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1、-范文最新推荐- IGBT小功率感应加热电源的设计+电路图 摘要：随着科技的发展，感应加热技术作为一种新型清洁、高效的加热能源，越来越多地应用于人们的生产生活当中。感应加热具有加热速度快、热效率高、适用于局部加热、产品质量好、无环境污染、易于实现生产自动化等优点，其功率密度在被加热工件内的分布可方便地通过频率的选择和感应圈的合理设计而得到。目前，感应加热技术已广泛应用于金属熔炼、铸造、焊接、热处理、热锻造等热加工工艺.对于小型工件的表面热处理或超小型小工件的加工和焊接，则要求功率更加集中、输出频率更高，但是频率提高受到器件自身开关速度和技术工艺的限制。6509本论文分析了感应加热电源的原理，并
2、了解了感应加热电源的现状。通过两部分来进行了感应加热电源的设计。第一部分是通过理论来设计感应加热电源的线圈和水冷却装置。第二部分是选择用全桥IGBT模块作为逆变电路，建立了IGBT驱动电路。最后对本次设计进行了归纳。关键词：感应加热电源；水冷却；逆变电路The design of small power induction heating power supply Abstract：With the development of technology, induction heating technology as a new type of clean, efficient heat ene
3、rgy, more and more used in the production and living among the people. Induction heating with heating speed, high thermal efficiency, suitable for local heating, product quality, no pollution, easy-to-production automation, etc., the power density in the work piece is heated and its distribution can
4、 be easily by frequency selection and induction loop be. At present, the induction heating technology has been widely used in metal melting, casting, welding, heat treatment, hot forging and other hot working processes. for small work piece surface heat or ultra-small small parts machining and weldi
5、ng, require more concentrated power, the output frequency is more High, but the frequency increases switching speed by the device itself and the technical process of the limit. 3感应线圈冷却水的计算183.1冷却水温度的确定183.2冷却水量的计算183.3感应线圈水冷却的验算194感应加热电源电路的设计224.1电路的基本结构234.2整流电路234.2.1整流电路的作用234.2.2整流电路的分类及各自的优缺点23
6、4.2.3三相二极管不控整流电路254.3逆变电路264.3.1 逆变电路的分类264.3.2 逆变器的工作原理274.3.3 逆变电路器件的选择284.4控制电路304.4.1 控制电路的结构及原理304.4.2 控制电路的作用324.4.3 控制芯片324.4.4 控制设计355总结37致谢38参考文献391绪论感应加热技术是利用电磁感应原理对工件进行加热, 其主要用途是感应加热电源。由于感应加热具有加热速度快、热效率高、加热均匀和易于实现机械化、自动化等优点, 在铸造熔炼、锻造毛坯加热、钢管弯曲、金属表面热处理、焊接、粉末冶金等行业中被广泛应用。随着感应加热理论和感应加热装置的不断发展,
7、 其应用领域也随之扩大, 应用范围越来越广, 如微波炉、电磁炉等已进入人们的日常生活。而感应加热技术的发展与感应加热电源水平密切相关。1.1高频加热的两种方式利用高频电压或电流来加热通常有两种方法： 感应加热利用交流电建立交变磁场涡流对金属工件进行感应加热，基本工作原理如图1.1，A为感应线圈，B为被加热工件，若线圈A中通以交流电流，则线圈A内产生随时间变化的磁场，置于交变磁场中的被加热工件B要产生感应电动势，形成涡流，这些涡流使金属工件发热，因此，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属工件，然后在金属工件内部转换成热能，感应线圈与被加热工件不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。图1.1
8、 感应加热电源的基本原理1.3感应加热的三大效应在感应加热设备中存在着三个效应——集肤效应、近邻效应和圆环效应。（1）集肤效应众所周知，直流电流经导体时，电流在导体截面上是均匀分布的，而当给一个圆形断面直导线通以交流电时，这时电流在导体截面上的分布将不再是均匀的，导体表面上各点的电流密度最大，而在导体中心轴线上电流密度最小，由外表面向内层以幂指数规律逐渐递减，这种现象叫做集肤效应，也称表面效应或趋肤效应。在感应加热中，电源电流是交流电，工件中的感应电流也是交流电流，因此同样具有集肤效应，在此效应作用下，工件中的电流密度分布是不均匀的。当交变电流通过导体时，沿导体截面上的
9、电流分布是不均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象称为集肤效应。（2） 近邻效应当两根通有交流电的导体靠得很近时，在互相影响下，两导体中的电流要重新分布。当两根导体流的电流是反方向时，最大电流密度出现在导体内侧；当两根导体流的电流是同方向时，最大电流密度出现在导体外侧，这种现象称为近邻效应。 5、节能环保，作业环境好，几乎没有热，噪声和灰尘，而且占地少，适合现代环保的要求。6、工作容易，加热均匀，产品质量好，且能加热形状复杂的工件。7、自动化程度高，对于感应加热装置，可频繁的起停，控制温度的精度高。8、可对工件进行局部加热。1.7感应加热电源的发展趋势随着功率器件的大容量化
