50kw感应加热电源初步设计电力电子课设.docx
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50kw感应加热电源初步设计电力电子课设
辽宁工业大学
电力电子技术课程设计〔论文〕
题目：
50kw感应加热电源初步设计
院〔系〕:
电气工程学院
专业班级：
电气000
学号：
000303026
学生姓名：
指导教师：
屈丹
起止时间：
2021-12-30至2021-01-10
课程设计〔论文〕任务及评语
院〔系〕：
电气工程学院教研室：
电气
号学
课程设计{论文>任务
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指导教师评语及成绩
平时：
总成绩：
■
辩
指
-
导年
日
-月
注：
成绩：
平时20%论文质量60%辩论20%以百分制计算
本文针对感应加热装置的需要设计了一种感应加热电源，本电源的引入使得感应加热装置的频率应变性得到增强，可跟踪负载的工作频率，使装置效率提高，从而到达节能、节时的目的。
本设计根据设计任务进行了方案设计，设计了相应的硬件电路，研制了50KW
感应加热电源。
用三相半控整流电路对三相工频交流电进行整流并滤波，然后再通过对感应加热电源的工作原理、电路拓扑结构的分析，确定了以IGBT作为功率
开关器件的电压型逆变器作为本系统的逆变电路，并通过双极性脉冲宽度调制
〔SPWM方式实现了对逆变器功率的控制。
最后对电路设计了保护电路，使电路更加可靠工作。
通过整体方案计算了系统的参数以及进行了器件的选择，并通过对系统的仿真分析验证了设计的可行性。
关键词：
感应加热，IGBT，整流滤波，逆变
第1章绪论1
1.1感应加热电源概况及开展趋势1
1.2本文设计内容2
第2章应加热电源电路设计3
2.1感应加热电源工作原理3
2.2感应加热电源总体设计方案4
2.3感应加热电源具体电路设计4
整流电路的设计5
整流触发控制电路的设计6
逆变电路设计7
逆变电路的调制方式8
驱动电路设计9
保护电路设计10
第3章参数的计算与器件选择13
3.1整流滤波电路参数计算与器件选择13
3.2逆变电路参数计算与器件选择14
第4章感应加热电源仿真15
第5章设计总结17
参考文献18
第1章绪论
1.1感应加热电源概况及开展趋势
感应加热多数用于工业感应加热：
工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电〔300-300000HZ或更高〕的空心铜管。
产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在外表强，而在内部很弱，到心部接近于0,利用这个集肤效应，可使工件外表迅速加热，在几秒钟内外表温度上升到800-1000C,而心部温度升高很小•感应加热电源的水平与半导体功率器件的开展密切相关，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开展趋势呈现出以下几方面的特点。
1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，主要开展MOSFE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
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。
感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器。
3负载匹配
感应加热电源多用于工业现场，其运行工况比拟复杂，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。
4智能化控制
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开展。
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开展目标。
1.2本文设计内容
本设计所要求的电源应该能够满足感应加热器工作在最正确状态下，感应加热
器的工作特性决定了其电源应该具有以下特性：
1、该电源应该提供一个在大范围内连续可调的电流，以驱动负载线圈产生一定的磁场。
2、由于本电源要应用于感应加热装置，所以，电源的频率要在一定范围内连续可调。
