中频感应加热设备的设计31004.docx

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1、辽宁工程技术大学摘要 感应加加热电源源具有加加热效率率高，速速度快，可可控性好好，易于于实现高高温和局局部加热热，易于于实现机机械化和和自动化化等优点点，目前前已在金金属熔炼炼、工件件透热、淬淬火、焊焊接、铸铸造、弯弯管、表表面热处处理等行行业得到到了广泛泛的应用用。 本设计计研究了了中频感感应加热热及其相相关技术术的发展展、现状状和趋势势，并在在较全面面的论述述基础上上，对22.5kkHz/2500kW可可控硅中中频感应应加热电电源的整整流电路路以及控控制电路路进行了了设计。本本文设计计的电源源电路可可用于大大型机械械热加工工设备的的感应加加热电源源。整流流电路采采用三相相桥式全全控整流流电

2、路，其其电路结结构简单单，使电电源易于于推广；控制策策略选用用双闭环环反馈控控制系统统，改善善了信号号迟滞的的缺点，为为以后研研制大功功率、超超音频的的感应加加热电源源打下了了基础。关键词：可控硅硅中频电电源；感感应加热热；逆变变；保护护电路Desiign of Indducttionn heeatiing powwer of meddiummfreequeencyyAbsttracctInduuctiion heaatinng ppoweer iis eequiippeed wwithh loots of advvanttagees ssuchh ass hiigh heaatinng ee

3、ffiicieencyy, ffastt sppeedd ,ggoodd coontrrolllabiilitty, whiich is proone to makke hheattingg off hiigh andd paartiial temmperratuure ，annd rreallizee meechaanizzatiion andd auutommatiion. Att prreseent mettal melltinng, worrk ppiecce hheatt peenettrattionn, qquennchiing, weeldiing, caastiing, ell

4、boww piiecee, ssurffacee heeatiing proocesssinng hhas beeen wwideely appplieed. Induuctiion heaatinng oof mmediium freequeencyy annd ddeveeloppmennt, currrennt ssituuatiion, annd ttenddenccy rrelaatedd teechnnoloogy hass beeen stuudieed，aand havve mmadee quuitee coomprreheensiive andd inn thhe pprof

5、founnd eelabboraatioon ffounndattionn, tthiss arrticcle hass caarriied on thee deesiggn ttomaain cirrcuiit aand thee innverrsioon cconttroll off thhe 22.5kkHz/2500kW sillicoon-cconttrollledd reectiifieer iinteermeediaate freequeencyy innducctioon hheattingg poowerr. TThiss deesiggn iis uusedd foor b

6、big facciliity of mecchannicaal hheattingg prroceessiing. Sttruccturre oof rrecttifiicattionn ciircuuit is eassy, whiich makkes powwer poppulaarizzed eassilyy. TThreee-pphasse bbriddge recctifficaatioon ccirccuitt iss ussed in Recctifficaatioon ccirccuitt. RRecttifiicattionn ciircuuit usees ffeeddba

7、cck cconttroll off twwo cclossed looop, impprovvingg thhe ddisaadvaantaagess. TThe fouundaatioon ffor invventtingg innducctioon hheattingg poowerr off biig ppoweer aand supper auddio is madde.Key worrds：Conntroollaablee siiliccon meddiumm poowerr IInduuctiion heaatinng Invvertter Prroteect cirrcuiit

8、目 录录1.绪论论11.1 感应加加热电源源的特点点和应用用11.2 感应加加热电源源的发展展阶段11.3 感应加加热电源源发展的的主要因因素21.4 感应加加热电源源的发展展趋势22.感应应加热电电源32.1 基本工工作原理理32.2 基本结结构43.整流流电路设设计53.1 整流电电路的分分类53.2 整流电电路的选选择53.3 三相桥桥式全控控整流电电路63.4整整流电路路的参数数设计84.控制制电路设设计94.1 控制电电路系统统的概述述94.2 控制电电路的结结构与原原理94.3 控制电电路的作作用114.4 控制策策略114.5 2.55kHzz/2550kWW感应加加热电源源控制

