大大缩小，使电容量大大下降，当电容器下降到寿命终了值，铝电解电容器即宣告寿命终了。通常，铝电解电容器均标明最高工作温度和在这个温度下的使用寿命，如105/20O0h。为了增加电容器的电容量通常将电极轧成金属箔与绝缘介质薄膜一同卷绕成芯子以尽可能减小体积，这样形成了薄膜电容器。薄膜电容器可以根据绝缘介质的不同分为纸介质、有机介质。不同的介质具有不同的电气性能，可以根据不同的应用选择相应的介质电容器。2.3.5加热负载等效模型在电气结构上，感应加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，犹如一祸合变压器;加热线圈视为一次测，加工物件视为二次测。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，例如电磁感应、趋肤效应、介质特性等等，因此上述负载模型只能视为一个理论基础架构。3 感应加热装置硬件设计整个装置主要分为两大部分：主电路部分和微机控制部分。主电路部分实现功率转换、信号采集、PWM信号发生和保护功能，并提供系统的辅助直流电源。微机控制部分可以设定加热时间长短、显示系统状态以及发出加热命令。3.1 感应加热装置主电路硬件设计完整的主电路主要分为主电路通电控制电路、全桥逆变及信号采样电路、信号处理电路、PWM信号发生电路、驱动电路和辅助直流电源几个部分。电路工作原理如下：在待机状态下，PWM芯片始终输出驱动信号施加在四个开关管上，而双向晶闸管TRIAC控制主电路不通电，所以负载两端没有电压。当需要起动机器对负载加热时，发出的起动信号使得双向晶闸管导通，主电路通电，则逆变电路输出的方波电压经过一级LC谐振后，施加到负载上，对负载进行加热。采样电路对负载电压进行采样，并反馈到PWM芯片的相应引脚。待机时，反馈电压使得输出的PWM频率为80kHz左右。起动加热时，反馈信号会控制芯片输出的PWM频率提高到100kHz左右，并且负载越重，频率越高。针对不同的负载，反馈信号可以控制芯片输出相应频率的PWM信号，以使得负载线圈两端的电压有效值始终稳定在设定值。下面对电路的各个部分分别进行介绍6。3.1.1 主电路及其通电控制电路该部分电路如图3-1所示。电路电源输入经过、滤波后，利用一个双向晶闸管(TRIAC)来控制主电路电源的通、断。图3-1 主电路及通电控制电路Fig.3-1 Main circuit and power-control circuit双向晶闸管是具有双向导通和阻断能力的电力电子开关器件，当一个方向施加正向电压时，只要给触发信号便可使得双向晶闸管导通。双向晶闸管通常使用专门的驱动光耦进行控制，这里选用的是S21MD4。光耦原边的+5Q信号来自辅助直流电源，约为10V。信号GD是控制板上单片机输出的起动命令，待机状态下是低电平。起动时，按下起动按钮，则单片机输出高电平到GD，使得导通，光耦S21MD4原边也导通，从而触发TRIAC，给主电路通电。加热结束后，单片机给GD输出低电平，则主电路电源切断。主电路的电压通过，分别为触发极提供相应导通方向时的触发电压。、用来吸收通、断时的浪涌电压，保护TRIAC。发光二极管用来指示机器的工作状态11。3.1.2 逆变电路逆变电路的主体如图3-2所示。逆变电路输出的方波电压，施加到负载上，负载是一个感应线圈，可以等效为一个电感和一个电阻的串联，负载呈感性。图3-2 逆变电路Fig.3-2 Inverter circuit为了提高功率因数，需要添加一个补偿电容。是负载电压采样电阻，并通过，整流后，得到直流采样信号Sample，Sample信号的电压大小可以通过电位器调节，以满足PWM发生芯片的反馈电平要求。是电流采样电阻，用来检测电流信号，采样信号经过处理后送到PWM发生电路的保护引脚。3.1.3 PWM发生电路采样信号Sample经过滤波和放大处理后，经过输入到PWM芯片的反馈电流控制引脚（引脚3），芯片则根据流入引脚3电流的变化来改变输出PWM信号的频率，以保持负载电压的稳定，如图3-8所示。图3-3 PWM 电路Fig.3-3 PWM circuit由于Pin.3的电流最大值被芯片内部钳位在，所以必须保证送到Pin.6的反馈信号电压不超过2.5V，因此，加了一个小于2.5V的稳压管VS。实际上，串入电路中的负载只是一个空心的感应线圈，而真正的负载是利用该感应线圈进行加热的对象。对应不同的加热对象，在加热时，它反过来对主电路参数L的影响程度也不同。由于主电路等效L、C参数受到负载影响而改变，原来待机状态下的PWM频率会导致负载电压降低，因此采样得到的反馈信号也会作出相应变化，而这种变化便控制芯片输出信号的频率提高，以此改变谐振电路的Q值，保持负载两端电压的稳定11。PWM发生电路采用压频变换芯片MC34066，该芯片主要应用于谐振式的电源控制，其最高振荡频率超过1MHz。图3-4是它的引脚图。它具有以下特点：1）控制范围超过的变频振荡器。2）可编程的死区单元。3）内带具有精确输出钳位的5MHz的误差放大器。4）双大电流图腾柱输出单元。5）可选的滞环式欠压闭锁功能。6）输入使能控制。7）可编程软起动电路。8）待机时的低电流起动模式。图3-4MC3406的引脚图Fig.3-4 MC34066 pin connections图3-5是MC34066的外围电路。、是外部振荡网络，是用来产生死区。芯片内部的一个6.1V参考电源通过对振荡电容进行充电，当充电电压达到4.9V时，会使得芯片内部的一个施密特比较器翻转，从而开通的放电回路，外接的和内部的电流镜像。