中频感应加热电源设计

1、毕业设计（论文）题目中频感应加热电源的设计姓名系（部）电气工程与自动化系专业度用电子技术指导教师word文档可自由编辑中频感应加热电源的设计摘要感应加热电源具有加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和自动化等优点，目前已在金属熔炼、工件透热、淬火、焊接、铸造、弯管、表面热处理等行业得到了广泛的应用。本设计研究了中频感应加热及其相关技术的发展、现状和趋势，并在较全面的论述基础上，对2.5kHz/250kW可控硅中频感应加热电源的整流电路以及控制电路进行了设计。本文设计的电源电路可用于大型机械热加工设备的感应加热电源。整流电路采用三相桥式全控整流电路，其电路结构简单，

2、使电源易于推广；控制策略选用双闭环反馈控制系统，改善了信号迟滞的缺点，为以后研制大功率、超音频的感应加热电源打下了基础。关键词：可控硅中频电源，感应加热，逆变，保护电路word文档可自由编辑DesignOfInductionHeatingPowerOfMediumFrequencyABSTRACTInductionheatingpowerisequippedwithlotsofadvantagessuchashighheatingefficiency,fastspeed,goodcontrollability,whichispronetomakeheatingofhighandpartialt

3、emperature,andrealizemechanizationandautomation.Atpresentmetalmelting,workpieceheatpenetration,quenching,welding,casting,elbowpiece,surfaceheatingprocessinghasbeenwidelyapplied.Inductionheatingofmediumfrequencyanddevelopment,currentsituation,andtendencyrelatedtechnologyhasbeenstudiedandhavemadequite

4、comprehensiveandintheprofoundelaborationfoundation,thisarticlehascarriedonthedesigntomaincircuitandtheinversioncontrolofthe2.5kHz/250kWsilicon-controlledrectifierintermediatefrequencyinductionheatingpower.Thisdesignisusedforbigfacilityofmechanicalheatingprocessing.Structureofrectificationcircuitisea

5、sy,whichmakespowerpopularizedeasily.Three-phasebridgerectificationcircuitisusedinRectificationcircuit.Rectificationcircuitusesfeedbackcontroloftwoclosedloop,improvingthedisadvantages.Thefoundationforinventinginductionheatingpowerofbigpowerandsuperaudioismade.KEYWORDS:Controllablesiliconmediumpower,I

6、nductionheating,Inverter,Protectcircuit目录word文档可自由编辑前言1第1章概述21.1 感应加热电源的特点和应用21.2 感应加热电源的发展阶段31.3 国内外发展现状31.4 影响感应加热电源发展的主要因素41.5 感应加热电源的发展趋势5第2章感应加热电源的结构及工作原理72.1 基本工作原理72.2 感应加热电源的基本结构8第3章整流电路设计83.1 整流电路的分类93.2 整流电路的选择93.3 三相桥式全控整流电路93.4 整流电路的参数设计13第4章逆变器的选择154.1 串并联谐振电路的比较154.2 串联谐振电源工作原理174.3 串并

7、联谐振逆变器拓扑电路的对偶关系194.4 串并联谐振优缺点比较20第5章控制电路设计215.1 控制电路系统的概述21word文档可自由编辑5.2 控制电路的结构与原理215.3 控制电路的作用245.4 控制策略245.5 2.5kHz/250kW感应加热电源控制电路结构285.6 控制触发回路频率跟踪调节285.6.1 触发要求285.6.2 频率跟踪电路29第6章过流和过压的保护电路30结论32谢辞33参考文献34外文资料翻译36word文档可自由编辑前言感应加热技术是在20世纪初才应用于工业生产的，因其具有加热速度快、物料内部发热和热效率高、加热均匀且具有选择性、产品质量好、几乎无环境

8、污染、可控性好及易于实现生产自动化等一系列优点，因此近年来得到了迅速发展。在现代工业的金属熔炼、热处理、焊接等过程中，感应加热被广泛应用。感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量进行加热的，它加热效率高、速度快、可控性好，易于实现高温和局部加热。随着电力电子技术的不断成熟，感应加热技术得到了迅速发展。本文设计了中频感应加热设备的工作原理，主要设计了2.5kHz/250kW可控硅中频感应加热电源电路部分的整流电路和控制电路，可用于大型机械热加工设备的感应加热电源。整流电路采用三相桥式全控整流电路，其电路结构简单，易于推广；控制策略选用双闭环反馈控制系统，改善了信号迟滞的缺点，为以后研

9、制大功率、超音频的感应加热电源打下了基础。word文档可自由编辑第1章概述感应加热技术是一种先进的加热技术，它具有传统加热方法所不具备的优点因而在国民经济和社会生活中获得了广泛的应用。此项技术的核心内容之一就是感应加热电源的研制，电源的性能价格比直接决定了其获得应用的速度与广度，随着电力电子器件制造技术及其装置控制技术的逐步成熟，以电力半导体器件为主要元件的固态电源的制造成本正在迅速下降，不断提升其性能水平是这种新技术获得最大限度推广的重要条件。1.1 感应加热电源的特点和应用感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量对工件进行加热的。由于感应加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高

