海水养殖加热电源及水温控制系统设计概要

1、II摘 要水产养殖目前在我们生活中占据着很大的一部分，对于海水养殖的收获成果，水温的控制占据着十分重要的位置，适宜物种生存的温度会增加养殖户的收入。针对水温过低会致使海产品生长缓慢甚至死亡的现象，需要对水温进行控制，而传统的加热方式不但效率低，而且会造成污染以及浪费，并且成本也高。本次设计采用电磁感应加热电源，该装置产生适宜的电流通过电磁线圈，以产生涡流的原理来对内部钢管加热，钢管被加热后使其中流过的水升温。来实现对于水加热的效果。本次设计采用用PWM发生芯片SG3525来控制逆变电路中的IGBT来实现对于电路系统的控制，电流进入系统通过三相桥式整流，经过滤波电路后流入由双半桥电路组成的半桥串

2、联谐振逆变电路。在负载端有温度检测装置进行温度采集，之后经过单片AT89S51的处理输出信号通过SG3525以及光耦HCPL316J的处理来发出信号对IGBT进行控制以实现对电路稳定工作的控制。关键字：感应加热电源；芯片SG3525；光耦HCPL316J；AT89S51。AbstractAquaculture currently in our life occupies a large part of the harvest, aquaculture, water temperature control to occupy an important position, suitable for

3、 species survival temperature will increase the farmers income. According to the water temperature is too low will cause seafood slow growth or even death phenomenon, need to control the water temperature, and the traditional heating methods not only the efficiency is low, and can cause pollution an

4、d waste, and the cost is high.This design uses electromagnetic induction heating power supply, the device generates a suitable current through the solenoid coil, based on the principle of eddy current to internal heating steel pipe, steel pipe is heated so that the flow of the water temperature. To

5、achieve for water heating effect. This design uses PWM chip SG3525 to control the inverter circuit of IGBT to realize the control for the system circuit, current enters the system through the three-phase bridge rectifier, filter circuit into the half-bridge consists of double half-bridge series reso

6、nant inverter circuit. At the load end temperature detection device temperature collection, after processing the output signal of the monolithic AT89S51 through SG3525 and optical coupler HCPL316J is a signal to the IGBT control to realize the control of the stability of the circuit.Keywords: induct

7、ion heating power supply；sg3525 chip； hcpl-316j； stable circuit；at89s51.目录 TOC o 3-3 h z u t 标题 1,1,标题 2,2 HYPERLINK l _Toc359149828摘 要 PAGEREF _Toc359149828 h I HYPERLINK l _Toc359149829Abstract PAGEREF _Toc359149829 h II HYPERLINK l _Toc3591498301 绪论 PAGEREF _Toc359149830 h 1 HYPERLINK l _Toc35914

8、98311.1 课题的背景与意义 PAGEREF _Toc359149831 h 1 HYPERLINK l _Toc3591498321.2 感应加热的工作原理 PAGEREF _Toc359149832 h 2 HYPERLINK l _Toc3591498331.3 感应加热电源技术发展现状与趋势 PAGEREF _Toc359149833 h 3 HYPERLINK l _Toc3591498341.3.1 感应加热电源技术发展现状 PAGEREF _Toc359149834 h 3 HYPERLINK l _Toc3591498351.3.2 感应电源发展趋势 PAGEREF _To

9、c359149835 h 4 HYPERLINK l _Toc3591498362 感应加热电源的方案设计 PAGEREF _Toc359149836 h 7 HYPERLINK l _Toc3591498372.1 感应加热电源的拓扑结构分析 PAGEREF _Toc359149837 h 7 HYPERLINK l _Toc3591498382.2 线路滤波器的作用和结构 PAGEREF _Toc359149838 h 7 HYPERLINK l _Toc3591498392.3 整流电路 PAGEREF _Toc359149839 h 9 HYPERLINK l _Toc35914984

10、02.4 逆变部分 PAGEREF _Toc359149840 h 10 HYPERLINK l _Toc3591498412.5 串联谐振和并联谐振的区别 PAGEREF _Toc359149841 h 12 HYPERLINK l _Toc3591498423 系统主电路设计 PAGEREF _Toc359149842 h 17 HYPERLINK l _Toc3591498433.2 主电路的主要设计技术参数 PAGEREF _Toc359149843 h 18 HYPERLINK l _Toc3591498443.3 整流二极管元件选择 PAGEREF _Toc359149844 h

11、18 HYPERLINK l _Toc3591498453.4 滤波电容的选择 PAGEREF _Toc359149845 h 19 HYPERLINK l _Toc3591498463.5 逆变电路IGBT的选择 PAGEREF _Toc359149846 h 19 HYPERLINK l _Toc3591498473.6 槽路电容和电感参数计算 PAGEREF _Toc359149847 h 20 HYPERLINK l _Toc3591498484 控制电路的设计 PAGEREF _Toc359149848 h 22 HYPERLINK l _Toc3591498494.1 系统控制电路