9、电电路结构构144.6 控制触触发回路路频率跟跟踪调节节154.6.1 触触发要求求154.6.2 频频率跟踪踪电路154.7 过流和和过压的的保护电电路165驱动电电路的设设计245.1 绝缘栅栅双极型型晶体管管（IGGBT）对对驱动电电路的要要求245.1.1门极极电压对对开关特特性的影影响及选选择245.1.2门极极串联电电阻对开开关特性性的影响响及选择择255.2 IGBBT过压压的原因因及抑制制255.3 IGBBT的过过流保护护265.3.1设计计短路保保护电路路的几点点要求275.4 集成光光电隔离离驱动模模块HCCPL-3166J275.4.1器件件特性275.4.2芯片片管脚

10、及及其功能能介绍285.4.3内部部逻辑电电路结构构分析285.4.4器件件功能分分析295.4.5驱动动电路的的试验和和注意问问题306 辅助助直流稳稳压电源源316.1 三端固固定稳压压器316.2 本次设设计用的的的电源源326.2.1 118伏，115伏稳稳压电压压电源326.2.2 12伏伏，5伏双双路稳压压电源326.2.3元器器件选择择及参数数计算337 硬硬件调试试348 结结论35致谢337参考文献献38附录一 整体电电路原理理图39附录二控控制电路路PCBB40绪论1.1 感应加加热电源源的特点点和应用用感应加热热是根据据电磁感感应原理理，利用用工件中中涡流产产生的热热量对

11、工工件进行行加热的的。由于于感应加加热效率率高，速速度快，可可控性好好，易于于实现高高温和局局部加热热，易于于实现机机械化和和自动化化等优点点，已在在熔炼，铸铸造，弯弯管，热热锻，焊焊接和表表面热处处理等行行业得到到广泛的的应用。在在国外，感感应加热热技术已已日趋成成熟。在在铸造方方面，正正在迅速速发展双双联熔炼炼工艺，即即利用中中频炉保保温改性性，进行行球墨铁铁或合金金钢的精精密浇铸铸；在锻锻造方面面，利用用感应加加热实现现快速透透热热锻锻，其材材料利用用率可达达85%，锻件件表面光光洁度可可小于550m；在在焊接，淬淬火方面面，国外外一方面面致力于于开发大大功率全全固态高高频电源源，一方方

12、面致力力于开发发高度自自动化的的热处理理成套处处理系统统。我国国铸件用用量大，而而铸造行行业仍以以冲天炉炉熔炼为为主，温温度及成成分波动动大，废废品率高高。目前前，我国国较好的的铸造业业废品率率也在66%115%间间，而一一般铸造造厂的废废品率高高达300%。随随着我国国电力供供应的改改善，环环保要求求的提高高，发展展和扩大大感应加加热的规规模，在在大型企企业推广广双联熔熔炼工艺艺，改造造我国铸铸造行业业是符合合我国煤煤炭资源源丰富特特点的一一条有效效途径。这这项改造造工程不不但涉及及到保温温炉的设设计制造造，双联联熔炼工工艺的最最佳化控控制系统统设计，还还涉及到到大功率率中频感感应加热热电源

13、等等。同样样地，在在锻造，焊焊接，淬淬火热处处理方面面全面推推广国外外先进技技术，改改造我国国传统产产业是必必然趋势势。近年来在在某些高高新技术术的研究究开发中中也使用用了感应应加热。上上述这些些先进技技术的推推广和发发展均与与感应加加热电源源技术的的研究和和发展密密切相关关。1.2 感应加加热电源源的发展展阶段1）在550年代代前，感感应加热热电源主主要有:工频感感应熔炼炼炉，电电磁倍频频器，中中频发电电机组和和电子管管振荡器器式高频频电源。550年代代末可控控硅的出出现则标标志着固固态半导导体器件件为核心心的现代代电力电电子学的的开始。硅硅晶闸管管的出现现推动了了感应加加热电源源及应用用的

14、飞速速发展。至至今，在在中频（5500HHz110kHHz）范范围内，晶晶闸管中中频感应应加热装装置已完完全取代代了传统统的中频频发电机机组和电电磁倍频频器。在在高频范范围内，由由于晶闸闸管本身身开关特特性等参参数的限限制，给给研制该该频段的的电源带带来了很很大的技技术难度度，它必必须通过过改变电电路拓扑扑结构才才有可能能实现。2）700年代末末到800年代初初，现代代半导体体微机集集成加工工技术与与功率半半导体技技术的结结合，为为开发新新型功率率半导体体器件提提供了条条件，相相继出现现了一大大批全控控型电力力电子半半导体器器件，极极大地推推动了电电力电子子学发展展，为固固态超音音频，高高频电

