（电机与电器专业论文）感应加热电源数字控制技术的研究.pdf

a b s t r a c t t h ei n d u c t i o nh e a t i n ga p p l i a n c e so ft h y r i s t o rh a v eb e e nw i d e l y u s e di ni n d u s t r i a l c o o k i n g a na p p r o x i m a t ea n a l y s i s o fm e d i u m f r e q u e n c yp a r a l l e l c o n v e r t e ru s e di n p o w e rs u p p l y c o n t r o l l e d b y m i c r o c o m p u t e r i sp r e s e n t e di nt h i sw o r k t h e p r o p o s e da p p r o a c hm a y b ea p p l i e dt oc o n v e r t e r sw h o s ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sa r ei n d u c t i o n h e a t i n ga n dm e t a lm e l t i n gi n s t a l l a t i o n s i ti s s h o w nt h a tc l o s e dl o o p c i r c u i tf e e d b a c kc o n t r o la n do p e n e dl o o pc i r c u i tc o n t r o la r es e p a r a t e d d u r i n g t h e z e r o - p o w e rs t a r t u pp r o c e s s t h es e l f - s t a r t i n g o ft h e m e d i u m f r e q u e n c yp a r a l l e lc o n v e r t e ri sa c h i e v e d ap r a c t i c a ld e s i g n i nh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sa l s oo b t a i n e d t h e e x p e r i m e n t r e s u l t so n p o w e rs y s t e mp r o v e d t h e f l e x i b i l i t y a n d r e l i a b i l i t yo f t h ed i g i t a ls y s t e m n d e x t e r m s 一一m e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u p p l y , i n d u c t i o n h e a t i n g ，p a r a l l e lc o n v e r t e r , m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l ，s i n g l ec h i p ， d o u b l ec l o s e dl o o pc i r c u i tc o n t r o l 4 塑垩奎耋堡圭耋垒鎏耋；i ； 第一章绪论 1 1 感应加热的原理 1 8 3 1 年m i c h a e lf a r a d a y 发现的电磁感应现象是一切感应加热的基础。 根据初级线圈中电流的变化，可以在邻近的闭合次级线圈中产生感应电流的 现象。继f a r a d a y 的研究工作之后，又提出了许多定律，如楞茨定律和诺伊 曼定律。感应加热本质上的特征就是由初级线圈中的交变电流引起闭合的次 级线圈中磁通量的变化，利用电磁感应原理和焦耳楞次定理将电能转变为热 能。感应加热所遵循的主要依据是：电磁感应、集肤效应和热传导三项基本 原理。电磁感应定理：把金属工件放入感应线圈中，当感应线圈中流过交变 电流i i 时，便会产生交变磁通西，工件由于电磁感应而产生感应电势e 。 。：一坐 出 负号是因为感应电势总是力图阻止磁通的变化。= 丸s i n c a t ，则 有效值e = 4 4 4 ，九 。：一掌：一九。f 出 ” 焦耳一楞次定理的表达式为：o = 0 2 4 i ；r t 。由于工件是导体，有一定 的电阻，于是感应电势在工件中必然会产生电流t ，在电阻的作用下，由于 集肤效应和涡流损耗，便会发热，其热量为o ，工件获得的功率为 p = e c o s # = 4 4 4 朋。c o s 驴 可见，要使金属工件加热到一定的温度，必须在金属内产生足够大的电 流厶，则是由感应电势产生的。e 、尸与磁通九、频率厂有关，所以 浙江大学硕士学位论文 为了获得一定的感应电势和热量q ，电源必须具有一定的频率，近代感应 加热领域应用工频、中频、超音频和高频电源。