12、结构 PAGEREF _Toc359149849 h 22 HYPERLINK l _Toc3591498504.3.1 复位电路 PAGEREF _Toc359149850 h 25 HYPERLINK l _Toc3591498514.3.2 电源电路 PAGEREF _Toc359149851 h 26 HYPERLINK l _Toc3591498524.3.3 温度检测电路 PAGEREF _Toc359149852 h 27 HYPERLINK l _Toc3591498534.5 PWM发生电路 PAGEREF _Toc359149853 h 28 HYPERLINK l _To

13、c3591498545 驱动电路设计 PAGEREF _Toc359149854 h 32 HYPERLINK l _Toc3591498555.1 驱动芯片 PAGEREF _Toc359149855 h 32 HYPERLINK l _Toc3591498565.2 IGBT的保护 PAGEREF _Toc359149856 h 35 HYPERLINK l _Toc3591498575.2.1 缓冲电路 PAGEREF _Toc359149857 h 35 HYPERLINK l _Toc3591498585.2.2 过压保护 PAGEREF _Toc359149858 h 36 HYP

14、ERLINK l _Toc3591498595.2.3 过热保护 PAGEREF _Toc359149859 h 37 HYPERLINK l _Toc359149860技术经济分析 PAGEREF _Toc359149860 h 38 HYPERLINK l _Toc359149861结论 PAGEREF _Toc359149861 h 39 HYPERLINK l _Toc359149862致谢 PAGEREF _Toc359149862 h 40 HYPERLINK l _Toc359149863参考文献 PAGEREF _Toc359149863 h 41 HYPERLINK l _T

15、oc359149864附录A 译文 PAGEREF _Toc359149864 h 42 HYPERLINK l _Toc359149865附录 外文文献 PAGEREF _Toc359149865 h 52胡森：海水养殖加热电源及水温控制系统设计（10kW）辽宁工程技术大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题的背景与意义如今海产品已经成为千家万户餐桌上的常见食品，一些珍贵的海产品更是高档补品和地位的象征，而随着海水污染的日益严重以及大规模海洋渔船的无节制捕捞，使海洋生物大量减少，甚至有些物种已濒临灭绝，为了保护海洋生物的延续和缓解人类的食用需求，现利用广阔的浅海地区、 HYPERLINK /

16、view/330540.htm滩涂、港湾、围塘等海域进行人工饲养和水产品的繁殖，应用人工养殖经济动物的生产方式解决了人类对 HYPERLINK /view/205479.htm海洋生物资源的需求，同时也保证 HYPERLINK /view/1376838.htm海洋水产业持续稳定的发展的重要途径。随着集约化水产养殖从八十年代的开始，我国南方沿海城市的水产养殖迅速兴起。工厂化海水养殖的方式可以分为封闭式和半封闭式两种，封闭式不受环境和生产场所因素的影响，选择一片距离海边不远的高地，用建筑材料建造水池，采用循环水的技术即可达到节水、省地、环保等优点。还可以通过检测手段对水体环境来进行监控和调节，使

17、养殖产品能够生长在最佳的环境下，由此可以将养殖密度提高为原来的两倍，养殖周期大幅的缩短，并且不受季节性的影响，可以在全年连续地收获。本课题针对冬季平均海水温度低于8时，许多海产品生长缓慢或者停止生长，而造成了“干吃料，不长膘”的情况。以养殖多宝鱼为例，适宜生长的水温要求在10-20之间，温度在14-17之间为最易生长的温度，温度过高或者过低会致使多宝鱼停止生长甚至死亡，而损害了养殖户的经济利益。因此创造出了“温室大棚+深井海水”的养殖模式，利用锅炉(燃油、燃气或燃煤)将海水加热到17左右注入鱼池，由于温室大棚的保温效果极好，白天降温大约在3-4度，夜间使用保温确保了降温幅度不大，所以一天只需加

18、热两次就能满足要求。传统的做法是利用锅炉(用电、燃油或燃煤)对海水进行加热，然后与冷水混合以达到合适温度后注入鱼池，此种方法造成了很大的水资源浪费。而且燃油锅炉和燃气锅炉的运行成本都比较高，不经济。燃煤锅炉虽然在造价和运行费上都比较低，但会引起严重的大气污染，也不利于病害的防治。而直接用电加热不仅运行费高，并且一次能源利用率低，造成能源浪费也是不可取的。针对以上这些传统锅炉加热的缺点提出采用感应加热电源作为循环水养殖系统中的加热装置，此加热装置是对流出水箱进入输水管的水进行加热，电磁线圈通过对水管进行加热来打到提升水温的目的。并对此进行了可行性分析。如表1-1，对几种加热方式分析表明。表1-1

