微波干燥i说明书

农业工程学院毕业设计说明书PAGEPAGE60PAGE0小型滚筒式电磁干燥机的电路研究设计摘要小型滚筒式干燥机是一种能够处理大量物料干燥的干燥机,由于运转可靠、操作弹性大、适应性强、处理能力大，广泛应用于冶金、建材、轻工、市政等部门，转筒干燥器还可用于粮食干燥，可用于粉粒状、片状、块状物料的干燥。按照被干燥物料的加热方式，可将目前的滚筒干燥器分为五种类型，即直接加热式干燥器、间接加热式干燥器、复合加热式干燥器、蒸汽锻烧干燥器、喷浆造粒干燥器。由于近年来电磁加热技术的高效、无污染的特点，引起了越来越多的人的重视，故次设计采用了新型的电磁加热的方式进行加热。对干燥机的历史，及电磁加热方式的工作原理进行探究，提出基本的电磁加热电路的方案，对电磁加热电路的工作过程进行分析、说明。并对主的电路的主要元件进行参数的计算，并根据实验数据计算传动功率以及对主电路的LC振荡进行了仿真模拟。关键词：干燥机，滚筒式，电磁加热，IGBTSmallrotaryelectromagneticdryerstudydesignofcircuitabstractSmalldrumdryerisakindofcapableofhandlingalargeamountofmaterialdryingdryer,withreliableoperation,largeelasticityofoperation,strongadaptability,largecapacity,widelyusedinmetallurgy,buildingmaterials,lightindustry,municipaldepartments,drumdryercanalsobeusedtodrygrain,canbeusedforpowderandgranulardry,flaky,blockmaterial.Accordingtotheheatingmodewasdrymaterial,thedrumdryercanbedividedintofivetypes,namely,directheatingtypedryer,indirectheatingtypedryer,heatingcompositetypedryer,steamcalcinedryer,spraygranulationdryer.

Duetoelectromagneticheatingtechnologyinrecentyears,efficientandpollution-freecharacteristics,hasattractedmoreandmorepeople'sattention,sothedesignadoptedanewtypeofelectromagneticheatingmanner.Onthehistoryofthedryerandtheworkingprincipleofelectromagneticheatingmode,putsforwardbasicsolutionofelectromagneticheatingcircuit,analyzestheworkingprocessoftheelectromagneticheatingcircuit,description.KEYWORDS:dringmachine,electromagneticheating,dryerdrum,IGBT目录第一章 绪论 4§1.1干燥机的发展及简介 4§1.2滚筒式电磁干燥机 5第二章电磁加热技术在我国的发展 7§2.1电磁加热技术的介绍 7§2.2电磁加热技术的基本原理 8第三章电磁加热电路的设计与分析 11§3.1主回路 11§3.2同步振荡电路 14§3.2.1串联同步振荡电路 15§3.2.2并联同步振荡电路 16§3.3IGBT驱动脉宽调整及激励电路的工作原理 17§3.3.1上下对管加电压比较器组成的电路 18§3.3.2复合对管加电压比较器组成的电路 20§3.4PWM脉宽控制电路 21§3.4.1电阻加电容组成的PWM脉宽控制电路 22§3.4.2三极管式PWM脉宽控制电路 23§3.5IGBT的VCE检测电路 24§3.6VAC电网电压检测电路的工作 25§3.6.1二极管+电阻+电容组成的VAC检测电路 26§3.6.2三极管式VAC检测电路 27§3.7CUR电流检测电路的工作原理 27§3.8检锅与加热开关电路 29§3.9浪涌检测电路的工作 30§3.10温度检测电路的工作 31§3.10.1锅底温度检测电路 32§3.10.2IGBT温度检测电路 33§3.11风扇/蜂鸣器驱动电路 34第四章电磁加热电路的参数选择 36§4.1本设计系统的工作过程 36§4.2滤波电容和滤波电感（扼流圈）电路的设计 36§4.3主电路参数选择 40§4.4传动功率计算 43第五章电磁加热电路的软件设计 45§5.1电磁加热电路内置CPU的设置 45§5.2主程序设计 46第六章电路仿真 48§6.1经典主电路的仿真 48§6.2硬件模型仿真 49第七章总结 53参考文献 54感谢 56附录 57绪论干燥是许多农产物料及食物长期保藏的一种经济有效的方法，同时它是一种重要的加工工艺。传统的热风干燥虽然简单，成本低，但对产品的品质有严重的影响，如表面硬化、溶质散失等，特别是干燥农产品、食品主生物制品。干燥技术旨在防止高湿霉变且保证物料烘后品质的前提下，提高物料干燥机的降水速率、使用效率及干燥的时限，提高稻谷干燥机的经济和社会效益。§1.1干燥机的发展及简介干燥机是一种利用热能降低物料水分的机械设备，用于对物体进行干燥操作。干燥机通过加热使物料中的湿分(一般指水分或其他可挥发性液体成分)汽化逸出，以获得规定湿含量的固体物料。干燥的目的是为了物料使用或进一步加工的需要。如木材在制作木模、木器前的干燥可以防止制品变形，陶瓷坯料在煅烧前的干燥可以防止成品龟裂。另外干燥后的物料也便于运输和贮存，如将收获的粮食干燥到一定湿含量以下，以防霉变。由于自然干燥远不能满足生产发展的需要，各种机械化干燥机越来越广泛地得到应用。19世纪中叶，洞道式干燥机的使用，标志着干燥机由间歇操作向连续操作的方向发展。回转圆筒干燥机则较好地实现了颗粒物料的搅动，干燥能力和强度得以提高。20世纪初期，乳品生产开始应用喷雾干燥机，为大规模干燥液态物料提供了有力的工具。40年代开始，随着流化技术的发展，高强度、高生产率的沸腾床和气流式干燥机相继出现。而冷冻升华、辐射和介电式干燥机则为满足特殊要求提供了新的手段。60年代开始发展了远红外、微波和电磁干燥机。按湿物料的运动方式，干燥机可分为固定床式、搅动式、喷雾式和组合式；按结构，干燥机可分为厢式干燥机、输送机式干燥机、滚筒式干燥机、立式干燥机、机械搅拌式干燥机、回转式干燥机、流化床式干燥机、气流式干燥机、振动式干燥机、喷雾式干燥机以及组合式干燥机等多种。干燥机的发展要重视节能和能量的综合利用，如采用各种联合加热方式，开发太能能干燥机等；还要发展干燥机的自动控制技术、以保证最优操作条件的实现；另外，随着人类对环保的重视，改进干燥机的环境保护措施以减少粉尘和废气的外泄等，也将是需要深入研究的方向。