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1、精品学习资源毕业设计论文掌握系统的设计课 题：功率可调中频感应加热电源院 系）： 专 业： 同学姓名： 学 号：欢迎下载精品学习资源摘 要中频感应加热以其加热效率高、速度快，可控性好及易于实现机械化、自动化等优点，已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用；本设计依据设计任务进行了方案设计，设计了相应的硬件电路，研制了20KW中频感应加热电源；本设计中感应加热电源采纳IGBT 作为开关器件，可工作在10 Hz 10 kHz 频段；它由整流器、滤波器、和逆变器组成；整流器采纳不行控三相全桥式整流电路；滤波器采纳两个电解电容和一个电感组成型滤波器滤波和无源功率因数校正；逆变器
2、主要由 PWM 掌握器 SG3525A 掌握四个 IGBT 的开通和关断，实现 DC-AC 的转换；设计中采纳的芯片主要是 PWM 掌握器 SG3525A 和光耦合驱动电路HCPL-316J；设计过程中程充分利用了SG3525A 的掌握性能，具有宽的可调工作频率，死区时间可调，具有输入欠电压锁定功能和双路输出电流；由于HCPL-316J 具有快的开关速度500ns），光隔离，故障状态反馈，可配置自动复位、自动关闭等功能，所以挑选其作为 IGBT的驱动；对原理样机的调试结果说明，所完成的设计实现了设计任务规定的基本功能；此外，为了满意不同器件对功率需要的要求，设计了功率可调；这部分超出了设计任务
3、书规定的任务；关键词：感应加热电源；串联谐振；逆变电路；IGBT欢迎下载精品学习资源目录欢迎下载精品学习资源引言 . .11绪论 . .21.1感应加热的工作原理 21.2感应加热电源技术进呈现状与趋势 . .32感应加热电源实现方案讨论. .52.1串并联谐振电路的比较 . .52.2串联谐振电源工作原理 72.3电路的功率调剂原理 . .82.4本课题设计思路及主要设计内容 . .83感应加热电源电路的主回路设计 . .93.1主电路的主要设计元器件参数 . .93.2感应加热电源电路的主回路结构 . .93.2.1主回路的等效模型.103.2.2整流部分电路分析.133.2.3逆变部分电
4、路分析.153.3系统主回路的元器件参数设定 . .163.3.1整流二极管和滤波电路元件挑选.163.3.2IGBT 和续流二极管的挑选 .173.3.3槽路电容和电感的参数设定.184掌握电路的设计 . .194.1 掌握芯片 SG3525A. . 194.1.1内部规律电路结构分析 204.1.2芯片管脚及其功能介绍 .214.2电流互感器 . .235驱动电路的设计 . .245.1绝缘栅双极型晶体管 比较简洁实现电源高功率化，但在高频情形下，其开关损耗，特殊是IGBT关断时存在的尾部电流，会限制工作频率的进一步提高；本文论述的中频感应加热电源采纳功率自关断功率器件IGBT ，负载频率
5、是开关管工作频率的二倍，间接拓宽了IGBT 的使用频率；功率管工作于零电流开关状态， 完全排除了尾部电流引起的关断损耗，理论上可实现零开关损耗；同时采纳死区掌握策略后，可实现负载阻抗调剂；以往一般采纳晶闸管来实现逆变电路，但是晶闸管关断期反压太低，参数匹配麻烦，输出频率仍旧偏低；而采纳IGBT 后，并让电路工作在电流断续状态下，这些问题都得到很好地解决；为满意中小工件加热的需要，研制了一种新型线效的中频感应加热电源；该电源具有输出电压低圈匝数少、不需要中频变压器降压、结构简洁、效率高；欢迎下载精品学习资源1 绪论感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化等优点，广泛应用于金属熔炼
