感應加熱電源以其具有加熱效率高、速度快、可控性好及自動化水平高等優(yōu)點，已在熔煉、鑄造、彎管、熱鍛、焊接和外表熱處置等行業(yè)得到普遍的應用。目前國內(nèi)的高頻感應加熱電源比擬缺乏，特別是控制技術(shù)的研討程度較低，因此對其頻率跟蹤及功率調(diào)理的數(shù)字化控制的研討具有實踐意義。

 

本文主要研討高頻串聯(lián)諧振式感應加熱電源的控制辦法。扼要引見了感應加熱的根本原理和工作特性。經(jīng)過了對串聯(lián)諧振式和并聯(lián)諧振式感應加熱電源的剖析與比擬，選用了串聯(lián)諧振主電路。該主電路采用品閘管三相全控橋整流電路，IGBT單相全橋逆變電路。然后對鎖相環(huán)原理停止了細致的剖析，提出一種數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL）的完成辦法，并采用數(shù)字信號處置器（DSP）加以完成。接著設(shè)計以TMS320F2407為控制中心的硬件控制平臺，包括了采樣電路、維護電路、相位補償電路、鍵盤顯現(xiàn)電路等外圍電路。在此根底上編制了系統(tǒng)的程序，并在TMS320F2407 DSP平臺上停止調(diào)試，實考證明了該算法能夠完成頻率跟蹤，并可產(chǎn)生移相角可調(diào)的基準臂和移相臂的驅(qū)動信號。完成了樣機，并對其停止了整機聯(lián)調(diào)，本文還給出了軟硬件完成計劃和實驗結(jié)果河北工業(yè)大學碩士學位論文

 

3線圈的設(shè)計。感應加熱時工件中產(chǎn)生的渦流也是交變電流，由于集膚效應，沿橫截面由外表至中心按指數(shù)規(guī)律

衰減。渦流在導體截面由外到里的散布規(guī)律是：

 

其中，

δ——距外表

X處的電流密度；

0δ——表層的電流密度；

f——電源頻率(Hz )；

c——光速；

ρ——工件的電阻率；

ru——相對磁導率。

 

工程中普通近似以為在導體從外表至某一深度的范圍內(nèi)電流是平均散布的。這一深度取電流值為外表值(即大渦流強度)的0.368(1/e)處，此深度定義為電流的透入深度，近似以為電流和熱效應全集中在這一范圍內(nèi)。電流透入深度能夠近似計算為：

 

50300/()()rfummρΔ=×（1.6）

可見，工件的加熱厚度能夠便當?shù)慕?jīng)過調(diào)理頻率來加以控制。頻率越高，工件的加熱厚度就越薄。

 

1-1-2 感應式加熱技術(shù)的特性自工業(yè)上開端應用感應加熱技術(shù)以來，已過去將近八十年了。在這期間，感應加熱理論和感應加

熱安裝都有很大開展，感應加熱的應用范疇亦隨之擴展，其應用范圍越來越廣。究其緣由，主要是感應加熱具有如下一些特性[3]：

(1)加熱溫度高，而且是非接觸式加熱；

(2)加熱效率高—節(jié)能；

(3)加熱速度快—被加熱物的外表氧化少；

(4)溫度容易控制—產(chǎn)質(zhì)量量穩(wěn)定，省能；

(5)能夠部分加熱—產(chǎn)質(zhì)量量好，節(jié)能；

(6)容易完成自動控制—省力；

(7)作業(yè)環(huán)境好—簡直沒有熱、噪聲和灰塵；

(8)作業(yè)占地少—消費效率高；

(9)能加熱外形復雜的工件；

(10)工件容易加熱平均—產(chǎn)質(zhì)量量好。

 

§1-2 感應加熱電源的開展與現(xiàn)狀

19世紀初人們發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，得知處于交變磁場中的導領(lǐng)會產(chǎn)生感應渦流惹起導體發(fā)熱。1890年世界上感應熔煉爐呈現(xiàn)，感應加熱作為一種新型技術(shù)于二十世紀初問世，自此感應加熱的理論和實踐應用都得以快速的生長和開展，無論是工農(nóng)業(yè)消費中還是日常生活中都得以大量的應用。

