小功率高频炉设计.docx

洛施理工老龙毕业设计（论文）课题：小功率高频炉设计系（部）：电气工程与自动化系专业：应用电子技术姓名：王超指导教师：张刚时间：2021年5月8日小功率高频炉设计摘要本文以高频炉的电源部份为研究对象，论述了高频炉（感应加热电源）的优势、应用、大体原理和加热进程中的三种效应，和感应加热电源的现状与进展趋势；介绍了本课题要紧的研究内容及任务。本文分析了感应加热电源的整体结构；通过对经常使用的进线滤波电路的描述，选择了适合的滤波器；通过对感应加热电源经常使用的谐振回路和拓扑结构进行了分析，和对串、并谐振电路的对偶特性和优缺点的比较，选择了更适合高频感应加热电源及本课题的串联谐振型逆变器。在功率的调剂方面，分析了几种经常使用的调功方式、选用了移相脉冲宽度调制调功，能够通过芯片UC3895来实现，另外该芯片还具有设置死区，简化了死区电路。本文要紧对200KHz10KW的高频炉进行设计，计算了整流和逆变部份的元器件参数；在计算结果的基础上选择了适合的三相不控整流模块、滤波电容、MOSFET开关模块和谐振电路的元器件；通过对几种驱动电路的比较，结合容量和开关器件，设计了适合的驱动电路。为保证电源正常运行，并使逆变器始终工作在功率因数接近或等于1的准谐振或谐振状态，以实现逆变器开关器件的零电流或零电压开关,设计了以传统模拟锁相环CD4046为核心的频率跟踪电路,并研究了电路的启动方式。为了使电源系统稳固运行，还设计了过流、过压和欠压爱惜。关键词：感应加热，UC3895,移相调功，频率跟踪DesignOfLowPowerHighFrequencyFurnaceABSTRACTThispapertooksupplyofhigh-frequencyfurnaceastheresearchobject,introducedadvantagesandapplicationandbasicprinciplesandthreeeffectsandsituationanddevelopmenttrendofthehigh-frequencyfurnace(inductionheatingsupply)；introducedthemainsubjectofresearchandmission.Thepaperanalyzedtheoverallstructureofinductionheatingsupply；describedthefiltercircuit,selectedtheappropriatefilter；throughanalyzingtheinductionheatingsupplyusedresonantcircuitandtopologystructure,andcomparedthedualcharacteristicsoftheseriesandparallelresonantcircuit,chosentheseriesresonantinverter,whichismoresuitableforhigh-frequencyinductionheatingsupply.Forpowerregulation,paperanalyzedseveralcommonlyusedwaysofpowerregulation,selectedphase-shiftpulsewidthmodulationpowerregulator,whichcouldbeachievedwithachipUC3895,ithasthediezonesettingfeature.Thepaperaimedatdesigningahighfrequencyfurnaceof200KHz10KWandcalculatedparametersofsomecomponents；selectedappropriatethree-phaserectifiermodule,thefiltercapacitor,theMOSFETswitchmoduleandtheresonantcircuitcomponents；comparisonofseveraldifferentdrivecircuits,combinedwiththecapacityandswitchingdevices,thepaperdesignedasuitabledrivecircuit.Inordertoensurethenormaloperationofpowerandtheinverterisalwaysworkinginquasi-resonantandresonantstateofpowerfactorclosetoorequalone,achievingzerocurrentorzerovoltageswitchofswitchdevices,thepaperdesignedafrequencytrackingcircuitwhichusedthetraditionalanalogphase-lockedloopCD4046asthecore.Inordertoensurethesystemstabilityoperate,thepaperalsodesignedover-current,over-voltageandunder-voltageprotection.Keywords：Inductionheating,UC3895,Phase-shiftedpowerregulation,Frequencytracking-JlZ-.-1-T刖g1第1章绪论21.1感应加热的大体知识2高频炉简介21.1.2感应加热优势及应用21.1.3感应加热大体原理31. 1.4感应加热中的三种效应和穿透深度31.2感应加热电源进展现状及趋势41.2.1 感应加热电源频率划分41.2.2 国外高频感应加热电源进展现状51.2.3 国内高频感应加热电源进展现状51.2.4 感应加热电源进展趋势6第2章感应加热电源整体设计82. 1感应加热电源整体结构92.2 线路滤波器的作用和结构92.3 负载分析及谐振谐振电路112. 3.1负载等效电路113. 3.2串联谐振电路124. 4.1串并联逆变器拓扑结构155. 4.2串并联谐振逆变器拓扑电路的对偶关系166. 4.3串并联谐振优缺点比较17第3章功率调剂方案的选择186.1 整流单元调功196.2 直流单元调功206.3 逆变单元调功203. 3.1脉冲频率调制方式(PFM)203. 3.2脉宽移相调制(PS-PWM)227. 3.3脉冲密度调制方式(PDM)223.4功率调剂方案确信23第4章主电路参数选择与设计244. 1整流电路参数计算244. 1.1整流桥的选取248. 1.2滤波电容的选取268.1 逆变开关的选择278.2 谐振回路参数选择28第5章操纵电路的设计295. 2.1UC3895的电气特性和管脚309. 2.2移相全桥操纵电路335.3驱动电路的设计345. 3.1驱动电路的方案346. 3.2IR2110驱动电路的设计375.4 频率跟踪电路的设计385. 4.1锁相环原理和CD4046结构386. 4.2CD4046频率跟踪电路407. 4.3锁相环的起动415.5 操纵系统的软件设计435. 5.1软件设计思想446. 5.2操纵系统的程序流程图44第6章结论46谢辞47参考文献48附录50外文资料翻译56感应加热具有加热速度快、热效率高、适用于局部加热、产品质量好、无环境污染、易于实现生产自动化等优势，其功率密度在被加热工件内的散布可方便地通过频率的选择和感应圈的合理设计而取得。目前，感应加热技术已普遍应用于金属熔炼、铸造、焊接、热处置、热锻造等热加工工艺.关于小型工件的表面热处置或超小型小工件的加工和焊接，那么要求功率加倍集中、输出频率更高，可是频率提高受到器件自身开关速度和技术工艺的限制。提高感应加热的功率和频率，一直是感应加热领域研究的重点与难点。本文要紧对200KHz10KW的高频炉进行设计，计算了整流和逆变部份的元器件参数；在计算结果的基础上选择了适合的三相不控整流模块、滤波电容、MOSFET开关模块和谐振电路的元器件；通过对几种驱动电路的比较，结合容量和开关器件，设计了适合的驱动电路。为保证电源正常运行，并使逆变器始终工作在功率因数接近或等于1的准谐振或谐振状态，以实现逆变器开关器件的零电流或零电压开关,设计了以传统模拟锁相环CD4046为核心的频率跟踪电路,并研究了电路的启动方式。