大功率商用電磁加熱系統(tǒng)設(shè)計計算書

1、22大功率商用電磁加熱系統(tǒng)設(shè)計報告1電磁加熱系統(tǒng)原理與特點當線圈流過高頻交變電流時會在其周圍產(chǎn)生交變磁場，如果該磁場靠近金屬表面，則在金屬中能感應出漩渦狀的電流， 簡稱渦流。渦流的大小與金屬材料的 導電性、導磁性、幾何尺寸有關(guān)。渦流本身也會產(chǎn)生磁場，其強度取決于渦流的 大小，其方向與線圈電流磁場相反，因而抵消部分原磁場，它與線圈磁場疊加后P、形成線圈的交流阻抗，導致線圈的電感量發(fā)生變化(減小)。這些渦流消耗電能， 在感應加熱裝置中，利用渦流可對金屬進行加熱熱。渦流的大小與金屬的電阻率 磁導率卩、厚度h，金屬與線圈的距離，激勵電流角頻率3等參數(shù)有關(guān)。超音頻和高頻工業(yè)上把感應加熱依頻率分為四種：工

2、頻(50 Hz);中頻(0.5 Hz8 kHz);超 音頻(20Hz60kHz);高頻(60Hz600kHz).工頻交流電直接由配電變壓器提供； 中頻交流電由三相電動機帶動中頻發(fā)電機或用可控硅逆變器產(chǎn)生； 交流電由大功率電子管振蕩器產(chǎn)生電磁感應加熱如圖1所 示。高頻電磁感應加熱方法是 利用電磁感應在被加熱體內(nèi) 產(chǎn)生的渦流，對被加熱體進行 渦流加熱。將被加熱體看成無 數(shù)個同心圓狀的電流環(huán)網(wǎng)路， 當通過被加熱體線圈的磁通 增加時，就產(chǎn)生使它減小的方 向的感生電流；當通過線圈的 磁通減小時，就產(chǎn)生使它增加 的方向的感生電流，該電流稱 為渦流。渦流的計算公式為：Jd m(A/m2)(1)為加熱2 r

3、dt式中：J為以r為半徑的圓內(nèi)交變磁通在加熱體表面形成的渦流;體金屬的導電率；m為半徑r圓內(nèi)的磁通。將被加熱體和電磁感應加熱線圈結(jié)合在一起，中問留有 24 mm勺間隙，電 磁感應加熱線圈通過高頻交變電流，便相當于在電磁感應加熱線圈和被加熱體之 間形成無數(shù)個小交變磁場，這些小磁場的磁通變化，在被加熱體表面產(chǎn)生渦流， 渦流的能量轉(zhuǎn)化為熱能，達到加熱的目的。感應加熱是利用電流通過線圈產(chǎn)生交變磁場，當磁場內(nèi)磁力線通過鍋局部 時，磁力線被切割而產(chǎn)生無數(shù)小渦流，使鍋局部瞬間迅速發(fā)熱。由于“集膚效應”， 渦流分布高度集中于鍋表面，而且隨距表面的距離增大而急劇下降。 設(shè)鍋表面的感應電流強度為I。，沿感應透入深

4、度方向，距離表面x處的感應電流強度為l(x) loe x/，渦流的理論透入深度為(2)式中 為電阻率(10 8 mm) ； f為頻率(Hz)； 為導磁率(410 7T/A)實際應用中規(guī)定l(x)降至表面渦流強度的1/e處的深度為“電流透入深度”,經(jīng) 計算證明，86. 5的熱量是發(fā)生在深度為的薄層內(nèi)。鋼鐵材料在感應加熱過程中， 隨溫度的上升而增大， 的大小在材料失去 磁性前基本不變，而達到居里點溫度(鐵為770 C,中碳鋼724 C)以上鋼材就失去 磁性，急劇下降為真空導磁率，即 1。材料在失磁前的渦流透入深度稱為“冷態(tài)的渦流透入深度” 冷。而隨著材料溫度的上升，會導致 增大和 下降，使 渦流分

