畢業(yè)設(shè)計(jì)中頻感應(yīng)加熱電源的設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中頻感應(yīng)加熱電源的設(shè)計(jì)（整流電路控制電路的設(shè)計(jì)）學(xué)生姓名：所在院（系）：機(jī)電學(xué)院所學(xué)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化導(dǎo)師姓名：完成時間：摘 要感應(yīng)加熱電源具有加熱效率高，速度快，可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化等優(yōu)點(diǎn)，目前已在金屬熔煉、工件透熱、淬火、焊接、鑄造、彎管、表面熱處理等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)研究了中頻感應(yīng)加熱及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀和趨勢，并在較全面的論述基礎(chǔ)上，對2.5kHz/250kW可控硅中頻感應(yīng)加熱電源的整流電路以及控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的電源電路可用于大型機(jī)械熱加工設(shè)備的感應(yīng)加熱電源。整流電路采用三相橋式全控整流電路，其

2、電路結(jié)構(gòu)簡單，使電源易于推廣；控制策略選用雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，改善了信號遲滯的缺點(diǎn)，為以后研制大功率、超音頻的感應(yīng)加熱電源打下了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：可控硅中頻電源；感應(yīng)加熱；逆變；保護(hù)電路Design of Induction heating power of medium frequencyAbstractInduction heating power is equipped with lots of advantages such as high heating efficiency, fast speed ,good controllability, which is prone to mak

3、e heating of high and partial temperature ，and realize mechanization and automation. At present metal melting, work piece heat penetration, quenching, welding, casting, elbow piece, surface heating processing has been widely applied. Induction heating of medium frequency and development, current sit

4、uation, and tendency related technology has been studied，and have made quite comprehensive and in the profound elaboration foundation, this article has carried on the design to main circuit and the inversion control of the 2.5kHz/250kW silicon-controlled rectifier intermediate frequency induction he

5、ating power. This design is used for big facility of mechanical heating processing. Structure of rectification circuit is easy, which makes power popularized easily. Three-phase bridge rectification circuit is used in Rectification circuit. Rectification circuit uses feedback control of two closed l

6、oop, improving the disadvantages. The foundation for inventing induction heating power of big power and super audio is made.Key words：Controllable silicon medium power Induction heating Inverter Protect circuit目 錄1.緒論11.1 感應(yīng)加熱電源的特點(diǎn)和應(yīng)用11.2 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段11.3 感應(yīng)加熱電源發(fā)展的主要因素21.4 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢22.感應(yīng)加熱電源32.1 基本

7、工作原理32.2 基本結(jié)構(gòu)43.整流電路設(shè)計(jì)53.1 整流電路的分類53.2 整流電路的選擇53.3 三相橋式全控整流電路63.4整流電路的參數(shù)設(shè)計(jì)84.控制電路設(shè)計(jì)94.1 控制電路系統(tǒng)的概述94.2 控制電路的結(jié)構(gòu)與原理94.3 控制電路的作用114.4 控制策略114.5 2.5kHz/250kW感應(yīng)加熱電源控制電路結(jié)構(gòu)144.6 控制觸發(fā)回路頻率跟蹤調(diào)節(jié)154.6.1 觸發(fā)要求154.6.2 頻率跟蹤電路154.7 過流和過壓的保護(hù)電路165.結(jié) 論17致 謝18參考文獻(xiàn)191.緒論1.1 感應(yīng)加熱電源的特點(diǎn)和應(yīng)用感應(yīng)加熱是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用工件中渦流產(chǎn)生的熱量對工件進(jìn)行加熱的。由

8、于感應(yīng)加熱效率高，速度快，可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化等優(yōu)點(diǎn)，已在熔煉，鑄造，彎管，熱鍛，焊接和表面熱處理等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。在國外，感應(yīng)加熱技術(shù)已日趨成熟。在鑄造方面，正在迅速發(fā)展雙聯(lián)熔煉工藝，即利用中頻爐保溫改性，進(jìn)行球墨鐵或合金鋼的精密澆鑄；在鍛造方面，利用感應(yīng)加熱實(shí)現(xiàn)快速透熱熱鍛，其材料利用率可達(dá)85%，鍛件表面光潔度可小于50m；在焊接，淬火方面，國外一方面致力于開發(fā)大功率全固態(tài)高頻電源，一方面致力于開發(fā)高度自動化的熱處理成套處理系統(tǒng)。我國鑄件用量大，而鑄造行業(yè)仍以沖天爐熔煉為主，溫度及成分波動大，廢品率高。目前，我國較好的鑄造業(yè)廢品率也在6%15%間，