15、源源的研制制提供了了坚实的的基础。3）19983年年IGBBT的问问世进一一步推动动了感应应加热电电源的发发展。IIGBTT综合了了MOSS和双极极晶体管管的优点点，具有有通态压压降低，开开关速度度快，易易驱动等等优点，自自19888年解解决了擎擎住问题题后，大大功率高高速IGGBT己己成为众众多加热热电源的的首选器器件，频频率高达达1000kHzz,功率率高达MMW级电电源已可可实现。4）在超超高频(1000kHzz以上)频段，长长期以来来由电子子管振荡荡式变换换器产生生。800年代兴兴起由大大功率半半导体开开关器件件为元件件的逆变变式高频频感应加加热电源源。1.3 感应加加热电源源发展的的

16、主要因因素（1）感感应加热热电源的的发展与与电力电电子器件件的发展展密切相相关，而而电力电电子器件件的发展展又是与与半导体体微机集集成加工工技术与与功率半半导体技技术分不不开的。可可控硅出出现后，一一代又一一代的电电力半导导体器件件先后问问世，性性能不断断改善，高高耐压和和高耐流流，低损损耗、高高频率使使得感应应加热电电源的性性能和实实用性得得到了体体现。（2）单单片机、微微型计算算机技术术和集成成芯片技技术的发发展使得得对感应应加热电电源的复复杂控制制成为可可能，体体积和重重量明显显减小，功功率因素素提高了了，功率率控制调调节方便便、准确确。（3）感感应加热热电源的的发展离离不开材材料学的的

17、进步如如磁性材材料学。同同时，一一些相关关的技术术如磁通通集中器器，感应应线圈的的材料和和设计，绝绝缘技术术，故障障诊断技技术和远远程控制制、智能能化技术术等等也也都影响响其发展展。可以以说，感感应加热热电源的的发展是是诸多学学科和综综合技术术共同决决定的。1.4 感应加加热电源源的发展展趋势（1）从从电路的的角度，感感应加热热电源的的大容量量化技术术分两类类:一是是器件的的串并联联；二是是多台电电源的串串并联。在在器件的的串并联联方式中中，必须须处理好好串联器器件的均均压问题题和并联联器件均均流问题题，由于于器件制制造工艺艺和参数数的离散散性，限限制了器器件的串串并联数数目，且且装置的的可靠

18、性性和串并并联数目目成反比比。多台台电源的的串并联联技术是是在器件件串并联联技术基基础上进进一步大大容量化化的有效效手段，借借助于可可靠的电电源串并并联技术术，在单单机容量量适当的的情况下下，可简简单地通通过串并并联运行行方式得得到大容容量装置置，每台台单机只只是装置置的一个个单元(或一个个模块)。串联逆变变器输出出可等效效为低阻阻抗的电电压源。当当两电压压源并联联时，相相互间的的幅值，相相位和频频率不同同或波动动时将导导致很大大的环流流，以致致逆变器器件的电电流产生生严重不不均。因因此，串串联逆变变器存在在并机扩扩容困难难:而对对并联逆逆变器，逆逆变器输输入端的的直流大大，电抗抗器可充充当各

19、并并联器之之间的电电流缓冲冲环节，使使得输入入端的AAC/DDC或DDC/DDC环节节有足够够的时间间来纠正正直流电电流的偏偏差，达达到多机机并联扩扩容。（2）目目前，感感应加热热电源在在中频段段主要采采用晶闸闸管，超超音频段段主要是是IGBBT，而而高频段段，随着着MOSSFETT和IGGBT性性能不断断改进，SSIT将将失去存存在价值值。感应应加热电电源谐振振逆变器器可实现现软开关关，但由由于通常常功率较较大，对对功率器器件，无无源器件件，电缆缆，布线线，接地地屏蔽等等均有很很多特殊殊要求，尤尤其是高高频电源源。因此此，实现现感应加加热电源源高频化化仍有许许多应用用基础技技术需进进一步探探

