感应加热逆变电源设计.doc

《感应加热逆变电源设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《感应加热逆变电源设计.doc（28页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、河南科技大学毕业设计论文 1 感应加热逆变电源设计感应加热逆变电源设计 摘要摘要 感应加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，已成为冶金、国防、 机械加工等部门及船舶、飞机、汽车等制造业不可缺少的技术。此外感应加热正 不断的进入人们的家庭生活中，例如电磁炉等都是依靠感应加热原理工作的。感 应加热电源的发展趋势是高频化、大容量化、智能化和绿色化。目前的高频感应 加热电源频率在几百千赫左右技术比较成熟。 本文以串联半桥感应加热电源为研究对象，首先在介绍感应加热的原理基础 上，阐述了感应加热电源的特点、国内外发展状况及应其发展趋势。其次介绍了 串联全桥逆变电路与串联半桥逆变电路的优缺点, 半桥

2、串联谐振逆变器具有结构 简单，控制容易，有良好的经济效益等特点，故此，分析了串联半桥逆变桥的工 作原理。再次，在设计了一个串联半桥逆变电路的基础上，对各个器件的具体电 路参数进行计算，并合理选择元器件。最后，在一台半桥串联谐振电源上，通过 改变整流滤波后的电压，测试了桥臂电压波形，并对波形进行简要分析，得出感 应加热电源应尽量避免空载等实验结论。 关键词关键词：感应加热；串联谐振；半桥串联谐振逆变器；IGBT； 河南科技大学毕业设计论文 2 A Design Of Induction Heating Power Inverter Abstract Induction heating can b

3、e used for metal smelting, diathermy, heat reatment and welding process, the manufacturing sector has become an indispensable technology in metallurgy, defense, machining and other departments and ships, airplanes, cars and so on. Besides induction heating is constantly entering peoples family life,

4、 such as induction cooker, etc. are relying on the principle of induction heating work. Induction heating power supply is the development trend of high-frequency, high-capacity, intelligent and green. The current high-frequency induction heating power of about a few hundred kilohertz frequency techn

5、ology is relatively mature. In this paper, the series half-bridge induction heating power supply for the study, first principles on the basis of introduction of induction heating, induction heating power supply elaborated characteristics, domestic development and should its development trend. Second

6、ly, it introduces the advantages and disadvantages of full- bridge inverter circuit in series with a series of half-bridge inverter circuit, half-bridge resonant inverter series has a simple structure, easy to control, good economic returns, etc. Therefore, the inverse analysis of the half-bridge se

7、ries variable working principle of the bridge. Again, on the basis of a series of half-bridge inverter circuit designed on the specific circuit parameters were calculated for each device, and a reasonable choice of components. Finally, in a half-bridge series resonant power supply voltage by changin

8、g the rectifier filter after testing the leg voltage waveform, and the waveform is a brief analysis, the induction heating power should avoid no-load and other experimental results. Keywords: induction heating; series resonance; series resonant half-bridge inverter; IGBT；waveforms 河南科技大学毕业设计论文 3 目 录

9、 第一章 概 述.1 1.1 课题研究的背景1 1.2 感应加热的基本原理 .2 1.3 感应加热电源的特点 .4 1.4 国内外发展及现状5 1.5 感应加热的发展趋势 .6 第二章 半桥串联谐振逆变器的主电路.8 2.1 全桥串联谐振逆变电路8 2.2 半桥串联谐振逆变电路.9 2.3 半桥串联逆变器工作原理.10 第三章 主电路参数计算与选取 .12 3.1 原始数据.12 3.2 变压器的设计.12 3.3 确定整流晶闸管的参数 13 3.4 LC 滤波器的设计14 3.5 确定 IGBT 管参数 .14 3.5.1 额定电压 15 3.5.2 额定电流 15 3.6 半桥高频电容的参

10、数计算及选择 16 3.7 计算感应加热线圈的电感及主电路谐振电容 17 3.8 本章小结 17 4 第四章 实验结果及波形分析18 4.1 实验结果 18 4.2 实验结论和小结 20 结 论.21 参考文献.22 河南科技大学毕业设计论文 4 致 谢.24 河南科技大学毕业设计论文 1 第一章 概 述 1.1 课题研究的背景课题研究的背景 早在十九世纪初，人们就发现了电磁感应现象：处于交变磁场的导体内会产 生电流，从而引起导体发热。但是，这种发热长时间以来只是作为一种损耗而被 人们关注。十九世纪末，人们才开始试图利用这种发热，于是用于产生这种发热 的设备感应加热设备诞生了。 感应加热主要用