9、而一般鑄造廠的廢品率高達(dá)30%。隨著我國電力供應(yīng)的改善，環(huán)保要求的提高，發(fā)展和擴(kuò)大感應(yīng)加熱的規(guī)模，在大型企業(yè)推廣雙聯(lián)熔煉工藝，改造我國鑄造行業(yè)是符合我國煤炭資源豐富特點(diǎn)的一條有效途徑。這項(xiàng)改造工程不但涉及到保溫爐的設(shè)計(jì)制造，雙聯(lián)熔煉工藝的最佳化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還涉及到大功率中頻感應(yīng)加熱電源等。同樣地，在鍛造，焊接，淬火熱處理方面全面推廣國外先進(jìn)技術(shù)，改造我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是必然趨勢。近年來在某些高新技術(shù)的研究開發(fā)中也使用了感應(yīng)加熱。上述這些先進(jìn)技術(shù)的推廣和發(fā)展均與感應(yīng)加熱電源技術(shù)的研究和發(fā)展密切相關(guān)。1.2 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段（1）在50年代前，感應(yīng)加熱電源主要有:工頻感應(yīng)熔煉爐，電磁倍頻器，中頻

10、發(fā)電機(jī)組和電子管振蕩器式高頻電源。50年代末可控硅的出現(xiàn)則標(biāo)志著固態(tài)半導(dǎo)體器件為核心的現(xiàn)代電力電子學(xué)的開始。硅晶閘管的出現(xiàn)推動了感應(yīng)加熱電源及應(yīng)用的飛速發(fā)展。至今，在中頻（500Hz10kHz）范圍內(nèi)，晶閘管中頻感應(yīng)加熱裝置已完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機(jī)組和電磁倍頻器。在高頻范圍內(nèi)，由于晶閘管本身開關(guān)特性等參數(shù)的限制，給研制該頻段的電源帶來了很大的技術(shù)難度，它必須通過改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才有可能實(shí)現(xiàn)。（2）70年代末到80年代初，現(xiàn)代半導(dǎo)體微機(jī)集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)的結(jié)合，為開發(fā)新型功率半導(dǎo)體器件提供了條件，相繼出現(xiàn)了一大批全控型電力電子半導(dǎo)體器件，極大地推動了電力電子學(xué)發(fā)展，為固態(tài)超音頻，高

11、頻電源的研制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（3）1983年IGBT的問世進(jìn)一步推動了感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。IGBT綜合了MOS和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有通態(tài)壓降低，開關(guān)速度快，易驅(qū)動等優(yōu)點(diǎn)，自1988年解決了擎住問題后，大功率高速IGBT己成為眾多加熱電源的首選器件，頻率高達(dá)100kHz,功率高達(dá)MW級電源已可實(shí)現(xiàn)。（4）在超高頻(100kHz以上)頻段，長期以來由電子管振蕩式變換器產(chǎn)生。80年代興起由大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件為元件的逆變式高頻感應(yīng)加熱電源。1.3 感應(yīng)加熱電源發(fā)展的主要因素（1）感應(yīng)加熱電源的發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密切相關(guān)，而電力電子器件的發(fā)展又是與半導(dǎo)體微機(jī)集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)分不開

12、的。可控硅出現(xiàn)后，一代又一代的電力半導(dǎo)體器件先后問世，性能不斷改善，高耐壓和高耐流，低損耗、高頻率使得感應(yīng)加熱電源的性能和實(shí)用性得到了體現(xiàn)。（2）單片機(jī)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成芯片技術(shù)的發(fā)展使得對感應(yīng)加熱電源的復(fù)雜控制成為可能，體積和重量明顯減小，功率因素提高了，功率控制調(diào)節(jié)方便、準(zhǔn)確。（3）感應(yīng)加熱電源的發(fā)展離不開材料學(xué)的進(jìn)步如磁性材料學(xué)。同時，一些相關(guān)的技術(shù)如磁通集中器，感應(yīng)線圈的材料和設(shè)計(jì)，絕緣技術(shù)，故障診斷技術(shù)和遠(yuǎn)程控制、智能化技術(shù)等等也都影響其發(fā)展?？梢哉f，感應(yīng)加熱電源的發(fā)展是諸多學(xué)科和綜合技術(shù)共同決定的。1.4 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢（1）從電路的角度，感應(yīng)加熱電源的大容量化技術(shù)分兩

13、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(jìn)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(jī)容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可簡單地通過串并聯(lián)運(yùn)行方式得到大容量裝置，每臺單機(jī)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(jī)擴(kuò)容困難:而對并聯(lián)逆變器