另外，如果被加热工件截面 增大，那么在相同外电流i 作用下，穿过金属工件的磁通就会增大，感应 电势e 以及金属内感应得到的功率也增大。由此可见，现实感应加热必须具 备两个条件：一，感应线圈中通入的必须是交变电流；二，感应线圈中的被 加热材料( 工件) 必须是能导磁的，或用导磁体作为发热体，利用导体发出 的热量去间接加热非导磁材料。 对于感应加热来说，我们可以把感应炉中的工件看作为一个单匝短路的 次级线圈，这样就可以用众所周知的变压器原理来表示感应加热的基本概 念。如图11 次级线圈单匝短路的变压器所示，当漏磁为零时，负载电流应 等于电源电流乘以线圈的匝数比，即，= n x ，。由于次级线圈匝数为l ， 阻抗值很小，所以次级线圈中的短路电流将很大，电能的消耗也相当大，从 而起到加热炉的作用。 z 图1 1 次级线圈单匝短路的变压器 用上面的观点进一步将圆柱体加热负载的电路看作是上述的变压器，初 级线圈与次级线圈之间由较小的空气间隙隔开。由于集肤效应感应，电流密 度从加热工件的表面至中。t l , 是按指数规律衰减的。工程上规定，当涡流强度 从表面向内层降低到其数值等于表面最大涡流强度的o 3 6 8 ，即鱼时，该处 e 到表面的距离占称为透入深度。由于分布在工件的涡流，并不能全部用于使 工件表面加热，而是有一部分热量传到工件内层，和向周围热辐射损耗掉了。 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 速率要比涡流下降速率快得多，按上述规定计算可以认为8 5 - 9 0 的热量 发生在厚度为j 的薄层内。其透入深度占可按下式近似计算： 占= 式中f 工件的导磁率； p 工件的电阻率； 。加热工件的磁场的角频率，c o = 2 a f ，为磁场的频率。 不同频率时的渗透深度如下图1 2 感应加热时的电流分布所示： 0 3 6 t ；参透i 剽竞x ( 毫米 图1 2 感应加热时的电流分布 而表面的电流密度；，。x 点的电流密度 从上面透入深度j 的公式可见，当工件的电阻率p 和工件的导磁率a 确 定后，透入深度占仅与电源的频率或，的平方成反比。因此可以通过调节 来调节万。也就是说，对于工件的加热厚度可以方便的通过调节电源频率 加以控制，频率越高，工件的加热厚度就越薄。 7 压 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 吣呲。= 0 0 电藿盂，娶 渤m 8 6 1 2 感应加热的应用 感应加热技术诞生前，都是使用煤气或石油为能源的装置来加热金属和 非金属的。相比之下，电磁感应加热主要有如下优点： 1 加热温度高，感应加热是非接触式加热； 2 加热速度快，效率高，能加热形状不规则的工件。从金属内部即从 金属的电流透入深度层开始加热的，这样就很大程度的节省了热传 导时间，因此集热速度快，系统效率可达6 0 以上； 3 工件容易加热均匀产品质量好： 4 温度容易控制，可局部加热，工件加热均匀，产品质量稳定，节能： 5 铁屑无氧化材料利用率高，快速加热有效地降低了材料损耗； 6 自动化程度高，对于感应加热装置，可频繁的启停，控制温度的精 度高，温差可达到一0 0 1 - - , + 0 0 1 ： 7 节能环保，不工作时，可将感应电源关闭，使用时对大气及周围环 境无污染( 热，灰尘等) ，作业占地少，生产效率高。 感应加热在金属加工、石材工具、五金工具等行业迅速普及使用，如精 密浇铸钢零件，不锈钢或合金钢的熔炼，真空熔炼，锻件的加热，钢管的弯 曲，挤压成型工件的预热，钢零件的热处理，表面淬火和退火，金属零件的 焊接，粉末冶金，以及输送高温工质的管道加热等。多种应用趋向要求有不 同的加热方式，由此可将感应加热分为四种主要类型：锻件穿透加热、热处 理、焊接及熔炼。参照下图1 3 感应加热在各行各业中的应用。 图1 3 感应加热在各行各业中的应用 浙江大学硕士学位论文 1 在穿透加热方面的应用 从前面感应加热的原理中可知，感应加热时由于高频集肤效应，感应电 流的密度从表面到内部逐渐减小。同样的材料，如果加热频率越高，则其透 入深度减小得越快。对于圆柱形的小钢坯、扁钢坯、钢板等在采用感应加热 时其合适频率见下表1 1 加热下列工件( 1 2 5 0 4 c 左右) 时的合适频率1 ： 表11 加热下列工件( 1 2 5 0 。c 左右) 时的合适频率 在穿透加热中，还要考虑工件在炼炉中的具体情况考虑其热辐射和热对 流所造成的热损失，钢坯温度分布等。 2 在热处理方面的应用 穿透加热是为了能得到完全均匀一致的温度，其高功率强度受到热量从 表面向中心传导的速率的限制，而表面淬火正是克服了这一缺点。虽然各种 感应加热的基本原理相同，但在应用方面却存在很大差别。通过使用高频来 获得高的功率密度，使热量能够迅速地集中在一个局部区域内。在不影响材 料的其它部分的情况下，仅仅改变这个区域的冶金性能，从而在零件上得到 由低脆性的中心来支撑的薄的表面硬化层。 为了提高钢管的机械性能，生产厂通常采用淬火和回火等工艺，其设备 采用连续感应加热装置。感应淬火设备的自动化是很容易实现的，可以把自 动化、半自动化的装置结合起来排列到连续生产线中。由于感应淬火的生产 周期短，所以能与连续生产线的其它部分相适应。其感应加热装置的频率随 9 浙江大学碘士学位论文 着钢管直径及管壁厚薄而不同。