3、电源的负载为感应加热器，即负载呈感性。
因此应具有过电流保护电路以抑制开、关电源等电流变化较大的场合所产生的瞬态电压对功率器件的冲击。
感应加热电源的技术参数：
1、输入三相电压380V。
2、输入交流电频率45~65HZ
3、输出最大功率50KW
4、负载功率因数0.8。
系统主原理图如以下图1.1:
图1.1系统主原理图
第2章应加热电源电路设计
2.1感应加热电源工作原理
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到达加热的效果。
如图2.1:
当交变电流通入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通门，使感应圈内的工件受到电磁感应电势e。
设工件的等效匝数为N2。
那么感应电势:
（2-1）
-N2^
dt
有效值为：
E=4.44fN2eM〔2-2〕
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：
2
Q=0.24l2Rt〔2-3〕
式中：
丨2——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，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外表，然后把热再传导加热内部。
金属中产生的功率为：
P=Elcos"二4.44fN/JMcos"〔2-4〕
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。
2.2感应加热电源总体设计方案
感应加热电源主要由主电路〔包括整流电路、滤波电路、逆变电路等〕，控制电路和驱动电路三局部组成。
如图2.2所示。
图2.2感应加热电源主结构框图
首先将由电网输入的三相380V工频交流电加到三相整流电路上，通过三相整流桥整流后输出的电压经电解电容滤波成为平稳的直流电压，再经过采用正弦
脉宽调制方式〔SPWM进行控制的逆变电路将平稳直流转换为脉宽调制输出的交流，输出SPWh波幅值恒定，宽度按正弦规律变化，该交流基波频率为所需要的电流输出频率。
逆变器输出的脉宽调制波经LC低通滤波电路滤去高频分量，得到纯粹的正弦波交流电，再经变压器隔离变压得到设计所要求的电流和频率均可调的交流电供应感应加热器的交流线圈。
本设计的核心和难点工作在于逆变器和DSP控制电路的设计。
逆变器局部主要包括逆变电路拓扑结构的选择及其功率开关器件参数的设计和选择；控制局部那么包括逆变驱动电路、控制电路等硬件电路的设计和SPWM言号波的产生和保护电路等局部的设计。
2.3感应加热电源具体电路设计
整流电路方案有单相、三相，当整流负载容量较大，直流电压脉动较小、易滤波时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源提供。
三相可控整流电路中，最根本的是三相半波可控整流电路，应用最广泛的是三相桥式可控整流电路、双
反星形可控整流电路以及十二脉波可控整流电路等。
从经济和适用角度分析，本
设计采用三相半控整流电路。
逆变电路有电压型逆变电路和电流型逆变电路两种。
两种电路具有一下特点：
①电压型逆变器短路保护较为困难。
电流型逆变器的短路保护那么比拟容易。
2电压型逆变器工作时，开关管承受反压较大。
电流型逆变器工作时，开关管受的反压很小，其大小仅仅是开关管反并联二极管的导通压降，非常小。
④电压型逆变器的起动较为简单。
电流型逆变器起动较为困难。
⑤电压型逆变器由于电压高，电流小，对槽路布局要求较低。
电流型逆变器那么由于电压低，电流大而对槽路布线要求很高。
⑥电压型逆变器工作更为可靠。
电流型逆变器工作可靠性较差。
综合比拟两种电路的优缺点，电压型逆变电路以其在换流时自然过零关断、关断时间短、起动较容易、适用于频繁起开工作的场所的特点被广泛的应用在感应加热、电焊机等场合。
因此本设计采用电压型逆变电路结构。
主电路如图2.3
Ld
木D牛°丰D3
图2.3感应加热电源主电路图
整流电路的设计
本设计采用三相桥式晶闸管半控整流电路。
该电路由共阴极接法的三相半波可控整流电路与共阳极接法的半波不可控电路串联而成，因此这种电路兼有可控
核不可控的特性。
共阳极组三个整理二极管总是在自然换相点换流，使电流换到比共阴极电位更低的一相；而共阴极组三个晶闸管侧要在触发后才能换到阳极电位高的一个。
