电力电子技术课程设计.docx
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电力电子技术课程设计
西安石油大学
课程设计
电子工程学院自动化专业1203班
题目变频感应加热电源主电路设计
学生蔡辉武
指导老师
二○一五年六月
《电力电子技术》
课程设计任务书
题目
变频感应加热电源主电路设计
学生姓名
蔡辉武
学号
201205080605
专业班级
自动化1203
设
计
内
容
与
要
求
1.设计原始数据及主要技术指标:
（1）电网供电电压：
三相380V，50Hz；
（2）电网电压波动：
+10%～-10%；
（3）最大输出功率：
P=70kW；
（4）电源输出频率：
400Hz～2kHz；
（5）电源效率：
η≥80%。
2.设计要求：
（1）画出感应加热电源主电路原理图；
（2）完成逆变桥器件电参数计算及选取；
（3）根据给出的仿真条件，对所设计的主电路进行仿真分析。
3．完成设计报告。
起止时间
2015年6月日至2015年6月日
指导教师签名
2015年6月日
系（教研室）主任签名
2015年6月日
学生签名
2015年6月日
一绪论………………………………………………………………………
1.1感应加热的工作原理…………………………………………………
1.2感应加热电源技术发展现状与趋势…………………………………
（1）感应加热电源技术发展现状……………………………………
（2）感应加热电源技术发展与趋势…………………………………
二感应加热电源及其实现方案研究…………………………………………
2.1串并联谐振电路的比较………………………………………………
2.2电路的功率调节原理…………………………………………………
三变频感应加热电源主电路设计……………………………………………
3.1主电路设计原始数据及主要技术指标………………………………
3.2设计要求………………………………………………………………
3.3设计思想………………………………………………………………
3.4变频感应加热电源主电路图…………………………………………
3.5设计内容………………………………………………………………
3.5.1整流电路的设计…………………………………………………
3.5.1.1整流电路的选择……………………………………………
3.5.1.2整流侧参数计算……………………………………………
3.5.1.3整流侧电路图……………………………………………………………………
3.5.2逆变电路的设计…………………………………………………
3.5.2.1逆变电路的选择……………………………………………
3.5.2.2逆变侧参数计算……………………………………………
3.5.2.3逆变侧电路图………………………………………………
3.6电路保护………………………………………………………………
3.6.1.整流侧晶闸管过电压保护……………………………………
3.6.2.逆变侧晶闸管过电压保护……………………………………
3.7波形仿真………………………………………………………………
四设计心得体会………………………………………………………………
参考文献…………………………………………………………………………
一绪论
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，广泛应于金属熔炼、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、汽车制造业等不可缺少的技术手段。
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效果。
图1.1感应电流图示
在感应加热设备中还存在着三个效应——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。
感应加热原理可以概括为交变电流产生交变的磁场，从而利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。
装置由两部分组成，一部分是提供能量的交流电源，也称变频电源；另一部分是完成电磁感应能量转化的感应线圈，称感应炉。
与传统的加热方式相比，感应加热具有加热速度快、铁屑损耗少、启动快、节能、生产效率高等一系列优点，因此近年来在工业领域中有着广泛的应用。
目前，感应加热主要用途是金属加热前的预热、热处理、焊接和融化等。
1.2感应加热电源技术发展现状与趋势
（1）感应加热电源技术发展现状
感应电源按频率范围可分为以下等级：
500Hz以下为低频，1-10KHz为中频；20KHz以上为超音频和高频。
感应加热电源发展与电力电子器件的发展密切相关。
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系列中频电源已覆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还有一定差距，但发展很快，1995年浙大研制出50KW/50KHz的IGBT超音频电源，北京有色金属研究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选择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（MOSFET），前者是日本研制的3KW～200KW，20KHz～300KHz系列高频电源,后者由欧美采用MOSFET研制成功输出频率为200～300KHz,输出功率为100～400KW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5～50KW/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发展，但远不能适应我国工业发展的要求，对于应用范围越来越广泛的高频感应加热电源领域的研究尤为薄弱，处于刚刚起步阶段。
