中频加热电源设计报告

目录摘要： 11加热电源简介 21.1感应加热电源的特点及应用 21.2感应加热电源的发展阶段 21.3感应加热电源的发展的主要因素 32感应加热电源 32.1基本工作原理 32.2基本结构 53整流电路的设计 53．1整流电路的分类 53．2整流电路的选择 53.3三相桥式全控整流电路 63.4整流电路的参数设计 84逆变电路 94.1逆变器基本分类： 94.2逆变器的工作原理 105控制电路的设计 115.1控制电路的结构及原理 115.2控制电路的作用 135.3控制策略 135.42.5KHz∕250KW感应加热电源控制电路结构 155.5过电流和过电压的保护电路 156设计结果分析 167设计心得 16参考文献 18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，淬火，工件透热，焊接，铸造表面热处理等行业得到广泛应用。本设计中主要研究了中频感应加热电源及其相关技术的发展现状和趋势，设计了2.5KHz∕250KW可控硅中频感应加热电源的整流电路及控制电路。整流电路采用三相桥式全控整流电路，电路结构简单。控制电路采用双闭环反馈控制系统，改善信号迟滞的缺点。利用晶闸管把50Hz的工频变成中频电源的装置。即由三相全控整流电路把工频电流整流成直流，经过电抗器滤波后，经单相逆变桥将直流变为单相中频交流，以驱动负载。关键词：可控硅中频电源；感应加热；逆变；保护电路；1加热电源简介上世纪初，在欧洲几个发达国家，感应加热技术开始投入应用，由于技术限制，仅仅用在小功率，小容量中频感应熔炼炉上，随着感应加热理论的不断完善，感应加热技术的不断发展，目前，感应加热技术已被广泛应用在机械制造，冶金，国防，航空航天，汽车制造及教学科研等诸多领域。主要用于有色金属的熔炼铸造，热处理，焊接，烧结等方面。1.1感应加热电源的特点及应用感应加热电源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。由于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，淬火，工件透热，焊接，铸造表面热处理等行业得到广泛应用。在铸造方面正在迅速发展双联熔炼工艺，利用中频炉保温改性；在铸造方面，利用感应加热实现快速透热热锻，在淬火方面致力于发展大功率全固态高频电源。1.2感应加热电源的发展阶段在五十年代前，感应加热电源主要有：感应熔炼炉，电磁倍频器，中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。可控硅的出现标志着现代电力电子学的开始。在中频范围内，晶闸管中频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。七十年代么到八十年代初，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件，极大的推动了电力电子学的发展。1983年IGBT的问世进一步推动了感应加热电源的发展。IGBT具有通态压降低，开关速度快，易驱动等优点。大功率高速IGBT已成为众多加热电源的首选器件。今后，感应加热电源技术的发展趋势主要有以下几个方面:第一:功率半导体器件的大容量化、高频化将带动感应加热电源的大容量化和高频化;第二:髓着感应热处理生产线自动化控制程度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;第三:随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数低谐波污染电源也将成为今后发展的一个方向;第四:电源和负载的最佳匹配。由于感应加热电源多用于工业现场，其运行工况比较复杂，它的负载对象也各式各样，而电源逆变器与负载是一个有机的整体，它们之间的配置方式将直接影响到电源的功率利用系数。1.3感应加热电源的发展的主要因素感应加热电源的发展与电力电子器件的发展密切相关，而电力电子器件的发展又是半导体集成加工技术及功率半导体技术分不开的，可控硅出现后是的感应加热电源的可控性实用性得到体现。2感应加热电源2.1基本工作原理感应加热利用导体处于交变的电磁场中产生感应电流，即涡流，所形成的热效应使导体本身发热。根据不同的加热工艺的要求，感应加热采用的电源的频率有工频（50HZ），中频（60-10000HZ），高频（高于10000HZ）。