11、于金属熔炼、焊接、烧结、钢管焊缝、热装配、金属热处理 等领域。由于感应加热具有加热速度较快、温度容易控制、加热效率高、无需预 热、污染小、占地面积小、设备制造方便等诸多优点，因此广泛地应用于生产和 生活当中。它不仅可对金属材料直接加热，而且也可对非金属材料进行间接式加 热，如单晶硅的加热拉伸、半导体的提纯、有机涂层的固化、人造宝石的熔炼等。 另外，在航空工业等需要精密焊接处理的领域中，感应加热在对某些材料或零件 进行特殊处理方面所起到的作用也是不可替代的。如今，感应加热也开始渗透到 了人们的日常生活中，如电磁炉等以感应加热原理制造的电器，为人们的日常生 活提供了极大地方便。 感应加热电源是感应

12、加热工艺实现的主要设备。它可以将直流电转变为高频 率的交流电，进而产生交变磁场，处于交变磁场的导体感应出涡流，从而使导体 加热。随着电力电子技术的迅速发展，感应加热装置的面貌也日新月异，伴随着 MOSFET、IGBT等电力电子器件的相继出现，掀起了感应加热装置的革命，固态感 应加热装置已逐步取代电子管式感应加热装置，在很多方面得到较广泛的应用。 感应加热电源主要由整流器、逆变器、负载及控制和保护电路组成，其电路 结构如图11所示。整流器一般为三相不控整流或三相可控整流，它的作用是将 三相工频交流电转换为直流电；然后经过滤波器滤除杂波后送到逆变器，逆变器 将其转换为负载所需频率的交流电，以加热工

13、件；整流控制电路和逆变控制电路 分别为整流器和逆变器上的开关器件提供所需的脉冲信号。 河南科技大学毕业设计论文 2 图1.1 感应加热电源基本结构框图11 1.2 感应加热的基本原理感应加热的基本原理 根据电磁感应定律，处于交变磁场中的导体两端会产生感应电动势，当导体 为闭合回路时，导体中会有电流通过。感应加热的基本原理是根据电磁感应定律， 利用被加热金属工件中感生的涡电流对金属工件进行加热。 如图12所示，当交流电通过感应线圈f时，在其内部会形成一个与f同频率 的交变磁通西，处于线圈内的金属工件两端会产生感应电动势，从而产生涡流 使金属工件材料发热。假定缠绕在会属工件上的线圈匝数为N，则根据

14、麦克斯韦 尔(MAXWELL)电磁方程式，可得出感应电动势e为： dt d Ne 2 = 河南科技大学毕业设计论文 3 式中p金属工件的电阻率(cm); 金属工件的相对磁导率，对于非磁性材料来说，=1； f金属工件的电流频率(Hz)。 如果磁通是交变得，设，则t m sin = 有效值为： M fNE44. 4 2 = 感应电势 E 在工件中产生感应电流使工件内部开始加热，其焦耳热为： RtIQ 2 2 24 . 0 式中： 感应电流有效值（安） ，R工件电阻（欧） ，t时 2 I 间（秒）。 这就是感应加热的原理。感应加热与其它的加热方式，如燃气加热，电阻炉 加热等不同，它把电能直接送工件内

15、部变成热能，将工件加热。而其他的加热方 式是先加热工件表面，然后把热再传导加热内部。 金属中产生的功率为： cos44. 4cos 2M fNEIP= 感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面大小、 截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁特性等有关。 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

16、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 1 I 2 I 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 1 I 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 2 I 1 I 侧表面，电流聚集在工件的外表面。这时线圈本身表现为圆环效应，而工件本 2 I 河南科技大

17、学毕业设计论文 4 身表现为集肤效应。 交变磁场在导体中感应出的电流亦称为涡流。工件中产生的涡流由于集肤效 应，沿横截面由表面至中心按指数规律衰减，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。由于涡流所产生的热量与涡流的平方成正比，因此由表面至芯 部热量下降速度要比涡流下降速度快的多，可以认为热量(8590%)集中在厚度 为的薄层中。透入深度由下式确定： )(/2 0 mmf r = 式中: 工件电阻率（m ）, 。真空磁导率 410(H/m). 工 件磁导率(H/m ), 工件相对磁导率， 角频率(rad

