電力電子技術(shù)課程設(shè)計

1、西安石油大學(xué)課程設(shè)計電子工程 學(xué)院自動化專業(yè)1203班題目變頻感應(yīng)加熱電源主電路設(shè)計學(xué)生蔡輝武指導(dǎo)老師二O五年六月電力電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書題目變頻感應(yīng)加熱電源主電路設(shè)計學(xué)生姓名蔡輝武學(xué)號201205080605專業(yè)班級自動化1203設(shè)計內(nèi)容與要求1. 設(shè)計原始數(shù)據(jù)及主要技術(shù)指標：(1) 電網(wǎng)供電電壓：三相 380V，50Hz;(2) 電網(wǎng)電壓波動：+10%-10% ;(3) 最大輸出功率：P=70kW ;(4) 電源輸出頻率：400Hz2kHz;(5) 電源效率：n > 80%2. 設(shè)計要求：(1) 畫出感應(yīng)加熱電源主電路原理圖；(2) 完成逆變橋器件電參數(shù)計算及選??；(3) 根據(jù)給出

2、的仿真條件，對所設(shè)計的主電路進行仿真分析。3. 完成設(shè)計報告。起止時間2015年6月曰至 2015年6月曰指導(dǎo)教師簽名2015年6月曰系(教研室)主任簽名2015年6月曰學(xué)生簽名2015年6月曰目錄一緒論1.1 感應(yīng)加熱的工作原理1.2 感應(yīng)加熱電源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(1) 感應(yīng)加熱電源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀(2) 感應(yīng)加熱電源技術(shù)發(fā)展與趨勢二 感應(yīng)加熱電源及其實現(xiàn)方案研究2.1 串并聯(lián)諧振電路的比較2.2 電路的功率調(diào)節(jié)原理三 變頻感應(yīng)加熱電源主電路設(shè)計3.1 主電路設(shè)計原始數(shù)據(jù)及主要技術(shù)指標3.2 設(shè)計要求3.3 設(shè)計思想3.4 變頻感應(yīng)加熱電源主電路圖3.5 設(shè)計內(nèi)容3.5.1 整流電路的設(shè)計3.

3、5.1.1 整流電路的選擇3.5.1.2 整流側(cè)參數(shù)計算3.5.1.3 整流側(cè)電路圖 3.5.2 逆變電路的設(shè)計3.5.2.1 逆變電路的選擇3.5.2.2 逆變側(cè)參數(shù)計算3.5.2.3 逆變側(cè)電路圖3.6 電路保護3.6.1. 整流側(cè)晶閘管過電壓保護3.6.2. 逆變側(cè)晶閘管過電壓保護3.7 波形仿真四 設(shè)計心得體會 參考文獻緒論感應(yīng)加熱具有加熱效率高、速度快、可控性好及易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點， 廣泛應(yīng)于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等工業(yè)生產(chǎn)過程中，成為冶金、國防、 機械加工等部門及鑄、鍛和船舶、飛機、汽車制造業(yè)等不可缺少的技術(shù)手段。1.1感應(yīng)加熱的工作原理感應(yīng)加熱原理為產(chǎn)生交變的電流，從而產(chǎn)

4、生交變的磁場，在利用交變磁場 來產(chǎn)生渦流達到加熱的效果。圖1.1 感應(yīng)電流圖示在感應(yīng)加熱設(shè)備中還存在著三個效應(yīng)一一集膚效應(yīng)、近鄰效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。集膚效應(yīng)：當交變電流通過導(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

5、應(yīng)。感應(yīng)加熱原理可以概括為交變電流產(chǎn)生交變的磁場，從而利用交變磁場來產(chǎn) 生渦流達到加熱的效果。裝置由兩部分組成，一部分是提供能量的交流電源， 也 稱變頻電源；另一部分是完成電磁感應(yīng)能量轉(zhuǎn)化的感應(yīng)線圈，稱感應(yīng)爐。與傳統(tǒng)的加熱方式相比，感應(yīng)加熱具有加熱速度快、鐵屑損耗少、啟動快、節(jié)能、生產(chǎn) 效率高等一系列優(yōu)點， 因此近年來在工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。 目前，感應(yīng)加 熱主要用途是金屬加熱前的預(yù)熱、熱處理、焊接和融化等。1.2 感應(yīng)加熱電源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢（1）感應(yīng)加熱電源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀感應(yīng)電源按頻率范圍可分為以下等級：500Hz以下為低頻，1-10KHZ為中頻； 20KHZ以上為超音頻和高頻。感應(yīng)加

