《[工学]感应电源负载匹配毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[工学]感应电源负载匹配毕业论文.doc（43页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、洛阳理工学院毕业设计（论文）感应加热电源负载匹配摘 要感应加热以其加热效率高、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。 文章简单介绍国内外感应加热的发展现状和感应加热中儿个重要概念，并从感应加热电源的拓扑、调功方式和如何扩容等几方面介绍了国内外感应加热电源的研究现状和发展方向。根据目前国内外高频感应加热电源发展中存在的问题，提出采用的LLC谐振拓扑，利用比较成熟的电力电子技术和锁相环控制设计完成高频感应加热电源。在简要分析LC谐振回路的特性基础上，对LLC谐振回路的特性进行了深入的理论分析和实验研究。文章根据感应加热负载
2、的特性和等效电路出发，以达到输出最大功率为目标，分别分析了输出电流和输出电压、输出电流和负载电流、输出电压和电容电压之间关系的幅频特性和相位特性。通过分析可知，在最大功率点处，输出电流和负载电流的比值和两个电感比值有关。关键词：感应加热电源，LLC谐振回路，负载特性，谐振拓扑，最大功率点控制 Research of Load Matching Technique for Induction Heating Power SupplyABSTRACT【The Intermediate Frequency Induction Heating has been widely applied in me
3、lting, casting, bend, hot forging, welding, Surface Heat Treatment due to its advantages of high heating efficiency、high speed、easily controlled、easily being mechanized and automated. Firstly, it presented briefly the international induction heating development achievement nowadays,some important co
4、ncepts in it and it also introduced international induction heating status in and development direction in future from the aspects as: topologies of power supply, power regulation and how to expand the capability. According the existed problems in high frequency power supply development, it presente
5、d feasibility of fulfilling the high frequency power supply used the matured power electronics technology and phase loop lock control based on improved resonant topology LLC upgrade from LC resonant topology.Secondly, the theoretical analyses and experimental studies of the characteristic of LLC res
6、onant topology have been studied deeply in paper based on anglicizing simply LC resonant topology firstly. According the characteristic of induction heating load and equivalent circuit of it, the paper has analyze the amplitude frequency and phase character between output current and output voltage,
7、output current and load current, output voltage and capacitor voltage respectively based on how to get to the maxim output power in load. It presented the results of the ratios between load current and output current, capacitor voltage and output voltage, the output power size when the power supply