由于设备质量、配套元件及基础研究等方面还需要进一步提高，目前常规干燥仍然是主要的干燥形式。每一种干燥机都有各自的优点和适用范围，所以联合干燥将是未来发展的趋势。与发达国家相比，国内产品在质量及技术水平上还存在一定差距。因此我车干燥设备制造企业必须不断借鉴国际先进技术，结合实际使用经验，探索新工艺，开发新技术，拿出新产品去参与国际竞争，向大型化、高强度、高经济性的趋势不断发展。§1.2滚筒式电磁干燥机以上介绍了干燥机的发展历程及未来的发展趋势，而本课题将针对滚筒式电磁干燥机进行简要的介绍。工作时，滚筒回转，滚筒底部的物料被抄起，随着滚筒的回转，物料渐渐撒落，落下后继续受到高温的干燥，使物料中的水分被蒸发出来。当需要卸下物料时，在电机的驱动下，滚筒倾斜，滚筒内的种子从端口流出，由于滚筒内部光滑，无缝隙，无死角，保证了卸料方便、快速、彻底。滚筒式结构卸料实现半自动化，干燥速度快，物料装卸方便，安全可靠。滚筒式干燥机广泛用于建材，冶金、化工、水泥工业烘干矿渣石灰石、煤粉、矿渣、粘土等物料。该机主要由回转体、扬料板，传动装置，支撑装置及密封圈等部件组成，具有结构合理，制作精良，产量高，能耗低，运转方便等优点。同时也可用于其他物料烘干，该机扬料板分布及角度设计合理，性能可靠，因而热能利用率高，干燥均匀，清理物料次数少，适用维修方便等特点，故得到了普遍的采用。按加热方式，\o"干燥器"干燥机分为对流式、传导式、辐射式、介电式、电磁式等类型。对流式干燥机，是利用热的干燥介质与湿物料直接接触，以对流方式传递热量，并将生成的蒸汽带走；传导式干燥机，它利用传导方式由热源通过金属间壁向湿物料传递热量，生成的湿分蒸汽可用减压抽吸、通入少量吹扫气或在单独设置的低温冷凝器表面冷凝等方法移去；介电式空气干燥器是利用高频电场作用，使湿物料内部发生热效应进行干燥；电磁式主是是利用热传导方式，利用电磁感应在导体内产生涡流发热来达到加热物料的电加热方式，这种加热方式，清洁、高效、无污染，越来越受到人们的青莱。本文主要开展对滚筒式电磁干燥机电路的研究和设计。国内外生产厂家广泛采用的仍然是传统的电加热、热油和蒸汽加热进行干燥。在生产过程中，传统的加热方法暴露出诸多的不足，干燥效率低、能源利用率低和污染环境等。随着能源紧缺现象的加剧以及人们环保意识的增强，各个工业部门都在开发节能高效的新型设备。因此，从根本上改变由电加热、热油和过热蒸汽作为加热介质的加热方式，寻找一种简单方便又无污染的代替方案是亟待解决的问题。电磁式感应加热方案是一种合适的加热方式，具有热效率高，清洁无污染等特点。电磁传感加热技术在国内近年发展迅猛，与以前传统加热相比，在环境节能，使用年限，安全可靠性诸方面都有着比较明显的优势。但由于生产企业自身的很多原因，但还没有做到多行业普及，没有被大多数中小消费群体认同，还是局限在几个邻域。如果生产生活中能广泛应用，它将为国家的环境保护和能源的可持续利用发展带来巨大的经济和社会效益。第二章电磁加热技术在我国的发展§2.1电磁加热技术的介绍电磁感应加热技术原理，是利用高频交变电流通过线圈产生交变磁场，当交变磁场内有被加热的金属材料是，会在金属材料内部产生涡流，涡流使金属内部铁质体原子相互摩擦，碰撞，使金属本身发热，热效率可高达90%－95%。如果在被加热体的表面做保温措施，其热能转换效果更理想。电磁传感加热在国内近年发展，通过对市场调查，在以下领域都有所应用，家用小功率电器，商用电磁热水器，电磁炉，塑料橡胶，建材，冶金，医药化工，干燥蓬松叶片等领域。虽然发展形式一片大好，但是真正有能力生产性能稳定、客户长期认可的电磁加热设备厂家聊聊无几，大部分技术都是仿制或者沿用家用电磁技术，故障率高，设备不稳定返修率居高不下，对市场良性发展阻碍很大。影响产品不良的主因，集中在以下一些方面：关键器件依赖进口较多。因应用环境差、器件耐久性、负载变化大而经常会损坏控制电路而出现可靠性不高。市场上有自主研发技术的电磁机芯厂家很有限，技术受制于人，工作频率及线圈规格都受制于人。另外，很多电磁产品研发出样机很短时间试用就推向市场，引起故障率高。成套设备售价较高。相对传统的电热管加热设备来讲，设备成本提高显著。相对一次投入价格也明显高于传统设备，而没有广泛被私营业主接受。器件质量好坏不一。正规的企业有完善的生产步骤，小企业常用无焊接培训的工人手工焊接，出场检测标准、检验工艺缺失或不足，没有老化试验，紧紧简单测试通过即可。在我国，电磁感应加热技术近年来的进展无论是设备制造加工还是核心技术创新均有长足进步，原来大量依赖进口的设备和主要器件逐步被国产品取代，打破了核心技术一直由国外垄断的状况。目前正逢电磁加热的发展的最佳时机，有政府的支持和推动。电磁感应加热技术完全可以大展拳脚。现在的电磁感应加热技术可以与当前的纳米技术相结合，用在医疗上，已经有治疗关节、骨骼方面的设备。随着我国工业技术的发展和市场对电磁技术的更深入的研究，它必将会对我们的生产、生活很多方面产生深远而积极的影响。它将为国家乃至全世界范围内的环境保护和能源的可持续利用发展带来巨大的经济效益和社会效益。电磁感应加热技术近年来在国内的发展可谓迅猛，国内可替代的产品越来越多。但应该注意快速发展衍生出来的周边问题：正视我们与国际同行业技术的优劣，应该多动参与，各领域的技术集中交流，拉近与国外的技术差距；不断完善感应加热领域技术规范，我国这方面的标准较少，而且不全，大多数企业都要借鉴国外的标准。注意了这些问题，将更有助于电磁感应加热技术真正的，更好的发展。§2.2电磁加热技术的基本原理电磁感应加热就是利用电磁感应物理现象对金属物件进行加热。主要是是利用电磁感应在导体内部产生的涡流发热来达到加热工件的电加热，它是依靠感应器通过电磁感应把电能传递给被加热的金属，电能在金属内部转变为热能，达到加热金属的目的。感应加热简单的说，就是当线圈中通过交替变化的电流的时候线圈周围会产生磁场，当有导体放入这个交替变化的磁场中的时候，由于法拉第电磁感应定律，在导体的表面会产生感应电流，电流不规则的碰撞金属物体，从而产生热量。电磁感应、集肤效应和热量传输是电磁感应加热的三个基本的要素。感应加热原理与变压器类似可以简单表示为如下所示：图2-1电磁加热等效电路图当匝数为N1的感应线圈上通以交变的电流I1时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通，交变磁通又会在金属工件上产生感应电压E，因此在导体表面就会产生感应电流（涡流）I2。根据麦克斯维电磁方程式，感应电动势的大小为：(2-1)感应电势E在工件中产生感应电流I2，I2与感应电动势E成正比。感应电流I2使工件加热，其频率与感应线圈通过一电流频率相同，I2使工件内部开始加热，根据焦耳－楞次定律得，其焦耳热为：(2-2)由上式可以看出，发出热量的大小与电流的平方成正比，在负载一定的情况下，感应电流I越大，产生的热量越大。而感应电流的大小，与感应线圈中磁通的变化有关，磁通量的变化是因为发热励磁线圈中有高频交变的电流，因而可以通过增大励磁线圈中的电流，使得感应电流增大。