（2）感应加热电源技术发展与趋势
感应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此当前功率器件在性能上的不断完善，使得感应加热电源的发展趋势呈现出以下几方面的特点。
1频率
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要进一步探讨。
2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逆变器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/AC环节有足够的时间来纠正直流电源的偏差，达到多机并联扩容。
3载匹配
感应加热电源多用于工业现场，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，他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输入效率，从磁性材料选择到绕组结构的设计已成为一重要课题，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哥无源元件以取消匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配。
4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。
二感应加热电源及其实现方案研究
2.1串并联谐振电路的比较
感应加热电源根据补偿形式分为两种，并联谐振式（电流型）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
并联谐振式电源采用的逆变器是并联谐振逆变器，其负载为并联谐振负载。
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电流值，频率取决于器件的开关频率。
串联谐振式电源采用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－φ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－φ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，关断前其电流己逐渐减少到零，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还需加一段反压时间，因而关断时间较长。
相比之下，串联谐振逆变器更适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容易，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。
至今仍有人在研究并联谐振逆变器的起动问题。
串联谐振逆变器晶闸管暂时丢失脉冲，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偶尔丢失触发脉冲时，仍可维持振荡。
（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，保护困难。
但随着保护手段的不断完善以及器件模块本身也有自带保护功能，串联谐振逆变器的保护不再是难题。
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，较易保护。
（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，则都是逆变器输出电流的Q倍。
逆变器器件关断时，将承受较高的正向电压，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）的距离较远时，对输出功率的影响较小。
而对并联谐振逆变器来说，感应加热线圈应尽量靠近电源（特别是补偿电容器），否则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，决定对串联谐振式电源进行研究。
2.2电路的功率调节原理
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：
f=0.9
式中的0.9是因为矩形波所乘的波形率。
从式中可以看出当输入电压一定时，可以通过调节输出电流滞后输出电压的滞后角r来调节输出功率。
而滞后角r是由谐振参数和开关管工作频率共同决定的。
从上式可以看出当系统工作在谐振频率时cosr=1，即r为0度，系统输出的功率最大。
当开关频率提高时，滞后角r同时开始增大，输出功率开始下降，从而完成功率调节。
三变频感应加热电源主电路设计
3.1主电路设计原始数据及主要技术指标
（1）电网供电电压：
三相380V，50Hz；
（2）电网电压波动：
+10%～-10%；
（3）最大输出功率：
P=70kW；
（4）电源输出频率：
400Hz～2kHz；
（5）电源效率：
η≥80%。
3.2设计要求
（1）画出感应加热电源主电路原理图；
（2）完成逆变桥器件电参数计算及选取；
（3）根据给出的仿真条件，对所设计的主电路进行仿真分析。
3.3设计思想
变频电源装置的基本工作原理，就是通过一个整流电路把工频交流电变为直流电，经过直流电抗器最后经逆变器变为单相变频交流电供给负载，所以中频电源装置实际上是交流电-直流电-交流电-负载
3.4变频感应加热电源主电路图
图3.2感应加热电源的主电路图
3.5设计内容
3.5.1整流电路的设计
3.5.1.1整流电路的选择
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
三相半波
三相半控桥
三相全控桥
双反星形等。
