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1、第1章绪论1.1感应加热技术概况感应加热来源于法拉第发觉的电蹂感应现象，也就是交变的电流会在导体中产生感应电流,从而导致导体发热。近几十年以来,随着科学技术的提高以及更先进器件的发展及应用，感应加热技术对工业部门的发展产生了巨大的影响.体枳更小，IR量更轻，高效节能，负载适应范用大成为感应加热装置发展的方向。它是利用处在交遨场中的导体内产生涡流和磁滞损耗作用于金属而引起热效应，在瞬时间产生大量的热能以此对工件表面或整体进行加热，及传统加热方式相比.感应加热技术具有很大的优势.如加热效率高，速度快,可控性好，易于实现高温柔局部加热等等.目前，感应加热技术广泛应用于淬火、假造熔炼、锻造毛坯加热,金
2、属表面热处理等行业中。为了获得更高的电能转换效率，提高电能的利用效率,就要求电源装置具有较高的输入输出功率因数，并且实现电力电子的软开关，以降低开关损耗.近年来随着新型电子器件的发展及应用，高频电源的市场需求促进r新的功率泯件的产生，同时新器件也会带来高频电源的发展.感应加热电源电路中的谐振逆变器通过功率器件来实现软开关的功能，所以感应加热电源会朝着大容量化、大功率及高频率相统一的方向发展，但是其中有些技术须要我们进一步解决。随着电力电子技术和微电子技术以及现代限制技术的发展,感应加热电源的发展也逐步趋下成熟.目前，感应加热技术发展趋势：更加大功率化、大容珏化和高频化;低功耗、高功率因数：限制
3、智能化、数字化：加热技术无次化：应用广泛化等.12本文设计内容本文的设计内容为200KW感应加热电源主电路设计，此次设计要实现的功能是:先将工频沟通电通过整流器及滤波电路变成直流电，再将直流电转换为频率超过2000Hz以上得到的沟通电.由此沟通电驱动电磁线圈产生.高频交变磁场。在被加热的金属工件内产生磁沛损耗和涡流损耗，产生.热量而加热工件。该电源应当供应一个在大范围内连续可调的电流,以驱动负载线圈产生肯定的磁场.由于电源要应用感应加热装置,所以电源的频率要在肯定范围内可调.电第2章感应加热电源主电路设计2.1 感应加热电源主电路总体设计方案感应加热电源主电路原理图如图2.1所示本设计系统主电
4、路采纳的是交一直-交结构，包括输入整流器、直流淤波器、逆变器、沟通泄波器及隔离变压器等组成部分。整流港波电路将输入的沟通电转变为直流电,逆变电路中的逆变器输出的脉宽调制波经1.C低通滤波电路滤去高频重量,得到纯正的正弦波沟通电,再经变压器隔离变压得到设计所要求的电流和频率均可,调的沟通电供应感应加热器的沟通线圈从而利用感应加热线圈产生的磁沛损耗和涡流损耗进行加热.2.2 详细电路设计2.3 2.1整流电路设计整流电路是电力电子电路中出现最早的一种,它的作用是将沟通电能变为直流电能供应直流用电设备，整流电路应用非常的广泛，例如直流电动机，电镀和电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。本设计不用
5、整流变压器而干脆由380V三相沟通接入再整流为直流电源.常用的三相可控整流的电路有三相半波、三相半控桥、三相全控桥、双反星形等。.从经济和适用角度分析，本设计采纳三相半控整流电路。本设计采纳三相桥式晶闸管半控整流电路。它具有如下优点：在启动过程中,谢整晶闸管的触发角，可以限制整流输出直流电压由低到裔渐渐改变，这样可以rch:=cj图26洗波电路2.2.3逆变电路设计及整流相对应，把直流电变成沟通电成为逆变.逆变电路分为有源逆变和无源逆变两类.通常状况下，不加特别说明.逆变电路都是指无源逆变电路.而无源逆变电路又包含电压型和电流型逆变两种。本设计采纳服相电压型全桥逆变电路，它共有4个桥管，可以看
6、成由两个半桥电路组合而成。把桥寓1和4作为一对，桥群2和3作为另一对，成对的两个桥寓同时导通，两对交替导通各导通180度.全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最为广泛的.其电路具有如下特点：（1）直流侧为电压源,或并联有大电容.相当T电压源，直流侧电抵基本无脉动,直流回路呈现低阻抗：（2）由于直流电用源的钳位作用，沟通侧输出电压波形为矩形波，并且及负载阻抗角无关;而沟通侧输出电流波形和相位因负载阻抗状况的不同而不同：（3）当沟通侧为阻感负载时须要供应无功功率,直流侧电容起到缓冲无功能量的作用：为了给沟通侧向直流才反馈的无功能址供应通道，逆变桥各普都并联反馈二极管“电压型全桥逆变电路如图2。3所示.