5、布平緩，透入深度增大?？紤]一塊厚為h，電阻率為 ，半徑為a的金屬圓板，置于磁感應強度B、 隨時間交變的磁場中，為了計算熱功率，沿著電流方向?qū)⒔饘賵A板分割成若干個 寬度為dr、周長為2 r，厚度為h的金屬薄筒，任意一個薄筒的感生電動勢為d dt2 dB r dt(3)薄簡的電阻為R2 r h dr(4)所以薄筒的瞬時熱功率為dp2hr3 drdB(5)R2dt整塊金屬圓板的渦流的瞬時熱功率為Pa0dPha482dBdt(6)dB 設(shè) B B0 si nt，貝UB0 cos t，dt渦流在一個周期內(nèi)的平均熱功率為一 1 .丄ha4 2 2 1 r 2h 2 2 4p pdtB0cos tdtB0

6、a(7)T080 T 0160由上式可見，若要得到較大的熱功率輸出，必須選擇高頻交變的電磁場，產(chǎn) 生較大的磁感應強度，且金屬的電阻率要較小。由于感應器的工作電流很大且頻率很高， 在設(shè)計和應用時， 必須考慮電磁感 應的三個基本效應：集膚效應、鄰近效應和圓環(huán)效應。集膚效應 當變化的電流在導體中流動時，它周圍的磁場也隨著變化。 這變化的磁場也要在導體中產(chǎn)生感應電流， 因而影響導體中電流的分布， 使電流 趨向?qū)w表面。也就是說，愈靠近導體的表面，電流的密度就越大。頻率越高， 集膚效應就越明顯。因此，在高頻狀態(tài)下，常采用中空導線，或用若干股并列的 細導線作為輸出饋線。鄰近效應 就是導體的鄰近還有其他載有

7、變化電流的導體時，每一導體 中的電流將要重新分布，和孤立時不一樣，其分布是不均勻的。不均勻的程度， 則視導體的形狀、尺寸、相對位置以及交變電流的頻率而定。圓環(huán)效應 是指環(huán)形導體的電流分布有集中于內(nèi)表面的趨勢，而且其程 度也受頻率的影響。頻率越高，圓環(huán)效應就越明顯。采用感應加熱原理設(shè)計的高頻電磁加熱系統(tǒng)具有著突出的優(yōu)點。 它是利用電 磁感應產(chǎn)生的交變磁場， 在發(fā)熱體的表面形成渦流達到直接加熱的目的， 效率高， 加熱時間比相同功率的加熱器要快得多， 更值得指出的是， 它通過感應線圈使發(fā) 熱體產(chǎn)生渦流達到加熱的目的， 實現(xiàn)了發(fā)熱體和主電路之間電氣上的隔離， 避免 了因絕緣損壞而產(chǎn)生的漏電現(xiàn)象，在安全

8、性上大大提高了。感應加熱具有以下優(yōu)點：(1) 加熱速度快。由于感應加熱過程主要是依靠電流感應透熱和傳導的方式 實現(xiàn)，故在很短的時間內(nèi)便能加熱到預期的溫度。(2) 熱損少、加熱效率高。在感應加熱過程中，能量的傳遞是以電磁波的形 式進行的，故受外界的干擾小、 能量的擴散少， 提高了能量的利用率和加熱熱效 率。(3) 無污染。加熱熱源是電能，不會產(chǎn)生任何有害的氣體和污染物，屬于環(huán) 保型的熱源。(4) 易于實現(xiàn)自動控制。加工過程中熱源的參數(shù)主要是電源的功率和頻率， 這兩項電參數(shù)在控制過中是很容易實現(xiàn)自動控制的， 不需要相關(guān)的轉(zhuǎn)換模塊， 可 以更有效地控制加工的質(zhì)量。(5) 實現(xiàn)了發(fā)熱體和主電路之間電氣