14、，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)有足夠的時間來糾正直流電流的偏差，達(dá)到多機(jī)并聯(lián)擴(kuò)容。（2）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IGBT性能不斷改進(jìn)，SIT將失去存在價值。感應(yīng)加熱電源諧振逆變器可實(shí)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(shí)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(jìn)一步探討。（3）感應(yīng)加熱電源多應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，其運(yùn)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，

15、它的負(fù)載對象各式各樣，而電源逆變器與負(fù)載是一有機(jī)的整體，負(fù)載直接影響到電源的運(yùn)行效率和可靠性。對焊接，表面熱處理等負(fù)載，一般采用匹配變壓器連接電源和負(fù)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(shí)現(xiàn)匹配變壓器的效率，從磁性材料選擇到繞組的設(shè)計(jì)已成為重要課題。另外，從電路拓?fù)渖县?fù)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(shí)現(xiàn)高效，低成本隔離匹配。（4）隨著感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線自動化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(jì)算機(jī)智能接口、遠(yuǎn)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）由于感應(yīng)加熱用電源一般功率都

16、很大，目前對它的功率因數(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))及低諧波污染電源必將成為今后發(fā)展趨勢。（6）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?？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(jì)制造大功率超高頻、高性能的感應(yīng)加熱電源，是電力電子科技工作者的重要課題。2.感應(yīng)加熱電源2.1 基本工作原理感應(yīng)加熱是利用導(dǎo)體處于交變電磁

17、場中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流）所形成的熱效應(yīng)使導(dǎo)體本身發(fā)熱。根據(jù)不同的加熱工藝要求，感應(yīng)加熱采用的電源的頻率有工頻（5060Hz）、中頻(6010000Hz)和高頻(高于10000Hz)。感應(yīng)加熱的物體必須是導(dǎo)體，感應(yīng)加熱能在被加熱物體內(nèi)部直接生熱，因而熱效率高，升溫速度快，容易實(shí)現(xiàn)整體均勻加熱或局部加熱（包括表面加熱）。感應(yīng)加熱是利用交流電建立交變磁場產(chǎn)生渦流對金屬工件進(jìn)行感應(yīng)加熱的?；竟ぷ髟砣鐖D1所示，圖中A為感應(yīng)線圈（也稱負(fù)載線圈），B為被加熱的金屬工件。若線圈A中通以交流電流i1，則在線圈A內(nèi)產(chǎn)生隨時間變化的磁場，置于交變磁場中的被加熱工件B要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2，形成渦流i2，這些渦流使

18、金屬工件發(fā)熱，消耗電能。由上可知，感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加熱的金屬工件，然后在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，感?yīng)線圈與被加熱金屬不直接電接觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。 B A 圖1 感應(yīng)加熱基本原理由電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動勢為： （2-1）設(shè)磁通對時間t按正弦規(guī)律變化，即則 （2-2）其中感應(yīng)電動勢的幅值為：2為了要使金屬工件加熱到一定的溫度，必須要求金屬工件內(nèi)有足夠大的渦流，亦即要求金屬工件內(nèi)有較大的電動勢，從式（2-2）可知，要增大有如下兩種途徑：（1）增大線圈A中的電流。增大即增大金屬工件中的交變磁通的最大值。（2）增大線圈中電流的頻率。因?yàn)榻饘俟ぜ械母袘?yīng)電動勢正比于磁通變化率

19、，所以的頻率越高，感應(yīng)電動勢就越大。近代感應(yīng)加熱廣泛采用中頻及高頻電源的原因就在于此，也是成為感應(yīng)加熱電源研究的方向和追求的必然。2.2 基本結(jié)構(gòu)隨著電力電子學(xué)及功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)過不斷的完善，已形成一種固定的AC/DC/AC變換形式，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。一般由整流器、濾波器、逆變器及一些控制和保護(hù)電路組成。三相整流器濾波器逆變器負(fù)載整流器控制電路逆變器控制電路圖2 感應(yīng)加熱電源的基本結(jié)構(gòu)3.整流電路設(shè)計(jì)3.1 整流電路的分類整流電路是電力電子電路中最早出現(xiàn)的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣泛，電路形式各種各樣；按組成的器件可分為不可控、半控和全控三種，按電路結(jié)

20、構(gòu)可分為橋式電路和零式電路，按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路，按變壓器二次側(cè)電流的方向是單相或雙相，又分為半波電路和全波電路；實(shí)用電路是上述的組合結(jié)構(gòu)。整流電路的實(shí)質(zhì)就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。3.2 整流電路的選擇半波整流：變壓器的次級繞組與負(fù)載相接，中間串聯(lián)一個整流二極管，就是半波整流。利用二極管的單向?qū)щ娦?，只有半個周期內(nèi)有電流流過負(fù)載，另半個周期被二管所阻，沒有電流。這種電路，變壓器中有直流分量流過，降低了變壓器的效率；整流電流的脈動成分太大，對濾波電路的要求高。只適用于小電流整流電路。全波整流：一是變壓器與半流整流電路相同，但用四個二極管組成橋式電路，將次級線圈的正、負(fù)半

