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中頻淬火電氣控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文-文庫吧

2025-06-11 06:03 本頁面


【正文】 電壓,其電壓幅值取決于逆變器的輸入端電壓值,頻率取決于器件的開關頻率。串聯(lián)諧振逆變器和并聯(lián)諧振逆變器的差別,源于它們所用的振蕩電路不同,前者是用L、R和C串聯(lián),后者是L、R和C并聯(lián);(1)串聯(lián)諧振逆變器的輸入電壓恒定,輸出電流近似正弦波,輸出電壓為矩形波,換流是在晶閘管上電流過零以后進行,因而電流總是超前電壓-φ角。 并聯(lián)諧振逆變器的輸入電流恒定,輸出電壓近似正弦波,輸出電流為矩形波,換流是在諧振電容器上電壓過零以前進行,負載電流也總是越前于電壓-φ角。這就是說,兩者都是工作在容性負載狀態(tài)。(2)串聯(lián)諧振逆變器在換流時,晶閘管是自然關斷的,關斷前其電流己逐漸減少到零,因而關斷時間短,損耗小。在換流時,關斷的晶閘管受反壓的時間較長。并聯(lián)諧振逆變器在換流時,晶閘管是在全電流運行中被強迫關斷的,電流被迫降至零以后還需加一段反壓時間,因而關斷時間較長。相比之下,串聯(lián)諧振逆變器更適宜于在工作頻率較高的感應加熱裝置中使用。(3)串聯(lián)諧振逆變器起動較容易,適用于頻繁起動工作的場所;而并聯(lián)諧振逆變器需附加起動電路,起動較為困難,起動時間長。至今仍有人在研究并聯(lián)諧振逆變器的起動問題。串聯(lián)諧振逆變器晶閘管暫時丟失脈沖,會使振蕩停止,但不會造成逆變顛覆。而并聯(lián)諧振逆變器晶閘管偶爾丟失觸發(fā)脈沖時,仍可維持振蕩。(4)串聯(lián)諧振逆變器并接大的濾波電容器,當逆變失敗時,浪涌電流大,保護困難。但隨著保護手段的不斷完善以及器件模塊本身也有自帶保護功能,串聯(lián)諧振逆變器的保護不再是難題。并聯(lián)諧振逆變器串接大電抗器,但在逆變失敗時,由于電流受大電抗限制,沖擊不大,較易保護。(5)串聯(lián)諧振逆變器感應線圈上的電壓和補償電容器上的電壓,都為諧振逆變器輸出電壓的Q倍。當Q值變化時,電壓變化比較大,所以對負載的變化適應性差。流過感應線圈上的電流,等于諧振逆變器的輸出電流。并聯(lián)諧振逆變器的感應線圈和補償電容器上的電壓,都等于逆變器的輸出電壓,而流過它們的電流,則都是逆變器輸出電流的Q倍。逆變器器件關斷時,將承受較高的正向電壓,器件的電壓參數(shù)要求較高。(6)串聯(lián)諧振逆變器的感應加熱線圈與逆變電源(包括補償電容器)的距離較遠時,對輸出功率的影響較小。而對并聯(lián)諧振逆變器來說,感應加熱線圈應盡量靠近電源(特別是補償電容器),否則功率輸出和效率都會大幅度降低。綜合比較串、并聯(lián)諧振逆變器的優(yōu)缺點,本設計決定采用電流型并聯(lián)諧振逆變器。 逆變電路 控制電路的方案確定控制電路關系著整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性,是該產(chǎn)品品質好壞的重要憑證,所以控制電路的選擇至關重要。單片機具有集成度高,功能強,可靠性高,體積小,功耗低,使用方便,價格低廉等特點,在各個領域得到了廣泛的應用和發(fā)展,目前己滲透到人們工作和生活的各個角落,幾乎無處不在。單片機最早是以嵌入式微控制器的面貌出現(xiàn)的。在嵌入式系統(tǒng)中,它是應用最多的核心器件。在計算機主導工業(yè)生產(chǎn)并且日益走進家庭生活的今天,從家用電器、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器到軍事應用,到處都有單片機的存在。單片機具有強大的信息采集和處理能力,完全能夠勝任該系統(tǒng)所需,所以本方案采用單片機作為控制電路的核心。為使整流電路正常工作 ,且能平穩(wěn)調節(jié)輸出功率 ,要求單片機能對晶閘管進行準確觸發(fā)。