6、熱電源發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密切相關(guān)。 1970年浙大研制成功國內(nèi)第一臺100KW/1KH晶閘管中頻電源以來，國產(chǎn) KGPS 系列中頻電源已覆蓋了中頻機組的全部型號。在超音頻電源方面，日本在 1986 年就利用SITH研制出100KW/60KHZ勺超音頻電源，此后日本和西班牙又在1991 年相繼研制出500KW/50KH和200KW/50KHZ勺IGBT超音頻電源。國內(nèi)在超音頻 領(lǐng)域與國外還有一定差距，但發(fā)展很快，1995年浙大研制出50KW/50KHZ勺IGBT 超音頻電源，北京有色金屬研究總院和本溪高頻電源設(shè)備廠在 1996年聯(lián)合研制 出100KW/20KHZ勺IGBT電源。在高頻這一頻

7、段可供選擇的全控型器件只有靜電 感應(yīng)晶閘管（SITH）和功率場效應(yīng)晶閘管（MOSFET，前者是日本研制的3KVW 200KVy 20KHl300KHz系列高頻電源,后者由歐美采用MOSFE研制成功輸出頻 率為200300KHZ輸出功率為100400KW勺高頻電源。與國外相比，國內(nèi)導(dǎo)體 高頻電源存在較大差距，鐵嶺高頻設(shè)備廠1993年研制成功80KW/150KHZ勺SIT高頻電源，但由于SIT很少進入國際化流通渠道，整機價格偏高，并沒有投入商 業(yè)運行?，F(xiàn)在，電力電子應(yīng)用國家工程中心設(shè)計研制出了550KW/100400KHz高頻MOSFE逆變電源。上海寶鋼1420冷軋生產(chǎn)線于1998年引進了日本富士

8、公 司的7180KHz,3200KVW頻感應(yīng)加熱電源，是目前世界上最為先進的逆變電源?？傮w說來，國內(nèi)在感應(yīng)加熱電源勺設(shè)計開發(fā)和產(chǎn)品化方面雖有發(fā)展， 但遠不 能適應(yīng)我國工業(yè)發(fā)展勺要求， 對于應(yīng)用范圍越來越廣泛勺高頻感應(yīng)加熱電源領(lǐng)域 勺研究尤為薄弱，處于剛剛起步階段。（ 2）感應(yīng)加熱電源技術(shù)發(fā)展與趨勢感應(yīng)加熱電源勺水平與半導(dǎo)體功率器件勺發(fā)展密切相關(guān)， 因此當前功率器件 在性能上勺不斷完善，使得感應(yīng)加熱電源勺發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出以下幾方面勺特點。 頻率目前，感應(yīng)加熱電源在中頻頻段主要采用晶閘管， 超音頻頻段主要采用 IGBT， 而高頻頻段，由于SIT存在高導(dǎo)通損耗等缺陷，主要發(fā)展 MOSFE電源。感應(yīng)加

9、熱電源諧振逆變器中采用勺功率器件利于實現(xiàn)軟開關(guān)， 但是，感應(yīng)加熱電源通常 功率較大，對功率器件，無源器件，電纜，布線，接地，屏蔽等均有許多特殊要 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 要進一步探討。 容量化從電路的角度來考慮感應(yīng)加熱電源的大容量化， 可將大容量化技術(shù)分為二大 類：一類是器件的串、并聯(lián)，另一類是多臺電源的串、并聯(lián)器件的均流問題，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，且串、并聯(lián)數(shù)越 多，裝置的可靠性越差。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

10、量適當 的情況下， 可簡單地通過串、 并聯(lián)運行方式得到大容量裝置， 每臺單機只是裝置 的一個單元或一個模塊。感應(yīng)加熱電源逆變器主要有并聯(lián)逆變器和串聯(lián)逆變器， 串聯(lián)逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源， 當二電壓源并聯(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)流以致逆變器器件的電流產(chǎn)生嚴重不 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/AC環(huán)節(jié)有足夠的時間來糾正直流電源的偏差，達到多機并聯(lián)擴容。 載匹配感應(yīng)加熱電源多用于工業(yè)現(xiàn)場， 其運行工況比較復(fù)雜， 它與鋼鐵、 冶金和金 屬熱

