数控中频电源设计.doc

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）0 引言随着功率器件的发展，感应加热电源的频率也逐步提高，经历了中频、超音频、高频几个阶段。在感应加热电源的应用中，淬火、焊管、焊接等工艺都要求高频率高功率的电源。功率MOSFET虽然可以实现高频工作，但其电压、电流容量等级低，大功率电源需采用串、并联技术，影响了电源运行的可靠性。绝缘栅双极晶体管(IGBT)比较容易实现电源高功率化，但在高频情况下，其开关损耗，尤其是IGBT关断时存在的尾部电流，会限制工作频率的进一步提高。本文论述的中频感应加热电源采用功率自关断功率器件IGBT，负载频率是开关管工作频率的二倍，间接拓宽了IGBT的使用频率；功率管工作于零电流开关状态，彻底消除了尾部电流引起的关断损耗，理论上可实现零开关损耗；同时采用死区控制策略后，可实现负载阻抗调节。以往一般采用晶体管来实现逆变电路，但是晶体管关断期反压太低，参数匹配麻烦，输出频率仍然偏低；而采用IGBT后，并让电路工作在电流断续状态下，这些问题都得到很好地解决。为满足中小工件加热的需要，研制了一种新型线效的中频感应加热电源。该电源具有输出电压低圈匝数少、不需要中频变压器降压、结构简单、效率高1。1 概述中频感应电源因其设计简单、电效率高、使用方便等优点，在工业生产中得到了广泛的应用。随着我国制造业和电力电子行业的不断发展，迫切需要开展大功率感应加热用电源的开发和研制工作，以提高我国感应加热的技术水平，更好地促进工业生产的发展。1.1 课题研究意义现代工业生产中，经常要对金属工件进行淬火、透热、熔炼、钎焊、烧结等加热处理。随着社会的不断发展，人们对工件加热的工艺指标要求也越来越高。过去传统的加热方式，多以煤、油、气为能源或箱式电炉加热，不仅造成有限的资源浪费、环境污染，而且工作效率低，工人劳动条件差，工艺质量难以准确控制，严重地制约了机械加工业的迅速发展。因此利用电磁感应来加热金属工件的方法一经提出，立刻引起广泛的关注。感应加热是通过电磁感应原理即利用涡流对被加工件进行加热的。由于是从工件内部，即从工件的电流透入深度层开始加热的，因此大大节省了热传导时间，加热速度快，氧化层薄，金属烧损少，可以根据不同的工艺要求，对工件进行局部或整体加热，而且对加热深度可以严格控制，加热温度也容易控制，一般只需控制加热时间和电压即可，温差可保证在0.51%以内，而热效率则可高达5060%。最重要的是对大气和周围环境无污染，无噪音，作业的环境条件得以大大提高。在大力提倡环保意识的今天，更加符合时代的要求。而且，感应加热设备可以随时开停，不需电极或填加燃料，容易实现机械化和自动化。感应加热应用范围非常广泛:在锻造方面，可对钢材和钛、镍等稀有金属进行加工预热;在热处理方面，为了加强工件的硬度和韧性，应用感应加热可对钢材进行透热、表面淬火、穿透淬火、回火和焖火:在熔炼方面，通常用感应加热的方法来熔化优质钢和有色金属;在焊接固压方面，可把金属片涂料抹在金属表面，然后利用感应加热使其熔化镀涂并固化，有些汽车部件的连接也需感应加热电源;在烧结方面，使用感应加热能在石墨曲颈瓶或感应器中对碳化物加热到2550的高温。在国外，早在二十世纪初就开始了感应加热的研究，至今感应加热技术已日趋成熟。应用于感应加热的配套电源发展也十分迅速，电源的频率、功率不断提高。日前国外己有3000kw/8kHz和600kw/100 kHz的电源产品。上世纪八十年代特别是九十年代，随着科技的进步和时代的发展，我国的感应加热设备才有了一定的发展，但与世界发达国家相比还有相当大的差距。由于生产设计水平的限制，目前我国市场上的感应电源仍存在着不可忽视的缺点，如功率因数低、起动装置繁琐、功率调节有限等。这不仅造成了用户生产上的不便，还会影响到电网的安全。因此很好地解决感应电源的这些问题，不仅有巨大的经济效益，也有良好的社会效益。总之，随着我国电力供应的改善，电力电子技术的进一步发展，以及环保要求的提高，发展和扩大感应加热应用的范围，在锻造、焊接、淬火热处理等方面进一步改进技术，提高质最，改造我国传统加热行业是势在必行的。这一改造不但涉及与加热电源配套的机械工艺的改造提高，而且至关重要的就是进行大功率感应加热电源的开发和研究工作。本文试图针对日前IGBT中频感应电源存在的问题，提出新的设计方案，采用功率因数调节、零压扫频软起动、恒功率输出控制，单片机数字控制等新技术，对提高晶闸管中频感应电源的性能进行一些有益的探索。1.2 中频电源发展概述（1）感应加热电源技术发展现状感应电源按频率范围可分为以下等级：500Hz以下为低频，110KHz为中频；20KHz以上为超音频和高频。感应加热电源发展与电力电子器件的发展密切相关。