感應(yīng)加熱逆變電源設(shè)計

1、感應(yīng)加熱逆變電源設(shè)計摘要感應(yīng)加熱可用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等過程，已成為冶金、國防、機械加工等部門及船舶、飛機、汽車等制造業(yè)不可缺少的技術(shù)。此外 感應(yīng)加熱正不斷的進入人們的家庭生活中，例如電磁爐等都是依靠感應(yīng)加熱 原理工作的。感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢是高頻化、大容量化、智能化和綠色 化。目前的高頻感應(yīng)加熱電源頻率在幾百千赫左右技術(shù)比較成熟。本文以串聯(lián)半橋感應(yīng)加熱電源為研究對象，首先在介紹感應(yīng)加熱的原理 基礎(chǔ)上，闡述了感應(yīng)加熱電源的特點、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)其發(fā)展趨勢。其 次介紹了串聯(lián)全橋逆變電路與串聯(lián)半橋逆變電路的優(yōu)缺點，半橋串聯(lián)諧振逆變器具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易，有良好的經(jīng)濟效益等特點，故

2、此，分析了串 聯(lián)半橋逆變橋的工作原理。再次，在設(shè)計了一個串聯(lián)半橋逆變電路的基礎(chǔ)上， 對各個器件的具體電路參數(shù)進行計算，并合理選擇元器件。最后，在一臺半 橋串聯(lián)諧振電源上，通過改變整流濾波后的電壓，測試了橋臂電壓波形，并 對波形進行簡要分析，得出感應(yīng)加熱電源應(yīng)盡量避免空載等實驗結(jié)論。關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱；串聯(lián)諧振；半橋串聯(lián)諧振逆變器；IGBT ;A Design Of Induction Heating Power InverterAbstractIn ducti on heati ng can be used for metal smelt ing, diathermy, heat reatme

3、nt and welding process, the manufacturing sector has become an indispensable tech no logy in metallurgy, defe nse, machi ning and other departme nts and ships, airplanes, cars and so on. Besides induction heating is constantly entering peoples family life, such as induction cooker, etc. are relying

4、on the principle of in ducti on heati ng work. In ducti on heati ng power supply is the developme nt trend of high-freque ncy, high-capacity, in tellige nt and gree n. The curre nt high-freque ncy in duct ion heati ng power of about a few hun dred kilohertz freque ncy tech no logy is relatively matu

5、re.In this paper, the series half-bridge in duct ion heati ng power supply for the study, first prin ciples on the basis of in troducti on of in duct ion heati ng, in duct ion heating power supply elaborated characteristics, domestic development and should its development trend. Secondly, it introdu

6、ces the advantages and disadvantages of full-bridge inverter circuit in series with a series of half-bridge inv erter circuit, half-bridge res onant inv erter series has a simple structure, easy to con trol, good econo mic retur ns, etc. Therefore, the in verse an alysis of the half-bridge series va

7、riable work ing prin ciple of the bridge. Aga in, on the basis of a series of half-bridge inv erter circuit desig ned on the specific circuit parameters were calculated for each device, and a reas on able choice of comp onen ts. Fin ally, in a half-bridge series resonant power supply voltage by chan

8、ging the rectifier filter after testing the leg voltage waveform, and the waveform is a brief analysis, the induction heating power should avoid no-load and other experimental results.Keywords: in duct ion heati ng; series res onan ce; series res onant half-bridge inverter; IGBT ； waveforms目錄第一章概述1

9、1.1課題研究的背景1 1.2感應(yīng)加熱的基本原理2 1.3感應(yīng)加熱電源的特點 2 1.4國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀5 1.5感應(yīng)加熱的發(fā)展趨勢6第二章 半橋串聯(lián)諧振逆變器的主電路8J2.1全橋串聯(lián)諧振逆變電路82.2半橋串聯(lián)諧振逆變電路9艾.3半橋串聯(lián)逆變器工作原理10第三章 主電路參數(shù)計算與選取123.1原始數(shù)據(jù).173.2變壓器的設(shè)計173.3確定整流晶閘管的參數(shù)173.4 LC濾波器的設(shè)計173.5確定IGBT管參數(shù)18 3.5.1 額定電壓18 3.5.2 額定電流193.6半橋高頻電容的參數(shù)計算及選擇203.7計算感應(yīng)加熱線圈的電感及主電路諧振電容213.8本章小結(jié) 21第四章 實驗結(jié)果及波形

10、分析18 4.1實驗結(jié)果18 4.2實驗結(jié)論和小結(jié)26結(jié)論27參考文獻28致謝30第一章概述1.1課題研究的背景早在十九世紀(jì)初，人們就發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象：處于交變磁場的導(dǎo)體內(nèi) 會產(chǎn)生電流，從而引起導(dǎo)體發(fā)熱。但是，這種發(fā)熱長時間以來只是作為一種 損耗而被人們關(guān)注。十九世紀(jì)末，人們才開始試圖利用這種發(fā)熱，于是用于 產(chǎn)生這種發(fā)熱的設(shè)備 感應(yīng)加熱設(shè)備誕生了。感應(yīng)加熱主要用于金屬熔煉、焊接、燒結(jié)、鋼管焊縫、熱裝配、金屬熱 處理等領(lǐng)域。由于感應(yīng)加熱具有加熱速度較快、溫度容易控制、加熱效率高、 無需預(yù)熱、污染小、占地面積小、設(shè)備制造方便等諸多優(yōu)點，因此廣泛地應(yīng) 用于生產(chǎn)和生活當(dāng)中。它不僅可對金屬材料直接加熱