高頻感應加熱電源控制系統(tǒng)的研討

41-2-1 功率器件的開展與現(xiàn)狀感應加熱電源是感應加熱的關(guān)鍵設(shè)備之一，感應加熱電源的開展與電力電子學及電力半導體器件

的開展親密相關(guān)。

上世紀初玻璃管汞弧整流器的創(chuàng)造標志著電力電子學的來源，而50年代末半導體硅晶閘管的呈現(xiàn)則標志著以固態(tài)半導體器件為中心的現(xiàn)代電力電子學的開端。在50年代前，感應加熱電源主要有：工頻感應熔煉爐、電磁倍頻器、中頻發(fā)電機組和電子管振蕩器式高頻電源。50年代末硅晶閘管的呈現(xiàn)惹起了感應加熱電源技術(shù)致使整個電力電子學的一場反動，感應加熱電源及應用得到了飛速開展。直到七十年代以前，由于當時的電力電子技術(shù)尚處在傳統(tǒng)階段，感應加熱電源中的整流、逆變?nèi)坑删чl管組成，工作頻率較低，工作頻率低，噪音高，控制系統(tǒng)普通采用分立元件構(gòu)成。目前國外在中頻(150Hz~10kHz)范圍內(nèi)，晶閘管中頻感應加熱安裝己完整取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機組和電磁倍頻器。國外安裝的大容量已達數(shù)十兆瓦，國內(nèi)也己構(gòu)成200Hz ~8kHz，功率為100kW~3000kW系列產(chǎn)品，能夠裝備5t熔煉爐及更大容量的保溫爐，也適用于各種金屬透熱，外表淬火等熱處置工藝[4]。

 

在超音頻(10kHz~100kHz)頻段內(nèi)，由于晶閘管自身開關(guān)特性等參數(shù)的限制，給研制該頻段的電源帶來了很大的技術(shù)難度，它必需經(jīng)過改動電路拓撲構(gòu)造才有可能完成。

 

晶體管超音頻感應加熱電源在1985年面世，其容量為25kW/50kHz，由于單管容量小而采用了多管并聯(lián)技術(shù)，功率晶體管開關(guān)速度遭到存儲時間限制(sμ級)及它存在的致命的二次擊穿問題，限制了它的推行運用。

 

功率MOS晶體管開關(guān)時間遠遠小于雙極型晶體管，其頻率為200kHz左右，功率可達數(shù)千瓦，不存在二次擊穿問題，具有矩形完整區(qū)、驅(qū)動功率小、易并聯(lián)等優(yōu)點，十分合適于高頻大功率感應加熱電源應用。但是，MOS管用于高速開關(guān)時關(guān)于電源工藝的請求更為嚴厲，而且高壓MOS晶體管通態(tài)損耗較大。

 

自1983年美國GE公司創(chuàng)造了功率器件——隔離門極雙極型晶體管(IGBT)，它綜合了MOS管高速、易驅(qū)動與雙極型晶體管通態(tài)壓降低的優(yōu)點，IGBT構(gòu)造除增加一N層外十分像MOS管構(gòu)造，因而在其通態(tài)壓降低的同時開關(guān)速度加快。如今，IGBT已開展到第三代，性能得到了很大的進步和完善，且已完成模塊化。大功率高速IGBT己成為眾多加熱電源的器件，頻率高達300kHz，功率高達兆瓦級的電源已可完成。

 

國內(nèi)在90年代，清華大學電力電子廠研制出的IPS系列電流型并聯(lián)感應加熱超音頻電源逆變電路采用IGBT。頻率范圍在30kHz~50 kHz，大功率達250kW。而日本的采用IGBT的感應加熱電源的研制程度為1200kW/50kHz。由于國內(nèi)研討起步低，與國外的研制程度仍有相當大的間隔。

 

在高頻(100kHz以上)頻段，目前國外正處在從傳統(tǒng)的電子管電源向晶體管化全固態(tài)電源的過渡階段，以模塊化、大容量MOSFET功率器件為主。比利時Inducto Elphiac公司消費的電流型MOSFET感應加熱電源程度可達1000kW/15~600kHz。