1970年浙大研制成功国内第一台100KW/1KHz IGBT中频电源以来，国产KGPS系列中频电源已覆盖了中频机组的全部型号。在超音频电源方面，日本在1986年就利用SITH研制出100KW/60KHz的超音频电源，此后日本和西班牙又在1991年相继研制出500KW/50KHz和200KW/50KHz的IGBT超音频电源。国内在超音频领域与国外还有一定差距，但发展很快，1995年浙大研制出50KW/50KHz的IGBT超音频电源，北京有色金属研究总院和本溪高频电源设备厂在1996年联合研制出100KW/20KHz的IGBT电源。在高频这一频段可供选择的全控型器件只有静电感应晶闸管（SITH）和功率场效应晶闸管（MOSFET），前者是日本研制的3KW200KW，20KHz300KHz系列高频电源,后者由欧美采用MOSFET研制成功输出频率为200300KHz,输出功率为100400KW的高频电源。与国外相比，国内导体高频电源存在较大差距，铁岭高频设备厂1993年研制成功80KW/150KHz的SIT高频电源，但由于SIT很少进入国际化流通渠道，整机价格偏高，并没有投入商业运行。现在，电力电子应用国家工程中心设计研制出了550KW/100400KHz高频MOSFET逆变电源。上海宝钢1420冷轧生产线于1998年引进了日本富士公司的7180KHz,3200KW高频感应加热电源，是目前世界上最为先进的逆变电源。总体说来，国内在感应加热电源的设计开发和产品化方面虽有发展，但远不能适应我国工业发展的要求，对于应用范围越来越广泛的高频感应加热电源领域的研究尤为薄弱，处于刚刚起步阶段。（2）感应加热电源技术发展趋势感应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此当前功率器件在性能上的不断完善，使得感应加热电源的发展趋势呈现出以下几方面的特点。高频率目前，感应加热电源在中频频段和超音频频段主要采用IGBT，而高频频段，由于SIT存在高导通损耗等缺陷，主要发展MOSFET电源。感应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，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要进一步探讨。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二大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、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，当二电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不同或波动时将导致很大的环流以致逆变器器件的电流产生严重不均，因此串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC或DC/AC环节有足够的时间来纠正直流电源的偏差，达到多机并联扩容。负载匹配感应加热电源多用于工业现场，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，他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二个无源元件以取消匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配。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。 感应加热电源是感应加热的关键设备。在现代工业生产中，熔炼金属及对工件进行透热、淬火和弯管等，常常采用中频电源装置(150Hz10kHz)作为感应加热电源。随着电力电子技术和电力电子器件的发展，感应加热用中频电源在不同的频段有了不同的发展。在电力电子技术出现以前，中频加热电源多采用中频发电机组，但自从IGBT元件出现后，六十年代后期发展了感应加热用IGBT中频电源，由于它较中频发电机组有较多技术经济上的优点，因而得到了越来越广泛的应用。感应加热用IGBT中频电源与中频发电机组相比，具有以一下优点: （1）产品设计简单，制造方便，不需要大量的工夹模具和加工设备，因此一般工厂都可以生产，且生产周期较短。（2）体积小，重量轻，材料消耗少。可以节约硅钢片、铜材和钢材。（3）电效率高，感应加热用的IGBT中频感应电源装置效率一般在90%以上，而中频发电机组只有85%左右。