大功率商用電磁加熱系統(tǒng)設(shè)計計算書

1、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(dāng)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(yīng)出漩渦狀的電流，簡稱渦流。渦流的大小與金屬材料的導(dǎo)電性、導(dǎo)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形成線圈的交流阻抗，導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)率、厚度 h ，金屬與線圈的距離，激勵電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。工業(yè)上把感應(yīng)加熱依頻率分為四種：工頻(50 Hz)

2、；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；超音頻和高頻交流電由大功率電子管振蕩器產(chǎn)生。圖1 渦流加熱原理圖電磁感應(yīng)加熱如圖1所示。高頻電磁感應(yīng)加熱方法是利用電磁感應(yīng)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(dāng)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(dāng)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： （1）式中：為以為半徑的圓內(nèi)交

3、變磁通在加熱體表面形成的渦流；為加熱體金屬的導(dǎo)電率； 為半徑r圓內(nèi)的磁通。將被加熱體和電磁感應(yīng)加熱線圈結(jié)合在一起，中問留有24 mm的間隙，電磁感應(yīng)加熱線圈通過高頻交變電流，便相當(dāng)于在電磁感應(yīng)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(yīng)加熱是利用電流通過線圈產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)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(yīng)”，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(yīng)電流強度為，沿感應(yīng)透入深度方向，距離表面處的感應(yīng)電流強度為，渦流的理

4、論透入深度為 （2）式中為電阻率()；為頻率(Hz)；為導(dǎo)磁率()。實際應(yīng)用中規(guī)定降至表面渦流強度的1e處的深度為“電流透入深度”，經(jīng)計算證明，865的熱量是發(fā)生在深度為的薄層內(nèi)。鋼鐵材料在感應(yīng)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(dǎo)磁率，即。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”。而隨著材料溫度的上升，會導(dǎo)致增大和下降，使渦流分布平緩，透入深度增大?？紤]一塊厚為，電阻率為，半徑為的金屬圓板，置于磁感應(yīng)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

5、分割成若干個寬度為、周長為，厚度為的金屬薄筒，任意一個薄筒的感生電動勢為 （3）薄簡的電阻為 （4）所以薄筒的瞬時熱功率為 （5）整塊金屬圓板的渦流的瞬時熱功率為 （6）設(shè)，則，渦流在一個周期內(nèi)的平均熱功率為 （7）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(yīng)強度，且金屬的電阻率要較小。由于感應(yīng)器的工作電流很大且頻率很高，在設(shè)計和應(yīng)用時，必須考慮電磁感應(yīng)的三個基本效應(yīng)：集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。集膚效應(yīng) 當(dāng)變化的電流在導(dǎo)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(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，因而影響導(dǎo)體中電流的分布，使電流趨向?qū)w表面。也就是說，愈靠近

6、導(dǎo)體的表面，電流的密度就越大。頻率越高，集膚效應(yīng)就越明顯。因此，在高頻狀態(tài)下，常采用中空導(dǎo)線，或用若干股并列的細導(dǎo)線作為輸出饋線。鄰近效應(yīng) 就是導(dǎo)體的鄰近還有其他載有變化電流的導(dǎo)體時，每一導(dǎo)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(dǎo)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(yīng) 是指環(huán)形導(dǎo)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(yīng)就越明顯。采用感應(yīng)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(yīng)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

7、值得指出的是，它通過感應(yīng)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，在安全性上大大提高了。感應(yīng)加熱具有以下優(yōu)點：(1)加熱速度快。由于感應(yīng)加熱過程主要是依靠電流感應(yīng)透熱和傳導(dǎo)的方式實現(xiàn)，故在很短的時間內(nèi)便能加熱到預(yù)期的溫度。(2)熱損少、加熱效率高。在感應(yīng)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

8、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(biāo)1.1輸入電壓：三相380V±20%，50Hz；1.3 工作環(huán)境溫度：（-10 +60）；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(fù)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

9、護和故障報警顯示功能；2.5 關(guān)機散熱風(fēng)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3.1主機箱外殼尺寸圖2 主機箱主要尺寸主機箱尺寸圖：3.2.3 LED顯示屏控制接口定義和原理圖3 LED顯示屏圖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(yīng)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

10、 輸入?yún)?shù)計算最大輸出功率系統(tǒng)效率則變換器最大輸入功率輸入電壓380V±20%，最大456V，最小304V，三相全橋整流后，最大直流電壓最小直流電壓因此輸入最大電流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)計圖5 電磁灶系統(tǒng)框圖 電磁灶系統(tǒng)框圖如圖5所示。市電交流380 V經(jīng)過濾波整流后變?yōu)榇蠹s510 V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(yīng)等效到原邊，用L、R串聯(lián)表示。當(dāng)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

11、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。串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的形式如圖6所示，其中是諧振電感，是諧振電容，渦流等效阻抗R。Usinwt圖6 串聯(lián)諧振電路對圖3所示的電路圖，導(dǎo)納可表示為 （9）它是頻率的函數(shù)，令，則有： （10）由式（10）可以看出，在諧振時，即時，電感和電容阻抗相互抵消，電路阻抗為純電阻負載，電路對數(shù)幅頻特性曲線如圖7所示。圖7 對數(shù)幅頻特性曲

