中频感应加热电源的设计毕业设计参考1演示教学.doc
《中频感应加热电源的设计毕业设计参考1演示教学.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《中频感应加热电源的设计毕业设计参考1演示教学.doc(43页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。中频感应加热电源的设计毕业设计参考1-0096编号:毕业设计论文课题:中频感应加热电源的设计院(系):机电与交通工程系专业:电气工程及其自动化学生姓名:吴科虎学号:020120221指导教师单位:电气工程教研室姓名:何少佳职称:高级实验师题目类型:理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发2006年06月03日-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。本设计根据设计任务进行了方案设计,设计了相应的
2、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用IGBT作为开关器件,可工作在10Hz10kHz频段。它由整流器、滤波器、和逆变器组成。整流器采用不可控三相全桥式整流电路。滤波器采用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。逆变器主要由PWM控制器SG3525A控制四个IGBT的开通和关断,实现DC-AC的转换。设计中采用的芯片主要是PWM控制器SG3525A和光耦合驱动电路HCPL-316J。设计过程中程充分利用了SG3525A的控制性能,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(500
3、ns),光隔离,故障状态反馈,可配置自动复位、自动关闭等功能,所以选择其作为IGBT的驱动。对原理样机的调试结果表明,所完成的设计实现了设计任务规定的基本功能。此外,为了满足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书规定的任务。关键词:感应加热电源;串联谐振;逆变电路;IGBTAbstractTheIntermediateFrequencyInductionHeatinghasbeenwidelyappliedinmelting,casting,bend,hotforging,welding,SurfaceHeatTreatmentduetoitsadvantagesof
4、highheatingefficiency、highspeed、easilycontrolled、easilybeingmechanizedandautomated.Theschemehasmadeaplanofdesignsbasedonthetaskofdesign,designedcorrespondinghardwarecircuitanddeveloped20kWintermediatefrequencyinductionheatingpowersystem.ThethesisdiscussestheChoiceofconverterschemeindetail.SeriesReso
5、nanceInverterhasanothernameisVoltageInverter.ItsOutputVoltageapproachessquarewaveandloadcurrentapproachessine-wave.InversionmustfollowthePrinciplesofbreakbeforemakeandthereisenoughdead-timebetweenturn-offandturnoninordertoavoidingdirectthroughinupperandlowerbridges.ThethesisdiscussedtheChoiceofconve
6、rterschemeindetailaswellasintroducedthecontrolcircuitofthispowersourceanditsdesignprinciple.Develop20kWintermediatefrequencyinductionheatingpowersystemwithswitchelementIGBT.MakearesearchonConverterCircuit,controlcircuit,drivercircuitetc.TheCMOSchipthatisappliedinthedesignismainlyPWMControllerSG3525A
7、andopticalcouplerDriveCircuitHCPL-316J.ThecontrolledfeatureofPWMControllerSG3525Aisfullyutilizedintheprocessofdesign,whichhaswideadjustableoperatingfrequencyanddeadtime,inputundervoltagelockfunctionandtwinchanneloutputcurrent.TheopticalcouplerDriveCircuitHCPL-316JischosenasthedrivenofIGBTduetoitsfun
8、ctions,suchasfastswitchspeed(500ns),opticalisolation,thefeedbackoffaultsituation,wideoperatingvoltage(15V30V),automaticresetandautomaticclosedownetc.Keywords:Inductionheatingpowersupply;seriesresonance;inversecircuit;IGBT目录引言11绪论21.1感应加热的工作原理21.2感应加热电源技术发展现状与趋势32感应加热电源实现方案研究52.1串并联谐振电路的比较52.2串联谐振电源工
9、作原理72.3电路的功率调节原理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选择163.3.2IGBT和续流二极管的选择173.3.3槽路电容和电感的参数设定184控制电路的设计194.1控制芯片SG3525A194.1.1内部逻辑电路结构分析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
10、管(IGBT)对驱动电路的要求245.1.1门极电压对开关特性的影响及选择245.1.2门极串联电阻对开关特性的影响及选择255.2IGBT过压的原因及抑制255.3IGBT的过流保护265.3.1设计短路保护电路的几点要求275.4集成光电隔离驱动模块HCPL-316J275.4.1器件特性275.4.2芯片管脚及其功能介绍285.4.3内部逻辑电路结构分析285.4.4器件功能分析295.4.5驱动电路的试验和注意问题306辅助直流稳压电源316.1三端固定稳压器316.2本次设计用的的电源326.2.118伏,15伏稳压电压电源326.2.212伏,5伏双路稳压电源326.2.3元器件选
11、择及参数计算337硬件调试348结论35致谢37参考文献38附录一整体电路原理图39附录二控制电路PCB40引言随着功率器件的发展,感应加热电源的频率也逐步提高,经历了中频、超音频、高频几个阶段。在感应加热电源的应用中,淬火、焊管、焊接等工艺都要求高频率高功率的电源。功率MOSFET虽然可以实现高频工作,但其电压、电流容量等级低,大功率电源需采用串、并联技术,影响了电源运行的可靠性。绝缘栅双极晶体管(IGBT)比较容易实现电源高功率化,但在高频情况下,其开关损耗,尤其是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用功率自关断功率器件IGBT,负载频率是
12、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,彻底消除了尾部电流引起的关断损耗,理论上可实现零开关损耗;同时采用死区控制策略后,可实现负载阻抗调节。以往一般采用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,输出频率仍然偏低;而采用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。为满足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、结构简单、效率高。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、透热、热处理和焊接等工业生产
13、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。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,使感应圈内的工件受到电磁感应电势。设工件的等效匝数为。则感应电势:(1-1)如果磁通是交变得,设,则有效值为:(1-3)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:(1-4)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,
14、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:(1-5)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
15、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
16、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(8590%)集中在厚度为的薄层中。透入深度由下式确定:(1-6)式中:工件电阻率(m),。真空磁导率410(H/m).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:(1-7)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
17、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。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
18、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3KW200KW,20KHz300KHz系列高频电源,后者由欧美采用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
19、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550KW/100400KHz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7180KHz,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。(1)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
20、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。高频率目前,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。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、并联器件的均流问题
21、,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
22、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。负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。智能化
23、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。2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
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 中频 感应 加热 电源 设计 毕业设计 参考 演示 教学
限制150内