因此,單片機必須確定出交流電壓的零點,以此找到=0176。的點,進而判斷等于其它值時所對應的位置,這就需要一個過零檢測電路,在每一個輸入電壓等于零的點都給單片機一個信號,供單片機判斷使用[7]。此外,當負載兩端出現(xiàn)過電壓或過電流的狀況時,還需單片機能及時動作,保護負載,這就需要電壓及電流互感器對負載電壓和電流進行采集,經(jīng)A/D轉換器將模擬信號轉換成數(shù)字信號,以供單片機進行分析判斷,決定是否動作。若沒有出現(xiàn)過壓或過流的情況,則單片機仍按原程序進行;若出現(xiàn)了過壓或過流的情況,單片機接到信號以后停止對整流電路的觸發(fā),關斷主電路,同時啟動報警電路,提示用戶已出現(xiàn)電壓或電流故障,請采取相關措施[8]。為了方便用戶根據(jù)實際情況選擇適當?shù)妮敵龉β剩I盤顯示電路也是必不可少的部分。這樣,用戶可以通過顯示器知道當前輸出功率的大小,判斷是否有必要調節(jié),如有需要,通過鍵盤就能方便進行,使得該產(chǎn)品更加人性化。本次設計的主控制芯片ATP89C51是8 位80C51 單片機的派生產(chǎn)品,它們在完全保留80C51 指令系統(tǒng)和硬件結構的大框架外,進行了多方面的加強、擴展、翻新和創(chuàng)新,在最大限度地利用原有的結構的方方面面,可以說做到了淋漓盡致[10,14]。ATP89C51由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案,故本設計選用此芯片。 保護電路的選擇中頻電源起動、運行過程中, 由于負載短路、逆變電路換流失敗等原因易造成三相全控橋經(jīng)直流平波電抗器短路,此短路電流既流經(jīng)整流電路也經(jīng)逆變電路,對整流、逆變部分的晶閘管形成威脅,為使中頻電源可靠運行, 還必須使電流、電壓準確地限定在允許值上。因此必須設置有效的保護電路。常用的中頻保護電路有過電流保護電路、過電壓保護電路、網(wǎng)側短路保護及晶閘管的過電壓保護等。 過壓保護在裝置中可能發(fā)生的過電壓有兩種情況:外因過電壓和內因過電壓。外因過電壓主要來自雷擊或者是系統(tǒng)中的操作過程等外部原因,主要包括:操作過電壓和雷擊過電壓。內因過電壓主要來自裝置內部的器件開關過程。主要包括換相過電壓和關斷過電壓。過壓的保護電路多種多樣,目前比較常用的作法是在晶閘管兩側并接過電壓阻容電路,利用電容兩端電壓瞬時不能突變的特征, 吸收過電壓, 而電阻的作用一是阻尼LC 電路振蕩, 二是限制晶閘管開通損耗和電流上升率。一般采用無感電阻。 過流保護當裝置發(fā)生故障或運行不正常時,可能會發(fā)生過流。過流分為過載和短路兩種情況。在中頻熔煉爐使用中,晶閘管裝置出現(xiàn)的誤導通或擊穿,或逆變失敗,會導致流過整流元件的電流大大超過其正常工作電流,即產(chǎn)生所謂過電流。過電流保護的任務,就是當電路一旦出現(xiàn)過電流,能在元件未燒毀之前,、直流快速斷路器和過電流繼電器是較常用的措施。這里選用快速熔斷器作短路保護(),過載保護用軟件實現(xiàn)。當系統(tǒng)發(fā)生短路時,電流急劇增大,快速熔斷器馬上熔斷電路斷開。 快速熔斷器 水冷系統(tǒng) 實際的系統(tǒng)中冷卻裝置必不可少,中頻感應爐一般采用水冷。水冷系統(tǒng)主要由多路進出水管組成,分布在系統(tǒng)的各個部分,對系統(tǒng)進行散熱。要經(jīng)常檢查水管是否扎節(jié)牢固,及時清洗水管內壁的水垢,以保證足夠的水流量,對老化以及有裂紋的水管要及時更換,冷卻水池的臟要及時清除,避免堵塞水管。4 主電路設計主電路由整流電路、逆變電路、負載三部分組成,其結構如圖。整流濾 波 器逆 變 器負 載 交直交變頻主電路框圖電路中的整流器采用三相橋式全控整流電路,逆變器采用單向橋式逆變電路,負載為并聯(lián)諧振形式,直流濾波環(huán)節(jié)為大電感濾波,以滿足并聯(lián)逆變器的輸入要求。 