9、上的隔離，避免了因絕緣損壞而產(chǎn)生 的漏電現(xiàn)象，在安全性上大大提高了。2 技術(shù)指標1.1 輸入電壓：三相 380V20%，50Hz；1.3工作環(huán)境溫度：(-10 +60)C；1.4 最大輸出功率 15Kw;1.5 輸出功率連續(xù)可調(diào)；2電磁加熱系統(tǒng)的功能2.1過流、過壓、欠壓、過功率保護和故障報警顯示功能；2.2軟啟動、軟關(guān)斷功能；2.2停電記憶功能；2.3 IGBT高溫保護、線圈高溫保護和故障報警顯示及自動恢復功能；2.4 IGBT溫度傳感器、線圈溫度傳感器、調(diào)功電位器開路、短路保護和故 障報警顯示功能；2.5關(guān)機散熱風機延時功能；2.6小物件檢測功能（小于80mm不加熱）。3外形尺寸及系統(tǒng)組成

10、3.1主機箱外殼尺寸 主機箱尺寸圖：圖2主機箱主要尺寸3.2.3 LED顯示屏控制接口定義和原理圖3 LED顯示屏GND申亓輻入+5V十凸V圖4顯示板控制接口定義3主電路設(shè)計三相交流電通過濾波后送入三相整流模塊，得到一脈動直流電源，通過n型濾波獲得直流電壓源，其額定幅度為 513V。主電路有兩種選擇，其一是半橋，其二是全橋，半橋通過橋路電容和電感形 成諧振，全橋通過電感和串聯(lián)電容形成諧振。 這兩種電路均可以應用，但全橋需 要四個驅(qū)動電路，需要4個IGBT，但通過的電流是半橋的1半。本設(shè)計采用半橋電路。3.1輸入?yún)?shù)計算最大輸出功率Pmaxout15 KW系統(tǒng)效率min 0-85則變換器最大輸入

11、功率naxinPmax150000.8517647W輸入電壓380V20%，最大456V，最小304V，三相全橋整流后, 最大直流電壓Umax 456 1.35615V最小直流電壓Umin304 1.35410.4V因此輸入最大電流I maxu：:x；2 A因此主電路整流管額定電流和IGBT額定電流必須大于最大電流，考慮安全 系數(shù)，取額定電流為150A/1200V。3.2半橋設(shè)計5所示。市電交流380 V經(jīng)過濾波整流后變?yōu)榇蠹s510 V圖5電磁灶系統(tǒng)框圖電磁灶系統(tǒng)框圖如圖 直流，通過半橋諧振逆變 電路的振蕩在線圈中產(chǎn) 生交變磁場，在發(fā)熱體中 產(chǎn)生渦流以達到加熱的 目的。把渦流效應等效到 原邊，

12、用L、R串聯(lián)表示。 當負載為RLC且滿足振蕩 條件時，這種負載稱為諧 振負載，對于諧振負載可 以通過改變頻率來改變 輸出的電壓和功率。逆變 式諧振負載（串聯(lián)諧振）的電路特點是:逆變電路輸出的波形為方波（方波電壓）；可以將逆變頻率調(diào)諧在諧振頻率附近， 而正弦輸出的電流，無需通過低通濾 波器消除其最低次諧波，所謂“諧振逆變”電路因此得名；因為利用負載諧振特點電路中的元件要承受很大的電流或電壓。圖6串聯(lián)諧振電路串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的形式如圖6所示，其中L是諧振電感，C是諧振電容，渦流 等效阻抗R。對圖3所示的電路圖，導納可表示為丫(s)sCs2LC sRC 1(9)它是頻率s j的函數(shù)，令R2L，10，則有

13、:Y(s)12 sR s1 22 s 0(10)由式（10）可以看出，在諧振時，即s0時，電感和電容阻抗相互抵消,IgY(s)igig圖7對數(shù)幅頻特性曲線 令串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)為0LR(11)則式(10)可改寫為1Y(s) R(12)2 s電路諧振時，Y(s0)1設(shè)電源電壓為U s，則電流為I(s)U(s)Y(s)，電容電壓Uc(s)I(s)sCY(s) U(s)- sC222 s 0 sCR2U(S)p 02s 2 s 0(13)(14)Uc(s)U(s)也就是說諧振時負載電壓等于電源電壓，電容上的電壓可達電源電壓的諧振時AB通過調(diào)整工作頻率，調(diào)整通過開關(guān)管，S1、S2的開通和關(guān)斷，感