论文的目的旨在研究感应加热电源的工作原理，设计加热电源主电路，并设计利用单片机（或DSP）实现电源操纵电路，使电源运行加倍稳固靠得住，并能对过压、过流、缺相、操纵电源欠压等故障进行爱惜。第1章绪论1.1感应加热的大体知识高频炉简介高频炉又名高频加热机、高频感应加热设备、高频感应加热装置、高频加热电源、高频电源、高频电炉、高频焊接机、高周波感应加热机、高周波感应加热器（焊接器）等，是目前对金属材料加热效率最高、速度最快、低耗、节能、环保型的感应加热设备。感应加热优势及应用此刻，感应加热应用范围愈来愈广，已经深切到国民经济的各个领域，如冶金、机械制造、轻工、石化、电子等。感应加热比之传统的加热方式具有以下的一些特点、优势：1、加热速度快，效率高，容易实现高功率密集。由于感应加热是从金属内部即从金属的电流透入深度层开始加热，如此就专门大程度地节省了热传导的时刻，因此加热速度快，生产效率可达60%以上。2、采纳非接触式加热方式，在加热进程中不易渗入杂质。3、加热温度由工件表面向内部传导或渗透，具有精准的加热深度和加热区域，并易于操纵。4、工件损耗少，被加热物的表面氧化少。5、节能环保，作业环境好，几乎没有热，噪声和尘埃，而且占地少，适合现代环保的要求。6、工作容易，加热均匀，产品质量好，且能加热形状复杂的工件。7、自动化程度高，关于感应加热装置，可频繁的起停，操纵温度的精度高。8、可对工件进行局部加热。感应加热大体原理感应加热是依照电磁感应原理，利用涡流对置于交变磁场中的工件进行加热。高频交变电流通过线圈产生交变的磁场，当磁场内磁力线通过待加热金属工件时，交变的磁力线穿透金属工件形成回路，故在其横截面内产生感应电流，此电流称为涡流（亦称傅科电流），可使待加热工件局部瞬时迅速发烧，进而达到工业加热的目的。感应加热中的三种效应和穿透深度在感应加热进程中存在着三种效应：集肤效应、临近效应和圆环效应。集肤效应：当交流电流通过导体时，沿导体截面上的电流散布不是均匀的，最大的电流密度出此刻导体的表面层，咱们称这种电流集聚的现象为集肤效应。临近效应：两根通有交流电的导体距离很近时，导体中的电流散布会受彼此的阻碍而有所转变。假设两导体中电流方向相反，那么最大的电流密度出此刻两导体的内侧，反之假设导体中电流方向相同，那么最大电流出此刻两导体的外侧，这种现象就称作临近效应。圆环效应：当交流电通过圆环形线圈时，最大的电流密度出此刻线圈导体的内侧，这种现象称作圆环效应。感应加热设备（电源）确实是综合利用此三种效应的设备。高频交变电流通过导体时，由于集肤效应的阻碍，电流只在导体表面层通过，表面层的深度与导体的性质和电流频率的高低有关，通常将此表面层的深度或厚度概念为穿透深度。工程上规定，当导体某一深处的电流密度为其表面电流密度的1/e时，该深度就定以为穿透深度o工程上穿透深度可由下面表达式确信：A=玲（IT）(1-2)U-uour式中/：交变电流频率，Hz；0:真空磁导率；r:相对磁导率；P：导体的电阻率； = 5035式（1-1）可进一步简化为(1-3)从式（1-3）可知，穿透深度与电阻率P的平方根成正比，与电流频率尸及导体的相对磁导率的，平方根成反比。电流频率越高，穿透深度越小，集肤效应越明显。当夕和确信以后，能够通过改变频率来操纵穿透深度，达到工艺要求。1.2感应加热电源进展现状及趋势1.2.1感应加热电源频率划分感应加热电源在频率范围并无一个绝对、标准规定的数字界限。其实，感应加热电源并无严格的分类标准。本文是按低频、中频、高频的三级分类方式划分，即150HZ以下称为低频感应加热电源，150-10KHZ为中频感应加热电源,IOKHz以上为高频感应加热电源。国外高频感应加热电源进展现状20世纪50年代以前的20年时刻内感应加热电源技术进展缓慢、产品技术水平低下。50年代后晶闸管的问世，给感应加热电源的进展带来了新的生机。80年代后,随着电力电子器件的飞速进展，GT0、MOSFTE.IGTBsGTR>SIT、IGCT等器件接踵显现，感应加热装置也慢慢摒弃晶闸管，开始利用这些新器件。此刻比较经常使用的是IGBT、MOSFET,其中IGBT用于较大功率场合，而MOSFET适用于较高频率、中小功率场合。