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感应加热逆变电源设计毕业设计论文
感应加热逆变电源设计
摘要
感应加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，已成为冶金、国防、机械加工等部门及船舶、飞机、汽车等制造业不可缺少的技术。
此外感应加热正不断的进入人们的家庭生活中，例如电磁炉等都是依靠感应加热原理工作的。
感应加热电源的发展趋势是高频化、大容量化、智能化和绿色化。
目前的高频感应加热电源频率在几百千赫左右技术比较成熟。
本文以串联半桥感应加热电源为研究对象，首先在介绍感应加热的原理基础上，阐述了感应加热电源的特点、国内外发展状况及应其发展趋势。
其次介绍了串联全桥逆变电路与串联半桥逆变电路的优缺点,半桥串联谐振逆变器具有结构简单，控制容易，有良好的经济效益等特点，故此，分析了串联半桥逆变桥的工作原理。
再次，在设计了一个串联半桥逆变电路的基础上，对各个器件的具体电路参数进行计算，并合理选择元器件。
最后，在一台半桥串联谐振电源上，通过改变整流滤波后的电压，测试了桥臂电压波形，并对波形进行简要分析，得出感应加热电源应尽量避免空载等实验结论。
关键词：
感应加热；串联谐振；半桥串联谐振逆变器；IGBT；
ADesignOfInductionHeatingPowerInverter
Abstract
Inductionheatingcanbeusedformetalsmelting,diathermy,heatreatmentandweldingprocess,themanufacturingsectorhasbecomeanindispensabletechnologyinmetallurgy,defense,machiningandotherdepartmentsandships,airplanes,carsandsoon.Besidesinductionheatingisconstantlyenteringpeople'sfamilylife,suchasinductioncooker,etc.arerelyingontheprincipleofinductionheatingwork.Inductionheatingpowersupplyisthedevelopmenttrendofhigh-frequency,high-capacity,intelligentandgreen.Thecurrenthigh-frequencyinductionheatingpowerofaboutafewhundredkilohertzfrequencytechnologyisrelativelymature.
Inthispaper,theserieshalf-bridgeinductionheatingpowersupplyforthestudy,firstprinciplesonthebasisofintroductionofinductionheating,inductionheatingpowersupplyelaboratedcharacteristics,domesticdevelopmentandshoulditsdevelopmenttrend.Secondly,itintroducestheadvantagesanddisadvantagesoffull-bridgeinvertercircuitinserieswithaseriesofhalf-bridgeinvertercircuit,half-bridgeresonantinverterserieshasasimplestructure,easytocontrol,goodeconomicreturns,etc.Therefore,theinverseanalysisofthehalf-bridgeseriesvariableworkingprincipleofthebridge.Again,onthebasisofaseriesofhalf-bridgeinvertercircuitdesignedonthespecificcircuitparameterswerecalculatedforeachdevice,andareasonablechoiceofcomponents.Finally,inahalf-bridgeseriesresonantpowersupplyvoltagebychangingtherectifierfilteraftertestingthelegvoltagewaveform,andthewaveformisabriefanalysis,theinductionheatingpowershouldavoidno-loadandotherexperimentalresults.