6、、透热、热处理和焊接等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不行缺少的技术手段；1.1 感应加热的工作原理感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，在利用交变磁场来产生涡流达到加热的成效；如图 1.1 ：图 1.1感应电流图示当交变电流通入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通，使感应圈内的工件欢迎下载精品学习资源受到电磁感应电势 e；设工件的等效匝数为dN 2 ；就感应电势：欢迎下载精品学习资源eN 2dt 1-1）欢迎下载精品学习资源假如磁通是交变得，设m sint ，就欢迎下载精品学习资源有效值为：欢迎下载精品学习资源E4.44 fN 2M1
7、-3）欢迎下载精品学习资源感应电势 E 在工件中产生感应电流使工件内部开头加热，其焦耳热为：欢迎下载精品学习资源2Q0.24I2 Rt1-4）欢迎下载精品学习资源式中： I 2 感应电流有效值 安）， R工件电阻 欧）， t时间 秒）；这就是感应加热的原理；感应加热与其它的加热方式，如燃气加热，电阻炉加热等不同，它把电能直接送工件内部变成热能，将工件加热；而其他的加热方式是先加热工件表面，然后把热再传导加热内部；金属中产生的功率为：欢迎下载精品学习资源PEIcos4.44 fN 2Mcos，该处到表面的距离称为电流透入深度；由于涡流所产生的热量与涡流的平方成正比，因此由表面至芯部热量下降速度要
8、 比涡流下降速度快的多，可以认为热量85 90%集中在厚度为的薄层中；透入深度由下式确定：欢迎下载精品学习资源2/0r f mm1-6）欢迎下载精品学习资源式中: 工件电阻率 . 工件磁导率H/m , 工件相对磁导率， 角频率 rad/s ， f 频率 HZ；将；和 的数值代入，即可得公式 :欢迎下载精品学习资源50300/r fmm1-7）欢迎下载精品学习资源从上式可以看出，当材料电阻率、相对磁导率给定后，透入深度仅与频率f 平方根成反比，此工件的加热厚度可以便利的通过调剂频率来加以掌握；频率越高，工件的加热厚度就越薄；这种性质在工业金属热处理方面获得了广泛的应用；1.2感应加热电源技术进呈
9、现状与趋势1）感应加热电源技术进呈现状感应电源按频率范畴可分为以下等级：500Hz 以下为低频， 1-10KHz 为中频；欢迎下载精品学习资源20KHz 以上为超音频和高频；感应加热电源进展与电力电子器件的进展亲密相关；1970 年浙大研制成功国内第一台100KW/1KHz晶闸管中频电源以来，国产KGPS系列中频电源已掩盖了中频机组的全部型号；在超音频电源方面，日本在1986 年就利用SITH 研制出 100KW/60KHz的超音频电源，此后日本和西班牙又在1991 年相继研制出500KW/50KHz和 200KW/50KHz的 IGBT 超音频电源；国内在超音频领域与国外仍有肯定差距，但进展
10、很快， 1995 年浙大研制出 50KW/50KHz的 IGBT 超音频电源，北京有色金属讨论总院和本溪高频电源设备厂在1996 年联合研制出 100KW/20KHz的 IGBT电源；在高频这一频段可供挑选的全控型器件只有静电感应晶闸管SITH）和功率场效应晶闸管 MOSFE）T，前者是日本研制的 3KW 200KW，20KHz300KHz系列高频电源 ,后者由欧美采纳 MOSFET研制成功输出频率为 200300KHz,输出功率为 100400KW的高频电源；与国外相比，国内导体高频电源存在较大差距，铁岭高频设备厂1993年研制成功 80KW/150KHz的 SIT 高频电源，但由于 SIT
11、 很少进入国际化流通渠道，整机价格偏高，并没有投入商业运行；现在，电力电子应用国家工程中心设计研制出了550KW/100 400KHz高频 MOSFET逆变电源；上海宝钢 1420 冷轧生产线于 1998 年引进了日本富士公司的71 80KHz,3200KW高频感应加热电源，是目前世界上最为先进的逆变电源；总体说来，国内在感应加热电源的设计开发和产品化方面虽有进展，但远不能适应我国工业进展的要求，对于应用范畴越来越广泛的高频感应加热电源领域的讨论尤为薄弱，处于刚刚起步阶段；电源和串联谐振式 电压型 电源；图 2.1 感应加热电源主电路图并联谐振式电源采纳的逆变器是并联谐振逆变器，其负载为并联谐
