感應加熱逆變電源設計畢業(yè)設計論文

1、河南科技大學畢業(yè)設計論文1感應加熱逆變電源設計感應加熱逆變電源設計摘要摘要感應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加熱原理工作的。感應加熱電源的發(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)半橋感應加熱電源為研究對象，首先在介紹感應加熱的原理基礎上，闡述了感應加熱電源的特點、國內(nèi)外發(fā)展狀況及應其發(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)

2、簡單，控制容易，有良好的經(jīng)濟效益等特點，故此，分析了串聯(lián)半橋逆變橋的工作原理。再次，在設計了一個串聯(lián)半橋逆變電路的基礎上，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，得出感應加熱電源應盡量避免空載等實驗結(jié)論。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：感應加熱；串聯(lián)諧振；半橋串聯(lián)諧振逆變器；IGBT； 河南科技大學畢業(yè)設計論文2A Design Of Induction Heating Power InverterAbstractInduction heating can be used for metal smel

3、ting, diathermy, heat reatment and welding process, the manufacturing sector has become an indispensable technology in metallurgy, defense, machining and other departments and ships, airplanes, cars and so on. Besides induction heating is constantly entering peoples family life, such as induction co

4、oker, etc. are relying on the principle of induction heating work. Induction heating power supply is the development trend of high-frequency, high-capacity, intelligent and green. The current high-frequency induction heating power of about a few hundred kilohertz frequency technology is relatively m

5、ature.In this paper, the series half-bridge induction heating power supply for the study, first principles on the basis of introduction of induction heating, induction heating power supply elaborated characteristics, domestic development and should its development trend. Secondly, it introduces the

6、advantages and disadvantages of full-bridge inverter circuit in series with a series of half-bridge inverter circuit, half-bridge resonant inverter series has a simple structure, easy to control, good economic returns, etc. Therefore, the inverse analysis of the half-bridge series variable working p

7、rinciple of the bridge. Again, on the basis of a series of half-bridge inverter circuit designed on the specific circuit parameters were calculated for each device, and a reasonable choice of components. Finally, in a half-bridge series resonant power supply voltage by changing the rectifier filter

8、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: induction heating; series resonance; series resonant half-bridge inverter; IGBT；waveforms河南科技大學畢業(yè)設計論文3目 錄第一章 概 述.11.1 課題研究的背景.11.2 感

9、應加熱的基本原理 .21.3 感應加熱電源的特點 .41.4 國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀.51.5 感應加熱的發(fā)展趨勢 .6第二章 半橋串聯(lián)諧振逆變器的主電路.82.1 全橋串聯(lián)諧振逆變電路.82.2 半橋串聯(lián)諧振逆變電路.92.3 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).123.2 變壓器的設計.123.3 確定整流晶閘管的參數(shù) .133.4 LC 濾波器的設計.143.5 確定 IGBT 管參數(shù) .143.5.1 額定電壓 .153.5.2 額定電流 .153.6 半橋高頻電容的參數(shù)計算及選擇 .163.7 計算感應加熱線圈的電感及主電路諧振電容 .173.

10、8 本章小結(jié) .174 第四章 實驗結(jié)果及波形分析.184.1 實驗結(jié)果 .184.2 實驗結(jié)論和小結(jié) .20結(jié) 論.21參考文獻.22河南科技大學畢業(yè)設計論文4致 謝.24河南科技大學畢業(yè)設計論文1第一章 概 述1.1 課題研究的背景課題研究的背景早在十九世紀初，人們就發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象：處于交變磁場的導體內(nèi)會產(chǎn)生電流，從而引起導體發(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)熱的設備感應加熱設備誕生了。感應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。由于感應加熱具有加熱速度較快、溫度容易控制、

11、加熱效率高、無需預熱、污染小、占地面積小、設備制造方便等諸多優(yōu)點，因此廣泛地應用于生產(chǎn)和生活當中。它不僅可對金屬材料直接加熱，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。感應加熱電源是感應加熱工藝實現(xiàn)的主要設備。它可以將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l率的交流電，進而產(chǎn)生交變磁場，處于交變磁場的導體感應出渦流，從而使導體加熱