10、温和局部加热，易于实现机械化和自动化等优点，已在熔炼，铸造，弯管，热锻，焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。在国外，感应加热技术已日趋成熟。在铸造方面，正在迅速发展双联熔炼工艺，即利用中频炉保温改性，进行球墨铁或合金钢的精密浇铸；在锻造方面，利用感应加热实现快速透热热锻，其材料利用率可达85%,锻件表面光洁度可小于50m;在焊接，淬火方面，国外一方面致力于开发大功率全固态高频电源，一方面致力于开发高度自动化的热处理成套处理系统。我国铸件用量大，而铸造行业仍以冲天炉熔炼为主，温度及成分波动大，废品率高。目前，我国较好的铸造业废品率也在6%-15%问，而一般铸造厂的废品率高达30%o随着我国电力

11、供应的改善，环保要求的提高，发展和扩大感应加热的规模，在大型企业推广双联熔炼工艺，改造我国铸造行业是符合我国煤炭资源丰富特点的一条有效途径。这项改造工程不但涉及到保温炉的设计制造，双联熔炼工艺的最佳化控制系统设计，还涉及到大功率中频感应加热电源等。同样地，在锻造，焊接，淬火热处理方面全面推广国外先进技术，改造我国传统产业是必然趋势1。近年来在某些高新技术的研究开发中也使用了感应加热。上述这些先进技术的推广和发展均与感应加热电源技术的研究和发展密切相关。word文档可自由编辑1.2 感应加热电源的发展阶段(1)在50年代前，感应加热电源主要有：工频感应熔炼炉，电磁倍频器，中频发电机组和电子管振荡

12、器式高频电源。50年代末可控硅的出现则标志着固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。硅晶闸管的出现推动了感应加热电源及应用的飞速发展。至今，在中频(500Hz-10kHz)范围内，晶闸管中频感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。在高频范围内，由于品闸管本身开关特性等参数的限制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度，它必须通过改变电路拓扑结构才有可能实现。(2) 70年代末到80年代初，现代半导体微机集成加工技术与功率半导体技术的结合，为开发新型功率半导体器件提供了条件，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件，极大地推动了电力电子学发展，为固态超音频，高频电源的研制提供

13、了坚实的基础。(3) 1983年IGBT的问世进一步推动了感应加热电源的发展。IGBT综合了MOS和双极晶体管的优点，具有通态压降低，开关速度快，易驱动等优点，自1988年解决了擎住问题后，大功率高速IGBT已成为众多加热电源的首选器件，频率高达100kHz，功率高达MW级电源已可实现。(4)在超高频(100kHz以上)频段，长期以来由电子管振荡式变换器产生。80年代兴起由大功率半导体开关器件为元件的逆变式高频感应加热电源。1.3 国内外发展现状在中频范围内，国外装置的最大容量已达到数十兆瓦。在高频(100kHz以上)频段内，目前国外正处于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

14、块化，大容量化MOSFET,IGBT功率器件为主。表1-1列出了各国的发展水平。表1-1各国感应加热电源的发展水平word文档可自由编辑国家MOSFET的参数IGBT的参数西班牙600Kw/400kHz30-600Kw/50-100kHz德国480Kw/50-200kHz比利时1000Kw/15-600kHz日本1200Kw/50kHz中国(浙江大学)20kW/300kHz50kW/50kHz（产品）200kW/75kHz（研制）西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源制造水平达600kW/400kHz。日本主要以SIT为主，电源水平在80年代末达到了10000kW/200kHz.400kW

15、/400kHz。在中频范围内，国内己形成200Hz-10000Hz,功率为100kW-3000kW系列产品，可以配备5t以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热，表面淬火等热处理工艺，尤其在废旧钢铁熔化及铸造上已经得到了普遍的应用。在高频(100kHz以上)频段内，国内浙江大学在90年代研制成20kW/300kHzMOSFET高频电源，己被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，96年天津高频设备厂和天津大学联合开发出75kW/200kHzSIT感应加热电源。总的来说，与国外的水平相差很大。1.4 影响感应加热电源发展的主要因素(1)感应加热电源的发展与电力

16、电子器件的发展密切相关，而电力电子器件的发展又是与半导体微机集成加工技术与功率半导体技术分不开的。可控硅出现后，一代又一代的电力半导体器件先后问世，性能不断改善，高耐压和高耐流，低损耗、高频率使得感应加热电源的性能和实用性得到了体现。(2)单片机、微型计算机技术和集成芯片技术的发展使得对感应加热电源的复杂控制成为可能，体积和重量明显减小，功率因素提高了，功率控制调节方便、准确。(3)感应加热电源的发展离不开材料学的进步如磁性材料学。同时，一些相关的技术如磁通集中器，感应线圈的材料和设计，绝缘技术，故障诊断技术和远程控制、智能化技术等等也都影响其发展。可以说，感应加热电源的发展是诸多学科和综合技

