大功率商用电磁加热系统设计计算书

1、大功率商用电磁加热系统设计报告1电磁加热系统原理与特点当线圈流过高频交变电流时会在其周围产生交变磁场，如果该磁场靠近金属表面，则在金属中能感应出漩涡状的电流， 简称涡流。涡流的大小与金属材料的 导电性、导磁性、几何尺寸有关。涡流本身也会产生磁场，其强度取决于涡流的 大小，其方向与线圈电流磁场相反，因而抵消部分原磁场，它与线圈磁场叠加后P、形成线圈的交流阻抗，导致线圈的电感量发生变化(减小)。这些涡流消耗电能， 在感应加热装置中，利用涡流可对金属进行加热热。涡流的大小与金属的电阻率 磁导率卩、厚度h，金属与线圈的距离§，激励电流角频率3等参数有关。超音频和高频工业上把感应加热依频率分为

2、四种：工频(50 Hz);中频(0.5 Hz8 kHz);超 音频(20Hz60kHz);高频(60Hz600kHz).工频交流电直接由配电变压器提供； 中频交流电由三相电动机带动中频发电机或用可控硅逆变器产生； 交流电由大功率电子管振荡器产生电磁感应加热如图1所 示。高频电磁感应加热方法是 利用电磁感应在被加热体产 生的涡流，对被加热体进行涡 流加热。将被加热体看成无数 个同心圆状的电流环网路，当 通过被加热体线圈的磁通增 加时，就产生使它减小的方向 的感生电流；当通过线圈的磁 通减小时，就产生使它增加的 方向的感生电流，该电流称为 涡流。涡流的计算公式为：Jm(A/m2)2 r dt(1)

3、为加热体d式中：J为以r为半径的圆交变磁通在加热体表面形成的涡流;金属的导电率；m为半径r圆的磁通。将被加热体和电磁感应加热线圈结合在一起，中问留有 24 mm勺间隙，电 磁感应加热线圈通过高频交变电流，便相当于在电磁感应加热线圈和被加热体之 间形成无数个小交变磁场，这些小磁场的磁通变化，在被加热体表面产生涡流， 涡流的能量转化为热能，达到加热的目的。感应加热是利用电流通过线圈产生交变磁场，当磁场磁力线通过锅局部时， 磁力线被切割而产生无数小涡流，使锅局部瞬间迅速发热。由于“集肤效应”， 涡流分布高度集中于锅表面，而且随距表面的距离增大而急剧下降。 设锅表面的感应电流强度为I。，沿感应透入深度

4、方向，距离表面x处的感应电流强度为l(x) loe x/，涡流的理论透入深度为式中 为电阻率(10 8 mm) ； f为频率(Hz)； 为导磁率(410 7T/A)实际应用中规定l(x)降至表面涡流强度的1/e处的深度为“电流透入深度”,经 计算证明，86. 5的热量是发生在深度为的薄层。钢铁材料在感应加热过程中， 随温度的上升而增大， 的大小在材料失去 磁性前基本不变，而达到居里点温度(铁为770 C,中碳钢724 C)以上钢材就失去 磁性，急剧下降为真空导磁率，即 1。材料在失磁前的涡流透入深度称为“冷态的涡流透入深度” 冷。而随着材料温度的上升，会导致 增大和 下降，使 涡流分布平缓，透

5、入深度增大考虑一块厚为h，电阻率为，半径为a的金属圆板，置于磁感应强度B、随时间交变的磁场中，为了计算热功率，沿着电流方向将金属圆板分割成若干个 宽度为dr、周长为2 r，厚度为h的金属薄筒，任意一个薄筒的感生电动势为薄简的电阻为d2 dBrdtdtR所以薄筒的瞬时热功率为2 rh dr2dpRhr3 dr dB2 dt(3)(4)(5)整块金属圆板的涡流的瞬时热功率为ap 0dPha482dBdt(6)dB设 B B0 si nt，贝UB0 cos t，dt涡流在一个周期的平均热功率为ha4B02 21 r : cosT 0tdth 22416 0 a由上式可见，若要得到较大的热功率输出,必