8、worked nearly at resonant frequency. KEY WORDS: high frequency induction heating power supply，LLC resonant topology，resonant frequency，matched load，maxim power point control11目录前言1第1章 绪论31.1 电磁感应电源加热的发展31.1.1感应加热电源综述31.1.2 国外感应加热现状91.1.3 我国感应加热现状10第2章 感应加热技术142.1 感应加热的工作原理142.1.1 感应加热142.1.2 感应加热三大效
9、应182.2 感应加热电源特点19第3章 感应加热电源的负载匹配方案213.1 感应加热电源框图213.1.1 负载匹配213.1.2 负载匹配方案分析233.2 LLC谐振回路工作分析28第4章 全文总结及工作展望314.1 全文总结314.2 工作展望31谢 辞33参考文献34外文资料翻译36外文资料译文39前言随着电力电子技术及器件的发展，固态感应加热电源已在金属熔炼、透热、淬火、热处理、焊接等行业得到越来越广泛的应用。对于热处理行业的大部分负载来说，感应加热电源设备须经过负载阻抗匹配后才能正常工作。所谓负载阻抗匹配就是为了使电源输出额定功率，而采取的使负载阻抗等于电源额定阻抗的方法和措
10、施。感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化等优点，广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。电磁感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象，也就是交变的电流会在导体中产生感应电流，从而导致导体发热。1890年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉 开槽式有芯炉， 1916年美国人发明了闭槽有芯炉，从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。 20世纪电力电子器件和技术的飞速发展，极大地促进了感应加热技术的发展。 1957年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电子技术的开始，
11、也引发了感应加热技术的革命。1966年，瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。20世纪80年代后，电力电子器件再次快速发展，GTO、MOSFET、IGBT、M CT及 SIT等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件。现在比较常用的是IGBT和MOSFET， IGBT用于较大功率场合，而MOSFET用于较高频率场合。据报道，国外可以采用IGBT将感应加热装置做到功率超过1000kW ，频率超过50kHz。而MOSFET较适用高频场合，通常应用在几千瓦的中小功率场合，频率可达到500kHz以上，甚至几兆赫兹。然而国外也有推出采用 MOSFE
12、T的大功率的感应加热装置，比如美国研制的2000kW /400kHz的装置。我国感应热处理技术的真正应用始于1956年，从前苏联引入，主要应用在汽车工业。随着 20世纪电源设备的制造，感应淬火工艺装备也紧随其后得到发展。现在国内感应淬火工艺装备制造业也日益扩大，产品品种多，原来需要进口的装备，逐步被国产品所取代，在为国家节省外汇的同时，发展了国内的相关企业。目前感应加热制造业的服务对象主要是汽车制造业，今后现代冶金工业将对感应加热有较大需求。 第1章 绪论1.1 电磁感应电源加热的发展1.1.1感应加热电源综述虽然感应加热的原理发现的比较早，但人类真正广泛应用该项技术还是近三十年的事情。现在它
13、的重要性越来越被人们所认识。早在十九世纪科学家就发现了电磁感应现象：1831年法拉第（Michael Faraday）发现电磁感应规律；1868年福考特（Foucault）提出涡流理论；1840年焦耳-楞茨确定了电阻发热的关系式，这些都是感应加热的理论基础。感应加热装置由两部分组成，一部分是提供能量的交流电源，也称变频电源,变频电源有低频、工频、中频、超音频和高频之分；另一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈及机械结构，称感应炉。早期的感应加热电源有工频固态(50或60Hz)电源、中频有发电机旋转和固态电源、高频电子管电源。第二次世界大战前后的感应加热设备基本上是上述的初级发展水平。制约感应加
