毕业设计68感应加热是一种常见的加热方式.docx

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毕业设计68感应加热是一种常见的加热方式

摘要

本设计主要是分析由半导体二极管、晶闸管、大功率晶体管等元件组成的三相桥式可控整流电路、单相桥式并联逆变电路、保护电路以及继电器接触器控制电路等的工作原理和参数计算，并对整流触发电路和晶闸管中频电源等原理作专门的分析；其次，根据本次设计要求，利用系统软件绘制出了各个电路的原理图和曲线图，并附带了元器件列表。

Abstract

Theanalysisisdesignedmainlybythesemiconductordiode,thyristor.High-powertransistorsandothercircuitelements,thethree-phasecontrolledrectifierbridge,parallelsingle-phaseinverterbridgecircuit.relaycontactorcontrolandprotectioncircuitfortheworkingprincipleandcircuitparameters.IFtriggeredthyristorpowerrectifiercircuitandalsootherprinciplesforspecializedanalysis;Second,underthecurrentdesignrequirements,usethesoftwaretomapoutthevariouscircuitdiagramandcurves,andthecomponentsattachedtable.

前言

感应加热是一种常见的加热方式，广泛用于金属冶炼、工件透热、淬火、焊接等工艺，也是电力电子技术的一个重要应用领域。

感应加热电源分为中频电源、高频电源和超音频电源。

一般对频率为10KHz以下的电源为中频电源。

本设计共分为八章，第一章是对感应加热原理的分析；第二章是对无铁心感应电炉对晶闸管中频电源输出的要求的分析；第三章是对主电路的分析；第四章是对整流触发电路的分析；第五、第六、第七章则是对并联逆变器的启动、保护系统和控制电路的原理分析，也包括它们的参数计算；而第八章则是做完本篇设计后所作的总结。

为了更方便地了解所学知识，在附录中还附带了所涉及到的元气件的型号和参数。

由于本人所学有限，所涉及的范围较窄，如果考虑的不够全面，望见谅！

目录

绪论…………………………………………………………….4

第一章感应加热的基本原理……………………………….5

1.1感应加热的基本原理…………………………………………………………5

1.2感应加热电源的发展动态……………………………………………………8

1.3感应加热电源技术的发展趋势………………………………………………10

第二章无铁心感应电炉对晶闸管中频电源输出的要求.12

2.1对中频输出频率的要求………………………………………………………12

2.2对中频输出频率的要求………………………………………………………12

2.3大容量感应炉对中频电源的要求……………………………………………12

2.4其他要求………………………………………………………………………12

第三章主电路的工作原理及参数计算…………………..13

3.1晶闸管电源的工作原理………………………………………………………13

3.2三相全控整流电路的工作原理………………………………………………13

3.3单相桥式并联逆变器的工作原理……………………………………………14

3.4逆变电路的参数计算…………………………………………………………16

第四章整流触发电路的工作原理………………………..18

4.1对整流触发电路的基本要求…………………………………………………18

4.2触发电路的工作框图…………………………………………………………18

第五章并联逆变器的启动…………………………………19

第六章保护系统及保护器件的选择……………………..21

6.1限电流限电压电路……………………………………………………………21

6.2过电压过电流保护……………………………………………………………21

6.3快速熔断器，硒堆及阻容吸收保护…………………………………………21

6.4保护器件的选择………………………………………………………………21

第七章继电器接触器控制电路…………………………….25

第八章毕业设计及心得体会……………………………….26

第九章致谢…………………………………………………………27

附录

参考文献

绪论

晶闸管是晶体晶闸管的简称，又称作可控硅整流管，它最大的特点是容量大、电压高、损耗小、控制灵便、易实现自动控制，是大功率电能变换与控制的较理想器件。

由于通过它的单相电流可以很大，且能够采用弱电信号控制其开通，因而它自问世以来，使用极为广泛。

随着半导体制造技术和变流技术的发展，相继成功研制出了可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（BJT或称GTR）、功率场效应管MOSFET、绝缘栅双极晶闸管（IGBT）以及新型的MCT、SIT、功率集成模块PIC、智能功率模块IPM等。