另外，一定条件下提高感应线圈中电流的工作频率也可以提高负载锅具中的感应电流，从而使负载发热效果更好，加热速度更快。感应涡流的大小同时也与金属工件的形状、截面大小、工件材料的导电率、导磁率及透入深度等因素有关。第三章电磁加热电路的设计与分析电磁加热模型类似于电磁炉加热电路，接下来我就以电磁炉电热电路为例具以分析电磁加热电路。两者的原理是一样的，都是利用LC振荡电路让线圈发热，继而加热负载。因LC振荡电路通过IGBT的高频开关而振荡，从而在L线盘形成高频变化的电流，变化的电流又使得L线盘上方形成变化的磁场。因此，LC振荡电路是电能转换为电磁能的实现部分，也是电磁炉的名称由来。§3.1主回路所有电磁炉的主回路都基本相同，区别仅在于是否单独设置快速恢复二极管、IGBT管的数量。这里为便于理解分为原始型的主回路、经典型的主回路、双IGBT的主回路。（1）原始型主回路(见图3-1)图3-1原始型主回路的电路图图3-2IGBT的G极驱动脉冲图3-1是原始型主回路的电路图，线盘L1接于OUT1、OUT2两个输出口之间，与高频谐振电容C3并联，组成并联LC振荡电路。D11是快速恢复二极管，IGBT的G极输入18V的驱动脉冲。IGBT受G极驱动脉冲的控制而高频开关动作，驱动L1、C3进行LC振荡，产生15~40KHz的高频脉冲，在线盘L1上形成高频变化的电流，变化的电流流经线盘L1而产生变化的电磁波。下面根据图3－2中IGBT的G极驱动脉冲的变化分析电磁加热电路工作过程。t1~t2时间：IGBT的G极脉冲为高电平，IGBT饱和导通，电流i1从300V电源流过线盘L1，电能转换为磁能存储在线盘上。由于线盘L1属于电感性器件，它的感抗特性不允许电流突变，所以在t1~t2时间，i1线性上升，在t2时间脉冲结束，IGBT截止。t2~t3时间：因IGBT的G极为低电平而截止，同样由于感抗作用，i1不能立即变为0，于是，线盘L1上的电流向电容C3充电，产生充电电流i2，到t3时间，C3电荷充满，i2电流变为0，这时L1的磁场能全部转换为C3的电场能量，在C3两端出现左负右正、幅度达到峰值的电压，在IGBT的CE极间出现的电压实际为逆程脉冲峰压+电源电压。t3~t4时间：电容C3开始通过线盘L1放电形成负向的电流i3，在电流i3最大时C3电容两端的电压消失，这时电容中的电能又全部转为L1中的磁场，因感抗作用，i3不能立即变为0，于是，L1两端产生电动势反向（左正右负），由于快速恢复二极管D11的存在，C3不能继续反向充电，而是经过C2、D11回流，形成电流i4。t4~t5时间：在t4时间，第二个驱动脉冲开始到来，但这时IGBT的E极为正压，C极为负压，处于反偏状态，所以，IGBT不能导通，i4减小到0，L1中的磁能放完，即到t5时IGBT才开始经二次导通，产生电流is。产生is以后，又重复i1~i4过程，因此在L1上就产生了和驱动脉冲相同的交流电流。其中t3~t4时间的i3是逆程峰压通过L1放电的电流，t4~t5阶段的i4是L1两端电动势反向时，因D11的存在不能继续反向充电，而经C2、D11回流形成的阻尼电流，因此IGBT的导通电流实际上是i1。（2）经典主电路(见图3-3)图3－3经典型的主电路图3－3是经典型的主回路。这个电路与图3-1比较，快速恢复二极管内置于IGBT内。受驱动脉冲的作用，IGBT工作在高频开关（导通/截止）状态，激励线盘L1和高频谐振电容C15进行LC并联振荡。在IGBT导通期间，使+300V经线盘L→IGBT的c极、e极→地构成回路，线盘经的电流，将电能转换为磁能；在IGBT截止期间，线盘存储的能量向C15充电，当C15电荷充满后，C15则反向对盘放电，从而形成LC振荡，在线盘上方形成磁场，穿过铁质锅底，形成涡流，锅底自身发热对蓬松叶片进行加热。待机状态下，IGBT因截止其C极等于300V直流供电电源。开机加热状态下，在IGBT导通期间其C极电压接近地电位，在IGBT截止期间，受LC振荡脉冲的影响，IGBT的C极电压前阶段时间为负压，后阶段时间出现峰值电压，最高可达1150V左右。(3)双IGBT的LC振荡电路(见图3-4)图3-4双IGBT的主电路图3－4是双IGBT的主回路，顾名思义是设置有两个IGBT，共同驱动线盘L2及并联的电容C15，进行LC振荡，目的是增大电路的输出功率，因此，这种电路多见于功率较大的电磁加热电路。§3.2同步振荡电路因振荡电路工作与否，直接取决于同步电路的工作状态。振荡电路用于产生驱动脉冲，也就是俗称的加热脉冲，因此，可以将振荡电路理解为加热脉冲的产生地。振荡电路所产生驱动脉冲的宽度决定电磁炉的加热功率，因此，振荡电路也是电磁加热功率控制的核心，同时还是检锅信号必经之地。同步电路，就是产生同步信号的电路，这个同步信号相对IGBT的C极脉冲而言的，就是IGBT极电压最低的检测信号，也是最佳的IGBT开通时机。同步电路准确的监视主回路的工作状态，监视结果用于控制振荡电路的工作，以禁止振荡电路在主回路的IGBT有反峰脉冲期间工作，导致IGBT受高电压大电流双重作用而击穿。多数电磁加热电路的同步信号作为主回路的脉冲反馈信号，是检载负荷信号的条件之一。§3.2.1串联同步振荡电路图3-5是串联式同步振荡电路，U2A负责同步控制。C11是振荡电容，与U2A同步输出端②脚串联。R31是振荡电阻，D16是振荡二极管。此电路的输入信号是线盘L1两端的谐振波形，输出的信号是VOUT振荡锯齿波,电路图见(图3-5)。图3-5串联同步振荡电路线盘L1左端电压经R23与R26分压形成V-，线盘右端电压经R24+R27与R28+R29分压形成V+。通电待机状态下，因IGBT截止，线盘两端电压均为300V供电值，V-和V+的电压值分别为静态值3.98V和4.1V，U2A比较器属于正向输入而截止，其②脚输出高电平。同步电路准确监视主回路工作状态。当IGBT1的C极电压下降到接近于0V时，线盘L1中的电流减小。在LC高频振荡的一个周期里，开始的时间内，设为t1~t2内，由于高频振荡电容C3两端的电压是左负右正，所以V+大于V-，U2A截止，其2脚VOUT输出5V高电平。§3.2.2并联同步振荡电路并联式同步振荡电路的特点是：振荡电容一端接地，另一端接同步出端。以IC2A（LM339）为中心组成同步电路，以IC2B（LM339）为中心组成振荡电路，C5是振荡电容，电路图见图3-6。图3-6并联同步振荡电路①同步电路的工作线盘L1左端的电压经上拉电阻R78、下拉电阻R51分压产生V7；线盘右端电压经上拉电阻R74+R75、下拉电阻R52分压产生V6。当电磁炉通电后，因IGBT尚未导通，V7、V6的静态电压分别是0.75V、0.65V，比较器IC2A属于正向输入而截止，输出端V1脚为5V高电平。②振荡电路的工作当G点有PWM电压时，当V4＞V5时，IC2B为反向输入而导通，V2输出0V低电平，V5等于D12与D13的顺向压降；而当V4＜V5期间，IC2B为正向输入而截止，V2转为输出+5V通过R56、R54向C5充电。