（4）在运行中能根据负载变化而自动调整频率，无需频繁切换补偿电容器，使装置在工作过程中功率因数基本上保持不变，系统的输出功率一直保持在额定值上，从而能在较短的时间内完成对负载的感应加热;易于实现自动控制，适用于加热过程自动化。（5）这种电源装置没有旋转部分，运行可靠，维护简单，运行中噪音和振动较小，安装简单，不需要特殊的基础，运输移动方便。自从第一台晶体管感应加热电源出现直到上世纪七十年代，由于电力电子技术尚处于传统技术阶段，感应加热电源中的整流、逆变全由晶闸管组成，工作频率低，噪音高，控制系统一般采用分立元件构成，这段时期的技术发展主要是容量的扩大和控制手段的提高，采用较复杂的电路拓扑结构来提高工作频率。上世纪七十年代后期，以大功率晶体管、IGBT和功率场效应晶体管为内容的全控型功率半导体器件的商品化，使电力电子技术出现了一次飞跃。进入八十年代以后，半导体工艺日渐成熟，并不断产生新技术，出现了大功率半导体器件模块，使电力电子装置的体积大为减小，而且大大提高了效率和可靠性。在上世纪八十年代后期，不仅已有的GTR、POWERMOSFET容量不断地提高，而且出现了绝缘栅双极晶体管(IGBT)、静电感应晶体管(SIT)、静电感应晶闸管(SITH)、MOS控制晶闸管(MCT)等新型自关断器件，它们为全固态中高频感应加热电源的推广普及提供了条件。IGBT，SITH在几十千赫兹频段内得到了大量应用，而SlT、MOSFET则在100KHZ以上频段向传统的电子管式感应加热电源发起了挑战。目前，国外在中频感应加热电源的全固态化方面己取得了重大进展，采用IGBT的中频感应加热电源己完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器，容量己能做到100kw3000kw，频率为2000Hz8000Hz，可以配备5吨以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热、表面淬火等热处理工艺，但一般均采用并联谐振型逆变器结构，存在不易于频繁起动、受负载影响变化大等缺点。国内的中频感应电源己形成1kHz、2.5kHz、8kHz三个标准系列，在厂矿企业得到了广泛的使用。近年来，一些单位开发了基于集成电路控制和单片机控制的中频电源，在提高中频电源起动成功率和负载适应性方而取得了一些成绩。总之，中频感应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，也带动了中频感应电源向大容量化和高频化发展。同时由于中频感应电源多用于工业现场，其运行情况比较复杂，负载对象各式各样，而电源逆变器和负载是一有机整体，负载变化直接影响到电源的运行效率和可靠性，所以负载匹配也是研究发展的一个方向。另外，随着自动化程度的提高，感应加热系统正向成套装置及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系统正成为下一代的发展目标2。1.3 课题研究内容IGBT中频感应电源经过近四十年的应用和发展，其基本原理和技术已经较为成熟，为广大用户所接受。但是目前使用的IGBT中频电源仍然存在着较为明显的缺点，如功率因数低、起动电路繁琐、功率调节有限、控制电路可靠性差等。（l）功率因数问题目前IGBT中频感应电源一般整流部分采用IGBT三相桥式全控整流桥电路，通过调节整流控制角来调节直流电压，从而调节电源的输出功率。由于电源的输入功率因数为电网电流畸变因数和电网基波电压电流位移因数的乘积，IGBT中频感应电源往往工作在位移因数较小的情况下，因此电源的输入功率因数通常低于0.76。低功率因数造成负载实际吸收功率少，对电网的无功功率和电压也由较大的影响。随着近年来业界对电力电子装置谐波污染的重视和严格要求，谐波含量和功率因数也成为评价电源性能的重要内容。（2）起动问题电源起动的难点在于当整个电源准备开始工作时，负载还没有通电，各种检测装置没有信号，如何确定逆变的初始频率。目前大部分的IGBT中频感应电源采用的起动方式为预充电方式。其原理为:在电源起动之前，先利用辅助电源在负载电容两端加上电压充电，然后闭合开关将电容中的能量释放到负载电感和电阻回路，产生衰减的震荡。测量装置检测到该震荡后，可以产生反馈信号，控制逆变频率调节，从而使电源装置投入工作。这种方法的优点是能准确地得到槽路的谐振频率，与负载配合方便。但它需要辅助电源、开关及相应的控制电路，大大增加了整机的复杂程度和成本，故障几率增高，还经常出现逆变起动失败，引起过流的情况。此外，还有对直流部分的滤波电感预充磁方法，也有相同的缺点。 （3）控制电路问题随着电子技术的不断进步，IGBT中频感应电源的控制电路也正在由简单到复杂、由模拟电路向数字电路发展。但是目前大部分电源还是采用的模拟电路或模数混合电路。