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，并且三相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。
三相全控桥式可控整流电路与三相半波电路相比，若要求输出电压相同，则三相桥式整流电路对晶闸管最大正反向电电压的要求降低一半；若输入电压相同，则输出电压比三相半波可控整流是高一倍。
而且三相全控桥式可控整流电路在一个周期中变压器绕组不但提高了导电时间，而且也无直流流过，克服了三相半波可控整流电路存在直流磁化和变压器利用率低的缺点。
从以上比较中可看到：
三相桥是可控整流电路从技术性能和经济性能两方面综合指标考虑比其他可控整流电路有优势，故本次设计确定选择三相桥式可控的整流电路。
因为电源额定频率f为400HZ～2kHZ,所以三相桥式可控整流电路中的晶闸管选择快速晶闸管，使其呈容性，即电流相角超前电压和IGBT。
3.5.1.2整流侧参数计算
（1）整流侧输出电流：
Id=
=70×
=221.1A
（2）晶闸管额定电压：
UTN=（1+10%）×380×
×2=1182.28V
（3）晶闸管额定电流：
ITN=2×
×
=146A
3.5.1.3整流侧电路图：
三相桥式全控整流电路是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联，在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导通回路，其中一个晶闸管是共阴极组，一个晶闸管是共阳极组。
六个晶闸管导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，每隔60°一个晶闸管换相。
为了保证在任意时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为60°。
电路图如下：
3.5.2逆变电路的设计
3.5.2.1逆变电路的选择
逆变电路也称逆变器，它与整流相对应，把直流电变成交流电，本次设计采用电流型逆变电路，主要由滤波电容、晶闸管、换相电容、换相电感组成。
整流电路的输出电压作为逆变电路的直流侧输入电压，且本次设计不考虑换相过程。
整流之后的直流电压相当于逆变电路的电源，经过大电感的滤波，使得流经电路的电流的方向不变，大小恒定。
因为电感反馈无功能量时直流电流并不反向，因此不需要并联反馈二极管。
3.5.2.2逆变侧参数计算
（3）整流侧输出电流：
Id=
=115.79×
=233.67A
（1）IGBT最大承受电压：
UTN=（1+10%）×380×
×2=1182.28V
（2）IGBT额定电流：
由
可得I=271A
故由IGBT能承受的最大电压1182.28V及其额定电流271A
IGBT应该选择额定电压为1200V额定电流为300A的IGBT管子。
3.5.2.3逆变侧电路图
总体电路图
3.6保护电路
由于晶闸管中频电源装置的工作受供电电网及负载的影响较大，而且晶闸管元件的超载能力又较小，故要使电路可靠工作，必须要有完善的保护措施。
当整流桥输出失控或逆变桥输出发生短路以及外界的其他因素，会使电路中的电压和电流在极短时间内上升到极大值，，故需要设计过电压过电流保护电路。
消除过电压现象通常可以采用阻容吸收电路，其实
质是将引起过电压的磁场能量变成电场能量储存在电容器中，然后电容器通过电阻放电，把能量逐渐消耗在电阻中。
3.6.1.整流侧晶闸管过电压保护：
（1）RC吸收电路电容：
Cs=（2.5~5）×10-3×IT（AV）=2.5×10-3×ITN=0.53µF
Cs的交流耐压：
Ucsm=1.5UTN=2694.57V
（2）RC吸收电路电阻：
Rs=10~30（Ω）
电阻的功率:
PR=fC（Um）2×10-6=1000×0.19×（2.45×Ud）2×10-6=279.3W
3.6.2.逆变侧晶闸管过电压保护：
（1）RC吸收电路电容：
Cs=（2.5~5）×10-3×ITN=2.5×10-3×210.52=0.53μF
（2）RC吸收电路电阻：
Rs=10~30（Ω）
电阻的功率:
PR=fC（Um）2×10-6=1000×0.29×（
×Ud）2×10-6=142.1W
3.7波形仿真
仿真条件：
1）考虑直流母线电压约为500V，直流母线文波电压不大于30V，则选择2只日立公司HCGF5A2G392Y电解电容串联使用，每只耐压为400V，电容量3900µF；
2）逆变变压器二次绕组匝数经计算取27匝，变压器一、二次绕组匝数比由负载所加电压决定，此设计取1:
1.5，则一次绕组匝数为18匝；
3）等效负载电感值L=0.8mH。
为实现负载串联谐振，需在变压器一次侧串入一定大小的电容，假设系统工作在500Hz下，考虑变压器的初次级匝比为1:
1.5，则经计算C1=286µF。
仿真波形如图所示：
系统输出仿真波形
系统输出仿真波形
四设计心得体会
通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、自己解决问题，对三项电网，保护电路等都有了更深刻的理解。
在设计的过程中，当然也遇到了很多的困难，能过讨论和查阅资料，逐一解决了这些问题。
通过这次课程设计，使我懂得了只有课堂知识是远远不够的，只有把所学的知识综合起来，从理论中得出结论，提高自己独立思考的能力，才会对自己的将来有帮助。
在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识掌握得不够牢固，通过这次课程设计，巩固了以前所学的知识。
课程设计其实就是一个很好的复习过程，把所学的知识融会贯通，真正的做到学以致用。
参考文献
[1].王兆安刘进军《电力电子技术》（第五版）机械工程出版社
[2].张华《电类专业毕业设计指导》机械工业出版社
[3].韩晓东李勇江《Protel99SE电路设计实用教程》（第二版）
中国铁道出版社
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