当放电至3.6V时，芯片又会对电容进行充电。的芯片内部放电回路受流入引脚3的电流信号调制：采样信号Sample信号经过信号处理电路处理后，得到一个反馈信号Feedback，它通过电阻产生的电流流入振荡器控制电流引脚3。该电流的变化将会对振荡器的振荡频率经行调制。若增加，则振荡电容的放电加快，从而振荡频率提高，输出的PWM信号频率也提高。图3-5 MC34066外围电路Fig.3-5 MC34066 external circuit当Feedback信号比引脚3的电压高2.5V时，放电速度最快，从而振荡频率最高。此时的放电时间可以表示为 （3-1）当时，的放电速度最慢，从而输出PWM频率最小。该放电时间可以由式（3-2）得到： （3-2）所以，当起动机器对负载进行加热时，采样信号Sample是随着负载电压的降低而升高的，因为Sample信号电压的升高，可以控制PWM信号频率提高，从而提高了谐振的Q值，使得负载电压随之上升，达到稳定值。的充电时间（单位为ns）为 （3-3）显然，在根据所需的死区时间设定好后，便可根据式（3-1）式（3-3）得到最大、最小的频率为 （3-4） （3-5）3.1.4 软起动起动电路和保护电路图3-6是芯片软起动功能和保护单元的内部电路。软起动电路可以使得芯片输出频率从较低值逐渐升高，并建立稳定的反馈控制环。使用该功能时，在Pin.11的接一个对地电容可以实现电路的软起动。本系统中，没有使用软起动功能，所以图3-5将Pin.11接到了。芯片的引脚10是故障信号输入引脚。从图3-6的保护单元内部结构可以看到，当引脚10的电平高于1.0V时，将会引起保护单元的动作，从而封锁PWM输出，关闭主电路。图3-6 软起动电路和保护单元Fig.3-6 Soft start circuit and protection unit图3-5的芯片外围电路中，引脚10通过一个电阻接地，S是贴在MOSFET散热器上的常开温度开关，所以当电路正常工作时，该引脚是低电平。如果散热器过热，则温度开关闭合，引脚10将会被接到，电压高于1V，保护动作，并通过相关的LED元件指示过热保护。该引脚还可以同时用作过电流保护，对应电路如图3-7所示。图3-7 保护电路Fig.3-7 Protection circuitGL信号是采样电阻上的电压降。通过调整、关系可以设定过电流保护动作值。当流过的电流在允许值之内时，GL电压较低，晶体管截止，则会导通，从而将引脚10拉低。若电流超过设定值，则GL电压将会使导通，通过选择合适的，则可以将的基极电压拉低到使无法导通，从而将引脚10电平拉高，使得保护单元动作，封锁脉冲输出。3.1.5 驱动电路各种全控型功率电子器件如GTO、MOSFET和IGBT等的相继出现,极大地推动了电力电子技术的发展。电能变换装置的小型化对功率电子器件的开关工作频率提出了越来越高的要求， 在各种全控型开关器件中，MOSFET是一种单极型器件，没有少数载流子的存储效应，工作频率可达几百kHz至MHz。MOSFET管以其开关速度快，输入阻抗高，输入功率小，无二次击穿现象等优点，已成为感应加热电源中最常用的器件。然而MOSFET驱动电路的设计和选型对提高MOSFET的频率，充分发挥MOSFET的优良性能起着极为关键的作用。MOSFET的驱动电路有多种形式，按驱动与栅极的连接方式可分为直接驱动和隔离驱动，隔离驱动又可分为光耦隔离和电磁隔离，在此本设计中采用直接驱动的方式驱动MOSFET。 驱动电路如图3-8所示。PWM信号从芯片MC34066的12、14脚输出，经过两级推免电路放大，驱动信号、再接到主电路逆变电路的开关器件的门极上。图3-8 驱动电路Fig.3-8 Drive circuit3.1.6 辅助直流电源本设计电路中的许多部分都需要直流电源供电，如采样信号的放大电路，所需直流工作电压不是5V就是15V，为了不附加额外的直流电源，系统设计时提供了辅助直流电源，而一般设计直流电源常采用集成稳压器。集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了广泛的应用。常用的集成稳压器封装形式有：金属圆形封装、金属菱形封装、塑料封装、带散热板塑封、扁平式封装、双列直插式封装等。在电子制用中应用较多的是三端固定输出稳压器。集成稳压器可分为串联调整式、并联调整式和开关式稳压器三大类。78系列集成稳压器是固定正输出电压的集成稳压器，输出电压有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等规格，最大输出电流为1.5A。它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠，因此该系列的集成稳压器使用十分方便。本设计中的辅助直流电源采用了集成稳压器件7805和7815。电路如图3-9所示。变压器将经过滤波处理的220V交流电转换为较低电压的交流电，通过桥式整流电路输出脉动的直流电，电容起滤波作用，最后通过稳压器件7805、7815得到所需直流电压9。图3-9 辅助直流电源电路Fig.3-9 Auxiliary DC power circuit3.2 微机控制系统硬件设计随着现代电力电子和微机控制技术的迅速发展，微机控制的感应加热电源也得到了广泛应用。微机控制系统主要用于获得良好的人机界面；提供在线修改控制输出数据功能，以方便用户根据系统实