唐佳慧开题报告.doc

本科毕业设计开题报告 题 目： 三电平感应加热电源的设计 专 题： 院 （系）： 电气与信息工程学院 班 级： 自动化08-4 姓 名： 唐佳慧 学 号： 23 号 指导教师： 宣丽萍 教师职称： 副教授 黑龙江科技学院本科毕业设计开题报告题 目三电平感应加热电源的设计来源工程实际1、研究目的和意义传统的两电平逆变器的主要优点是主电路拓扑结构、控制策略和控制方法都比较成熟，但功率往往无法满足实际需求。多电平逆变器(Multilevel inverter)由于开关器件的串联分压扩大了容量，并且对于开关管的要求相对较低，一方面在相同功率下减小了输出电流，另一方面也降低了成本。此外，多电平逆变器由几个电平台阶合成的阶梯波逼近正弦波输出电压，减小了高次谐波。目前国内的感应加热电源，无论是功率还是频率与国外先进水平相比有较大差距，所以将三电平技术运用于感应加热是一个新的应用领域，目前国内尚无实用化产品问世。因此本文研究一种新型三电平感应加热逆变电源，通过二极管箝位和滤波电容均压，使两只串联开关器件在额定电压确定下达到成倍增加输出电压幅值和输出功率的目的，对缓解大功率运用场合的需求有着重大意义。2、国内外发展情况(文献综述) 电磁感应现象早在1831年就己经被发现，其本质是闭合线圈中的磁通变化会产生感应电流。感应加热是利用涡流达到加热金属的目的。其理论基础是十九世纪末Foucault,Heavisidehe及Thomson等人对涡流理论和能量由线圈向铁芯传输的原理进行研究的系统。同时,在1890年，瑞典人Kjelin发明了有心感应炉用于金属冶炼，开始了电磁感应的涡流热效应原理的应用。到了五十年代末，晶闸管的出现迎来了感应加热电源技术以致整个电力电子学划时代的发展，标志着以固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。在五十年代以前出现的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器式高频电源。工频感应熔炼炉以电网电压产生的交流磁通对被加热负载加热。由于电网频率很低，为达到足够的输出功率和发热效果，电网必须提供大电流以建立足够强的磁通。在电网和负载之间，还串有调压设备，以调节输出功率。中频发电机组问世于1892年，直到1966年晶闸管中频感应加热装置出现以前，在中频感应加热领域，中频发电机组一直占据着统治地位。二十世纪二十年代后期，电子管才被应用于感应加热装置。目前电子管高频振荡器已被广泛应用于工业生产。常用的电子管振荡器频率范围一般在0.15MHz 左右，特殊的有 10MHz以上的振荡器应用于不同的场合。由于电子管振荡器的直流工作电压通常高12KV，因此必需采用升压变压器。五十年代末出现的晶闸管，引起了感应加热电源技术以致整个电力电子学的一场革命，感应加热电源及应用得到了飞速发展。如今，在中频(150Hzl0kHz)范围内，晶闸管中频感应加热装置己经完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。自八十年代以来，现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术的结合，为开发新型功率半导体器件提供了条件，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件(GTR，MOSFET，IGBT，SIT， SITH，MCT 等)，极大地推动了电力电子学的发展，为固态超音频、高频电源的研制提供了坚实的基础。在国外，1892 年世界上第一台中频发电机组研制成功，1958年第一只 200V、50A可控硅诞生以来，随着可控硅容量的逐步增加和快速可控硅的出现，可控硅变频器材得到了飞跃的发展。1966年瑞士BROWN BOVERI 公司发布了第一台功率为750KW、频率为1000Hz 的可控硅中频电源供瑞士一家翻砂厂应用，采用并联逆变线路，炉子电压为 1400V。与此同时，西德 AEG 公司再1966 年研制成了840kW、500Hz 的串联逆变器，炉子电压为3000V。七十年代后期，晶闸管中频装置已经逐渐代替了以前的中频发电机组，成为中频感应加热领域的主导产品。80 年代后，全控型自关断导体器件开始取代线路复杂、体积庞大、功能指标较低的普通晶闸管和换相电路。在高频感应加热领域里，SIT与功率管 MOSFET 成为了与电子管相抗衡的电力半导体器件，由于它们比电子管构成的装置体积小(缩小2/3)，节能(节电 1/3以上)，节水(节约1/2)，高效(效率提高 2/3)，而且寿命长，安全可靠，易于实现自控，加热质量高，维护工作量小，可随用随开，已经完全取代了对电子管做为感应加热的开关设备。