19、 几种热源的对比分析Tab. 1-1 Several heat source of comparative analysis热源种类燃煤锅炉燃气锅炉燃油锅炉电磁加热燃料种类烟煤天然气柴油电热效率60%60-80%60-80%90-95%燃料价格0.9元/kg2.3元/m36元/kg0.6元/度热 价（元/kJ10-3 ）0.0500.0660.1460.105运行中是否有能源浪费有浪费有浪费有浪费无浪费是否污染环境有污染有污染有污染无污染投资成本高低成本高成本高成本高成本低安全性比较危险危险危险安全1.2 感应加热的工作原理感应加热原理为发出交变的电流，从而产生交变磁场，再利用交变磁场来产生涡

20、流以达到加热的效果。当交变电流通入感应圈时，就会在感应圈内产生交变磁通，使感应圈内的工件产生电磁感应电势。设工件的等效匝数为。则感应电势： （1-1）如果磁通是交变的，设，则其有效值为： （1-2）感应电势E在工件中产生的感应电流使工件内部开始加热，其焦耳热为： （1-3）式中： 感应电流有效值（安）R工件电阻（欧）t时间（秒）这就是感应加热的原理。感应加热与其它加热方式如电阻炉加热，燃气加热等不同，它把电能直接送到工件内部变成热能，将工件加热。1.3 感应加热电源技术发展现状与趋势1.3.1 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

21、；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1。国内在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I

22、GBT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2。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SIT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19

23、98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3。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。1.3.2 感应电源发展趋势随着近几十年电力电子科技的迅猛发展，大功率电力半导体器件逐步突破成功，电力开关器件的外观和体积越来越小，但容量却越来越大，工作频率也越来越高。伴随大功率开关器件制造技术的进一步更新替代，其发展趋势如下4：(1) 高频率感应加热电源受开关器件频率的影响使之发展的较为缓慢，通常在中频感应加热设备中主

24、要采用大功率晶闸管器件。以其开通时间短，开关频率高，导通能耗低，常常被用来做超音频逆变器。大功率开关器件以其开通容量大，开通关断控制简单，切开通频率较高的优点，仍是高频逆变器的首选。但是随着经济和工业的发展，需要功率更大，开关频率更高的开关器件，高频化是感应加热电源进一步需要发展的关键和方向。(2) 功率因数高随着大功率开关器件的产生和完善，感应加热电源正向着高频化发展，由于频率越高产生的高次谐波越严重，对电网的供电质量产生严重的影响。为了降低高次谐波的产生，逆变系统通常工作在谐振状态下，控制部分采用了频率跟踪和锁相环技术，实时调整逆变输出频率，使系统始终工作在谐振状态，这样就相当于一个纯阻性

25、负载，使得电能完全用于负载加热，提高了功率因数。(3) 低功耗随着国家节能环保，绿色能源，可持续发展的政策出台，如何降低重工业能源浪费，功率因数低，提高能源的利用率和有功功率是感应加热电源的主要研究方向。经过多年的科学技术学者的努力，研究出了采用谐振的工作方式提高工作效率，降低能源的浪费5。使用大功率开关器件构成的高频逆变系统工作稳定可靠，效果理想，符合大多数感应加热负载。(4) 低谐波感应加热电源利用的是高频逆变器产生高频交变的磁场，从而产生高频电流用于负载的加热。但是其产生的高频波动的电流势必会对电网的供电质量有所干扰，随着功率的加大其干扰就会越大，影响越加明显，最终导致电网谐波严重，其他

26、用电设备不能正常工作。在感应加热电源趋于高频化、大功率化的过程中，如何合理有效的降低谐波的产生和抑制，甚至研究出专用的谐波抑制器是我们急于解决的问题。(5) 大容量化随着工业化发展的迅速进程，感应加热电源的大功率化要求迫切，要求大功率开关器件的容量比以往大的多。为了满足感应加热电源的大容量化需求，可从改变硬件电路的组成结构出发，即利用多组开关器件构成串、并联电路。可以采用多个功率器件串联实现电路均压的效果，减小了每个开关器件所要承受的开通电压，同时也增大了感应加热电源逆变输出的总电压，起到了增大输出功率的效果。采用多个功率器件并联实现电路均流的效果，减小了每个开关器件所要承受的开通电流，防止流