当C5充电至使V4＞V5，V2再次转为输出0V低电平，V5再次降至D12与D13的顺向压降，而V4则由C5经R54、R29放电。当V4放电至＜V5时，重复前面步骤，周而复始形成振荡，V4上端形成锯齿波，与V5的PWM电压比较，在V2端形成脉冲（其脉宽与PWM电压成正比例），作为驱动脉冲。用户设定的功率高，输入的PWM电压高、V2处于5V输出时间越长，电磁炉的加热功率越大，反之相反。§3.3IGBT驱动脉宽调整及激励电路的工作原理IGBT驱动脉冲调整及激励电路，又称IGBT驱动电路，或IGBT激励电路，是加热和检测负载的重要电路之一，负责对驱动脉冲和试探脉冲的电压放大。同步振荡电路形成的驱动脉冲幅度一般在4－5V，此电压不能直接控制IGBT的饱和导通和截止，所以，必须通过IGBT激励电路将此信号放大到18V及以上才行。驱动脉冲调整及IGBT激励电路肯定位于主板上。根据IGBT激励电路的方式分为：集成电路方式和分立件方式两种。分立件式IGBT激励电路的器件，包括直插式小型PNP型和NPN型串联的上下对管、小阻值大功率的隔离电阻、稳压值18V的保护二极管。这些器件相邻、相接，介于IGBT散热板与LM339比较器之间。集成电路式IGBT激励电路的器件，主板上唯一的、单列脚、8316系列直插式集成电路，肯定是IGBT驱动集成电路，这个集成电路附近的电阻是输出和输入电阻，其中两个阻值较小体积较大的电阻是输出电阻。接下来介绍两种形式的IGBT驱动脉冲调整电路。§3.3.1上下对管加电压比较器组成的电路如图3－7所示，U2D电压比较器负责驱动脉冲调整，通过比较“+”、“－”极输入端的电压高低，在输出端形成驱动脉冲。Q3、Q4组成的互补推挽放大器，及负责驱动脉冲的电压放大。图3-7上下对管+电压比较器式IGBT激励电路图3-8IGBT激励电路的工作原理图3-7是IGBT激励电路工作的波形图。VINI是同步振荡电路产生的同步锯齿波形，VIN2是CPU输出的PWM脉宽调制信号经整流滤波的直流电压。U2D对VIN1、VIN2进行电压比较，在t2~t3时间内，VIN2＞VIN1，U2D正向输入而截止，VOUT输出高电平；在t3~t5时间内，VINI＞VIN2，U2D反相输入而导通，VOUT输出低电平。周而复始，VOUT形成约4V的驱动脉冲，经Q3、Q4放大后，将幅度提高16V后，送IGBT的G极，控制IGBT饱和导通和截止轮流进行，从而激励主回路工作，电磁加热电路开始加热。从图3-8中可以看出，VIN2电压越高，VOUT形成的驱动脉冲宽度越宽，IGBT的G极脉冲越高，IGBT导通时间越长，电磁加热电路的输出功率越大，反之相反。ZD1用过压保护，使IGBT的G极驱动脉冲幅度不超过16V，以避免IGBT因G极电压过高而击穿。R5是隔离电阻，阻值相对小、功率相对大（为4.7Ω，功率为1W），用于过流保护。当IGBT的G极电流过大时，会将R5烧断，切断IGBT的G极回路，防止IGBT因过流而损坏。R42是上下对管的基极上拉电阻，C16是振荡电容。R6是IGBT的G极下拉电阻。注意：这种IGBT激励电路故障率很高。Q3、Q4击穿或漏电、16V供电电压低，均会造成IGBT击穿。R5开路或阻值变大会试探脉冲走向，引起报警无负载或报警内部电路故障。§3.3.2复合对管加电压比较器组成的电路下图为此次设计用的电磁加热电路的IGBT驱动脉冲调整及激励电路。IC2D电压比较器负责驱动脉冲调整。Q8-Q10、Q3组成的IGBT激励电路。Q9、Q10组成一个复合式三极管，作为对管的上管，目的是提高工作电流，见图3-9。图3-9复合对管+电压比较器式IGBT激励电路振荡电路输出的V8驱动脉冲幅度约4.1V，送电压比较器IC2D的⑧脚。22V电压经、R13分压形成V9（约3.17V）送IC2D的⑨脚作基准电压。在V8=0V期间，低于⑨脚的基准电压3.17V，IC2D比较器为正相输入而截止，V10输出高电平，Q8和Q3导通，Q9和Q10截止，IGBT的G极为0V，IGBT截止。在V8为4.1V高电平期间，V8＞V9，IC2D反向输入而导通，V10输出0V低电平，Q8和Q3截止，Q9和Q10导通，+22V通过R71、Q10加到IGBT的G极，IGBT饱和导通。注意事项：Q3、Q10、Q9激励管击穿或漏电会造成IGBT损坏。反过来，IGBT全击穿的瞬间其C极高压又会通过G极将Q3、Q10、Q9击穿，将22V电压拉低，而22V电压低，又会导致激励电路输出的驱动脉冲不足，再次击穿IGBT，因此，遇有IGBT击穿时，一定要检查激励管是否损坏，同时查明上述器件损坏是否有深层次的原因，如同步电路、VCE检测电路是否正常。技巧：R18阻值变大，或Q3、Q8放大倍数不足，会造成激励电路输出的脉冲幅度低，虽然能保证IGBT导通/截止轮流变换，但不能保证IGBT处于饱和导通状态，导致导通IGBT自身能量消耗大而快速升温，引起电路加热一段时间后，停机报警IGBT过热。§3.4PWM脉宽控制电路PWM是Pulse-WidthModulation的缩写，译为脉宽调制。直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术。这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制，这是PWM控制中最为简单的一种情况。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，从而确定了它在电力电子技术中的重要地位。近看来，PWM技术在整流电路中也开始应用，并显示了突出的优越性。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如控制电机转速时，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少，只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。其原理：用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。如果把上述的脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，得到的脉冲序列就是PWM波形。可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的，对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（SinusoidalPWM）波形。要改变等效输出的正弦波幅值，只需按同一比例改变各脉冲宽度即可。§3.4.1电阻加电容组成的PWM脉宽控制电路图3-10电阻+电容组成的PWM脉宽控制电路图3-10是电阻+电容构成的PWM脉宽调制电路。CPU输出的PWM脉宽调制的脉冲，经R50、C3和C9进行一级积分，形成不稳定直流电压VB。VB再经R40和R25二极积分，变为平滑的VC直流电压，送LM339比较器的⑨脚作为驱动脉冲宽度电压，电⑧脚的振荡锯齿波比较后，在⒁脚形成脉宽与⑨脚直流电压成正比例的驱动脉冲，作为电磁电路的加热脉冲。