在高频（IOokHZ以上）时期，国外已从传统的电子管电源过渡到晶体管全固态电源。在日本80年代末就采纳SIT研制出固态高频感应加热电源，其水平可达480KW400KHz,1200KW200KHz0在欧美，随着功率器件的迅速进展，以模块化、大容量化MoSFET功率器件为主，MOSFET高频大功率感应加热电源取得了飞速的进展。西班牙采纳MOSFET的电流型感应加热电源制造水平达600KW400KHz;德国在1989年就研制出电流型MoSFET感应加热电源，其水平达480KW50kHz"200KHz0目前，德国EFD公司已经有150KHzl100KW以及5MHz25KW的固态高频感应加热电源产品；比利时的公司生产的电流型MOSFET感应加热电源水平可达IoooKW15kHz600KHz;英国Radyne公司也有27MHZ/5KW的固态高频感应加热电源产品问世;美国Ameritherm公司拥有1KW120KW/50KHz485KHz系列化的产品，也有15MHzlKW的固态高频感应加热电源产品“司。国内高频感应加热电源进展现状我国开始电磁感应加热的研究和应用，起步较晚,大约是在20世纪50年代，从借鉴、消化、引进国外先进技术和设备到自主创新。目前已经形成了必然范围的系列化产品，并开拓了较为广漠的市场。国内IGBT感应加热电源的水平是1000KW50KHz,MOSFET感应加热电源的水平是400KW400KHz。总的来讲，国内高频感应加热电源与发达国外有相当大的差距，此刻正朝着MoSFET和IGBT高频感应加热电源取代电子管高频电源的方向进展。感应加热电源进展趋势1、大容量化依照加热物质对象及吨位不同，电源的功率容量能够从数百伏安到几十兆安不等。扩展感应加热电源容量是感应加热技术及应用前景的关键，提高加热的功率容量的途径可分为三类：一类是提高单体半导体功率器件的容量，另一类是器件的串并联，还有一类是多台感应加热电源并联扩容。在器件的串、并联方式中，必需认真处置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、并联数量，且串、并联数越多，装置的靠得住性越差。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腕，借助于靠得住的电源串、并联技术，在单机容量适当的情形下，可简单地通过串、并联运行方式取得大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块支2、高频化随着感应加热电源的应用不断扩展到各个领域，对频率要求愈来愈高。加热频率越高，功率密度越集中，表面加热深度越浅。频率的提高要紧有以下途径。（1）选用工作频率高的电力半导体器件。目前感应加热单元工作频率高于IoOKHZ可应用的电力半导体器件组要有MOSFET、IGBT、SIT,其中MOSFET频率高，可是电压和电流容量较低。（2）采纳软开关技术提高工作频率。感应加热电源高频化受开关器件损耗的制约，开关频率越高，损耗越大，不仅降低电源效率，而且温度升高，需要庞大的散热系统。软开关技术使器件在零电流或零电压状态下开关，即ZCS、ZVS状态。功率器件开通或关断时刻可不能显现电压、电流重叠现象，大大降低开关了损耗叫（3）采纳倍频式逆变电路拓扑提高频率。倍频式感应加热电源对提高加热频率和功率具有重要的现实意义。倍频式逆变器的电路结构是在标准逆变桥式电路中的每一个功率器件上再并联一只功率开关，相当于两个全桥电路中的超前臂彼此并联中点相连，滞后臂彼此并联中点相连，一起一个负载。这种电路拓扑结构在不改变单个功率器件的工作频率指标的情形下，使电源频率提高了一倍叫3、智能化感应加热电源智能化是感应加热电源的进展的趋势，也是衡量感应加热电源性能先进的重要标志；同时也是提高热处置自动化程度和电源靠得住性的要求，使电源趋向集成化、模块化，对缩短生产周期，提高可利用性和可维修性均有重要意义。选用智能半导体模块是实现智能化的基础，如集驱动、爱惜、智能于一体的智能模块IPM0运用数字处置技术是实现智能化的核心，采纳以DSP为核心的操纵芯片，能够实现多种功能，如PWM生成，数字锁相环跟踪，过电压、过电流、短路、缺相爱惜等叱。