14、热发展的主要是感应加热电源，而电源受制于高频或大功率的开关器件。电力电子功率器件的发展，才真正促进了感应加热电源的发展。1957年美国研制出世界上第一只普通的阻断型可控硅，我们现在称为晶闸管(SCR)，经过60至70年代工艺完善和产品开发，70年代后期已形成从低电压小电流到高压大电流的系列产品，从而使固态感应加热电源产生了革命，走向实用化的阶段。与此同时，世界各国研制了大量的派生器件。如逆导晶闸管(RCT)，门极辅助关断晶闸管(GATT)，光控晶闸管(LTSCR)、及80年代发展的可关断晶闸管（GTO）等。今天的电力半导体功率器件的发展更是琳琅满目，简单归纳一下有：、大功率二极管：、晶闸管（S
15、CR）；、双向晶闸管；、门极关断（GTO）晶闸管（最大 8500V ，3500A）；、双极结型晶体管（BTT或BPT）；、电力MOSFET；、静电感应晶体管（SIT），（最大1000V ，300A，50MHz）；、绝缘双极型晶体管（IGBT）（最大6500V，2500A）；、MOS控制晶闸管（MCT）；、集成门极换向晶闸管（IGCT）。这些器件还正在不断更新和完善中，这些电力半导体器件是现代电力电子设备的核心，更是感应加热电源赖以发展的基础。它为感应加热电源设备带来前所未有的活力和广阔的发展前景。电磁感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象，也就是交变的电流会在导体中产生感应电流，从而导致导体发
16、热。1890年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉 开槽式有芯炉， 1916年美国人发明了闭槽有芯炉，从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。 20世纪电力电子器件和技术的飞速发展，极大地促进了感应加热技术的发展。 1957年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电子技术的开始，也引发了感应加热技术的革命。1966年，瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。20世纪80年代后，电力电子器件再次快速发展，GTO、MOSFET、IGBT、M CT及 SIT等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件。现在比较常用的是IGBT和MOS
17、FET， IGBT用于较大功率场合，而MOSFET用于较高频率场合。据报道，国外可以采用IGBT将感应加热装置做到功率超过1000kW ，频率超过50kHz。而MOSFET较适用高频场合，通常应用在几千瓦的中小功率场合，频率可达到500kHz以上，甚至几兆赫兹。然而国外也有推出采用 MOSFET的大功率的感应加热装置，比如美国研制的2000kW /400kHz的装置。我国感应热处理技术的真正应用始于1956年，从前苏联引入，主要应用在汽车工业。随着 20世纪电源设备的制造，感应淬火工艺装备也紧随其后得到发展。现在国内感应淬火工艺装备制造业也日益扩大，产品品种多，原来需要进口的装备，逐步被国产品
18、所取代，在为国家节省外汇的同时，发展了国内的相关企业。目前感应加热制造业的服务对象主要是汽车制造业，今后现代冶金工业将对感应加热有较大需求。一、感应加热特点感应加热技术具有快速、清洁、节能、易于实现自动化和在线生产、生产效率高等特点，是内部热源，属非接触加热方式，能提供高的功率密度，在加热表面及深度上有高度灵活的选择性，能在各种载气中工作 （空气、保护气、真空），损耗极低，不产生任何物理污染，符合环保和可持续发展方针，是绿色环保型加热工艺之一。它与可控气氛热处理、真空热处理少无氧化技术已成为热处理技术的发展主流。其主要应用有：（1）冶金 有色金属的冶炼，金属材料的热处理，锻造、挤压、轧制等型材
19、生产的透热，焊管生产的焊缝。（2）机械制造 各种机械零件的淬火，以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热;压力加工前的透热。（3）轻工 罐头以及其他包装的封口，比如着名的利乐砖的封口包装。（4）电子 电子管真空除气的加热。（5）特殊应用 如等离子、堆焊等。以一汽为例，在生产的中型车、轻型车和轿车上，就有近200种零件需要感应加热淬火处理，从感应加热淬火零件的形状和尺寸来看，可称得上花样繁多且大小均有。随着感应淬火技术的不断发展，感应淬火的零件已上升到占全部热处理零件的50%左右。据有关数据表明，在我国的汽车工业中，感应热处理的应用正进入世界先进水平的行列。二、感应加热新工艺感应加热工艺是感应
20、加热技术水平的主要体现，是技术发展的基础，先进的感应加热工艺技术可以有效地发挥感应加热的特点，实现高效、节能的局部热处理。（1）纵向感应加热淬火 半轴纵向感应加热淬火已用于汽车、拖拉机工业。半轴纵向加热是一次淬火。在德国、美国有半轴一次淬火专用机床，将加热、校正和淬火在一台机床上完成，提高了生产率，一次淬火与连续淬火相同产量的设备占地面积各为40m2与115m2。（2）曲轴颈圆角淬火 曲轴颈圆角淬火后，疲劳强度比正火的提高一倍，我国生产的康明斯与 NH发动机曲轴均已采用此种工艺。（3）低淬透性钢齿轮淬火 早在20世纪70年代我国曾进行55DT、60DT、70DT钢研究并取得初步成果，以后因钢的