输出整流电压Ud的波形是三组整流电压波形之和，改变共阴极组晶闸管的控制角度，可获得0—2.34U2d的直流电压。
假定负载电感L足够大，可以认为负载电流在整个稳态工作过程中保持恒值，因此不管控制角a为何值,
负载电流总是单向流动，而且变化很小。
输入整流局部由三相晶闸管整流桥组成如图2.4，在感应加热电源开机启动时通过调节晶闸管的导通角来实现软启动，限制冲击电流不超过电源满载时的额定电流。
软启动结束后，可控硅/整流桥的导通角最大，此时相当于标准的整流桥。
整流后通过电解电容Cc滤波得到平稳的直流送到逆变器。
高频滤波电容Ch用于提供高频无功电流的通路。
电抗器Ld主要起限流作用，限制流过整流桥电力二极管的电流尖峰，改善网侧的功率因数。
Ld
图2.4输入整流滤波电路
整流触发控制电路的设计
晶闸管的导通条件除了其阳极必须承受正向电压之外，还必须同时满足门极上加正向电压。
同时根据普通晶闸管门极的特性，一旦门极加正向电压使晶闸管导通后，门极上电压就失去了作用。
因此，使晶闸管导通的门极电压可以用交流正半周的一局部，也可用直流，还可用短暂的正脉冲电压。
为门极提供触发电压与电流的电路称为触发电路，他决定每个晶闸管的触发导通时刻，是晶闸管装置中的重要局部，触发电路一般多为移相触发电路。
晶闸管触发电路通常由同步移相、脉冲形成及脉冲放大输出等三局部组成。
同步移相环节用于实现触发电路与主电路的同步及控制发出触发脉冲的时刻；脉
冲形成环节在同步移相环节的控制下，利用开关电路与电容的充放电产生触发脉冲;而脉冲放大输出环节那么将所形成的脉冲进行功率放大后通过脉冲变压器等元部件将脉冲送到晶闸管的门极上去进行触发控制。
晶闸管触发电路的形式很多，本设计采用JK系列触发器。
集成电路KJ系列触发器利用在起动瞬间三相干扰触发脉冲同时存在的特点，设计出抗干扰电路，消除了在按下起动按钮的瞬间出现的干扰触发脉冲。
利用电容的滤波作用，在变换电路的输入端加接滤波电容，消除了在移相至某区域出现的低幅值超前干扰触发脉冲；利用电容的充电效应，使
得每次起动时，移相电压都由一较低值渐增至给定值，实现了限流起动的要求。
233逆变电路设计
本设计采用单相电压型全桥逆变电路，其电路具有以下特点：
〔1〕直流侧
为电压源，或并联有大电容，相当于电压源，直流侧电压根本无脉动，直流回路呈现低阻抗；〔2〕由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关；〔3〕为了给交流侧向直流才反应的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反应二极管。
电压型逆变电路如图3.2所示。
电压型逆变电路负载分析：
电容与负载串联构成了电压型逆变器的负载电路。
如图2.5所示。
由图可知，负载阻抗为：
1
Z=R+jwL+=R+jXL+jXC〔3RpjX
jwC
图2.5电压型逆变电路
负载阻抗的模为：
1
当Im[Z〔jw〕]=0时，即jwL•—0,电路发生谐振，设谐振角频率为
jwC
（3-3）
1i
所以jw°L+=0贝UWo=~.■
jWoCVLC
由于w0=2二f0，故谐振频率为:
品质因数:
（3-5）
WoL11L
Q
Rw0CRR\C
那么电感和电容上的电压分别为：
UL=jw0LI=j——U=jQU（3-6）
R
11
Uc=-jl=-jU=_jQU（3-7）
w0Cw0CR
逆变电路的调制方式
当今逆变电源控制广泛的采用了SPWM弦脉冲宽度调制法。
它是调制波为正弦波，载波为三角波或锯齿波的一种脉冲宽度调制法，由于三角波或锯齿波的上
下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波的函数值的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模
拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电。
SPWM制的工作原理：
冲量等效原理，大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果根本相同。
正弦波脉冲宽度调制波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。
根据采样控制理论，脉冲频率越高，SPW波形越接近正弦波。
逆变器输出电压为SPW波形时，其低次谐波得到很好地抑制和消除，高次谐波又能容易滤去，从而可得到畸变率极低的正弦波输出电压。
