中频感应加热电源的设计及原理.docx

1、中频感应加热电源的设计及原理弋十/ GUILIN UNIVERSITY OF ELECTRONIC TECHNOLOGY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： 020210221 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：理论研究口实验研究口工程设工程技术町 软件开卷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，己在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和外表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

2、了相应的硬件电路，研制了 20KW中 频感应加热电源。本设计中感应加热电源釆用IGBT作为开关器件，可工作在10 Hz10kHz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II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-3

3、16J具有快的开关速度 500ns,光隔离，故障状态反响，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说明，所完成的设计实现了设计任务规定的根本功能。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。这局部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；IGBTAbstractThe Intennediate Fiequency hiduction Heatmg lias been widely applied in melting, casting, bend, hot forging, welding. Suiiace

4、 Heat Tieatment due to its advantages of high heating efficiency lugh speed easily contiolled easily being mechanized and automatedThe scheme has made a plan of designs based on the task of design, designed conespondmg haidware circuit and developed 20kW intennediate fiequency induction heating powe

5、r system.The thesis discusses the Choice of converter scheme in detail. Senes Resonance Iiiveiter has another name is Voltage Inverter Its Output Voltage approaches square wave and load cunent approaches sme-wave Inveision must follow the Pimciples of break before make and there is enough dead-time

6、between turn-off and turn on in older to avoiding duect tluough m upper and lower bridgesThe thesis discussed the Choice of conveiter scheme m detail as well as intioduced the control circuit of this power source and its design pimciple Develop 20kW intennediate fiequency induction heating power sys

7、tem with switch element IGBT. Make a research on Convertei Circuit, contiol circuit, diiver circuit etc.The CMOS chip that is applied m the design is mauilv PWM Controllei SG3525A and optical coupler Drive Circuit HCPL-316J. The contiolled feature of PWM Controller SG3525A is fxilly utilized in the

8、process of design, which has wide adjustable opeiatmg fiequency and dead time, input under voltage lock fimction and twm chaimel output cunen匸 The optical coupler Drive Circuit HCPL-316J is chosen as the driven of IGBT due to its fiinctioiis, such as fast switch speed (500ns), optical isolation, the

9、 feedback of fault situation, wide operating voltage (15V30V)、automatic reset and automatic close down etc.Key words： Induction heating power supply; seiies lesonance； inverse circuit； IGBT引言 11绪论 21.1感应加热的工作原理 21.2感应加热电源技术开展现状与趋势 32感应加热电源实现方案研究 52.1串并联谐振电路的比拟 52.2串联谐振电源工作原理 72.3电路的功率调节原理 82.4本课题设计思

10、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 9321主回路的等效模型 10整流局部电路分析 13逆变局部电路分析 153.3系统主回路的元器件参数设定 16331整流二极管和滤波电路元件选择 16和续流二极管的选择 17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 SG3525A 19内部逻辑电路结构分析 20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绝缘栅双极型晶体管(IGBT)对驱动电路的要求 24门极电压对开关特性的影响及选择 24门极串联电阻心对开

11、关特性的影响及选择 255.2 IGBT过压的原因及抑制 255.3 IGBT的过流保护 26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-316J 27器件特性 27芯片管脚及其功能介绍 28内部逻辑电路结构分析 28器件功能分析 29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. 1 18伏，15伏稳压电压电源 3212伏，5伏双路稳压电源 326. 2. 3元器件选择及参数计算 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PCB 40引言随着功

12、率器件的开展，感应加热电源的频率也逐步提高，经历了中频、超音频、高 频儿个阶段。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 电源需釆用串、并联技术，影响了电源运行的可靠性。绝缘栅双极晶体管(IGBT)比拟容 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

13、的关断损耗，理论上可实现零开关损耗；同时釆用死区控制策略后, 可实现负载阻抗调节。以往一般釆用晶闸管來实现逆变电路，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

14、。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，在利用交变磁场來产生涡 流到达加热的效果。如图图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N汀那么感应电势:(1-2)如果磁通是交变得，设二加sin劲，那么e = -N2 y = -/V2$Mcycos(yr有效值为：E 二 4.44阳2m (1-3)感应电势E在工件中产生感应电流5使工件内部开始加热，其焦耳热为：Q = 0.241； Rt (1-4)式中：12一一感应电流有效值(安)，R一一工件电阻(欧)，t一一时间(秒)。这就是感应加热的

15、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 = E7 cos = 4.44阳2m cos (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外表层，这种电流集聚的现象称为集肤效应。近邻效应一一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：假设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，产生交流电流人，在工件中产生感应电流人。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。当电流人和感应电流人相互靠拢时, 线圈和工件表现出邻