【正文】 摘要 感應(yīng)加熱電源具有加熱效率高，速度快，可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，目前已在金屬熔煉、工件透熱、淬火、焊接、鑄造、彎管、表面熱處理等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。 本設(shè)計(jì)研究了中頻感應(yīng)加熱及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀和趨勢(shì)，并在較全面的論述基礎(chǔ)上。本文設(shè)計(jì)的電源電路可用于大型機(jī)械熱加工設(shè)備的感應(yīng)加熱電源。整流電路采用三相橋式全控整流電路，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使電源易于推廣；控制策略選用雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，改善了信號(hào)遲滯的缺點(diǎn)，為以后研制大功率、超音頻的感應(yīng)加熱電源打下了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：可控硅中頻電源；感應(yīng)加熱；逆變；保護(hù)電路46 / 51Design of Induction heating power of medium frequency AbstractInduction heating power is equipped with lots of advantages such as high heating efficiency, fast speed ,good controllability, which is prone to make heating of high and partial temperature ，and realize mechanization and automation. At present metal melting, work piece heat penetration, quenching, welding, casting, elbow piece, surface heating processing has been widely applied. Induction heating of medium frequency and development, current situation, and tendency related technology has been studied，and have made quite prehensive and in the profound elaboration foundation, this article has carried on the design to main circuit and the inversion control of the , which makes power popularized easily. Threephase bridge rectification circuit is used in Rectification circuit. Rectification circuit uses feedback control of two closed loop, improving the disadvantages. The foundation for inventing induction heating power of big power and super audio is made.Key words：Controllable silicon medium power Induction heating Inverter Protect circuit目 錄 1 感應(yīng)加熱電源的特點(diǎn)和應(yīng)用 1 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段 1 感應(yīng)加熱電源發(fā)展的主要因素 2 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢(shì) 2 3 基本工作原理 3 基本結(jié)構(gòu) 4 5 整流電路的分類(lèi) 5 整流電路的選擇 5 三相橋式全控整流電路 6 8 9 控制電路系統(tǒng)的概述 9 控制電路的結(jié)構(gòu)與原理 9 控制電路的作用 11 控制策略 11 14 控制觸發(fā)回路頻率跟蹤調(diào)節(jié) 15 觸發(fā)要求 15 頻率跟蹤電路 15 過(guò)流和過(guò)壓的保護(hù)電路 165驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 24 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求 24 24 25 IGBT過(guò)壓的原因及抑制 25 IGBT的過(guò)流保護(hù) 26 27 集成光電隔離驅(qū)動(dòng)模塊HCPL316J 27 27 28 28 29 306 輔助直流穩(wěn)壓電源 31 三端固定穩(wěn)壓器 31 本次設(shè)計(jì)用的的電源 32 18伏，15伏穩(wěn)壓電壓電源 32 177。12伏，177。5伏雙路穩(wěn)壓電源 32 337 硬件調(diào)試 348 結(jié)論 35致謝 37參考文獻(xiàn) 38附錄一 整體電路原理圖 39附錄二控制電路PCB 40緒論 感應(yīng)加熱電源的特點(diǎn)和應(yīng)用感應(yīng)加熱是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用工件中渦流產(chǎn)生的熱量對(duì)工件進(jìn)行加熱的。由于感應(yīng)加熱效率高，速度快，可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已在熔煉，鑄造，彎管，熱鍛，焊接和表面熱處理等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。