感应加热逆变电源设计毕业论文(编辑修改稿)

感应加热逆变电源设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

统的工频感应炉。 国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件透热或数百吨的食用水保温。 预计短期内，以固态器件构成的低频感应加热电源在功率、价格、可靠性方面还很难与简单可靠的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积和性能均大于工频炉。 在中 频 (150Hz～ 20kHz)范围内，晶闸管感应加热装置己经完全取代了传统的中频发电机和电磁倍频器，国外的装置容量己经达到数十兆瓦。 在超音频 (20kHz～ 1OOkHz)范围内， IGBT的应用占主导地位。 1994年日本采用 IGBT研制出了 1200kW/5OkHz电流型感应加热电源，逆变器工作于零点压开关状态，实现了微机控制。 1993年西班牙也报道 T30600kW/50100kHz的 IGBT电流型感应加热电源。 欧美地区其他一些国家的系列化超音频感应加热电源的最大容量也达数百千瓦。 在高频 (100kHz以上 )领域，国外己从传统的电子管电源过渡到晶体管全固态电源。 以日本为例，其系列化的焊管用电子振荡器的水平为 5～ 1200kW/100～ 500kHz，而采用 SIT的固态高频感应加热电源的水平可达 400kW/4OOkHz。 欧美各国采用 MOSFET的高频感应 加热电源的容量也在突飞猛进 .例如，西班牙采 MOSFET的电流型感应加热电源制造水平可达600kW/400kHz。 比利时 InductoElphiac公司生产的电流型 MOSFET感应加热电源水平可达 1MW/15～ 600kHz。 我国感应加热技术从 50 年代开始就被广泛应用于工业生产当中， 60 年代末，开始研制晶闸管中频电源，浙江大学首先研制成功国内第一台晶闸管中频电源，到目前己经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了较为广阔的应用市场。 在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，已经形成了 500～ 800 Hz/100～ 5000kW 的系列化产品。 但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，因此在开发更大容量的并联逆变中频感应加热电源河南科技大学毕业设计论文 6 的同时，尽快研制出结构简单，易于频繁启动的串联谐振逆变中频电源也是中频领域有待解决的问题。 在超音频领域的研究工作八十年代己经开始。 浙江大学采用晶闸管倍频电路研制了 50kW/50kHz 的超音频电源，采用时间分隔电路研制了 30kHz 的晶闸管超音频电源。 从九十年代开始，浙江大学开始对IGBT 超音频电源进行研制， 1996 年研制开发的 50kW/50kH,的 IGBT 电流型并联逆变感应加热电源己经通 过了浙江省技术鉴定，目前的研制水平为200kW/50kflz。 另外，浙江大学在 90 年代己经研制成功 30kW/300kHz MQSFET高频感应加热电源，并己成功应用于小型刀具的表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核试验中。 总体上来说，国内目前的研制水平与国外的水平相比还有一定的差距 [31。 影响感应加热电源发展的主要因素 (1)高频化 目前 ,感应加热电源在中频段主要采用晶闸管，超音频段主要是 IGBT，而高频段，随着 MOSFET 和 1GBT 性能不断改进， SIT 将失去存在价值。 感应加热电源谐振逆变器可 实现软开关，但由于通常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是高频电源。 因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需进一步探讨。 (2) 大容量化 从电路的角度，感应加热电源的大容量化技术分两类 :一是器件的串并联；二是多台电源的串并联。 在器件的串并联方式中，必须处理好串联器件的均压问题和并联器件均流问题，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，且装置的可靠性和串并联数目成反比。 多台电源的串并联技术是在器件串并联技术基础上进一步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元 (或一个模块 )。 串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当两电压源并联时，相互间的幅值，相位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以致逆变器件的电流产生严重不均，因此，串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的 AC/DC或 DC/DC环节有足够的时问来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容。 河南科技大学毕业设计论文 7 (3) 负载匹配 感 应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁，冶金和金属热处理行业具有十分密切的联系，它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。 对焊接，表而热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频，超音频电源用的匹配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变压器的高能输入效率，从磁性材料选择到绕组的设计己成为一重要课题，另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二个无源元件，以代替匹配变压器实现高效，低成本隔离匹配。 (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高可靠性要求提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。 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发展目标。 (5) 高功率因数，低谐波电源 由于感应加热用电源一般功率都很大，目前对它的功率因数，谐波污染指标还没有具体要求，但随着减少电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数 (采用大功率三相功率因数校正技术 )低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。 (6)应用领域进一步扩大 当今高新技术飞速发展，新材料、新工艺不断涌现 ，感应加热是一个重要的研发和加工手段，因此感应加热电源是某些高新技术研发中心不可缺少的装备。 例如在德国 Max Planck研究所， C60纳米材料的研究中就使用了 400kHz/6OkW 的感应加热电源。 可以肯定的说，随着科学技术的发展，感应加热电源在高新技术领域会有更广泛的应用。 在这一领域，对感应加热电源的可靠性和可控性要求更高。 如何设计制造大功率超高频高性能的感应加热电源，是电力电子科技工作者的重要课题 [41。 河南科技大学毕业设计论文 8 第二 章 半桥串联谐振逆变电源的主电路 全桥串联谐振逆变电路 串联谐振逆变电路分为全桥串联谐振逆变电路和半桥串联谐振逆变电路两类，首先对全桥串联谐振逆变器进行介绍，其电路结构如图 2． 1所示。 图 全桥串联逆变电路 串联型逆变电路根据负载工作状态的不同可以分为三种工作模式：容性状态、感性状 态和谐振状态，图 22(a)、 (b)、 (c)分别为三种状念下负载电压和电流的相位关系，其中 UH、 IH分别为负载电压、负载电流的波形，φ为负载电压与负载电流之间的相位角。 如图 2． 2(a)所示，当负载工作于容性状态时，负载电流超前负载电压口电角度，在换流过程中，负载电流由负变正时，电压仍为负，导致反并联二极管短时通过负载电流，由于二极管的反向恢复作用，使逆变器出现短时桥臂直通现象，由此产生的大电流将损坏开关管 IGBT。 如图 2． 2(b)所示，当负载工作于感性状态时，负载电压超前负载电流 φ电角度，电流换向时，电 压已换为正．感性状态下实现了开关管的零电流开通。 如图 2． 2(c)所示，当负载工作在谐振状态时，负载电压、电流同时换向，河南科技大学毕业设计论文 9 开关管零电流开通和关断，此种状念下不存在二极管的反向恢复问题，开关损耗最小，但这种理想的换流点很难实现。 图 . 串联谐振逆变器的三种工作状态 半桥串联谐振逆变电路 主电路图如下 : 图 半桥串联谐振逆变电路 如图 ，该电路可分为三部分： 逆变主电路主要由三部分组成：输入电路、逆变桥、输出电路，其中输入整流器用于将电网的三相工频交流电变为脉动直流电，可 用整流模块 (组件 )，也可用单个的硅二极管组成桥式整流器；输入滤波器对三相脉动直流进行滤波，使输出电压波形近似平直；高频电容与 IGBT组成逆变桥壁；逆变器将滤波过后的直流波形变成方波交流电压，主电路谐振电容储存与提供能量，以稳定桥壁电压；感应线圈接受能量，将电能转化为热能。 半桥串联谐振逆变器主要优点有：半桥串联谐振逆变器相当于接有一个2： 1变压器的全桥逆变器，因此一般情况下可省略匹配变压器。 匹配变压器的成本占整台感应加热电源设备总成本的很大比例，因此采用半桥串联谐振逆变器可大大提高感应加热电源设备的经。