27、过开关管的高频大电流使开关管过热导致烧毁，同时也增大了感应加热电源逆变输出的总电流，起到了增大输出功率的效果。针对不同的加热负载还可以采用多个独立的电源串、并联使用，其输出功率因数高，加热效果好。但是如何使其加热效果同步性良好，控制精度高是需要解决的关键性问题。(6) 负载匹配受感应加热电源应用于工业现场的影响，其所处的现场环境复杂对负载参数干扰很大。这就使加热负载的谐振频率发生改变，如果不能同时改变输出电源的频率，其输出逆变侧就工作在非谐振状态，导致功率因数降低，加热效果差。这是我们不愿看到的结果。为了是逆变输出侧始终工作在谐振状态，要求输出电源要实时跟踪负载参数变化调整输出频率，这就要求控

28、制电路中要有频率跟踪环节，使得负载端始终匹配在谐振状态下工作。(7) 智能化控制由于感应加热负载参数不是固定的，其负载参数是非线性变换的，这就要求逆变器的控制系统要求具有实时自动调整的功能。随着对自动化感应加热电源要求的提出，以及对加热电源控制精度和可靠性较高的要求，感应加热电源正向智能化控制方向发展。例如控制核心采用先进的微机处理器，如单片机、PLC、DSP等高速处理芯片，可实现数字处理的高速性。控制算法上也可根据不同的负载，不同的工作环境，不同的控制要求，合理、方便、可靠的选择控制方式。2 感应加热电源的方案设计2.1 感应加热电源的拓扑结构分析感应加热电源电路组成框图如图2-1所示，系统

29、一般可分为主电路和控制电路，其中主电路一般包括线路滤波电路、三相整流电路、直流滤波电路以及逆变输出电路。控制电路包括基于微控制器为核心的主控电路，以实现设备的智能化控制6；逆变器功率器件的驱动电路，实现主电路部分和驱动部分的电气隔离及可靠工作7。图2-1 感应加热电源电路组成框图Fig. 2-1 Induction heating power supply circuit composition block diagram2.2 线路滤波器的作用和结构 滤波器是一种对 HYPERLINK /view/54338.htm信号有处理作用的器件或 HYPERLINK /view/134362.htm

30、电路。分为 HYPERLINK /view/163310.htm有源滤波器和 HYPERLINK /view/643774.htm无源滤波器。主要作用是让 HYPERLINK /view/694167.htm有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的反射。滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个 HYPERLINK /view/3841996.htm输出信号，利用这个特性可以选通通过滤波器的一个方波群或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。滤波器是由 HYPERLINK /view/261691.htm电感器和 HYPERLINK /view/59995.htm电容器构成的网路，可使混合

31、的交直流 HYPERLINK /view/10897.htm电流分开。 HYPERLINK /view/13542.htm电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。最基本的滤波器，是由一个 HYPERLINK /view/3686.htm电容器和一个 HYPERLINK /view/785.htm电感器构成，称为L型滤波。所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为 HYPERLINK /view/59995.htm电容器。在电源及声频电路中之滤波器，最通用者为L型及型两种。就L型单节滤波

32、器而言，其电感抗XL与电容抗XC，对任一频率为一常数，其关系为XLXC=K2。由于感应加热电源的频率和功率都很高，当电压与电流发生急剧变化时会产生极为复杂的脉冲和电磁干扰，两者对电网与其他的电气设备会造成一定的干扰。所以对于大功率逆变式感应加热源在其交流输入进线端加入进线噪声滤波器是十分必要的。 1、进线滤波器的作用(1)、防止逆变器功率器件开关过程中产生的宽频高次谐波进入电网对电网产生污染及对供用电网的其它电气设备造成危害影响其正常工作。 (2)、防止电网电源中的外来噪声干扰影响加热电源控制系统的正常工作甚至造成逆变崩溃。通常进线噪声滤波器具有双向对称性对两个方向的噪声均有抑制作用。 (3)

33、、具有限制输入电流瞬态变化的作用。比如整流器或逆变器出现故障时电流瞬态增大由于电感电流不能突变此时进线滤波器的电感具有稳定和限流功能。 2、滤波器结构 线路滤波器通常是由电容和电感组成的一个LC滤波器，线路滤波的结构形式通常有“型或倒L”型和“”型如图2-2和2-3所示。根据所需抑制的高频谐波次数来确定在规定内所需要的衰减系数9。L与噪声频率fn及衰减系数q、C参数之间的关系近似为： (2-1)其中，为噪声频率，q为衰减系数， C为滤波电容。图2-2 “”型滤波器Fig. 2-2 type filter图2-3 “”型滤波器Fig. 2-3 type filter上述两种滤波器的优点是电路结构

34、简单，而缺点是截止频率附近衰减较小，并且衰减特性不够陡峭而且不容易达到阻抗匹配的要求。2.3 整流电路本设计采用目前在各种整流电路中应用最为广泛的三相桥式整流电路，其原理如图所示，习惯将其中阴极连接在一起的三个晶闸管（D1 、D3 、D5 ）称为共阴极组，阳极连接在一起的三个晶闸管（D2、D4、D6）称为共阳极组。此外，习惯上希望晶闸管按从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为D1，D3，D5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为D4、D6、D2；从以下的分析可知，按此编号，晶闸管的导通顺序为D1D2D3D4D5D