主電路參數(shù)計算與設計本設計采用三相全控橋式整流電路,它的輸出電壓調節(jié)范圍大而移相控制角的變化范圍小,有利于系統(tǒng)的自動調節(jié),輸出電壓的脈動頻率較高可以減輕直流濾波環(huán)節(jié)的負擔。根據(jù)設計要求:額定輸出功率P= 160KW,輸出頻率f=8000HZ,進線電壓UIN=380V,取逆變器的變換效率=。 參數(shù)計算(1) 功率計算額定狀態(tài)下不計諧波損耗時負載的輸入功率為: ()假定逆變器的效率為用表示,那么逆變器支流輸入的功率為 ()一般逆變器的效率較高,取= ()得== =(KW) ()(2)電壓計算 整流輸出直流電壓為V整流側輸入的交流電壓有效值(相電壓)為 ()其中為整流器晶閘管的移相控制角。取,代入()得(V) ()(3)電流計算輸入逆變器的直流電流為=== (A) ()整流器交流側輸入的交流電流有效值為=== (A) () 元件的選取(1) 整流變壓器TR變壓器的副側計算參數(shù):V, = A考慮電壓波動,實選參數(shù):V =430 A所以,變壓器的容量為 S=3=3180430= (KVA) ()此時,變壓器副側線電壓有效值為 ==180= (V) ()實選整流變壓器TR: S=300 KVA,接線。(2) 整流器晶閘管VT(a)額定電流按照三相橋式整流電路與之間的計算公式有 ()其中是考慮過載等的安全系數(shù),取= 代入()得 ()(b)電壓計算 三相橋式整流電路中晶閘管的耐壓指標是按下式計算的 ()其中為安全系數(shù),一般取,這里取,代入()得 ()實際選取整流晶閘管KP500 A。(c) 平波電抗器的電感量對三相橋式整流器由參考文獻查得計算的公式為 ()其中為電流脈動系數(shù),~,這里取為整流器輸出電流的最低諧波頻率,取=300HZ將=400 V,=180 V,= A代入()得== =(mH) ()電抗器的額定電流為,飽和電流按下式計算A,其中,是飽和電流系數(shù),則 == (A) () 逆變器參數(shù)計算(1)IGBT的選擇 ()其中 (V) (),則可選正反向峰值電壓為1200V的晶閘管一個作為逆變器的一個臂.IGBT的電流定額已知逆變器的輸出功率為P=160kw,則負載電流有效值為,其中為逆變器的效率,則 = (A) ()由于是三相橋,故流過IGBT電流的有效值為=== (A) ()所選IGBT電流的平均通態(tài)電流可按下式計算,其中(考慮過載、浪涌等安全系數(shù)) ()所以可選擇(A)的IGBT。(2)限流電抗器經(jīng)驗公式 ()其中如果,則 ()取因而 () 可得 () (3)負載補償電容器(a) ,取,補償負載的無功功率為,滿足換流須要的無功功率為 ()電容器應提供的全部無功功率為 ()(b) 保護電路參數(shù)計算進線阻容吸收保護的參數(shù)計算與元件選?。?,按工程計算,查手冊而來,在星形聯(lián)結的三相電路中, () () ()——整流器交流側輸入線電流有效值(A)——整流器交流側輸入相電壓有效值(V)——電網(wǎng)那個頻率——變壓器的空載電流標幺值?!?。將=,=177V, =50HZ代入得=10000=() ()==() ()== (w) ()電容器的耐壓值應大于=(V) ()實選電容器C:10,500V實選電阻器R:7,30W系統(tǒng)過流保護快速熔斷器保護 熔體的額定電流為 ()為安全裕量,為系統(tǒng)過載倍數(shù),取=,= 代入= () AVT,VD的換相過電壓阻容吸收保護整流側晶閘管的換相過電壓阻容吸收保護按工程計算方法,查手冊有 () (V) ()() ()(W) ()其中為晶閘管的額定電流,是整流輸出電壓的平均值,代入,則 () () ()取 ()實選, ,逆變側晶閘管的過電壓阻容保護吸收R,C 由于整流側和逆變側有相同的額定電流,所以也取==。的取值按照下式計算=(2 ~ 4)=(2 ~ 4)= ~ ()實選:,1200V(在上乘以2~);:,3W。5 控制電路設計 單片機設計作為控制部分的核心,單片機的選擇很重要,而且有必要對它作一定的了解。單片機具有
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