一般来说，当管壁直径一定时，管壁越薄， 所需的频率越高：当管壁薄厚一定时，钢管直径越小，则所需的频率越高( 对 小工件热处理时要升高频率) 。 对于主轴的热处理和齿轮的淬火，则根据不同的淬硬层深度采用不同的 频率。淬硬层深度越大，所需频率越底。齿轮整齿淬火时加热电源的频率应 按下式选择： f ：啤h z m 式中m 齿轮模数 淬火时，如果使用的频率比合适频率高，则齿顶、齿表面的淬硬层深， 而齿底的淬硬层浅：反之亦然。因此为了提高齿轮淬火的质量采用双频淬火 ( 如l o k h z 和4 0 0 k h z ) ，在齿底采用低的频率，而在齿顶及表面采用高的频 率。 3 在焊接方面的应用 由于感应焊接加热速度快，因此氧化最少、变形最小，而且成本也比常 用的加热方法低，对周围的热影响小，不必用酸来清洗氧化皮。由于很多焊 接工作的加热时间很短，因此，电源必须能按照精确控制的方式反复通断。 穿透加热和表面加热这两种技术均可采用，视工件尺寸及焊接位置而定。 大多数焊接用途都是采用射频( 4 5 0 k h z ) ，因为这种频率能量输入速度 高和能够进行局部加热。通常，采用射频才能进行有色金属的钎焊和铜焊， 因为此时输出负载必须具有高的品质因素。较大的黑色金属件的铜焊采用 3 - 1 0 k h z ，特别是在要求生产率高的场合。中频钎焊及中频铜焊的一个优点 是由于频率较低，因而感应器每圈的电压以及从感应起到工件的电压都比采 用射频焊接时要低得多。这在采用挥发性助溶剂的情况下是很重要的，因为 用射频频率时，常常有匝间短路或者在感应器与工件之间引起打弧的倾向。 4 在熔炼方面的应用 一般在以坩埚式熔炼炉熔炼金属时，通常根据下式来选择最低频率 0 浙江大学硕士学位论文 。 2 5 1 0 8 p 歹睦2 万一 式中d 坩埚炉盥径( c m ) p 金属电臌搴f q c m ) 由上式可知，熔炼金璃时所需要的频率与瑶埚炉畿径的平方成反比，即 坩埚炉直径越大，最低频率越低。一般2 吨以下都采用中频感应炉，而在 l o 吨以上则采用工频感皮炉。影响频率选掭鲍因素鸯： 1 成本 在具有商的输入功率和良好的熔忧速瘦的条件下来选用中 频范围的下限频辫( 1 5 0 h z 左右) 给1 0 1 5 吨的炉子供电，丽不需 要使用熔化脚料。 2 线黼匝数鼠公式e = 4 4 4 中看出其毽魏素相同情况下，线圈 匝数与频率成反比。因此频率太低则，意味着匝数很多使用小的导 体帮小鲍冷却水蛰察易出现水管隰塞的危险，间拜聿对感应线黼斡傈 养器涎龟离。频率太高，受每隧的茯特谴也篱，绝缘将产嫩润题。 3 搅拌金属溶液的搅动随频率的降低而增加。 4 启动 使用低频时，开始融化邋常是缓困难翁。蕊在中频的馕况下 窟渤就没有此阀戆。 5 效率 效率较低时缓慢的启动熔化降低了熔化的效率。为克服这 点，必须设置一个调节效率盼变频器。 6 炉料尺寸 当炉耕为尺寸较小的废料时，使掰较低的频率避不合适 的。 7 功率霎量比 使耀5 0 6 0 h z 频枣所产生的强烈搅搀佟雳缀爨持较 低静功率重量眈。随着频率豹增加，功率重爨比将会得到潋普。 所以，频率的选定通常是工程技术上优缺点的综合平衡。因此需鼹感应 炉的毒造厂仔缎研究，必貘考虑至i 炉子的熔证速度、生产率、浇铸波体金震 的量、保温妒容积、废钢锋缓和被熔金满的类剐等。 ；。；。；塑垩奎兰堡圭嚣耋蚤 ； 。一 l 。3 感波艇热熬发展概况 1 3 1 感应加热的发展历史 从1 8 3 1 年m i c h a e l f a r a d a y 发现的电磁感应现象的一百多年中，电磁感 应原理已被广泛用于电动机、发电机、变压器和无线电通讯等方面。早期人 证谈走无论楚在电路或磁路审，饪俺热效疫都是一穆程密静裂作用。为悲， 为了最大限发地减少有害的涡流发热，工程师们对变聪器和电动机豹磁芯采 用了叠片结构，使平行于绕组轴线方向鼹有较低的磁阻，而使垂直予磁通方 向的磁芯圆周上又具有较麓缒磁阻。 直到1 9 世纪末，瑞典人k j e | i n 在f o u c a u l t 、h e a v i s i d e 和t h o m s o n 等人 对提出涡流理论和能量由线圈向铁芯传输的问题的基础上发明了脊芯感应 加热炉用予众属冶炼，人们方开始认识到电磁感应的满漉效应的应瑚价僮。 麸j 毪激后，大量盼善型黪藏加热理论和感应加热装置褥羽了稳步的笈耀，并 开始应用于局部加热，感应加热的应用领域亦随之扩大，其应用范围越来越 广。1 8 9 2 年世界上第一台中频发电机组研制成功，1 9 5 8 年第一只2 0 0 伏、 弱安霹控麓涎生懿来，夔篱可控硅客豢静逐步增葫秘快速胃控硅的濑现， 可控硅变频器材得到了飞茚的发展。可控硅变频器最早在欧洲出现。1 9 6 6 年瑞士b r o w nb o v e r i 公司发布了第一台功率为7 5 0 千瓦、频率为1 0 0 0 赫戆霹控毽中颓宅滚供臻士一家黧移厂瘦弱，采爱著联逆交线爨，妒予电压 为1 4 0 0 伏。与此同时，西德a e g 公司谯1 9 6 6 年研制成了8 4 0 千瓦、5 0 0 赫的串联逆变器，炉子电鹰为3 0 0 0 伏。 感瘟秘熬羲潦是感痘热熬懿关键设套之一，冀发糕与电力电子学及电力 半导体器件的发展密切相关。本世纪初玻璃管汞弧整流器的发明标志潜电力 电子学的起源，而5 0 年代束半导体硅晶闸管的出现则标志着以固态半导体 甥淹为核心憋瑷霞电力电予学熬开始。