20、讨。（3）感感应加热热电源多多应用于于工业现现场，其其运行工工况比较较复杂，它它与钢铁铁，冶金金和金属属热处理理行业具具有十分分密切的的联系，它它的负载载对象各各式各样样，而电电源逆变变器与负负载是一一有机的的整体，负负载直接接影响到到电源的的运行效效率和可可靠性。对对焊接，表表面热处处理等负负载，一一般采用用匹配变变压器连连接电源源和负载载感应器器，对高高频，超超音频电电源用的的匹配变变压器要要求漏抗抗很小，如如何实现现匹配变变压器的的效率，从从磁性材材料选择择到绕组组的设计计已成为为重要课课题。另另外，从从电路拓拓扑上负负载结构构以三个个无源元元件代替替原来的的二个无无源元件件，以代代替匹

21、配配变压器器实现高高效，低低成本隔隔离匹配配。（4）随随着感应应热处理理生产线线自动化化程度及及对电源源高可靠靠性要求求提高，感感应加热热电源正正向智能能化控制制方向发发展。具具有计算算机智能能接口、远远程控制制、故障障自动诊诊断等控控制性能能的感应应加热电电源正成成为下一一代发展展目标。（5）由由于感应应加热用用电源一一般功率率都很大大，目前前对它的的功率因因数，谐谐波污染染指标还还没有具具体要求求。但随随着减少少电网无无功及谐谐波污染染要求的的提高，具具有高功功率因数数(采用用大功率率三相功功率因数数校正技技术)及及低谐波波污染电电源必将将成为今今后发展展趋势。（6）当当今高新新技术飞飞速

22、发展展，新材材料、新新工艺不不断涌现现，感应应加热是是一个重重要的研研发和加加工手段段。因此此，感应应加热电电源是某某些高新新技术研研发中心心不可缺缺少的装装备。可可以肯定定的说，随随着科学学技术的的发展，感感应加热热电源在在高新技技术领域域会有更更广泛的的应用。在在这一领领域，对对感应加加热电源源的可靠靠性和可可控性要要求更高高。如何何设计制制造大功功率超高高频、高高性能的的感应加加热电源源，是电电力电子子科技工工作者的的重要课课题。422.感应应加热电电源2.1 基本工工作原理理感应加热热是利用用导体处处于交变变电磁场场中产生生感应电电流（涡涡流）所所形成的的热效应应使导体体本身发发热。根

23、根据不同同的加热热工艺要要求，感感应加热热采用的的电源的的频率有有工频（550660Hzz）、中中频(6601100000Hzz)和高高频(高高于1000000Hz)。感应应加热的的物体必必须是导导体，感感应加热热能在被被加热物物体内部部直接生生热，因因而热效效率高，升升温速度度快，容容易实现现整体均均匀加热热或局部部加热（包包括表面面加热）。感应加热热是利用用交流电电建立交交变磁场场产生涡涡流对金金属工件件进行感感应加热热的。基基本工作作原理如如图1所所示，图图中A为为感应线线圈（也也称负载载线圈），BB为被加加热的金金属工件件。若线线圈A中中通以交交流电流流i1，则在在线圈AA内产生生随时

24、间间变化的的磁场，置置于交变变磁场中中的被加加热工件件B要产产生感应应电动势势e2，形成成涡流ii2，这些些涡流使使金属工工件发热热，消耗耗电能。由由上可知知，感应应加热是是靠感应应线圈把把电能传传递给要要加热的的金属工工件，然然后在金金属内部部转变为为热能，感感应线圈圈与被加加热金属属不直接接电接触触，能量量是通过过电磁感感应传递递的。 B A图1 感感应加热热基本原原理由电磁感感应定律律可知，感感应电动动势为： （22-1）设磁通对对时间tt按正弦弦规律变变化，即即则 （2-2）其中感应应电动势势的幅值值为：2为了要使使金属工工件加热热到一定定的温度度，必须须要求金金属工件件内有足足够大的

