【毕业学位论文】基于移相控制的感应加热电源的研究-控制工程

江南大学硕士学位论文基于移相控制的感应加热电源的研究姓名：黄瑾瑜申请学位级别：硕士专业：控制工程指导教师：沈锦飞20080312摘要捅要本文首先简要的介绍了感应加热技术和感应加热的原理，以及感应加热电源的现状和发展趋势。其次阐述了选题的意义和背景，研究的主要任务。通过分辑感应加热电源的谐振耩路和拓拎结构，选择了更适合高频感应老曩热电源的串联型逆变器。并且分析了感应加热电源的各种调功方式，在对比几种功率调节方式的基础上，选择移相调功方式进行功率调节。本文主要对0先对主电路进行了参数设计及器件选择。其次对高频感应加热电源的控制电路进行设计。控制电路主要包括功率控制电路，频率跟踪电路和驱动电路。移相调功电路由移相芯片用锁相环据电源容量和开关器件的型号，设计了有效的驱动电路。为了使电源系统稳定运行，还设计了避流、过愿和过热保护。最后对已设计电路用明其方案的可行性。关键词：感应加热；串联型逆变器；移相调功；频率跟踪of nd it of of Il it me yof s nd it of 11 me is to of l yit of me is nd is is t me me is of 翩性声臻本人声明所呈交酌学位论文是拳人在导师指导下进行的研究工作茂取得的研完成果。尽我所知，除了文中特舅加以标注和致谢鲰如方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也幂包含瓠人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过姆材料。与我一鼹工锋的忍惠时本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意签 名： 素袭奄 舞 期： 二属学撞论文的规定：江南失学有权锞留并向国家宥关部门或机构遥交语烫的复印件和磁盘，允许论文被查阕静措闲，可以将学位论文鲰奎零或部分内容镶入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并基泰人电子文挡的蠼容和纸震论文的走容撩一致。 保密的学位论文在解密詹也遵守此规定签 名：篮盔导师签名：莲 期： 二篓晨十二霉第一章绪论第一章绪论11感应加热简介感应加热技术是20世纪初才开始应用于工业部门的，它是利用电磁感应原理，通过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、几乎无环境污染、可控性好及易于实现生产囱动化等一系列优点，因此近年来褥到了迅速发展。隧前，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、粉术冶金等行业中。众所周知，以上这些行业中的传统加热方式大多是以煤、油、气为能源或箱式电炉加热，存在能耗高、劳动条件差、环境污染严重、工艺质量难以控制等缺陷，严重制约了我国机械工业的发展。因此，全面推广感应加热技术，是改造我酮传统产业的必然趋势，而此技术的发展与感应加热电源水平密切褶关。12感应加热的原理感应秀瑟热是利用电磁感应现象对金属傲老羹热的方法，檄据法拉第电磁感应定律和楞次定律，给感应线圈通交变电流，线圈当中将产生交变磁场，若工件放在加热线网的交变磁场内，嗽于磁力线的切割，将在不同的深浅层面产生感应电流(涡流)，并因工件的阻抗性质及涡流在工件上的流动产生热量，使工件的温度升高，达到加热的目的，此即感应加热电源的基本原理。感应加热基于两种物理现象：(一)法拉第电磁感应定律(二)焦耳定律根据电磁感应的原理，一个导体在外来磁通变化的影响下，导体本身将产生一个反抗磁通变化的感应的电动势，来抵效外来磁通的变化，此电动势不但与时变的磁通有关，而盥与物体所产生的磁通变化问相互移动的速度成正比。秽：一堂一蚴型 (11)破 1出其中e：感应电动势(伏特，V)：线圈雁数(避，：磁通(韦伯，骱)V：速度(米缈，融)，m)这个电动势造成的电流(即涡流)，流经导体产生的功率，依焦耳定律可以写成&=夕12 (董一2)在此，辟(。)y：)是越往加热工件的表面电流密度越强的趋势，而且线圈的电流频率越高，涡流往表面集中的程度越明显，该现象称为集肤效应(觚t)。对一个圆柱体工件的集肤深度可用麦克斯维尔方程(s 得o 1D=2万 一透入深度，m，加工材质相对磁导系数e(即368)处的深度，定义为加热深度，由于865的加热功率集中在集肤深度位置内，因此频率的选择对于感应加热的品质和效率有决定的影响。厶圆柱表面的电流密度。(a)金属网十l：的断血 么(b)农(cJ 圆柱形工件内的电流密度1 in 直径为位长圆柱吸收的功率可用下式表示： 广P=2万2pfk (14)其中P：单位长度圆柱吸收的功率(wr体表面的平均磁场强度(A1m)D：圆柱导体的直径(cm)k：小于1的修正系数，2国是的函数，当D(2回=2时，K=o65 D(2国25108寿(1是在感应加热时，还要考虑到加热温度的均匀性，一般取D(2国=2因此得到f4108 z) (16)往采用比上述两式频率高一点的电源即可，因为频率高得太多，会引起工件的温差过大反而使得加热时间延长。13感应加热的发展历程以及现阶段国内外发展现状感应加热设备的发展要追溯到19世纪初期，随着人们对电磁感应现象认识的加深，人们知道处于交变磁场中的导体会发热，但是很长时期，人们对这种发热现象采取避免的措施，直到19世纪末期人们才丌始利用这种现象进行有目的的加热，熔炼等，才有了现在感应加热的概念。