21、周都用起來；二是變壓器的次級繞組圈數(shù)加倍，中間抽頭，實(shí)際上由兩個次級線圈構(gòu)成。中間抽頭接負(fù)載一端，另兩個端子各串聯(lián)一個二極管后接負(fù)載的另一端。經(jīng)常使用的整流電源電路是效率高的全波整流電源電路，僅用電容器作為濾波電路的電路有中心抽頭式和橋式?，F(xiàn)在裝有4個整流二極管的橋式整流器能夠很便宜買到，而且變壓器的使用效率也高，所以幾乎都為橋式整流電路。橋式整流屬于全波整流，三相整流只有全波整流，沒有半波整流。三相全波整流也只有橋式整流。 所以在此設(shè)計(jì)中選用了三相橋式全控整流電路。3.3 三相橋式全控整流電路整流電路采用三相全控橋式整流電路，其作用為將從三相電網(wǎng)輸入的50Hz電壓整流成脈動的直流電壓。三相橋

22、式整流電路圖如圖3所示。圖3 三相橋式全控整流電路晶閘管AB、BC、CA接成共陰極，晶閘管AC、BA、CB接成共陽極，并與變壓器和負(fù)荷分別構(gòu)成兩個三相半波可控整流電路，兩個三相半波可控整流電路串聯(lián)就構(gòu)成三相橋式全控整流電路，如圖4所示。圖4 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路的輸出電壓為三相半波可控電路的兩倍三相橋式全控整流電路的輸出電壓為： （3-1）式中：輸出直流電壓平均值； 電網(wǎng)相電壓； 觸發(fā)移相角。當(dāng)=0時，對于共陰極組的晶閘管依次觸發(fā)陰極電位最高的晶閘管，對于陰極組的晶閘管組依次觸發(fā)陰極電位最低的晶閘管，使晶閘管導(dǎo)通。把一個周期平均分為6段，如圖5所示。 圖5 不同的輸出波形在

23、AB段內(nèi)，a相電壓最高，電流從變壓器a相繞組流出，經(jīng)過AB負(fù)荷和BA（在此段內(nèi)，b相電壓最低，共陽極組的晶閘管BA正處于導(dǎo)通狀態(tài)），回到變壓器b相繞組。a相繞組內(nèi)的電流為正，b相繞組內(nèi)的電流為負(fù)。負(fù)荷電壓Ud=Uab。在AC段內(nèi)，a相電壓仍然最高，晶閘管AB繼續(xù)導(dǎo)通，電流從a相繞組流出，經(jīng)過AB負(fù)荷和CB。晶閘管BA承受反向電壓而關(guān)斷，所以電流回到c相繞組。b相繞組內(nèi)的電流為正，c相繞組內(nèi)的電流為負(fù)。負(fù)荷電壓Ud=Uac。在AB和AC段內(nèi)，由于負(fù)荷的電感量較大，流過AB的電流也保持不變。在BC段內(nèi)，b相電壓最高，晶閘管BC因得到觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通，由于b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電位，所以晶閘管AB因承受反向

24、電壓而關(guān)斷。電流從b相繞組流出。在這一段內(nèi)，c相電壓仍然最低，晶閘管CB繼續(xù)導(dǎo)通。負(fù)荷電壓Ud=Ubc。在BA段內(nèi)，BC和AC導(dǎo)通，Ud=Uba。在CA段內(nèi)，AC和CA導(dǎo)通，Ud=Uca。在CB段內(nèi)，CA和BA導(dǎo)通，Ud=Ucb。 上面圖5是不同時的輸出電壓波形給出了在感性負(fù)載電流非斷續(xù)的狀態(tài)下，不同角下的輸出電壓的波形，其中的狀態(tài)稱為整流橋的逆變工作狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)是負(fù)載向電網(wǎng)反饋能量。3.4整流電路的參數(shù)設(shè)計(jì)(1)二極管電壓額定值；二極管的耐壓可按式(3-2)確定，根據(jù)電網(wǎng)電壓，考慮到其峰值、電壓波動等因素。取波動系數(shù)為1.3，安全系數(shù)=1.5。 （3-2）由于交流側(cè)電壓為380V，代入上式，