感应加热本身的物体必须是导体，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。感应加热利用交流电建立交变磁场涡流对金属工件进行感应加热，基本工作原理如图1，A为感应线圈，B为被加热工件，若线圈A中通以交流电流i1，则线圈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e2，形成涡流i为了将金属工件加热到一定的温度，要求工件中的感应电流尽可能地大，增加感应线圈中的电流，可以增加金属工件中的交变磁通，进而增加工件中的感应电流，现代感应加热设备中，感应线圈中的电流最大可以达到几千甚至上万安培。增加工件中感应电流的另一个有效途径是提高感应线圈中电流的频率，由于工件中的感应电势正比于交变磁通的变化率，感应线圈中电流的频率越高，磁通的变化就越快，感应电势就越大，工件中的感应电流也就越大。对同样的加热效果，频率越高，感应线圈中的电流就可以小一些，这样可以减少线圈中的功率损耗，提高设备的电效率。由电磁感应定律可知，感应电动势e2设磁通Φ对时间t按正弦规律变化为：其中感应电动势的幅值为：为了使金属工件加热到一定温度，必须要求金属工件内有足够大的涡流，即要求金属工件内有较大的电动势e2，由式2-2知，增大e增大线圈A中电流i1。增大i1即增大金属工件内的交变磁通的最大值增大线圈中电流i1的频率。因为金属工件中感应电动势e2正比于磁通变化率，所以i1的频率2.2基本结构经过半导体器件的发展，感应加热电源的拓扑结构逐渐固定为一种AC∕DC∕AC的变换形式，基本结构如图2，由整流器，滤波器，逆变器及一些控制和保护电路组成。3整流电路的设计整流电路是中频电源的重要组成部分。整流控制电路的最终任务是根据输入的同步信号及电压调节信号、电流反馈信号、启动信号、复位信号等综合情况发出相位合适的脉冲信号去触发主回路，以便输出合适的直流电压。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，应用广泛，电路形式多种多样。按组成器件可分为：不可控，全控和半控三种。按电路结构可分为桥式和零式。按交流输入相数可分为单相输入和多相输入。按变压器二次侧电流的方向又可分为电路是半波和全波电路。实用电路是上述的组合结构，整流电路的实质就是把交流电能转换成直流电能的电路。逆变控制的最终任务是产生频率合适的逆变脉冲，以保证逆变桥可靠换向。3．2整流电路的选择半波整流：变压器的次级绕组与负载相连，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，另半个周期被二极管所阻，没有电流。这种电路变压器中有直流分量，降低了变压器的效率；整流电路的脉动成分太大，对滤波电路要求高，只适用于小电流整流电路。全波电路：变压器与半波电路相同，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，使得变压器的次级线圈的绕组匝数加倍，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。经常使用的整流电路是效率较高的全波整流电路，仅用电容器作为滤波器的电源电路有中心抽头式和桥式，设计中选用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桥式全控整流电路，将电网输入的三相50HZ交流电压整成脉动直流电压，三相桥式整流电路如图3.晶闸管AB，BC，CA接成共阴极，AC,BA,CB接成共阳极，并于变压器和负载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式全控整流电路，如图4所示。图4三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路的输出电压是三相半波可控整流电路的两倍，三相桥式全控整流电路的输出电压：Ud式中：UdU2电网相电压Α触发角当α=0°时，对于共阴极组的晶闸管依次触发阴极电位最低的，对于共阳极组的晶闸管依次触发阳极电位最高的晶闸管，是晶闸管导通把一个周期分为六段。如图5在AB段，a相电压最高，电流从变压器a相流出经过负载AB和BA回到变压器B相绕组，a相绕组内电流为正，b相绕组内电流为负，负载电压Ud=在AC段，a相电压最高，晶闸管AB继续导通，电流从变压器a相绕组流出，经过负载AB和CB。晶闸管BA承受反向电压而关断，所以电流回到c相绕组，b相绕组内电流为正，c相绕组内电流为负，负载电压Ud=在AB和AC段内，由于负载的电感量较大，流过AB的电流保持不变。