感应加热逆变电源设计.doc
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1、河南科技大学毕业设计论文 1 感应加热逆变电源设计感应加热逆变电源设计 摘要摘要 感应加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程,已成为冶金、国防、 机械加工等部门及船舶、飞机、汽车等制造业不可缺少的技术。此外感应加热正 不断的进入人们的家庭生活中,例如电磁炉等都是依靠感应加热原理工作的。感 应加热电源的发展趋势是高频化、大容量化、智能化和绿色化。目前的高频感应 加热电源频率在几百千赫左右技术比较成熟。 本文以串联半桥感应加热电源为研究对象,首先在介绍感应加热的原理基础 上,阐述了感应加热电源的特点、国内外发展状况及应其发展趋势。其次介绍了 串联全桥逆变电路与串联半桥逆变电路的优缺点, 半桥
2、串联谐振逆变器具有结构 简单,控制容易,有良好的经济效益等特点,故此,分析了串联半桥逆变桥的工 作原理。再次,在设计了一个串联半桥逆变电路的基础上,对各个器件的具体电 路参数进行计算,并合理选择元器件。最后,在一台半桥串联谐振电源上,通过 改变整流滤波后的电压,测试了桥臂电压波形,并对波形进行简要分析,得出感 应加热电源应尽量避免空载等实验结论。 关键词关键词:感应加热;串联谐振;半桥串联谐振逆变器;IGBT; 河南科技大学毕业设计论文 2 A Design Of Induction Heating Power Inverter Abstract Induction heating can b
3、e used for metal smelting, diathermy, heat reatment and welding process, the manufacturing sector has become an indispensable technology in metallurgy, defense, machining and other departments and ships, airplanes, cars and so on. Besides induction heating is constantly entering peoples family life,
4、 such as induction cooker, etc. are relying on the principle of induction heating work. Induction heating power supply is the development trend of high-frequency, high-capacity, intelligent and green. The current high-frequency induction heating power of about a few hundred kilohertz frequency techn
5、ology is relatively mature. In this paper, the series half-bridge induction heating power supply for the study, first principles on the basis of introduction of induction heating, induction heating power supply elaborated characteristics, domestic development and should its development trend. Second
6、ly, it introduces the advantages and disadvantages of full- bridge inverter circuit in series with a series of half-bridge inverter circuit, half-bridge resonant inverter series has a simple structure, easy to control, good economic returns, etc. Therefore, the inverse analysis of the half-bridge se
7、ries variable working principle of the bridge. Again, on the basis of a series of half-bridge inverter circuit designed on the specific circuit parameters were calculated for each device, and a reasonable choice of components. Finally, in a half-bridge series resonant power supply voltage by changin
8、g the rectifier filter after testing the leg voltage waveform, and the waveform is a brief analysis, the induction heating power should avoid no-load and other experimental results. Keywords: induction heating; series resonance; series resonant half-bridge inverter; IGBT;waveforms 河南科技大学毕业设计论文 3 目 录