17、术共同决定的。word文档可自由编辑1.5 感应加热电源的发展趋势(1)从电路的角度，感应加热电源的大容量化技术分两类：一是器件的串并联；二是多台电源的串并联。在器件的串并联方式中，必须处理好串联器件的均压问题和并联器件均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串并联数目，且装置的可靠性和用并联数目成反比。多台电源的串并联技术是在器件用并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源用并联技术，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)。串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源。当两电压源并联时，相互间的幅值，相

18、位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以致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：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/DC环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容。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IGBT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，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地屏蔽等均有很多特殊要求，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进一步

19、探讨。(3)感应加热电源多应用于工业现场，具运行工况比较复杂，它与钢铁，冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，它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效率，从磁性材料选择到绕组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个无源元件，以代替匹配变压器实现高效，低成本隔离匹配。(4)随着感应热处理生产线自动化程度及对电源高可靠性要求提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。具有计算

20、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。(5)由于感应加热用电源一般功率都很大，目前对它的功率因数，谐波污染word文档可自由编辑指标还没有具体要求。但随着减少电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数(采用大功率三相功率因数校正技术)及低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。(6)当今高新技术飞速发展，新材料、新工艺不断涌现，感应加热是一个重要的研发和加工手段。因此，感应加热电源是某些高新技术研发中心不可缺少的装备。可以肯定的说，随着科学技术的发展，感应加热电源在高新技术领域会有更广泛的应用。在这一领域，对感应加热电源的可靠性和可控性要求更高。如何设计制

21、造大功率超高频、高性能的感应加热电源，是电力电子科技工作者的重要课题2-3。word文档可自由编辑第2章感应加热电源的结构及工作原理2.1基本工作原理感应加热是利用导体处于交变电磁场中产生感应电流（涡流）所形成的热效应使导体本身发热。根据不同的加热工艺要求，感应加热采用的电源的频率有工频（5060Hz）、中频（6010000Hz）和高频（高于10000Hz）。感应加热的物体必须是导体，感应加热能在被加热物体内部直接生热，因而热效率高，升温速度快，容易实现整体均匀加热或局部加热（包括表面加热）。感应加热是利用交流电建立交变磁场产生涡流对金属工件进行感应加热的。基本工作原理如图2.1所示，图中A为

22、感应线圈（也称负载线圈），B为被加热的金属工件。若线圈A中通以交流电流i1,则在线圈A内产生随时间变化的磁场，置于交变磁场中的被加热工件B要产生感应电动势02,形成涡流i2,这些涡流使金属工件发热，消耗电能。由上可知，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属工件，然后在金属内部转变为热能，感应线圈与被加热金属不直接电接触，能量是通过电磁感应传递的。BA图2-1感应加热基本原理dt由电磁感应定律可知，感应电动势02为:(2-1)word文档可自由编辑设磁通中对时间t按正弦规律变化，即GGmsincot则e2=-6Mccoscot=；，M，sin(-t90)=EM2sin(ot+90)(2-2

23、)其中感应电动势的幅值为：Em2=8中m=2徘mf为了要使金属工件加热到一定的温度，必须要求金属工件内有足够大的涡流，亦即要求金属工件内有较大的电动势e2,从式(2-2)可知，要增大e2有如下两种途径：(1)增大线圈A中的电流i1。增大i1即增大金属工件中的交变磁通的最大值Gm。(2)增大线圈中电流ii的频率。因为金属工件中的感应电动势e2正比于磁通变化率，所以ii的频率越高，感应电动势为就越大。近代感应加热广泛采用中频及高频电源的原因就在于此，也是成为感应加热电源研究的方向和追求的必然。2.2感应加热电源的基本结构随着电力电子学及功率半导体器件的发展，感应加热电源拓扑结构经过不断的完善，已形

24、成一种固定的AC/DC/AC变换形式，基本结构如图2-2所示。一般由整流器、滤波器、逆变器及一些控制和保护电路组成4。2-2感应加热电源的基本结构框图第3章整流电路设计word文档可自由编辑3.1 整流电路的分类整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式各种各样；按组成的器件可分为不可控、半控和全控三种，按电路结构可分为桥式电路和零式电路，按交流输入相数分为单相电路和多相电路，按变压器二次侧电流的方向是单相或双相，又分为半波电路和全波电路；实用电路是上述的组合结构5。整流电路的实质就是把交流电能转换为直流电能的电路。3.2 整流电路的选择半波整流：变压