速了感应加热应用于工业领域的过程。感应加热广泛用于机械制造工业和冶金工业领域，具有劳动条件好，加热速度快，温度容易控制等优点，对国民经济的发展有着重要的意义，当前的主要应用在淬火，透热，熔炼，钎焊，烧结等方面。从1890年瑞典人发明了第1台有心感应熔炼炉以来，感应加热技术一直在不断发展，在初期一直是以工频感应炉，中频发电机组为主要产品，随着1966年晶闸管中频感应加热装置的出现，才取而代之。从此感应加热的发展和电力电子器件的发展有着非常紧密的联系，每一次电力电子器件的技术变革都将带动感应加热领域的革新，作为工业领域的霞要行业，各个国家都十分关注感应加热技术的发展，国外发达国家如美国，日本，西班牙等在这些方面有着领先的技术。在低频段，国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦，用于工件的透热和保温。在中频段范围内，综合容量和频率主要以晶闸管感应加热装置为主，国外有报道装置容量达到几十兆瓦。80年代，一批新型的功率器件的出现，如大提高了功率器件的开关速度，因而使得感应加热的频率得以提高，出现了超音频(1000源，由于低的导通电阻，受到广泛使用。1994年日本采用0班牙在1993年也己经报道了360000高频领域(100国外已经有高频固念电源的成功研制报道，同本采用00时以00南人学在职人员学位论文国外感应加热设备制造著名厂商有品涵盖了很大低中高频段的产品，他们的产品代表了现阶段感应加热的发展水平。国内的感应加热技术从50年代开始应用于工业生产，60年代的研制处于系列化晶闸管电源，到目前己经形成了一定范围的系列化产品。中频段，主要是以晶闸管取代发电机组，己经形成了5008000003000超音频段，80年代浙江大学采用晶闸管倍频电路研制了500九十年代开始，国内采用江大学研制开发的2500l(串联谐振电源方面5000高频电源方面，0年代初辽宁电子设备厂研制成功8050996年天津高频设备厂研制的7500江大学研制出2000南大学研制出1 内现阶段的的来说感应加热与国外的发展水平差距较大，需要国内的感应加热研究工作者付出更多的努力。14感应加热电源技术的发展趋势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，随着功率器件的大容量化、高频化带动感应加热电源的大容量化和高频化。(1)高频化目前，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高频频段，由于要发展应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软丌关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频电源。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。(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0并联数目，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。感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当两电雎源并联时，相互问的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以致逆变器件的电流产生严4第一章绪论重不均，因此串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的壶流大电抗器可充姿各并联器之问的电流缓冲环节，使得输入端的到多机并联扩容。(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、冶金和会属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象备式各样，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缀小，如何实现匹配变压器的高输入效率，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，实现商效、低成本隔离匹配。4)智能化控制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。具有计算机智能接嗣、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。l。5选题意义、霹的和任务151选题意义高频感应加热电源在工业生产和圈常生活中具有重要的作用。在高频大功率感应加热电源和谐振回路方面的研究同益受到重视，也取得了很大的成绩，但是在设计和制作高效率的大容量高频电源方面的工作仍然有很多工作需要完善。随着高频全控器件的容量不断增大，高频控制技术的不断完善和现代电力电子技术的不断发展，使的实现大容量高频高效的工业加热电源成为可能。高频大容量的感应加热电源在工业应用上有很大煎需求量，现在正在使用的电子管振荡器感应加热电源效率比较低，瑟且和电源隔离功率变压器体积和重量都比较庞大，而采用全控器件的高频电源可以大大提高电源的效率。