11、，而且也可對非金屬材 料進行間接式加熱，如單晶硅的加熱拉伸、半導(dǎo)體的提純、有機涂層的固化、 人造寶石的熔煉等。另外，在航空工業(yè)等需要精密焊接處理的領(lǐng)域中，感應(yīng) 加熱在對某些材料或零件進行特殊處理方面所起到的作用也是不可替代的。 如今，感應(yīng)加熱也開始滲透到了人們的日常生活中，如電磁爐等以感應(yīng)加熱 原理制造的電器，為人們的日常生活提供了極大地方便。感應(yīng)加熱電源是感應(yīng)加熱工藝實現(xiàn)的主要設(shè)備。它可以將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?高頻率的交流電，進而產(chǎn)生交變磁場，處于交變磁場的導(dǎo)體感應(yīng)出渦流，從 而使導(dǎo)體加熱。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，感應(yīng)加熱裝置的面貌也日新 月異，伴隨著MOSFE、IGBT等電力電子器件的相繼出

12、現(xiàn)，掀起了感應(yīng)加熱裝 置的革命，固態(tài)感應(yīng)加熱裝置已逐步取代電子管式感應(yīng)加熱裝置，在很多方 面得到較廣泛的應(yīng)用。感應(yīng)加熱電源主要由整流器、逆變器、負載及控制和保護電路組成，其 電路結(jié)構(gòu)如圖1. 1所示。整流器一般為三相不控整流或三相可控整流，它的 作用是將三相工頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電；然后經(jīng)過濾波器濾除雜波后送到逆 變器，逆變器將其轉(zhuǎn)換為負載所需頻率的交流電，以加熱工件；整流控制電 路和逆變控制電路分別為整流器和逆變器上的開關(guān)器件提供所需的脈沖信圖1.1感應(yīng)加熱電源基本結(jié)構(gòu)框圖111.2感應(yīng)加熱的基本原理根據(jù)電磁感應(yīng)定律，處于交變磁場中的導(dǎo)體兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當(dāng) 導(dǎo)體為閉合回路時，導(dǎo)體中會有電

13、流通過。感應(yīng)加熱的基本原理是根據(jù)電磁 感應(yīng)定律，利用被加熱金屬工件中感生的渦電流對金屬工件進行加熱如圖1. 2所示，當(dāng)交流電通過感應(yīng)線圈f時，在其內(nèi)部會形成一個與f同頻率的交變磁通西，處于線圈內(nèi)的金屬工件兩端會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而產(chǎn)生渦流使金屬工件材料發(fā)熱。假定纏繞在會屬工件上的線圈匝數(shù)為N,則根據(jù)麥克斯韋爾（MAXWELL電磁方程式，可得出感應(yīng)電動勢 e為：2晉dt式中p金屬工件的電阻率（Q /cm）;卩金屬工件的相對磁導(dǎo)率，對于非磁性材料來說，卩=1;金屬工件的電流頻率（Hz）如果磁通是交變得，設(shè) =口 Sin沁，則e = -N、 =(1 -2)rfr有效值為：E=4.44 fN2 M感應(yīng)

14、電勢E在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流 使工件內(nèi)部開始加熱， 其焦耳熱為:2Q =0.24l2Rt式中：I2感應(yīng)電流有效值（安 ），R工件電阻（歐），t-時間（秒）。這就是感應(yīng)加熱的原理。感應(yīng)加熱與其它的加熱方式，如燃氣加熱，電阻爐加熱等不同，它把電能直接送工件內(nèi)部變成熱能，將工件加熱。而其他 的加熱方式是先加熱工件表面，然后把熱再傳導(dǎo)加熱內(nèi)部。金屬中產(chǎn)生的功率為：P = EI cos=4.44fN2OM cos感應(yīng)電勢和發(fā)熱功率不僅與頻率和磁場強弱有關(guān)，而且與工件的截面大小、截面形狀等有關(guān)，還與工件本身的導(dǎo)電、導(dǎo)磁特性等有關(guān)。在感應(yīng)加熱設(shè)備中存在著三個效應(yīng)集膚效應(yīng)、近鄰效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。集膚效應(yīng)：當(dāng)交變電