当设定的功率高时，CPU输出的PWM脉宽大，C3充电时间长、放电时间短，形成的VB和VC直流电压高使LM339⑨脚电压值大，高于⑧脚的振荡振齿波幅度的时间长，内比较器截止时间长，eq\o\ac(○,14)脚输出的驱动脉冲宽，电磁炉的输出功率大。反之相反。R32、R44是PWM脉宽调整电路的上拉电阻，决定PWM的基础直流电压值，也就是脉冲驱动调整器LM339的⑨脚PWM基础电压值，决定电磁电路的基础输出功率。§3.4.2三极管式PWM脉宽控制电路图3-11是电磁电路的PWM的脉宽控制电路，这个电路还有检测负载的信号的传输作用。图3-11三极管式PWM脉宽控制电路CPU接收开机指令，先由PWM端输出试探脉冲进行检锅具，在检测有锅具时，才令PWM端改为PWM脉宽调制信号，由R6、C33、R16积分后，送Q7的B极。PWM脉冲越宽，对C33充电的时间越长，C33两端的电压越高，Q7导通越大，C20的电压也跟着升高，使IGBT驱动脉冲调整电路形成的驱动脉冲的宽度越高，每个加热周期IGBT的导通时间越高，电磁加热电路的加热功率越大。根据上述原则，CPU通过控制PWM脉宽的宽窄就可实现电磁加热电路输出功率的调节。CPU输出的PWM脉宽值，既受控于用户设置的输出功率，又受控于电网电压值、滚筒直径等因素。PWM脉宽调制电路故障率较低，如出现问题，会引起不加热不报警或间歇加热且物料温度缓慢上升、加热慢、加热功率过大且不可调、报警内部电路故障等。§3.5IGBT的VCE检测电路IGBT的VCE检测电路，简称VCE电路，又称反压保护电路。这里的VCE指IGBT的CE极之间的电压，因加热时这个电压可达到1000V以上，因此，又称为高压检测电路或高压保护电路。VCE检测电路主要用于检测IGBT的C极电压值及脉冲数量。多数电磁加热电路只用于IGBT过压保护，少数电磁加热电路还作为判断有无负载的依据之一，见图3-12。图3-12三极管式VCE检测电路如图3－12所示是本设计的电磁加热电路的VCE检测电路。IGBT的C极上的脉冲电压通过R76+R77、R53分压送至Q6基极，在E极获得其取样信息，送CPU，被CPU分析后，自动作出各种动作指令。①CPU通过分析每个检锅周期里的VCE脉冲数量，配合VAC电网电压检测、电流检测电路反馈信息，判断是否放置了适合的负载。②根据VCE取样电压值，自动调整PWM脉宽，抵制VCE脉冲幅度不高于规定值1000~1300V（一般低于IGBT耐压值100~200V，如耐压值为1200V的IGBT抑制值为1100V，再如耐压值为1500V的IGBT抑制值为1300V）。③当测得VCE脉冲高于抑制值+50~100V（如耐压值为1200V的IGBT为1150V、耐压值为1500V的IGBT为1400V），CPU立即发出停止加热指令。§3.6VAC电网电压检测电路的工作V是指电压，AC是交流电，VAC就是交流电压。电磁炉中的VAC是指电压检测电路，又称电源检测电路，用POWER表示，或VOL（全称VOLTAGE）、V-AD（电压数/模转换）、SYSV（系统电压）、Lineov（线路输出电压）表示。VAC电路的检测结果用于检测电网电压，其检测结果送CPU，被CPU分析后判断电网电压值，并据此作为自动调整功率、报警电网电压异常的依据。§3.6.1二极管+电阻+电容组成的VAC检测电路如图3-13所示电磁加热电路的VAC检测电路。其中图3-13中的AC220V电压，经D1和D2整流形成约210V左右的不稳定直流电压，再经R79、R55分压、C32平滑滤波后，送CPU的eq\o\ac(○,7)脚VAC端。CPU时刻监测该电压的变化，自动作出各种动作指令。图3-13电磁加热电路的VAC电压检测电路①当CPU的⑦脚电压低于1.7V时，判断电网电压低于160V，禁止或停止加热，并报警电网电压过低故障代码。②当CPU的⑦脚电压高于2.7V时，判断电网电压高于260V，禁止或停止加热，并报警电网电压过高故障代码。③当CPU的⑦脚电压在1.7~2.7V时，判断电网电压在允许范围，CPU配合电流检测电路、IGBT的VCE检测电路反馈信息，判别是否已放入适合的负载。在认为有合适负载时，CPU再配合电流检测电路的反馈信息及电网电压过零检测信息，按正比例关系调控PWM的脉宽，以令电磁加热电路的输出功率与当前的负载直径、电网电压匹配。CPU的VAC端与电网电压值成正比例，当电网电压为220V时，CPU的VAC端电压约为2V。根据电磁加热电路的要求的工作范围为160－260V推理，CPU的VAC电压在1.7－2.7V，就可以说明VAC检测电路正常。§3.6.2三极管式VAC检测电路其中图3-14是电磁加热电路的电网电压检测电路，220V50Hz电源，经D301、D300全波整流形成100Hz脉冲动直流电压，经R309、R8分压取样，Q7放大后，再经EC4滤波，形成相应值的直流电压，送CPU的23管脚POWER电源端，被CPU分析进行相应动作。图3-14电磁加热电路的VAC检测电路①判断电网电压是否在允许范围内（一般为150~250V），如认为电网电压高于250V或低于150V，CPU将会发出电压保护的指令，停止加热并报警电网电压过高或过低故障代码。待电网电压恢复正常后，电磁加热电路自动恢复加热工作。②工作时，CPU时刻检测23管脚电压的变化，根据检测到电压及电流信息，自动调整PWM做功率恒定处理。注意：R309易开路或阻值变大，引起报警电网电压过低，或不加热、加热慢现象。Q7击穿或开路，会引起报警电网电压过高或报警电网电压过低，加热慢等现象。§3.7CUR电流检测电路的工作原理CUE是Current的缩写，译为电流，电磁加热电路中标注有CUR的是电流检测电路，又称电流反馈电路。电流检测电路用于检测的主回路电流信息，并将检测结果反馈给CPU，既作为检测负载的依据之一，又作为加热时功率自动恒定的依据之一（因为电磁加热电路整机要正常工作，CPU必须判断电流检测端电压正常）。电流检测电路按电流的取样方式分类有两种：电流互感器式、康铜丝式。电流互感器式电流检测电路，包括互感器及整流二极管、基础电流调整电位器、电解电容、小瓷片消干扰电容等。电流互感器式电流检测电路：电磁加热电路的电流检测电路，由CT及次级器件组成，负责检测主回路的输入电流，检测的结果均送CPU的⑥脚，被CPU分析后，按软件设置的程序做出各种动作指令（见图3-15）：图3-15互感器式电流检测电路配合VAC电网电压检测、IGBT的VCE检测电路反馈的信息，判断是否已放入合适的负载，作出相应的动作。配合VAC检测电路反馈信息及方波电路监测频率信息，调控PWM的脉宽，使输出的功率保持稳定。§3.8检锅与加热开关电路因电磁加热电路的输出功率高达60千瓦左右，由于省电和安全方面的考虑，所有电磁加热电路在加热开关方面的软件程序相同，即CPU判断有合适锅后放置时，才执行加热程序，开始输出加热开启信号。在检测无锅时关闭加热。因此，加热开关电路和检测负载的电路是分不开的。