电力电子技术

1、西安石油大学课程设计 电子工程 学院自动化专业1202 班 题 目 变频感应加热电源主电路设计 学 生 指导老师 二一五年六月 电力电子技术 课程设计任务书题 目变频感应加热电源主电路设计学生姓名 学号 专业班级设计内容与要求课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能先将交流电变成直流电，再将直流电变成400HZ以上的交流电，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滞损耗和涡流损耗，产生热量而加热工件。设计任务与要求1、方案的经济技术论证。2、整流电路设计。3、逆变电路设计。4、通过计算选择器件的具体型号。5、确定中频或高频变压器变比及容量。6、控制电路设计。7、绘制相

2、关电路图。8、模拟实验或matlab仿真。9通过给出的仿真条件进行分析技术参数1、输入电压三相380V。2、输入交流电频率50HZ。3、输出最大功率70KW。4、电源效率80%。起止时间2015年 6 月15日 至 2015 年6月30日 指导教师签名 年 月 日系（教研室）主任签名 年 月 日学生签名 年 月 日目录一、 绪论31.1 感应加热电源技术发展现状与趋势 31.2感应加热电源工作特性51.3设计内容5二、 感应加热电源电路设计62.1感应加热电源总体设计方案6 2.2感应加热电源的工作原理6 2.3感应加热电源具体电路设计7 2.3.1.整流电路的设计7 2.3.2.逆变电路设计

3、8 2.4逆变电路的调制方式10三、 参数的计算与器件选择10 3.1整流滤波电路参数计算与器件选择10 3.2 逆变电路参数计算与器件选择12 3.3逆变变压器设计参数12四、 感应加热电源仿真13五、 设计总结15六、 参考文献151、 绪论 与传统的加热方式相比，感应加热具有加热速度快、铁屑损耗少、启动快、节能、生产效率高等一系列优点，因此近年来在工业领域中有着广泛的应用。目前，感应加热主要用途是金属加热前的预热、热处理、焊接和融化等。感应加热具有加热效率高、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、

4、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。1.1 感应加热电源技术发展现状与趋势 （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，1-10KHz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晶闸管中频电源以来，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

5、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SI

6、T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与趋势 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

7、源的发展趋势呈现出以下几方面的特点。 频率 目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，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。 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

8、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

9、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。 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哥无源元件以取消匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配。 能化控制 随着感应热处理生产线自动化控制程度

10、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。1.2感应加热电源工作特性 本设计所要求的电源应该能够满足感应加热器工作在最佳状态下，感应加热器的工作特性决定了其电源应该具有以下特性：1、该电源应该提供一个在大范围内连续可调的电流，以驱动负载线圈产生一定的磁场。2、由于本电源要应用于感应加热装置，所以，电源的频率要在一定范围内连续可调。3、电源的负载为感应加热器，即负载呈感性。因此，应具有过电流保护电路以抑制开、关电源等电流变化较大的场合所产生的瞬态电压对功率器件的冲击。 1.3设计内容（1）

11、 本文设计主要包括以下几个方面： 1、整流电路的设计。 2、逆变电路的设计。 3、逆变电路变压器组成方式的设计。（2） 感应加热电源的技术参数：1 输入三相电压380V。2 输入交流电频率50HZ。3 输出最大功率70KW。4 电源效率80%。5 电网电压波动+10%-10%2、 感应加热电源电路设计 2.1感应加热电源总体设计方案如图2.1 所示，感应加热电源主要由主电路、控制电路和驱动电路三部分组成。本设计系统主电路采用的是交直交结构，包括输入整流器、直流滤波器、逆变器、交流滤波器及隔离变压器等组成部分。系统控制部分的硬件电路总体上采用了：控制板和驱动板两个大的模块。控制板有三大功能：（1

12、）负责接收设定的控制指令和数据；（2）生成并向驱动板上的驱动芯片提供SPWM 信号；（3）接收并且处理系统的反馈信号。驱动板的主要功能是：（1）接收控制电路发送过来的驱动信号并将其直接放大处理送给逆变器的功率开关管；（2）检测并向控制芯片反馈经过预处理的故障信号。感应加热电源原理框图： 图2.1 感应加热电源原理框2.2感应加热电源的工作原理 从图2.1中我们可以看出感应加热电源工作的过程为：首先将电网输入的380V 工频交流电加到三相桥式半波整流电路上，然后通过三相整流电路整流后输出的电压经电解电容滤波成为平稳的直流电压，再通过采用SPWM进行控制的逆变电路将平稳直流转换为脉宽调制输出的交流