12、。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，感應加熱裝置的面貌也日新月異，伴隨著MOSFET、IGBT等電力電子器件的相繼出現(xiàn)，掀起了感應加熱裝置的革命，固態(tài)感應加熱裝置已逐步取代電子管式感應加熱裝置，在很多方面得到較廣泛的應用。感應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11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號。河南科技大學畢業(yè)設計論文2圖1.1 感應加熱電源基本結(jié)構(gòu)

13、框圖111.2 感應加熱的基本原理感應加熱的基本原理根據(jù)電磁感應定律，處于交變磁場中的導體兩端會產(chǎn)生感應電動勢，當導體為閉合回路時，導體中會有電流通過。感應加熱的基本原理是根據(jù)電磁感應定律，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12所示，當交流電通過感應線圈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，可得出感應電動勢e為：dtdNe2=河南科技大學畢業(yè)設計論文3式中p金屬工件的電阻率(cm);金屬工件的相對磁導率，對

14、于非磁性材料來說，=1；f金屬工件的電流頻率(Hz)。如果磁通是交變得，設，則tmsin =有效值為：MfNE44. 42=感應電勢 E 在工件中產(chǎn)生感應電流使工件內(nèi)部開始加熱，其焦耳熱為：RtIQ2224. 0式中： 感應電流有效值（安） ，R工件電阻（歐） ，t時2I間（秒）。這就是感應加熱的原理。感應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，然后把熱再傳導加熱內(nèi)部。金屬中產(chǎn)生的功率為：cos44. 4cos2MfNEIP=感應電勢和發(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)

15、，還與工件本身的導電、導磁特性等有關(guān)。在感應加熱設備中存在著三個效應集膚效應、近鄰效應和圓環(huán)效應。集膚效應：當交變電流通過導體時，沿導體截面上的電流分布式部均勻的，最大電流密度出現(xiàn)在導體的表面層，這種電流集聚的現(xiàn)象稱為集膚效應。近鄰效應當兩根通有交流電的導體靠得很近時，在互相影響下，兩導體中的電流要重新分布。當兩根導體流的電流是反方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導體內(nèi)側(cè)；當兩根導體流的電流是同方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導體外側(cè)，這種現(xiàn)象稱為近鄰效應。圓環(huán)效應：若將交流電通過圓環(huán)形線圈時，最大電流密度出現(xiàn)在線圈導體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應。感應加熱電源就是綜合利用這三種效應的設備。在感應線圈中置以

16、金屬工件，感應線圈兩端加上交流電壓，產(chǎn)生交流電流，在工件中產(chǎn)生感應電流。此兩1I2I電流方向相反，情況與兩根平行母線流過方向相反的電流相似。當電流和感應1I電流相互靠攏時，線圈和工件表現(xiàn)出鄰近效應，結(jié)果，電流集聚在線圈的內(nèi)2I1I側(cè)表面，電流聚集在工件的外表面。這時線圈本身表現(xiàn)為圓環(huán)效應，而工件本2I河南科技大學畢業(yè)設計論文4身表現(xiàn)為集膚效應。 交變磁場在導體中感應出的電流亦稱為渦流。工件中產(chǎn)生的渦流由于集膚效應，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

17、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中。透入深度由下式確定：)(/20mmfr=式中: 工件電阻率（m ）, 。真空磁導率 410(H/m). 工件磁導率(H/m ), 工件相對磁導率， 角頻率(rad/s )， f頻率(HZ)。 將 。和 的數(shù)值代入，即可得公式:)(/50300mmfr=從上式可以看出，當材料電阻率、相對磁導率給定后，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用21。1.3 感應

18、加熱電源的特點自工業(yè)上開始應用感應加熱電源以來，在這期間，無論是感應加熱的理論還是感應加熱的裝置都得到了很大的發(fā)展。感應加熱的應用領(lǐng)域亦隨之擴大，其應用范圍也越來越廣。究其原因，主要是感應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) 能加熱形狀復雜的工件；(10)工件容易加熱均勻，產(chǎn)品質(zhì)量好。此外，感應加熱電