12、振负载；通常需电流源供电，在感应加热中，电流源通常由整流器加一个大电感构成；由于电感值较大，可以近似认为逆变器输入端电流固定不变；交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电流，其电流幅值取决于逆变器的输入端欢迎下载精品学习资源电流值，频率取决于器件的开关频率；串联谐振式电源采纳的逆变器是串联谐振逆变器，其负载为串联谐振负载；通常需电压源供电，在感应加热中，电压源通常由整流器加一个大电容构成；由于电容值较大，可以近似认为逆变器输入端电压固定不变；交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电压，其电压幅值取决于逆变器的输入端电压值，频率取决于器
13、件的开关频率；串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用 L、R和 C串联，后者是 L、R和 C并联；1串联谐振逆变器的输入电压恒定，输出电流近似正弦波，输出电压为矩形波， 换流是在晶闸管上电流过零以后进行，因而电流总是超前电压 角；并联谐振逆变器的输入电流恒定，输出电压近似正弦波，输出电流为矩形波，换流是在谐振电容器上电压过零以前进行，负载电流也总是越前于电压 角；这就是说，两者都是工作在容性负载状态；2 串联谐振逆变器在换流时，晶闸管是自然关断的，关断前其电流己逐步削减到零，因而关断时间短，损耗小；在换流时，关断的晶闸管受反压的时间较长；并联谐振逆变器在换流
14、时，晶闸管是在全电流运行中被强迫关断的，电流被迫降至零以后仍需加一段反压时间，因而关断时间较长；相比之下，串联谐振逆变器更相宜于在工作频率较高的感应加热装置中使用；3 串联谐振逆变器起动较简洁，适用于频繁起动工作的场所；而并联谐振逆变器需附加起动电路，起动较为困难，起动时间长；至今仍有人在讨论并联谐振逆变器的起动问题；串联谐振逆变器晶闸管临时丢失脉冲，会使振荡停止，但不会造成逆变颠覆；而并联谐振逆变器晶闸管有时丢失触发脉冲时，仍可维护振荡；4 串联谐振逆变器并接大的滤波电容器，当逆变失败时，浪涌电流大，爱护困难；但随着爱护手段的不断完善以及器件模块本身也有自带爱护功能，串联谐振逆变器的爱护不再
15、是难题；并联谐振逆变器串接大电抗器，但在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击不大，较易爱护；5 串联谐振逆变器感应线圈上的电压和补偿电容器上的电压，都为谐振逆变器输出电压的 Q倍；当 Q值变化时，电压变化比较大，所以对负载的变化适应性差；流过感应线圈上的电流，等于谐振逆变器的输出电流；并联谐振逆变器的感应线圈和补偿电容器上的电压，都等于逆变器的输出电压，而流过它们的电流，就都是逆变器输出电流的Q倍；逆变器器件关断时，将承担较高的正向电压，器件的电压参数要求较高；6 串联谐振逆变器的感应加热线圈与逆变电源 包括补偿电容器 的距离较远欢迎下载精品学习资源时，对输出功率的影响较小；而对并联谐振逆变
16、器来说，感应加热线圈应尽量靠近电源 特殊是补偿电容器 ，否就功率输出和效率都会大幅度降低；综合比较串、并联谐振逆变器的优缺点，打算对串联谐振式电源进行讨论；2.2 串联谐振电源工作原理2.2 串联逆变器结构串联谐振逆变器也称电压型逆变器，其原理图如图2.2 所示；串联谐振型逆变器的输出电压为近似方波，由于电路工作在谐振频率邻近，使振荡电路对于基波具有最 小阻抗，所以负载电流i 近似正弦波同时，为防止逆变器上、下桥臂间的直通，换流必需遵循先关断后导通的原就，在关断与导通间必需留有足够的死区时间；图a）容性负载 ，它的波形见图2.3a；由图可见， 工作在容性负载状态时，输出电流的相位超前于电压相位