10、、高频化等性能上的不断完善，感应加热电源的发展趋势呈现出以下几个方面的特点：（1） 高频化目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用IGBT，而高频频段，由于SIT 存在高导通损耗等缺陷，主要发展MOSFET 电源。感应加热电源谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多技术需进一步探讨，特别是新型高频大功率器件的问世，将进一步促进高频感应加热电源的发展。（2） 大容量化从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技术分
11、为两大类:一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联。在器件的串、并联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，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，且串、并联数越多，装置的可靠性越差。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。感应加热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器，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，
12、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 环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差，达到多机并联扩容。晶体管化超音频、高频电源多采用并联逆变器结构，并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主要原因。 1.8感应加热电源的研究意义由于电磁感应加热具有加热效率高、速度快，可控性好及易于实现机械化、自动化等优点，已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。在国外，感应加热技术已日趋成熟。在铸造方面，正在迅速发展双联熔炼工艺，即利用感应加热炉保
13、温改性，进行球墨铸铁或合金钢的精密浇铸；在锻造方面，利用感应加热实现快速透热热锻，其材料利用率可达85%，铸件表面光洁度可小于50微米。随着我国电力供应的改善，环保要求的提高，发展和扩大感应熔炼炉的规模，在大型企业推广双联熔炼工艺，改造我国铸造行业已成为可能。这一改造工程不但涉及到感应加热电源，保温炉的设计制造，还涉及到双联熔炼工艺的最佳化控制系统设计等。1.9课题主要研究内容及任务1、感应加热电源工作原理分析；2、设计将加热材料从室温加热到950°C的感应加热电源主电路设计。选择加热频率、确定加热时间、感应加热器尺寸、加热功率，计算电参数、冷却水; 电源主电路设计；3、感应加热电源控
14、制系统设计。1.10本课题的方案论证本设计的感应加热电源拟采用IGBT作为开关器件。以理论计算进行对感应加热电源线圈部分的设计。在线圈部分的计算完成后，进行加热电路部分的设计。冷却方式拟采用水冷却。（1） 技术可行性绝缘栅极功率晶体管有以下几个特点：1、良好的自关断性能。IGBT的开通和关断完全取决于栅极控制电压的幅值，不必借助复杂的换流电路。使IGBT电源控制方便，启动性能较好。2、通态电阻具有正温度系数。即管子的结温越高，通态电阻越大，通态电流也就越小。这说明IGBT具有自动电流平衡的作用。这使得大容量电源中IGBT的并联使用更容易实现。 2感应器的设计计算2.1感应加热电源设计的原始数据
15、毛坯的原始数据：加热材料，直径6mm，高度5mm钢材（45#），设计将加热材料从室温加热到950。室温：20；频率：30kHZ；45#钢的密度为7.85g/cm3；表2.145#钢在950时的参数电阻率（*10-6Ωm）导热系数（w/mk）比热容（J/kg•k）1.18124.97619.5由于毛坯的尺寸为直径6mm，高度5mm。则可将线圈设计成内径10mm，长度10mm。2.2感应加热时间的确定经查得：45#钢的密度 7.85g/cm3=7.85*103kg/m3。则毛坯质量为：G=π（0.6cm/2）2*0.5cm*7.85g/cm3=π（0.3）2*0.
16、5*7.85g/cm3=1.109767605*10-3kg≈1.1*10-3kg从集肤效应中可以看出，使用交变电流时电流之流过导体表面层，电流频率越高，电流流过的表面层越薄。为了简化感应加热的整个计算，引入了一个电流穿透深度的概念。工程上规定，当涡流强度从表面向内层降低到其数值等于最大涡流强度的1/e(即36.8% )，该处到表面的距离称为电流透入深度。电流穿透深度的常用计算式为：2=5030（2.1）式中——电阻率 ；——相对磁导率；——电流频率 。则，电流穿透深度：2=5030=5030=5030=503
17、0*=5030*=0.09984cm圆柱形毛坯的感应加热时间 （s）为： 因为毛坯尺寸很小，心部温度为950，则表心温差的数值可视为0，Tk=(2.5)毛坯表面与中心的温差= ，温差为0时，查文献12的图3-13，得傅里叶数 =1.7，则把数值代入式（2-5）：2.3毛坯加热所需的功率毛坯加热的有效功率：P21=(2.6)式中：c——金属的比热容kw/(kg*k)；G——生产率（kg/h）；——毛坯加热前的温度（）；——毛坯加热后的温度（）。已知将45#钢材加热到950的比热容为： 619.5J/kg•k=0.172*10-3kw•h/(kg•k)则： =0.172*10-3（950-20）*20=3.1992kw毛坯感应加热时的热损失，包括辐射热损失与传导热损失，可以按辐射热损失与传导热损失的计算公式计算，亦可按经验数据估算，取：P22=（0.10.15）P21(2.7) 19 / 19