25、可得： （3-3）(2)確定電流額定值I：整流二極管的電流額定值是根據(jù)其結(jié)溫而確定的，可按式(3-4)來確定： （3-4）式中：沖擊電流值；安全系數(shù)，取=2；將上式變形為：A （3-5）需要說明的是，由于有的存在，在開始啟動時，可以使其占空比很小，這樣幾乎沒有沖擊電流，所以實(shí)際上二極管的耐流可以更小。（3）的選??；的耐壓和耐流與整流二極管是相同等級的。由于頻率較高，所以要選擇GTR、MOSFET、IGBT等工作頻率較高的自關(guān)斷器件。（4）電力電容的計(jì)算；因?yàn)槭?個脈動整流波動，50Hz電網(wǎng)輸入。周期為20ms，所以每個波動的時間為20/64ms，根據(jù)公式(3-6)可以得到： （3-6）式中，取

26、I=115.83A，t=4ms，=600V ,得到：C=772.2F可以選取3000F/400V的電容4個串聯(lián)，這樣實(shí)際的容量為750F，耐壓為1600V。4.控制電路設(shè)計(jì)4.1 控制電路系統(tǒng)的概述敢應(yīng)加熱對其電源提出了一定的技術(shù)要求，感應(yīng)加熱電源的控制系統(tǒng)就是根據(jù)這些要求來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的。在生產(chǎn)過程中，根據(jù)不同的工藝，中頻電源不僅要輸出各種不同的功率，而且還需要在各種擾動下維持和調(diào)整各種指標(biāo)。例如鍛坯加熱時，為保證工件的出口溫度，電源必須具有電壓自動調(diào)節(jié)的能力，以適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動的影響。另外，在感應(yīng)加熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下，電路中會出現(xiàn)過電流和過電壓，控制系統(tǒng)中保護(hù)部分應(yīng)該負(fù)責(zé)故障的處理。因此

27、，與其他自動裝置一樣，中頻電源必須具備相應(yīng)的控制功能，才能有可靠的工作和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。隨著加熱工業(yè)的發(fā)展和新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝的變化，對感應(yīng)加熱電源的控制系統(tǒng)功能的要求也更加的多樣化和智能化。4.2 控制電路的結(jié)構(gòu)與原理控制電路包括整流控制電路、逆變控制電路，保護(hù)電路等，如圖6所示。 逆變觸發(fā)電路調(diào)頻電路電壓檢測電路給定電壓比較放大電路啟動控制同步信號電源變壓器整流觸發(fā)電路電流檢測電路移制電路濾波逆變負(fù) 載三相全控整流三組工電 源整流濾波給定電壓整流濾波比 較 電路圖6 感應(yīng)加熱電源控制電路整流控制電路的任務(wù)是根據(jù)各種輸入信號(給定，反饋，故障等)綜合情況發(fā)出寬度合適的脈沖，以便輸出合適的直流電

28、壓。感應(yīng)加熱電源主要用于工業(yè)快速，均勻加熱，特點(diǎn)是隨著加熱過程的進(jìn)行，負(fù)載不斷變化，負(fù)載的固有諧振頻率變化，功率因數(shù)變化。這些變化取決于負(fù)載的電氣特性如導(dǎo)電性、滲透性、耦合系數(shù)和幾何性質(zhì)如形狀等等；同時，不同的負(fù)載需要的功率大小也不同，這樣必須對逆變器的輸出功率和頻率都做相應(yīng)的調(diào)整。也就是說，整流側(cè)和逆變側(cè)是協(xié)調(diào)工作的。在本設(shè)計(jì)中采用的是由整流側(cè)調(diào)節(jié)功率，逆變側(cè)進(jìn)行頻率跟蹤方案。整流橋的控制一般用典型的全可控整流(在不要求移相調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓時)或可控整流(需要調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓時)，具體用哪一種取決于控制策略。逆變控制電路包括開關(guān)器件的驅(qū)動電路，死區(qū)形成電路，鎖相環(huán)電路。其中，驅(qū)動電路所產(chǎn)生的脈沖

29、的次序和占空比由控制策略決定，硬件主要是由集成驅(qū)動模塊及其一些外圍電路組成，也有用純模擬電路搭成的，還可以是數(shù)字與模擬電路共同合成。死區(qū)形成電路在串聯(lián)諧振型中是必不可少的，有的集成驅(qū)動模塊中含有該單元，在設(shè)計(jì)時就可以省略；有的雖然含有一定的延遲環(huán)節(jié)，但時間太短，需要另加延遲。鎖相環(huán)電路的目的是跟蹤負(fù)載的諧振頻率，從而控制逆變電路的工作頻率，這就是所謂的鎖相控制。一般采樣電壓取自負(fù)載電容兩端，這是由于電容對高次諧波的阻抗小，其端電壓的高次諧波分量最小，基波分量最大。以此信號作為反饋，可有效降低高次諧波的干擾，使系統(tǒng)能穩(wěn)定地跟蹤諧振頻率，再加上適當(dāng)?shù)钠秒娐?，可以使得工作頻率略高于諧振頻率。保護(hù)電