6、须选择高频交变的电磁场,生较大的磁感应强度，且金属的电阻率要较小。由于感应器的工作电流很大且频率很高， 在设计和应用时， 必须考虑电磁感 应的三个基本效应：集肤效应、邻近效应和圆环效应。集肤效应 当变化的电流在导体中流动时，它周围的磁场也随着变化。 这变化的磁场也要在导体中产生感应电流， 因而影响导体中电流的分布， 使电流 趋向导体表面。也就是说，愈靠近导体的表面，电流的密度就越大。频率越高， 集肤效应就越明显。因此，在高频状态下，常采用中空导线，或用若干股并列的 细导线作为输出馈线。邻近效应 就是导体的邻近还有其他载有变化电流的导体时，每一导体 中的电流将要重新分布，和孤立时不一样，其分布是

7、不均匀的。不均匀的程度， 则视导体的形状、尺寸、相对位置以及交变电流的频率而定。圆环效应 是指环形导体的电流分布有集中于表面的趋势，而且其程度 也受频率的影响。频率越高，圆环效应就越明显。采用感应加热原理设计的高频电磁加热系统具有着突出的优点。 它是利用电 磁感应产生的交变磁场， 在发热体的表面形成涡流达到直接加热的目的， 效率高， 加热时间比相同功率的加热器要快得多， 更值得指出的是， 它通过感应线圈使发 热体产生涡流达到加热的目的， 实现了发热体和主电路之间电气上的隔离， 避免 了因绝缘损坏而产生的漏电现象，在安全性上大大提高了。感应加热具有以下优点：(1) 加热速度快。由于感应加热过程主

8、要是依靠电流感应透热和传导的方式 实现，故在很短的时间便能加热到预期的温度。(2) 热损少、加热效率高。在感应加热过程中，能量的传递是以电磁波的形 式进行的，故受外界的干扰小、 能量的扩散少， 提高了能量的利用率和加热热效 率。(3) 无污染。加热热源是电能，不会产生任何有害的气体和污染物，属于环 保型的热源。(4) 易于实现自动控制。加工过程中热源的参数主要是电源的功率和频率， 这两项电参数在控制过中是很容易实现自动控制的， 不需要相关的转换模块， 可 以更有效地控制加工的质量。(5) 实现了发热体和主电路之间电气上的隔离，避免了因绝缘损坏而产生 的漏电现象，在安全性上大大提高了。2 技术指

9、标1.1 输入电压：三相 380V±20%，50Hz；1.3工作环境温度：(-10 +60)C；1.4 最大输出功率 15Kw;1.5 输出功率连续可调；2电磁加热系统的功能2.1过流、过压、欠压、过功率保护和故障报警显示功能；2.2软启动、软关断功能；2.2停电记忆功能；2.3 IGBT高温保护、线圈高温保护和故障报警显示及自动恢复功能；2.4 IGBT温度传感器、线圈温度传感器、调功电位器开路、短路保护和故 障报警显示功能；2.5关机散热风机延时功能；2.6小物件检测功能（小于80mm不加热）。3外形尺寸及系统组成3.1主机箱外壳尺寸 主机箱尺寸图：图2主机箱主要尺寸3.2.3

10、LED显示屏控制接口定义和原理图3 LED显示屏GND申亓辐入+5V十凸V图4显示板控制接口定义3主电路设计三相交流电通过滤波后送入三相整流模块，得到一脉动直流电源，通过n型滤波获得直流电压源，其额定幅度为 513V。主电路有两种选择，其一是半桥，其二是全桥，半桥通过桥路电容和电感形 成谐振，全桥通过电感和串联电容形成谐振。 这两种电路均可以应用，但全桥需 要四个驱动电路，需要4个IGBT，但通过的电流是半桥的1半。本设计采用半桥电路。3.1输入参数计算最大输出功率Pmaxout15 KW系统效率min 0-85则变换器最大输入功率naxinPmax150000.8517647W输入电压380