25、器的次级绕组与负载相接，中间串联一个整流二极管，就是半波整流。利用二极管的单向导电性，只有半个周期内有电流流过负载，另半个周期被二管所阻，没有电流。这种电路，变压器中有直流分量流过，降低了变压器的效率；整流电流的脉动成分太大，对滤波电路的要求高。只适用于小电流整流电路。全波整流：一是变压器与半流整流电路相同，但用四个二极管组成桥式电路，将次级线圈的正、负半周都用起来；二是变压器的次级绕组圈数加倍，中间抽头，实际上由两个次级线圈构成。中间抽头接负载一端，另两个端子各串联一个二极管后接负载的另一端。经常使用的整流电源电路是效率高的全波整流电源电路，仅用电容器作为滤波电路的电路有中心抽头式和桥式。现

26、在装有4个整流二极管的桥式整流器能够很便宜买到，而且变压器的使用效率也高，所以几乎都为桥式整流电路6。桥式整流属于全波整流，三相整流只有全波整流，没有半波整流。三相全波整流也只有桥式整流。所以在此设计中选用了三相桥式全控整流电路。3.3 三相桥式全控整流电路整流电路采用三相全控桥式整流电路，其作用为将从三相电网输入的50Hz电压整流成脉动的直流电压。word文档可自由编辑三相桥式整流电路图如图3-1所示图3-1桥式全控整流电路晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极,并与变压器和负荷分别构成两个三相半波可控整流电路，两个三相半波可控整流电路串联就构成三相桥

27、式全控整流电路，如图3-2所示。图3-2相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路的输出电压为三相半波可控电路的两倍三相桥式全控整流电路的输出电压为：Ud=2.34J0cosa(3-1)式中：Ud输出直流电压平均值;word文档可自由编辑Uo电网相电压；a触发移相角。当口=0时，对于共阴极组的晶闸管依次触发阴极电位最高的晶闸管，对于阴极组的晶闸管组依次触发阴极电位最低的晶闸管，使晶闸管导通。把一个周期平均分为6段，如图3-3,3-4,3-5,3-6所示。图3-3a=00俞出电压波形在VT1段内，a相电压最高，电流从变压器a相绕组流出，经过VT1负荷和VT6（在此段内，b相电压最低，共阳极组的晶闸管

28、VT6正处于导通状态），回到变压器b相绕组。a相绕组内的电流为正，b相绕组内的电流为负。负荷电压Ud=Uabo在VT4段内，a相电压仍然最高，晶闸管VT1继续导通，电流从a相绕组流出，经过VT1负荷和VT2。晶闸管VT6承受反向电压而关断，所以电流回到c相绕组。b相绕组内的电流为正，C相绕组内的电流为负。负荷电压Ud=Uacoword文档可自由编辑图3-.4a=300俞出电压波形在VT1和VT4段内，由于负荷的电感量较大，流过VT1的电流也保持不变。在VT3段内，b相电压最高，晶闸管VT3因得到触发脉冲而导通，由于b点电位高于a点电位，所以晶闸管VT1因承受反向电压而关断。电流从b相绕组流出。

29、在这一段内，c相电压仍然最低，品闸管VT2继续导通。负荷电压Ud=Ubco图3-5&=600俞出电压波在VT6段内，VT3和VT4导通，Ud=Uba。在VT5段内,VT4和VT5导通，Ud=Uca。在VT2段内，VT5和VT6导通，Ud=Ucb。word文档可自由编辑图3-6a=900俞出电压波形上图是不同a时的输出电压波形给出了在感性负载电流非断续的状态下，不同a角下的输出电压的波形,其中a>90二的状态称为整流桥的逆变工作状态,其实质是负载向电网反馈能量网。3.4 整流电路的参数设计二极管电压额定值Urrm;二极管的耐压可按式(3-2)确定，根据电网电压，考虑到其峰值、电压波

30、动等因素。取波动系数为1.3,安全系数口=1.5。VrrmUacM拒M1.3MU(3-2)由于交流侧电压Uac为380V,代入上式，可得：Vrrm之Uac父衣父1.3父"=380父亚父1.3父1.5=1047.774/(3-3)(2)确定电流额定值I:整流二极管的电流额定值是根据其结温而确定的，可按式(3-4)来确定：12t之IRta(3-4)式中：Ir冲击电流值；a安全系数，取a=2;将上式变形为：word文档可自由编辑(3-5)I_Ir=2i.3In=2115.831.3=213A需要说明的是，由于有Vch的存在，在开始启动时，可以使其占空比很小，这样几乎没有冲击电流，所以实际上