11、處理行業(yè)具有十分密切的聯(lián)系， 他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效率和可靠性。 對焊接、表面熱 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)匹配變壓器的高輸入效率， 從磁性材料 選擇到繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計已成為一重要課題， 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哥無源元件以取消匹配變壓器， 實現(xiàn)高效、低成本隔離匹 配。 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可靠性要求的提高， 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、

12、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。二 感應(yīng)加熱電源及其實現(xiàn)方案研究2.1 串并聯(lián)諧振電路的比較 感應(yīng)加熱電源根據(jù)補償形式分為兩種，并聯(lián)諧振式 （電流型 ） 電源 和串聯(lián)諧 振式（ 電壓型 ）電源。17 / 15整沆圖2.1感應(yīng)加熱電源主電路圖并聯(lián)諧振式電源采用的逆變器是并聯(lián)諧振逆變器，其負載為并聯(lián)諧振負載。 通常需電流源供電，在感應(yīng)加熱中，電流源通常由整流器加一個大電感構(gòu)成。由于電感值較大，可以近似認為逆變器輸入端電流固定不變。 交替開通和關(guān)斷逆變 器上的可控器件就可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電流，其電流幅值取決于逆變器的輸入端電流值，頻率取決于器件的開關(guān)頻率。

13、串聯(lián)諧振式電源采用的逆變器是串聯(lián)諧振逆變器，其負載為串聯(lián)諧振負載。通常需電壓源供電，在感應(yīng)加熱中電壓源通常由整流器加一個大電容構(gòu)成。由于電容值較大，可以近似認為逆變器輸入端電壓固定不變。 交替開通和關(guān)斷逆變器 上的可控器件就可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電壓，其電壓幅值取決于逆變器的輸入端電壓值，頻率取決于器件的開關(guān)頻率。串聯(lián)諧振逆變器和并聯(lián)諧振逆變器的差別，源于它們所用的振蕩電路不同，前者是用L、R和C串聯(lián)，后者是L、R和C并聯(lián)；(1) 串聯(lián)諧振逆變器的輸入電壓恒定，輸出電流近似正弦波，輸出電壓為矩 形波，換流是在晶閘管上電流過零以后進行，因而電流總是超前電壓一©角。并聯(lián)諧振逆

14、變器的輸入電流恒定， 輸出電壓近似正弦波，輸出電流為矩形波，換 流是在諧振電容器上電壓過零以前進行，負載電流也總是越前于電壓一©角。這就是說，兩者都是工作在容性負載狀態(tài)。2)串聯(lián)諧振逆變器在換流時，晶閘管是自然關(guān)斷的，關(guān)斷前其電流己逐漸減 少到零，因而關(guān)斷時間短，損耗小。在換流時，關(guān)斷的晶閘管受反壓的時間較長。 并聯(lián)諧振逆變器在換流時，晶閘管是在全電流運行中被強迫關(guān)斷的，電流被迫降 至零以后還需加一段反壓時間，因而關(guān)斷時間較長。相比之下，串聯(lián)諧振逆變器 更適宜于在工作頻率較高的感應(yīng)加熱裝置中使用。(3) 串聯(lián)諧振逆變器起動較容易，適用于頻繁起動工作的場所；而并聯(lián)諧振 逆變器需附加起動

15、電路，起動較為困難，起動時間長。至今仍有人在研究并聯(lián)諧 振逆變器的起動問題。串聯(lián)諧振逆變器晶閘管暫時丟失脈沖，會使振蕩停止，但不會造成逆變顛覆。而并聯(lián)諧振逆變器晶閘管偶爾丟失觸發(fā)脈沖時，仍可維持 振蕩。(4) 串聯(lián)諧振逆變器并接大的濾波電容器，當逆變失敗時，浪涌電流大，保 護困難。但隨著保護手段的不斷完善以及器件模塊本身也有自帶保護功能， 串聯(lián) 諧振逆變器的保護不再是難題。并聯(lián)諧振逆變器串接大電抗器，但在逆變失敗時，由于電流受大電抗限制， 沖擊不大，較易保護。(5) 串聯(lián)諧振逆變器感應(yīng)線圈上的電壓和補償電容器上的電壓，都為諧振逆 變器輸出電壓的Q倍。當Q值變化時，電壓變化比較大，所以對負載的變