程5 e 年我羲，戆疲魏热电潺囊要有： 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。 5 0 年代末，磁晶闸管的出现引起了感应加热电源技术以致整个电力电子学 鼹一场摹会，感应加热毫踩及应用撂裂了飞速发展。鑫8 0 年健爨来，瑷筏 浙眭大学竣士学使论文 半导钵微集成翔工技术与功率半导体技术黥继合，麓嚣发凝型功率半姆体器 件提供了条彳牛，相继出现丁一大批全控爨电力电子半导体嚣箨( g t r ， m o s f e t , i g b t , s i t , s i t h 。m c t 等) ，擞大建雄动了毫力邀予学瓣发糕，免 露态超酱颓、蕊频电漾的研谁g 提供了墼实的基础t 1 3 。2 感应加热慧源的发鼹动态 至今，嶷每壤( 1 5 0 h z - l o k h z ) 蕊蕊波，箍溅警串攒感应黧热鼗燮畿突 念敬代了传统鲍中频发电拂缀和电磁倍频器。鹫外装饕的最大容鬃邑达数一卜 涟瓦，黧内氇琵澎戒2 0 0 h z 一8 0 0 0 h z ，麓鼙为l o o k w 3 0 0 0 k w 系魏产菇，珂 叛醚聋5 踺以下载络炼炉获跫大窖燮靛曝潺炉，也逡鼹手鑫秘金耀透熬，袭 蕊淬火警热处理工艺。因照，在硬究朝开发壤大容爨的势联逆变审攒鼹源懿 阕薄，磷键缝构楚蕈，荔予簇繁寝羲瓣串联遂交串频毫源罴国内串羰感痰趣 热装置领域膏特鼹决鼹逮题，尤其是农滚炉、铸造疲髑中，串联邀交激源羼 实现全工况下憾骑率输出( 肖利于降低窀熊吨耗) 及单税多负载功率分配控 锚，更馕褥推广痘越。 在越齑频( 1 0 k h z - - t o o k h z ) 频段杰，瞧予螽阕篱零赛嚣关将靛游参数敕 限翩，给研制该频段的电源带来了谈天的技术难度，它必须道过改变电路糖 害 结稳考凑珂蕤实理，溉淡大学在7 0 年代开始磺测蒸麟繁穰频遂交泡鼹， 黝蒋产晶农平为2 5 f f - 3 2 0 k w 1 0 - - 1 5 k i t z ，感予8 0 年代束又袋用改进罄馈频遵 燮电路研涮了5 0 k w 5 0 k h z 龋闸管超畿颓彀源，僚融予傍颡电路姻双谐撩隧 鼹旗合健受载墨非线性，霹交加热负载渗数匆谐振隧鼹参数匹配壤试鹱菠杂 技屠出现的晶阐管固态加热电源的频率及功率可是全横蘸蕊没有得到报好 瀚推广藏爝。7 0 每 弋米税瓣年代翘，蕊f 拳每体镦集成翔王技术与功攀半 浮体技术的结金，为开发薪型功率半鼯俸嚣 串提供了条襻，稳继惑爆了一大 瓶全控型邀力魄子半导体器件，为固态超鬻频、高额融潆的研制撮供了骚实 鼹蓦磁。第套器馋警超黉鞭感应黧熬魄源在1 9 8 5 棼箍餐，箕蜜爨兔 2 5 k w 5 0 h z ，出：f - 单管鸯霪小雨采用了多管势联按零，秘率晶体篱歼荚遮度 麓弱存德嚣寸阍黻翩( 芦s 级) 及它存农致命酌二次击雾蔺趱，限制了它的摧 广馊翅，照爱爨勰瓣达捧镶菇髂管功率模块大多为惫凝满速癍震浚谤，萦矛 斯江大学坝士学位论文 关速度更低，一般无法适用于感应加热电源。1 9 9 3 年西班牙报导了 3 - 6 0 0 k w l o o k h z 的i g b t 电流型感应加热电源。1 9 9 4 年日本采用i g b t 研制 出1 2 0 0 k w 5 0 k h z 的电流型感应加热电源”。浙江大学9 0 年代起从晶闸管转 向i g b t 在超音频电源上应用，成功的研制了4 0 0 k w 5 0 k h z 感应加热电源， 其他单位有关于l o o k w 2 0 k h z 装置的报导。 功率m o s 晶体管与功率双极晶体管相比存在许多优点，由于其不存在 存储时间，因此它的开关时间远远小于双极晶体管，另外，m o s 晶体管不 存在二次击穿问题，具有矩形完全区、驱动功率小、易并联等优点，非常适 合于高频大功率感应加热电源应用，采用m o s 管可能引起的问题是由于高 速开关要求电源工艺布置严格，另外，高压m o s 晶体管通态损耗较大。1 9 8 3 年美国g e 公司发明了一新的很有前途的功率器件i g b t ，它综合了 m o s 管与双极晶体管的优点，i g b t 结构除增加一n 层外非常像m o s 管结 构，因此在其通态压降低的同时开关速度加快，自1 9 8 8 年解决了擎住问题 后( 由寄生n p n 晶体管引起) ，大功率高速i g b t 已成为众多加热电源的首 选器件，频率高达1 0 0 k h z ，功率高达m w 级电源已可实现。如1 9 9 4 年，日 本采用i g b t 研制出了1 2 0 0 k w , 5 0 k h z 的电流型并联逆变感应加热电源，逆 变器工作于零电压开关状态，并实现了微机控制；西班牙在1 9 9 3 年也已报 道了3 0 k w 6 0 0 k w , 5 0 - , 1 0 0 k h z 电流型并联逆变感应加热电源，欧、美地区 的其他一些国家如英国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电源目前 最大容量也达数百千瓦。国内在9 0 年代初，浙江大学开始对i g b t 超音频 电源的研制，1 9 9 6 年5 0 k w 5 0 k h zi g b t 电流型并联逆变感应加热电源通过 了产品鉴定，目前的研制水平为2 0 0 k w 、5 0 k h z ，与国外的水平仍有相当大 的距离。 