13、，输出SPWM 波幅值恒定，宽度按正弦规律变化，该交流基波频率为所需要的电流输出频率。逆变器输出的脉宽调制波经LC 低通滤波电路滤去高频分量，得到纯正的正弦波交流电，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交流电供给感应加热器的交流线圈。本设计的核心和难点工作在于逆变器和DSP 控制电路的设计。逆变器部分主要包括逆变电路拓扑结构的选择及其功率开关器件参数的设计和选择；控制部分则包括逆变驱动电路、控制电路等硬件电路的设计和SPWM 信号波的产生和保护电路等部分的设计。2.3感应加热电源具体电路设计 整流电路方案有单相、三相，当整流负载容量较大，直流电压脉动较小、易滤波时，应采用三相整

14、流电路，其交流侧由三相电源提供。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广泛的是三相桥式可控整流电路、双反星形可控整流电路以及十二脉波可控整流电路等。从经济和适用角度分析，本设计采用三相半控整流电路。逆变电路有电压型逆变电路和电流型逆变电路两种。两种电路具有一下特点：电压型逆变器短路保护较为困难。电流型逆变器的短路保护则比较容易。电压型逆变器工作时，开关管承受反压较大。电流型逆变器工作时，开关管受的反压很小，其大小仅仅是开关管反并联二极管的导通压降，非常小。电压型逆变器的起动较为简单。电流型逆变器起动较为困难。电压型逆变器由于电压高，电流小，对槽路布局要求较低。电流型逆变器则

15、由于电压低，电流大而对槽路布线要求很高。电压型逆变器工作更为可靠。电流型逆变器工作可靠性较差。综合比较两种电路的优缺点，电压型逆变电路以其在换流时自然过零关断、关断时间短、起动较容易、适用于频繁起动工作的场所的特点被广泛的应用在感应加热、电焊机等场合。因此本设计采用电压型逆变电路结构。单相逆变电路主要采用桥式接法。主要有：单相半桥和单相全桥逆变电路此实验采用单相全桥逆变电路。2.3.1.整流电路的设计本设计采用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，调节晶闸管的触发角，可以控制整流输出直流电压由低到高逐渐变化，这样可以防止浪涌电流损毁整流器，实现了软启动；当电源出现故障时，可

16、以封锁晶闸管的触发信号，从而切断直流侧滤波电容的充电回路，关闭直流环节，以防止故障的进一步扩大。三相可控整流电路如图2.2所示。 图2.2 输入整流滤波电路输入整流部分由三相晶闸管整流桥组成，在感应加热电源开机启动时通过调节晶闸管的导通角来实现软启动，限制冲击电流不超过电源满载时的额定电流。软启动结束后，可控硅/整流桥的导通角最大，此时相当于标准的整流桥。整流后通过电解电容Cd滤波得到平稳的直流送到逆变器。高频滤波电容Ch 用于提供高频无功电流的通路。电抗器Ld 主要起限流作用，限制流过整流桥电力二极管的电流尖峰，改善网侧的功率因数。2.3.2.逆变电路设计本设计采用单相电压型全桥逆变电路，其

17、电路具有以下特点：（1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位因为负载阻抗的情况不同而不同；（3）当交流侧为阻感负载时需提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用,为了给交流侧向直流才反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管,又称为续流二极管。电压型逆变电路如图2.3所示。电压型逆变电路负载分析：电容与负载串联构成了电压型逆变器的负载电路。如图3.3所示。由图可知，负载阻抗为： (2-1) 图2.3 电压型逆变电路 图2.3

18、电压型负载电路 负载阻抗的模为: (2-2)当ImZ(jw)=0时，即,电路发生谐振，设谐振角频率为。所以 则= （2-3）由于=，故谐振频率为： (2-4）品质因数： （2-5）则电感和电容上的电压分别为： （2-6） （2-7）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，因此我们也常常把串联谐振称为电压型谐振，Q 为谐振电路的品质因数。2.4逆变电路的调制方式当今逆变电源控制应用最为广泛的就是SPWM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，由于三角波或锯齿波的上下宽度