4、数字化频率跟踪和负载阻抗自动匹配频率自动跟踪及负载阻抗自动匹配是今世感应加热电源重点解决的关键技术。频率自动跟踪及负载阻抗自动匹配是保证加热电源取得最大功率输出、提高电源效率、平平稳固工作的重要操纵特性。在加热进程中，温度转变会最终使负载回路的固有谐振频率左发生转变，而且是一个非线性系统。若是现在逆变器的工作频率以不及时跟踪玲，开关频率将偏离谐振频率，逆变器将会工作在硬开关状态，在高频、大功率情形下，损耗增加，逆变器的平安性和靠得住性下降；同时，电压与电流不能同相，功率因数降低，达不到最大功率输出，电源效率和容量利用率降低。因此，必需采纳频率跟踪操纵技术，使/介，功率因数接近1,取得最大功率输出，开关损耗降低。在高频化感应加热电源中目前采用高频专用锁相环芯片及数字信号处置芯片，尤其是采纳数字信号处置器DSP实现锁相和频率跟踪是21世纪感应加热电源进展的方向。第2章感应加热电源整体设计1.1 1感应加热电源整体结构感应加热电源的整体结构如图2-1,包括主电路、操纵电路、检测爱惜电路和驱动电路。其中整流电路采纳三相全桥不控整流，谐振回路由加热线圈和补偿电容组成的串联谐振槽路。系统采纳锁相环CD4046或高速锁相环74HC4046实现频率跟踪。PWM电路采纳移相全桥操纵芯片UC3895来实现，通过改变占空比改变电源的输出功率。图2-1感应加热电源电路组成框图1.2 线路滤波器的作用和结构由于感应加热电源的功率和频率都很高，当电压电流发生急剧转变时会产生极为丰硕的脉冲波，容易产生电磁干扰噪声，会对电网及其他的电气设备造成必然的干扰。因此，关于大、中功率逆变式感应加热源，在交流输入进线端配置进线噪声滤波器是十分必要的。1、进线滤波器的作用(1)避免逆变器功率器件开关进程中产生的宽频高次谐波进入电网，对电网产生污染及对供用电网的其它电气设备造成危害阻碍其正常工作。(2)避免电网电源中的外来噪声干扰，阻碍加热电源操纵系统的正常工作,乃至造成逆变崩溃。通常进线噪声滤波器具有双向对称性，对两个方向的噪声均有抑制作用。(3)具有限制输入电流瞬态转变的作用。比如整流器或逆变器显现故隙时,电流瞬态增大，由于电感电流不能突变，现在进线滤波器的电感具有稳固和限流功能。2、滤波器结构线路滤波器一般是由电容器和电感组成一个LC滤波器，线路滤波的结构形式通常有“”型和“型或倒£”型，如图2-2和2-3所示。依照所需要抑制的高频谐波次数确信在规定内所需要衰减的系数。衰减系数q与噪声频率fll及£、。参数之间的关系近似为：q(2fn)2LC(2-1)vw*U.YW1图2-211型漉波器图2-3型或倒L型滤波器上述两种滤波器的优势是电路结构简单，缺点是截止频率周围，衰减较小，衰减特性不够峻峭，而且不易达到阻抗匹配。针对上述显现的问题，将型和型滤波器的串臂元件，即电感£用电感£和电容组成的并联谐振电路代替单一的电感元件。利用并联谐振时阻抗极大的特点来改善阻带特性，在阻带靠近截止频率周围衰减特性峻峭，而且通带阻抗转变比较平坦，容易与其它电路形成阻抗匹配，这种滤波器尽管电路稍复杂，但性能优良，专门是对限定的噪声频率，理论上衰减量是无穷大。1.3 负载分析及谐振谐振电路2. 3.1负载等效电路感应加热的工件和感应线圈一路可用图2-4所示的电路等效，其中L和R表示等效电抗与电阻。其等效阻抗那么为：N=/?+jwLVYY图2-4负载等效电路负载功率因数为:COSe =y R2+(WL)2负载品质因数为:则Q与8S°的关系为：c°s7（2-5）对一样高中频感应加热负载来讲，通常wL>>R,即Q值较大，功率因数很低的感性负载。依照一些文献提供的体会数据，熔炼、透热和淬火用感应加热负载的功率因数一样为。为了有效利用电源容量，必需提高其功率因数。在感应加热电源中，都是采纳电容器来补偿无功功率的。补偿形式要紧有以下两种：补偿电容与负载串联；（2）补偿电容与负载并联。串联谐振电路当补偿电容与负载串联时，即组成串联振荡电路，如图2-5所示。由图可得阻抗为:(2-6)其中Z的模为:Z = 2÷(wL-L)(2-7)假定在LCR电路上施加交变电压U=UnJSin>w,那么电路中电流的值为:(2-8)电流的模值为:IUl IUl卜+(WTy VFTlT(2-9)其中，X为电抗。