【正文】 自動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)。 (6)應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大 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?？梢钥隙ǖ恼f，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)域會有更廣泛的應(yīng)用。如何設(shè)計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 [41。 圖 全橋串聯(lián)逆變電路 串聯(lián)型逆變電路根據(jù)負(fù)載工作狀態(tài)的不同可以分為三種工作模式：容性狀態(tài)、感性狀態(tài)和諧振狀態(tài) ，圖 22(a)、 (b)、 (c)分別為三種狀念下負(fù)載電壓和電流的相位關(guān)系，其中 UH、 IH分別為負(fù)載電壓、負(fù)載電流的波形，φ為負(fù)載電壓與負(fù)載電流之間的相位角 。 如圖 2． 2(b)所示，當(dāng)負(fù)載工作于感性狀態(tài)時，負(fù)載電壓超前負(fù)載電流 φ電角度，電流換向時，電壓已換為正． 感性狀態(tài)下實現(xiàn)了開關(guān)管的零電流開通。 圖 . 串聯(lián)諧振逆變器的三種工作狀態(tài) 半橋串聯(lián)諧振逆變電路 主電路圖如下 : 圖 半橋串聯(lián)諧振逆變電路 如圖 ，該電路可分為三部分： 逆變主電路主要由三部分組成：輸入電路、逆變橋、輸出電路，其中輸入整流器用于將電網(wǎng)的三相工頻交流電變?yōu)槊}動直流電，可用整流模塊 (組件 )，也可用單個的硅二極管組成橋式整流器；輸入濾波器對三相脈動直流進行濾波，使輸出電壓波形近似平直；高頻電容與 IGBT組成逆變橋壁；逆變器將濾波過后的直流波形變成方波交流電壓，主電路諧振電容儲存與提供能量，以穩(wěn)定橋壁電壓；感應(yīng)線圈接受能量，將電能轉(zhuǎn)化為熱能。匹配變壓器的成本占整臺感應(yīng)加熱電源設(shè)備總成本的很大比例，因此采用半橋串聯(lián)諧振逆變器可大大提高感應(yīng)加熱電源設(shè)備的經(jīng)濟效益，同時還節(jié)省 了空間，可以河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 10 使感應(yīng)加熱電源設(shè)備做的更小、更精致；半橋串聯(lián)諧振逆變器開關(guān)管上的輸入電壓低，減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力；相比于全橋諧振逆變器，半橋串聯(lián)諧振逆變器還具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易等優(yōu)點。 半橋串聯(lián)逆變器工作原理 半橋串聯(lián)逆變器工作原理示意圖如圖 : （ a） 開關(guān)管 S1導(dǎo)通 （ b） 二極管 D2續(xù)流 （ c）開關(guān)管 S2導(dǎo)通 （ d）二極管 D1續(xù)流 圖 半橋串聯(lián)諧振逆變器的工作狀態(tài)分析示意圖 (1) 當(dāng)開關(guān)管 S1導(dǎo)通時，整流側(cè)電源和諧振電容 CI(在前一周期已充電 ) 分兩路同時給負(fù)載供電，一路為 S1LRC2S1回路，另一路為 C1S1LRC1 回路，如圖 2． 5(a)所示； (2) 當(dāng)開關(guān)管 S1關(guān)斷時，由于負(fù)載處于小感性狀態(tài)，負(fù)載電流通過二極 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 11 管 D2形成 LRC2D2L回路續(xù)流，如圖 25(b)所示； (3)當(dāng)開關(guān)管 S2導(dǎo)通時，整流側(cè)電源和諧振電容 C2分兩路同時給負(fù)載反方向供電，一路為 S2C1RLS2回路，另一路為 C2RLS2C2回路，如圖 2— 5(c)所示： (4)當(dāng)開關(guān)管 S2關(guān)斷時，由于負(fù)載電感的作用，通過二極管 Dl形成LD1C1RL回路續(xù)流，如圖 2． 5(d)所示； 后一個周期繼續(xù)重復(fù)這一過程。 變壓器的設(shè)計 輸入三相工頻電壓經(jīng)整流后最大電壓 : Uo=380 2 =537V (21) 變壓器原邊電壓 : U1=537 Q (22) [5] Q為品質(zhì)因數(shù)，工程上常把串聯(lián)諧振時的電容或電感上的電壓與總電壓之比叫品質(zhì)因數(shù)，對于感應(yīng)加熱電源一般取 3， 得出 U1= 537 3= 1611V 副邊電壓 : U2取安全電壓 36V, 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 13 則匝數(shù)比 : K=N1/N2=U1/U2=1611/36=≈ 45 (23) 又對于感應(yīng)加熱電源變壓器的副邊匝數(shù)一般為 1匝，即 N2 = 1, 則 N1=N2 K = 45 (24) 又輸出功率 P2 = 30KW,可得副邊電流 : I2=P2/U2=30 103W/36V≈ (25) 由此得出原邊電流 : I1 = I2/K = (26) 取變壓器的效率 η 為 1， 變壓器一次、二次的總功率： Pt = P1+P2 = P1+ P1/η =60KW (27)[6] P1為原邊輸入功率， P2為副邊的輸出功率。本次設(shè)計中 f=1KHz,允許溫升不 超過 100℃，采取風(fēng)冷，所以取 j＝ 6A/mm 2 。