这些电路一般使用大量的三极管、运算放大器和一些逻辑器件，不仅电路复杂、调节精度低、可靠性差，而且调试、修改不方便。依靠电位器只能调节有限的几个参数.而且不准确，不仅给用户造成麻烦，也使调试人员的工作十分繁琐3。这些目前所存在的问题，正是本课题所力求研究和解决的内容。1.4 本文所做工作本文针对目前市场上的IGBT中频感应电源的缺点，诸如功率因数低、起动装置繁琐、功率调节有限等，提出了一种新的主电路和控制电路设计方案。研制过程中采用了功率因数调节、零压软起动、恒功率控制等新技术，并通过加MOS51芯片实现，极大地提高了晶闸管中频感应电源的性能，具有较高的生产实用价值。本文的主要工作有: 本文主要设计内容：（1）给出系统理论模型和主要设计内容。（2）主回路部分，进一步介绍了整个系统的总体工作过程，分析了主回路的等效模型，通过计算选择主回路元器件参数。（3）控制系统及实验论证，介绍了控制回路硬件原理和控制模块单片机及其组成方案。（4）驱动电路部分，给出了IGBT驱动电路的要求和驱动模块EXB841，及其在本系统的用途，并分析了其短路方法。2 系统主电路的分析与设计感应加热系统具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化等优点，广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。2.1 主电路原理分析IGBT中频感应电源是一种由大功率IGBT元件组成的静止式电源，它将工频三相电源经整流、逆变转换成为中频单相或三相交流输出，应用于感应加热。2.1.1 感应加热的基本原理感应加热是在金属工件外绕上线圈，当线圈通过交流电流时，电能就通过电磁感应传递给金属工件，然后电能在金属内部转变为热能。感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流及祸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。为了将工件加热到一定温度，或使之熔化，要求工件中的感应电动势尽可能的大。增加线圈中的电流，可以增加工件中的交变磁通，所以增加线圈中的电流是加大感应电动势的一个途径，现代感应加热设备中的电流最大可达到几千甚至上万安培。加大感应电动势的另一个途径是提高电流的频率，由于工件中的感应电动势正比于磁通变化的速率，电流频率越高，磁通变化就越快，感应电动势就越大。从另一方面看，为了得到同样的加热效果，频率越高，磁通和电流就可以小一些，这可减小线圈中的铜耗，提高设备的电效率。现代感应加热己广泛采用中频(150H10kHz)及超音频(10kHz100kHz以上)、甚至高频(100kHz以上)电源。当利用感应加热设备加热金属工件时，工件中的感应电流会出现分布不均匀的现象.即存在集肤效应、邻近效应和圆环效应。利用这几种效应，感应加热土要应用于淬火、透热、熔炼、钎焊和烧结等工艺。2.1.2 感应加热用IGBT中频电源感应加热用IGBT中频电源是一种将三相工频交流电转变为单相中频交流电的装置。IGBT变频电路可以分为两大类:交-交变频电路和交-直-交变频电路，前者的特点是将50Hz的工频交流电直接变成频率为f的中频交流电，没有直流中间环节。这种变频电路的优点是效率较高，但电路复杂，目前应用极少。交-直-交变频电路的特点是有直流中间环节，通过整流电路先将工频交流电整流成直流电，再通过逆变电路将它变成频率为f的交流电。它具有电路简单，调试方便，运行可靠，效率可达90%以上等优点，目前国内外应用较多。逆变电路输出的中频电能，通过感应线圈施加到负载上，进行感应加热。按照逆变电路和负载的不同组合，感应加热又可以分为并联变频电路、串联变频电路、串并联变频电路、倍频式变频电路和时间分割变频电路等，其中并联变频电路和串联变频电路是基本电路。由于我们设计的电源采用的是并联变频电路，在此仅介绍分析并联变频电路4。图2-1并联式中频电源主电路原理图Fig.2-1 Parallel IF power main circuit schematics图2-1为本文所设计的并联式中频电源主电路原理图。图中A为二极管组成的三相整流桥，它将正弦的工频交流电整流成脉动的直流电Ud。图中B为降压斩波电路，它是由开关器件IGBT、储能电感和二极管组成，它通过调节IGBT开关的占空比来调节输出的直流电压.从而调节负载电流，并且大电感把直流电流I滤成平滑的波形。图中C为由四个IGBT组成的单相桥式逆变电路，它将直流电流I逆变为交流方波中频电流IN，并将它送入负载电路D。负载电路D由感应器和电容器组成的并联振荡电路对工件进行感应加热。