30、路主要是防止過電流，短路保護(hù)。功率調(diào)節(jié)方式有三種：（1）改變功率因數(shù)z通過改變工作頻率來改變功率因數(shù)。通常，為減小器件開關(guān)損耗，工作頻率應(yīng)大于諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點(diǎn)附近負(fù)載等效阻抗最低，如圖7所示，電流最大，因而輸出功率也最大。 f0 f1 fQ1Q3Q1Q4Q2Q4tt圖7等效阻抗的頻率特性 圖8 移相控制開關(guān)動作當(dāng)提高工作頻率時阻抗也隨之增大，電流減小，功率因數(shù)也減小，因此輸出功率隨之減小。由此可見，逆變器的輸出功率可由工作頻率來調(diào)節(jié)，特別當(dāng)負(fù)載回路Q值較高時調(diào)節(jié)更靈敏。因此，直流端可為三相全控整流電源。逆變電路的工作頻率f的大小由所需的功率要求決定。這種調(diào)功方法速度

31、快,整流電路簡單。但是當(dāng)所需功率很小時，會讓系統(tǒng)工作在嚴(yán)重失諧的狀態(tài)，無功損耗大。（2）改變直流電壓移相調(diào)功是通過移相控制，即每個橋臂的兩個開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個橋臂的導(dǎo)通角相差一個相位，即移相角，通過調(diào)節(jié)移相角的大小調(diào)節(jié)負(fù)載電壓的寬度，從而調(diào)節(jié)輸出功率，如圖8所示。根據(jù)脈沖的作用先后可把橋臂分為超前臂(Q1, Q3)和滯后臂(Q2、Q4)。移相調(diào)功時電路仍工作在諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓基波分量與負(fù)載電流同相。在兩橋臂開關(guān)器件都關(guān)斷時，由反并聯(lián)二極管續(xù)流。（3）調(diào)頻來調(diào)節(jié)輸出功率目前，高頻感應(yīng)熱處理電源采用橋式逆變電路，通過調(diào)頻的方式來調(diào)節(jié)輸出功率。為了減小逆變管的開關(guān)損耗，逆變器的工作頻率大于其

32、諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點(diǎn)附近的輸出功率最大，當(dāng)提高逆變器工作頻率時，負(fù)載等效阻抗增高，輸出功率減小，輸出功率因數(shù)很低，而且逆變器主開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，效率低。高頻感應(yīng)熱處理逆變電源采用并聯(lián)諧振式全橋DC/AC逆變電路，以晶閘管為主開關(guān)器件，由電流調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)組成雙閉環(huán)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，用頻率跟蹤電路控制逆變器的工作頻率，使逆變器始終工作于諧振狀態(tài)，逆變器輸出功率因數(shù)接近于1，而且能始終工作在準(zhǔn)零電流開關(guān)狀態(tài)、整機(jī)工作效率較高。4.3 控制電路的作用感應(yīng)加熱電源的控制電路必須至少起著以下作用:（1）調(diào)節(jié)控制電路必須對整流電路、逆變電路等系統(tǒng)主電路部分進(jìn)行功能控制

33、。對于整流電路、逆變電路必須在各種擾動下維持系統(tǒng)各參量(如電流、輸出電壓等)不偏離其設(shè)定值。（2）上述各參量因各種故障而超出其設(shè)定的極限值時，控制電路應(yīng)將調(diào)節(jié)器封鎖，使整流電路轉(zhuǎn)入逆變工作狀態(tài)。（3）是為了達(dá)到調(diào)節(jié)和保護(hù)等目的，系統(tǒng)必須具有對各種參量進(jìn)行測量和監(jiān)視的能力。例如對冷卻水的壓力、水流量、水溫，控制柜中的氣溫，中頻電壓和電流等參量的測量和監(jiān)視。（4）中頻加熱電源的負(fù)載頻率必須要實(shí)現(xiàn)自動跟蹤功能。（5）控制為了協(xié)調(diào)各部分工作，保證整個電源能按照預(yù)定的程序正常運(yùn)行，系統(tǒng)必須具有嚴(yán)密的控制操作。但是，與其他自動裝置相比較，中頻電源對各項(xiàng)調(diào)節(jié)品質(zhì)指標(biāo)的要求(動態(tài)的和靜態(tài)的)相對要低一些。而動