35、68。图2-4 三相桥式整流电路Figure 2-4 three-phase bridge rectifier circuit对共阴极组的三个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通。而对共阳极组的三个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最小(或者说负得最多)的一个导通。这样，任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。相角为0时，各晶闸管均在自然换相点处换相。从相电压波形看，以变压器二次侧的中点n为参考点，共阴极组二极管导通时，整流输出电压UD1为相电压在正半周的包络线；共阳极组导通时，整流输出电压UD2为相电压在负半周的包络线，总的整流输出电压，是两条

36、包络线间的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。直接从线电压波形看，由于共阴极组中处于通态的二极管对应的是最大(正得最多)的相电压，而共阳极组中处于通态的二极管对应的是最小(负得最多)的相电压，输出整流电压为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压波形为线电压在正半周期的包络线。2.4 逆变部分逆变电路是与整流电路相对应，把直流电变成交流电称为逆变。当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载链接时，称为无源逆变。逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，

37、就需要逆变电路。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。它的基本作用是在控制电路的控制下将中间直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变方式可以根据补偿电容与负载连接方法和补偿形式的不同分为两种，即补偿电容和负载线圈串联接入逆变器的电路称之为串联谐振式逆变器，如图2-5所示。补偿电容和负载线圈并联接入逆变器的电路称之为并联谐振式逆变器。如图2-6所示。图2-5 串联谐振Fig. 2-5 Series resonance图2-6 并联谐振Fig. 2-6 Parallel resonance感应加热的逆变

38、输出特性和工作状态与负载谐振电路的选择密不可分，合理的选择负载谐振类型直接影响到系统的硬件设计和控制方法的复杂程度9。本设计中感应加热电源的负载主要以电感加热线圈为主，因此可将其等效为电感和电阻的串联，如图 2-6所示,其中， L 是等效电感；R 是等效电阻。品质因数为： (2-2)由此可知负载的功率因数为： (2-3)其中 QUOTE 代表无功功率， QUOTE 代表有功功率。由于负载存在的大电感使系统中产生了较大的无功功率，降低了工作效率。为了解决负载中感性的存在通常在负载电路中并联或串联一个电容，使负载工作在谐振状态下，由于感性和容性的无功功率相抵消，因此可以提高系统的功率因数，由此根据

39、匹配电容连接在电路中的位置和方式的不同，可以将其分为串联谐振逆变电路和并联谐振逆变电路两种10。1）串联谐振逆变电路的原理分析串联型逆变器结构如图2-5所示，串联谐振逆变器由电压源供电，逆变器母线上有大电容并联进行储能滤波，因此逆变器的输入端的端电压可近似不变，可视为恒压源，一般将其称为电压型串联谐振逆变器。由于电感的串联，使得负载电压恒定，不会因为负载阻抗的变化而改变。串联逆变器处于谐振时，负载呈低阻抗且不能进行空载工作，同时同一桥臂上的两个开关器件不可以同时导通，因此对于串联型逆变器的开关器件的驱动信号需要加入死区时间，因此逆变器要满足先关断后导通原则10。2）并联谐振逆变器的原理分析并联

40、谐振逆变器如图2-6所示，主要是电流源供电，逆变器母线上串接一个电感量足够大的电感，平滑直流输入，可看作恒流源，负载电流恒定便不会因为负载阻抗变化而改变。所以可以称为电流型并联逆变电路。由于电感的串联，使得负载电流近似恒定，不会因为负载阻抗的变化而改变。当并联逆变器处于谐振时，负载呈高阻抗且负载不允许开路，所以整个逆变器工作时必须始终保持整个电路的导通状态，因此逆变桥要满足先导通后关断原则。并联逆变器的特点是启动困难，启动时间较长，一般只能工作在他激状态，控制难度大，但是适应能力强，运行可靠，电路短路保护比较容易。串联谐振与并联谐振的比较分析42.5 串联谐振和并联谐振的区别从负载谐振方式划分

41、，可以为并联逆变器和串联逆变器两大类型，下面列出串联逆变器和并联逆变器的主要技术特点及其比较11：串联逆变器和并联逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用L、R和C串联，后者是L、R和C并联。1）串联逆变器的负载电路对电源呈现低阻抗，要求由电压源供电。因此，经整流和滤波的直流电源末端，必须并接大的滤波电容器。当逆变失败时，浪涌电流大，保护困难。并联逆变器的负载电路对电源呈现高阻抗，要求由电流源供电，需在直流电源末端串接大电抗器。但在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击不大，较易保护。2）串联逆变器的输入电压恒定，输出电压为矩形波，输出电流近似正弦波，换流是在晶闸管上电流过零以后进行