15、流通過導(dǎo)體時，沿導(dǎo)體截面上的電流分布式部均勻 的，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表面層，這種電流集聚的現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。近鄰效應(yīng)一一當(dāng)兩根通有交流電的導(dǎo)體靠得很近時，在互相影響下，兩 導(dǎo)體中的電流要重新分布。當(dāng)兩根導(dǎo)體流的電流是反方向時，最大電流密度 出現(xiàn)在導(dǎo)體內(nèi)側(cè)；當(dāng)兩根導(dǎo)體流的電流是同方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導(dǎo) 體外側(cè)，這種現(xiàn)象稱為近鄰效應(yīng)。圓環(huán)效應(yīng)：若將交流電通過圓環(huán)形線圈時，最大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo) 體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應(yīng)。感應(yīng)加熱電源就是綜合利用這三種效應(yīng)的設(shè)備。在感應(yīng)線圈中置以金屬 工件，感應(yīng)線圈兩端加上交流電壓，產(chǎn)生交流電流I1，在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流12。此兩電流方向相反，情

16、況與兩根平行母線流過方向相反的電流相似。 當(dāng)電流Ii和感應(yīng)電流 J相互靠攏時，線圈和工件表現(xiàn)出鄰近效應(yīng)，結(jié)果，電 流I 1集聚在線圈的內(nèi)側(cè)表面，電流I 2聚集在工件的外表面。這時線圈本身表現(xiàn)為圓環(huán)效應(yīng)，而工件本身表現(xiàn)為集膚效應(yīng)。交變磁場在導(dǎo)體中感應(yīng)出的電流亦稱為渦流。工件中產(chǎn)生的渦流由于集 膚效應(yīng)，沿橫截面由表面至中心按指數(shù)規(guī)律衰減，工程上規(guī)定，當(dāng)渦流強度 從表面向內(nèi)層降低到其數(shù)值等于最大渦流強度的1/e（即36.8% ），該處到表面的距離稱為電流透入深度。由于渦流所產(chǎn)生的熱量與渦流的平方成正比，因此由表面至芯部熱量下降速度要比渦流下降速度快的多，可以認為熱量 （8590%）集中在厚度為的薄層

17、中。透入深度由下式確定：2 p/ ugjf 叮 p/ n 01山 f （mm）式中：p 工件電阻率（ Q ?m ）,卩。真空磁導(dǎo)率 4nx 10（H/m）.卩 工件磁導(dǎo)率（H/m ）, 卩一一工件相對磁導(dǎo)率，s 角頻率（rad/s ），f 頻率（HZ）。將卩。和n的數(shù)值代入，即可得公式： = 50300； p/ 山 f (mm)從上式可以看出，當(dāng)材料電阻率、相對磁導(dǎo)率給定后，透入深度僅與 頻率f平方根成反比，此工件的加熱厚度可以方便的通過調(diào)節(jié)頻率來加以控 制。頻率越高，工件的加熱厚度就越薄。這種性質(zhì)在工業(yè)金屬熱處理方面獲 得了廣泛的應(yīng)用21。1.3感應(yīng)加熱電源的特點自工業(yè)上開始應(yīng)用感應(yīng)加熱電源

18、以來，在這期間，無論是感應(yīng)加熱的理 論還是感應(yīng)加熱的裝置都得到了很大的發(fā)展。感應(yīng)加熱的應(yīng)用領(lǐng)域亦隨之?dāng)U 大，其應(yīng)用范圍也越來越廣。究其原因，主要是感應(yīng)加熱具有如下一些特點:(1) 加熱溫度高，而且是非接觸式加熱；(2) 加熱效率高，可以節(jié)能；(3) 加熱速度快，被加熱物的表面氧化少；(4) 溫度容易控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，省能；(5) 可以局部加熱，產(chǎn)品質(zhì)量好，節(jié)能；(6) 容易實現(xiàn)自動控制，省力；(7) 作業(yè)環(huán)境好，幾乎沒有熱，噪聲和灰塵；(8) 作業(yè)占地面積少，生產(chǎn)效率高；(9) 能加熱形狀復(fù)雜的工件；（10）工件容易加熱均勻，產(chǎn)品質(zhì)量好此外，感應(yīng)加熱電源由于采用了新型電路元件，其緩沖電路，驅(qū)

19、動電路 等也得到了空前的改善，此外，還有對環(huán)境污染小等優(yōu)點。基于上述分析， 感應(yīng)加熱電源有著良好的發(fā)展前景。1.4國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀感應(yīng)加熱技術(shù)從誕生至今，經(jīng)過了近百年的發(fā)展，取得了令人注目的成 果，尤其是六十年代以后，固態(tài)電力電子技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展，使感應(yīng)加熱技 術(shù)與現(xiàn)代化生產(chǎn)的許多方面密切相關(guān)，發(fā)揮了很大的生產(chǎn)力的作用。因此世 界各國十分關(guān)注感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展，并投入相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟支持和技術(shù)力量。目前，在低頻感應(yīng)加熱領(lǐng)域普遍采用傳統(tǒng)的工頻感應(yīng)爐。國外的工頻感應(yīng)加熱裝置可達數(shù)百兆瓦，用于數(shù)十噸的大型工件透熱或數(shù)百噸的食用水保 溫。預(yù)計短期內(nèi)，以固態(tài)器件構(gòu)成的低頻感應(yīng)加熱電源在功率、價格、可靠 性方面