19、源由于采用了新型電路元件，其緩沖電路，驅(qū)動電路等也河南科技大學畢業(yè)設計論文5得到了空前的改善，此外，還有對環(huán)境污染小等優(yōu)點?；谏鲜龇治?，感應加熱電源有著良好的發(fā)展前景。1.4 國內(nèi)外發(fā)展國內(nèi)外發(fā)展及現(xiàn)狀及現(xiàn)狀感應加熱技術(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)注感應加熱技術(shù)的發(fā)展，并投入相當?shù)慕?jīng)濟支持和技術(shù)力量。目前 ，在低頻感應加熱領(lǐng)域普遍采用傳統(tǒng)的工頻感應爐。國外的工頻感應加熱裝置可達數(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

20、溫。預計短期內(nèi)，以固態(tài)器件構(gòu)成的低頻感應加熱電源在功率、價格、可靠性方面還很難與簡單可靠的工頻感應爐競爭，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 (20kHz1OOkHz)范圍內(nèi)，IGBT的應用占主導地位。1994年日本采用IGBT研制出了1200kW/5OkHz電流型感應加熱電源，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電流型感應加熱電源。歐美地區(qū)其他一些國家的系列化超音頻感應加

21、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)高頻感應加熱電源的水平可達400kW/4OOkHz。歐美各國采用MOSFET的高頻感應加熱電源的容量也在突飛猛進.例如，西班牙采MOSFET的電流型感應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MOSFET感應加熱電源水平可達1MW/15600kHz。我國感應加熱技術(shù)從 50 年代開始就被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)當中，60 年代末，開始研制

22、晶閘管中頻電源，浙江大學首先研制成功國內(nèi)第一臺晶閘管中頻電源，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。在超音頻河南科技大學畢業(yè)設計論文6領(lǐng)域的研究工作八十年代己經(jīng)開始。浙江大學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

23、管超音頻電源。從九十年代開始，浙江大學開始對 IGBT 超音頻電源進行研制，1996 年研制開發(fā)的 50kW/50kH,的 IGBT 電流型并聯(lián)逆變感應加熱電源己經(jīng)通過了浙江省技術(shù)鑒定，目前的研制水平為 200kW/50kflz。另外，浙江大學在 90 年代己經(jīng)研制成功30kW/300kHz MQSFET 高頻感應加熱電源，并己成功應用于小型刀具的表面熱處理和飛機渦輪葉片的熱應力考核試驗中?？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 影響感應加熱電源發(fā)展的主要因素影響感應加熱電源發(fā)展的主要因素(1)高頻化 目前 ,感應加熱電源在中頻段主要采用晶閘管，超音頻段主要是

24、 IGBT，而高頻段，隨著 MOSFET 和 1GBT 性能不斷改進，SIT 將失去存在價值。感應加熱電源諧振逆變器可實現(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)感應加熱電源高頻化仍有許多應用基礎技術(shù)需進一步探討。(2) 大容量化 從電路的角度，感應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)基礎上

25、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?shù)那闆r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)。串聯(lián)逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源，當兩電壓源并聯(lián)時，相互間的幅值，相位和頻率不同或波動時將導致很大的環(huán)流，以致逆變器件的電流產(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/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 感應加熱電源多應用于工業(yè)現(xiàn)場，其運行工況比較復雜，它與鋼鐵，冶金和金屬熱處理

26、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器，對高河南科技大學畢業(yè)設計論文7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

27、控制性能的感應加熱電源正成為下一代發(fā)展目標。(5) 高功率因數(shù)，低諧波電源 由于感應加熱用電源一般功率都很大，目前對它的功率因數(shù)，諧波污染指標還沒有具體要求，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)應用領(lǐng)域進一步擴大 當今高新技術(shù)飛速發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，感應加熱是一個重要的研發(fā)和加工手段，因此感應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 Planck研究所，C60納米材料的研究中就使用了400kHz/6OkW 的感應加熱電源?？梢钥隙ǖ恼f，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，感應加熱電源在

28、高新技術(shù)領(lǐng)域會有更廣泛的應用。在這一領(lǐng)域，對感應加熱電源的可靠性和可控性要求更高。如何設計制造大功率超高頻高性能的感應加熱電源，是電力電子科技工作者的重要課題41。河南科技大學畢業(yè)設計論文8第二第二章 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21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U