11、V±20%，最大456V，最小304V，三相全桥整流后, 最大直流电压Umax 456 1.35615V最小直流电压Umin304 1.35410.4V因此输入最大电流I maxu：:x；2 A因此主电路整流管额定电流和IGBT额定电流必须大于最大电流，考虑安全 系数，取额定电流为150A/1200V。3.2半桥设计5所示。市电交流380 V经过滤波整流后变为大约510 V图5电磁灶系统框图电磁灶系统框图如图 直流，通过半桥谐振逆变 电路的振荡在线圈中产 生交变磁场，在发热体中 产生涡流以达到加热的 目的。把涡流效应等效到 原边，用L、R串联表示。 当负载为RLC且满足振荡 条件时，

12、这种负载称为谐 振负载，对于谐振负载可 以通过改变频率来改变 输出的电压和功率。逆变 式谐振负载（串联谐振）的电路特点是:逆变电路输出的波形为方波（方波电压）；可以将逆变频率调谐在谐振频率附近， 而正弦输出的电流，无需通过低通滤 波器消除其最低次谐波，所谓“谐振逆变”电路因此得名；因为利用负载谐振特点电路中的元件要承受很大的电流或电压。串联谐振网络的形式如图6所示，其中L是谐振电感，C是谐振电容，涡流 等效阻抗R。Usinwt图6串联谐振电路对图3所示的电路图，导纳可表示为J丄R CsY(s)sLsCs1 2LC sRC 1(9)它是频率s j的函数，令R2L1士，则有:Y(s)(10)由式（

13、10）可以看出，在谐振时，即j 0时，电感和电容阻抗相互抵消,IgY(s)对数幅频特性曲线igig(11)1Y(s) R(12)2 s电路谐振时，Y(s0)设电源电压为U s，则电流为l(s)U (s)Y(s)，电容电压Uc(s)l(s)sCY(s) U(s)- sC22 s 122 s 0 sCR2U(S)p 02s 2 s 0(13)图7令串联谐振电路的品质因数为0LR则式(10)可改写为(14)Uc(s)U(s)也就是说谐振时负载电压等于电源电压，电容上的电压可达电源电压的谐振时AB通过调整工作频率，调整通过开关管，S1、S2的开通和关断，感 应线圈电感和半桥电路的两个电容在各自的回路形

14、成谐振。当逆变器工作在谐振频率 0时，开关器件的状态转换总是发生在开关器件电流过零时刻，在这种情况下，所有反并联二极管始终不通过电流。实际上半桥输出入电压为幅度为U/2的方波，只要0，而且Q值足够大，电流几乎为正弦波iaY(j 0)Ua1mSin 0t12Usin0t(15)2U一Ua1m为方波电压的基波分量幅值。输出功率若输出15kw，不考虑效率，等效电阻当逆变电路的工作频率大于谐振频率2UR0.352U1 2（0，且0），lc作用相当于一个电感LeLeL(10)2)(17)谐振电路的阻抗等值于LeR电路,工作于感性负载，电流滞后于电压iaRCL/上11 2U 1sin( tarctg(18

15、)当逆变电路的工作频率小于谐振频率0，且 0），LC作用相当于一个电感CeCe(19)C谐振电路的阻抗等值于RC电路,工作于容性负载，电流超前于电压iasin( t1arctg(-R)(20)从上面分析可以看出，当没有锅在灶上时，没有涡流产生，电路为纯电感负 载，储存在电感中的能量和电容交换， 输入直流平均电流为零，若灶上有一个较 小的金属物体时，涡流等效到电感原边的电阻较大， 输入直流平均电流较小，因 此可以根据输出电流衰减的快慢判断有无锅，实现小于某直径金属不加热功能。当涡流发生时，涡流本身也会产生磁场，其强度取决于涡流的大小，其方向 与线圈电流磁场相反，因而抵消部分原磁场，它与线圈磁场叠

16、加后形成线圈的交 流阻抗，导致线圈的电感量发生变化（减小）。没有锅时，电感为其测量值，最小谐振频率空r 1 ，当工作频率远大y/L空C于此谐振值时，其输出电流滞后电压约 90度电角度。有锅时，电感值增大，即L空 L合，谐振频率减小，不同的锅谐振频率不同。最大谐振频率合r，当工作频率接近于此谐振值时，负载等效为LR负-合 min C载，其输出电流滞后于电压，小于 90度电角度，当在谐振点工作时，其等效负 载为纯电阻负载，电流和电压同相位。从公式（7）可知，输出的功率与工作频率的平方成正比，因此通过调解谐 振工作频率就可以调解输出功率。同一工作频率下，调解占空比相当于调解了磁 感应强度B,而输出的