12、線令串聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)為 （11）則式（10）可改寫為 （12）電路諧振時，設(shè)電源電壓為，則電流為，電容電壓 （13）當(dāng)時 （14）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倍。諧振時通過調(diào)整工作頻率，調(diào)整通過開關(guān)管，S1、S2的開通和關(guān)斷，感應(yīng)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(dāng)逆變器工作在諧振頻率時，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的方波，只要，而且值足夠大，電流幾乎為正弦波 （15）為方波電壓的基波分量幅值。輸出功率 （16）若輸出15kw，不考慮效率，等效

13、電阻當(dāng)逆變電路的工作頻率大于諧振頻率（，且），作用相當(dāng)于一個電感 （17）諧振電路的阻抗等值于電路，工作于感性負載，電流滯后于電壓 （18）當(dāng)逆變電路的工作頻率小于諧振頻率（，且），作用相當(dāng)于一個電感 （19）諧振電路的阻抗等值于電路，工作于容性負載，電流超前于電壓 （20）從上面分析可以看出，當(dāng)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(dāng)渦流發(fā)生時，渦流本身也會產(chǎn)生磁場，其強度取決于

14、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形成線圈的交流阻抗，導(dǎo)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，當(dāng)工作頻率遠大于此諧振值時，其輸出電流滯后電壓約90度電角度。有鍋時，電感值增大，即，諧振頻率減小，不同的鍋諧振頻率不同。最大諧振頻率，當(dāng)工作頻率接近于此諧振值時，負載等效為負載，其輸出電流滯后于電壓，小于90度電角度，當(dāng)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(dāng)于調(diào)解了磁感應(yīng)強度B，而

15、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(yīng)用或同時應(yīng)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，電感為，最小諧振頻率為3.3 工作過程分析圖8 半橋電路半橋電路如圖2所示，為了分析方便，重畫其電路如圖8所示。當(dāng)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(dǎo)通狀態(tài)，負載中流過電流（如

16、圖5中實現(xiàn)表示），當(dāng)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(dǎo)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。圖10感性負載時的工作過程當(dāng)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，設(shè)某一時刻，開關(guān)管S1處于導(dǎo)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(dǎo)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

17、表示），如圖10中所示。二極管D1導(dǎo)通后，S1實際上已不起作用，當(dāng)S1關(guān)斷，S2導(dǎo)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(fù)電流，此恢復(fù)電流將通過D1、S2使電源短路，從而危及IGBT。當(dāng)S2導(dǎo)通末期，電流再次提前反向，D2續(xù)流，此時如果S1導(dǎo)通，D2將承受反向電壓而強迫關(guān)斷，二極管D2反向恢復(fù)電流和S2使電源短路。通過上面分析可以看出，當(dāng)電路工作于容性狀態(tài)時，IGBT的交替導(dǎo)通，由于二極管反向恢復(fù)電流較大，IGBT損耗較大，不適合頻繁起動的工作場合，容易導(dǎo)致IGBT的損壞。當(dāng)電路工作于感性狀態(tài)時，IGBT可以實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通，開關(guān)損耗取決于電流滯后的角度。因此，要讓

18、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） 功率跟定電路圖11 功率給定電路由于電位器為1k，為了保證輸出最大值為3V，取3.9。當(dāng)電位器最大時輸出：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(dāng)溫度150攝氏度時，輸出3V。LM35每度變化10mV，150度時輸出電壓采用同相放大器其放大倍數(shù)為2，即放大倍數(shù)=1+=23）5V分壓為3.3V分壓電電阻分別為上電阻，下電阻。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，L

19、M350；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，0.3A，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(dāng)

20、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(yīng)關(guān)系，不同材質(zhì)、大小的鍋有著不同的對應(yīng)關(guān)系。為了防止不同材質(zhì)、大小的鍋在應(yīng)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；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(yīng)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(dāng)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(dāng)負載為容性時，母線電流有回流（有正負電

21、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，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(dāng)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

22、、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、溫度和功率給定值，是否超標(biāo)，第四塊，檢鍋，第五步：提鍋。 16圖12 主程序流程圖主電路供電啟動SPI發(fā)送輸出平均功率、故障自檢正常否？YN報警及顯示是否非正常關(guān)機？Star_flag?YN開始檢測電流、電壓、溫度、功率給定YY關(guān)斷IGBT報警及顯示N平均電流大于I*?溫度否大于設(shè)定？N關(guān)斷IGBT 頻率跟蹤電流、電壓是否大于設(shè)定值是否過流、過壓、欠壓？YN由功率給定計算工作Ton和停止時間Toff，開定時器關(guān)斷IGBTtoff秒以最大頻率啟動Ton=0?YN切斷主電源2、關(guān)斷IGBT子程序包括兩大部分：如果為

23、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(biāo)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12檔，可以連續(xù)調(diào)功也可以間歇調(diào)功。4 提鍋當(dāng)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，此時平均電流為零。通過檢測當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)。若PDPINTx有效，會由硬件將GPTCONA/B的TCOMPOE位清零