逆变电路输出的中频电流的频率f，受负载振荡电路控制，工作在略高于并联振荡电路的谐振频率。中频电流场中含有明显的谐波，接近谐振频率的基波电流通入并联振荡电路时，振荡电路呈现很大的阻抗;比基波频率高几倍的谐波电流通入并联振荡电路时，振荡电路呈现很小的阻抗，所以方波中频电流IN，通入并联振荡电路负载时感应器负载电压UN 。实际上接近正弦波形5。并联变频电路对负载的适应能力强，是当前应用得最广泛的一种电路，主要用作中频熔炼和透热的电源。2.2 感应加热电源电路的主回路结构主电路结构框图如图2-2所示：三项交流电功率给定整流降压斩波逆变负载控制及驱动频率跟踪及电压控制功率测量图2-2 感应加热电源主结构框图Fig.2-2 Iduction heating power structure diagram ofthe main2.2.1 主电路的主要设计技术参数电网供电电压：3相380V感应加热电源输出功率：15kW输出电流频率：20KHz输出电流值：30A2.2.2 主回路的等效模型（1）从图2-1可知，开始工作时，首先给电容C充电。电路等效为一个一阶RC零状态响应电路，把整流器理想化为一个直流电源。如图2-3a所示，开关S闭合前电路处于零初始状态，即。在t=0时刻，开关S闭合，电路接入直流电压源。根据基尔霍夫电压定律（KVL），有 （2-1）把代入，得，电路微分方程 （2-2）求解微分方程得出： （2-3）图2-3a主回路等效电路1Fig.2-3a Min circuit equivalent circuit 1 （2）以指数形式趋近于它的最终恒定值，达到该值后，电压和电流不再变化，电容相当于开路，电流为零。 当电解电容充满电后，相当一个直流电压源。和导通时，整流后的直流电开始给负载供电，电流的流向RL，则主回路等效于一个一阶零状态响应电路。电路图如图2-3b。开关S接通后，（）=（）=0,电路的微分方程为 （2-4）初始条件为（）0时，电流的通解为 ： （2-5）式中 为时间常数。特解，积分常数A（）所以 （1） （2-6） 图2-3b主回路等效电路2Fig.2-3b Min circuit equivalent circuit 2（3） 继续导通，电压源提供的电流为0，此时，电感储存的能量通过和续流二极管D o2形成回路，等效为一个一阶零输入响应电路。如图2-1所示。电路在开关动作之前电压和电流已恒定不变，电感中有电流。具有初始电流的电感和电阻连接，构成一个闭合回路，如图2-3c。在0时，根据KVL，有 （2-7）而，电路的微分方程为 （2-8）其特征根为 （2-9）故电流为 （2-10）电阻和电感上电压分别为： （2-11）图2-3c主回路等效电路3Fig.2-3c Min circuit equivalent circuit 3（4）当和关断，和到通时，电感的自感电流比整流电流大，通过二极管、续流，等效为一个二阶零输入响应电路。如图2-3d所示，为串联电路，假设电容原已充电，其电压为，电感中的初始电流为。则=0时，开关闭合，此电路的放电过程即是二阶电路的零输入响应。在指定的电压、电流参考方向下，根据KVL可得 （2-12），电压，。把它们代入上式，得 （2-13）上式以（令=以方便求解）为未知量的串联电路放电过程的微分方程。求解后，特征方程为 （2-14）解出特征根为 （2-15）根号前有正负两个符号，所以有两个值。为了兼顾这两个值，电压可以写成 = （2-16）其中 （2-17）可见，特征根和仅与电路参数和结构有关，而与激励和初始储能无关。 根据给定的两个初始条件结合电压的表达式，可得 （2-18）将解得的和代入电压的表达式 =，就可以得到串联电路零输入响应的表达式： （2-19）图2-3d主回路等效电路4Fig.2-3d Min circuit equivalent circuit 42.3 整流部分电路分析为了尽可能减小整流器直流输出电压中的纹波，通常在整流器直流一侧并联容量较大的滤波电容。本设计采用目前应用最为广泛的三相桥式全控整流电路，其原理图如图2-1所示，习惯将其中阴极连接在一起的3个二极管(Dl、D3、D5)称为共阴极组；阳极连接在一起的3个二极管(D4、D6、D2)称为共阳极组。此外，习惯上希望二极管按从1至6的顺序导通，为此将二极管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的3个二极管分别为D1，D3，D5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的3个二极管分别为D4、D6、D2；从以下的分析可知，按此编号，二极管的导通顺序为D1D2D3D4D5D6。