目前，晶闸管在各工业部门应用都极为广泛，在中频加热方面的应用也很成功。

本设计利用我们在课堂上所学的基本知识，从分析工作原理入手，逐步分析主电路、保护电路、参数的计算、保护系统等，使我们掌握了课堂设计的步骤，对中频加热电源有了较深入的了解。

第一章感应加热的基本原理

1.1感应加热的基本原理

晶闸管中频电源装置是一种利用晶闸管元件把三相工频电流变换成某一频率的中频电流的装置，主要是在感应熔炼和感应加热的领域中代替以前的中频发电机组。

中频发电机组设备体积大，生产周期长，运行噪声大，而且它是一种固定频率的设备，运行时必须随时调节电容的大小才能保持最大输出功率，这不但增加了不少中频接触器，而且操作起来也很繁琐。

晶闸管中频电源与这种中频机组相比，除具有体积小、重量轻、噪声小、投产快等明显优点外，最主要还具有下列一些特点：

1）降低电力消耗。

中频发电机组效率低，一般为80％～85％，而晶闸管变频的效率为90％～95％，而且中频装置启动停止方便，在生产过程中短暂的间隙都可以随时停机，从而使空载损耗减小到最低限度（这种短暂的间隙，机组是不能停下来的）。

2）中频电源装置的输出频率是随着负载参数的变化而变化的，所以保证装置始终运行在最佳状态，不必像机组那样频繁调节补偿电容。

3）晶闸管中频电源装置的部件大部分是电子器件，可以做成接插形式，出现故障易更换。

4）晶闸管中频电源装置采用脉冲封锁保护，保护动作快。

5）晶闸管中频电源装置启动时无冲击电流，但要具备额定电流5～7倍的安全余量，这样就需要加大电源变压器的功率。

6）但晶闸管中频电源也有不足的一面，如过载能力差，对电子元件要求高，使用维修需一定的技术水平。

晶闸管中频电源的应用按负载类型主要可分为以下几个方面：

（1）金属熔炼这是应用最广泛的一个方面。

我国晶闸管中频电源的发展，开始于熔炼，可以熔炼各种碳素钢、合金钢．以及用于提炼高纯度锌等各种有色金属。

熔炼负载是中频电源最恶劣的负载，阻抗变化大，负载不稳定，但中频电源能够非常理想地完成这个任务，最突出的优点是节省电能，另外起动方便，钢水平稳，涡流搅拌小，熔炼质量高。

（2）在透热方面的应用工件在加热过程中，对金属整体进行加热，工件可达到内外一个温度范围。

还应用于金属材料的铸造、冲压、挤压、轧制等加，工前的加热。

（3）在热处理方面的应用利用中频电流的集肤效应，来提高钢件的力学性能，使其具有较高的硬度和抗疲劳强度。

（4）在焊接方面的应用中频电源可以用于焊接，具有焊接速度快，对周围的热影响小，不用酸洗来清除氧化皮等优点。

我国晶闸管中频电源的系列型号根据不同的用途以不同的代号表示。

中频无铁心感应炉的构造，主要由三部分组成：

①感应圈。

通常由水冷却铜管绕制而成。

②坩埚。

通常由石英等耐火材料捣制而成。

③炉料。

可为各种金属的碎块。

中频无铁心感应炉的基本工作原理是属于空心变压器的一种类型。

感应圈相

当于变压器的一次绕组，而坩埚内部的金属材料相当于变压器的二次绕组（即负

载）。

在一次绕组中通过中频电流时就在磁场作用下产生磁力线切割二次绕组，

致使炉料中产生感应电动势，并在垂直于感应圈轴线的表面内产生感应涡流从而

使炉料加热熔化。

根据变压器感应原理，在二次绕组（即炉料）内的感应电动势有效值可按下式算出：

E2=4.44ƒN2Φm（1-1）

式中E2——炉料内感应电动势的有效值（V）；

f——一次绕阻交流电频率；

N2——二次绕阻的匝数，这里N2=1；

φm——交变磁通的最大值。

在E2的作用下，在炉料所形成的闭合回路中便有涡流通过，此电流可按下式计算：

（1—2）

式中I2——炉料中感应的涡流（A）；

R2——炉料所形成的圆环电阻（Ω）；

X2——炉料所形成的圆环由漏磁产生的电抗（Ω）。

从式（1—2）可以得出I2和E2成正比与炉料中的阻抗成反比，从式（1—1）中可知，E2仅与f和φm有关，无铁心感应电炉由于没有导磁物体存在，磁力线经空气闭合，由于空气磁阻较大，会减小有效磁能量，为了要获得所必须的感应电动势，这就要求增加磁力线的切割速度。

这就要求增加通过感应线圈的频率。

究竟应该选择怎样的频率才较合适呢?