7、电压型逆变电路负载分析：电容及负载串然构成了电压型逆变器的负载电路。如图2.4所示。由图2.4可知，负载阻抗为：7)可见，电路发生串联谐振时外部电源电压全部加在电阻上，电感上的电压和电容上的电压大小相等，方向相反，且大小等于外部电压的Q倍，因此我们也经常把串联谐振称为电压型谐振,Q为谐振电路的品质因数。当今逆变电源限制广泛的采纳了SIMM正弦脉冲宽度调制法.它是调制波为正弦波，载波为三角波或锯齿波的一种脉冲宽度调制法，由丁三角波或锯齿波的上下宽度是线性改变的波形，因此它及倜制波相交时，就可以得到组幅值相等，而宽度正比于调制波的函数值的矩形脉冲序列用来等效调制波,用开关量取代模拟量，并通过对逆变
8、器开关管的通断限制，把直流电变成沟通电。SRWM调制的工作原理：冲量等效原理,大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的枳分相等，其作用效果基本相同。正弦波脉冲宽度调制波形，就是及正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形.依据采样限制理论，脉冲领率越高，SPWY波形越接近正弦波.逆变器输出电用为SPWM波形时.其低次谐波得到很好地抑制和消退,高次谐波乂能简单灌去，从而可得到畸变率极低的正弦波输出电压。依据脉宽调制的特点，逆变器主电路的开关器件在其输出电压半周内要开关N次,而器件本身的开关实力及主电路的结构及其换流实力有关，所以，应用脉宽调制技术时必定受到肯定条
9、件的制约，主要有下列两点：开关频率.电力电子器件的开关须率受到其固有开关时间和开关损耗的限制。为了使逆变器输出尽员接近正弦波,应当尽可能增大载波比，但开关罂件本身允许的开关频率又限制了我波比不能太大。最小间歇时间及调制度.为保证主电路开关器件的平安工作,必需使所调制的图2。5主电路图脉冲波有个最小脉宽及最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间及关断时间。主电路如图2。5所示。2.3元器件型号选择2.3.1整流电路参数计算及选择(1)三相半控整流电路，其整流输出的直潦电压为：S=03式中：日-整流波波输出电压平均值；可一整流电路输入线电压；则回=回习1。353=135-380=513
10、V本电源的最大输出功率为J-200KW,考虑到泄波器的损耗以及功率开关管器件的开关损耗,设逆变器的变换效率为95%,则整流电路最大输出直流功率为：3=x=200/0.95=210.5KW则整流电路的最大输出直流电流为：=2105/513=410.4A整流二极管参数计算在三相整流电路中，每个桥普的一极管所承受的正反向电压的最大值为三相沟通电网线电压的峰值,在实际应用中还须要考虑到电网电压的波动以及各类浪涌电压的影响，因此须要留有肯定的平安裕量，一般取为此峰值电压的23倍，则整流二极管的额定电压为：网=回回回=目1.XJdIXV流过二极管的电流有效值为：日臼236。9A依据有效值相等的原则来选取二
11、极管的额定电流，并留有肯定的裕量，一般I。52倍，则整流二极管的额定电流为：XI=IXI=I一所以选取耐用值为1300V.额定电流为250A的整流二极管.2.3.2滤波电路参数计算及选择漉波电容器主耍起漉波和稳定电压的作用.由丁采纳r-：相桥式整流电路,应按下式设计注波电容的值：aa=0Tl为整流输入电压的频率，3=50Hz,直流电源的负载电阻：a=0=1.25a因此：回=叵In=IXI=f_1电容耐压值为：3=IKI=1.5j1.35d380=769.5V由于耐压要求较高,所以选择6个100O回电容，耐压为400V,分成相同的两组串联.2.3.3逆变电路参数计算及器件选择IGBT所承受的正向
12、电压值就是前面整潦电路的输出电压回，实际应用时留有肯定的平安裕贵，一般取为23倍.因此IGBT的额定电压为：回=回回=曰j513=(10261539)逆变电路输出电流有效值最大为：:X=IXI=569.6A由于IGBT在个周期内桥情的开关管只导通不到半的时间，同时考虑到1。52倍的平安裕量，则流过IGBT的电流有效值为：三=23冈=805.4A由以上计算可知，应选100oV-300A型号为KK300-10的IGBT四只.2. 3.4谐振槽路参数设计及选择(1)情路电容设计由于此感应加热电源不采纳阻抗匹配变压器,因此在设计槽路电容时，主要考虑它及谐振电感的无功能量交换平衡。感应加热电源直流侧电压
13、1.d逆变时在负载上产生正负交变的方波正负fd.经傅氏级数绽开基波电压有效值2。82Ud3.14,取Q=3,因此谐振槽路电容两端电压为：Uc=QU=3*2.82/3.14*Ud=1382.2v其阻抗为：Xc=UcIC=1382.2/30=46回所以C=IZwXc=189(nF)所以可按1382。2V和l89nF选配槽路电容。(2)谐振电阻和电感的设计谐振时有X1.=XC=46a所以1.=X1.w=336(uH)Q-w1.R=3所以槽路途圈和负载等效电阻R=w1.Q-91.d可按1382,2V和30A及336UH设计加热线圈,负载和等效电阻为9欧姆左右。2.4系统仿真2.4.1MAT1.AB仿真