20、還很難與簡單可靠的工頻感應(yīng)爐競爭，雖然其效率、體積和性能均大 于工頻爐。在中頻（150Hz20kHz）范圍內(nèi)，晶閘管感應(yīng)加熱裝置己經(jīng)完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機和電磁倍頻器，國外的裝置容量己經(jīng)達到數(shù)十兆瓦。在超音頻（20kHz100kHz范圍內(nèi)，IGBT的應(yīng)用占主導(dǎo)地位。1994年日本采用IGBT研制出了 1200kW/50kHz電流型感應(yīng)加熱電源，逆變器工作于零點壓開 關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)了微機控制。1993年西班牙也報道 T30-600kW/50-100kHz的IGBT 電流型感應(yīng)加熱電源。歐美地區(qū)其他一些國家的系列化超音頻感應(yīng)加熱電源 的最大容量也達數(shù)百千瓦。在高頻 （100kHz以上）領(lǐng)域，國外

21、己從傳統(tǒng)的電子 管電源過渡到晶體管全固態(tài)電源。以日本為例，其系列化的焊管用電子振蕩 器的水平為51200kW/100500kHz，而采用SIT的固態(tài)高頻感應(yīng)加熱電源的 水平可達400kW/4OOkHz歐美各國采用 MOSFE的高頻感應(yīng)加熱電源的容量也 在突飛猛進例如，西班牙采 MOSFE的電流型感應(yīng)加熱電源制造水平可達 600kW/400kHz;比利時InductoElphiac 公司生產(chǎn)的電流型 MOSFE感應(yīng)加熱電 源水平可達1MW/15- 600kHz。我國感應(yīng)加熱技術(shù)從50年代開始就被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，60年代末，開始研制晶閘管中頻電源，浙江大學(xué)首先研制成功國內(nèi)第一臺晶閘管 中頻

22、電源，到目前己經(jīng)形成了一定范圍的系列化產(chǎn)品，并開拓了較為廣闊的 應(yīng)用市場。在中頻領(lǐng)域，晶閘管中頻電源裝置基本上取代了旋轉(zhuǎn)發(fā)電機，已 經(jīng)形成了 500800 Hz/1005000kW的系列化產(chǎn)品。但國產(chǎn)中頻電源大多采 用并聯(lián)諧振逆變器結(jié)構(gòu)，因此在開發(fā)更大容量的并聯(lián)逆變中頻感應(yīng)加熱電源 的同時，盡快研制出結(jié)構(gòu)簡單，易于頻繁啟動的串聯(lián)諧振逆變中頻電源也是 中頻領(lǐng)域有待解決的問題。在超音頻領(lǐng)域的研究工作八十年代己經(jīng)開始。浙 江大學(xué)采用晶閘管倍頻電路研制了50kW/50kHz的超音頻電源，采用時間分隔電路研制了 30kHz的晶閘管超音頻電源。從九十年代開始，浙江大學(xué)開始對IGBT超音頻電源進行研制，19

23、96年研制開發(fā)的 50kW/50kH,的IGBT電流型并 聯(lián)逆變感應(yīng)加熱電源己經(jīng)通過了浙江省技術(shù)鑒定，目前的研制水平為 200kW/50kflz。另外，浙江大學(xué)在 90年代己經(jīng)研制成功 30kW/300kHz MQSFET 高頻感應(yīng)加熱電源，并己成功應(yīng)用于小型刀具的表面熱處理和飛機渦輪葉片 的熱應(yīng)力考核試驗中?？傮w上來說，國內(nèi)目前的研制水平與國外的水平相比 還有一定的差距31。1.5影響感應(yīng)加熱電源發(fā)展的主要因素(1) 高頻化 目前，感應(yīng)加熱電源在中頻段主要采用晶閘管，超音頻段 主要是IGBT，而高頻段，隨著 MOSFET和1GBT性能不斷改進，SIT將失去存 在價值。感應(yīng)加熱電源諧振逆變器可

24、實現(xiàn)軟開關(guān)，但由于通常功率較大，對功率器件，無源器件，電纜，布線，接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是 高頻電源。因此，實現(xiàn)感應(yīng)加熱電源高頻化仍有許多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需進一步 探討。(2) 大容量化從電路的角度，感應(yīng)加熱電源的大容量化技術(shù)分兩類一是器件的串并聯(lián)；二是多臺電源的串并聯(lián)。在器件的串并聯(lián)方式中，必須 處理好串聯(lián)器件的均壓問題和并聯(lián)器件均流問題，由于器件制造工藝和參數(shù) 的離散性，限制了器件的串并聯(lián)數(shù)目，且裝置的可靠性和串并聯(lián)數(shù)目成反比。多臺電源的串并聯(lián)技術(shù)是在器件串并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進一步大容量化的有效手段，借助于可靠的電源串并聯(lián)技術(shù)，在單機容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可簡單地通過串并聯(lián)運行方式得到大容量