日本在80年代中后期已经用SIT研制了200KHz，200KW 的高频感应加热电源，现已实现商品化。德国也于80年代末研制出了50200KHz，数百千瓦的感应加热电源。目前德国已经将1100KW/150KHz 和25kW/5MHz 感应加热电源产品化；英国也已经有了5KW/27MHz 的感应加热电源产品。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，已经形成了5008000Hz/1003000KW 的系列产品。在超音频领域的研究工作人员八十年代已经开始。浙江大学采用晶闸管倍频电路研制了50KW/50KHz的超音频电源，采用分隔电路研制30KHz的晶闸管超音频电源。从九十年代开始，国内采用IGBT开始研制超音频电源。由于采用电力半导体器件，与电子管装置相比感应加热电源无论是外观，还是内在的电路结构都趋于简单化和单一化。而且由于半导体感应加热电源频率应变性极强，又有自动跟踪负载频率变化的特性，其频率等级也更规范化和科学化。3、研究/设计的目标(1)输出功率：P0=10KW(2)输出频率：f0=5KHz(3)输入电压：fs=50Hz，Us=380V 4、设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）（1）硬件部分：本文设计的串联谐振式感应加热电源的电路结构包括主电路、控制电路、检测保护电路、辅助电源电路等电路的设计。主电路主要包括整流电路、逆变电路和负载。其中，整流电路采用三相不控整流滤波电路，逆变电路由8个IGBT开关管组成的，负载为由匹配变压器、感应加热线圈和补偿电容C组成的串联谐振槽路。控制电路主要是以DSP为控制核心、少量外围电路为辅助的方式实现的。主要实现驱动信号的产生，检测信号的处理，保护信号的输出，故障的报警等功能。检测保护电路主要完成对直流侧和负载侧的电压和电流的检测以及故障检测，以供DSP对这些信号进行相应的处理。其中，对直流侧的电流检测与电压检测是为系统的保护电路提供必要的信号，当产生过流或过压时，保护电路产生的保护信号经过DSP的处理后，发出相应的控制信号，从而保护了感应加热电源；故障检测为电源的辅助保护检测，如缺水、过热等等。辅助电源电路是用来为 DSP 及其外设电路供电。 图1 系统总体结构框图（2）软件部分：根据设计的要求，软件部分主要有主程序，积分分离PI控制流程图，功率控制流程图，频率跟踪程序流程图，中断程序流程图。5、方案的可行性分析通过对有关感应加热电源和DSP方面的资料收集，及对移相PWM控制的学习，可以选定主体控制方案。主电路的整流部分选择三相不控整流电路，因为二极管不控整流电路结构简单，不需要额外的控制电路，能提高功率因数，减小了输入侧的EMI；逆变电路中选择三电平逆变器，因两电平感应加热电源单只功率开关器件电压及电流定额受限，输出功率不能满足大中型工件热处理的需要，本文设计的适用于负载串联谐振的三电平感应加热逆变电源，利用功率开关器件的串联分压有效地增大了输出电压，从而提高了逆变电源的输出功率或在相同输出功率下减小了输出电流，由此可知主电路的方案是可行的。电源采用PS-PWM(移相脉宽调制) 方法作为输出功率控制策略，该方式在有效控制和调节输出功率的同时，也改善了输出电压波形的质量。控制电路中由于DSP可以通过程序算法对其输入信号进行实时的处理，然后产生相应的控制主电路的开关信号与保护信号，从而实现对感应加热电源的整体闭环控制，所以方案是可行的。6、该设计的创新之处三电平PS-PWM控制策略的高频感应加热电源开关管承受的为输入电压的一半，大大减小了开关损耗和开关应力，有利于逆变电源向高频和小型化发展，充分实现了三电平拓扑的优点。可用较低频率进行输出波形组合开关控制，损耗小、效率高。7、时间进程第 一 周 确定设计题目； 第 二 周 查阅相关资料；第 三 周 搜集相关的资料，规划设计方案； 第 四 周 整理设计题目的资料，完成开题报告； 第 五 周 确定设计方案，准备进行毕业设计； 第 六 周 确定主电路的设计方案； 第 七 周 对硬件电路进行设计；第 八 周 对硬件电路进行设计；第 九 周 绘制软件流程图；第 十 周 编写软件程序；第十一周 绘制硬件电路图；第十二周 掌握系统的软、硬件电路系统的具体工作能力；第十三周 对系统各部分功能及参数进行检测，并仿真；第十四周 整理设计内容，馔写设计说明书；第十五周 修改设计说明书；第十六周 准备答辩；8、参考文献1 约翰戴维斯等.感应加热手册M.北京：国防工业出版社，1985.2 潘天明.现代感应加热装置M. 冶金工业出版社，1996.3 Chen, S. 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