在BC段内，b相电压最高，晶闸管BC因得到触发脉冲而导通，由于b点点位高于a点电位，所以晶闸管AB因承受反向电压而关断，电流从b相绕组流出。负载电压Ud=U图5为感性负载下，不同触发角时的输出波形。图5不同触发角的输出波形3.4整流电路的参数设计（1）二极管额定电压值U二极管的耐压值可根据（3-2）式确定，根据电网电压，考虑其峰值，电压波动等因素，取波动因数1.3，安全系数α=1.5VRRM由于交流侧电压UAC=380VVRRM（2）额定电流I：整流二极管的电流额定值根据其结温确定，I2式中，IRα安全系数，α=2上式变形为，I≥α·IRVCH的选取：VCH的耐压和耐流和整流二极管的等级是相同的，由于频率较高，常选取电力电容选择：由于是6脉动整流波动，50HZ电网输入，周期为20ms，每个波动的时间为20∕6≈4ms，由公式可得：Q=C×∆U=I×t（3-5）式中，t=4ms∆U=600V得C=772.2μF可选取3000μF∕400V的4个电容串联，实际容量为750μF，耐压1600V。4逆变电路4.1逆变器基本分类：逆变器的类型除了基本电路有桥式和零式、三相和单相之分外，还有其它集中分法:(1)根据储能元件的性质来分根据滞留环节中滤波和储能元件的性质，逆变器壳分为电压型(源)和电流型(源)两大类。采用大电容Cd作为滤波和储能元件的逆变器称为电压型(源)逆变器;而采用大电感Ld作为滤波和储能元件的逆变器称为电流型(源)逆变器。电容Cd可以保持直流电压恒定，使直流环节犹如恒压源，直流侧的阻抗远小于逆变器的输出阻抗。电容Cd在逆变过程中提供负载所需的无功能量，并形成逆变器输入端谐波分量的短路通道，使整流装置产生的谐波分量不进入逆变器，逆变器产生的谐波分量也不进入电网，起交流隔离的作用。Cd通常称储能电容。直流环节的电感Ld可使直流电流恒定，直流环节犹如恒流源，直流侧的阻抗远大于逆变器的阻抗。电感同样起储能和滤波作用，抑制谐波分量的进入与输出，并在逆变器产生短路故障时，大电感具有良好的抑流作用，这是电流型逆变器的一个重要特点。（2）根据换流电容器的接法来分为了换流，逆变器具有换流电容器，单换流电容器与负载并联连接时称为并联逆变器。当换流电容与逆变器串联实称为串联逆变器。(3)根据换流电路结构的特点来分换流电路的结构种类较多，基本上分为两类，一类籍辅助晶闸管接通换流电路实现换流，另一类则不需要辅助晶闸管就壳实现换流。前者称为麦克墨莱逆变器，后者如串联二极管或串联电感式逆变器。(4)根据晶闸管导通的角度来分逆变器中晶闸管可以导通180°，也可以导通120°，由此把逆变器分为180°导通型和120°导通型两种。(5)根据逆变器调压方式来分当逆变器向感应电动机供电时，为了获得恒定的转矩，频率和输出电压应按正比关系调节(即U/f=恒值)。调压的方式有数种，大致分两类，一类是用类似斩波控制的脉宽调制方法，另一类则用阶梯波调幅或移相等非脉宽调制的方法。从而有脉宽调制逆变器和非脉宽调制逆变器之分。(6)根据半导体元件性质来分除用逆阻型晶闸管(SCR)构成逆变器外，还壳用逆导管及功率晶体管(GTR)构成逆变器以简化电路。此外用大功率的可关断晶闸管(GTO)构成不需要换流电路的逆变器，也已经用于电力传动。4.2逆变器的工作原理把直流电能通过逆向变换，向交流电源反馈能量的逆变器称为有源逆变器;若变换所得的交流电能，按要求的频率和电压直接向负载供电的逆变器成为无源逆变器。生产实践中常要求把工频交流电能或直流电能变成频率和电压都可调的或者固定的交流电能，供给负载，以便实现交流电动机的变频调速，或者为感应加热炉提供中频电源，为电子计算机、医用设备等重要装置提供不停电的工作电源。这些用电装置必须采用无源逆变器。近代的无源逆变器具有调频调压等性能。图6单相桥式逆变电路原理图静止变频器按电源的种类可以分为交流一交流变频器和直流一交流变频器两大类。前者直接将工频转变为所需的交流电能，因此也称为直接变频器。后者把直流电能转变为交流电能，因此称逆变器。这种逆变器与有源逆变器相比，不是把变换成的交流电再反馈到交流电网中去，而是用来供给无源的负载使用，因此是一种无源逆变器，它的换流比利用电网电势换流的有源逆变器困难的多。无源逆变器由逆变电路的基本部分和换流电路两部分有机的组成，前者的电路结构犹如一个逆方向工作的整流电路，它使电能从直流变成交流，这点是与有源逆变器相同的。后者则使前者实现换流，这是这种逆变器的特殊地方。逆变电路的基本部分从其结构而言也像整流电路刀州洋，有零式(中间抽头式)和桥式、单相和多相等等之分。