42、，因而电流总是超前电压一角。 并联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角。这就是说，两者都是工作在容性负载状态。3）串联逆变器是恒压源供电，为避免逆变器的上、下桥臂晶闸管同时导通，造成电源短路，换流时，必须保证先关断，后开通。即应有一段时间(t )使所有晶闸管（其它电力电子器件）都处于关断状态。此时的杂散电感，即从直流端到器件的引线电感上产生的感生电势，可能使器件损坏，因而需要选择合适的器件的浪涌电压吸收电路。此外，在晶闸管关断期间，为确保负载电流连续，使晶闸管免受换流电容器上高电压的影响，必须在晶闸管两端

43、反并联快速二极管。并联逆变器是恒流源供电，为避免滤波电抗Ld上产生大的感生电势，电流必须连续。也就是说，必须保证逆变器上、下桥臂晶闸管在换流时，是先开通后关断，也即在换流期间(t)内所有晶闸管都处于导通状态。这时，虽然逆变桥臂直通，由于Ld足够大，也不会造成直流电源短路，但换流时间长，会使系统效率降低，因而需缩短t，即减小Lk值。4）串联逆变器的工作频率必须低于负载电路的固有振荡频率，即应确保有合适的t 时间，否则会因逆变器上、下桥臂直通而导致换流的失败。并联逆变器的工作频率必须略高于负载电路的固有振荡频率，以确保有合适的反压时间t ，否则会导致晶闸管间换流失败；但若高得太多，则在换流时晶闸管

44、承受的反向电压会太高，这是不允许的。5）串联逆变器的功率调节方式有二：改变直流电源电压Ud或改变晶闸管的触发频率，即改变负载功率因数cos。并联逆变器的功率调节方式，一般只能是改变直流电源电压Ud。改变cos虽然也能使逆变输出电压升高和功率增大，但所允许调节范围小。6）串联逆变器在换流时，晶闸管是自然关断的，关断前其电流已逐渐减小到零，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(t +t)较长。并联逆变器在换流时，晶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，因而关断时间较长。相比之下，串联逆变器更适宜于在工作频率较高的感应加热装置中使用。7）串联逆

45、变器的晶闸管所需承受的电压较低，用380V电网供电时，采用1200V的晶闸管就行，但负载电路的全部电流，包括有功和无功分量，都需流过晶闸管。逆变晶闸管丢失脉冲，只会使振荡停止，不会造成逆变颠覆。并联逆变器的晶闸管所需承受的电压高，其值随功率因数角增大，而迅速增加。但负载本身构成振荡电流回路，只有有功电流流过逆变晶闸管，而且逆变晶闸管偶而丢失触发脉冲时，仍可维持振荡，工作比较稳定。8）串联逆变器可以自激工作，也可以他激工作。他激工作时，只需改变逆变触发脉冲频率，即可调节输出功率；而并联逆变器一般只能工作在自激状态。9）在串联逆变器中，晶闸管的触发脉冲不对称，不会引入直流成分电流而影响正常运行；而

46、在并联逆变器中，逆变晶闸管的触发脉冲不对称，则会引入直流成分电流而引起故障。10）串联逆变器起动容易，适用于频繁起动工作的场合；而并联逆变器需附加起动电路，起动较为困难。11）串联逆变器中的晶闸管由于承受矩形波电压，故du /dt值较大，吸收电路起着关键作用，而对其di/dt要求则较低。在并联逆变器中，流过逆变晶闸管的电流是矩形波，因而要求大的di/dt，而对du/dt的要求则低一些。12）串联逆变器的感应加热线圈与逆变电源(包括槽路电容器)的距离远时，对输出功率的影响较小。如果采用同轴电缆或将来回线尽量靠近(扭绞在一起更好)敷设，则几乎没有影响。而对并联逆变器来说，感应加热线圈应尽量靠近电源

47、(特别是槽路电容器)，否则功率输出和效率都会大幅度降低。13）串联逆变器感应线圈上的电压和槽路电容器上的电压，都为逆变器输出电压的Q倍，流过感应线圈上的电流，等于逆变器的输出电流。并联逆变器的感应线圈和槽路电容器上的电压，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。综上所述，并联逆变器和串联逆变器（通称并联或串联变频电源）各有其自己的技术特点和应用领域。从工业加热应用的角度，并联逆变器广泛应用于熔炼、保温、透热、感应加热热处理等各种领域，其功率可以从几千瓦到上万千瓦。串联逆变器广泛应用于熔炼保温的一拖二炉组以及高Q值高频率的感应加热场合，其功率可以从几千瓦到几千千瓦。