16、化適應(yīng) 性差。流過感應(yīng)線圈上的電流， 等于諧振逆變器的輸出電流。 并聯(lián)諧振逆變器 的感應(yīng)線圈和補償電容器上的電壓， 都等于逆變器的輸出電壓， 而流過它們的電 流，則都是逆變器輸出電流的Q倍。逆變器器件關(guān)斷時，將承受較高的正向電壓， 器件的電壓參數(shù)要求較高。(6) 串聯(lián)諧振逆變器的感應(yīng)加熱線圈與逆變電源 (包括補償電容器 )的距離較 遠時，對輸出功率的影響較小。 而對并聯(lián)諧振逆變器來說， 感應(yīng)加熱線圈應(yīng)盡量 靠近電源 (特別是補償電容器 )，否則功率輸出和效率都會大幅度降低。綜合比較串、并聯(lián)諧振逆變器的優(yōu)缺點，決定對串聯(lián)諧振式電源進行研究。2.2 電路的功率調(diào)節(jié)原理電源工作在開關(guān)頻率大于諧振頻率

17、狀態(tài)， 負載呈感性， 負載電流滯后于輸出 電壓 r 角。所以在高頻條件下輸出功率表達式為：f=0.9式中的 0. 9 是因為矩形波所乘的波形率。從式中可以看出當輸入電壓一定 時，可以通過調(diào)節(jié)輸出電流滯后輸出電壓的滯后角 r 來調(diào)節(jié)輸出功率。 而滯后角 r 是由諧振參數(shù)和開關(guān)管工作頻率共同決定的。從上式可以看出當系統(tǒng)工作在諧振頻率時 cosr=1 ，即 r 為 0度，系統(tǒng)輸出 的功率最大。當開關(guān)頻率提高時，滯后角 r 同時開始增大，輸出功率開始下降， 從而完成功率調(diào)節(jié)。三 變頻感應(yīng)加熱電源主電路設(shè)計3.1 主電路設(shè)計原始數(shù)據(jù)及主要技術(shù)指標（1）電網(wǎng)供電電壓：三相 380V ， 50Hz；（2）電

18、網(wǎng)電壓波動：+10%-10% ；（3）最大輸出功率： P=70kW；（4）電源輸出頻率：400Hz 2kHz；（5）電源效率：n > 80%3.2 設(shè)計要求(1) 畫出感應(yīng)加熱電源主電路原理圖；(2) 完成逆變橋器件電參數(shù)計算及選??；(3) 根據(jù)給出的仿真條件，對所設(shè)計的主電路進行仿真分析。3.3設(shè)計思想變頻電源裝置的基本工作原理，就是通過一個整流電路把工頻交流電變?yōu)橹绷麟?，?jīng)過直流電抗器最后經(jīng)逆變器變?yōu)閱蜗嘧冾l交流電供給負載，所以中頻電源裝置實際上是交流電-直流電-交流電-負載3.4變頻感應(yīng)加熱電源主電路圖D2Kt / FMCX O-iR11'IILdCdlD1RfT314&#

19、39;D2li圖3.2感應(yīng)加熱電源的主電路圖3.5設(shè)計內(nèi)容3.5.1整流電路的設(shè)計3.5.1.1整流電路的選擇本設(shè)計不用整流變壓器而直接由 380V三相交流接入再整流為直流電源。常 用的三相可控整流的電路有O 1三相半波G2三相半控橋G3三相全控橋3雙反星形 等。三相全控橋整流電壓脈動小，脈動頻率高，基波頻率為300Hz,所以串入的 平波電抗器電感量小，動態(tài)響應(yīng)快，系統(tǒng)調(diào)整及時，并且三相全控橋電路可以實 現(xiàn)有源逆變，把能量回送電網(wǎng)或者采用觸發(fā)脈沖快速后移至逆變區(qū)， 使電路瞬間進入有源逆變狀態(tài)進行過電流保護。三相全控橋式可控整流電路與三相半波電路相比，若要求輸出電壓相同，則三相橋式整流電路對晶閘