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 频段，目前国外正处在从传统的电子管电源向 晶体管化全固态电源的过渡阶段，以模块化、大容量化，m o s f e t 功率器 件为主。在欧美各国，采用m o s f e t 的技术正在突飞猛进。西班牙采用 m o s f e t 的电流型感应加热电源制造水平达6 0 0 k w 4 0 0 k h z ，德国在1 9 8 9 年研制的电流型m o s f e t 感应加热电源水平达4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z ，比利时 i n d u c t o e 1 p h i a c 公司生产的电流型m o s f e t 感应加热电源水平可达 4 浙江大学硕士学位论文 1 0 0 0 k w t 5 6 0 0 k h z 。痰孺子麓频电源酾舅一功率器件为静电感应晶体管 ( s i t ) ，圭簧以基本为主，系列纯款烽繁薅毫频奄予振荡器的水平为 5 - 1 2 0 0 k w 1 0 0 。5 0 0 k h z ，而其采用的s i t 的固态水平可达4 0 0 k w 4 0 0 k h z ，s i t _ 歼关速度魄m o s f e t 浚，毽囊于s i t 嘉l 遣工艺上懿翔题傻褥英成本一薹鏖 黼不下，露墨鸯遥态撰髓缀大融缺点，隧罄m o s f e t 、i g b t 性能不鹾敬避， s i t 将失去它存在的价德。国内浙江大学在9 0 年代研制成2 0 k w l 3 0 0 k h z 电 熙型m o s f e t 离凝电源，邑被戏功愈臻予，l 、型刃具黪袋瓣热处毽秘飞辍潢 轮时片的热应力考核试验中。1 9 9 6 年天津离频设备厂和天津大学联合开发 出7 5 k w 2 0 0 k h z 的s i t 感应加热电源。 感应趣热漱源按术瓣发鼹与珐率半导髂器终粒发疑密不可分，隧誊功率 嚣 牛的大容量他、高频纯发展，必将带动惑艨抽热电源的大容量纯、离频化。 箕发震趋势大致可以概括为如下几个方面”： 1 惑颜傀 目前，感成加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超裔频频段主要采用 i g b t ，嚣露离频频段，虫于s i t 存在麓导邋撰耗等缺瞧，圈际上主簧发展 m o s f e t 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 笑，但楚，感惫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、群蔽祷均有许多特殊要求，尤其怒高频电源。阂此实域感应加热 魄源高频化仍肖许多应用基础技术需避步探讨，特别是新型高频大功攀器 搏( 魏m c t 、i g c t 及s i c 璃率器薛等) 豹润煎将逶一步馁进高频感应加热 电源的发展。 2 。大容豢识 从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量技术分为甄 大类：一类是器件韵串、并联。在器件的串、并联方式中，盛须认真处理串 联嚣箨翁均压秘疆帮著联嚣 串豹臻流鞠蘧，囊予器搏潮遣z 艺_ 帮参数豹藤敖 性，限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装餐的可靠性越麓。 多台电源鹣率、辫联技术是在器件串、萍联接术基础上迸一步大容鬣仡的有 浙江大学硕士掌位论文 效手段，借助于可靠的露琢串、并联技术，在单枧容爨适当的情况下，可简 单地通过串、并联运行方式得到大容萋袋嚣，每台单梳只是装置韵一个单元 或一个模块。 感应加热电源逆变嚣主要寄著联逆变器和串联逆交器。串联逆变器输出 可等效为一低阻抗鲍电逶源，当二电嚣浓并联露，辐甄溺的辐僵、榻经帮频 率不通或波动时将导致很大的环流，以数逆变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；丽对弗联逆变器，邋变器输入端魄支流大 电抗器可充各并联嚣乏澜电流缓j 串环节，使褥输入鞴静a c d c 或d c d c 环节有足够的时间来纠正廒流电流的偏麓，达到多机并联扩容。晶体管化超 音频、高频电源多采用并联逆变器结构，并联逆变器易于模块化、大容量化 是萁孛熬一个主要藩嚣。 3 负载匹配 感应撼熬电源多痘鹾予工建现场，葵运季亍工獍眈较复杂，它与帮l 镶、冶 金和金属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载跗象各式各样，而电源 逆变器与负载是一有机的羧体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。 薄霹接、表瓣燕楚瑾等受羧，一毁罴震嚣聚变压器连接奄滚蟊受载感寝器， 对高频、超酱频电源用的暇配变压器要求谝抗很小，如何实现匹配变压器韵 高能输入效率，从磁性材料选择到绕组络构的设计已成为个重要课题，另 癸，鼠电路擦羚上受载结搦弦三个无潺元传坟替覆来黪援个无源元黪叛取瀵 匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配。 