Keywords:
inductionheating;seriesresonance;seriesresonanthalf-bridgeinverter;IGBT；waveforms
目录
第一章概述1
§1.1课题研究的背景1
§1.2感应加热的基本原理2
§1.3感应加热电源的特点4
§1.4国内外发展及现状5
§1.5感应加热的发展趋势6
第二章半桥串联谐振逆变器的主电路8
§2.1全桥串联谐振逆变电路8
§2.2半桥串联谐振逆变电路9
§2.3半桥串联逆变器工作原理10
第三章主电路参数计算与选取12
§3.1原始数据12
§3.2变压器的设计12
§3.3确定整流晶闸管的参数13
§3.4LC滤波器的设计14
§3.5确定IGBT管参数14
§3.5.1额定电压15
§3.5.2额定电流15
§3.6半桥高频电容的参数计算及选择16
§3.7计算感应加热线圈的电感及主电路谐振电容17
§3.8本章小结17
4第四章实验结果及波形分析18
§4.1实验结果18
§4.2实验结论和小结20
结论21
参考文献22
致谢24
第一章概述
1.1课题研究的背景
早在十九世纪初，人们就发现了电磁感应现象：
处于交变磁场的导体内会产生电流，从而引起导体发热。
但是，这种发热长时间以来只是作为一种损耗而被人们关注。
十九世纪末，人们才开始试图利用这种发热，于是用于产生这种发热的设备——感应加热设备诞生了。
感应加热主要用于金属熔炼、焊接、烧结、钢管焊缝、热装配、金属热处理等领域。
由于感应加热具有加热速度较快、温度容易控制、加热效率高、无需预热、污染小、占地面积小、设备制造方便等诸多优点，因此广泛地应用于生产和生活当中。
它不仅可对金属材料直接加热，而且也可对非金属材料进行间接式加热，如单晶硅的加热拉伸、半导体的提纯、有机涂层的固化、人造宝石的熔炼等。
另外，在航空工业等需要精密焊接处理的领域中，感应加热在对某些材料或零件进行特殊处理方面所起到的作用也是不可替代的。
如今，感应加热也开始渗透到了人们的日常生活中，如电磁炉等以感应加热原理制造的电器，为人们的日常生活提供了极大地方便。
感应加热电源是感应加热工艺实现的主要设备。
它可以将直流电转变为高频率的交流电，进而产生交变磁场，处于交变磁场的导体感应出涡流，从而使导体加热。
随着电力电子技术的迅速发展，感应加热装置的面貌也日新月异，伴随着MOSFET、IGBT等电力电子器件的相继出现，掀起了感应加热装置的革命，固态感应加热装置已逐步取代电子管式感应加热装置，在很多方面得到较广泛的应用。
感应加热电源主要由整流器、逆变器、负载及控制和保护电路组成，其电路结构如图1．1所示。
整流器一般为三相不控整流或三相可控整流，它的作用是将三相工频交流电转换为直流电；然后经过滤波器滤除杂波后送到逆变器，逆变器将其转换为负载所需频率的交流电，以加热工件；整流控制电路和逆变控制电路分别为整流器和逆变器上的开关器件提供所需的脉冲信号。
图1.1感应加热电源基本结构框图[11
1.2感应加热的基本原理
根据电磁感应定律，处于交变磁场中的导体两端会产生感应电动势，当导体为闭合回路时，导体中会有电流通过。
感应加热的基本原理是根据电磁感应定律，利用被加热金属工件中感生的涡电流对金属工件进行加热。
如图1．2所示，当交流电通过感应线圈f时，在其内部会形成一个与f同频率的交变磁通西，处于线圈内的金属工件两端会产生感应电动势Φ，从而产生涡流使金属工件材料发热。
假定缠绕在会属工件上的线圈匝数为N，则根据麦克斯韦尔（MAXWELL）电磁方程式，可得出感应电动势e为：
式中p——金属工件的电阻率（Ω／cm）;
µ——金属工件的相对磁导率，对于非磁性材料来说，µ=1；
f——金属工件的电流频率（Hz）。
如果磁通是交变得，设
，则
有效值为：
感应电势E在工件中产生感应电流
使工件内部开始加热，其焦耳热为：
式中：
——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：
感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面大小、截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁特性等有关。
在感应加热设备中存在着三个效应——集肤效应、近邻效应和圆环效应。
集肤效应：
当交变电流通过导体时，沿导体截面上的电流分布式部均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象称为集肤效应。
近邻效应——当两根通有交流电的导体靠得很近时，在互相影响下，两导体中的电流要重新分布。
当两根导体流的电流是反方向时，最大电流密度出现在导体内侧；当两根导体流的电流是同方向时，最大电流密度出现在导体外侧，这种现象称为近邻效应。
圆环效应：