21、淬透性不稳定等原因，低淬钢未继续用于生产。1992年俄罗斯低淬钢创始人，K.3 博士来中国讲学，并到某一钢厂调查冶炼低淬钢的条件，认为该厂完全具备生产低淬钢条件。YB 20091981低淬透性含钛优质碳素结构钢中对合金元素的控制与俄罗斯不同，（俄）105474、58（55 ）钢的元素含量对 Mn、Cr、Ni、Cu四元素之和规定要求0.5%（质量分数），而YB20098155Ti钢对Cr、Ni、Cu三元素之和规定0.5%（质量分数），这可能是关键所在。俄罗斯低淬钢及控制淬透性钢已大量应用于汽车、拖拉机后桥齿轮、挖掘机齿轮、传动十字轴、火车车厢用滚动轴承、汽车板簧和铁路螺旋弹簧等，取得了极大的经济
22、效益。（4）感应电阻淬火 众所周知，转向齿条的齿部采用感应电阻法淬火，国内已有三台以上的进口机床在生产。英国一台机床将此工艺用于齿轮生产，发现淬火后齿轮基本不变形并可随后进入装配工序。（5）曲轴轴颈固定加热淬火 新设备称为 Gr ankproTM，用二个半环形固定加热感应器取代8字半环形旋转加热感应带。此套设备能对曲颈进行淬火与回火，与老工艺相比，具有节能、占地面积小、工件变形小和感应器寿命长等优点。三、感应加热电源及技术在电源方面晶闸管中频取代机式发电机。20世纪 90年代初，国内晶闸管电源厂曾如雨后春笋，遍地开花，经过优胜劣汰的竞争，现在生产厂已趋向稳定。目前晶闸管电源又在向 IGBT晶体
23、管电源发展，而电子管高频则将发展为MOSFET晶体管电源，手提晶体管超音频、高频电源市场竞争十分激烈，其未来也将是谁的质量高、技术水平高，谁就能站稳脚跟。国产中频电源目前都采用并联谐振型逆变器结构。因此，在研究和开发更大容量的并联逆变中频电源的同时，研制结构简单、易于频繁起动的串联逆变中频电源是国内中频感应加热装置领域有待解决的问题，尤其是在熔炼、铸造应用中，串联逆变电源易实现全工况下恒功率输出 （有利于降低电能吨耗）及一机多负载功率分配控制，更值得推广应用。在超音频 （10100kHz）范围内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度。虽然在 80年代浙江大
24、学采用晶闸管倍频电路研制了50kW /50kHz超音频电源，采用时间分割电路研制了30kHz的晶闸管超音频电源，但由于倍频电路的双谐振回路耦合使负载呈非线性，时变加热负载参数与谐振回路参数匹配调试相当复杂，而时间分割电路控制和主回路结构复杂，逆变管利用率低，因此没有得到很好的推广应用。70至80年代初，人们将现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术进行结合，相继开发出一大批全控电力电子半导体器件 （GTR、MOSFET、SIT、SITH及MCT等），为全固态超音频、高频电源的研制打下了坚实的基础。在高频 （100kHz以上）频段，目前国外正处在从传统的电子管电源向晶体管化全固态电源的过渡阶段。
25、日本某些公司采用SIT，电源水平在80年代末达到了1000kW、200kHz， 400kW、400kHz。而在欧美，由于SIT存在高通态损耗 （SIT工作于非饱和区）等缺陷，其高频功率器件以MOSFET为主。随着MOSFET功率器件的模块化、大容量化， MOSFET高频感应加热电源的容量得到了飞速发展。西班牙采用MOSFET的电流型感应加热电源制造水平达600kW、400kHz，德国在1989年研制的电流型MOSFET感应加热电源水平达480kW、50200kHz，比利时I nductoEiphiac公司生产的电流型MOSFET感应加热电源水平可达1000kW、15600kHz。浙江大学在 9
26、0年代研制出 20kW、300kHz MOSFET高频电源，已被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。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，而在高频频段，由于SIT存在高导通损耗等缺陷，国际上主要发展MOSFET电源。感应加热电源虽采用谐振逆变器，有利于功率器件实现软开关，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、接地和屏蔽等均有许多特殊要求。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多应用基础技术需要进一步探讨，特别是新型高频大功率器件 （如MCT、IGBT及SIT功率器件等）的问世，将进一步促进高频感应加热电源的发展。从电
27、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为两大类:一类是器件的串、并联;另一类是多桥或多台电源的串、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再容量化的有效手段，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