48、目前我国工业上采用的变频电源90%以上属并联变频电源。本设计采用由两个半桥逆变电路组成的双半桥逆变电路，半桥逆变电路的原理图如图2-7所示。图2-7 半桥逆变电路Figure 2-7 half-bridge inverter circuit它有两个桥臂，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个互相串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂之间。设开关器件V1和V2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，且二者互补。当负载为感性时，其工作波形如图2-8所示。输出电压U0为矩形波，其幅值为UmUd/2,输出电流I0波形随负载情况而异

49、。设t2时刻以前V1通态，V2为断态。t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，则V1关断，但由于感性负载中的电流I0，不能立即改变方向，于是VD2导通续流。当t3时刻I0降为零时，VD2截止，V2开通。I0开始反向。同样，在t4时刻给V1关断信号，给V1开通信号后，V2关断，V1先导通续流，t5时刻V1才开通。t t3 t4 0 t1 t2 t5 t6 t V1 V2 V1 V2 ON VD1VD4 VD2VD3 VD1VD4 VD2VD30-图2-8半桥逆变工作图Figure 2-8 half bridge inverter working diagram当V1或V2为通态时，负载电流和电压

50、同方向。直流侧向负载提供能量；而当VD1或VD2为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧。反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。因为二极管VDl、VD2是负载向直流侧反馈能量的通道，故称为反馈二极管；又因为VDl、VD2起着使负载电流连续的作用，因此又称续流二极管。3 系统主电路设计3.1 主电路方案综述通过前文的系统比较分析，结合本次设计的具体功能要求，决定系统的主电路分为整流电路，滤波电路，逆变电路。整流电路采用不控整流模块，选用集成的整流模块，其输出线性度好，控制简单方便，根据要求计算

51、参数选型。滤波电路是为提高供电质量和防止电网波动而引起干扰冲击，保护逆变部分不受冲击影响而烧毁器件，选用电容器和电感器组合方式进行滤波。逆变电路根据实际负载的要求，为方便控制和可靠工作采用串联谐振式逆变系统，逆变器采用双半桥连接方式，以降低单只开关管流通电流，增加承载能力12。如图3-1所示为感应加热电源主电路图。图3-1 感应加热电源的主电路图Fig. 3-1 The Lord of the induction heating power supply circuit diagram电源采用三相380V供电，在每一项的进线输入端都有过流保险丝，可防止短路电流冲击电网，对电网上的其他设备起到保

52、护作用。并且每相进线端都并联着一个压敏电阻，三个压敏电阻采用星型连接，以防止电网瞬时过压对设备后面电路的损坏，起到保护设备的作用。进线侧滤波部分采用电感组和电容组构成LC滤波器。逆变器采用三相半桥逆变电路，两个高频谐振电容C1、C2串入逆变电路中，作为槽路电容与IGBT构成半桥式逆变回路。通过串联谐振电路，把整流电路输出的直流电逆变成高频交流电提供给负载线圈。3.2 主电路的主要设计技术参数电网供电电压：3相380V感应加热电源输出功率：10kW输出电流频率：20KHz3.3 整流二极管元件选择 输入整流电路的作用是将交流电网电压变为直流电压，此外，还要求他为具有一定的输出电压保持能力，既能防

53、止来自电网的干扰入侵电源，有能防止电源产生的谐波污染电网，亦即要有抗干扰性。二极管的电流是指正弦半波电流的平均值。但是，流过整流管的电流波形不一定是正弦半波，因此，选择整流管时，根据电流的有效值选则才合理。本文采用三相桥式整流，并选用合适的三相整流桥模块。三相整流桥的输入电压是Ud=380V的三相交流电，其输出电压是： （3-1）根据最大功率输出7KW，假设电源的整体效率是90%，并设电源的功率因数是0.95，那么整流桥输出的平均电流值就是： （3-2）由上值可得通过整流桥二极管的电流平均值是： QUOTE （3-3）为了保证更好的安全性，整流桥的额定电流一般选取在通常情况下使用的工作电流值的

54、1.5-2倍，因此本文研究设计的电源的额定电流值是： （3-4）因为电网输入电压的扰动和峰值等不可预测因素的影响，整流二极管可能产生较高的浪涌电压，通常情况下，以两倍的电网峰值电压作为整流二极管的反向阻断电压，其公式如下： （3-5）根据上述参数，在本文研究中选取的耐压值是1600V、额定电流值是20A的整流二极管3.4 滤波电容的选择经过整流后会得到一个有一定脉动的直流电压，滤波电容则是起到降低脉动的作用，从而启到让直流电变得更加平滑的作用。如果滤波电容过小，那么直流电压仍然会存在相对比较大的脉动，在滤波电容设计中可以通过设计相对比较高的控制闭环增益及相对较大的占空比调节的范围，来实现输出电