18、/s )， f频 率(HZ)。 将 。和 的数值代入，即可得公式: )(/50300mmf r = 从上式可以看出，当材料电阻率、相对磁导率给定后，透入深度仅与频率 f 平方根成反比，此工件的加热厚度可以方便的通过调节频率来加以控制。频率 越高，工件的加热厚度就越薄。这种性质在工业金属热处理方面获得了广泛的应 用21。 1.3 感应加热电源的特点 自工业上开始应用感应加热电源以来，在这期间，无论是感应加热的理论还 是感应加热的装置都得到了很大的发展。感应加热的应用领域亦随之扩大，其应 用范围也越来越广。究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点： (1) 加热温度高，而且是非接触式加热； (2)

19、 加热效率高，可以节能； (3) 加热速度快，被加热物的表面氧化少； (4) 温度容易控制，产品质量稳定，省能； (5) 可以局部加热，产品质量好，节能； (6) 容易实现自动控制，省力； (7) 作业环境好，几乎没有热，噪声和灰尘； (8) 作业占地面积少，生产效率高； (9) 能加热形状复杂的工件； (10)工件容易加热均匀，产品质量好。 此外，感应加热电源由于采用了新型电路元件，其缓冲电路，驱动电路等也 河南科技大学毕业设计论文 5 得到了空前的改善，此外，还有对环境污染小等优点。基于上述分析，感应加热 电源有着良好的发展前景。 1.4 国内外发展国内外发展及现状及现状 感应加热技术从诞

20、生至今，经过了近百年的发展，取得了令人注目的成果， 尤其是六十年代以后，固态电力电子技术的出现与发展，使感应加热技术与现代 化生产的许多方面密切相关，发挥了很大的生产力的作用。因此世界各国十分关 注感应加热技术的发展，并投入相当的经济支持和技术力量。 目前 ，在低频感应加热领域普遍采用传统的工频感应炉。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 (150Hz20kHz)范围内，晶闸管感应加热装置己经完全取

21、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 (20kHz1OOkHz)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T30-600kW/50-100kHz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51200kW/100500kHz， 而采用

22、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/15600kHz。 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

23、经形成了 500800 Hz/1005000kW 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 河南科技大学毕业设计论文 6 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

24、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。 1.5 影响感应加热电源发展的主要因素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

25、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

26、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。 (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。

27、 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 河南科技大学毕业设计论文 7 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

28、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

29、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 第二第二章 半桥串联谐振逆变电源的主电路 2.1 全桥串联谐振逆变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21所示。 图 2.1 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2-2(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，为负载电压与负载

30、电流之间的相位角。 如图22(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22(b)所示，当负载工作于感性状态时，负载电压超前负载电流电 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22(c)所示，当负载工作在谐振状态时，负载电压、电流同时换向， 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 河南科技大学毕业设计论文 9 最小，但这种理想

31、的换流点很难实现。 图2.2. 串联谐振逆变器的三种工作状态 2.2 半桥串联谐振逆变电路 主电路图如下: 图 2.3 半桥串联谐振逆变电路 如图2.3所示，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

32、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济效益，同时还节省了空间，可以使感应加热电源设 备做的更小、更精致；半桥串联谐振逆变器开关管上的输入电压低，减小了开关 管的电压应力；相比于全桥谐振逆变器，半桥串联谐振逆变器还具有结构简单、 河南科技大学毕业设计论文 10 控制容易等优点。 半桥串联谐振逆变器也存在一些缺点，如：为了扩大容量，需要采用多个开 关管IGBT并联连接，但是由于开关管的均流作用，限制了并联的IGBT的个数；

33、而 且因为不接匹配变压器，逆变器与负载之间没有电气隔离，因而会增加设计保护 电路的难度。 2.3 半桥串联逆变器工作原理 半桥串联逆变器工作原理示意图如图2.4所示: （a）开关管S1导通 （b）二极管D2续流 （c）开关管S2导通 （d）二极管D1续流 图 2.4 半桥串联谐振逆变器的工作状态分析示意图 (1) 当开关管S1导通时，整流侧电源和谐振电容CI(在前一周期已充电) 分两路同时给负载供电，一路为S1-L-R-C2-S1回路，另一路为C1-S1-L-R-C1 回路，如图25(a)所示； (2) 当开关管S1关断时，由于负载处于小感性状态，负载电流通过二极 管D2形成L-R-C2-D2