28、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，以至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逆变器之间的电流缓冲环节，使得输入端的AG/DG或DG/DG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、高频电流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。感应加热电源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，一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，高频、超音频电源用的匹配变压器从磁性材料到绕组结构正在得到进一步的优化改进，同时，从电路拓扑
29、上可以用三无源元件代替二无源元件，以取消变压器，实现高效、低成本匹配。感应加热电源，晶闸管、晶体管与电子管式在国内均能生产。晶闸管电源已生产应用多年。目前 IGBT电源因其优点更多而更为用户所采用。MOSFET电源电效率高、低压，但价格较高，正在逐步取代电子管高频电源。手提式小型高频电源因价廉、方便，在国内应用广泛，甚至进入国外市场。超高频电源 （27.12MHz），过去依赖进口，现在国内有企业已进行生产，解决了刀片、锯条等特殊工艺的需要。随着感应热处理生产线自动化控制程度及电源高可靠性要求的提高，必须加强加热工艺成套装置的开发。同时感应加热系统正向智能化控制方向发展，具有计算机智能接口、远程
30、控制和故障自动诊断等控制性能的感应加热电源系统正成为下一代的发展目标。 1.1.2 国外感应加热现状工频（50Hz或60Hz）感应加热电源。这种电源比较实用大型工件的整体透热、大容量炉的熔炼和保温。在频率要求较低的感应加热场合，普通采用工频感应炉。国外的工频感应加热装置单台可达数百兆瓦 ，用于数10吨的大型工件透热或数百吨的钢水保温。虽然固态功率器件构成的电源有取代工频感应加热电源的趋势，但短期内，在电源的容量、价格和可靠性方面难以与构造简单的工频感应电源竞争。中频电源（50Hz或60Hz以上10KHz）。晶闸管感应加热电源已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。国外的装置单台容量已达数十
31、兆瓦。超音频电源（10K100KHz）。早期采用晶闸管-时间分割电路和倍频电路构成超音频电源。80年代开始，随着新型器件（GTO、GTR、MCT、IJBT、BSIT、 SITH和IGBT）的相继问世由这些器件构成的简单逆变桥电路得到了很大的发展，占据了感应加热电源主导地位。其中IGBT更是一支独秀，受到了开发者的重视。90年代初期，日本就采用IGBT研制出了1200KW/50KHz的电流型感应加热电源。我国98年进口日本的3200KW/80KHz感应加热线在上海运行，是国际上最先进的电源之一。一些发达国家如美国，英国，法国，瑞士等都研制出了超音频感应加热电源，已达数千千瓦。高频电源（100KH
32、Z以上）。目前正处在传统的电子管振荡器向固态电源的过度阶段。领先的国家有日本，西班牙，德国，比利时，美国等，采用的器件有SIT和MOSFET，感应加热电源水平可达到1MW/15-600KHZ。我国与国外先进国家在感应加热方面进行比较，存在较大的差距。 1.1.3 我国感应加热现状我国感应加热技术的应用，起源于上世纪50年代，主要用于机床、纺机、汽车、拖拉机等制造业。感应加热集中在工件表面淬火方面，熔炼和透热方面用的较少。感应加热的技术几乎全来自前苏联和捷克国家。20世纪60年代，由于和苏联的关系破裂，我国走上了感应加热技术独立发展的道路。这段时间直到改革开放后的80年代，由浙大开发了第一台并联
33、式晶闸管中频电源，并向全国推广。有关单位相继也生产出了容量在几百千瓦，频率0.5-8KHz中频电源。电子管式超音频电源也研制成功，填补了我国8K-200KHz之间的频率缺口。感应加热电源真正大量应用于工业生产则是20世纪80年代后。近20多年间感应加热电源和感应加热领域发生了令人注目的变化：此阶段从德国、美国、英国、法国、日本、意大利、西班牙、比利时和俄罗斯等工业发达国家引进了数百套感应加热成套装置(含电源)。粗分类有:各种淬火设备及电源；透热设备及电源；高频纤焊设备；熔炼设备及电源；熔炼设备无心感应炉、有心感应炉。20世纪90年代，国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂，如美国的英达感应加热
34、公司，彼乐公司等，和国内的同行业厂家同台竞争。他们的产品技术含量高，电源功率大，品牌全，炉子吨位大，生产线规模大，占据了国内的很大一部分市场。只是他们的设备价格高 (国内同性能产品大约是其价格的1/5左右)，这才使技术落后于他们的国内厂家，有了一定的市场发展空间。国内感应加热方面除了国外在国内的办事机构外，从地域上还分“南派”和“北派”技术和产品方面的竞争。“南派”以浙江大学为中心源地，从技术和人事关系上衍生出浙江，上海，苏杭一带的感应电炉公司，其代表有振吴、四达、兆力等公司，主导着南方的熔炼炉市场。“北派”是以西安交大、西安电炉研究所、西安重型电炉厂(现西安鹏远重型电炉厂)所在地西安为中心，