31、二极管的耐流可以更小。(3)Vch的选取；Vch的耐压和耐流与整流二极管是相同等级的。由于频率较高，所以要选择GTR、MOSFET、IGBT等工作频率较高的自关断器件。(4)电力电容的计算；因为是6个脉动整流波动，50Hz电网输入。周期为20ms,所以每个波动的时间为20/6%4ms,根据公式(3-6)可以得到：Q=CMAU=I大(3-6)式中，取I=115.83A,t=4ms,AU=600V，得到：C=772.2仙F可以选取3000仙F/400V的电容4个串联，这样实际的容量为750pF,耐压为1600V。word文档可自由编辑第4章逆变器的选择4.1 串并联谐振电路的比较感应加热逆变电源又

32、分为串联谐振和并联谐振两种：串联谐振型电压源逆变器和并联谐振型电流源逆变器14。其主电路结构及工作波形如图4-1所示。由于并联谐振型的感应加热电源易于实现保护，因此，并联谐振型电流源逆变器更优于用联谐振型电压源逆变器。然而，在采用IGBT的电流源逆变器中，由于存在一个不可忽视的换相电感，会使逆变器产生浪涌电压，从而使器件的开关损耗增加，甚至引起功率器件的击穿。对此，将采用电流源逆变器最佳相角控制方案来解决这个问题。并联谐振串联谐振图4-1逆变器主电路结构并联谐振式电源采用的逆变器是并联谐振逆变器，其负载为并联谐振负载。通常需电流源供电，在感应加热中，电流源通常由整流器加一个大电感构成。由于电感

33、值较大，可以近似认为逆变器输入端电流固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电流，其电流幅值取决于逆变器的输入端电流值，频率取决于器件的开关频率。用联谐振式电源采用的逆变器是用联谐振逆变器，其负载为串联谐振负载。通常需电压源供电，在感应加热中，电压源通常由整流器加一个大电容构成。由于电word文档可自由编辑容值较大，可以近似认为逆变器输入端电压固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电压，其电压幅值取决于逆变器的输入端电压值，频率取决于器件的开关频率。串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前

34、者是用L、R和C串联，后者是L、R和C并联；(1)串联谐振逆变器的输入电压恒定，输出电流近似正弦波，输出电压为矩形波，换流是在晶闸管上电流过零以后进行，因而电流总是超前电压一小角。并联谐振逆变器的输入电流恒定，输出电压近似正弦波，输出电流为矩形波，换流是在谐振电容器上电压过零以前进行，负载电流也总是越前于电压一小角。这就是说，两者都是工作在容性负载状态。(2)串联谐振逆变器在换流时，晶闸管是自然关断的，关断前其电流己逐渐减少到零，因而关断时间短，损耗小。在换流时，关断的晶闸管受反压的时间较长。并联谐振逆变器在换流时，品闸管是在全电流运行中被强迫关断的，电流被迫降至零以后还需加一段反压时间，因而

35、关断时间较长。相比之下，串联谐振逆变器更适宜于在工作频率较高的感应加热装置中使用。(3)串联谐振逆变器起动较容易，适用于频繁起动工作的场所；而并联谐振逆变器需附加起动电路，起动较为困难，起动时间长。至今仍有人在研究并联谐振逆变器的起动问题。串联谐振逆变器品闸管暂时丢失脉冲，会使振荡停止，但不会造成逆变颠覆。而并联谐振逆变器晶闸管偶尔丢失触发脉冲时，仍可维持振荡。(4)串联谐振逆变器并接大的滤波电容器，当逆变失败时，浪涌电流大，保护困难。但随着保护手段的不断完善以及器件模块本身也有自带保护功能，串联谐振逆变器的保护不再是难题。并联谐振逆变器用接大电抗器，但在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击

36、不大，较易保护。(5)串联谐振逆变器感应线圈上的电压和补偿电容器上的电压，都为谐振逆变器输出电压的Q倍。当Q值变化时，电压变化比较大，所以对负载的变化适应性差。流过感应线圈上的电流，等于谐振逆变器的输出电流。并联谐振逆变器的感应线圈和补偿电容器上的电压，都等于逆变器的输出电压，而流过它们的电流，则都是逆变器输出电流的Q倍。逆变器器件关断时，将承受较高的正向电压，器件的电压参数要求较高。word文档可自由编辑（6）串联谐振逆变器的感应加热线圈与逆变电源（包括补偿电容器）的距离较远时，对输出功率的影响较小。而对并联谐振逆变器来说，感应加热线圈应尽量靠近电源（特别是补彳§电容器），否则功率

37、输出和效率都会大幅度降低。综合比较申、并联谐振逆变器的优缺点，决定对串联谐振式电源进行研究。在高频设备中，串联谐振型相比并联谐振型更具有优点：这是因为目前用于高频的功率开关器件不能承受反压的原因。若将其用于并联逆变电路，由于工作频率接近于并联谐振负载电路的谐振点，其负载电压接近正弦波，而逆变器的输出电流为一方波。通常为了可靠换流，换流间负载回路必须提供一定的电压，以保证被关断管所在臂的电流能迅速转移到正在开通的桥臂中去，但换流结束后，这一电压的存在将使被关断管承受反压，而大部分器件都不能承受反压，若用反并联快速二极管予以保护，则会出现环流损坏器件。因此，每一桥臂必须串入与开关器件相同电压、电流