25、裝置，每臺單機只是裝置的一個單元(或一個模塊)。串聯(lián)逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源，當(dāng)兩電壓源并聯(lián)時，相互 間的幅值，相位和頻率不同或波動時將導(dǎo)致很大的環(huán)流，以致逆變器件的電 流產(chǎn)生嚴(yán)重不均，因此，串聯(lián)逆變器存在并機擴容困難；而對并聯(lián)逆變器， 逆變器輸入端的直流大電抗器可充當(dāng)各并聯(lián)器之間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸 入端的AC/DC或DC/DC環(huán)節(jié)有足夠的時問來糾正直流電流的偏差，達到多機并 聯(lián)擴容。(3) 負載匹配感應(yīng)加熱電源多應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，其運行工況比較復(fù)雜，它與鋼鐵，冶金和金屬熱處理行業(yè)具有十分密切的聯(lián)系，它的負載對象各式各樣，而電源逆變器與負載是一有機的整體，負載直接影響到電源的運 行

26、效率和可靠性。對焊接，表而熱處理等負載，一般采用匹配變壓器連接電 源和負載感應(yīng)器，對高頻，超音頻電源用的匹配變壓器要求漏抗很小，如何 實現(xiàn)匹配變壓器的高能輸入效率，從磁性材料選擇到繞組的設(shè)計己成為一重 要課題，另外，從電路拓撲上負載結(jié)構(gòu)以三個無源元件代替原來的二個無源 元件，以代替匹配變壓器實現(xiàn)高效， 低成本隔離匹配。(4) 智能化控制隨著感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線自動化控制程度及對電源高可靠性要求提高，感應(yīng)加熱電源正向智能化控制方向發(fā)展。具有計算機智能 接口，遠程控制，故障自動診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。(5) 高功率因數(shù)，低諧波電源由于感應(yīng)加熱用電源一般功率都很大，目前對它的功

27、率因數(shù)，諧波污染指標(biāo)還沒有具體要求，但隨著減少電網(wǎng)無功及諧波污染要求的提高， 具有高功率因數(shù)(采用大功率三相功率因數(shù)校正技術(shù))低諧波污染電源必將成為今后發(fā)展趨勢。(6) 應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大當(dāng)今高新技術(shù)飛速發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，感應(yīng)加熱是一個重要的研發(fā)和加工手段，因此感應(yīng)加熱電源是某些高新技術(shù)研發(fā)中心不可缺少的裝備。例如在德國Max Planek研究所，C60納內(nèi)米材料的研究中就使用了 400kHz/60kW的感應(yīng)加熱電源?？梢钥隙ǖ恼f，隨著 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源在高新技術(shù)領(lǐng)域會有更廣泛的應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，對感應(yīng)加熱電源的可靠性和可控性要求更高。如何設(shè)計制造大功率超 高頻高性能的

28、感應(yīng)加熱電源，是電力電子科技工作者的重要課題41第二章 半橋串聯(lián)諧振逆變電源的主電路2.1全橋串聯(lián)諧振逆變電路串聯(lián)諧振逆變電路分為全橋串聯(lián)諧振逆變電路和半橋串聯(lián)諧振逆變電路兩類，首先對全橋串聯(lián)諧振逆變器進行介紹，其電路結(jié)構(gòu)如圖2. 1所示圖2.1全橋串聯(lián)逆變電路串聯(lián)型逆變電路根據(jù)負載工作狀態(tài)的不同可以分為三種工作模式：容性狀態(tài)、感性狀態(tài)和諧振狀態(tài)，圖2-2(a)、(b)、(c)分別為三種狀念下負載電壓和電流的相位關(guān)系，其中UH I H分別為負載電壓、負載電流的波形，為負載電壓與負載電流之間的相位角。如圖2. 2(a)所示，當(dāng)負載工作于容性狀態(tài)時，負載電流超前負載電壓口 電角度，在換流過程中，負

29、載電流由負變正時，電壓仍為負，導(dǎo)致反并聯(lián)二極管短時通過負載電流，由于二極管的反向恢復(fù)作用，使逆變器出現(xiàn)短時橋 臂直通現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的大電流將損壞開關(guān)管IGBT。如圖2. 2(b)所示，當(dāng)負載工作于感性狀態(tài)時，負載電壓超前負載電流電角度，電流換向時，電壓已換為正感性狀態(tài)下實現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開 通。如圖2. 2(c)所示，當(dāng)負載工作在諧振狀態(tài)時，負載電壓、電流同時換向，開關(guān)管零電流開通和關(guān)斷，此種狀念下不存在二極管的反向恢復(fù)問題，開關(guān) 損耗最小，但這種理想的換流點很難實現(xiàn)。叭2.2半橋串聯(lián)諧振逆變電路主電路圖如下圖2.3半橋串聯(lián)諧振逆變電路如圖2.3所示，該電路可分為三部分：逆變主電路主要由三部

30、分組成：輸 入電路、逆變橋、輸出電路，其中輸入整流器用于將電網(wǎng)的三相工頻交流電 變?yōu)槊}動直流電，可用整流模塊（組件），也可用單個的硅二極管組成橋式整流器；輸入濾波器對三相脈動直流進行濾波，使輸出電壓波形近似平直；高 頻電容與IGBT組成逆變橋壁；逆變器將濾波過后的直流波形變成方波交流電 壓，主電路諧振電容儲存與提供能量，以穩(wěn)定橋壁電壓；感應(yīng)線圈接受能量， 將電能轉(zhuǎn)化為熱能。半橋串聯(lián)諧振逆變器主要優(yōu)點有：半橋串聯(lián)諧振逆變器相當(dāng)于接有一個 2: 1變壓器的全橋逆變器，因此一般情況下可省略匹配變壓器。匹配變壓器 的成本占整臺感應(yīng)加熱電源設(shè)備總成本的很大比例，因此采用半橋串聯(lián)諧振 逆變器可大大提高感應(yīng)