20、管最大正反向電電壓的要求降低一半；若輸入電壓相同,則輸出電壓比三相半波可控整流是高一倍。 而且三相全控橋式可控整流電路在一 個周期中變壓器繞組不但提高了導(dǎo)電時間，而且也無直流流過，克服了三相半波可控整流電路存在直流磁化和變壓器利用率低的缺點。從以上比較中可看到：三相橋是可控整流電路從技術(shù)性能和經(jīng)濟性能兩方面 綜合指標考慮比其他可控整流電路有優(yōu)勢， 故本次設(shè)計確定選擇三相橋式可控的 整流電路。因為電源額定頻率 f為400HN2kHZ,所以三相橋式可控整流電路中 的晶閘管選擇快速晶閘管，使其呈容性，即電流相角超前電壓和IGBT。3.5.1.2整流側(cè)參數(shù)計算(1)整流側(cè)輸出電流：Id=PdmUd=7

21、0X=221.1A(2) 晶閘管額定電壓：LTn=(1+10%)X 380X ,2 x 2=1182.28V晶閘管額定電流：I tn=2X1 x Id3 X荷=146A3.5.1.3整流側(cè)電路圖：三相橋式全控整流電路是三相半波共陰極組與共陽極組整流電路的串聯(lián)，在任何時刻都必須有兩個晶閘管導(dǎo)通才能形成導(dǎo)通回路，其中一個晶閘管是共陰極 組，一個晶閘管是共陽極組。六個晶閘管導(dǎo)通順序為 VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6 每隔60。一個晶閘管換相。為了保證在任意時刻都必須有兩個晶閘管導(dǎo)通，采 用了雙脈沖觸發(fā)電路，在一個周期內(nèi)對每個晶閘管連續(xù)觸發(fā)兩次，兩次脈沖前沿的間隔為60°。電

22、路圖如下:3.5.2逆變電路的設(shè)計3.521逆變電路的選擇逆變電路也稱逆變器，它與整流相對應(yīng)，把直流電變成交流電，本次設(shè)計采 用電流型逆變電路，主要由濾波電容、晶閘管、換相電容、換相電感組成。整流 電路的輸出電壓作為逆變電路的直流側(cè)輸入電壓，且本次設(shè)計不考慮換相過程。 整流之后的直流電壓相當于逆變電路的電源，經(jīng)過大電感的濾波，使得流經(jīng)電路的電流的方向不變，大小恒定。因為電感反饋無功能量時直流電流并不反向，因此不需要并聯(lián)反饋二極管。3.5.2.2逆變側(cè)參數(shù)計算(3) 整流側(cè)輸出電流：Id= Pdm =115.79 X 1000 =233.67AUd495.52(1)IGBT最大承受電壓：Utn=

23、(1+10%)X 380X .2 X 2=1182.28VIGBT額定電流：由 -=可得I=271A故由IGBT能承受的最大電壓1182.28V及其額定電流271AIGBT 應(yīng)該選擇額定電壓為1200V額定電流為300A的IGBT管子。3.5.2.3逆變側(cè)電路圖當整流橋輸出失控或逆變橋輸出發(fā)生短路以及外界的其他因素，會使電路中的電壓和電流在極短時間內(nèi)上升到極大值，故需要設(shè)計過電壓過電流保護電路。 消除過電壓現(xiàn)象通?？梢圆捎米枞菸针娐?，其實質(zhì)是將引起過電壓的磁場能量變成電場能量儲存在電容器中，然后電容器通過電阻放電，把能量逐漸消耗在電阻中。361. 整流側(cè)晶閘管過電壓保護：(1) RC吸收電路電容：Cs =(2.55) X 10-3 X I t(av)=2.5 X 10-3 X I tn =0.53Cs 的交流耐壓：UCsm=1.5UTN=2694.57V(2) RC吸收電路電阻：Rs =1030(門)電阻的功率:Pr =fC(Uj2X 10-6=1000X 0.19 X (2.45 X Ud)2X 10-6=279.3W3.6.2.逆變側(cè)晶閘管過電壓保護：(1) RC吸收電路電容：Cs=(2.55) X 10-3 X Itn = 2.5 X 10-3 X 210.52=