图2-4三相桥式不可控整流电路的波形Fig.2-4 The waveform of three-phase bridge is not controlled rectifier circuit对共阴极组的3个二极管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对共阳极组的3个二极管，则是阴极所接交流电压值最低(或者说负得最多)的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个IGBT处于导通状态，加于负载上的电压为某一线电压。此时电路工作波形如图2-4所示。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组二极管导通时，整流输出电压Ud1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压Ud2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压，是两条包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的二极管对应的是最大(正得最多)的相电压，而共阳极组中处于通态的二极管对应的是最小(负得最多)的相电压，输出整流电压为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压波形为线电压在正半周期的包络线6。由图2-1知,在A阶段，a相电位最高，共阴极组导通，b相电位最低，共阳极组D6导通。电流流通路径为a-R-LD6-b,负载上的电压，变压器在a、b两相工作，共阴极组a相电流为正，共阳极组的b相电流为负。 在B阶段，a相电位仍为最高，继续导通，但c相电位最低，D2导通，电流从b相换至c相。D2因承受反向电压而关断。这时电流流通路径为：a-RL-D2-c, 负载上的电压在C阶段，b相电位最高，D3导通，则共阴极组换相至D3，电流从a相换至b相，因为承受反向电压而关断，D2因为c相电位仍为最低，而继续导通，电流流通路径为：b-D5-R-L-D2-c,负载上电压。 以下D、E、F段依次类推。在D段，、D4导通，。以后重复上诉过程。可知二极管导通顺序为、。 2.4 逆变部分电路分析电压型全桥逆变电路的原理图己在图2-1中给出，它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂l和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通.每个桥臂由一个IGBT和一个反并联二极管组成。在直流侧接有一个足够大的电解电容。负载接在两对桥臀联结点之间。设四个IGBT有两组的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。当负载为感性时，其工作波形如图2-5所示。输出电压为矩形波，其幅值为UmUd,输出电流波形随负载情况而异。设t2时刻以前T1,T4通态，T2,T3为断态。t2时刻给T1,T4关断信号，给T2,T3开通信号，则T1,T4关断，但由于感性负载中的电流，不能立即改变方向，于是VD2，VD3导通续流。当t3时刻降为零时，VD2，VD3截止，T2，T3开通。开始反向。同样，在t4时刻给T2,T3关断信号，给Tl,T4开通信号后，T2,T3关断，D1,D4先导通续流，t5时刻T1,T4才开通。各段时间内导通器件的名称标于图2-5。 t t3 t4 0 t1 t2 t5 t6 t V1 V4 V2 V3 V1 V4 V2 V3ON VD1VD4 VD2VD3 VD1VD4 VD2VD30-图2-5 单相全桥电压型逆变电路工作波形Fig.2-5 Sngle-phase full-bridge voltage inverter circuit waveform当T1、T4或T2、T3为通态时，负载电流和电压同方向。直流侧向负载提供能量；而当D1，D4或D2，D3为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧。反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。因为二极管Dl、D4、D2、D3是负载向直流侧反馈能量的通道，故称为反馈二极管；又因为Dl、D2、D3、D4 起着使负载电流连续的作用，因此又称续流二极管7。 