34、態(tài)指標(biāo)與靜態(tài)指標(biāo)相比，后者是主要的。前者僅限于電源在擾動下不至于失去控制。4.4 控制策略直到目前為止，工業(yè)中常用的中頻電源仍以并聯(lián)諧振逆變電路為主，功率調(diào)節(jié)方式都是采用單獨(dú)調(diào)節(jié)可控整流器輸出電壓的方法。中頻電源的開環(huán)控制如圖9所示。d2給定電壓整流控制角調(diào)節(jié)器UsaUdUdUNTCf U0d1負(fù)載電路可控整流逆變電路濾波電路圖9 中頻電源開環(huán)原理控制過程如下：整流觸發(fā)控制角調(diào)節(jié)器把輸入控制信號轉(zhuǎn)換成控制角?？煽卣麟娐吩陔娋W(wǎng)電壓為的條件下把轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓；經(jīng)過濾波電感后，逆變器將輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率為f的中頻電壓向負(fù)載輸出電能；負(fù)載電路將中頻電壓轉(zhuǎn)換成工件溫度，改變控制信號即可改變工件

35、溫度。開環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但是對擾動沒有調(diào)節(jié)能力。逆變觸發(fā)電路脈沖形成電路UsaUdUnfd1UdU0UtU1 可控整流給定電壓d2電壓調(diào)節(jié) 器Tc負(fù)載電路電壓反饋電路整流控制角調(diào)節(jié)器濾波電路逆變變路圖10 中頻電源控制原理閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理圖如10所示。電壓反饋電路把輸出中頻電壓，轉(zhuǎn)換成反饋電壓（直流），后者與給定電壓Us相比較，并產(chǎn)生差值電壓；電壓調(diào)節(jié)器將此差值電壓放大。這樣系統(tǒng)在外界干擾和的作用下也能維持輸出電壓為恒值。擾動模擬三相電網(wǎng)電壓的波動；擾動模擬由于負(fù)載性質(zhì)變時所引起的阻抗變化，當(dāng)直流電壓為定值時，負(fù)載阻抗變化將引起輸出電壓的變化。圖中另一內(nèi)環(huán)描述逆變電路具有頻率自動跟蹤

36、的能力。脈沖形成電路將連續(xù)變化的負(fù)載電壓換成同步脈沖，作為逆變觸發(fā)電路的控制信號。經(jīng)過感應(yīng)加熱的產(chǎn)品最重要的技術(shù)指標(biāo)就是溫度。還可以通過測量溫度然后作為反饋信號進(jìn)行控制。中頻輸出功率與工件溫度之間存在如下關(guān)系： （4-1）式中： 電源總效率； C鍛件的比熱容； 鍛件加熱時間； G鍛件質(zhì)量；環(huán)境溫度。 （4-2）式中：中頻電壓 等效電阻故有： （4-3）生產(chǎn)過程中若要保持工件的溫度在控制的范圍內(nèi)，工件的溫度是控制的關(guān)鍵因素。由上面的分析可知，調(diào)節(jié)中頻電壓的值就可達(dá)到調(diào)節(jié)鍛件溫度的目的。而中頻電壓在生產(chǎn)過程中會發(fā)生波動，且溫度控制具有一定的滯后性，所以，在控制鍛件溫度的控制系統(tǒng)中，一般采用溫度和電

37、壓雙閉環(huán)的方法。溫度和中頻電壓串級控制，溫度閉環(huán)為外環(huán)，電壓閉環(huán)為內(nèi)環(huán)。系統(tǒng)控制框圖如圖11所示。TrVR R整流控制角調(diào)節(jié)器電壓反饋溫度反饋UsUrUdUUHfTrP I調(diào)節(jié)P I調(diào)節(jié)可控 整流濾波電路逆變電路負(fù)載電路Tg圖11 感應(yīng)加熱溫度控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的控制系統(tǒng)外環(huán)根據(jù)用戶給定的設(shè)定溫度和反饋的工件溫度進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后設(shè)定給定電壓值，內(nèi)環(huán)根據(jù)和中頻電壓反饋經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后通過整流控制角調(diào)節(jié)器設(shè)定整流的角，控制中頻電源的輸出功率。在電壓閉環(huán)和溫度閉環(huán)中都采用了PI調(diào)節(jié)器。比例調(diào)節(jié)P反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減少偏差，較大的比例系數(shù)可以使系統(tǒng)很快到達(dá)設(shè)定位