19、是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得到一组幅值相等，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，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电。SPWM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积分相等，其作用效果基本相同。正弦波脉冲宽度调制波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。根据采样控制理论，脉冲频率越高，SPWM波形越接近正弦波。逆变器输出电压为SPWM波形时，其低次谐波得到很好地抑制和消除，高次谐波又能容易滤去，从而可得到畸变率极低的正弦波输出电压。根据脉宽调

20、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，而器件本身的开关能力与主电路的结构及其换流能力有关，所以，应用脉宽调制技术时必然受到一定条件的制约，主要有下列两点：开关频率。电力电子器件的开关频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量接近正弦波，应该尽可能增大载波比，但开关器件本身允许的开关频率又限制了载波比不能太大。最小间歇时间与调制度。为保证主电路开关器件的安全工作，必须使所调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间。3、 参数的计算与器件选择3.1整流滤波电路参数计算与器件选择（1）三相半控整流电路，其整流输

21、出的直流电压为： = (3-1) 式中：整流滤波输出电压平均值； 整流电路输入线电压。则 = 1.35=1.35380V=513V (3-2)本电源的最大输出功率为=70KW，考虑到滤波器的损耗以及功率开关管的开关损耗，设逆变器的变换效率为80%，则整流电路最大输出直流功率为： = =70/0.8087.5KW (3-3) 则整流电路的最大输出直流电流为： =87.5/513170.6A (3-4) （2）整流二极管参数计算在三相整流电路中，每个桥臂的二极管所承受的正反向电压的最大值为三相交流电网线电压的峰值，在实际应用中还需要考虑到电网电压的波动以及各类浪涌电压的影响，因此需要留有一定的安全

22、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： =V (3-5) 流过二极管的电流有效值为： 98.6A (3-6) 按照有效值相等的原则来选取二极管的额定电流，并留有一定的裕量，一般1.52 倍, 则整流二极管的额定电流为：= =A (3-7) 所以选取耐压值为1300V，额定电流为150A型号为RY255的整流二极管。（3）滤波电容的参数计算滤波电容器主要起滤波和稳定电压的作用。由于采用了三相桥式整流电路，应按下式设计滤波电容的值： = (3-8) T1为整流输入电压的频率，=50Hz，直流电源的负载电阻： =3.0 (3-9) 因此： = (3-10) 电容耐压值为： =

23、1.51.35380=769.5V (3-11) 由于耐压要求较高，所以选择2个3900日立公司HCGF5A2G392Y的电容，耐压为400V，两个电容串联。3.2 逆变电路参数计算与器件选择 IGBT 所承受的正向电压值就是前面整流电路的输出电压，实际应用时留有一定的安全裕量，一般取为23 倍。因此IGBT 的额定电压为： =513=（10261539） (3-12) 逆变电路输出电流有效值最大为： =236.9A (3-13) 由于IGBT 在一个周期内桥臂的开关管只导通不到一半的时间，同时考虑到1.52 倍的安全裕量，则流过IGBT 的电流有效值为： =2336.0A (3-14) 由以

24、上计算可知，应选1000V-400A型号为KK300-10的IGBT四只。3.3逆变变压器设计参数1 逆变变压器二次绕组匝数经计算取27匝，变压器一，二次绕组匝数比由负载所加电压决定。此设计取1:1.5，则一次绕组匝数为18匝。2 等效负载电感值L=0.8mH。为实现负载串联谐振，需在变压器一次侧串入一定大小的电容，考虑变压器的初次匝数比为1:1.5，则经计算=286uF。4、 感应加热电源仿真通过上面的理论上的设计,我们可以勾画出一个感应电源的完整形态,然后再组成一个感应加热电源,最后用仿真来验证其设计的可行性。如图4.1为感应加热电源的仿真实验图，用matlab来验证其可行性。仿真结果如图图4.1逆变输电压波形 由图4.2可以看出，仿真后的输出波形与理论分析及计算结果相一致，符合系统的设计要求。本章设定了感