14、應線圈電感和半橋電路的兩個電容在各自的回路形成諧振。當逆變器工作在諧振頻率 0時，開關(guān)器件的狀態(tài)轉(zhuǎn)換總是發(fā)生在開關(guān)器件電流過零時刻，在這種情況下，所有反并聯(lián)二極管始終不通過電流。實際上半橋輸出入電壓為幅度為U/2的方波，只要0，而且Q值足夠大，電流幾乎為正弦波iaY(j 0)Ua1mSin 0t12Usin0t(15)2U一Ua1m為方波電壓的基波分量幅值。輸出功率若輸出15kw，不考慮效率，等效電阻當逆變電路的工作頻率大于諧振頻率2UR0.352U1 2（0，且0），lc作用相當于一個電感LeLeL(10)2)(17)諧振電路的阻抗等值于LeR電路,工作于感性負載，電流滯后于電壓iaRCL/

15、上11 2U 1sin( tarctg(18)當逆變電路的工作頻率小于諧振頻率0，且 0），LC作用相當于一個電感CeCe(19)C諧振電路的阻抗等值于RC電路,工作于容性負載，電流超前于電壓1 2URarctg(CeR)(20)從上面分析可以看出，當沒有鍋在灶上時，沒有渦流產(chǎn)生，電路為純電感負 載，儲存在電感中的能量和電容交換， 輸入直流平均電流為零，若灶上有一個較 小的金屬物體時，渦流等效到電感原邊的電阻較大， 輸入直流平均電流較小，因 此可以根據(jù)輸出電流衰減的快慢判斷有無鍋，實現(xiàn)小于某直徑金屬不加熱功能。當渦流發(fā)生時，渦流本身也會產(chǎn)生磁場，其強度取決于渦流的大小，其方向 與線圈電流磁場相

16、反，因而抵消部分原磁場，它與線圈磁場疊加后形成線圈的交 流阻抗，導致線圈的電感量發(fā)生變化（減?。?。沒有鍋時，電感為其測量值，最小諧振頻率空r1 ，當工作頻率遠大空c于此諧振值時，其輸出電流滯后電壓約 90度電角度。有鍋時，電感值增大，即L空 L合，諧振頻率減小，不同的鍋諧振頻率不同最大諧振頻率合r，當工作頻率接近于此諧振值時，負載等效為LR負-合 min C載，其輸出電流滯后于電壓，小于 90度電角度，當在諧振點工作時，其等效負 載為純電阻負載，電流和電壓同相位。從公式（7）可知，輸出的功率與工作頻率的平方成正比，因此通過調(diào)解諧 振工作頻率就可以調(diào)解輸出功率。同一工作頻率下，調(diào)解占空比相當于調(diào)

17、解了磁 感應強度B,而輸出的功率與B的平方成正比，因此調(diào)解占空比也可以調(diào)解輸出 功率。因此通過調(diào)節(jié)工作頻率和占空比都可以調(diào)解輸出功率， 可以分別應用或同時 應用。為了使電路在不同鍋材質(zhì)情況下都工作在諧振條件下， 必須合理選擇電容 和電感大小。由于IGBT最大工作頻率受器件限制，一般不大于30KHZ,所以最大諧振頻 率小于IGBT最大工作頻率，最小諧振頻率為IGBT最小工作頻率?？蛰d時，電容選取0.8uF，電感為120uH，最小諧振頻率為min12丄空C12 10 0.8 12016243Hz3.3工作過程分析半橋電路如圖2所示，為了分析方便，重畫其電路如圖 8所示S1D1_C?CAPBT?BA