17、，因此在负载电压仍为正时，电流先过零，上、下桥臂间的换流就从上下桥臂的二极管换至下 上桥臂的MOSFET；由于 MOSFET 寄生的反并联二极管具有慢的反向复原特性，使得在换流时会产生较大的反向复原电流，而使器件产生较大的开关损耗，而且在二极管反向恢复电流快速下降至零时，会在与MOSFET 串联的寄生电感中产生大的感生电势，而使 MOSFET 受到很高电压尖峰的冲击当串联谐振型逆变器在高端失谐状态时感性负载，它的工作波形见图2.3b；由图可见，工作在感性负载状态时，输出电流的相 位滞后于电压相位，其换流过程是这样进行的，当上下桥臂的 MOSFET 关断后， 负载电流换至下 桥欢迎下载精品学习资
18、源臂的 MOSFET 加上开通脉冲等待电流自然过零后从二极管换至同桥臂的MOSFET.由与 MOSFET 中的电流是从零开头上升的，因而基本实现了零电流开通，其开关损耗很小；另一方面， MOSFET 关断时电流尚末过零，此时仍存在肯定的关断损耗，但是由于 MOSFET 关断时间很短，预留的死区不长，并且因死区而必需的功率因数角并不大，所以适当地掌握逆变器的工作频率，使之略高于负载电路的谐振频率，就可 以使上 下桥臂的 MOSFET 向下上桥臂的反并联的二极管换流其瞬时电流也是很小的，即 MOSFET 关断和反并联二极管开通是在小电流下发生的，这样也限制了器件的关断损耗；上述分析可知，串联谐振型
19、逆变器在适当的工作方式下，开关损耗很 小因而，可以工作在较高的工作频率下这也是串联谐振型逆变器在半导体高频感应加 热电源中受到更多重视的主要缘由之一；2.3 电路的功率调剂原理电源工作在开关频率大于谐振频率状态，负载呈感性，负载电流滞后于输出电压r角；所以在高频条件下输出功率表达式为：P00.9V0I 0 cosr0.9VMI 0 cosr式中的 0. 9 是由于矩形波所乘的波形率；从式中可以看出当输入电压肯定时，可以通过调剂输出电流滞后输出电压的滞后角r 来调剂输出功率；而滞后角r 是由谐振参数和开关管工作频率共同打算的；欢迎下载精品学习资源从上式可以看出当系统工作在谐振频率时cosr=1，
20、即 r 为 0 度，系统输出的功率欢迎下载精品学习资源最大；当开关频率提高时，滞后角r 同时开头增大，输出功率开头下降，从而完成功率调剂；2.4 本课题设计思路及主要设计内容本课题讨论的是一种感应加热电源；系统原理图见图2.4欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源本文主要设计内容：图 2.4 系统原理结构欢迎下载精品学习资源1 给出系统理论模型和主要设计内容；2 主回路部分，进一步介绍了整个系统的总体工作过程，分析了主回路的等效模型，通过运算挑选主回路元器件参数；3 掌握系统及试验论证，介绍了掌握回路硬件原理和掌握模块SG3525A及其组成方案；4 驱动电路部分，给出了 IGBT 驱动电路的
21、要求和驱动模块HCPL-316J，及其在本系统的用途，并分析了其短路方法；5 帮助直流稳压电源, 对系统设计过程需要的直流供电稳压电源作了具体分析；6 硬件调试部分，分析了系统硬件调试需要留意的问题及本系统调试过程中出现的问题；7 结论部分，对设计方案进行了综合和总结，并提出了进一步的工作设想，仍附带了经过本次毕业设计的心得体会；3 感应加热电源电路的主回路设计3.1 主电路的主要设计技术参数电网供电电压： 3 相 380V感应加热电源输出功率： 15kW输出电流频率： 20KHz输出电流值： 30A欢迎下载精品学习资源3.2 感应加热电源电路的主回路结构主电路结构框图如图 3.1 所示：图
22、3.1感应加热电源主结构框图感应加热电源主电路图，如图3.2 所示图 3.2感应加热电源的主电路图如图 3.2 所示，它由整流器、滤波器和逆变器组成；整流器采纳不行控三相全桥欢迎下载精品学习资源式整流电路；Cd1、 Ld 和 CdC1、C2构成型滤波器；两个电解电容C1，C2 串联欢迎下载精品学习资源以减小单个电容的承担的电压， R2 , R3 起均压作用； R1 为限流电阻，当系统开头上电时，由于电容两端电压为零，故刚开头对电容充电时，电流将很大，加上限流电阻R1 后就就电流不会很大了；当电容两端电压达到肯定数值时，沟通接触器K1 闭合，将限流电阻短接；系统即可正常工作；逆变器采纳单相变逆变