根据脉宽调制的特点，逆变器主电路的开关器件在其输出电压半周内要开关
N次，而器件本身的开关能力与主电路的结构及其换流能力有关，所以，应用脉
宽调制技术时必然受到一定条件的制约，主要有以下两点：
1开关频率。
电力电子器件的开关频率受到其固有开关时间和开关损耗的限制。
为了使逆变器输出尽量接近正弦波，应该尽可能增大载波比，但开关器件本身允许的开关频率又限制了载波比不能太大。
2最小间歇时间与调制度。
为保证主电路开关器件的平安工作，必须使所调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间。
235驱动电路设计
驱动电路的作用是将控制电路输出的PWM永冲放大到足以驱动IGBT,所以单从原理上讲，驱动电路主要起开关功率放大作用，即脉冲放大作用器。
其重要性在于IGBT的开关特性与驱动电路的性能密切相关。
驱动电路的要求与IGBT的特性密切相关，见表2.7。
设计门极驱动电路时，应特别注意其开通特性、负载短路能力和dUcE/dt引起的误触发等问题。
正偏置电压UGE增加，通态电压U3E下降，开通能耗EON也下降，只有当UGE大到一定值时，UCE才能到达较低的饱和值。
假设+U3E固定不变时，导通电压将随集电极电流增大而增高，开通损耗将随结温而升高。
由此可知当门极电压在15V左右时，通态压降接近饱和，但是门极电压不能超过20V,否那么可能击穿门极与发射极之间的氧化膜，这里选择18V。
表2.7IGBT的门极驱动与特性的关系
特性
UCE（sat）
ton、Eon
Toff、EOFF
负载短路能力
du/dt
UCE大
减小
减小
减小
增大
条件
UCE大
微增大
减小
RG大
增大
增大
减小
综上所述对驱动电路的要求可归纳如下：
1IGBT与MOSFE都是电压驱动，都具有一个2.5〜5.0V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因为IGBT对栅极电荷集聚较敏感，故驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。
2用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压UGE有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。
另外，IGBT开通后，栅极驱动源应能提供足够的门极电压，使IGBT不致退出饱和而损坏。
3驱动电路要能传递几百Hz的脉冲信号。
4驱动电平+U3E也必须综合考虑。
+U3E增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的IC增大，IGBT能承受短路电流的时间减少，对其平安不利，因此在有短路过程的设备中Uge应选得小些，一般选12〜15V。
5在关断过程中，为尽快抽取PNP管中的存储电荷，需施加一负偏压U3E,但它受IGBT的GE间最大反向耐压限制，一般取-2〜-10V。
6驱动电路与控制电路应严格隔离。
7IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功
能，并有较强的抗干扰能力。
HCPL316J是一种简单的智能型驱动器芯片。
用户可根据需要灵活设置高电平输入、高电平输出和低电平输入、高电平输出的输入方式，自动复位或通过控
制复位,故障自动关断,光耦隔离，CMOS/TTL电平兼容,集成的Vce退饱和电压检测，有回滞的低电压闭锁（UVLO）,软关断IGBT技术及隔离的故障反应信号。
IGBT栅极最大驱动电流可达2.5A,最大驱动电流lA=150A,VCE=1200V,最大开关速度为500ns,较宽的VCC工作电压范围为15〜30V。
图2.8为所设计的正向输入IGBT驱动电路。
图2.8HCPL316J驱动电路
保护电路设计
引起过流的原因电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电
流。
采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广泛的一种过电流保护措施。
在选择快速熔断时应考虑：
（1）电压等级应根据熔断后快速熔断实际承受的电压来确定。
（2）电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联接形式确定。