2.5 系统主回路的元器件参数设定2.5.1 整流二极管和滤波电路元件选择 （1）整流二极管的选择 整流输出的电压平均值为： U2.34U2.34220V514.8V电流平均值 ： 输出电流平均值为 =/ R （2-20）与单相电路情况一样，电容电流平均值为零、因此 = （2-21）在一个电源周期中，有6个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为的l/3，即 =/3=/3 （2-21）二极管D可能承受的最大正向电压为线电压峰值的1/2，即（）/2，即220V/2269.5V。 二极管D可能承受的最大反向电压为线电压峰值U=220V539V根据工程设计技术经验和工艺要求,整流二极管采用4个IN4007。IN4007反向耐压为1000V，封装形式DO-41。（2）滤波电容的选择滤波电容器主要起滤波和稳定电压的作用。由于采用三相桥式整流电路，其电压纹波脉动为300Hz，为保证给逆变电路提供稳定的直流电压，滤波电路的时间常数，也即滤波电容器Ca与直流电源的等效负载电阻Rd的乘积，必须为纹波中基波的周期时间的6倍以上，这里取8，即 则 电容电压必须高于 440（V）。可以选用4700uF/400V的电解电容2只串联8。2.5.2 IGBT和续流二极管的选择当三相交流电380V整流变成直流电时，其有效值大约在311.8V左右，当IGBT关断时，续流二极管导通，稳压电源的全部输入电压都加在IGBT集-射极的两端。因此，开关管的集-射额定电压UCE必须大于稳压电源的输入电压。IGBT受到的最大正向电压为逆变器输入端电压源的电压,考虑到开关时的浪涌电压，取额定电压： =1.5=1.5311.08=466.62 (V) 额定电流： IM=30=42.4 (A)另外，考虑与专用驱动芯片的兼容性，故选用EXB841，其有关参数如下：表2-6 G80N60 的性能参数Tab.2-6 G80N60 the performance parameters开启电压5V1V栅极击穿电压20V集射电压600V集电极电流80A集射峰值电流320A耗散功率320W集射截止电流IGES0.5mA饱和压降2.7V正向跨导36输入电容3000pF下降时间43ns根据续流二极管的正向额定电流必须等于开关管的最大集电极电流，以及当开关管截止时，输入电压加在续流二极管的两端，因此，续流二极管的耐压值必须大于输入电压。再者，因为开关管的工作频率很高，续流二极管也只是在IGBT管关断的很短一段时间内工作，因此这种二极管的恢复时间还必须远远小于开关管的工作周期，这样也只有200ns以下的快速恢复二极管能满足要求9。3 控制电路的设计控制系统是IGBT中频感应电源的核心部分，前面所述的整流、逆变、功率调节等控制方案均通过其实现。控制器的主要是通过电流互感器采集电路中负载端输出电流，在通过A/D转换，把信号输入单片机进行控制，单片机在输出信号去控制驱动IGBT的驱动电路从而控制晶闸管的导通角，控制输出电流保持恒功率输出单片机控制系统包括微处理器AT89C51，74LS373，一片并行扩展接口8255A，和一片键盘显示专用芯片8279。8255的PA、PB、PC口做为AT89C51的扩展接口使用。3.1 微处理器AT89C51AT89C51是一个低电压、高性能8位单片机，片内含有4K bytes可反复擦写的只读存储器（EPROM）和128 bytes的随机存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，内置功能强大的微型计算机的AT98C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向的输入/输出（I/O）端口，同时含有2个外中断口，2个16位可编程定时记数器，2个全双工串行通信口。AT89C51可以按照常规的方法进行编程，也可以在线编程，其将通用的微处理器和FLASH存储器结合在一起，特别是可反复擦写的FLASH存储器可有效的降低开发成本。因此系统选择了AT89C51作为微处理器。AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三中封装形式，以适应不同产品的要求。（1）主要功能特性：兼容MCS-51指令系统32个双向I/O端口两个16位可编程定时/记数器一个串行中断两个外部中断源可直接驱动LED 低功耗空闲和掉点模式4K可反复擦写（1000次）FLASH RAM可编程UARL全静态操作024MHZ共六个中断源3极加密位软件设置睡眠和唤醒功能（2）AT89C51引脚及功能说明图3-1 AT89C51引脚图Fig.3-1 The structural diagram of AT89C51 chipAT89C51单片机为才用标准40线双列直叉式封装的集成电路芯片，端子分为端口线，电源线和控制线三类。a.端口线：P0.0P0.7（3229端）：P0口是一个双向的三态I/O口线。