38、及功率等级的快速恢复整流二极管，以承受反压。然而，随着逆变容量的增大给二极管提出了较高的要求，有时难以满足。而电压型中每个桥臂有二极管续流，只要逆变器的工作状态合理，对二极管的反向恢复能力无太高要求，极易满足。因此，目前在大多数场合，高频感应加热逆变器以串联更为流行。4.2 串联谐振电源工作原理串联谐振逆变器也称电压型逆变器，其原理图如图4-2所示。串联谐振型逆变器的输出电压为近似方波，由于电路工作在谐振频率附近，使振荡电路对于基波具有最小阻抗，所以负载电流i近似正弦波同时，为避免逆变器上、下桥臂间的直通，换流必须遵循先关断后导通的原则，在关断与导通间必须留有足够的死区时间。word文档可自由

39、编辑Dt>2Dq3图4-2串联逆变器结构（a）容性负载（b）感性负载图4-3负载输出波形当串联谐振逆变器在低端失谐时（容性负载），它的波形见图4-3（a）。由图可见，工作在容性负载状态时，输出电流的相位超前于电压相位，因此在负载电压仍为正时，电流先过零，上、下桥臂间的换流则从上（下）桥臂的二极管换至下（上）桥臂的MOSFETo由于MOSFET寄生的反并联二极管具有慢的反向恢复特性，使得在换流时会产生较大的反向恢复电流，而使器件产生较大的开关损耗，而且在二极管反向恢复电流迅速下降至零时，会在与MOSFET串联的寄生电感中产生大的感生电势，而使MOSFET受到很高电压尖峰的冲击当串联谐振型逆

40、变器在高端失谐状态时（感性负载），它的工作波形见图4-3（b）o由图可见，工作在感性负载状态时，输出电流的相位滞后于电压相位，具换流过程是这样进行的，当上（T）桥臂的MOSFET关断后，负载电流换至下（上）桥臂的反并联的二极管中，在滞后一个死区时间后，下（上）桥臂的MOSFET加上开通脉冲等待电流自然过零后从二极管换至同桥臂的MOSFET.由与MOSFET中的电流是从零开始上升的，因而基本实现了零电流开通，其开关损耗很小。另一方面，MOSFET关word文档可自由编辑断时电流尚末过零，此时仍存在一定的关断损耗，但是由于MOSFET关断时间很短，预留的死区不长，并且因死区而必须的功率因数角并不大

41、，所以适当地控制逆变器的工作频率，使之略高于负载电路的谐振频率，就可以使上（下）桥臂的MOSFET向下（上）桥臂的反并联的二极管换流其瞬间电流也是很小的，即MOSFET关断和反并联二极管开通是在小电流下发生的，这样也限制了器件的关断损耗。上述分析可知，串联谐振型逆变器在适当的工作方式下，开关损耗很小因而，可以工作在较高的工作频率下这也是用联谐振型逆变器在半导体高频感应加热电源中受到更多重视的主要原因之一。4.3 串并联谐振逆变器拓扑电路的对偶关系用、并联谐振逆变电路由于所接的负载谐振电路不同，所表现的特性不同，它们之间在各种变量的波形、电路的特性、还有电路的拓扑等方面都存在着对偶关系，如表4-

42、4。表4-4串并联谐振逆变器对偶关系对偶项串联谐振逆变器并联谐振逆变器电压电流波形入端电压为直流入端电流为直流当工作在负载谐振频率时，入端电流为全波整流波形当工作在负载谐振频率时，入端电压为全波整流波形输出电压为方波输出电流为方波输出电流为正弦波输出电压为正弦波电路特性负载阻抗频率特性为串联谐振特性，因此/、宜空载负载阻抗频率特性为并联谐振特性，因此可以空载逆变器及负载开路保护易逆变器及负载短路保护容易短路及直通保护困难短路及直通保护容易电路拓扑结构入端并联电容G（等效电压源）入端串联电感Ld（等效电流源）负载为RLC串联电路负载为RLC并联电路从上面的表格可以看出，理解和掌握串并联逆变器的电

43、压、电流波形以及电路拓扑结构的对偶关系有助于分析和比较两种逆变器的工作原理，而了解其电路特性的对偶关系则可以有针对性的设计正确可靠的保护短路。word文档可自由编辑4.4 串并联谐振优缺点比较串联谐振逆变器和并联谐振逆变器优缺点比较如表4-5。可以看出，串联谐振逆变器的结构简单，可以采用不控整流，控制方便简单，采用大电容滤波，当发生上、下桥臂短路故障时，由于电容电压不会突变，因此瞬时放电电流将会很大，远远超出了功率器件的额定电流，如果不能在器件的允许短路时间内将器件关断，就会造成器件的永久损坏。因此，需要设置死区时间，保证开关器件先关断后导通。串联谐振无需平波电感，减小了电源体积和成本，启动比