4 。成套装置及智能化控制 随着感瘦热处理生产线自动化控制穰度及对电源可靠性要求的掇高，感 应加热电源藏向智能化控制方向发展。具有计算机智能接口、远程控制、故 障鑫动诊颧等控露l 性能熬感应加热电源燕成为下一代发鼹基标。 5 高勘帛因素，低谐波电源 由于感应艇热趸电添一般功率郡缀大，基蘸黠它戆凌率毽鼗、遴波污染 浙江大学硕士学位论文 指标还没有严格要求，但随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有 高功率因数( 采用大功率三项功率因数校正技术) 低谐波污染电源必将成为 今后发展的趋势。 1 4 论文的主要工作 中频感应加热电源利用晶闸管将电网的三相5 0 h z 的工频电能变换成几 百赫兹到几万赫兹的单相交流电能。由于其高效率，无污染，易控制等优点， 中频感应加热的应用已经相当广泛。目前的感应加热装置很多采用模拟电路 控制，而模拟控制电路触点多，焊点多，系统可靠性低，对一些元件的工艺 性要求高，电路中控制参数不容易进行修改，灵活性较差。近年来微处理机 的发展迅速，数字式控制精确，软件设计灵活，因而整个控制系统简单、可 靠，在感应加热领域中运用数字式控制已是一个发展方向。 本论文是在浙江大学电工厂已有的中频感应加热电源装置模拟控制板 的基础上，在赵荣祥教授的悉心指导和帮助下完成的。在论文的研究中，赵 老师提出了很多新颖的观点和很好的想法。在前人铺就的道路上，本文作者 经过文献阅读和理论学习，研制了中频感应加热电源的微机控制系统，并由 实验验证，取得了较满意的效果。论文的主要工作简介如下： 1 分析了并联式中频感应加热电源闭环控制的控制策略， 2 采用闭环开环分离的方法，解决了并联中频感应加热电源的零电压 启动问题，并引入了闭环动态平滑切入的方法。 3 采用双c p u 方法构造中频感应加热电源的微机控制系统，该系统灵 活、可靠，具有良好的数字接口； ；。；。；塑三奎兰至圭耋些篁蚤 ；。 第二章中频感应加热电源的微机控制 2 1 感应加热电源控制系统的概述 感应加热对其电源提出了定的技术要求，感应加热电源的控制系统 就是根据这些要求来设计和实现的。在生产过程中，根据不同的工艺，中频 电源不仅需要输出各种不同的功率，而且还需要在各种扰动下维持和调整各 种指标。例如锻坯加热时，为保证工件的出口温度，电源必须具有电压自动 调节的能力，以适应电网电压的波动的影响。另外，在感应加热系统出现故 障情况下，电路中会出现过电流和过电压，控制系统中保护部分应该负责故 障的处理。因此，与其他自动装置样，中频电源必须具备相应的控制功能， 才能有可靠的工作和产品质量的保证。随着加热工业的发展和新产品的生产 工艺的变化，对感应加热电源的控制系统功能的要求也更加的多样化和智能 化。 感应加热电源的控制电路必须至少起着以下作用： 1 调节控制电路必须对整流电路、逆变电路等系统主电路部分进行 功能控制。对于整流电路、逆变电路必须在各种扰动下维持系统各 参量( 如电流、输出电压等) 部偏离其设定值。 2 保护当上述各参量因各种故障而超出其设定的极限值时，控制电 路应将调节器封锁，使整流电路转入逆变工作状态。 3 监视为了达到调节和保护等目的，系统必须具有对各种参量进行 测量和监视的能力。例如对冷却水的压力、水流量、水温，控制柜 中的气温，中频电压和电流等参量的测量和监视。 4 控制 为了协调各部分工作，保证整个电源能按照预定的程序正常 运行，系统必须具有严密的控制操作。 但是，与其他自动装置相比较，中频电源对各项调节品质指标的要求( 动 态的和静态的) 相对要低一些。而动态指标与静态指标相比，后者是主要的。 前者仅限于电源在扰动下不至于失去控制。目前国内应用的中频感应加热设 浙江大学硕士掌位论艾 各的技术水平还比较低，控制电路大多为模拟控制电路。就控制功能而言， 大量采用的是简单的限流限压单闭环控制方式，其动态响应较慢，超调量大， 启动时间长，稳定性较差，而且不能克服电网波动和负载扰动的影响，这样 就大大降低了中频电源的可靠性，影响了其运行性能，限制了它的应用和发 展。在研制出数字控制系统后，一般均能实现下述功能”： 1 中频加热电源整流电路的数字触发功能。交流过零脉冲采样、产生 触发脉冲、触发脉冲放大与隔离、短路故障检测以及故障处理。可 以由软件实现单相同步，这样可以省去同步信号形成电路，提高系 统控制的可靠性。还可以由软件命令直接发出可调制的双窄触发脉 冲，省去了双窄脉冲形成电路。 2 中频加热电源的负载频率必须要实现自动跟踪功能。数字系统根据 采样进来的负载频率数据，相应的调整移相控制信号，实现频率的 自动跟踪。 3 开机启动功能。中频电源的启动成功率低这个问题直是一个技术 难点，常规启动电路存在着线路复杂、控制困难、适应性差等缺点。 采用数字化控制系统后，可以采用微处理器控制的它激转自激启动 方案或者采用让电压p i 调节器的给定值缓慢上升到设定值的软启 动过程来实现启动。 4 不同工作模式的实现和自动切换功能。可以采用输出电压、电流的 采样值p i 调节实现电源输出的稳压及限流。正常情况下，系统工作 于稳压模式，在过载的情况下，系统转入限流工作模式。根据负载 变化情况，不同的工作模式可以自动切换。 5 抗冲击措旖及保护功能。