25、的涡流，亦亦即要求求金属工工件内有有较大的的电动势势，从式式（2-2）可可知，要要增大有有如下两两种途径径：（1）增增大线圈圈A中的的电流。增增大即增增大金属属工件中中的交变变磁通的的最大值值。（2）增增大线圈圈中电流流的频率率。因为为金属工工件中的的感应电电动势正正比于磁磁通变化化率，所所以的频频率越高高，感应应电动势势就越大大。近代代感应加加热广泛泛采用中中频及高高频电源源的原因因就在于于此，也也是成为为感应加加热电源源研究的的方向和和追求的的必然。2.2 基本结结构随着电力力电子学学及功率率半导体体器件的的发展，感感应加热热电源拓拓扑结构构经过不不断的完完善，已已形成一一种固定定的ACC

26、/DCC/ACC变换形形式，基基本结构构如图22所示。一一般由整整流器、滤滤波器、逆逆变器及及一些控控制和保保护电路路组成。三相整流器滤波器逆变器负载整流器控制电路逆变器控制电路图2 感感应加热热电源的的基本结结构3.整流流电路设设计3.1 整流电电路的分分类整流电路路是电力力电子电电路中最最早出现现的一种种，它将将交流电电变为直直流电，应应用十分分广泛，电电路形式式各种各各样；按按组成的的器件可可分为不不可控、半半控和全全控三种种，按电电路结构构可分为为桥式电电路和零零式电路路，按交交流输入入相数分分为单相相电路和和多相电电路，按按变压器器二次侧侧电流的的方向是是单相或或双相，又又分为半半波

27、电路路和全波波电路；实用电电路是上上述的组组合结构构。整流流电路的的实质就就是把交交流电能能转换为为直流电电能的电电路。3.2 整流电电路的选选择半波整流流：变压压器的次次级绕组组与负载载相接，中中间串联联一个整整流二极极管，就就是半波波整流。利利用二极极管的单单向导电电性，只只有半个个周期内内有电流流流过负负载，另另半个周周期被二二管所阻阻，没有有电流。这这种电路路，变压压器中有有直流分分量流过过，降低低了变压压器的效效率；整整流电流流的脉动动成分太太大，对对滤波电电路的要要求高。只只适用于于小电流流整流电电路。全波整流流：一是是变压器器与半流流整流电电路相同同，但用用四个二二极管组组成桥式

28、式电路，将将次级线线圈的正正、负半半周都用用起来；二是变变压器的的次级绕绕组圈数数加倍，中中间抽头头，实际际上由两两个次级级线圈构构成。中中间抽头头接负载载一端，另另两个端端子各串串联一个个二极管管后接负负载的另另一端。经常使用用的整流流电源电电路是效效率高的的全波整整流电源源电路，仅仅用电容容器作为为滤波电电路的电电路有中中心抽头头式和桥桥式。现现在装有有4个整整流二极极管的桥桥式整流流器能够够很便宜宜买到，而而且变压压器的使使用效率率也高，所所以几乎乎都为桥桥式整流流电路。桥式整流流属于全全波整流流，三相相整流只只有全波波整流，没没有半波波整流。三三相全波波整流也也只有桥桥式整流流。 所所

29、以在此此设计中中选用了了三相桥桥式全控控整流电电路。3.3 三相桥桥式全控控整流电电路整流电路路采用三三相全控控桥式整整流电路路，其作作用为将将从三相相电网输输入的550Hzz电压整整流成脉脉动的直直流电压压。三相桥式式整流电电路图如如图3所所示。图3 三三相桥式式全控整整流电路路晶闸管AAB、BBC、CCA接成成共阴极极，晶闸闸管ACC、BAA、CBB接成共共阳极，并并与变压压器和负负荷分别别构成两两个三相相半波可可控整流流电路，两两个三相相半波可可控整流流电路串串联就构构成三相相桥式全全控整流流电路，如如图4所所示。图4 三三相桥式式全控整整流电路路三相桥式式全控整整流电路路的输出出电压为

30、为三相半半波可控控电路的的两倍三相桥式式全控整整流电路路的输出出电压为为： （33-1）式中：输出出直流电电压平均均值；电网网相电压压；触发发移相角角。当=0时时，对于于共阴极极组的晶晶闸管依依次触发发阴极电电位最高高的晶闸闸管，对对于阴极极组的晶晶闸管组组依次触触发阴极极电位最最低的晶晶闸管，使使晶闸管管导通。把把一个周周期平均均分为66段，如如图5所所示。 图5 不不同的输输出波形形在AB段段内，aa相电压压最高，电电流从变变压器aa相绕组组流出，经经过ABB负荷和和BA（在在此段内内，b相相电压最最低，共共阳极组组的晶闸闸管BAA正处于于导通状状态），回回到变压压器b相相绕组。aa相绕组