若将交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应。
感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备。
在感应线圈中置以金属工件，感应线圈两端加上交流电压，产生交流电流
，在工件中产生感应电流
。
此两电流方向相反，情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。
当电流
和感应电流
相互靠拢时，线圈和工件表现出邻近效应，结果，电流
集聚在线圈的内侧表面，电流
聚集在工件的外表面。
这时线圈本身表现为圆环效应，而工件本身表现为集肤效应。
交变磁场在导体中感应出的电流亦称为涡流。
工件中产生的涡流由于集肤效应，沿横截面由表面至中心按指数规律衰减，工程上规定，当涡流强度从表面向内层降低到其数值等于最大涡流强度的1/e（即36.8%），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：
式中:
ρ——工件电阻率（Ω•m）,μ。
——真空磁导率4π×10（H/m）.μ——工件磁导率（H/m）,μ——工件相对磁导率，ω——角频率（rad/s），f——频率（HZ）。
将μ。
和π的数值代入，即可得公式:
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方便的通过调节频率来加以控制。
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[21。
1.3感应加热电源的特点
自工业上开始应用感应加热电源以来，在这期间，无论是感应加热的理论还是感应加热的装置都得到了很大的发展。
感应加热的应用领域亦随之扩大，其应用范围也越来越广。
究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点：
（1）加热温度高，而且是非接触式加热；
（2）加热效率高，可以节能；
（3）加热速度快，被加热物的表面氧化少；
（4）温度容易控制，产品质量稳定，省能；
（5）可以局部加热，产品质量好，节能；
（6）容易实现自动控制，省力；
（7）作业环境好，几乎没有热，噪声和灰尘；
（8）作业占地面积少，生产效率高；
（9）能加热形状复杂的工件；
（10）工件容易加热均匀，产品质量好。
此外，感应加热电源由于采用了新型电路元件，其缓冲电路，驱动电路等也得到了空前的改善，此外，还有对环境污染小等优点。
基于上述分析，感应加热电源有着良好的发展前景。
1.4国内外发展及现状
感应加热技术从诞生至今，经过了近百年的发展，取得了令人注目的成果，尤其是六十年代以后，固态电力电子技术的出现与发展，使感应加热技术与现代化生产的许多方面密切相关，发挥了很大的生产力的作用。
因此世界各国十分关注感应加热技术的发展，并投入相当的经济支持和技术力量。
目前，在低频感应加热领域普遍采用传统的工频感应炉。
国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件透热或数百吨的食用水保温。
预计短期内，以固态器件构成的低频感应加热电源在功率、价格、可靠性方面还很难与简单可靠的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积和性能均大于工频炉。
在中频（150Hz～20kHz）范围内，晶闸管感应加热装置己经完全取代了传统的中频发电机和电磁倍频器，国外的装置容量己经达到数十兆瓦。
在超音频（20kHz～1OOkHz）范围内，IGBT的应用占主导地位。
1994年日本采用IGBT研制出了1200kW/5OkHz电流型感应加热电源，逆变器工作于零点压开关状态，实现了微机控制。
1993年西班牙也报道T30-600kW/50-100kHz的IGBT电流型感应加热电源。
欧美地区其他一些国家的系列化超音频感应加热电源的最大容量也达数百千瓦。
在高频（100kHz以上）领域，国外己从传统的电子管电源过渡到晶体管全固态电源。
以日本为例，其系列化的焊管用电子振荡器的水平为5～1200kW/100～500kHz，而采用SIT的固态高频感应加热电源的水平可达400kW/4OOkHz。
欧美各国采用MOSFET的高频感应加热电源的容量也在突飞猛进.例如，西班牙采MOSFET的电流型感应加热电源制造水平可达600kW/400kHz;比利时InductoElphiac公司生产的电流型MOSFET感应加热电源水平可达1MW/15～600kHz。
我国感应加热技术从50年代开始就被广泛应用于工业生产当中，60年代末，开始研制晶闸管中频电源，浙江大学首先研制成功国内第一台晶闸管中频电源，到目前己经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了较为广阔的应用市场。