31、加熱電源設(shè)備的經(jīng)濟效益，同時還節(jié)省了空間，可以 使感應(yīng)加熱電源設(shè)備做的更小、更精致；半橋串聯(lián)諧振逆變器開關(guān)管上的輸 入電壓低，減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力；相比于全橋諧振逆變器，半橋串聯(lián)諧 振逆變器還具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易等優(yōu)點。半橋串聯(lián)諧振逆變器也存在一些缺點，如：為了擴大容量，需要采用多個開關(guān)管IGBT并聯(lián)連接，但是由于開關(guān)管的均流作用，限制了并聯(lián)的IGBT的個數(shù)；而且因為不接匹配變壓器，逆變器與負載之間沒有電氣隔離，因而會 增加設(shè)計保護電路的難度。2.3半橋串聯(lián)逆變器工作原理半橋串聯(lián)逆變器工作原理示意圖如圖2.4所示:C.lc.c=(a)開關(guān)管S1導(dǎo)通(b)二極管D2續(xù)流(c)開關(guān)管S2導(dǎo)通(

32、d)二極管D1續(xù)流圖2.4半橋串聯(lián)諧振逆變器的工作狀態(tài)分析示意圖 當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通時，整流側(cè)電源和諧振電容Cl(在前一周期已充電)分兩路同時給負載供電，一路為 S1-L-R-C2-S1回路，另一路為 C1-S1-L-R-C1回路，如圖2. 5(a)所示；(2) 當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷時，由于負載處于小感性狀態(tài)，負載電流通過二極管D2形成L-R-C2-D2-L回路續(xù)流，如圖2-5(b)所示；(3) 當(dāng)開關(guān)管S2導(dǎo)通時，整流側(cè)電源和諧振電容C2分兩路同時給負載反方向供電，一路為S2-C1-R-L-S2回路，另一路為C2-R-L-S2-C2回路，如圖2 5(c)Dl形成所示：(4) 當(dāng)開關(guān)管S2關(guān)斷時，由

33、于負載電感的作用，通過二極管L-D1-C1-R-L回路續(xù)流，如圖2. 5(d)所示；后一個周期繼續(xù)重復(fù)這一過程。第三章主電路參數(shù)計算與選取3.1.原始數(shù)據(jù)主電路圖如下:圖2.3輸入電壓：交流 3-380V，輸入電壓頻率：50赫茲，額定輸出功率：P=30KVy最高工作頻率=20KHz,Ld為濾波電感，Cd1、Cd2為橋臂電容，L為負載電感，C為諧振補償電容3.2變壓器的設(shè)計輸入三相工頻電壓經(jīng)整流后最大電壓Uo=380X 2 =537V(2-1)變壓器原邊電壓U=537 X Q(2-2)5Q為品質(zhì)因數(shù)，工程上常把串聯(lián)諧振時的電容或電感上的電壓與總電壓之比叫 品質(zhì)因數(shù)，對于感應(yīng)加熱電源一般取3,得出

34、 U 1= 537 X 3= 1611V副邊電壓：U 2取安全電壓 36V,則匝數(shù)比：K=N i/N2=U/U2=1611/36=44.75 45 (2-3)又對于感應(yīng)加熱電源變壓器的副邊匝數(shù)一般為1匝，即N2 = 1,則 N i=M X K = 45(2-4)又輸出功率 P2 = 30KW,可得副邊電流：312 =P2/U 2=30 X 10 W/36V 833.4A(2-5)由此得出原邊電流：I 1 = I 2/K = 833.4/45 = 18.52A(2-6)取變壓器的效率 n為1 ,變壓器一次、二次的總功率：Pt = P 1+P2 = P 1+ P1/ n =60KW(2-7)P1為

35、原邊輸入功率，P2為副邊的輸出功率。導(dǎo)線的截面積由電流密度j和電流有效值I決定，原、副邊導(dǎo)線的截面積分別為：j電流平均密度，根據(jù)工作頻率f，考慮到集膚效應(yīng)，根據(jù)變壓器的散熱條件，允許的工作溫升，選擇適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線電流密度j,對于自然冷卻的高2 2頻變壓器，最好不超過3A/mm ,若有風(fēng)冷可選擇j = 3.56A/mm。本次設(shè)計中f=1KHz,允許溫升不超過 100 C,采取風(fēng)冷，所以取 j = 6A/mm2。原邊導(dǎo)線截面積Fi=I i/j=18.52/6=3.08mm副邊導(dǎo)線截面積F2=l2/j=833.4/6=139.2mm3.3確定整流晶閘管的參數(shù)整流后電流：I=P/ Uo=30KW/537V