18、TTERS2C?CAPD2RL卞(M WWWfk圖8半橋電路當電路工作頻率大于諧振頻率時，電壓超前電流相位，回路負載特性呈現(xiàn)感 性，設(shè)某一時刻，開關(guān)管S1處于導通狀態(tài)，負載中流過電流（如圖 5中實現(xiàn)表 示），當S1關(guān)斷時，由于電感的儲能作用，將通過二極管D2續(xù)流，如圖9所示。圖9感性負載時的工作過程由于D2續(xù)流，IGBT（ S2）EC之間的電壓僅為二極管爭相導通壓降， S1承受電源電壓，死區(qū)時間結(jié)束后，開通 S2, D2承受反向電壓而關(guān)斷，如果能夠正 好在續(xù)流結(jié)束之前開通S2,則實現(xiàn)了零電壓開通，二極管 D2實現(xiàn)零電流關(guān)斷。當電路工作頻率小于諧振頻率時，電流超前電壓相位，回路負載特性呈現(xiàn)容 性

19、，設(shè)某一時刻，開關(guān)管S1處于導通狀態(tài)，負載中流過電流（圖10中用實線表 示），由于電流超前電壓相位，因此在S1仍導通時電流首先過零，之后電流通過 二極管D1反向流通（圖10中用虛線表示），如圖10中所示。圖10感性負載時的工作過程二極管D1導通后，S1實際上已不起作用，當S1關(guān)斷，S2導通時，D1將 承受反向電壓而強迫關(guān)斷，關(guān)斷過程中 D1將產(chǎn)生較大的反向恢復電流，此恢復 電流將通過D1、S2使電源短路，從而危及IGBT。當S2導通末期，電流再次提 前反向，D2續(xù)流，此時如果S1導通，D2將承受反向電壓而強迫關(guān)斷，二極管 D2反向恢復電流和S2使電源短路。通過上面分析可以看出，當電路工作于容性

20、狀態(tài)時，IGBT的交替導通，由于二極管反向恢復電流較大，IGBT損耗較大，不適合頻繁起動的工作場合，容 易導致IGBT的損壞。當電路工作于感性狀態(tài)時，IGBT可以實現(xiàn)零電壓導通， 開關(guān)損耗取決于電流滯后的角度。因此，要讓諧振回路工作于略感性負載的準諧振狀態(tài)，保證電路的安全可靠 工作。3.3部分電路參數(shù)設(shè)計1）功率跟定電路由于電位器為1k,為了保證輸出最大值為3V, -53R 1R 4k ，取 3.9K。 D當電位器最大時輸出：15 1 3.06/3.9 1最小時0V。為了防止電源故障時輸出電壓升 高，采用3.3V穩(wěn)壓管限幅。如圖11所 示。2 ）溫度傳感器LM35希望當溫度150攝氏度時，輸出

21、3V。LM35每度變化10mV，150度時輸 出電壓150 10mV 1500mV 1.5VvccR783.9KRP1A1KD?2gN4728(3.3V)圖11功率給定電路采用同相放大器其放大倍數(shù)為2,即R58 R57 10K放大倍數(shù)=1 + =2R573）5V分壓為3.3V分壓電電阻分別為上電阻5.1K ，下電阻10K。4）變壓器設(shè)計變壓器初級輸入電壓380V，次級共6個繞組，其輸出分別為18V，0.8A，作為Vcc電壓的輸入，LM350 ；18V，0.2A，作為-Vcc電壓的輸入，MC33063設(shè)計為降壓；18V，0.5A，作為+15VH電壓的輸入，MC33063設(shè)計為降壓;12V，0.3

22、A，作為-5VH電壓的輸入，MC33063設(shè)計為降壓；18V，0.5A，作為+15VL電壓的輸入，MC33063設(shè)計為降壓;12V，0.3A，作為-5VL電壓的輸入，MC33063設(shè)計為降壓； 高度不大于90mm，匝間隔離電壓，原副邊隔離電壓大于 3000V.3.4軟啟動和諧振頻率跟蹤為了防止起動是沖擊電流對系統(tǒng)的損壞， 系統(tǒng)采用軟起動，由于輸出功率與 工作頻率、和脈沖寬度的平方成正比，顯然逐步提高工作頻率或脈沖寬度就可以 實現(xiàn)軟起動。由于當工作頻率小于諧振工作頻率時， 電磁爐的負載特性為容性負載，電流 超前電壓，功率管開通時，會使續(xù)流二極管流過較大的反向沖擊電流， 因此希望 系統(tǒng)工作與諧振狀