31、组内的电电流为正正，b相相绕组内内的电流流为负。负负荷电压压Ud=Uabb。在AC段段内，aa相电压压仍然最最高，晶晶闸管AAB继续续导通，电电流从aa相绕组组流出，经经过ABB负荷和和CB。晶晶闸管BBA承受受反向电电压而关关断，所所以电流流回到cc相绕组组。b相相绕组内内的电流流为正，cc相绕组组内的电电流为负负。负荷荷电压UUd=Uacc。在AB和和AC段段内，由由于负荷荷的电感感量较大大，流过过AB的的电流也也保持不不变。在BC段段内，bb相电压压最高，晶晶闸管BBC因得得到触发发脉冲而而导通，由由于b点点电位高高于a点点电位，所所以晶闸闸管ABB因承受受反向电电压而关关断。电电流从b

32、b相绕组组流出。在在这一段段内，cc相电压压仍然最最低，晶晶闸管CCB继续续导通。负负荷电压压Ud=Ubcc。在BA段段内，BBC和AAC导通通，Ud=Ubaa。在CA段段内，AAC和CCA导通通，Ud=Ucaa。在CB段段内，CCA和BBA导通通，Ud=Ucbb。 上面图55是不同同时的输输出电压压波形给给出了在在感性负负载电流流非断续续的状态态下，不不同角下下的输出出电压的的波形，其其中的状态态称为整整流桥的的逆变工工作状态态，其实实质是负负载向电电网反馈馈能量。3.4整整流电路路的参数数设计(1)二二极管电电压额定定值；二二极管的的耐压可可按式(3-22)确定定，根据据电网电电压，考考虑

33、到其其峰值、电电压波动动等因素素。取波波动系数数为1.3，安安全系数数=1.5。 （3-2）由于交流流侧电压压为3880V，代代入上式式，可得得： （3-3）(2)确确定电流流额定值值I：整流流二极管管的电流流额定值值是根据据其结温温而确定定的，可可按式(3-44)来确确定： （33-4）式中：冲击击电流值值；安全全系数，取取=2；将上式变变形为：A （33-5）需要说明明的是，由由于有的的存在，在在开始启启动时，可可以使其其占空比比很小，这这样几乎乎没有冲冲击电流流，所以以实际上上二极管管的耐流流可以更更小。（3）的的选取；的耐压压和耐流流与整流流二极管管是相同同等级的的。由于于频率较较高，

34、所所以要选选择GTTR、MMOSFFET、IIGBTT等工作作频率较较高的自自关断器器件。（4）电电力电容容的计算算；因为为是6个个脉动整整流波动动，500Hz电电网输入入。周期期为200ms，所所以每个个波动的的时间为为20/64mms，根根据公式式(3-6)可可以得到到： （33-6）式中，取取I=1115.883A，t=4ms，=600V ,得到：C=772.2F可以选取取30000F/4400VV的电容容4个串串联，这这样实际际的容量量为7550F，耐耐压为116000V。4.控制制电路设设计4.1 控制电电路系统统的概述述敢应加热热对其电电源提出出了一定定的技术术要求，感感应加热热电

35、源的的控制系系统就是是根据这这些要求求来设计计和实现现的。在在生产过过程中，根根据不同同的工艺艺，中频频电源不不仅要输输出各种种不同的的功率，而而且还需需要在各各种扰动动下维持持和调整整各种指指标。例例如锻坯坯加热时时，为保保证工件件的出口口温度，电电源必须须具有电电压自动动调节的的能力，以以适应电电网电压压的波动动的影响响。另外外，在感感应加热热系统出出现故障障情况下下，电路路中会出出现过电电流和过过电压，控控制系统统中保护护部分应应该负责责故障的的处理。因因此，与与其他自自动装置置一样，中中频电源源必须具具备相应应的控制制功能，才才能有可可靠的工工作和产产品质量量的保证证。随着着加热工工业