29、H、IH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22(a)所示，當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，負載電流由負變正時，電壓仍為負，導致反并聯(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22(b)所示，當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22(c)所示，當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問題，開關(guān)損耗河南科技

30、大學畢業(yè)設計論文9最小，但這種理想的換流點很難實現(xiàn)。圖2.2. 串聯(lián)諧振逆變器的三種工作狀態(tài)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；感應線圈接受能量，將電能轉(zhuǎn)化為熱能。半橋串聯(lián)諧振

31、逆變器主要優(yōu)點有：半橋串聯(lián)諧振逆變器相當于接有一個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加熱電源設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加熱電源設備的經(jīng)濟效益，同時還節(jié)省了空間，可以使感應加熱電源設備做的更小、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、河南科技大學畢業(yè)設計論文10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

32、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: （a）開關(guān)管S1導通 （b）二極管D2續(xù)流 （c）開關(guān)管S2導通 （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(1) 當開關(guān)管S1導通時，整流側(cè)電源和諧振電容CI(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25(a)所示；(2) 當開關(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

33、)所示；(3)當開關(guān)管S2導通時，整流側(cè)電源和諧振電容C2分兩路同時給負載反方向河南科技大學畢業(yè)設計論文11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25(c)所示：(4)當開關(guān)管S2關(guān)斷時，由于負載電感的作用，通過二極管Dl形成L-D1-C1-R-L回路續(xù)流，如圖25(d)所示；后一個周期繼續(xù)重復這一過程。第三章 主電路參數(shù)計算與選取河南科技大學畢業(yè)設計論文123.1.原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)主電路圖如下：圖 2.3 半橋串聯(lián)諧振逆變電路輸入電壓：交流 3-380V，輸入電壓頻率：50赫茲，額定輸出功率：P=30KW，最高工作頻率=20KHz，Ld為濾波電感

34、，Cd1、Cd2為橋臂電容，L為負載電感，C為諧振補償電容。 3.2 變壓器的設計變壓器的設計輸入三相工頻電壓經(jīng)整流后最大電壓:Uo=380=537V (2-1) 2變壓器原邊電壓: U1=537Q (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)，對于感應加熱電源一般取3，得出 U1= 5373= 1611V副邊電壓: U2取安全電壓 36V,則匝數(shù)比: K=N1/N2=U1/U2=1611/36=44.7545 (2-3)又對于感應加熱電源變壓器的副邊匝數(shù)一般為1匝，即N2 = 1,河南科技大學畢業(yè)設計論文13則 N1=N2K = 45 (2-4)

35、又輸出功率 P2 = 30KW,可得副邊電流:I2=P2/U2=30103W/36V833.4A (2-5)由此得出原邊電流: I1 = I2/K = 833.4/45 = 18.52A (2-6)取變壓器的效率為 1，變壓器一次、二次的總功率：Pt = P1+P2 = P1+ P1/=60KW (2-7)6P1為原邊輸入功率，P2為副邊的輸出功率。導線的截面積由電流密度 j 和電流有效值 I 決定，原、副邊導線的截面積分別為：j電流平均密度，根據(jù)工作頻率 f，考慮到集膚效應，根據(jù)變壓器的散熱條件，允許的工作溫升，選擇適當?shù)膶Ь€電流密度 j,對于自然冷卻的高頻變壓器，最好不超過 3A/mm ,

36、若有風冷可選擇 j3.56A/mm 。本次設計中 f=1KHz,允許22溫升不超過 100，采取風冷，所以取 j6A/mm 。92原邊導線截面積 F1=I1/j=18.52/6=3.08mm2副邊導線截面積 F2=I2/j=833.4/6=139.2mm23.3 確定整流晶閘管的參數(shù)整流后電流:I=P/Uo=30KW/537V=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:Ied=KizI/3=1.3755.8/350.8A (2-12)確定額定電壓 Ued取安全系數(shù)Kuz=1.48，則:Ued=KuzU0=1.48537=794.5V (2-13) 查下表可

37、選擇KP20.河南科技大學畢業(yè)設計論文143.4 LC 濾波器的設計在本設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，濾波電感很難做準確的計算，一般根據(jù)經(jīng)驗值選用，本論文設計的30KW感應加熱電源，可選用電感Ld=1.64mH。3.5 確定 IGBT 管參數(shù)IGBT是一種新的復合功率器件、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