系统能在保证开关器件安全的前提下，顺 利完整各种冲击性负载的加载，而且在冲激状态接触后能自行恢复 至正常工作模式。 采用微处理器的智能型控制电路，取代了以往的模拟控制电路，在满足 控制系统实时性和精确性前提下，大大降低成本，结构紧凑，可靠性高，控 制灵活，调试方便，开发周期短，从而提高中频感应加热系统的自动化水平。 可控硅中频电源还处在技术发展中，其控制水平还不甚完善。为了提高电源 9 浙江大学硕士举位论文 l i i l l 的运行质鬟以适应生产抟露求，电源的羧制功能还需簧不断提高。就露前的 中频感应蕊热电源弱工致斑瘸来谤，崮予控制手段还魄较落后，无法对工盟 产品加热的艇个工艺过程进行控制，产鼎质量难以保证，加热装置述无法对 温度进行有效的温度闭环控制，手动调节方式难以完全满足工艺要求，温度 静稳定瘦低，劳动强度夫，麓耗裹，效采差，控澍精浚低，溃费电熊，亳阚 运行质量低。因此，采用微机监控的闭环控制系统就熊够较好的解决这些问 题。 耄徽瓿簸控翡瓣琢控潮系统，能够集现场豹毫悉、电流、颓窀、温度 等所需的实际物理信号，弗可以根据这魑原始数据计算出现场的功率、相位 角、功率因数、能耗等观察数据。在这些数据的基础上，可以实现这螋数据 浆数字显示，便于篮援。凌开拜控裁豹蒸麓上，程弼这魏数据可敬炭现功能 复杂的闭环控制，如电压闭环、电流闭环、功率闭环、温度闭环等等，视用 户的实际需袋而定。而且在用户的事先设定下，这类闭环控制系统可以利用 擞憝理器豹独特臻能实瑷产燕复杂黧工王筮要求豹热热j 霆程，跑絮实凝莱产 品所需要的特殊的加工温度曲线等。 针对感威加热装置中的感应器和负载这个复杂的时变参数的控制对象， 还霹戳考虑凌阕琢控制系绫缒徽楚理嚣瓣控毒l 霎法孛实现餐麓燕铡，淤袋逶 应这类复杂多变的工业对象，达到一般控制所无法达到的控制效果，掇制精 确度更高，产品加工能耗熙低，加工的工艺更精细等。 2 。2 中颏感应加热电源主电路的分析 中频电源的主电路有游干种，根据负载谐振回路的不同，一般可分为： 并联遂变式孛频电源、事联式彝事蒡联浚合式。这里爨谨尽懿溺述并鼗逆变 式中频电源的主电路结构。 u 。 黛相5 0 h z 图2 1 中频电源原理示意图和波形图 銎2 1 为势联递交式中额邀源粒潦理示慧秘渡影示意简图，雹摆整流电 路、滤波壤路、摹摺援逆变电漆襄受载势联谗振国赣。下藤将分别奔绍务个 部分。 l ，熬浚壤路 整流瑰黪袋震三摇全控揆式整滚奄爨，其终爨梵将疑三穗毫麓输入豹 5 0 h z 电压憋流成脉动的盥流电压，如图中波形示意龆分所示，从虬到， j 墩时电嬲镣一榴中的交流电流波形为近似的矩形波，如图巾t 所示。 三相桥式全控整流电路的输出电压为： = 2 3 4 也c o s 6 r 式中 虬输出直流电联平均值： 址电网相电压； 搿触发移相角。 下嚣熬图2 + 2 不溺g 辩靛浚爨亳蓬波影绘密了在藜经受裴电流嚣辑续懿 状态下，不嗣a 建下的竣懑敷羼故波形，其中8 粥4 黪状态黎为熬漉攒麴 逆变工作状态，其实质是负载向电网反馈能擞。 三提魄孵电愿 六其整流管搿卸5 澍 的融发熬羚 熙2 。2 不嘟球孵的输 出电压波辫 e 入xx 义二疋。 霜nn霸 i取i 。 n nn h几 丌n 日羁 鹋a cb e 戡c ac b b e 7 _ = m 、f 、”吖、 “- - “ t j tji：。二 ? j ，。j j j ：； f t - t 。j ：。j ! tj 。 j “二 j 妻奎毫二、j 葱j 。 蜀零震黔黟蕞 垒曼! 筻涟一 涿：；民瞵赋隈萨蕊 囊垒垒：懑奠一 心繇宋脊秘= = 浏剑 ：麓釜燮剑： 袋式：蛩爱鬻； d = 铷。( b ) = 黼4 赫 = 4 秘) 2 。滤波锻路 滤波魄路分先上下分列。通常为公孀一个铁心麴磷缀瞧摅嚣，缆褥从 脉动的直流电臌源获得平盥的直流电流0 。厶使熬流拼输出的崴流电流 逡续，电流纹波藏，j 、，这样西邋钕遗凳整流褥豹输出电流赞成平直的电流。 乞的另一个作用是限制中频电流进入工频电网，起到隔离作用：当逆变失 败时，它也起限制浪涌电流的作用。 3 逆变电路 f 气丁l 厂_ nn m 乒譬引l k k ；l 。、1 l ： 一n 。孔 图2 3 并联逆变电路图 单相桥逆变器的作用为将平直的直流电流变换成单相中频交流电流 ，的波形近似为矩形波，频率较高。下面参照图2 3 并联逆变电路图来 分析这个电路。其中，是整流器输出的脉动直流电压，厶是平波电抗器 厶、厶、l 3 和厶是换流电感，c 是补偿电容，l 和，是感应炉的等效电感 和电阻。逆变桥由四只桥臂构成，每一臂为一只晶闸管和一个限流电抗器串 联组成，限流电抗器的作用是限制逆变晶闸管导通时的电流上升率( 堕) ， d t 使它不超过允许的数值。当晶闸管、五和五、。以中频频率轮流导通时， 流过负载电路的电流不断换向，形成中频电流。由于厶的作用，f ，是平 滑的直流，晶闸管之间的换向因有换流电感厶、l 2 、厶和厶的存在，不能 瞬间完成。所以，实际是梯形波电流，峰值为厶。为使逆变器正常工作， 其工作频率应略高于负载谐振频率。此时负载回路对输入的中频梯形波电流 中的高次谐波电流呈现低阻抗，对中频梯形波电流中的基波电流呈现高阻 ；。；塑三查兰筌圭兰堡! 鎏。；。； 抗，因而使输出电压接近正弦波。中频电压“。是基波频率下的正弦波电压。 并联逆变桥的四个开关状态和、触发脉冲的波形图如下图所示。 