由式（2-9）可知，当电抗X=O时，LCR串联电路的电流达到最大值且现在的角频率即为LCR串联谐振电路的角频率，电路发生谐振。谐振电路的固有谐振频率为：(2-10)1Jlc谐振电路的品质因数计算式为:M_1_1LQ-R-woCRRyC(2-11)谐振时，其它参数表达式为:(2-12)RCOS ¢9 = -(2-13)(2-14)UL=QU(2T7)谐振时外电源电压全数加在电阻上，现在电感和电容上的电压大小相等，相位相反，幅值是电源电压的。倍。因此，咱们把这种谐振称为电压谐振。在谐振时电感贮存的磁场能量与电容贮存的电场能量进行互换，本身并非损耗能量。在感应加热装置串联逆变器电源中，电容不单单是一个谐振组成元件，它还具有功率因数补偿作用，补偿电路中的无功功率。并联谐振电路当补偿电容与负载并联时，即组成并联振荡电路，如图2-6所示。C图2-6并联谐振电路仿照串联谐振电路的分析，可得电路阻抗Z为:(2-18)-j(7?+JvvL)1R+j(wL一一-)VTC考虑到WL>>R,阻抗的模值为:IZI=1LCyJR2÷X谐振时，X=O,电路的谐振频率和品质因数和串联谐振电路相同，即与式2T0和2-11形式相同。输入电流幅值I。为:,RCU°=(2-20)Ie=WOCU=QU(2-21),0=QUl°WOCR(2-22)由上面的公式可知，谐振时负载阻抗能够等效为纯电阻负载，电源仅供给有功电流，即电源输出电流很小，而各支路电流都专门大，为电源输出电流的O倍，因此常称并联谐振为电流谐振网。逆变器的选择.1串并联逆变器拓扑结构依照负载谐振形式的不同，能够将感应加热电源逆变器分为串联谐振式逆变器和并联谐振式逆变器两种逆变结构采纳电容与负载串联的逆变电路称为串联谐振逆变器，也称电压谐振型逆变器，其结构如图2-7。采纳电容与负载并联的逆变电路称为并联谐振逆变器，也称电流谐振型逆变器，其结构如图2-8。图2-7串联谐振逆变器.2串并联谐振逆变器拓扑电路的对偶关系串、并联谐振逆变电路由于所接的负载谐振电路不同，所表现的特性不同，它们之间在各类变量的波形、电路的特性、还有电路的拓扑等方面都存在着对偶关系，如表2-1。表2T串并联谐振逆变器对偶关系对偶项串联谐振逆变器并联谐振逆变器电压电流波形入端电压为直流入端电流为直流当工作在负载谐振频率时，入端电流为全波整流波形当工作在负载谐振频率时，入端电压为全波整流波形输出电压为方波输出电流为方波输出电流为正弦波输出电压为正弦波电路特性负载阻抗频率特性为串联谐振特性，因此不宜空载负载阻抗频率特性为并联谐振特性，因此可以空载逆变器及负载开路保护易逆变器及负载短路保护容易短路及直通保护困难短路及直通保护容易电路拓扑结构入端并联电容Cd（等效电压源）入端串联电感LK等效电流源）负载为RLC串联电路负载为RLC并联电路从上面的表格能够看出，明白得和把握串并联逆变器的电压、电流波形和电路拓扑结构的对偶关系有助于分析和比较两种逆变器的工作原理，而了解其电路特性的对偶关系那么能够有针对性的设计正确靠得住的爱惜短路。.3串并联谐振优缺点比较串联谐振逆变器和并联谐振逆变器优缺点比较如表2-2o能够看出，串联谐振逆变器的结构简单，能够采纳不控整流，操纵方便简单，采纳大电容滤波，当发生上、下桥臂短路故障时，由于电容电压可不能突变，因此瞬时放电电流将会专门大，远远超出了功率器件的额定电流，若是不能在器件的许诺短路时刻内将器件关断，就会造成器件的永久损坏。因此，需要设置死区时刻，保证开关器件先关断后导通。串联谐振无需平波电感，减小了电源体积和本钱，启动比较简单，能够自激工作，也能够他激工作。开关器件经受的反压比较小，这一特点正是IGBT、MOSFET等器件要求的。一样这些器件内部都集成有反并联二极管，超级适合于串联谐振逆变器。补偿电容要求耐压高，采取适当方法能够降低补偿电容上的电压。