35、衍生出西安，洛阳，山东，河北，山西等地的电炉公司。仅西安市感应加热的公司就达百家之多，是名副其实的中国电炉设计、制造中心。这些厂家中比较有影响的有：西安电炉研究所有限公司、西安鹏远重型电炉厂、西安机电研究所、陕西海意、西安动化、博大、华立等电炉公司。感应加热的市场发展前景看好，据行内人士讲，西安的几个大的感应炉公司，2007、2008年的各年产值，各公司均在一个亿至几千万间， 产值逐年度快速递增。其中电炉所，海意公司，机电所，动化公司等有多台感应炉出口第三世界国家。目前国内感应加热电源的技术水平表现在下面几点: 感应加热的高频、中频小功率电源大量的采用IGBT及MOSFET晶体管功率器件，功率
36、在几千瓦到几百千瓦；频率从10KHZ到几百KHZ.这种电源多用于淬火，适应于不同透入深度工件硬层处理。另有少量的双频电源和超高频(27.12MHz)小功率电源。双频电源一般是指高频与超音频组合，超音频40KHz和中频0.5KHz组合。这样的感应加热电源不但效率高，而且更适应处理不同透入深度工件。感应透热方面，工频电源和中频电源在市场上同时都在应用。在中频电源未发展起来的前20年，工频电源在感应透热和熔炼方面起着主导作用，现正在逐步退出市场。两种电源的区别在:工频电源是由50HZ输出，频率不变，功率的调节靠前端的变压器抽头调输出电压达到调功率的目的。由于负载是一相，输入是三相电，所以，电源内有三
37、相调平衡装置；工频电源功率因数可补偿到1。中频电源是众所周知的AC-DC-AC典型的变频结构.即先把三相工频电源整流成单相直流，滤波后再逆变为各种频率的中频单相交流电源，供给负载感应线圈。一般300mm以上的金属棒料、锭料透热，大型轴承表面处理多选用工频电源。300mm以下的金属棒料等多选用中频电源。但也有例外的情况，如2005年公布的国家科技进步一等奖第六项“100MN铝挤压设备技术”，其中用的是2600KW中频加热电源，炉子加热的是560mm1950mm铝锭，属于国际上特大型设备之一。该项目采用计算机控制，梯度加热。他们还设计了297mm279mm580mm钢锭透热装置，用的中频电源是24
38、00KW，400Hz，加热温度达到1300。国内还有几台不同功率的电源在同一透热线上联合工作的情况，这些电源功率从2000KW以下至几百千瓦，每个电源负担几个加热线圈.完成一个区域的加热。几个电源和各自若干个线圈组合起来，达到了整个生产线的感应加热要求。感应熔炼方面，近10年发展特别快。10年前，5t以上无心感应熔炼炉很少见，基本上都配的是工频电源。中频炉因电源功率小，所配炉子大多数都在2t以下。现在的无心感应炉已生产出5t，7t，10t，15t，20t，25t，30t，35t，40t熔炼炉，10t熔铝炉(相当于30t熔铁炉体积)，70t铜保温炉（见图2）。这些无心感应炉所配电源，少数电源功率
39、器件是IGBT，其余基本上都采用的晶闸管功率器件。利用管子的串并联技术电源装机容量已20达兆瓦.利用多个电源联合能使输出功率更大。为适应熔炼炉工艺中熔炼和保温工艺的同时需要，国内还开发出了双供电变频电源：一台电源同时输出功率到两台炉体线圈上，这样可使一台变频电源的功率能灵活的分配给两台炉体：即把一台电源的大功率分配给熔炼炉，下余小功率分配给保温炉。两台炉的功率可互补的自由调整，整体不超过电源输出总功率，也可以同时小功率输出到两台炉体用以保温。这种电源市场上叫DX中频电源，俗称“一拖二”中频电源。国内“一拖二”电源的电路结构是建立在逆变串联谐振电源的基础上，前面是可控或不控的三相整流电路，中间是
40、直流，由电容进行滤波，然后再由两个独立的半桥串联逆变谐振电路进行逆变，输出两路可调节各自频率达到各自输出功率和中频电压的不同。“一拖二”中频电源功率器件有选晶闸管的，也有选IGBT的，这两种电路都有成熟产品在工业现场运行。第2章 感应加热技术2.1 感应加热的工作原理电磁感应原理：1831年，英国物理学家faraday发现了电磁感应现象，并且提出了相应的理论解释。其内容为，当电路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如果闭合就会产生感应电流。2.1.1 感应加热 利用高频电压或电流来加热通常有两种方法：（1） 电介质加热：利用高频电压（比如微波炉加热）（2） 感应加热：利用高
41、频电流（比如密封包装）2电介质加热（dielectric heating）电介质加热通常用来加热不导电材料，比如木材。同时微波炉也是利用这个原理。原理如图1：图1 电介质加热示意图当高频电压加在两极板层上，就会在两极之间产生交变的电场。需要加热的介质处于交变的电场中，介质中的极分子或者离子就会随着电场做同频的旋转或振动，从而产生热量，达到加热效果。3感应加热（induction heating）感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。如图2：图2 感应加热示意图基本电磁定律：法拉第定律：安培定律：其中：，如果采用MKS制，e的单位为V，的单位为