试探脉冲及检锅试探脉冲试探脉冲，俗称检锅脉冲或检锅信号、检锅秒脉冲，是一种脉宽很窄的间歇脉冲，由CPU的PWM端口，或IGBTEN端口，PAN、S/L端口输出检锅检锅就是检测电磁加热电路上是否有负载，就是把加热的滚筒视为电磁加热电路的负载，是电磁加热电路的一部分。电磁加热电路的检锅，是由CPU输出的试探脉冲，通过振荡电路、IGBT激励电路，触发LC给CPU，CPU通过分析主回路的电流值及脉冲数量判断有无负载的放置。电磁加热电路的检锅按所按检测的内容分类：脉冲法、电流法、脉冲+电流法。a.脉冲法检锅它是通过检测LC振荡电路的脉冲数量判断有无负载放置。当电磁加热电路上没有放置负载时，若主回路无负载，主回路进行的LC振荡的损耗很少，在短时间内可认为自由振荡。若放置有负载，负载大量消耗主回路的磁能，主回路LC振荡则呈现为阻尼式（幅度逐渐下降直到消失）。根据此特性，CPU以250μs为时间段进行脉冲计数，自由振荡则整个计数时间段内都是脉冲其数量多；而阻尼振荡则只2~3个脉冲数。因此，一定时间内，根据主回路的脉冲数量就可以正确判断是否放置合适锅具负载。b.电流法检锅它是通过检测主回路的电流值判断有无负载放置。加热工作时，CPU通过电流检测电路时刻检测主回路的电流，当电流大幅度下降时，做无负载判断。c.脉冲+电流法检锅这种方法被电磁加热电路广泛应用，就是同时检测主回路的脉冲数量和电流值，当单位时间内脉冲数量少且电流值升高至一定值时，判断有负载放置；当认为主回路的单位时间无脉冲，或单位时间内脉冲数量多（9个以上）、电流值过小，任意一种情况存在，判断无载放置。2、加热开关加热开关信号由CPU的专用端口输出，为高/低电平形式。此信号通过加热开关电路允许或禁止IGBT工作，实现加热启动和关闭的操作。虽然电磁加热电路的加热开关电路形式众多，但工作原则相同，即是允许IGBT在加热模式工作，而通电待机模式则禁止IGBT工作，以防止IGBT在待机模式和检锅模式因+5V电源异常情况被烧坏。检锅与加热开关的关系CPU检测到有合适锅具放置时，才令加热开关端输出加热开启指令，电磁炉开始加热。反之，检测无锅时，则令加热开关转为输出加热关闭指令。§3.9浪涌检测电路的工作浪涌检测电路，分为电流浪涌检测电路、电压浪涌检测电路。因浪级检测电路的目的是电网电压出现浪涌或电磁炉的工作电流出现浪涌时强迫电磁加热电路停止加热，因此，浪涌检测电路又称为浪涌保护电路。电流浪涌检测、电压浪涌检测电路，均属于电磁加热电路的附加功能电路，有的既设置有电流浪涌检测电路，又设置电压浪涌检测电路，有的仅设置电压浪涌检测电路，也有的仅设置有电磁炉浪涌检测电路。由于浪涌电流属于交变形式，在检测过程中不稳定。电路在使用过程中，如果电网电压不稳定，会在IGBT的+300V供电电路形成高压脉冲，冲击电磁加热电路，造成IGBT击穿。故常采用电压浪涌检测电路的形式来防止电网浪涌高压对电磁加热电路的损坏。电压浪涌检测电路常采用如图3-17所示的电路。图3-17电磁加热电路的浪涌电压检测电路图3-17是IC2CLM339电压比较器为核心组成电磁加热电路的浪涌电压检测电路。当电网电压正常时，DB桥式整流器输出的100Hz脉动直流电压，经R62+R72、R57分压，在A点形成的电压不足使D28导通，这样，IC2C的10脚电压由R21、R20对+5V分压值决定，约为2V，而低于11脚的其准电压3V（由R60、R61对+5V分压后提供），IC2C内比较器正相输入而截止，13脚输出端为高电平，不影响其他电路的工作。当电网电压有浪涌电压输入时，DB桥式整流器+极输出的100Hz脉动电压会随之大同幅度升高，形成浪涌电压电压经C4耦合（此时C4相当于短路，），再经R72、R57分压，在A点开成6.5V以上的高电压，使D28导通，对IC2C的10脚提供5.9V以上的高电压，而高于11脚的3V基准电压，内比较器翻转导通，13脚输出0V低电平，一方面通知CPU执行浪涌保护而暂停加热；另一方面通过D17将振荡输出端钳位于低电平，强迫振荡电路停止输出驱动脉冲。待浪涌电压过去后，自动解除保护，恢复加热。浪涌电压过去后，C4存储的电压通过R62放掉，以下一个电压浪涌至到来时，再次实施保护。C10、C11、C12、C13是消干扰电容，D27、D16是保护二极管，R19是IC2C输出的端的上拉电阻。§3.10温度检测电路的工作温度的英文名称是TEMPERATURE,缩写为TEMP，用“T”表示。所有的电磁加热电路均设有锅底温度检测电路、IGBT温度检测电路，有的电磁加热电路还设置有线盘温度检测电路§3.10.1锅底温度检测电路锅底温度检测，简称锅温检测。又因电磁加热电路的锅底温度检测均是透过陶瓷面板来检测锅底温度的，又称陶瓷面板温度检测，俗称炉面温度检测或炉温检测。用于滚筒底部温度取样的热敏电阻，位于线盘中间的橡胶圈内，在电磁加热电路中用“NTC”、“RT”表示。本次设计所采用的锅底温度检测如下所示：图3-18锅底温度检测电路图3-18所示为电磁加热电路常见的锅底温度检测电路的工作如下：加热负载底部的温度透过微晶玻璃板传至紧贴玻璃板的负温度系数热敏RT1，该电阻阻值的变化间接反映了加热锅具的温度变化，RT1热敏电阻与R58分压点的电压变如实反映了热敏电阻的阻值变化，即加热负载的温度变化，CPU通过监测⑧脚的电压的变化，作出相应的动作。①定温功能时，控制加热指令，令被加热的物料恒定在指定的范围内。②当滚筒温度高于220度时，加热立即停止，并报警显示滚筒过热故障代码。③当CPU分析8脚热敏电阻阻值快速变小时，认为滚筒中无物料，加热立即停止，并报警故障代码。④当CPU分析⑧脚电压等于+5V电源时，判断热敏电阻开路时，发出不启动加热指令，并报警热敏电阻开路代码。⑤当CPU分析⑧脚电压为0V时，判断热敏电阻短路时，发现不启动加热指令，并报警热敏电阻短路故障代码。C18是消干扰电容，D26是保护二极管，R58是上拉电阻。注意：锅底温度热敏电阻，易出现破裂现象，引起报警故障热敏电阻开路，间歇加热现象。如阻值漂移，则会出现水烧不开就停机等现象。§3.10.2IGBT温度检测电路IGBT温度，用“TEMP-IGBT”表示，简写为“T-IGBT”或“T=I”。电磁加热电路中的IGBT温度检测电路，用于检测IGBT的温度及温度传感器状态，检测结果送CPU分析后，做出相应动作，以避免IGBT温度过高而损坏。IGBT温度检测电路有热敏电阻器和温度传感器之分。下面针对热敏电阻器的具体工作过程做简要概述。图3-19IGBT温度检测电路图3-19采用10kΩ热敏电阻，该热敏电阻固定在小正方形的保温海绵块内，紧贴在IGBT散热片上面，具有负温度特性的热敏电阻的阻值的变化间接反映了IGBT的温度变化。IGBT热敏电阻与R505分压输出信号TEMP-IGBT。根据热敏电阻的负温度系数特性可知，温度越高，热敏电阻的阻值就越小，分压所得的TEMP-IGBT电压就越低，CPU就是通过检测TEMP-IGBT电压的变化，间接检测IGBT的温度变化，并根据软件程序设置做出相应的动作。①IGBT高温保护当检测到IGBT温度高于是90~100℃时，CPU发出停止停止加热指令，电磁加热电路停止加热。