串联谐振逆变器对负载槽路布线工艺的要求较低，调试比较简单U%表2-2串并联谐振优缺点比较串联谐振逆变器并联谐振逆变器结构简单结构较复杂控制较简单控制相对复杂可采用不控整流需采用可控整流不宜空载，需加空载保护可以空载无短路保护能力，需加短路保护拓扑本身具有短路保护能力开关器件同时流过有功和无功电流开关器件只流过有功电流不需平波电感，体积较小，成本低需平波电感，体积较大，成本高启动容易,可以自激或他激工作启动困难，启动时间长功率器件反并联二极管，无需外接二极管需要大功率高频二极需高耐压谐振电容，尤其是Q值较大时没有高压危险对负载槽路布线工艺要求比较低，不会影响功率和效率负载槽路布线工艺要求比较高，感应器和补偿容的引线不能过长综合比较串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的优缺点，同时为了设计和布线的简便，本课题选用串联谐振逆变器电路拓扑。第3章功率调剂方案的选择串联谐振式感应加热电源的功率调剂方式可分为三类：整流单元功率调剂、直流单元功率调剂和逆变单元功率调剂。整流单元功率调剂以晶闸管相控整流为主，直流单元功率调剂以直流PwM斩波为主，逆变单元功率调剂以调频、移相、脉冲密度调制和脉冲均匀调制为主整流单元调功晶闸管相控整流调功是整流单元功率调剂的要紧方式，是目前利用较多的调功方式之一，能够是半空或全控整流。晶闸管相控整流电路如图3-1所示。晶闸管全控整流输出电压为:(3-1)其中，为电源输入的相电压（关于市电U=220V）,4为相位操纵角。由此可见，通过改变相位操纵角。来改变输出直流电压入大小的方式能够调剂系统的输出功率。晶闸管调功方式的优势：晶闸管整流调功方式技术成熟，本钱较低，负载部份通过锁相环节调整频率使其工作在谐振频率周围，如此逆变部份的开关损耗就能够够减少到很小，比起整流部份增加的开关损耗，在高频场合下仍然有优势。缺点：设备复杂，操纵环节增多，引发系统产生故障的因素增多。采纳晶闸管全控整流，当操纵角较大（即深控）时，电路的功率因数很低，换流的进程中电流显现畸变，关于电网的污染较为严峻，而且故障显现时动态响应比较慢。直流单元调功直流PWM斩波是直流单元功率调剂的要紧方式f。调功原理：通过斩波环节(BUCK斩波器)，调整整流电路输出电压的大小来调整负载功率。这种方式的优势：直流PWM斩波功率调剂总的来讲电路比较简单，频率固定，操纵容易，本钱低，技术成熟。缺点：由于斩波器件工作在硬开关状态，开关损耗大，效率低，EMI大。尽管最近几年来研究了具有软开关的直流PWM斩波操纵电路，可是其主电路拓扑和操纵方案变的比较复杂，且调功范围变窄，适用程度比较低。逆变单元调功逆变单元调功是通过调剂输出电压的频率来调剂负载的功率因数，或调剂输出电压的有效值的大小(调剂占空比)来实现功率调剂，其调剂方案有多种。常规的逆变单元调功方式要紧有脉冲频率调制(PFM)>脉宽移相调制(PS-PWM).脉冲密度调制(PDM)等。脉冲频率调制方式(PFM)PFM调功方式是逆变调功中最简单的，属于频率开环调剂。调功原理：通过改变逆变器工作频率，从而改变负载等效阻抗以达到调剂功率输出的目的。串联感应加热负载等效阻抗的模为：IZl=JR2+(>也一=卜+(2硕-六)2(3-2)逆变器的开关频率/转变时，负载的功频特性如图3-2。图中，负载功率在谐振点频率乙处时是最大的，而偏离那个谐振频率时，负载功率都会降低。关于串联谐振电路，当操纵逆变器的开关角频率W等于串联谐振电路固有谐振角频率怖时，即W=Wo时，逆变器工作在串联谐振状态，输出功率达到最大值，现在输出电压和输出电流相位相同，系统呈现纯阻性；当W>W0时，显现输出电压超前输出电流的情形，系统呈现感性，输出电压和输出电流之间存在相位差，输出功率小于处于谐振点状态时的输出功率；当Weo时，显现输出电压滞后输出电流的情形，系统呈现容性，输出功率亦小于处于谐振点状态时的输出功率。PP0图3-2PFM功频特性曲线PFM优势是不需要调压环节，简化了设备，降低了本钱，调频部份操纵比较简单，技术成熟。缺点要紧有以下三个：（1）负载适应性不够好。若是负载在加热进程中的参数转变比较大，那么系统工作的频率可能会在一个相当大的频域内转变，致使集肤深度也随之而改变，在某些应用处合如表面淬火等，集肤深度的转变对热处置成效会产生较大的阻碍，这在要求严格的应用处合中是不许诺的；（2）功率调剂精度低。用扫频的方法并非是真正调剂的负载功率，而是通过调剂负载电压或电流来近似调剂功率。