下面分析频率与电效率之间的关系。

感应电炉的效率概念是：

感应电炉所获得的功率P实际上为二部分组成，即感应圈内损耗P1（散发成热量被冷却水或周围介质带走）和转换为炉料的热功率户P2，P2/P为电效率，但是P2中有一部分也消耗于周围介质成为热损，而只有户，才能用于金属的加热和熔化，比值P3/P2称为热效率。

总效率为：

（1-3）

上面谈到为使炉子发热效果显著，就要求增加通过感应线圈电流的频率。

但如果无限制地增高频率，一则受到装置复杂性的限制，更重要的是由于集肤效应的原因，涡流发热随着电流频率的升高只局限于炉料周围的表面层，而炉料中心的热量是由表面传导而来，所以加热时间拉长，电效率不再上升。

电源频率与电效率之间的关系可以这样描述：

在感应电炉炉料直径一定，炉料物理性质不变的情况下，电效率将随着频率的增加而显著上升。

但频率继续增加时电效率将不再上升而趋于饱和阶段，见图（电源频率与电效率曲线）。

从图中可以看出，频率在AB区域内的变化剧烈直接影响着电效率，而CD区域则其变化实际上不起作用。

因此可以说，对于一定尺寸的感应炉，在炉料和感应器材料的物理性质为同一条件，则必定有一临界频率点存在，在此值以上的电效率与频率不再发生关系，所以应在CD区域选取，这一情况非常有利于感应电炉的设计，根据经济的观点在很多许可频率中选取一合适的频率。

这一临界频率（即对感应供电的最佳频率）可按以下步骤选：

当炉料直径d与透人深度的比值d/δ≥10时，即可认为电效率接近极限值。

这里的透人深度是指导体通过交流电流的深度。

因集肤效应的影响，电流密度的分布从表面到中心不断减小。

当其电流密度减到为表面密度的1/e=2.71828的深度时，在这一层中产生的热量差不多为所有热量的90％。

为了筒化计算，假定近似地认为只有在深度的一层内电流以均匀密度通过，而在导林截面其余部分上电流密度为零。

透入深度δ（cm）的计算公式为：

（1-4）

式中ρ导体的电阻率（Ω·cm）

μ——导体的磁导率（非磁性材料的／μ=1）；’

f——电源的频率。

在d／δ≥10的条件下，炉料与感应器间的空气气隙愈小，则效率愈高。

根

据式（1—4）及d／δ=10的关系，可以列出下列关系：

此公式表明随着感应炉炉膛和炉料尺寸的增大，电流的临界频率可以相应地降低。

这就是大型电炉采用较低频率仍能满意的工作的主要因素。

1.2感应加热电源的发展动态

感应加热电源是感应加热的关键设备之一，感应加热电源的发展与电力电子学及电力半导体器件的发展密切相关。

本世纪初玻璃管汞弧整流器的发明标志着电力电子学的起源，而50年代末半导体硅晶闸管的出现则标志着以固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。

在50年代前，感应加热电源主要有：

工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。

50年代末硅晶闸管的出现引起了感应加热电源技术以致整个电力电子学的一场革命，感应加热电源及应用得到了飞速发展。

至今，在中频（150Hz~10kHz）范围内，晶闸管中频感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。

国外装置的最大容量已达数十兆瓦，国内也已形成200Hz~8000Hz、功率为100kW~3000kW系列的产品，可以配备5t以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热、表面淬火等热处理工艺，但国产中频电源目前都采用并联谐振型逆变器结构。

因此，在研究和开发更大容量的并联逆变中频电源的同时，研制结构简单，易于频繁起动的串联逆变中频电源是国内中频感应加热装置领域有待解决的问题，尤其是在熔炼、铸造应用中，串联逆变电源易实现全工况下恒功率输出（有利于降低电能吨耗）及一机多负载功率分配控制，更值得推广应用。