图往墨图甭鞫 “y 、_ 1 ，r p p l 十一 j i ! 二二型 i 晶蔼图乎图阁 图24 逆变桥开关状态与波形图 图( a ) 为、五导通状态；图( b ) 为正、五、五、瓦都导通的换流状态 图( c ) 为五、瓦导通的状态：图( d ) 为、五、r , o 都导通的换流状态。 波形图中给出了一个中频周期的工作过程和电容器c 的充电极性。f ：o 时 触发正、五，在扛r - 时，中频电流达到峰值l ，并对电容器c 正向充电， 2 4 。；。；。；。；i l 鋈i 鐾筌壶：警窑鎏i i 一。；，；。；。，；。一 如图( a ) ；f = 岛时，触发嚣、正。，此时嚣、霸还未关断，逆变桥麟时间短路 状态，如图b ) 所示。此孽雩，蚝傻为正毽，电容器c 上毫压蠢反| 龟邋过霸、嚣 而正向通过墨、l 。的趋势，使玛、乏的电流从疋下降到零，而l 、五。的电 流扶零上舞戮厶，实现抉滚。抉漉结寒矮，援奁毅涎阕蠹爨拷受穰， 使t 、是继续承受反压，以恢复疆甑能力。换漉时闼为( 屯一毛) ，怼成瞧焦 发为y ，其大小与寇臻参数及乞、u 毒关。巍毫爨参数定清猿下，y 馕稻 矗肖正毙例关系，两和峻成反跑蛾关系。( 屯一毛) 楚燕阕蟹浆恢复对瓣褥燕 上逛黪安全裕熬，对应电建壤烫多。逆燮萼l l 萋焦v = y + 多，实舔申频毫 流超前电压的电角废妒= 弘+ ，在引前角、 r 中，豳晶闸管的关断时间来 决定，是个定值，变纯部分是y 。y 由负载骥况决定，重载对( 即毛犬瞬) ， ，角大，反之则小。所以，对、l ，的控制威自幼适应y 角的变化，即自动通应 受载变纯壤凝，戳求褥最德瓣攀| 藩建v3 7 。梵了疆蔫输窭额定功率嚣于戆受鼗 功率因数，应尽量减小v ，傻v 酌减小藏意味麓逆变鑫阕警必甄时闼戆减少， 这不利于逆变器的可靠工作。另外，通常如加大换相荚断时间v 会增大道变 器晶翘管和负载电察的电魇定攒，虽馒麓搴辫数c o s p 下降。困建爨嚣畿兼 顾，邋常取p = 3 0 4 左右。 4 并联谐振锻路 图2 ，5 等效电羧 感应线霞内遴入孛频大电流，产生磁场，在镶耪串感藏爨奄滤。这磐像 一只变压器，感应线圈为原边，钢材为副边。于是我们可以按平常变压器的 观点来分析其等效电路，如图2 5 等效电路所示。其中z 代表感应线圈的 漏磁通引起的感抗；以，代表主磁通引起的互感抗；置代表感应炉中的工件 的涡流引起的漏磁通所对应的漏感抗； 代表感应线圈本身的电阻；儿代表 感应炉中的工件的电阻。感应线圈虽然相当于一只变压器，但其参数却与平 常的变压器很不相同。第一，其原边的漏磁通很多，故z 很大；第二，在 加热或熔炼过程中置、以、y ：、置的变化很大。 在这个等效电路中z ：与以并联，再与y 。、墨串联，分析起来甚为不便。 一般常将其简化成电阻电感串联的电路，z = 以+ 成。如图2 6 简化电路 所示。 因此： 图2 6 简化电路 z 2 y t + j x t + j 激= y s + ，sy 2 + 弘2 + 球。 。 以2 鸣却鼍搿 器 + y ： = 得 如 解可 由于以 五，z ， 五，所以上两式可写成 x s x t + x 2 x 因此负载谐振回路可看成由感应线圈( 内含工件) 和一组中频电容并 联组成，其震荡频率接近于中频电源的工作频率( 如1 0 0 0 h z ) 。此负载回路 由l 、，和c 并联组成，其中r 值很小，如图2 6 简化电路所示，所以称之 为并联逆变式中频电源。由于负载回路固有的谐振特性，使得矩形中频电流 流过此并联电路时，会在负载端引起近似正弦的电压c ，。 把图2 1 中频电源原理示意图的负载谐振回路如下图2 7 负载谐振回路 所示。 c 图2 7 负载谐振回路 由于并联负载回路固有的谐振特性，使得矩形中频电流流过此并联电路 时，会在负载端引起近似正弦的中频电压。其谐振频率就是中频电源的工作 频率。下面将着重介绍这种负载电路。 葡丽c o l 2 c ( r ) 2 + ( 上) 2 + j c o c 浙江大学硕士学位论文 从而可解得此电路的并联谐振角频率，记为，有： =、瓦一、trl，2(do ( 1 ) 2 、瓦一、t t 1 ) 因为( 譬) 2 瓦1 ，所以z 了基，这样，可以看作电感和电容中的 电流大小相等，方向相反，即相位相差1 8 0 。，故外部电源所需供给的只是电 阻电流，而l 和c 之间不断互相往返交换着较大的能量。当工作情况变化 时，l 发生了变化，c 不作任何调节，只需通过对厂的调节，就可使负载电 路仍工作在谐振状态，从而达到真正的频率跟踪，达到运行效率最高。在感 应加热过程中，工件的温度是不断变化的，因此炉子的电感值也是不断变化 的。这时，要保证负载的谐振，即要求电容与电感相互抵消，达到真正的补 偿，以使工作效率最大，就需要单相桥逆变器输出的频率( 1 ) 式。这就是 自然频率跟踪。 上面的所示图的只是中频电源的主电路的示意图。在实际的线路中还 需要更多的二次电路和元器件设备。例如每一只晶闸管都需要适当的触发脉 冲去触发它，每一部分电压都需要根据负载的性质进行控制；电源的输出频 率必须与负载回路的固有谐振频率相接近；整个电路需要针对各种异常状态 和故障状态做出判断和必要的保护；整个电路中还要配备必要的电器设备和 各种指示设备：电源中还要有相应的水冷设旌等辅助设备；大型电源往往还 要配备专用工频电力变压器