图6是一个单相桥式逆变电路的原理性示意图，其中TI,T2和T3.T4两组开关轮流接通时，负载R上就得到交流电压UR，这是一个幅值为Ua的周期性交变电压，负载电压UR的频率取决于两组开关的切换频率。图7输出电压波形图8输出电流波形5控制电路的设计在感应加热系统出现故障的情况下，电路中会出现过电压和过电流，控制系统中的保护部分应负责故障的处理。5.1控制电路的结构及原理控制电路包括整流控制电路，逆变控制电路和保护电路。拓扑结构如图6，图8感应加热电源控制电路整流控制电路根据各种输入信号，发出宽度合适的脉冲，以便输出合适的直流电压。感应加热电源的特点是，随着加热过程的进行，负载温度不断变化，负载的固有谐振频率变化，功率因数变化。设计中采用由整流侧调节功率，逆变侧进行频率跟踪的方案。逆变控制电路包括，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次序和占空比由控制策略决定。死区形成电路在串联谐振型中是必不可少的，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，就是所谓的锁相控制。采样电压一般取自负载电容两端，因为电容对高次谐波的阻抗小，以此信号作为反馈可有效减小高次谐波信号的干扰。保护电路主要是防止过电流，短路保护。功率调节方式有三种：改变功率因数：通过改变工作频率改变功率因数。为减小器件开关频率，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，电流最大，输出功率也最大。如图9改变直流电压：移相调功是通过移相控制，每个桥臂的两个开关互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，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10调频调节输出功率：高频感应加热电源采用桥式逆变电路，通过调频的方式调节输出功率。为减小器件开关损耗，其工作频率应大于谐振频率。图9等效阻抗的频率特性图10移相控制开关动作5.2控制电路的作用（1）调节控制电路必须对整流电路，逆变电路等主电路部分进行功能控制，对整流电路，逆变电路必须在各种扰动下维持各参数不偏离其设定值。（2）当各参量因各种故障偏离起设定值的极限值时，控制电路应调节是整流电路工作于逆变状态。（3）为了达到保护的目的，系统必须具有对各种参数进行测量和监视的目的。（4）中频加热电源的负载频率必须要实现自动跟踪功能。5.3控制策略工业中常用的中频电源以并联谐振逆变电路为主，调节方式采用单独调节可控整流器输出电压的方式。中频电源的开环控制如图11图11中频电源开关原理控制过程：整流触发控制角调节器把输入控制信号UC转化成控制角α，可控整流电路在电网电压为UC的情况下，把α转化成直流输出电压Ud;经过滤波电感Ld，逆变器将输入直流电压Ud转化为频率为f的中频电压UN向负载输出电能，负载电路将工件电压转换成工件温度闭环调节系统原理如图12，图12中频电源控制原理电压反馈电路把输出中频电压UH转换成反馈电压Ur,后者与给定电压Us中频感应输出功率PH与工件温度TPH式中，η电源总效率，C锻件比热容，t0锻件加热时间，GTDPH式中，UH中频电压，RHUH2=C生产过程中，若要保持工件温度在控制范围内，调节中频电压UH即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，故一般采用温度和电压双闭环的方法控制锻件温度，温度和中频电压串联控制，温度闭环为外环，电压闭环为内环，控制框图如图图13感应加热温度控制系统外环根据给定控制温度Tg和反馈工件的温度Tr进行PI调节后，设定给定电压值Ug，内环根据Ug和中频反馈电压Ur5.42.5KHz∕250KW感应加热电源控制电路结构设计的2.5KHz∕250KW感应加热电源的控制电路是电流电压双闭环控制，采用电流为内环电压为外环的控制方式，如图14图142.5KHz∕250KW感应加热电源的控制电路图中Ug为给定电压，Uf为负载反馈电压，Ig为负载给定电流，If5.5过电流和过电压的保护电路电力电子半导体器件特点之一就是承受过电流和过电压的能力较差，一旦遇到故障几乎瞬间就烧坏。为了提高电力电子器件的可靠性，在留够一定的电压电流裕量外，还需采用一定的保护措施，过电压是用阻容元件吸收和消耗过电压的能量，或选用非线性元件限制过电压的幅度，用电子电