在超音频（10kHz~100kHz）频段内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度，它必须通过改变电路拓扑结构才有可能实现，国内在70年代开始研制晶闸管倍频逆变电源，目前产品水平为250~320kW/10~15kHz，后于80年代末又采用改进型倍频逆变电路研制了50kW/50kHz晶闸管超音频电源，但由于倍频电路的双谐振回路耦合使负载呈非线性，时变加热负载参数与谐振回路参数匹配调试较复杂及后出现的晶体管固态加热电源的频率及功率可完全覆盖而没有得到很好的推广应用。

70年代末和80年代初，现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术的结合，为开发新型功率半导体器件提供了条件，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件，极大地推动了电力电子学发展，为固态超音频、高频电源的研制提供了坚实的基础。

第一台晶体管超音频感应加热电源在1985年面世，其容量为25kW/50kHz，由于单管容量小而采用了多管并联技术，功率晶体管开关速度受到存储时间限制（μS级）及它存在致命的二次击穿问题，限制了它的推广使用，随后出现的达林顿晶体管功率模块大多为电机调速应用设计，其开关速度更低，一般无法适用于感应加热电源。

功率MOS晶体管与功率双极管相比存在许多优点，由于它为多子工作器件，不存在存储时间，因此它的开关时间远远小于双极晶体管。

另外，MOS晶体管不存在二次击穿问题，具有矩形安全区、驱动功率小、易并联等优点，非常适合于高频大功率感应加热电源应用。

采用MOS管可能引起的问题是由于高速开关要求电源工艺布置严格，另外，高压MOS晶体管通态损耗较大。

1983年美国GE公司发明了新的很有前途的功率器件—IGBT，它综合了MOS管与双极晶体管的优点，IGBT结构除增加一个n层外，非常象MOS管结构，因此在其通态压降低的同时开关速度加快。

自1988年解决了挚住问题后（由寄生NPN晶体管引起），大功率高速IGBT已成为众多加热电源的首选器件，频率高达100kHz，功率高达MW级电源也可实现。

如1994年，日本采用IGBT研制出了1200kW、50kHz电流型并联逆变感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态，并实现了微机控制；西班牙在1993年也已报道了30kW~600kW，50~100kHz电流型并联逆变感应加热电源，欧、美地区的其他一些国家如英国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电源目前最大容量也达数百千瓦。

国内在90年代初开始对IGBT超音频电源的研制，目前制造水平为1000kW、50kHz，与国外的水平仍有相当大的距离。

在高频（100kHz以上）频段，目前国外正处在从传统的电子管电源向晶体管化全固态电源的过渡阶段，以模块化、大容量化MOSFET功率器件为主，西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源制造水平达到600kW/400kHz，德国在1989年研制的电流型MOSFET感应加热电源水平达480kW/50~200kHz，比利时InductoElphiac公司生产的电流型MOSFET感应加热电源水平可达1000kW/15~600kHz。

应用于高频电源的另一功率器件为静电感应晶体管（SIT），主要以日本为主，电源水平在80年代末达到了1000kW/200kHz，100kW/400kHz，SIT开关速度比MOSFET慢，同时它存在很大的通态损耗，随着MOSFET、IGBT性能不断改进，SIT将失去它存在的价值。

国内目前MOSFET固态高频电源制造水平为400kW、500kHz。

但总的来说，与国外的水平有一定的差距。

1.3感应加热电源技术的发展趋势

感应加热电源技术的发展与功率半导体的发展密切相关，随着功率器件的大容量化、高频化带动感应加热电源的大容量化和高频化。

1）高频化

目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用IGBT，而高频频段，由于SIT存在高导通损耗等缺陷，主要发展MOSFET电源。

感应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽等均有许多特殊要求，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，特别是新型高频大功率器件（如MCT、IGCT及SIC功率器件等）的问世将进一步促进高频感应加热电源的发展。

2）大容量化

从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分为二大类：

一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联。

在器件的串、并联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，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，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。

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。

感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当二电压源并联时，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，以致辞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环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容。

晶体管化超音频、高频电源多采用并联逆变器结构，并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主要原因。