34、-L回路续流，如图2-5(b)所示； (3)当开关管S2导通时，整流侧电源和谐振电容C2分两路同时给负载反方向 河南科技大学毕业设计论文 11 供电，一路为S2-C1-R-L-S2回路，另一路为C2-R-L-S2-C2回路，如图25(c)所 示： (4)当开关管S2关断时，由于负载电感的作用，通过二极管Dl形成L-D1-C1- R-L回路续流，如图25(d)所示； 后一个周期继续重复这一过程。 第三章 主电路参数计算与选取 河南科技大学毕业设计论文 12 3.1.原始数据原始数据 主电路图如下： 图 2.3 半桥串联谐振逆变电路 输入电压：交流 3-380V， 输入电压频率：50赫兹， 额定输

35、出功率：P=30KW， 最高工作频率=20KHz， Ld为滤波电感， Cd1、Cd2为桥臂电容， L为负载电感，C为谐振补偿电容。 3.2 变压器的设计变压器的设计 输入三相工频电压经整流后最大电压: Uo=380=537V (2-1) 2 变压器原边电压: U1=537Q (2-2) 5 Q为品质因数，工程上常把串联谐振时的电容或电感上的电压与总电压之比叫品 质因数，对于感应加热电源一般取3， 得出 U1= 5373= 1611V 副边电压: U2取安全电压 36V, 则匝数比: K=N1/N2=U1/U2=1611/36=44.7545 (2-3) 又对于感应加热电源变压器的副边匝数一般为

36、1匝，即N2 = 1, 河南科技大学毕业设计论文 13 则 N1=N2K = 45 (2-4) 又输出功率 P2 = 30KW,可得副边电流: I2=P2/U2=30103W/36V833.4A (2-5) 由此得出原边电流: I1 = I2/K = 833.4/45 = 18.52A (2-6) 取变压器的效率为 1， 变压器一次、二次的总功率： Pt = P1+P2 = P1+ P1/=60KW (2-7)6 P1为原边输入功率，P2为副边的输出功率。 导线的截面积由电流密度 j 和电流有效值 I 决定，原、副边导线的截面积分 别为： j电流平均密度，根据工作频率 f，考虑到集肤效应，根据

37、变压器的散热 条件，允许的工作温升，选择适当的导线电流密度 j,对于自然冷却的高频变压器， 最好不超过 3A/mm ,若有风冷可选择 j3.56A/mm 。本次设计中 f=1KHz,允许 22 温升不超过 100，采取风冷，所以取 j6A/mm 。9 2 原边导线截面积 F1=I1/j=18.52/6=3.08mm2 副边导线截面积 F2=I2/j=833.4/6=139.2mm2 3.3 确定整流晶闸管的参数 整流后电流: I=P/Uo=30KW/537V=55.8A (2-11) 取电流安全系数Kiz=1.37,则整流晶闸管的额定电流: Ied=KizI/3=1.3755.8/350.8A

38、 (2-12) 确定额定电压 Ued 取安全系数Kuz=1.48，则: Ued=KuzU0=1.48537=794.5V (2-13) 查下表可选择KP20. 河南科技大学毕业设计论文 14 3.4 LC 滤波器的设计 在本设计中滤波器我们选用的是一个滤波电感。没有选用电容，而是在桥臂 上加两个电容Cd1、Cd2在电路中。在实际电路中，滤波电感很难做准确的计算， 一般根据经验值选用，本论文设计的30KW感应加热电源，可选用电感 Ld=1.64mH。 3.5 确定 IGBT 管参数 IGBT是一种新的复合功率器件、它集双极型功率晶体管和功率MO SFET 的优 点于一体,具有电压型控制,输入阻抗

39、大、驱动功率小,控制电路简单,开关损耗小,通 断速度快,工作频率较高,元件容量大等优点。在逆变电路中IGBT的作用是通过它 的周期性开和关作用，把直流电压变换成方波电压，它是逆变电源中的关键核心 元件。由于它比较脆弱，对它的设计、选择直接关系到整个电源的安全、可靠。 所以，计算参数时留有的富裕量较大8。 表2.5 可控晶闸管主要额定值7 河南科技大学毕业设计论文 15 3.5.1 额定电压 输入电网电压整流滤波后，考虑网压波动10%，直流输出电压最大值： Uo =U1.1=3801.11.1=650V （2-14） 2 2 式中Uo为IGBT承受的稳态最大电压；U为电网电压有效值380V；1.