23、態(tài)或感性負載，即工作頻率大于等于諧振頻率。輸出功率和工作頻率存在對應關(guān)系， 不同材質(zhì)、大小的鍋有著不同的對應關(guān) 系。為了防止不同材質(zhì)、大小的鍋在應用中不會出現(xiàn)故障， 必須考慮軟啟動的方 法。調(diào)頻法：系統(tǒng)從最大工作頻率啟動；A調(diào)寬法：系統(tǒng)從最大工作頻率最小脈寬啟動。 由于不同材質(zhì)的鍋對應不同的諧振工作頻率， 所以必須實現(xiàn)諧振頻率的自動 跟蹤。通過檢測直流母線電流， 當負載為感性時， 母線電流有回流 （有正負電流）， 諧振時母線電流為正，當負載為容性時，母線電流有回流（有正負電流） ，把母 線電流經(jīng)過過零比較器處里， 諧振時輸出的脈沖最寬， 比較 其輸出脈沖低通濾波， 則輸出最大電壓出為諧振頻率，

24、如果頻率降低，輸出電流增大，則為感性負載， 若頻率降低，輸出電流減小，則為容性負載。4 控制流程4.1 系統(tǒng)主循環(huán)程序流程當供電后，DSP初始化，初始化由系統(tǒng)初始化、引腳配置、PWM初始化、SPI初始化和A/D初始化等構(gòu)成。要保證輸出的IGBT控制信號均為低電平，初 始化完成后，進入自檢程序，檢查IGBT溫度傳感器、線圈溫度傳感器、調(diào)功電 位器等輸入輸出是否工作正常，如果不正常，電路不工作，并給予警示；如果正 常，等待輸入。主循環(huán)流程圖見圖 xx 所示。1、主循環(huán)流程圖分四塊，第一塊：輔助電源供電、DSP初始化、自檢；第二塊：主電路供電、 軟起動，頻率跟蹤，第三塊，檢測電流、電壓、溫度和功率給

25、定值，是否超標， 第四塊，檢鍋，第五步：提鍋。2、關(guān)斷 IGBT 子程序包括兩大部分：如果為軟件關(guān)斷，則軟關(guān)斷逆變電路驅(qū)動信號； SPI 模塊外 輸出功率和故障信息；如果為硬件中斷關(guān)斷，則關(guān)斷逆變電路驅(qū)動信號， 禁止所 有模塊輸出，清所有標志。3、檢鍋探測有無鍋方法采用最高頻率法，10ms時間內(nèi)平均電流小于某一值則無鍋， 否則有鍋。系統(tǒng)輸出功率分為 1 2檔，可以連續(xù)調(diào)功也可以間歇調(diào)功。4 提鍋當鍋被移走以后，立即關(guān)斷驅(qū)動，停止加熱，兩秒后執(zhí)行檢鍋子程序。 提 鍋判斷有兩種，其一是鍋稍稍提起，此時平均電流增大（由于頻率跟 蹤，電感減小，諧振頻率下降，電流增大） ，其而是鍋完全提走，此 時平均電

26、流為零。 通過檢測當前電流和前一刻電流比較， 如果后一刻 電流大于前一刻電流 25%即為稍稍提起，電流等于零提鍋。5 SPI 數(shù)據(jù)傳送程序SPI 數(shù)據(jù)傳送程序主要用于將輸出功率大小和故障信號傳送給顯示部件，以 便顯示輸出功率大小和故障信息。6 保護程序設(shè)計當電路出現(xiàn)過流、過壓，過熱等故障時，立即關(guān)斷加熱電路，啟動 SPI，將 故障信息傳遞給顯示單元。當系統(tǒng)過流、缺相故障時，引腳 PDPINTx 上信號的下降沿跳變會引起 DSP 的功率保護中斷。在 DSP 的可屏蔽中斷里該中斷優(yōu)先級最高，可保證系統(tǒng)在出 現(xiàn)故障時有最快的保護響應。若 PDPINTx 有效，會由硬件將 GPTCONA/B 的 TC