17、功率与B的平方成正比，因此调解占空比也可以调解输出 功率。因此通过调节工作频率和占空比都可以调解输出功率， 可以分别应用或同时 应用。为了使电路在不同锅材质情况下都工作在谐振条件下， 必须合理选择电容 和电感大小。由于IGBT最大工作频率受器件限制，一般不大于30KHZ,所以最大谐振频 率小于IGBT最大工作频率，最小谐振频率为IGBT最小工作频率。空载时，电容选取0.8uF，电感为120uH，最小谐振频率为min12丄空C12 10° 0.8 12016243Hz3.3工作过程分析半桥电路如图2所示，为了分析方便，重画其电路如图 8所示S1D1_C?CAPBT?BATTER'

18、;S2C?CAPD2RL卞(M WWWfk图8半桥电路当电路工作频率大于谐振频率时，电压超前电流相位，回路负载特性呈现感 性，设某一时刻，开关管S1处于导通状态，负载中流过电流（如图 5中实现表 示），当S1关断时，由于电感的储能作用，将通过二极管D2续流，如图9所示。图9感性负载时的工作过程由于D2续流，IGBT（ S2）EC之间的电压仅为二极管争相导通压降， S1承受电源电压，死区时间结束后，开通 S2, D2承受反向电压而关断，如果能够正 好在续流结束之前开通S2,则实现了零电压开通，二极管 D2实现零电流关断。当电路工作频率小于谐振频率时，电流超前电压相位，回路负载特性呈现容 性，设某

19、一时刻，开关管S1处于导通状态，负载中流过电流（图10中用实线表 示），由于电流超前电压相位，因此在S1仍导通时电流首先过零，之后电流通过 二极管D1反向流通（图10中用虚线表示），如图10中所示。图10感性负载时的工作过程二极管D1导通后，S1实际上已不起作用，当S1关断，S2导通时，D1将 承受反向电压而强迫关断，关断过程中 D1将产生较大的反向恢复电流，此恢复 电流将通过D1、S2使电源短路，从而危及IGBT。当S2导通末期，电流再次提 前反向，D2续流，此时如果S1导通，D2将承受反向电压而强迫关断，二极管 D2反向恢复电流和S2使电源短路。通过上面分析可以看出，当电路工作于容性状态时

20、，IGBT的交替导通，由于二极管反向恢复电流较大，IGBT损耗较大，不适合频繁起动的工作场合，容 易导致IGBT的损坏。当电路工作于感性状态时，IGBT可以实现零电压导通， 开关损耗取决于电流滞后的角度。因此，要让谐振回路工作于略感性负载的准谐振状态，保证电路的安全可靠 工作。3.3部分电路参数设计1）功率跟定电路由于电位器为1k,为了保证输出最大值为3V, 53R 1R 4k ，取 3.9K。 D当电位器最大时输出：15 1 3.06/3.9 1最小时0V。为了防止电源故障时输出电压升 高，采用3.3V稳压管限幅。如图11所 示。2 ）温度传感器LM35希望当温度150摄氏度时，输出3V。L

21、M35每度变化10mV，150度时输 出电压150 10mV 1500mV 1.5VvccR783.9KRP1A1KD?2gN4728(3.3V)图11功率给定电路采用同相放大器其放大倍数为2,即R58 R57 10K放大倍数=1 + =2R573）5V分压为3.3V分压电电阻分别为上电阻5.1K ，下电阻10K。4）变压器设计变压器初级输入电压380V，次级共6个绕组，其输出分别为18V，0.8A，作为Vcc电压的输入，LM350 ；18V，0.2A，作为-Vcc电压的输入，MC33063设计为降压；18V，0.5A，作为+15VH电压的输入，MC33063设计为降压;12V，0.3A，作为