在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，已经形成了500～800Hz/100～5000kW的系列化产品。
但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，因此在开发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的同时，尽快研制出结构简单，易于频繁启动的串联谐振逆变中频电源也是中频领域有待解决的问题。
在超音频领域的研究工作八十年代己经开始。
浙江大学采用晶闸管倍频电路研制了50kW/50kHz的超音频电源，采用时间分隔电路研制了30kHz的晶闸管超音频电源。
从九十年代开始，浙江大学开始对IGBT超音频电源进行研制，1996年研制开发的50kW/50kH,的IGBT电流型并联逆变感应加热电源己经通过了浙江省技术鉴定，目前的研制水平为200kW/50kflz。
另外，浙江大学在90年代己经研制成功30kW/300kHzMQSFET高频感应加热电源，并己成功应用于小型刀具的表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核试验中。
总体上来说，国内目前的研制水平与国外的水平相比还有一定的差距[31。
1.5影响感应加热电源发展的主要因素
（1）高频化目前,感应加热电源在中频段主要采用晶闸管，超音频段主要是IGBT，而高频段，随着MOSFET和1GBT性能不断改进，SIT将失去存在价值。
感应加热电源谐振逆变器可实现软开关，但由于通常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是高频电源。
因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需进一步探讨。
（2）大容量化从电路的角度，感应加热电源的大容量化技术分两类:
一是器件的串并联；二是多台电源的串并联。
在器件的串并联方式中，必须处理好串联器件的均压问题和并联器件均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串并联数目，且装置的可靠性和串并联数目成反比。
多台电源的串并联技术是在器件串并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元（或一个模块）。
串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当两电压源并联时，相互间的幅值，相位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以致逆变器件的电流产生严重不均，因此，串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AC/DC或DC/DC环节有足够的时问来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容。
（3）负载匹配感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁，冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。
对焊接，表而热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频，超音频电源用的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的高能输入效率，从磁性材料选择到绕组的设计己成为一重要课题，另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二个无源元件，以代替匹配变压器实现高效，低成本隔离匹配。
（4）智能化控制随着感应热处理生产线自动化控制程度及对电源高可靠性要求提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。
具有计算机智能接口，远程控制，故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。
（5）高功率因数，低谐波电源由于感应加热用电源一般功率都很大，目前对它的功率因数，谐波污染指标还没有具体要求，但随着减少电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数（采用大功率三相功率因数校正技术）低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。