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、表面热处理等负载，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结构的设计已成为重要课题。

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取消匹配变压器，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电源可靠性要求的提高，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

由于感应加热电源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严格要求，但随着对整个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。

第二章无铁心感应电炉对晶闸管中频电源的要求

2.1对中频输出功率的要求

晶闸管中频电源的输出功率除必须铭足感应炉的最大功率外，还要考虑到输出功率能方便得调节。

这是因为感应炉的炉衬的寿命通常为几十炉，而且新的炉衬筑好后，必须对其进行低功率烘烤。

一般以10%~20%的额定功率开始。

再则熔炼过程当炉料熔化后，必须对炉料成分进行化验。

这时装置的输出功率能在10%~100%范围内方便地调节。

2.2对中频输出频率的要求

感应炉的电效率与效率有着密切的关系，从电效率出发可以决定晶闸管中频电源的输出效率，我们称这一频率为ƒ0。

感应器实际上是一个电感线圈。

为了要补偿线圈的无用功率，在线圈的两端并联有电容器。

这就组成了如图所示的LC并联振荡电路。

图中R为线圈的电阻，回路中固有振荡频率ƒ0可按下式计算：

（2-1）

若R2/（4L）4|/（LC）则上式可简化为：

（2—2）

当晶闸管中频电源的输出频率等于f0时，ωL=1/（ωC）回路中的功率因数，cosφ=1。

感应炉内将得到最大的功率。

从式（2—2）中可知，回路中的振荡频率与L和C的数值有关。

电容C的数值一般是不变的，而L则因炉料的磁导率变化而变化。

为使感应炉在熔炼过程中始终得到最大功率，要求中频电源输出的频率厂能随九的变化而变化，保证频率的自动跟踪。

2.3大容量感应炉对中频电源的要求

中频电源的输出电压一般不很高而电流很大，这是因为电压太高时，晶闸管串联过多，均压比较困难，工作不可靠。

而电流大些可用元件并联和机组并联的方法来解决，这样可用于熔炼时低电压，大电流的熔炼环境，但导线上损耗增大。

当感应炉容量增大时，这个问题更为突出。

感应炉的线圈也因铜管太粗而无法绕制。

因此，大容量的中频装置都是把中频电压升高后供给炉子。

2.4其他要求

熔炼过程中一旦中频电源发生故障就将导致整炉材料报废，严重时还可能损坏坩埚。

所以要求中频电源工作可靠，并且有必要的自动保护设施。

另外中频装置在工作中受电网及负载的影响较大，故要求装置具有负反馈及限流限压环节以保证装置运行的平稳。

第三章主电路的工作原理及参数计算

3.1晶闸管中频电源的工作原理

三相中频电源的基本原理，就是通过一个三相桥式全控整流电路把工频电流变成直流电，经过直流电抗器滤波最后经过逆变器变成单相中频交流电供给给负载。

所以中频电源装置实际上就是交流电——直流电——交流电——负载。

其框图如下

3.2三相全控整流电路的工作原理

本设计不用整流变压器而直接由380V三相交流接入再整流为直流电源。

常用的三相可控整流的电路有：

①三相半波②三相半控桥③三相全控桥④双反星形等。

根据它们各自的特点和使用场合等因素综合考虑。

本设计采用三相全控桥整流电路。

三相全控桥整流电压脉动小，脉动频率高，基波频率为300HZ，所以串入的平波电抗器电感量小，动态响应快，系统调整及时。

并且全控桥电路可以实现有源逆变，把能量回送电网或者采用触发脉冲快速后移至逆变区，使电路瞬间进入有源逆变状态进行过电流保护。

如图所示的三相全控桥式整流电路共有六个桥臂，在每一个时刻必须有两个桥臂同时导通才能工作，输出的电压为线电压。

把三相工频交流电进行了全波整流，可以得到一个脉动的直流电压。

这种整流电路由于在每一个瞬间都有两个桥臂工作，而且每个桥臂导通时间间隔为60电角度。

故要求每只晶闸管的触发间隔也应为60电角度，脉冲采用大于60而小于120的单宽脉冲。

六只晶闸管的导通顺序如图所示。

三相桥式全控整流电路电感性负载输出的直流电