9、 第一章 概 述.1 1.1 课题研究的背景1 1.2 感应加热的基本原理 .2 1.3 感应加热电源的特点 .4 1.4 国内外发展及现状5 1.5 感应加热的发展趋势 .6 第二章 半桥串联谐振逆变器的主电路.8 2.1 全桥串联谐振逆变电路8 2.2 半桥串联谐振逆变电路.9 2.3 半桥串联逆变器工作原理.10 第三章 主电路参数计算与选取 .12 3.1 原始数据.12 3.2 变压器的设计.12 3.3 确定整流晶闸管的参数 13 3.4 LC 滤波器的设计14 3.5 确定 IGBT 管参数 .14 3.5.1 额定电压 15 3.5.2 额定电流 15 3.6 半桥高频电容的参
10、数计算及选择 16 3.7 计算感应加热线圈的电感及主电路谐振电容 17 3.8 本章小结 17 4 第四章 实验结果及波形分析18 4.1 实验结果 18 4.2 实验结论和小结 20 结 论.21 参考文献.22 河南科技大学毕业设计论文 4 致 谢.24 河南科技大学毕业设计论文 1 第一章 概 述 1.1 课题研究的背景课题研究的背景 早在十九世纪初,人们就发现了电磁感应现象:处于交变磁场的导体内会产 生电流,从而引起导体发热。但是,这种发热长时间以来只是作为一种损耗而被 人们关注。十九世纪末,人们才开始试图利用这种发热,于是用于产生这种发热 的设备感应加热设备诞生了。 感应加热主要用
11、于金属熔炼、焊接、烧结、钢管焊缝、热装配、金属热处理 等领域。由于感应加热具有加热速度较快、温度容易控制、加热效率高、无需预 热、污染小、占地面积小、设备制造方便等诸多优点,因此广泛地应用于生产和 生活当中。它不仅可对金属材料直接加热,而且也可对非金属材料进行间接式加 热,如单晶硅的加热拉伸、半导体的提纯、有机涂层的固化、人造宝石的熔炼等。 另外,在航空工业等需要精密焊接处理的领域中,感应加热在对某些材料或零件 进行特殊处理方面所起到的作用也是不可替代的。如今,感应加热也开始渗透到 了人们的日常生活中,如电磁炉等以感应加热原理制造的电器,为人们的日常生 活提供了极大地方便。 感应加热电源是感应
12、加热工艺实现的主要设备。它可以将直流电转变为高频 率的交流电,进而产生交变磁场,处于交变磁场的导体感应出涡流,从而使导体 加热。随着电力电子技术的迅速发展,感应加热装置的面貌也日新月异,伴随着 MOSFET、IGBT等电力电子器件的相继出现,掀起了感应加热装置的革命,固态感 应加热装置已逐步取代电子管式感应加热装置,在很多方面得到较广泛的应用。 感应加热电源主要由整流器、逆变器、负载及控制和保护电路组成,其电路 结构如图11所示。整流器一般为三相不控整流或三相可控整流,它的作用是将 三相工频交流电转换为直流电;然后经过滤波器滤除杂波后送到逆变器,逆变器 将其转换为负载所需频率的交流电,以加热工
13、件;整流控制电路和逆变控制电路 分别为整流器和逆变器上的开关器件提供所需的脉冲信号。 河南科技大学毕业设计论文 2 图1.1 感应加热电源基本结构框图11 1.2 感应加热的基本原理感应加热的基本原理 根据电磁感应定律,处于交变磁场中的导体两端会产生感应电动势,当导体 为闭合回路时,导体中会有电流通过。感应加热的基本原理是根据电磁感应定律, 利用被加热金属工件中感生的涡电流对金属工件进行加热。 如图12所示,当交流电通过感应线圈f时,在其内部会形成一个与f同频率 的交变磁通西,处于线圈内的金属工件两端会产生感应电动势,从而产生涡流 使金属工件材料发热。假定缠绕在会属工件上的线圈匝数为N,则根据
14、麦克斯韦 尔(MAXWELL)电磁方程式,可得出感应电动势e为: dt d Ne 2 = 河南科技大学毕业设计论文 3 式中p金属工件的电阻率(cm); 金属工件的相对磁导率,对于非磁性材料来说,=1; f金属工件的电流频率(Hz)。 如果磁通是交变得,设,则t m sin = 有效值为: M fNE44. 4 2 = 感应电势 E 在工件中产生感应电流使工件内部开始加热,其焦耳热为: RtIQ 2 2 24 . 0 式中: 感应电流有效值(安) ,R工件电阻(欧) ,t时 2 I 间(秒)。 这就是感应加热的原理。感应加热与其它的加热方式,如燃气加热,电阻炉 加热等不同,它把电能直接送工件内
15、部变成热能,将工件加热。而其他的加热方 式是先加热工件表面,然后把热再传导加热内部。 金属中产生的功率为: cos44. 4cos 2M fNEIP= 感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关,而且与工件的截面大小、 截面形状等有关,还与工件本身的导电、导磁特性等有关。 在感应加热设备中存在着三个效应集肤效应、近邻效应和圆环效应。 集肤效应:当交变电流通过导体时,沿导体截面上的电流分布式部均匀的, 最大电流密度出现在导体的表面层,这种电流集聚的现象称为集肤效应。 近邻效应当两根通有交流电的导体靠得很近时,在互相影响下,两导体 中的电流要重新分布。当两根导体流的电流是反方向时,最大电流密度出现
16、在导 体内侧;当两根导体流的电流是同方向时,最大电流密度出现在导体外侧,这种 现象称为近邻效应。 圆环效应:若将交流电通过圆环形线圈时,最大电流密度出现在线圈导体的 内侧,这种现象称为圆环效应。 感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备。在感应线圈中置以金属工件, 感应线圈两端加上交流电压,产生交流电流,在工件中产生感应电流。此两 1 I 2 I 电流方向相反,情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。当电流和感应 1 I 电流相互靠拢时,线圈和工件表现出邻近效应,结果,电流集聚在线圈的内 2 I 1 I 侧表面,电流聚集在工件的外表面。这时线圈本身表现为圆环效应,而工件本 2 I 河南科技大