（6）应用领域进一步扩大当今高新技术飞速发展，新材料、新工艺不断涌现，感应加热是一个重要的研发和加工手段，因此感应加热电源是某些高新技术研发中心不可缺少的装备。
例如在德国MaxPlanck研究所，C60纳米材料的研究中就使用了400kHz/6OkW的感应加热电源。
可以肯定的说，随着科学技术的发展，感应加热电源在高新技术领域会有更广泛的应用。
在这一领域，对感应加热电源的可靠性和可控性要求更高。
如何设计制造大功率超高频高性能的感应加热电源，是电力电子科技工作者的重要课题[41。
第二章半桥串联谐振逆变电源的主电路
2.1全桥串联谐振逆变电路
串联谐振逆变电路分为全桥串联谐振逆变电路和半桥串联谐振逆变电路两类，首先对全桥串联谐振逆变器进行介绍，其电路结构如图2．1所示。
图2.1全桥串联逆变电路
串联型逆变电路根据负载工作状态的不同可以分为三种工作模式：
容性状态、感性状态和谐振状态，图2-2（a）、（b）、（c）分别为三种状念下负载电压和电流的相位关系，其中UH、IH分别为负载电压、负载电流的波形，φ为负载电压与负载电流之间的相位角。
如图2．2（a）所示，当负载工作于容性状态时，负载电流超前负载电压口电角度，在换流过程中，负载电流由负变正时，电压仍为负，导致反并联二极管短时通过负载电流，由于二极管的反向恢复作用，使逆变器出现短时桥臂直通现象，由此产生的大电流将损坏开关管IGBT。
如图2．2（b）所示，当负载工作于感性状态时，负载电压超前负载电流φ电角度，电流换向时，电压已换为正．感性状态下实现了开关管的零电流开通。
如图2．2（c）所示，当负载工作在谐振状态时，负载电压、电流同时换向，开关管零电流开通和关断，此种状念下不存在二极管的反向恢复问题，开关损耗最小，但这种理想的换流点很难实现。
图2.2.串联谐振逆变器的三种工作状态
2.2半桥串联谐振逆变电路
主电路图如下:
图2.3半桥串联谐振逆变电路
如图2.3所示，该电路可分为三部分：
逆变主电路主要由三部分组成：
输入电路、逆变桥、输出电路，其中输入整流器用于将电网的三相工频交流电变为脉动直流电，可用整流模块（组件），也可用单个的硅二极管组成桥式整流器；输入滤波器对三相脉动直流进行滤波，使输出电压波形近似平直；高频电容与IGBT组成逆变桥壁；逆变器将滤波过后的直流波形变成方波交流电压，主电路谐振电容储存与提供能量，以稳定桥壁电压；感应线圈接受能量，将电能转化为热能。
半桥串联谐振逆变器主要优点有：
半桥串联谐振逆变器相当于接有一个2：
1变压器的全桥逆变器，因此一般情况下可省略匹配变压器。
匹配变压器的成本占整台感应加热电源设备总成本的很大比例，因此采用半桥串联谐振逆变器可大大提高感应加热电源设备的经济效益，同时还节省了空间，可以使感应加热电源设备做的更小、更精致；半桥串联谐振逆变器开关管上的输入电压低，减小了开关管的电压应力；相比于全桥谐振逆变器，半桥串联谐振逆变器还具有结构简单、控制容易等优点。
半桥串联谐振逆变器也存在一些缺点，如：
为了扩大容量，需要采用多个开关管IGBT并联连接，但是由于开关管的均流作用，限制了并联的IGBT的个数；而且因为不接匹配变压器，逆变器与负载之间没有电气隔离，因而会增加设计保护电路的难度。
2.3半桥串联逆变器工作原理
半桥串联逆变器工作原理示意图如图2.4所示:
（a）开关管S1导通（b）二极管D2续流
（c）开关管S2导通（d）二极管D1续流
图2.4半桥串联谐振逆变器的工作状态分析示意图
（1）当开关管S1导通时，整流侧电源和谐振电容CI（在前一周期已充电）
分两路同时给负载供电，一路为S1-L-R-C2-S1回路，另一路为C1-S1-L-R-C1
回路，如图2．5（a）所示；
（2）当开关管S1关断时，由于负载处于小感性状态，负载电流通过二极
管D2形成L-R-C2-D2-L回路续流，如图2-5（b）所示；
（3）当开关管S2导通时，整流侧电源和谐振电容C2分两路同时给负载反方向供电，一路为S2-C1-R-L-S2回路，另一路为C2-R-L-S2-C2回路，如图2—5（c）所示：
（4）当开关管S2关断时，由于负载电感的作用，通过二极管Dl形成L-D1-C1-R-L回路续流，如图2．5（d）所示；
后一个周期继续重复这一过程。
第三章主电路参数计算与选取
3.1.原始数据
主电路图如下：
图2.3半桥串联谐振逆变电路
输入电压：
交流3-380V，
输入电压频率：
50赫兹，
额定输出功率：
P=30KW，
最高工作频率=20KHz，
Ld为滤波电感，
Cd1、Cd2为桥臂电容，
L为负载电感，C为谐振补偿电容。
3.2变压器的设计
输入三相工频电压经整流后最大电压:
Uo=380×
=537V（2-1）
变压器原边电压:
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