42、Wb，H的单位为A/m，B的单位为T。以上定律基本阐述了电磁感应的基本性质，集肤效应：当交流的电流流过导体的时候，会在导体中产生感应电流（如图3），从而导致电流向导体表面扩散。也就是导体表面的电流密度会大于中心的电流密度。这也就无形中减少了导体的导电截面，从而增加了导体交流电阻，损耗增大。工程上规定从导体表面到电流密度为导体表面的1/e0.368的距离为集肤深度。在常温下可用以下公式来计算铜的集肤深度： 式（1） 图3 涡流产生示意图从以上可以看到，如果增大电流和提高频率都可以增加发热效果，是加热对象快速升温。所以感应电源通常需要输出高频大电流。感应加热电源根据补偿形式分为两种，并联谐振式(电
43、流型)电源和串联谐振式(电压型)电源。图2.1感应加热电源主电路图并联谐振式电源采用的逆变器是并联谐振逆变器，其负载为并联谐振负载。通常需电流源供电，在感应加热中，电流源通常由整流器加一个大电感构成。由于电感值较大，可以近似认为逆变器输入端电流固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电流，其电流幅值取决于逆变器的输入端电流值，频率取决于器件的开关频率。 串联谐振式电源采用的逆变器是串联谐振逆变器，其负载为串联谐振负载。通常需电压源供电，在感应加热中，电压源通常由整流器加一个大电容构成。由于电容值较大，可以近似认为逆变器输入端电压固定不变。交替开通和关断逆变
44、器上的可控器件就可以在逆变器的输出端获得交变的方波电压，其电压幅值取决于逆变器的输入端电压值，频率取决于器件的开关频率。串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用L、R和C串联，后者是L、R和C并联； (1)串联谐振逆变器的输入电压恒定，输出电流近似正弦波，输出电压为矩形波，换流是在晶闸管上电流过零以后进行，因而电流总是超前电压角。 并联谐振逆变器的输入电流恒定，输出电压近似正弦波，输出电流为矩形波，换流是在谐振电容器上电压过零以前进行，负载电流也总是越前于电压角。这就是说，两者都是工作在容性负载状态。(2)串联谐振逆变器在换流时，晶闸管是自然关断的，关断前其电
45、流己逐渐减少到零，因而关断时间短，损耗小。在换流时，关断的晶闸管受反压的时间较长。并联谐振逆变器在换流时，晶闸管是在全电流运行中被强迫关断的，电流被迫降至零以后还需加一段反压时间，因而关断时间较长。相比之下，串联谐振逆变器更适宜于在工作频率较高的感应加热装置中使用。(3)串联谐振逆变器起动较容易，适用于频繁起动工作的场所；而并联谐振逆变器需附加起动电路，起动较为困难，起动时间长。至今仍有人在研究并联谐振逆变器的起动问题。串联谐振逆变器晶闸管暂时丢失脉冲，会使振荡停止，但不会造成逆变颠覆。而并联谐振逆变器晶闸管偶尔丢失触发脉冲时，仍可维持振荡。(4)串联谐振逆变器并接大的滤波电容器，当逆变失败时
46、，浪涌电流大，保护困难。但随着保护手段的不断完善以及器件模块本身也有自带保护功能，串联谐振逆变器的保护不再是难题。 并联谐振逆变器串接大电抗器，但在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击不大，较易保护。(5)串联谐振逆变器感应线圈上的电压和补偿电容器上的电压，都为谐振逆变器输出电压的Q倍。当Q值变化时，电压变化比较大，所以对负载的变化适应性差。流过感应线圈上的电流，等于谐振逆变器的输出电流。并联谐振逆变器的感应线圈和补偿电容器上的电压，都等于逆变器的输出电压，而流过它们的电流，则都是逆变器输出电流的Q倍。逆变器器件关断时，将承受较高的正向电压，器件的电压参数要求较高。(6)串联谐振逆变器的感应
47、加热线圈与逆变电源(包括补偿电容器)的距离较远时，对输出功率的影响较小。而对并联谐振逆变器来说，感应加热线圈应尽量靠近电源(特别是补偿电容器)，否则功率输出和效率都会大幅度降低。综合比较串、并联谐振逆变器的优缺点，决定对串联谐振式电源进行研究。2.1.2 感应加热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。集肤效应：当交变电流通过导体时，沿导体截面上的电流分布式部均匀的，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。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。圆环效应：若将交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应。感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备。在感应线圈中置以金属工件，感应线圈两端加上交流电压，产生交流电流，在工件中产生感应电流。此两电流方向相反，情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。当电流和感应电流相互靠拢时，线圈和工件表现出邻近效应，结果，电流集聚在线圈的内侧表面，电流聚集