14、软件简介MAT1.AB(矩阵试验室)MTrix1.ABoralory的缩写，是一款由美国TheMathWorks公司出品的商业数学软件“MAT1.AB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境.除J矩阵运算、绘制函数数据图像等常用功能外，MAT1.AB还可以用来创建用户界面及及调用其它语言（包括C,C+和FORTRAN）编写的程序。尽管MATI.AB主要用于数值运算，但利用为数众多的附加工具箱（T。Ibox）它也适合不同领域的应用，例如限制系统设计及分析、图像处理、信号处理及通讯、金融建模和分析等.另外还有个配套软件包SimUlink,供应了个可视化开发
15、环境，常用于系统模拟、动态/嵌入式系统开发等方面。MAT1.AB和MaIhenWlicu、MHPIe并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值il堂方面数一数二。YAT1.AB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现匏法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用丁工程计算、限制设计、信号处理及通讯、图像处理、信号检测、金肘建模设计及分析等领域.MAT1.AB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式及数学、工程中常用的形式非常相像，故用MAT1.AB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且NAT1.AB也汲取了像Maple等软件的优点,使MAT1.AB成为一
16、个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对也FoRTRAN,C+,JAVA的支持。可以干脆m,用户也可以将自己编写的好用程序导入到MAT1.AB函数库中便利自己以后调用，此外很多的MAT1.AB爱好者都编写了些经典的程序，用户可以干脆进行下载就可以用.20世纪70年头,美国新墨西哥高校计算机科学系主任CleveMoler为了减轻学生编程的负担,用FoRTRAN编写了酸早的MAT1.AB。1984年由1.ittle.Holer.SteveBangert合作成立了的MathWorks公司正式把MAT1.AB推向市场。到20世纪90年头，MAT1.AB己成为际限制界的标准计算软件.2. 4.2感应加热
17、电源主电路波形仿真电源的设计师一个困难的过程，因此不能仅凭理论分析就进行硬件设计，可能会造成很多在经济人力方面的奢侈，所以在进行硬件设计之前,应当对理论设计的电路通过专业工具进行仿真.前面分析了感应加热电源的工作原理以及硬件电路的组成,那么接下来就是通过专业的系统仿真软件来对设计的电路进行仿真，验证设计电路的可行性。逆变电路仿真波形如图2。7所示昌邑醯唱唱日-V图2.8港波检出电流和负毂电压波形图2.9系统揄出仿真波形由图2。7和图2.8可以看出，经过MatIab软件仿真后的输出波形及理论分析及计算结果柒本一样,战本符合本次设计要求。本次设计设定了感应加热电源的负载为肯定值，时此负骏进行仿真分
18、析.图2,9为系统工作在谐振状态下的输出波形,系统保持工作在谐振状态，实现/嫌率的自动跟踪，确保J电源的稳定运行，符令前面的设计要求,验证了系统设计的可行性。第3章课程设计总结在理论分析计算的基础上,本文针对格应加热装置的须要设计r一种感应加热电源，此次设计完成了感应加热电源主电路的搭建，包括整流、泄泼、逆变电路等，确定了以IGBT作为功率开关器件的电压型逆变器作为本系统的逆变电路，在额定功率卜对整个感应加热电源系统进行仿真调试，现察并截取电路关键部分的波形，包括电压电流、负载电压电流波形等，试验结果验证了前一章节理论分析的正确性，电源系统运行稳定、牢靠。基于上述工作,同时对设计进行理论分析的
19、基础上，可以得到：1)系统主电路逆变元件采纳新型功率器件IGBT,它具有工作频率而、耐电流冲击范用较宽、可承受电流密度大、驱动简单、驱动电路功率消耗小、工作损耗小等优点，是一种教志向的开关器件,但对IGBT的过流爱护必需实行的确11f行的措施.(2)采纳电压型逆变电路，其具有在换流是自然过零关断、关断时间短、起动较简单、适用于频繁起动工作的场所等特点。(3)采纳一种带有输出电压有效值限制方案，对输出电压的幅值、频率、波形进行精确限制、使得波形品质好，电源简单实现及各种负载的匹配。(4)运用MAT1.AB进行仿真,得出了精确的波形，说明白本设计的可行性参考文献I王兆安主编，电力电子技术.第四版.
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