44、较简单，可以自激工作，也可以他激工作。开关器件承受的反压比较小，这一特点正是IGBT、MOSFET等器件要求的。一般这些器件内部都集成有反并联二极管，非常适合于用联谐振逆变器。补偿电容要求耐压高，采取适当措施可以降低补偿电容上的电压。串联谐振逆变器对负载槽路布线工艺的要求较低，调试比较简单。表4-5串并联谐振优缺点比较串联谐振逆变器并联谐振逆变器结构简单结构较复杂控制较简单控制相对复杂可米用不控整流需米用可控整流不宜空载，需加空载保护可以空载无短路保护能力，需加短路保护拓扑本身具有短路保护能力开关器件同时流过有功和无功电流开关器件只流过有功电流小需平波电感，体积较小，成本低需平波电感，体积较大

45、，成本局启动容易，可以自激或他激工作启动困难，启动时间长功率器件反并联二极管，无需外接二极管需要大功率局频一极需高耐压谐振电容，尤箕是Q值较大时没有高压危险对负载槽路布线工艺要求比较低，不会影响功率和效率负载槽路布线工艺要求比较高，感应器和补偿容的引线不能过长综合比较串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的优缺点，同时为了设计和布线的简便，本课题选用串联谐振逆变器电路拓扑。word文档可自由编辑第5章控制电路设计5.1 控制电路系统的概述感应加热对其电源提出了一定的技术要求，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，中频电源不仅要输出各种不同的功率，而且还需要

46、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，与其他自动装置一样，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。5.2 控制电路的结构与原理控制电路包括整流控制电路，逆变控制电路，保护电路等，如图5-1所示。整流控制电路的任务是根据各种输入信号（给定，反馈，故障等）综合情况发出宽度合适

47、的脉冲，以便输出合适的直流电压。感应加热电源主要用于工业快速，均匀加热，特点是随着加热过程的进行，负载不断变化，负载的固有谐振频率变化，功率因数变化。这些变化取决于负载的电气特性如导电性、渗透性、耦合系数和几何性质如形状等等；同时，不同的负载需要的功率大小也不同，这样必须对逆变器的输出功率和频率都做相应的调整。也就是说，整流侧和逆变侧是协调工作的。在本设计中采用的是由整流侧调节功率，逆变侧进行频率跟踪方案。整流桥的控制一般用典型的全可控整流（在不要求移相调节直流侧电压时）或可控整流（需要调节直流侧电压时），具体用哪一种取决于控制策略。word文档可自由编辑图5-1感应加热电源控制电路逆变控制电

48、路包括开关器件的驱动电路，死区形成电路，锁相环电路。其中，驱动电路所产生的脉冲的次序和占空比由控制策略决定，硬件主要是由集成驱动模块及其一些外围电路组成，也有用纯模拟电路搭成的，还可以是数字与模拟电路共同合成。死区形成电路在串联谐振型中是必不可少的，有的集成驱动模块中含有该单元，在设计时就可以省略；有的虽然含有一定的延迟环节，但时间太短，需要另加延迟。锁相环电路的目的是跟踪负载的谐振频率，从而控制逆变电路的工作频率，这就是所谓的锁相控制。一般采样电压取自负载电容两端，这是由于电容对高次谐波的阻抗小，其端电压的高次谐波分量最小，基波分量最大。以此信号作为反馈，可有效降低高次谐波的干扰，使系统能稳

49、定地跟踪谐振频率f。,再加上适当的偏置电路，可以使得工作频率略高于谐振频率。保护电路主要是防word文档可自由编辑止过电流，短路保护。功率调节方式有三种：(1)改变功率因数通过改变工作频率来改变功率因数。通常，为减小器件开关损耗，工作频率应大于谐振频率。若逆变器的工作电压不变，则在谐振点附近负载等效阻抗最低，如图5-2所示，电流最大，因而输出功率也最大。图5-2等效阻抗的频率特性图5-3移相控制开关动作当提高工作频率时阻抗也随之增大，电流减小，功率因数也减小，因此输出功率随之减小。由此可见，逆变器的输出功率可由工作频率来调节，特别当负载回路Q值较高时调节更灵敏。因此，直流端可为三相全控整流电源