在國(guó)外，感應(yīng)加熱技術(shù)已日趨成熟。在鑄造方面，正在迅速發(fā)展雙聯(lián)熔煉工藝，即利用中頻爐保溫改性，進(jìn)行球墨鐵或合金鋼的精密澆鑄；在鍛造方面，利用感應(yīng)加熱實(shí)現(xiàn)快速透熱熱鍛，其材料利用率可達(dá)85%，鍛件表面光潔度可小于50μm；在焊接，淬火方面，國(guó)外一方面致力于開(kāi)發(fā)大功率全固態(tài)高頻電源，一方面致力于開(kāi)發(fā)高度自動(dòng)化的熱處理成套處理系統(tǒng)。我國(guó)鑄件用量大，而鑄造行業(yè)仍以沖天爐熔煉為主，溫度及成分波動(dòng)大，廢品率高。目前，我國(guó)較好的鑄造業(yè)廢品率也在6%～15%間，而一般鑄造廠的廢品率高達(dá)30%。隨著我國(guó)電力供應(yīng)的改善，環(huán)保要求的提高，發(fā)展和擴(kuò)大感應(yīng)加熱的規(guī)模，在大型企業(yè)推廣雙聯(lián)熔煉工藝，改造我國(guó)鑄造行業(yè)是符合我國(guó)煤炭資源豐富特點(diǎn)的一條有效途徑。這項(xiàng)改造工程不但涉及到保溫爐的設(shè)計(jì)制造，雙聯(lián)熔煉工藝的最佳化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還涉及到大功率中頻感應(yīng)加熱電源等。同樣地，在鍛造，焊接，淬火熱處理方面全面推廣國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，改造我國(guó)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是必然趨勢(shì)。近年來(lái)在某些高新技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)中也使用了感應(yīng)加熱。上述這些先進(jìn)技術(shù)的推廣和發(fā)展均與感應(yīng)加熱電源技術(shù)的研究和發(fā)展密切相關(guān)。 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段 1）在50年代前，感應(yīng)加熱電源主要有:工頻感應(yīng)熔煉爐，電磁倍頻器，中頻發(fā)電機(jī)組和電子管振蕩器式高頻電源。50年代末可控硅的出現(xiàn)則標(biāo)志著固態(tài)半導(dǎo)體器件為核心的現(xiàn)代電力電子學(xué)的開(kāi)始。硅晶閘管的出現(xiàn)推動(dòng)了感應(yīng)加熱電源及應(yīng)用的飛速發(fā)展。至今，在中頻（500Hz～10kHz）范圍內(nèi)，晶閘管中頻感應(yīng)加熱裝置已完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機(jī)組和電磁倍頻器。在高頻范圍內(nèi)，由于晶閘管本身開(kāi)關(guān)特性等參數(shù)的限制，給研制該頻段的電源帶來(lái)了很大的技術(shù)難度，它必須通過(guò)改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才有可能實(shí)現(xiàn)。2）70年代末到80年代初，現(xiàn)代半導(dǎo)體微機(jī)集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)的結(jié)合，為開(kāi)發(fā)新型功率半導(dǎo)體器件提供了條件，相繼出現(xiàn)了一大批全控型電力電子半導(dǎo)體器件，極大地推動(dòng)了電力電子學(xué)發(fā)展，為固態(tài)超音頻，高頻電源的研制提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3）1983年IGBT的問(wèn)世進(jìn)一步推動(dòng)了感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。IGBT綜合了MOS和雙極晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有通態(tài)壓降低，開(kāi)關(guān)速度快，易驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，自1988年解決了擎住問(wèn)題后，大功率高速I(mǎi)GBT己成為眾多加熱電源的首選器件，頻率高達(dá)100kHz,功率高達(dá)MW級(jí)電源已可實(shí)現(xiàn)。4）在超高頻(100kHz以上)頻段，長(zhǎng)期以來(lái)由電子管振蕩式變換器產(chǎn)生。80年代興起由大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件為元件的逆變式高頻感應(yīng)加熱電源。 感應(yīng)加熱電源發(fā)展的主要因素（1）感應(yīng)加熱電源的發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密切相關(guān)，而電力電子器件的發(fā)展又是與半導(dǎo)體微機(jī)集成加工技術(shù)與功率半導(dǎo)體技術(shù)分不開(kāi)的?？煽毓璩霈F(xiàn)后，一代又一代的電力半導(dǎo)體器件先后問(wèn)世，性能不斷改善，高耐壓和高耐流，低損耗、高頻率使得感應(yīng)加熱電源的性能和實(shí)用性得到了體現(xiàn)。（2）單片機(jī)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)和集成芯片技術(shù)的發(fā)展使得對(duì)感應(yīng)加熱電源的復(fù)雜控制成為可能，體積和重量明顯減小，功率因素提高了，功率控制調(diào)節(jié)方便、準(zhǔn)確。（3）感應(yīng)加熱電源的發(fā)展離不開(kāi)材料學(xué)的進(jìn)步如磁性材料學(xué)。同時(shí)，一些相關(guān)的技術(shù)如磁通集中器，感應(yīng)線圈的材料和設(shè)計(jì)，絕緣技術(shù)，故障診斷技術(shù)和遠(yuǎn)程控制、智能化技術(shù)等等也都影響其發(fā)展?？