38、，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8。表2.5 可控晶閘管主要額定值7 河南科技大學畢業(yè)設計論文153.5.1 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 =U1.1=3801.11.1=650V （2-14） 2 2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)；為安全系數(shù)，取1.1。關(guān)斷時的峰值電壓 Uceps = (Uo1.15+150) = (6501.15+150V) 1.1=987.25V 式中 Uceps為IGBT關(guān)斷

39、時的峰值電壓；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 = I1I1是變壓器一次側(cè)電流，在上面我們已得出 I1 =18.52A，即 I = 18.52A額定電流 Ie是IGBT手冊給出的在結(jié)溫25條件下的額定值。 Ics=I1.4=18.521.4=25.92A 式中 Ics 為IGBT額定電流計算值；I為每只IGBT管上的平均電流；1.4為Ie安全系數(shù)。綜上所述，所選IGBT管額定電壓1200V，額定電流 75A?？梢赃x用日本富士電機第四代S系列中2MB175S-120型。表2.6 富士電機P系列IGBT參數(shù)表

40、 河南科技大學畢業(yè)設計論文163.6 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: UP=Ud/2+U+UL （2-15） C=I1ton/4U （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U=10%（Ud/2）=10%537/227VUL-電感感應附加電壓UL=20%（Ud /2）=20%537/254Vton-功率開關(guān)管導通時間(S)。所以，把已知數(shù)據(jù)代入可求得 UP537/2+27+54351V Cd1Cd218.522510-6/(427)4.29F 為了其工作安全，

41、要留有一定的安全裕量，所以 UP取 540V，Cd1、Cd2取5F。3.7 計算感應加熱線圈的電感及主電路諧振電容感應加熱線圈的電感 L3=N2S/l取 感應加熱線圈匝數(shù) N=3,面積 S=(5/2)2cm2 ，磁路長度 l=3cm 在這里,感應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 為真空相對磁導率。得出 L=N2S/l=2.2210-6 H （2-17）與之對應的原邊電感為 L1=N12L3，L1=4.510-3H由此可得出 諧振電容 C = 1/(42f2L) =0.01410-6F河南科技大學畢業(yè)設計論文173.8 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

42、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知識的理解。同時，也認識到自己所學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。河南科技大學畢業(yè)設計論文18第四章 實驗結(jié)果及波形分析4.1 實驗結(jié)果在本次設計過程中，我們采用一補償電容實測值 C = 0.193F,勵磁電感實測值 L = 0.39mH 的半橋串聯(lián)諧振感應加熱電源，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=12.50KHz。B 表示

43、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)或準諧振狀態(tài)。圖 4.1 橋臂電壓和電流波形（100V）圖 4.2 橋臂電壓和電流波形（200V）河南科技大學畢業(yè)設計論文19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，表明電路工作在諧振狀態(tài)或準諧振狀態(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=12.6

44、4KHz。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，峰值為河南科技大學畢業(yè)設計論文2050V，f=12.68KHz，B 表示原邊電感電壓，峰值為 180V。由圖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/

45、50=3.6,且可以看出原邊電壓滯后于橋臂電壓 90。 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加熱電源可以達到預期的工作要求。（1）在空載狀態(tài)下，由于感應線圈的電感很小，導致電路的頻率很高，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，感應加熱電源應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，因而感應加熱線圈處電感降低，頻率又升高;加上等效電阻降低，導致電流升高。所以在加熱完成后應及時斷電。經(jīng)過實驗，加深了對感應加熱電源的認識，充實了畢業(yè)設計的實踐內(nèi)容。河南科技大學畢業(yè)設計論文21結(jié) 論本文主要是對感應加熱逆變電源主電路進行設計，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)管上的輸入電壓低，減小了開關(guān)管的電壓應力；設備節(jié)省空間，有良好的經(jīng)濟效益等優(yōu)點2.主電路的主要部分為輸入整流器、逆變器和感應電圈等組成。3. 按照設計給出的基本要求和參數(shù)（額定輸出功率 P=30KW，最高工作頻率=20KHz，三相 380V 輸入） ，通過理論計算，對電路各個部分的電流、電壓和功率參數(shù)進行了詳細計