功率的操纵是通过改变电压与电流的相位角实现的。实际中，相位角的余弦较难实现，因此就采纳了把相位角限制在必然范围内，调剂负载电压（或电流）维持恒定的方式来近似实现功率的恒定，这种调功方式比较粗糙。（3）在高频的工作场合，由于没有对负载工作的相位角给出恒定的操纵，在低负载时就会显现负载功率角较大而电流又能知足恒定的情形，如此换流时开关器件的拖尾电流或二极管的反向电流比较明显,开关损耗也较大。脉宽移相调制(PS-PWM)调功原理：通过改变移相角来调剂输出电压的占空比，实现输出功率调如。在串联谐振感应加热电源利用移相调功方式时，通常使某一桥臂的驱动脉冲信号与输出电流的相位维持一个固定相位差(此相位差为可调)，另一桥臂的驱动脉冲信号与输出电流的相位差那么能够调剂，通过改变两个桥臂开关器件的驱动信号之间的相位差来改变输出电压的有效值，以达到调剂功率的目的。咱们称与输出电流维持必然相位差的桥臂为定相臂，由于另外一个桥臂的驱动脉冲信号与输出电流的相位差可调，称该桥臂为移相臂。依照输出电压基波和输出电流的相位关系有感性移相调功方式、谐振移相调功方式和容性移相调功方式。其输出功率与移相角的关系如式3-3：脉宽移相调制的优势是开关频率恒定，利于滤波器的优化设计；开关器件处于零电压开关状态，开关损耗小，工作频率高，操纵简单。缺点是存在内部环流使导通损耗增大。轻负载时移相角增大，输出电压脉冲宽度减小，电流波形变成近似三角波。脉冲密度调制方式(PDM)调功原理：通过操纵脉冲密度，事实上确实是操纵向负载馈送能量的时刻来操纵输出功率。其大体思路是假设在某时段内总共有N个功率输出单位，在其中M个功率输出单位里逆变桥向负载输出功率；而剩下的(N-M)个单位内逆变桥停止工作，负载能量以自然振荡形式慢慢衰减。如此的话，输出的脉冲密度为M/N,如此输出功率就跟脉冲密度联系起来了，即通过改变脉冲密度就可改变输出功率。这种方式的优势是输出频率大体不变，开关损耗相对较小，易于实现数字化操纵，比较适合于开环工作场合。缺点是：（1）逆变器输出功率的频率不完全等于负载自然频率，在功率闭环的场合中工作稳固性差；（2）功率调剂特性不睬想，呈有级调功特性。3. 4功率调剂方案确信由以上分析可知，串联逆变器的调功方式多种多样，但所有的调功方式都有其自身的优缺点，比如逆变调功由于不用可控整流，操纵电路大大简化，但现在逆变的角度随功率的改变而改变（PDM方式除外），在大角度换流时，逆变管的损耗专门大，这使得在进一步提供功率和工作频率时很不利。在PDM方式调功时，功率为有级调剂。移相调功方式与直流调功方式相较，前者能够不用可控整流，使操纵电路大大简化，而且输出功率的速度比用可控整流要快。但现在逆变的角度随功率的改变而改变，频率的跟踪不易实现，负载不易维持工作在谐振频率周围，而且桥臂开关在工作时属于硬开关状态，在大角度换流时，逆变管的损耗专门大，这使得在进一步提高功率和工作频率时是很不利的。结合本课题的内容和任务，选择移相调功，同时选择移相全桥操纵芯片UC3895。利用该芯片能够简化操纵，另外该芯片有死区设置、电流检测等端口，这些功能能够简化整体电路。第4章主电路参数选择与设计感应加热电源要紧设计参数：额定输出功率：Po=IOKW逆变工作频率：200KHz输入电源：三相,380V50Hz4. 1整流电路参数计算整流桥的选取最大输出功率IOKW,电源的输入功率为(4-1)P1=PPlPl2式中，Pli热损耗功率，Rn是电源的自身损耗。若是用加热电源的热效率111和Q2电效率来表示感应加热电源的设计功率匕，那么为:(4-2)从上式能够看出，提高感应加热装置的总效率，要求减少加热进程中的热损耗和电源自身损耗。在感应加热电源功率容量设计时，由于阻碍因素很多，专门是加热进程中的热损失的计算比较复杂，因此工程设计上，取热效率和点效率均为，即总效率为，那么感应加热电源的设计功率为：匕L46(4-3)实际中，计算的电源输入功率还应留有必然余量，原那么上可按下式选取:月=(1.51.6)6(4-4)本课题中，选取Pi为15KW0三相整流桥进线电压为Us=380V,那么整流桥的输出电压为：Ud=2.34%=2.34×220=51