應用于高頻電源的另一功率器件為靜電感應晶體管(SIT)，主要以日本為主，電源程度在80年代末到達了1000kW/200kHz[5], 400kW/400kHz

[6], SIT開關(guān)速度比MOSFET快，但存在很大的通態(tài)損耗，制造工藝復雜、本錢高，難以向市場進一步推行。相似的靜電河北工業(yè)大學碩士學位論文

 

5感應晶閘管(SITH)也是高頻大功帶領(lǐng)域的一種較為理想的元件，但目前還處于開發(fā)研討階段。

 

國內(nèi)開端研制感應加熱電源較早，但是和國外相比還有不少差距。在容量上，中頻電源國外高容量為10MVA，而國內(nèi)為2MVA；在控制技術(shù)手腕上，國外大量采用集成電路，數(shù)字顯現(xiàn)，微機控制，國內(nèi)則大局部是分立元件和繼電器控制，只要少局部采用集成電路控制或微機控制；在工作頻率上，國外根本沒有空白，而國內(nèi)10kHz~100kHz的超音頻頻段內(nèi)根本屬于空白，高頻100kHz以上以電子管為主；在消費手腕上，國外普通采取規(guī)范化大范圍消費，而國內(nèi)仍處于手工業(yè)作坊階段；在工藝構(gòu)造上，國內(nèi)幾十年不變，采用角鋼焊接等技術(shù)，工藝落后，外觀質(zhì)量差。

1-2-2 電路拓撲的開展與現(xiàn)狀20世紀50年代前，感應加熱電源主要為：工頻感應熔煉爐、電磁倍頻器、中頻發(fā)電機組和電子管振蕩器式高頻電源。這類傳統(tǒng)安裝效率較低(普通為50%~60%)、熱慣性大、壽命短(4000 6000h)、工作頻率可調(diào)范圍極小，不能滿足不同工藝、不同負載的請求。

隨著電力電子學及功率半導體器件的開展，感應加熱電源拓撲構(gòu)造經(jīng)過不時的完善，己構(gòu)成了一種固定的AC/DC/AC變換方式，普通由整流器、濾波器、逆變器及一些控制和維護電路組成。

 

感應加熱的負載是感應線圈和被加熱工件，它們能夠等效為一個電感和電阻串聯(lián)，負載呈理性。實踐應用中為了進步功率因數(shù)和逆變器的輸出功率，普通采用加補償電容的辦法，使補償后的負載在電源的工作頻率上諧振。感應加熱電源依據(jù)補償方式分為兩種，并聯(lián)諧振式(電流型)電源和串聯(lián)諧振式(電壓型)電源[7]。

 

并聯(lián)諧振式(電流型)電源大的優(yōu)點是能夠使系統(tǒng)在空載或短路狀況下工作，能夠防止因短路而惹起的系統(tǒng)損毀;此外電路構(gòu)造也具備升壓的作用，這樣能夠滿足系統(tǒng)一次側(cè)的高電壓請求。由于器件開展的限制和控制電路維護功用的不很完善，加之比擬合適模塊化，并聯(lián)諧振型感應加熱電源一度是研討的主流。國產(chǎn)中頻電源目前大局部采用并聯(lián)諧振型逆變器構(gòu)造。

 

隨著新型器件的不時呈現(xiàn)以及控制電路的逐步完善，串聯(lián)諧振型電源由于構(gòu)造簡單，易于頻繁起動而成為研討的熱點并得到普遍的應用。特別是在熔煉、鑄造應用中，串聯(lián)逆變電源容易完成全工控下恒功率輸出(有利于降低電能噸耗)及一機多負載功率分配控制，更值得推行應用。

 

1-2-3 控制技術(shù)的開展與現(xiàn)狀A．數(shù)字化控制技術(shù)優(yōu)缺陷

數(shù)字控制技術(shù)是隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)的開展而開展起來的。隨著大范圍集成電路ASIC、現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA及數(shù)字信號處置器DSP技術(shù)的開展，感應加熱電源的控制逐步由模仿控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，即向數(shù)字化方向開展。感應加熱電源完成數(shù)字化可帶來以下益處：

⑴許多高級復雜的算法有可能經(jīng)過數(shù)字控制器件得以完成。如含糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、無差拍