22、-5VH电压的输入，MC33063设计为降压；18V，0.5A，作为+15VL电压的输入，MC33063设计为降压;12V，0.3A，作为-5VL电压的输入，MC33063设计为降压； 高度不大于90mm，匝间隔离电压，原副边隔离电压大于 3000V.3.4软启动和谐振频率跟踪为了防止起动是冲击电流对系统的损坏， 系统采用软起动，由于输出功率与 工作频率、和脉冲宽度的平方成正比，显然逐步提高工作频率或脉冲宽度就可以 实现软起动。由于当工作频率小于谐振工作频率时， 电磁炉的负载特性为容性负载，电流 超前电压，功率管开通时，会使续流二极管流过较大的反向冲击电流， 因此希望 系统工作与谐振状态或感性

23、负载，即工作频率大于等于谐振频率。输出功率和工作频率存在对应关系， 不同材质、大小的锅有着不同的对应关 系。为了防止不同材质、大小的锅在应用中不会出现故障， 必须考虑软启动的方 法。调频法：系统从最大工作频率启动；A调宽法：系统从最大工作频率最小脉宽启动。 由于不同材质的锅对应不同的谐振工作频率， 所以必须实现谐振频率的自动 跟踪。通过检测直流母线电流， 当负载为感性时， 母线电流有回流 （有正负电流）， 谐振时母线电流为正，当负载为容性时，母线电流有回流（有正负电流） ，把母 线电流经过过零比较器处里， 谐振时输出的脉冲最宽， 比较 其输出脉冲低通滤波， 则输出最大电压出为谐振频率，如果频率

24、降低，输出电流增大，则为感性负载， 若频率降低，输出电流减小，则为容性负载。4 控制流程4.1 系统主循环程序流程当供电后，DSP初始化，初始化由系统初始化、引脚配置、PWM初始化、SPI初始化和A/D初始化等构成。要保证输出的IGBT控制信号均为低电平，初 始化完成后，进入自检程序，检查IGBT温度传感器、线圈温度传感器、调功电 位器等输入输出是否工作正常，如果不正常，电路不工作，并给予警示；如果正 常，等待输入。主循环流程图见图 xx 所示。1、主循环流程图分四块，第一块：辅助电源供电、DSP初始化、自检；第二块：主电路供电、 软起动，频率跟踪，第三块，检测电流、电压、温度和功率给定值，是

25、否超标， 第四块，检锅，第五步：提锅。图12主程序流程图开始YYNYN是否过流、过压、欠压?平均电流大于I*? 温度否大于设定？电流、电压是否大于设定值N正常否?Y是否非正常关机?检测电流、电压、温度、功率给定启动SPI发送输出平均功率、故障以最大频率启动频率跟踪主电路供电关断IGBT切断主电源报警及显示关断IGBT报警及显示YTon=0?由功率给定计算工作 Ton 和停止时间Toff，开定时器关断IGBT toff 秒2、关断 IGBT 子程序包括两大部分：如果为软件关断，则软关断逆变电路驱动信号；SPI 模块外输出功率和故障信息；如果为硬件中断关断， 则关断逆变电路驱动信号， 禁止所 有模

26、块输出，清所有标志。3、检锅探测有无锅方法采用最高频率法， 10ms 时间平均电流小于某一值则无锅， 否则有锅。系统输出功率分为 12 档，可以连续调功也可以间歇调功。4 提锅当锅被移走以后，立即关断驱动，停止加热，两秒后执行检锅子程序。 提 锅判断有两种，其一是锅稍稍提起，此时平均电流增大（由于频率跟 踪，电感减小，谐振频率下降，电流增大） ，其而是锅完全提走，此 时平均电流为零。 通过检测当前电流和前一刻电流比较， 如果后一刻 电流大于前一刻电流 25%即为稍稍提起，电流等于零提锅。5 SPI 数据传送程序SPI 数据传送程序主要用于将输出功率大小和故障信号传送给显示部件，以 便显示输出功率大小和故障信息。6 保护程序设计当电路出现过流、过压，过热等故障时，立即关断加热电路，启动SPI，将故障信息传递给显示单元。当系统过流、缺相故障时，引脚 PDPINTx 上信号的下降沿跳变会引起 DSP 的功率保护中断。在 DSP 的可屏蔽中断里该中断优先级最高，可保证系统在出 现故障时有最快的保护响应。若 PDPINTx 有效，会由硬件将 GPTCONA/B 的 TCOMPOE位清零