50、。逆变电路的工作频率f的大小由所需的功率要求决定。这种调功方法速度快，整流电路简单,但是当所需功率很小时，会让系统工作在严重失谐的状态，无功损耗大。(2)改变直流电压移相调功是通过移相控制，即每个桥臂的两个开关管180二互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小调节负载电压的宽度，从而调节输出功率，如图5-3所示。根据脉冲的作用先后可把桥臂分为超前臂(Q1,Q3)和滞后臂(Q2、Q4)。移相调功时电路仍工作在谐振状态，实现负载电压基波分量与负载电流同相。在两桥臂开关器件都关断时，由反并联二极管续流。(3)调频来调节输出功率目前，高频感应热处理电源采用桥式逆变电路，通

51、过调频的方式来调节输出功率。为了减小逆变管的开关损耗，逆变器的工作频率大于具谐振频率。若逆变word文档可自由编辑器的工作电压不变，则在谐振点附近的输出功率最大，当提高逆变器工作频率时，负载等效阻抗增高，输出功率减小，输出功率因数很低，而且逆变器主开关管工作在硬开关状态，开关损耗大，效率低。高频感应热处理逆变电源采用并联谐振式全桥DC/AC逆变电路，以晶闸管为主开关器件，由电流调节和功率调节组成双闭环进行功率调节，用频率跟踪电路控制逆变器的工作频率，使逆变器始终工作于谐振状态，逆变器输出功率因数接近于1,而且能始终工作在准零电流开关状态、整机工作效率较高。5.3 控制电路的作用感应加热电源的控

52、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)不偏离其设定值。(2)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)是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)中频加热电源的负载频率必须要实现自动跟踪功能。(5)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

53、。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。5.4 控制策略直到目前为止，工业中常用的中频电源仍以并联谐振逆变电路为主，功率调节方式都是采用单独调节可控整流器输出电压的方法160中频电源的开环控制如图5-4所示。word文档可自由编辑可控整流Ud滤波电路Ud1d2UNI逆变电路负载电路fTC图5-4中频电源开环原理控制过程如下：整流触发控制角调节器把输入控制信号5转换成控制角a。可控整流电路在电网电压为Uc的条件下把a转换成直流输出电压Ud；经过滤波电感Ld后，逆变器

54、将输入直流电压Ud转换为频率为f的中频电压Un向负载输出电能；负载电路将中频电压转换成工件温度%,改变控制信号Uo即可改变工件温度又。开环系统的特点是结构简单，但是对扰动没有调节能力。闭环调节系统的原理图如5-5所示。电压反馈电路把输出中频电压uh,转换成反馈电压Ut（直流）,后者与给定电压Us相比较，并产生差值电压AU;电压调节器将此差值电压放大。这样系统在外界干扰d/口d2的作用下也能维持输出电压为恒值。扰动a模拟三相电网电压的波动；扰动d2模拟由于负载性质变时所引起的阻抗变化，当直流电压Ud为定值时，负载阻抗变化将引起输出电压的变化。图中另一内环描述逆变电路具有频率自动跟踪的能力。脉冲形

55、成电路将连续变化的负载电压换成同步脉冲，作为逆变触发电路的控制信号。word文档可自由编辑培U给定电压流制调口百整控角节可控整流压馈路电反电波路滤电图5-5中频电源控制原理经过感应加热的产品最重要的技术指标就是温度。还可以通过测量温度然后作为反馈信号进行控制。中频输出功率印与工件温度Tc之间存在如下关系：CTc-TdG0.24to(5-1)式中：n电源总效率;C锻件的比热容；to锻件加热时间；G锻件质量；Td环境温度。Ph=UhRh(5-2)式中：uh中频电压rh等效电阻word文档可自由编辑故有:UH2/Tc一兀G(5-3)0.24t0Rh生产过程中若要保持工件的温度在控制的范围内，工件的温

56、度是控制的关键因素。由上面的分析可知，调节中频电压UH的值就可达到调节锻件温度的目的。而中频电压在生产过程中会发生波动，且温度控制具有一定的滞后性，所以，在控制锻件温度的控制系统中，一般采用温度和电压双闭环的方法。温度和中频电压用级控制，温度闭环为外环，电压闭环为内环。系统控制框图如图5-6所示。Us+Ur整流控制角调节器PI调节PI调节aUdf可控L_整流滤波电路逆变电路UH负载Tr!电路电压反馈温度反馈TrTg图5-6感应加热温度控制系统实际应用中的控制系统外环根据用户给定的设定温度Tg和反馈的工件温度Tr进行PI调节后设定给定电压值Us,内环根据Us和中频电压反馈Ur经过PI调节后通过整流控制角调节器设定整流的豆角，控制中频电源的输出功率。在电压闭环和温度闭环中都采用了PI调节器。比例调节P反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减少偏差，较大的比例系数可以使系统很快到达设定位，但是也增加了系统的不稳定性；积分调节I用于消除静态误差，提高系统的无差度；在感应加热中，热惯性比电惯性大得多，所以一般忽略微分调节D,在实际设备中采用PI调节双闭