待温度下降到60~70℃后恢复加热。②IGBT过热保护当检测到IGBT温度高于110℃时，CPU立即输出停止加热指令，并报警IGBT过热故障代码，如显示屏“E6”蜂鸣器短促鸣叫。③热敏电阻异常保护检测到TEMP-IGBT端电压为0V或+5V时，判断该热敏电阻开路或短路，电磁加热电路将不能启动加热或立即停止加热，同时报警IGBT热敏电阻开路代码。④通电时IGBT温度过高，则自动启动风扇运转。⑤关机时如IGBT温度大于50度，CPU发出风扇继续运转指令，直到温度下降到50度以下，风扇停转。§3.11风扇/蜂鸣器驱动电路风扇驱动和蜂鸣器驱动信号均由CPU输出，风扇驱动一般标注“FAN”，蜂鸣器一般标注“BUZ”、“BUZZ”或“BUZZER”。风扇电机一般位一于IGBT散热板、线盘的侧端。风扇运转通过加热电路进、出风口形成的气流，将散热板上的热及线盘等器件工作时产生的热量、加热滚筒辐射进入电磁加热电路内的热排出电路外。蜂鸣器位于主板或控制板上，根据CPU的要求实现声音报警。图3-20风扇/蜂鸣器驱动电路图3-20所示是常见的电磁加热电路中的风扇/蜂鸣器驱动电路，CPU由BUZ-FAN脚输出风扇驱动信号，当输出风扇运转指令时，令BUZ-FAN脚为4V以上高电平时，经R2送到Q8基极，Q8饱和导通，VCC+18V电源通过风扇电机→Q8的C、E极→地，构成回路，风扇电机流经电流开始运转。当CPU发出风扇停止指令时，BUZ-FAN脚输出低电平，Q8截止，风扇停止运转。CPU由BUZ-EN端输出蜂鸣器启动信号，平时此端口为低电平，Q7截止，切断BUZ1蜂鸣器回路，蜂鸣器不工作。当CPU需要声音报警时，由BUZ-EN端出脉冲，通过R34驱动Q7间歇导通，控制蜂鸣器发出“滴、滴”声。D7在电路中的作用是当Q8截止后迅速放掉风扇电机的电流。D7开路会造成关机后风扇电路不能在短时间内停止运转。除这些经典式的设计外，近年来又出现有带转速检测功能的风扇/蜂鸣器驱动电路、风扇/蜂鸣器驱动共用一个端口的驱动、蜂鸣器/线盘测温度共用一个端口以及蜂鸣器双端口驱动类型的电路。但这些驱动电路都是建立在以上电路的基础上进行的，能过CPU输出的信号来控制三极管的截止和导通，进而控制风扇/蜂鸣器的转停。第四章电磁加热电路的参数选择§4.1本设计系统的工作过程本设计设计主要由三相桥式整流电路、并联同步振荡电路、IGBT驱动脉宽调整及激励电路、PWM脉宽控制电路、IGBT的VCE检测电路、VAC电网电压检测电路、CUR电流检测电路、浪涌检测电路、锅底和IGBT温度检测电路以及风扇/蜂鸣器驱动电路。各个电路并不是相互独立的，它们彼此之间需要相互协调，相互配合才能发挥特定的功能，电路才能按照我们的意愿加热物料。其实出于安全方面的考虑，所有电磁加热电路的软件程序是相同的，都是CPU判断的合适的负载放置后，才执行加热程序，开始输出加热开启信号。整个电路通电待机后，先由CPU的PWM端口发出试探脉冲信号，通过振荡电路，IGBT激励电路，触发LC振荡，传给CPU，CPU通过分析IGBT的VCE检测电路、VAC电网电压检测电路、CUR电流检测电路传过来的脉冲数来判断主电路是否能正常工作，电路是否放置合适的负载。若一切正常，则CPU发出加热信号，电磁加热电路开始振荡加热，加热过程中浪涌检测，温度检测，VCE检测，VAC电网电压检测，CUR电流检测一直都在各守其职，一旦发生异常，CPU会判断分析是否立即发生停止加热信号，蜂鸣器发生报警声音；或者通过PWM端口来调节加热功率。§4.2滤波电容和滤波电感（扼流圈）电路的设计交流电经过整流电路转化为直流电源后，不是直接进入主电路，而是先经过滤波电感（扼流线圈）和滤波电容组成的滤波器。滤波电容的作用是将整流桥输出的脉动直流电变成平稳的直流电，容量与电磁电热电路的功率有关；滤波电感（扼流线圈）连接在整流桥与滤波电容之间，与滤波电容组成的LC滤波器，滤波电感（扼流线圈），又能向后续电路提供足够大的直流电流，见图4-2。图4-2扼流线圈工作电路图4-3滤波电容前后对应的电流大小滤波电容的选择滤波电容器的作用主要是滤波和稳定整流后的电压，采用的用高频电容滤波。电容Cd两端为直流电流，在设计中可以反通过扼流线圈后的电流看做为一恒流源，假设流过的电流为Id，流过的滤波电容的电流为Id,在额定功率时流过的电流其峰值为Im,那么在稳态时，电容的放电量和充电量应该是相等的。上图4-3中的Im上下两阴影部分面积相等。电流表达式为：在整流电路中我们计算的输出直流电压为Ud为539V，考虑到安全富裕量以及实际元件的性能，我们选用的是Cd＝2000uF，耐压值为630V的滤波电容。扼流线圈的选择滤波电感是整流滤波电感，具有通直流，阻隔交流的功能，滤波电感必须能适应大电流的工作条件，主要作用是减少电流波动，提高输入功率因数，保证电磁加热电路在特定的功率输出下，使进入主电路的电流稳定连续，并在合闸和负载变化时防止浪涌电流过大导致整流二极管损坏。图4-4滤波电抗器计算的电流电压波形图假设滤波电容Cd很大，滤波电容上电压为恒定值Ud，则在稳定状态下电容的充放电电量相同，即图中Ud线两侧的阴影面积相等。则有：在特定的功率下要保证输出电流连续，则要求必须有：式中是从a1到a2是电流增量，是负载电流的平均电流。从这个式子中可得：若输出功率为P，则负载输出平均电流为：则所得电感值为：实用中可取滤波器电感值为580mH。§4.3主电路参数选择本设计采用经典型主回路，见图3-3。电流经过LC组成的并联回路，再通过IGBT接到地。一、IGBT的选择IGBT(InsulatedGateBiposarTransistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。IGBT的简化等效电路见图4-5。图4-5IGBT等效电路由图可以看出IGBT是用双极型晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。图中C为集电极，E为发射极，G为栅极，RN为晶体管基区内的调制电阻。因此，IGBT的驱动原理与功率MOSFET基本相同，它是一种电压控制型器件。IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。在使用中，IGBT的开通和关断是由栅极G和发射极E之问的电压UGE决定的，当向栅极和发射极，加正向偏置的电压VGE时，当VGE>UGE>0时，导通。当VGE<UGE<0时，IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N．沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N．层的空穴(少子)，对N．层进行电导调制，减小N．层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。IGBT具有良好的有伏安特性、转移特性和开关特性等静态特性和动态性能，因此我们选择IGBT作为逆变电路的开关器件。