17、学毕业设计论文 4 身表现为集肤效应。 交变磁场在导体中感应出的电流亦称为涡流。工件中产生的涡流由于集肤效 应,沿横截面由表面至中心按指数规律衰减,工程上规定,当涡流强度从表面向 内层降低到其数值等于最大涡流强度的 1/e(即 36.8% ),该处到表面的距离称 为电流透入深度。由于涡流所产生的热量与涡流的平方成正比,因此由表面至芯 部热量下降速度要比涡流下降速度快的多,可以认为热量(8590%)集中在厚度 为的薄层中。透入深度由下式确定: )(/2 0 mmf r = 式中: 工件电阻率(m ), 。真空磁导率 410(H/m). 工 件磁导率(H/m ), 工件相对磁导率, 角频率(rad
18、/s ), f频 率(HZ)。 将 。和 的数值代入,即可得公式: )(/50300mmf r = 从上式可以看出,当材料电阻率、相对磁导率给定后,透入深度仅与频率 f 平方根成反比,此工件的加热厚度可以方便的通过调节频率来加以控制。频率 越高,工件的加热厚度就越薄。这种性质在工业金属热处理方面获得了广泛的应 用21。 1.3 感应加热电源的特点 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: (1) 加热温度高,而且是非接触式加热; (2)
19、 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; (10)工件容易加热均匀,产品质量好。 此外,感应加热电源由于采用了新型电路元件,其缓冲电路,驱动电路等也 河南科技大学毕业设计论文 5 得到了空前的改善,此外,还有对环境污染小等优点。基于上述分析,感应加热 电源有着良好的发展前景。 1.4 国内外发展国内外发展及现状及现状 感应加热技术从诞
20、生至今,经过了近百年的发展,取得了令人注目的成果, 尤其是六十年代以后,固态电力电子技术的出现与发展,使感应加热技术与现代 化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和技术力量。 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,用于数十吨的大型工件透热或数百吨的食用水保温。预 计短期内,以固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 (150Hz20kHz)范围内,晶闸管感应加热装置己经完全取
21、代了传统的中频发 电机和电磁倍频器,国外的装置容量己经达到数十兆瓦。在超音频 (20kHz1OOkHz)范围内,IGBT的应用占主导地位。1994年日本采用IGBT研制出 了1200kW/5OkHz电流型感应加热电源,逆变器工作于零点压开关状态,实现了微 机控制。1993年西班牙也报道T30-600kW/50-100kHz的IGBT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(100kHz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51200kW/100500kHz, 而采用
22、SIT的固态高频感应加热电源的水平可达400kW/4OOkHz。欧美各国采用 MOSFET的高频感应加热电源的容量也在突飞猛进.例如,西班牙采MOSFET的电流 型感应加热电源制造水平可达600kW/400kHz;比利时InductoElphiac公司生产的 电流型MOSFET感应加热电源水平可达1MW/15600kHz。 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,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,已
23、经形成了 500800 Hz/1005000kW 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逆变中频电源也是中频领域有待解决的问题。在超音频 河南科技大学毕业设计论文 6 领域的研究工作八十年代己经开始。浙江大学采用晶闸管倍频电路研制了 50kW/50kHz 的超音频电源,采用时间分隔电路研制了 30kHz 的晶闸管超音频电源。 从九十年代开始,浙江大学开始对 IGBT 超音频电源进行研制,1996 年研制开发 的 50kW/50kH,的 IGBT 电流型并联逆变感应加热电源己经通过
24、了浙江省技术鉴定, 目前的研制水平为 200kW/50kflz。另外,浙江大学在 90 年代己经研制成功 30kW/300kHz MQSFET 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31。 1.5 影响感应加热电源发展的主要因素影响感应加热电源发展的主要因素 (1)高频化 目前 ,感应加热电源在中频段主要采用晶闸管,超音频段主要 是 IGBT,而高频段,随着 MOSFET 和 1GBT 性能不断改进,SIT 将失去存在价值。 感应加热电源谐振逆变器可实现软开关,但由于通常功率较大,对
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