梢哉f(shuō)，感應(yīng)加熱電源的發(fā)展是諸多學(xué)科和綜合技術(shù)共同決定的。 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢(shì)（1）從電路的角度，感應(yīng)加熱電源的大容量化技術(shù)分兩類(lèi):一是器件的串并聯(lián)；二是多臺(tái)電源的串并聯(lián)。在器件的串并聯(lián)方式中，必須處理好串聯(lián)器件的均壓?jiǎn)栴}和并聯(lián)器件均流問(wèn)題，由于器件制造工藝和參數(shù)的離散性，限制了器件的串并聯(lián)數(shù)目，且裝置的可靠性和串并聯(lián)數(shù)目成反比。多臺(tái)電源的串并聯(lián)技術(shù)是在器件串并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步大容量化的有效手段，借助于可靠的電源串并聯(lián)技術(shù)，在單機(jī)容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可簡(jiǎn)單地通過(guò)串并聯(lián)運(yùn)行方式得到大容量裝置，每臺(tái)單機(jī)只是裝置的一個(gè)單元(或一個(gè)模塊)。串聯(lián)逆變器輸出可等效為低阻抗的電壓源。當(dāng)兩電壓源并聯(lián)時(shí)，相互間的幅值，相位和頻率不同或波動(dòng)時(shí)將導(dǎo)致很大的環(huán)流，以致逆變器件的電流產(chǎn)生嚴(yán)重不均。因此，串聯(lián)逆變器存在并機(jī)擴(kuò)容困難:而對(duì)并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流大，電抗器可充當(dāng)各并聯(lián)器之間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的AC/DC或DC/DC環(huán)節(jié)有足夠的時(shí)間來(lái)糾正直流電流的偏差，達(dá)到多機(jī)并聯(lián)擴(kuò)容。（2）目前，感應(yīng)加熱電源在中頻段主要采用晶閘管，超音頻段主要是IGBT，而高頻段，隨著MOSFET和IGBT性能不斷改進(jìn)，SIT將失去存在價(jià)值。感應(yīng)加熱電源諧振逆變器可實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，但由于通常功率較大，對(duì)功率器件，無(wú)源器件，電纜，布線，接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是高頻電源。因此，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱電源高頻化仍有許多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需進(jìn)一步探討。（3）感應(yīng)加熱電源多應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，其運(yùn)行工況比較復(fù)雜，它與鋼鐵，冶金和金屬熱處理行業(yè)具有十分密切的聯(lián)系，它的負(fù)載對(duì)象各式各樣，而電源逆變器與負(fù)載是一有機(jī)的整體，負(fù)載直接影響到電源的運(yùn)行效率和可靠性。對(duì)焊接，表面熱處理等負(fù)載，一般采用匹配變壓器連接電源和負(fù)載感應(yīng)器，對(duì)高頻，超音頻電源用的匹配變壓器要求漏抗很小，如何實(shí)現(xiàn)匹配變壓器的效率，從磁性材料選擇到繞組的設(shè)計(jì)已成為重要課題。另外，從電路拓?fù)渖县?fù)載結(jié)構(gòu)以三個(gè)無(wú)源元件代替原來(lái)的二個(gè)無(wú)源元件，以代替匹配變壓器實(shí)現(xiàn)高效，低成本隔離匹配。（4）隨著感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線自動(dòng)化程度及對(duì)電源高可靠性要求提高，感應(yīng)加熱電源正向智能化控制方向發(fā)展。具有計(jì)算機(jī)智能接口、遠(yuǎn)程控制、故障自動(dòng)診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。（5）由于感應(yīng)加熱用電源一般功率都很大，目前對(duì)它的功率因數(shù)，諧波污染指標(biāo)還沒(méi)有具體要求。但隨著減少電網(wǎng)無(wú)功及諧波污染要求的提高，具有高功率因數(shù)(采用大功率三相功率因數(shù)校正技術(shù))及低諧波污染電源必將成為今后發(fā)展趨勢(shì)。（6）當(dāng)今高新技術(shù)飛速發(fā)展，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，感應(yīng)加熱是一個(gè)重要的研發(fā)和加工手段。因此，感應(yīng)加熱電源是某些高新技術(shù)研發(fā)中心不可缺少的裝備。可以肯定的說(shuō)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源在高新技術(shù)領(lǐng)域會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，對(duì)感應(yīng)加熱電源的可靠性和可控性要求更高。如何設(shè)計(jì)制造大功率超高頻、高性能的感應(yīng)加熱電源，是電力電子科技工作者的重要課題。 基本工作原理感應(yīng)加熱是利用導(dǎo)體處于交變電磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流）所形成的熱效應(yīng)使導(dǎo)體本身發(fā)熱。根據(jù)不同的加熱工藝要求，感應(yīng)加熱采用的電源的頻率有工頻（50～60Hz）、中頻(60～10000Hz)和高頻(高于10000Hz)。感應(yīng)加熱的物體必須是導(dǎo)體，感應(yīng)加熱能在被加熱物體內(nèi)部直接生熱