但是选择IGBT需要考虑IGBT的额定电压、额定电流。在本项目的主电路中IGBT的额定电压受到整流输出的直流电压的影响。IGBT电流的确定IGBT输出电流有效值可由以下公式得到:其中：Ud为整流之后的直流电压值为539V，Pm为本设计的最大输出功率60KW，则IGBT一个周期内平均电流值为：在选取器件时，一般取保险系数为平均电流值的1.5－2倍，那么流过IGBT的连续电流为又同去在该电路中有两个桥臂，则IGBT的均流系数为1.2，则IGBT实际的连续通态电流为(2)IGBT电压的确定在整流之后的滤波电路中有时会发生电压过冲，并且缓冲电感上有时也会形成电压尖峰。因此可把IGBT的耐压值设定为大于或者等于通过以上电流电压的计算，本设计我们选用IGBT的额定电压为1200V,额定电流为1500A。二、线盘的参数计算感应加热线圈自身并不是热源，而是相当于调频谐振回路中的一个电感，其作用是与谐振电容振荡，产生高频交变磁场。感应加热励磁线圈有很多类型，励磁线圈的尺寸与材质都要受到设计功率高低、通过电流大小及振荡频率影响的。励磁线圈要满足特定功率、频率以及被加热形态的要求，线圈分为单匝和多匝的形式。单匝型用于加热面积比较小的场合，由于本设计要满足滚筒在短时间内到达60KW功率的输出，并且锅具体积比较大的要求，我们在设计中选用的是多匝型铜质线圈。因为多匝型线圈的匝数可以根据负载加热情况弹性伸缩，加热圆周也可以随着滚筒的体积来调整。电磁感应加热线圈直径大小的选择要根据铜线圈的穿透深度来决定，一般是导线直径小于两倍穿透深度的原则。穿透深度由下式决定：其中表示穿透深度；f表示流过励磁线圈的电流频率。对于铜材料的线圈，流过电流频率的穿透深度可以遵循表4-1表4-1频率与穿透深度F(kHz)1510151820△h(mm)2.0890.94360.66080.53960.49260.4673F(kHz/)253035455060△h(mm)0.45380.38150.35320.31150.29550.2403我们设计的干燥机的工作频率范围为一般20kHz-50kHz，同时考虑到一定的富裕量，所以选择铜材料导线直径大于0.31mm。感应加热线圈实际上包括两部分，线圈的电感L和线圈与负载的等效电阻R，等效电阻R不会很大，在计算线圈参数时可以忽略它，直接按的关系进行计算，假设：所以我们可按，调序加热励磁线圈并且是直径大于0.31mm的铜线圈。电磁加热电路设计多个模块电容电感的型号选择，在此不再赘述。§4.4传动功率计算表5-1实验数据组数入口含水率平均值出口含水率产量184.50%83.50%6%100kg/h285.20%380.30%483.90%一、关于物料填充密度的测量：实验所用纸盒长l=31cm，宽a=21.8cm，高b=11.1cm减速机与传动装置的动力损失为10%，所以取，所以选取Y90S-4电动机，，同步转速1500r/min，满载转速1400r/min。第五章电磁加热电路的软件设计§5.1电磁加热电路内置CPU的设置本设计采用的是一种新型单片机微处理器EM78P458AP，它多功能，性能优越，以及价格低于同类产品，经实际调试，运行稳定，性能可靠。其管脚排列如图6－1所示，该型号单片机是采用低功耗、高速COMS工艺的8位单片机，单片机的工作电压范围是2.3－6.0V，工作温度范围：0－70度；工作频率最大可达到20MHZ。它集成了8位A/D转换器，省去了外部A/D转换芯片，还具有检测1.4V-2.0V的电压检测器，双脉宽调制器，比较器等功能。图5-1EM78P458AP芯片的管脚排列EM78P458内部可烧录一次的ROM，在其专有的编程界面，用户可以改进完善程序，仿真调试成功后由EMC编程器写入芯片。它的每条指令为13位，大多数指令只需一个指令周期，任何寄存器的每一位均可直接置1，清0或测试。EM78P458的AD转换器包括一个8位模拟转换器、3个控制寄存器、一个数据寄存器和8位分辨率的AD转换器，是逐次逼近式。可通过对控制字的操作，选择参考电压为工作电压或外部输入电压，是否需要增益，以及选择AD转换的时间。EM78P458内部自带有看门狗计时器（waterdogtimer）防止程序的跑飞等，确保了本次设计性能更加稳定可靠。§5.2主程序设计电磁加热电路的主程序的设计是为了完成其硬件设计的各种功能任务，是电磁加热电路控制系统的核心程序，它负责到整个软件程序的协调运行，直接关系到电磁加热电路的工作状态。主程序主要包括：系统初始化、数据采集、数据处理、功率给定和功率控制等子程序。系统初始化子程序包括组成主程序的各子程序的初始化和中断服务程序初始化。数据采集子程序部分主要是采集线圈电流、负荷电流、IGBT温度和发热励磁线圈温度的模拟信息，该信息是故障信息和功率输出控制信息的判断依据。功率控制子程序是电磁加热电路主程序的重要组成部分，根据PWM控制器的控制进行判断调节。数据处理子程序就是单片机根据采集的负荷电流、发热线圈电流和温度(IGBT温度和发热励磁线圈温度)信息，判断电磁炉是否工作在正常状态，如果是正常状态，则进行其他数据处理；如果不是正常状态，根据设计程序，给出故障信息显示和蜂鸣器的鸣叫声音，并关断加热信号，实现关机保护。功率给定子程序就是根据旋钮给定的不同档位信息，给出相应的功率控制信号，并且显示器显示目前档位信息。主程序框架流程如图6-2所示：开机上电开机上电系统初始化CPU的PWM端口发出试探脉冲VAC电网电压检测CUR电流检测IGBT的VCE电压检测故障判断CPU发出开始加热信号电路开始加热浪涌检测IGBT和锅底温度检测风扇开始转动VAC电网电压检测CUR电流检测IGBT的VCE电压检测蜂鸣器鸣叫YN图5-2程序流程图第六章电路仿真针对本设计我们采用了电子设计软件PROTEUS的模拟仿真。Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与仿真软件。该软件的特点是：①集原理图设计、仿真和PCB设计于一体，真正实现从概念到产品的完整电子设计工具，②具有模拟电路、数字电路、单片机应用系统、嵌入式系统设计与仿真功能，③具有全速、单步、设置断点等多种形式的调试功能，④具有各种信号源和电路分析所需的虚拟仪表，⑤支持Keil、C51、uVision2、Matlab等第三方的软件编译和调试环境，⑥具有强大的原理图到PCB板设计功能，可以输出多种格式的电路设计报表。拥有PROTEUS电子设计工具，就相当于拥有了一个电子设计和分析平台。Proteus软件自1989年问世至今，经历了近20年的发展历史，功能得到了不断的完善，性能越来越好，全球的用户也越来越多。PROTEUS之所以在全球得到应用，原因是它具有自身的特点和结构。PROTEUS电子设计软件由原理图输入模块、混合模型仿真器、动态器件库、高级图形分析模块、处理器仿真模型及PCB板设计编辑六部分组成。基于PROTEUS的电子产品开发优点：只要完成原理图设计就可用于系统的测试了；Proteus的交互仿真特性使软件的调试和测试在布板之前完成；硬件设计的改动容易得如软件设计一样。§6.1经典主电路的仿