36、=55.8A(2-11)取電流安全系數(shù)Kiz=1.37,則整流晶閘管的額定電流：I ed=Kiz X I/3=1.37 X 55.8/3 50.8A(2-12)確定額定電壓 Ued取安全系數(shù)Kuz=1.48，則：Ued=KuzX U0=1.48 X 537=794.5V(2-13)查下表可選擇KP20.3.4 LC濾波器的設(shè)計在本設(shè)計中濾波器我們選用的是一個濾波電感。沒有選用電容，而是在 橋臂上加兩個電容 Cd1、Cd2在電路中。在實際電路中，濾波電感很難做準(zhǔn)確 的計算，一般根據(jù)經(jīng)驗值選用，本論文設(shè)計的30KW感應(yīng)加熱電源，可選用電感 Ld=1.64mH。3.5確定IGBT管參數(shù)IGBT是一種

37、新的復(fù)合功率器件、它集雙極型功率晶體管和功率MO SFET的優(yōu)點于一體，具有電壓型控制，輸入阻抗大、驅(qū)動功率小 ，控制電路簡單，開 關(guān)損耗小，通斷速度快，工作頻率較高，元件容量大等優(yōu)點。在逆變電路中IGBT 的作用是通過它的周期性開和關(guān)作用，把直流電壓變換成方波電壓，它是逆 變電源中的關(guān)鍵核心元件。由于它比較脆弱，對它的設(shè)計、選擇直接關(guān)系到 整個電源的安全、可靠。所以，計算參數(shù)時留有的富裕量較大。表2.5可控晶閘管主要額定值、# ft通誨平均定iDibM!1稅奔MA*血it電 均 平 電 耳電X.發(fā)電咗上舟卒進 列ItJ f ”T *翼I w| du/dtdr/dff TJir 、AVmArm

38、AVV/P5A/fis| A序號1234567AKP112QO-*30ftO1I0Q3302,5韌KP55moaouo11005TD3090KPI0101100A IGO30190KP2J201003000110051003.S$QasaSO袖21008ISO30560KP50闘1 知2100aisoGE3030940KPigo100100SiiOQ43151Q25G100501880KPtoo200伽3臨10J3000115203C0100au5G50KP40-0400100300021W3005100sc7540KP504B00alie&100to6001003000US510010011

39、160KPsqqaoo1(/09115gm魏5100100MS-20KP10M100010115H IIDO100108*13.5.1額定電壓輸入電網(wǎng)電壓整流濾波后，考慮網(wǎng)壓波動10%,直流輸出電壓最大值:Uo = . 2 UX 1.1 X a =380 X 2 X 1.1 X 1.1=650V( 2-14 )式中Uo為IGBT承受的穩(wěn)態(tài)最大電壓；U為電網(wǎng)電壓有效值 380V; 1.1為波動系數(shù)；a為安全系數(shù)，取1.1 o關(guān)斷時的峰值電壓U ceps =(Uo X 1.15+150) X a=(650 X 1.15+150V) X 1.1=987.25V式中UCeps為IGBT關(guān)斷時的峰值電壓

40、；a為安全系數(shù)，取1.1 ; 1.15為過電壓系數(shù)；150為電感引起的尖峰電壓。3.5.2額定電流每只IGBT管上的平均電流I = I1I 1是變壓器一次側(cè)電流，在上面我們已得出I 1 =18.52A，即I = 18.52A額定電流I e是IGBT手冊給出的在結(jié)溫 25C條件下的額定值。Ics=I X 1.4=18.52 X 1.4=25.92 A式中I cs為IGBT額定電流計算值；I為每只IGBT管上的平均電流；1.4為I e安 全系數(shù)。綜上所述，所選IGBT管額定電壓1200V，額定電流75A。可以選用日本富 士電機第四代 S系列中2MB175S-120型o表2.6富士電機P系列IGBT

41、參數(shù)表ZZ.宮士電機P系列K3BTn 14（X）伏*藝孚安金工怖區(qū)* Ictfl在Tb甘0C時標(biāo)小1你呸祁2MBI50P-14050A1,400V2 in 12902MBF75P-14O75A1,400V2 in 13952MBI10QPC4Q10CA1.400V2 in 14652MBI150PC40150 A1.400V2 in 16502MBI200PB-14C200A1.400V2 in 17802MBI300P-14D300A1,400V2 in 11.1&51MBI600PX-140600A1 400V1 in T1.5251MBIG00PX-120600A1.200V1 m 11

42、.3253.6半橋高頻電容的參數(shù)計算及選擇半橋轉(zhuǎn)換電路上的兩個高頻電容是對稱的，其耐壓峰值Up和電容量的計算可用下式：U p=Ud/2+ U+U(2-15)C=Ilton/4 U(2-16)式中Ud-輸入直流電壓幅值（V） U -電容兩端電壓變化值,這里允許其電壓波動10%,則厶 U=10%X ( Ud/2 ) =10%X 537/2 27VUl-電感感應(yīng)附加電壓H=20%X( Ud /2 ) =20%X 537/2 54Vton功率開關(guān)管導(dǎo)通時間（S） o所以，把已知數(shù)據(jù)代入可求得Up= 537/2+27+54 351V_6 UP 取 540V, Cdi、Cd2 取Cd1= Cd2= 18.