在访问外部存储器时，它分时提供低8位地址和双向数据线，故称为地址/数据线。 P1.0P1.7（18端）：P1口是一个8为准双向的I/O口线。当P1口做为通用的I/O口使用的时候，其动能是与P0口相同的，也用于传送用户的输入/输出数据。P2.0P2.7（2128端）：P2口是一个8位的准双向的I/O口线。在访问外部存储器时，它输出高8位地址。P3.0P3.7（1017端）：P3是一个8位准双向的I/O口线，即可以作为一般的I/O口使用，同时又兼有第二功能；用于特殊信号输入/输出和控制信号，属控制总线。各端子的第二功能如3-2表所示。表3-2 P3口各端子的第二功能Tab.3-2 P3 Muth of the functions of the second terminalP3口的位第二功能注释P3.0RXD串行口数据发送器P3.1TXD串行口数据接收器P3.2INT0外中断0输入P3.3INT1外中断1输入P3.4T0定时器计数器0记数输入P3.5T1定时器计数器1记数输入P3.6WR外部RAM写选通信号P3.7RD外部RAM读选通信号所谓准双向I/O口是指P1口、P2口和P3口片内均有固定的上拉电阻，有两个MOS管串接，即可断开漏极输出，又可以处于高阻状态，因此成为双向三态I/O口。b.电源线Vcc:为+5V电源线，Vss为接地线。c.控制线PSEN（29端）：程序存储允许输出端。在执行访问外部的指令MOVC时，此端输出反脉冲，用于为片外程序存储器芯片的选通。在其他情况下，输出均为高电平封锁状态。ALE/PROG（30端）：地址锁存信号允许输出端。在访问外部数据存储器时，用他来锁存P0口的低8位地址信号。不访问外存储器时，该端有1/6的时钟震荡频率正脉冲信号输出，但不能用该端做时钟或定时信号端。EA/Vpp（31端）：程序存储器地址允许输入端。若EA=1时，则执行片内程序存储器命令，但PC数值大于0FFFH时，将自动转向执行片外存储器指令；若EA=0时，则只执行片外存储器指令。RST/VPD（9端）：复位/备用电源输入端。高电平有效，可以使单片机处于复位状态。此外，还可作为备用电压输入端。当主电源Vcc发生故障而降低到规定低电平时，RST/VPD线上的备用电源自动投入使用，以保证片内RAM中的信息不丢失。XTL1，XTL2（19和18端）：反相震荡放大器的是输入和输出端10。3.2 A/D转换电路3.2.1 A/DC0809的特点ADC0809是8路8位逐次逼近型A/D转换器，能够对多路模拟信号进行分时采集和A/D转换，输出数字信号通过三态缓冲，可直接与微处理器的数据总线相连，这样就避免了采用多路开关、数据保持、A/D转换等芯片组成的实现同样功能的电路带来的一系列问题。用ADC0809这种器件代替一部分电路，不仅元件数量、接插件和相互连线减少，使系统可靠性增加，而且成本往往比用多个元件实现的电路要低，满足元件的选择原则。ADC0809芯片图见图3-3：ADC0809主要特征：1）分频率为8位。2）最大不可调误差小于。3）可锁存三态输出，能与8位微处理器接口。4）输出与TTL兼容。5）不必进行零点和满度调整。6）单电源供电，供电电压为+5V。7）转换频率取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围是：101280kHz。图3-3 ADC0809芯片图Fig.3-3 Chip diagram of ADC0809表3-4 ADC0809芯片引脚说明Tab.3-4 Note pin chip of ADC08098路模拟信号输入端8位数字量输出端START启动控制输入端（高电平有效）ALE 地址锁存控制输入端EOC转换结束信号输出端OE输出允许控制端，用于打开三态输出锁存器CLK时钟信号输入端ADDA(ADDB、ADDC)8路模拟选通开关的3位地址选通输入端Vcc供电电源输入端参考电压正端参考电压负端3.2.2 A/DC0809与单片机的控制和接口电路ADC0809芯片内部没有时钟脉冲源，可以利用AT89C51提供的地址锁存控制输入信号ALE经D触发器二分频后，作为ADC0809的时钟输入。由于ADC0809具有三态输出数据锁存器，其8位数据输出端可直接数据总线相连。地址选通端ADDA、ADDB、ADDC分别与AT89C51的P0.0、P0.1、P0.2相连，用于选通IN0IN7中的某一个通道。ALE和START连在一起，ALE=START=，ADC0809在锁存通道地址的同时启动A/D转换。在读取A/D转换结果时，OE=产生的正脉冲信号用于打开三态输出锁存器。ADC0809的EOC信号与AT89C51的P1.0相连，作为A/D转换是否结束的状态信号供AT89C51查询。ADC08