沒有選用電容，而是在橋臂上加兩個電容 Cd Cd2在電路中。 確定 IGBT 管參數(shù) IGBT是一 種新的復(fù)合功率器件、它集雙極型功率晶體管和功率 MO SFET 的優(yōu)點于一體 ,具有電壓型控制 ,輸入阻抗大、驅(qū)動功率小 ,控制電路簡單 ,開關(guān)損耗小 ,通斷速度快 ,工作頻率較高 ,元件容量大等優(yōu)點。由于它比較脆弱，對它的設(shè)計、選擇直接關(guān)系到整個電源的安全、可靠。 表 可控晶閘管主要額定值 [7] 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 15 額定電壓 輸入電網(wǎng)電壓整流濾波后，考慮網(wǎng)壓波動 10%，直流輸出電壓最大值： Uo = 2 U а =380 2 =650V （ 214） 式中 Uo為 IGBT承受的穩(wěn)態(tài)最大電壓； U為電網(wǎng)電壓有效值 380V； 數(shù)； а為安全系數(shù)，取 。 額定電流 每只 IGBT管上的平均電流 I = I1 I1是變壓器一次側(cè)電流，在上面我們已得出 I1 =，即 I = 額定電流 Ie是 IGBT手冊給出的在結(jié)溫 25℃條件下的額定值。 綜上所述，所選 IGBT管額定電壓 1200V，額定電流 75A。 表 富士電機 P系列 IGBT參數(shù)表 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 16 半橋高頻電容的參數(shù)計算及選擇 半橋轉(zhuǎn)換電路上的兩個高頻電容是對稱的 ,其耐壓峰值 UP 和電容量的計算可用下式 : UP=Ud/2+△ U+UL （ 215） C=I1ton/4△ U （ 216） 式中 Ud輸入直流電 壓幅值 (V) △ U 電容兩端電壓變化值 ,這里允許其電壓波動 10%, 則 △ U=10%（ Ud/2） =10% 537/2≈ 27V UL電感感應(yīng)附加電壓 UL=20%（ Ud /2） =20% 537/2≈ 54V ton功率開關(guān)管導(dǎo)通時間 (S)。 計算感應(yīng)加熱線圈的電感及主電路諧振電容 感應(yīng)加熱線圈的電感 L3=μ N2 S/l 取 感應(yīng)加熱線圈匝數(shù) N=3,面積 S=π (5/2)2cm2 ，磁路長度 l=3cm 在這里 ,感應(yīng)加熱線圈即使在加熱工件放入后，也并沒有形成磁回路，所以取 μ為真空相對磁導(dǎo)率。在計算過程中，加深了對主電路的認(rèn)識和對所學(xué)知識的理解。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 18 第四章 實驗結(jié)果及波形分析 實驗結(jié)果 在本次設(shè)計過程中，我們采用一補償電容實測值 C = F,勵磁電感實測值 L = 的半橋串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源，通過調(diào)節(jié)可控晶閘管改變整流濾波后的 電壓，一共測試了五組波形。 圖 A 表示逆變之后橋臂電壓波形，方波，峰值為 100V， f=。從圖可以看出電壓和電流波形同相位，表明電路工作在諧振狀態(tài)或準(zhǔn)諧振狀態(tài)。B 表示輸出電流波形，正弦波，峰值為 91A。電壓和電流仍是同相位，表明電路工作在諧振狀態(tài)或準(zhǔn)諧振狀態(tài)。 B 表示變壓器副邊電壓，峰值為 16V。 圖 橋臂電壓和副邊電壓波形（ 100V） 圖 中 A 仍表示逆變之后橋臂電壓波形，方波，峰值為 200V，f=。從圖可以看出，橋臂電壓相 位超前副邊電壓相位 90176。由圖可以驗證在原邊電感電壓與橋臂電壓之間存在品質(zhì)因數(shù) Q=180/50=,且可以看出原邊電壓滯后于橋臂電壓 90176。 （ 1）在空載狀態(tài)下，由于感應(yīng)線圈的電感很小，導(dǎo)致電路的 頻率很高，加上在空載狀態(tài)，負(fù)載的等效電阻小，因而回路的電流很大，基于這個原因，感應(yīng)加熱電源應(yīng)盡量避免在空載狀態(tài)。 （ 3）加熱完成后，工件的溫度升高，失磁，因而感應(yīng)加熱線圈處電感降低，頻率又升高 。所以在加熱完成后應(yīng)及時斷電。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文 21 結(jié) 論 本文主要是對感應(yīng)加熱逆變電源主電路進行設(shè)計，并在樣機上進行波形測試 并分析，得出以下結(jié)論。 3. 按照設(shè)計給出的基本要求和參數(shù)（ 額定輸出功率 P=30KW， 最高工作頻率 =20KHz，三相 380V 輸入），通過理論計算，對電路各個部分的電流、電壓和功率參數(shù)進行了詳細(xì)計算。對于元器件如二極管、 IGBT 的選擇上 ，會有很多型號符合計算要求，要考慮安全系數(shù)、網(wǎng)壓波動和電壓尖峰等額外因素，選出合理方案。加上等效電阻降低，導(dǎo)致電流升高。 總的說來，在做這個設(shè)計的過程中，我得到了很大的鍛煉。本次設(shè)計提供了一 種小功率串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源的主電路的設(shè)計方法，希望有些思想對類似的工程設(shè)計工作有所貢獻。PFM 控制感應(yīng)加熱技術(shù)研究 :[碩士學(xué)位論文 ] .杭州： 浙江 大學(xué) ， 2021， 1～ 7 [2] 潘天明 .電子式高頻加熱裝置 .北京 :冶金工業(yè)出版社 ,1997 [3] 田健 .超音頻感應(yīng)加熱電源的研制 :[碩士學(xué)位論文 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