43、52 X 25 X 10 /(4 X 27) = 4.29 卩 F為了其工作安全，要留有一定的安全裕量，所以5卩F。3.7計算感應(yīng)加熱線圈的電感及主電路諧振電容感應(yīng)加熱線圈的電感L 3=卩X N2 X S/I取感應(yīng)加熱線圈匝數(shù) N=3,面積S=n (5/2) 2cmi，磁路長度l=3cm在這 里,感應(yīng)加熱線圈即使在加熱工件放入后，也并沒有形成磁回路， 所以取卩為真空相對磁導(dǎo)率。得出 L=卩 X NfX S/I=2.22 X 10-6 H(2-17 )與之對應(yīng)的原邊電感為 L i=N2L3Li=4.5 X 10-3H由此可得出諧振電容 C = 1/(4n 2f 2L) =0.014 X 10-6

44、F3.8本章小結(jié)經(jīng)過本章的計算，基本確定了主電路的參數(shù)，變壓器的參數(shù)；并以此可 以選定各個元器件的型號。在計算過程中，加深了對主電路的認識和對所學(xué) 知識的理解。同時，也認識到自己所學(xué)知識的掌握的深度還不夠，沒有能對 主電路做更深一步的分析。第四章實驗結(jié)果及波形分析4.1實驗結(jié)果在本次設(shè)計過程中，我們采用一補償電容實測值C = 0.193卩F,勵磁電感實測值L = 0.39mH的半橋串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源，通過調(diào)節(jié)可控晶閘管改 變整流濾波后的電壓，一共測試了五組波形。分別如圖4.1 ,圖4.2，圖4.3 ,圖 4.4，圖 4.5。圖4.1中A表示逆變之后橋臂電壓波形，方波，峰值為100V,f=12

45、.50KHz。B表示輸出電流波形，正弦波，峰值為47A。從圖可以看出電壓和電流波形同相位，表明電路工作在諧振狀態(tài)或準(zhǔn)諧振狀態(tài)。rn125DkH2 28 +47rsA-100 UTrig: ATB50 R圖4.1橋臂電壓和電流波形（100V ）jXTKTLnjWn鮎壬HO U 50|i* TiJg： HTB 50 H圖4.2橋臂電壓和電流波形（200V ）圖4.2中A表示逆變之后橋臂電壓波形， 方波，峰值為200V,f=12.89KHz B表示輸出電流波形，正弦波，峰值為91A。比較圖4.1和4.2可以看出，當(dāng)橋臂電壓變化時，頻率也發(fā)生了變化，這說明電路元件的性能發(fā)生了改變。電壓和電流仍是同相位

46、，表明電路工作在諧振狀態(tài)或準(zhǔn)諧振狀態(tài)。圖4.3中A仍表示逆變之后橋臂電壓波形，方波，峰值為100V， f=12.64KHz。B表示變壓器副邊電壓，峰值為16V。從圖可以看出，橋臂電壓相位超前副邊電壓相位90 。圖4.3橋臂電壓和副邊電壓波形 （100V ）圖4.4中A仍表示逆變之后橋臂電壓波形，方波，峰值為200V, f=12.92KHz。B也表示變壓器副邊電壓，峰值為 31V。從圖可以看出，橋臂電 壓相位超前副邊電壓相位90 。圖4.4橋臂電壓和副邊電壓波形（200V）圖4.5中A仍表示逆變之后橋臂電壓波形，方波，峰值為50V，f=12.68KHz，B表示原邊電感電壓，峰值為 180V。由圖

47、可以驗證在原邊電感 電壓與橋臂電壓之間存在品質(zhì)因數(shù)Q=180/50=3.6,且可以看出原邊電壓滯后于橋臂電壓圖4.5原邊電感電壓與橋臂電壓波形4.2實驗結(jié)論和小結(jié)根據(jù)實驗結(jié)果，可以看出所采用的感應(yīng)加熱電源可以達到預(yù)期的工作要 求。（1）在空載狀態(tài)下，由于感應(yīng)線圈的電感很小，導(dǎo)致電路的頻率很高， 加上在空載狀態(tài)，負載的等效電阻小，因而回路的電流很大，基于這個原因， 感應(yīng)加熱電源應(yīng)盡量避免在空載狀態(tài)。（2）在正常工作狀態(tài)下，回路的頻率降低，可以很好加熱工件。（3）加熱完成后，工件的溫度升高，失磁，因而感應(yīng)加熱線圈處電感降 低，頻率又升高；加上等效電阻降低，導(dǎo)致電流升高。所以在加熱完成后應(yīng)及 時斷電。經(jīng)過實驗，加深了對感應(yīng)加熱電源的認識，充實了畢業(yè)設(shè)計的實踐內(nèi)容結(jié)論本文主要是對感應(yīng)加熱逆變電源主電路進行設(shè)計，并在樣機上進行波形 測試并分析，得出以下結(jié)論。1. 本設(shè)計對串聯(lián)半橋逆變電路與串聯(lián)全橋逆變電路進行分析，得出了串 聯(lián)半橋逆變電路具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易；開關(guān)