当薛很现实的矛霜就是困家电力紧张和国内高频感戚加热电源效率低下这两者的问题，对固体高频感应加热电源研究就更凸现其实用价值，对缓解高质量热处理产晶的需求和节省国家电力能源有比较深远的影响。152课题的霹的本课题的主要目的是研究基于移相控制的高频感应加热电源，电源的工作频率为l率为一个完整的感应加热电源，包括主电路和控制电路。控制电路主要由驱动电路、功率控制电路以及频率跟踪电路三大部分组成。153本课题的主要研究任务1对20Kw，计算参数，合理选择主电路各元器件。2重点研究高频感应加热电源移鞠调功方式，并在此基础上设计移桶控制电路。3设计高频感应加热电源的频率跟踪电路，使其能快速、准确地拄艮踪负载的频率变化。5江南大学在职人员学位论文4设计逆变器开关器件的驱动电路，保证驱动信号的可靠性，并能有效的触发功率别考虑如何保证多管并联的功率功率流、过热保护电路设计。16本章小结本章首先介绍了感应加热技术及原理，回顾了感应加热电源技术的发展史，并且介绍了国内外在感应加热电源发展方面的情况，同时对感应加热电源的发展趋势作了进一步的阐述。其次，论文指出了课题的背景和选题的意义，并对本文的工作任务进行了总体安排。6第二章感应加热电源的构成及原理分析第二章感应加热电源的构成及原理分析21感应加热电源的拓扑结构感应加热的最终目的是在感应圈中产生一定频率的交流磁通。在电力电子半导体的感应加热装置出现以前，有很多实现的方法，因而也出现不同类型的感应加热装置。比如磁性静止变频器，旋转发电机组，电子管振荡器等，不论足电路的内部结构和外观均相差很大。而采用电力电子器件的感应加热装置，不论其频率等级和功率容量的差异，在内部原理上均大同小异。感应加热电源按其结构一般可分为如图21所示的三大类。感麻线嘲(a)逆变侧调功的感应加热电源感应线圈(b)可控整流调功的感应加热电源(c)直流斩波调功的感应加热电源图21感应加热电源的系统结构框图1 f 正常工作时，三相50为平滑直流电送到逆变器。逆变器直流电变成较高频率的交流电供给负载。感应加热电源按其输出功率调节方式又可分为调节逆变器功率因数角和调节逆变器输入电压两大类。其中，调节逆变器的功率凶数角这一类的结构类似于图21(a)，只是采用了不控整流器，在逆变侧由逆变控制电路完成功率调节的任务。调节逆变器的输7江南人学在职人员学位论文入电压调功这一类又有两种结构，一种是可控整流器调功，其结构类似于图2一l(b)，它是由整流控制电路调节整流器的触发角，从而调节逆变器的输入电压，达到功率调节的目的；另一种是不控整流器加斩波器调功，其结构类似于图21(c)，它是由不控整流器将交流电变换成直流电，再由斩波器来调节逆变器的输入电压以调节输出功率。感应加热电源中的逆变器采用电力半导体器件作为电子开关，将直流电转变成较高频率的交流电供给负载。逆变器是感应加热电源中的重要组成部分，它的工作频率和输出功率决定了电源的频率和功率，而这两个重要参数则取决于被加热物的材质，形状，加热温度，温度分布决定的加热条件以及单位时间内的物料处理量。下面对逆变器和负载的构成及工作原理进行分析。22负载分析及谐振电路221负载等效电路感应加热的工件和感应线圈一起可用图22所示的电路等效，其中等效阻抗则为Z=R+jL。L R一亡卜图22负载等效电路2 of 可以求出负载的功率因数为：P国L)2当负载感应圈中流过电流时，其有功功率为：负载品质因数为：Q=昔=譬(21)(223)(27=三亍 (25)1+常LR，即功率因数(低的感性负载。根据一些文献提供的经验数据，熔炼、透热和淬火用感应加热负载的功率因数一般为005O5。为了有效利用电源容量，必须提高其功率因数。在感应加热电源中，都是采用电容器来补偿无功功率的。补偿形式主要有以下两种： (1)补偿电容与负载串联； (2)补偿电容与负载并联。222串联振荡电路1电路分析当补偿电容与负载串联时，即构成串联振荡电路，如图23所示：由图2抗z=R+j(砒一去) (26)仅一广I 2R2+j(出去)2 (2第二章感应加热电源的构成及原理分析电流的模中电抗x=出去一 =R2+图23串联振荡电路3 时，电路出现谐振，此时缈=鳓=了杀谐振时各参数表达式为z=：1一15)(28)(29)(210)(211)(212)(22一14)Q：坐：L (216)R 嘞 (217)由此可见，谐振时外电源电压全部加在电阻上，此时电感和电容上的电压大小相等，相位相反，幅值是电源电压的此，我们把这种谐振称为电压谐振，、串联振荡电路的频率特性在输入电压定L、C、为常数)，根据绘制电路中电流(I)和阻抗(z)随由零到00的谐振曲线如图24所示。琮图24可知，当=于容抗阻挡，I=O，全部电压加在电容上。当逐渐增大，容抗抗流也逐渐增大，但谐振前，始终保持xC路成容性。当(o=路处于谐振状态，电流达到最大值，L，路呈阻性。当(因本文针对目前大功率开关器件出了一种新的逆变拓扑结构而在保证感应加热电源大功率的前提下提高了其工作频率。另外，针对感应加热系统参数具有非恒定性，随时间、环境及自身温度的变化而变化的特性，研究了采用电流过零同步技术的频率跟踪方式并在逆变器始终保持在功率因数近似为1的状态下工作，实现电源的高效运行。设计一台350实现的过程中，研究了基于行了软件编程仿真下载测试，以及电流过零同步技术的频率跟踪方式做了深入的分析试验。给出了整机的结构设计，逆变器控制框图，驱动电路以及保护电路的设计，同时给出了关键电路的仿真波形和电源实验结果。型斩波电路在感