55、压的要求，此时直流电压的最小值也会相对较小，进而提高流过功率开关器件电流值，并且又提高了输出整流二极管反向电压值。如果滤波电容值过大，那么它的充电电流幅值就会相应变大，则其脉宽会相应的变狭窄，进而把它的功率因数减小，并且增加了系统电磁干扰强度，如果输入电流过大也会导致滤波电容以及输入整流管消耗的变大，此外，相对较大的电容也会使产品的成本在一定程度上增加。由于采用三相桥式整流电路，其电压纹波脉动为300Hz，为保证给逆变电路提供稳定的直流电压，滤波电路的时间常数，也即滤波电容器Cd与直流电源的等效负载电阻Rd的乘积，必须为纹波中基波的周期时间的6倍以上，这里取8，即 （3-6）则 （3-7） 电

56、容电压必须高于 727.9V。选用800uF/800V的电解电容。3.5 逆变电路IGBT的选择IGBT的周期性的开通和关断，把直流电压变换成方波电压，它是逆变焊接预热电源的核心器件。由于它比较脆弱，对它的设计，选择直接关系到整个电路的安全，可靠。所以选择的参数必须在其安全区域，计算参数时应留有一定的裕量。当三相交流电380V整流变成直流电时，其有效值大约在514V左右，当关断时，与并联的反向续流二极管导通，使输入的直流电压都加在集射极的两端34。在开关器件的参数选择中，开关管的集射额定电压必须大于直流输入电压。受到的最大正向电压为逆变器输入端电压源的电压，考虑到开关时的浪涌电压，取额定电压：

57、 （3.7）根据容量取额定耐压值为1000V。逆变输出电流最大有效值为： （3.8）峰值电流： （3.9）综上所述所选的IGBT额定电压1200V,额定电流15A。3.6 槽路电容和电感参数计算1） 槽路电容设计由于此感应加热电源不采用阻抗匹配变压器，因此在设计槽路电容时，主要考虑它与谐振电感的无功能量交换平衡。感应加热电源直流侧电压为，逆变时在负载上产生正负交变的方波/2，经付氏级数展开基波电压有效值为，负载输出功率P0=10KW，谐振频率为f=20KHz，取谐振槽路的品质因数为Q=3。负载写怎槽路的等效电阻为： （3-10）可得L、C的计算公式： （3-11） （3-12）计算可得L=54

58、1.4uH，C=0.3uF。2）谐振电感的设计当电路谐振时有 (3-20)所以电感为 (3-21)则选用207uH电感。4 控制电路的设计4.1 系统控制电路结构在上一章针对感应加热电源的主回路进行了详细的分析计算，并依据所得参数进行了器件型号的选择。本章节主要针对感应加热电源的控制部分进行系统的分析并进行相应的芯片选择和电路设计。控制系统包括：单片机为控制核心的控制器，发生器和频率跟踪电路，调功电路，逆变器驱动电路，显示电路及各种保护电路。4.2 数字控制器的选择由于本感应加热电源使用与给管道加热。负载参数在工作中会受温度升高和水流速度影响实时变化成非线性。这就要求加热系统有快速的反应调节能

59、力，传统的模拟电路显然不具备快速响应性，从而考虑到使用先进的数字控制系统，工程实例中控制器核心常见的有51系类单片机、数字信号处理器（）、可编程逻辑控制器（）等。下面就控制系统的选择进行比较分析。1）基于51单片机控制方案。C-51系类单片机是中小型控制系统的常用控制器，以其成本低、开发环境简单和成熟技术度高颇为受到使用者的青睐，但是该款单片机口交少，自身集成的功能少，使用时需要额扩展加太多辅助电路，例如转化电路。其数字处理速度慢，存储能力小，精度低，一般只适用于小的精度要求不高的系统。2）基于可编程逻辑控制器（）控制方案。可编程逻辑控制器具有模块化组合的特点，既可以实现模拟量、数字量的输入输

60、出控制，也可实现过程控制。根据控制系统的规模可以灵活组合，方便硬件扩展和系统升级。编程界面简单，可以使用梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，方便项目程序开发，安装调试容易。能适应各种恶劣的运行环境，抗干扰能力强，可靠性强，远高于其他各种机型，但其成本高只适用于大规模工业控制系统。3）基于数字信号处理器（）的控制方案。数字信号处理器是进十几年兴起的一种微机控制器，以其数字处理速度快，精度高，口多，内部集成功能多，可靠性高，灵活性好，为技术开发者极为推崇。都用于电子技术，通信技术中。4.3 控制核心及功能分配单片机因为其体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高，适合应用于工业过程控制、智能仪