23、桥，经变压器和串联谐振电路相接；利用轮番驱动单相对角欢迎下载精品学习资源的两组 IGBT 工作，把恒定的直流电压变成 10 Hz 10 kHz 方波电压输出给负载；3.2.1 主回路的等效模型1）从图 3.2 可知，开头工作时，第一给电容 C 充电；电路等效为一个一阶RC零状态响应电路，把整流器抱负化为一个直流电压源；如右下图所示，开关S 闭合前欢迎下载精品学习资源电路处于零初始状态，即uC 0 0 ；在欢迎下载精品学习资源t0 时刻，开关 S 闭合，电路接入直流欢迎下载精品学习资源电 压源 U S； 依据 基 尔 霍夫 电压 定 律欢迎下载精品学习资源KVL ），有uRuCU S欢迎下载精品
24、学习资源把 u R程iR, iC duCdt代入，得电路微分方图 3.2a主回路等效电路 1欢迎下载精品学习资源RC duCdtu CU S欢迎下载精品学习资源求解微分方程得出：tt欢迎下载精品学习资源uCU SU SeU S 1e欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源iCdu CtUSe欢迎下载精品学习资源dtR欢迎下载精品学习资源2） uC 以指数形式趋近于它的最终恒定值化，电容相当于开路，电流为零；U S ，达到该值后，电压和电流不再变欢迎下载精品学习资源当电解电容 C 布满电后，相当一个直流电压源；T1 和T4 导通时，整流后的直流欢迎下载精品学习资源电开头给负载供电，电流的流向 状
25、态响应电路；电路图如右下图；T1 RL T4 T1 ，就主回路等效于一个一阶 RL 零欢迎下载精品学习资源开关 S 接通后， i 0 ）= i 0 ） =0,电路的微分方程为diLiRusdtt初始条件为 i 0 ） 0 时，电流 i 的通解为 ：i i Ae欢迎下载精品学习资源式中 L为时间常数；R欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源特解 i us ，积分常数R图 3.2b主回路等效电路 2欢迎下载精品学习资源A i 0 ） usR欢迎下载精品学习资源所以i us 1 e）欢迎下载精品学习资源tR0 时，依据 KVL ，有uRu L0欢迎下载精品学习资源而uRRi, u LdiL di
26、dt，电路的微分方程为欢迎下载精品学习资源LRi0dt欢迎下载精品学习资源其特点根为故电流为pRLRtiAe L图 3.2c主回路等效电路3欢迎下载精品学习资源电阻和电感上电压分别为：Rt欢迎下载精品学习资源uRRiu LLRI 0edi dtLR tRI 0e L欢迎下载精品学习资源4）当 T1 和T4 关断， T2 和T3 到通时，电感的自感电流比整流电流大，通过二极管 D2 、 D3 续流，等效为一个RLC 二阶零输入响应电路；如下图所示，为RLC 串联电路，假设电容原已充电，其电压为 U 0 ，电感中的初始电流为 I 0 ；就 t =0 时，开关 S 闭合，此电路的放电过程即是二阶电路
27、的零输入响应；在指定的电压、电流参考方向下，依据 KVL 可得uCu RuL0欢迎下载精品学习资源12 / 44图 3.2d主回路等效电路 4欢迎下载精品学习资源RLiC duC ，电压 uRiRC duC ， uL di dtdtdtd 2uLCCdt 2；把它们代入上式，得欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源Cd 2uLCRC duCu0欢迎下载精品学习资源dt 2上式以dtuc 令uc =CAept 以便利求解）为未知量的 RLC 串联电路放电过程的微分方欢迎下载精品学习资源程；求解后，特点方程为LCp 2RCp10解出特点根为2pR R12L2LLC根号前有正负两个符号，所以p 有两个值；为了兼顾这两个值，电压uc 可以写成欢迎下载精品学习资源u = A ep1tA ep2 t欢迎下载精品学习资源c12其中p1R R 212L2LLCRp2R 21欢迎下载精品学习资源2L2LLC欢迎下载精品学习资源可见，特点根p1 和p2 仅与电路参数和结构有关，而与勉励和初始储能无关；欢迎下载精品学习资源依据给定的两个初始条件结合电压 uc 的表达式，可得A1A2U 0