36、的发发展和新新产品的的生产工工艺的变变化，对对感应加加热电源源的控制制系统功功能的要要求也更更加的多多样化和和智能化化。4.2 控制电电路的结结构与原原理控制电路路包括整整流控制制电路、逆逆变控制制电路，保保护电路路等，如如图6所所示。 逆变触发电路调频电路电压检测电路给定电压比较放大电路启动控制同步信号电源变压器整流触发电路电流检测电路移制电路滤波逆变负 载三相全控整流三组工电 源整流滤波给定电压整流滤波比 较 电路图6 感感应加热热电源控控制电路路整流控制制电路的的任务是是根据各各种输入入信号(给定，反反馈，故故障等)综合情情况发出出宽度合合适的脉脉冲，以以便输出出合适的的直流电电压。感感

37、应加热热电源主主要用于于工业快快速，均均匀加热热，特点点是随着着加热过过程的进进行，负负载不断断变化，负负载的固固有谐振振频率变变化，功功率因数数变化。这这些变化化取决于于负载的的电气特特性如导导电性、渗渗透性、耦耦合系数数和几何何性质如如形状等等等；同同时，不不同的负负载需要要的功率率大小也也不同，这这样必须须对逆变变器的输输出功率率和频率率都做相相应的调调整。也也就是说说，整流流侧和逆逆变侧是是协调工工作的。在在本设计计中采用用的是由由整流侧侧调节功功率，逆逆变侧进进行频率率跟踪方方案。整整流桥的的控制一一般用典典型的全全可控整整流(在在不要求求移相调调节直流流侧电压压时)或或可控整整流(

38、需需要调节节直流侧侧电压时时)，具具体用哪哪一种取取决于控控制策略略。逆变控制制电路包包括开关关器件的的驱动电电路，死死区形成成电路，锁锁相环电电路。其其中，驱驱动电路路所产生生的脉冲冲的次序序和占空空比由控控制策略略决定，硬硬件主要要是由集集成驱动动模块及及其一些些外围电电路组成成，也有有用纯模模拟电路路搭成的的，还可可以是数数字与模模拟电路路共同合合成。死死区形成成电路在在串联谐谐振型中中是必不不可少的的，有的的集成驱驱动模块块中含有有该单元元，在设设计时就就可以省省略；有有的虽然然含有一一定的延延迟环节节，但时时间太短短，需要要另加延延迟。锁锁相环电电路的目目的是跟跟踪负载载的谐振振频率

39、，从从而控制制逆变电电路的工工作频率率，这就就是所谓谓的锁相相控制。一一般采样样电压取取自负载载电容两两端，这这是由于于电容对对高次谐谐波的阻阻抗小，其其端电压压的高次次谐波分分量最小小，基波波分量最最大。以以此信号号作为反反馈，可可有效降降低高次次谐波的的干扰，使使系统能能稳定地地跟踪谐谐振频率率，再加加上适当当的偏置置电路，可可以使得得工作频频率略高高于谐振振频率。保保护电路路主要是是防止过过电流，短短路保护护。功率调节节方式有有三种：（1）改改变功率率因数z通过改变变工作频频率来改改变功率率因数。通通常，为为减小器器件开关关损耗，工工作频率率应大于于谐振频频率。若若逆变器器的工作作电压不

40、不变，则则在谐振振点附近近负载等等效阻抗抗最低，如如图7所所示，电电流最大大，因而而输出功功率也最最大。 f0 f1 fQ1Q3Q1Q4Q2Q4tt图7等效效阻抗的的频率特特性 图图8 移移相控制制开关动动作当提高工工作频率率时阻抗抗也随之之增大，电电流减小小，功率率因数也也减小，因因此输出出功率随随之减小小。由此此可见，逆逆变器的的输出功功率可由由工作频频率来调调节，特特别当负负载回路路Q值较较高时调调节更灵灵敏。因因此，直直流端可可为三相相全控整整流电源源。逆变变电路的的工作频频率f的大小小由所需需的功率率要求决决定。这这种调功功方法速速度快,整流电电路简单单。但是是当所需需功率很很小时，