快速
熔断一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可串联于阀侧交流母线
或直流母线中。
（3）快速熔断|2t值应小于被保护器件的允许|2t值。
（4）为保护熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。
晶闸管的过流保护：
23
当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电
路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以
及交流电源电压过高或上下；均能引起装置或其它元件的电流超过正常的工作电流，即出现过电流。
因此，必须对电力电子装置进行适当的过流保护。
其保护原理图如以下图2.9所示。
图2.9过流保护原理图
IGBT过流保护：
在选择IGBT的型号时，考虑了器件的工作电流及允许的过电流，然而在故障条件下，器件承受较大的故障浪涌电流，这是不允许的，所以要用某些方法保护器件免受破坏。
对于负载变化引起的过载，通过闭环控制，是可以调节的。
但是当出现更为严重的过载，例如逆变电路桥臂短接等问题时，故障电流在IGBT
管中急剧上升，这时就要给IGBT提供一个快速保护电路。
在主电路所示IGBT的逆变电路中，T1和T3,T2和T4分别组成一个桥臂，如果由于故障或误操作使得同一桥臂上的IGBT同时导通，即会产生桥臂短路现象，比方，T1和T3同时导通即会由短路电流流过两个IGBT，其电流通路如图所示。
由于T1和T3支路的电感很小，短路电流的上升率和浪涌冲击电流均很大，又可能导致IGBT烧毁。
因此，对IGBT过流保护要注意以下几点：
〔1〕在器件实效之前完成IGBT的关断，对于IGBT所经历的所有工作状况，它应该是成立的。
〔2〕应有一定的抗干扰能力。
〔3〕由于快开关的di/dt和杂散电感相互作用，开关电路产生噪声，以及电路中其它的电磁干扰，故障检测应有一定的抗干扰能力。
〔4〕应足以适用于电路中的各种短路情况。
〔5〕不应影响IGBT的开关特性。
保护电路如以下图2.10。
其中运放C814组成电压跟随器，其输入是来自电流互感器的输出，两个电压比拟器C271组成窗口电压比拟器，比拟器的输出经施密特反相器连接到与门的输入端。
当IGBT没有过流时，C814的输入电压比拟低，窗口电压比拟器输出为高电平，因此EN信号为高电平，使IGBT驱动信号有效，反之，当IGBT过流时，EN信号变为低电平，封锁了IGBT驱动信号而使IGBT关断，调节电位器VR可以改变过流阀值的大小。
+15V
+5V
图2.10IGBT过流保护电路
第3章参数的计算与器件选择
3.1整流滤波电路参数计算与器件选择
（1）
三相半控整流电路，其整流输出的直流电压为:
式中：
Ud—整流滤波输出电压平均值；
Ui—整流电路输入线电压。
3^2
那么Ud=Ui1.35Ui=1.35380=513V
本电源的最大输出功率为Pm=50KV，考虑到滤波器的损耗以及功率开关管的开关损耗，设逆变器的变换效率为95%那么整流电路最大输出直流功率为：
Pdm=Pm=50/0.95=52.6KW
那么整流电路的最大输出直流电流为：
P
Idmdm=52.6/513=102.5A
Ud
（2）整流二极管参数计算
在三相整流电路中，每个桥臂的二极管所承受的正反向电压的最大值为三相交流电网线电压的峰值，在实际应用中还需要考虑到电网电压的波动以及各类浪涌电压的影响，因此需要留有一定的平安裕量，一般取为此峰值电压的2〜3倍,那么整流二极管的额定电压为：
UN=（2~3）2Uj=（2~3）2380：
（1074.6~1612）V
流过二极管的电流有效值为：
VT
59.2A
并留有一定的裕量，一般
按照有效值相等的原那么来选取二极管的额定电流,
1.5〜2倍,那么整流二极管的额定电流为：
I592
“件2诗山—诂=（566~75.4）A
所以选取耐压值为1000V,额定电流为70A型号为RL207勺整流二极管。
（3）滤波电容的参数计算
（4）
滤波电容器主要起滤波和稳定电压的作用。
由于采用了三相桥式整流电路,应按下式设计滤波电容的值：
因此:
Cd=（6〜8）「=（6〜8）=（1600~2134）平
300Rd3005
电容耐压值为：
Uc=1.51.35Ui=1.51.35380=769.5V
由于耐压要求较高，所以选择6个2000牛电容
升级会员 