38、，但是也增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性；積分調(diào)節(jié)I用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度；在感應(yīng)加熱中，熱慣性比電慣性大得多，所以一般忽略微分調(diào)節(jié)D，在實(shí)際設(shè)備中采用PI調(diào)節(jié)雙閉環(huán)控制。本裝置是采用電流電壓雙閉壞控制電路。4.5 2.5kHz/250kW感應(yīng)加熱電源控制電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的2.5kHz/250kW感應(yīng)加熱電源的控制電路是電流電壓雙閉環(huán)控制，其中采用電流為內(nèi)環(huán)，電壓為外環(huán)的控制方式，如圖12所示。三相全控整流器 橋?yàn)V波電抗逆變電路負(fù)載電路電流反饋電壓反饋UgaUfIfIgP I調(diào)節(jié)P I調(diào)節(jié)圖12 2.5kHz/250kW感應(yīng)加熱器的控制系統(tǒng)圖中Ug為給定電壓，Uf為負(fù)載反饋電壓，If為負(fù)載反饋電流

39、，Ig為負(fù)載電流給定，為三相全控整流橋的導(dǎo)通角。通過對主回路的三相全控整流橋的控制，即對三相全控橋的六個晶閘管導(dǎo)通角的控制，來實(shí)現(xiàn)對負(fù)載功率的控制。并聯(lián)逆變式負(fù)載采用頻率自動跟蹤，需要對單相逆變器通斷的控制，來保證負(fù)載電路為諧振回路，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載的功率輸出最大。其控制電路如圖13所示。圖13 控制版電路4.6 控制觸發(fā)回路頻率跟蹤調(diào)節(jié)4.6.1 觸發(fā)要求為使逆變器可靠換向，必須按一定引前功率因數(shù)運(yùn)行。逆變器在加熱過程中，爐子的電感是個變量，其震蕩頻率在加熱過程中是不斷地變化的，為使逆變器安全地工作，觸發(fā)頻率必須緊跟爐子電感的變化。同時逆變器電流超前于電壓的角度不能太小，否則晶閘管承受反向電壓的

40、時間太短，就不能可靠地關(guān)斷晶閘管，待負(fù)載電壓過零后，管子又將得到正向電壓，造成換向失敗，但引前觸發(fā)角不能太大，它會造成功率因數(shù)下降，輸出電壓值升高。總之觸發(fā)應(yīng)是在一定的引前角下進(jìn)行，逆變器的換向必須在負(fù)載電壓過零前結(jié)束，逆變器觸發(fā)頻率必須跟蹤于負(fù)載頻率。4.6.2 頻率跟蹤電路頻率自動跟蹤可由逆變器或負(fù)載端的電流或電壓量，經(jīng)過處理，產(chǎn)生脈沖，使逆變器隨爐子參數(shù)的變化不斷改變觸發(fā)脈沖頻率。它分為兩種恒時間原則及恒功率因數(shù)原則。（1）恒時間t原則，即加熱過程中始終保持引前觸發(fā)時間為恒值。其缺點(diǎn)是當(dāng)換向重疊時間增加時，安全余量勢必減小，對換向不利。啟動時為使逆變器可靠換向，需人為增大t值。本原則功率

41、因數(shù)隨爐子負(fù)載變化而變化。（2）恒功率因數(shù)原則，其目的是爐子在加熱運(yùn)行過程中，始終保持引前觸發(fā)角平為恒定值。本原則在運(yùn)行中當(dāng)頻率降低時，tf將自動增大，使引前觸發(fā)角保持不變，啟動時雖然換向重疊時間增大，但因頻率較低也能保證tk有足夠的值，爐料溫度升高的過程中tf值將自動減小，由于負(fù)載電流下降，tk值幾乎不受影響，本裝置隨頻率自動變化。4.7 過流和過壓的保護(hù)電路電力電子半導(dǎo)體器件特點(diǎn)之一是承受過電壓、過電流的能力較差，一旦遇到故障，幾乎瞬間就壞。為了提高電力電子裝置的可靠性，除了在選擇器件時，需有一定的電壓和電流裕量外，還需要采用一定的保護(hù)措施。一般過電壓是用阻容元件吸收和消耗產(chǎn)生過電壓的能量，或是選用非線性元件限制過電壓的幅度和用電子電路來實(shí)施保護(hù)等方法來抑制過電壓。過電流一般是采用快速熔斷器，快速直流開關(guān)和電子電路來實(shí)施過電流保護(hù)的?？煽毓杵骷目惯^流能力較弱，熱容量較小，過載電流流過器件時會使器件溫度迅速上升，如來不及切斷或限制過電流，很快就會使器件因溫度過高而損壞；過載電流越大器件能承受過電流時間越短，因此線路設(shè)計(jì)須考慮保護(hù)。本設(shè)計(jì)是采用快速熔斷器的保護(hù)措施，這是一種最簡單有效的過電流保護(hù)器件。它