41、会会让系统统工作在在严重失失谐的状状态，无无功损耗耗大。（2）改改变直流流电压移相调功功是通过过移相控控制，即即每个桥桥臂的两两个开关关管互补补导通，两两个桥臂臂的导通通角相差差一个相相位，即即移相角角，通过过调节移移相角的的大小调调节负载载电压的的宽度，从从而调节节输出功功率，如如图8所所示。根根据脉冲冲的作用用先后可可把桥臂臂分为超超前臂(Q1, Q33)和滞滞后臂(Q2、QQ4)。移移相调功功时电路路仍工作作在谐振振状态，实实现负载载电压基基波分量量与负载载电流同同相。在在两桥臂臂开关器器件都关关断时，由由反并联联二极管管续流。（3）调调频来调调节输出出功率目前，高高频感应应热处理理电源

42、采采用桥式式逆变电电路，通通过调频频的方式式来调节节输出功功率。为为了减小小逆变管管的开关关损耗，逆逆变器的的工作频频率大于于其谐振振频率。若若逆变器器的工作作电压不不变，则则在谐振振点附近近的输出出功率最最大，当当提高逆逆变器工工作频率率时，负负载等效效阻抗增增高，输输出功率率减小，输输出功率率因数很很低，而而且逆变变器主开开关管工工作在硬硬开关状状态，开开关损耗耗大，效效率低。高高频感应应热处理理逆变电电源采用用并联谐谐振式全全桥DCC/ACC逆变电电路，以以晶闸管管为主开开关器件件，由电电流调节节和功率率调节组组成双闭闭环进行行功率调调节，用用频率跟跟踪电路路控制逆逆变器的的工作频频率，

43、使使逆变器器始终工工作于谐谐振状态态，逆变变器输出出功率因因数接近近于1，而而且能始始终工作作在准零零电流开开关状态态、整机机工作效效率较高高。4.3 控制电电路的作作用感应加热热电源的的控制电电路必须须至少起起着以下下作用:（1）调调节控制制电路必必须对整整流电路路、逆变变电路等等系统主主电路部部分进行行功能控控制。对对于整流流电路、逆逆变电路路必须在在各种扰扰动下维维持系统统各参量量(如电电流、输输出电压压等)不不偏离其其设定值值。（2）上上述各参参量因各各种故障障而超出出其设定定的极限限值时，控控制电路路应将调调节器封封锁，使使整流电电路转入入逆变工工作状态态。（3）是是为了达达到调节节

44、和保护护等目的的，系统统必须具具有对各各种参量量进行测测量和监监视的能能力。例例如对冷冷却水的的压力、水水流量、水水温，控控制柜中中的气温温，中频频电压和和电流等等参量的的测量和和监视。（4）中中频加热热电源的的负载频频率必须须要实现现自动跟跟踪功能能。（5）控控制为了了协调各各部分工工作，保保证整个个电源能能按照预预定的程程序正常常运行，系系统必须须具有严严密的控控制操作作。但是，与与其他自自动装置置相比较较，中频频电源对对各项调调节品质质指标的的要求(动态的的和静态态的)相相对要低低一些。而而动态指指标与静静态指标标相比，后后者是主主要的。前前者仅限限于电源源在扰动动下不至至于失去去控制。

45、4.4 控制策策略直到目前前为止，工工业中常常用的中中频电源源仍以并并联谐振振逆变电电路为主主，功率率调节方方式都是是采用单单独调节节可控整整流器输输出电压压的方法法。中频频电源的的开环控控制如图图9所示示。d2给定电压整流控制角调节器UsaUdUdUNTCf U0d1负载电路可控整流逆变电路滤波电路图9 中中频电源源开环原原理控制过程程如下：整流触触发控制制角调节节器把输输入控制制信号转转换成控控制角。可可控整流流电路在在电网电电压为的的条件下下把转换换成直流流输出电电压；经经过滤波波电感后后，逆变变器将输输入直流流电压转转换为频频率为ff的中频频电压向向负载输输出电能能；负载载电路将将中频电电压转换换成工件件温度，改改变控制制信号即即可改变变工件温温度。开开环系统统的特点点是结构构简单，但但是对扰扰动没有有调节能能力。逆变触发电路脉冲形成电路UsaUdUnfd1UdU0UtU1 可控整流给定电压d2电压调节 器Tc负载电路电压反馈电路整流控制角调节器滤波电路逆变变路图10 中频电电源控制制原理闭环调节节系统的的原理图图如100所示。电电压反馈馈电路把把输出