40、1为波动系数； 为安全系数，取1.1。 关断时的峰值电压 Uceps = (Uo1.15+150) = (6501.15+150V) 1.1=987.25V 式中 Uceps为IGBT关断时的峰值电压；为安全系数，取1.1；1.15为过电压系数； 150为电感引起的尖峰电压。 3.5.2 额定电流 每只IGBT管上的平均电流 I = I1 I1是变压器一次侧电流，在上面我们已得出 I1 =18.52A，即 I = 18.52A 额定电流 Ie是IGBT手册给出的在结温25条件下的额定值。 Ics=I1.4 =18.521.4=25.92A 式中 Ics 为IGBT额定电流计算值；I为每只IGB

41、T管上的平均电流；1.4为Ie安全系 数。 综上所述，所选IGBT管额定电压1200V，额定电流 75A。可以选用日本富士 电机第四代S系列中2MB175S-120型。 表2.6 富士电机P系列IGBT参数表 河南科技大学毕业设计论文 16 3.6 半桥高频电容的参数计算及选择 半桥转换电路上的两个高频电容是对称的,其耐压峰值 UP和电容量的计算可 用下式: UP=Ud/2+U+UL （2-15） C=I1ton/4U （2-16） 式中 Ud-输入直流电压幅值(V) U -电容两端电压变化值,这里允许其电压波动 10%, 则U=10%（Ud/2）=10%537/227V UL-电感感应附加电

42、压 UL=20%（Ud /2）=20%537/254V ton-功率开关管导通时间(S)。 所以，把已知数据代入可求得 UP537/2+27+54351V Cd1Cd218.522510-6/(427)4.29F 为了其工作安全，要留有一定的安全裕量，所以 UP取 540V，Cd1、Cd2取 5F。 3.7 计算感应加热线圈的电感及主电路谐振电容 感应加热线圈的电感 L3=N2S/l 取 感应加热线圈匝数 N=3,面积 S=(5/2)2cm2 ，磁路长度 l=3cm 在这里, 感应加热线圈即使在加热工件放入后，也并没有形成磁回路，所以取 为真空 相对磁导率。 得出 L=N2S/l=2.2210

43、-6 H （2-17） 与之对应的原边电感为 L1=N12L3， L1=4.510-3H 由此可得出 谐振电容 C = 1/(42f2L) =0.01410-6F 河南科技大学毕业设计论文 17 3.8 本章小结 经过本章的计算，基本确定了主电路的参数，变压器的参数；并以此可以选 定各个元器件的型号。在计算过程中，加深了对主电路的认识和对所学知识的理 解。同时，也认识到自己所学知识的掌握的深度还不够，没有能对主电路做更深 一步的分析。 河南科技大学毕业设计论文 18 第四章 实验结果及波形分析 4.1 实验结果 在本次设计过程中，我们采用一补偿电容实测值 C = 0.193F,励磁电感实 测值

44、 L = 0.39mH 的半桥串联谐振感应加热电源，通过调节可控晶闸管改变整流 滤波后的电压，一共测试了五组波形。分别如图 4.1，图 4.2，图 4.3，图 4.4， 图 4.5。 图 4.1 中 A 表示逆变之后桥臂电压波形，方波，峰值为 100V，f=12.50KHz。B 表示输出电流波形，正弦波，峰值为 47A。从图可以看出 电压和电流波形同相位，表明电路工作在谐振状态或准谐振状态。 图 4.1 桥臂电压和电流波形（100V） 图 4.2 桥臂电压和电流波形（200V） 河南科技大学毕业设计论文 19 图 4.2 中 A 表示逆变之后桥臂电压波形，方波，峰值为 200V，f=12.89

45、KHz。B 表示输出电流波形，正弦波，峰值为 91A。比较图 4.1 和 4.2 可以看出，当桥臂电压变化时，频率也发生了变化，这说明电路元件的性能发生 了改变。电压和电流仍是同相位，表明电路工作在谐振状态或准谐振状态。 图 4.3 中 A 仍表示逆变之后桥臂电压波形，方波，峰值为 100V，f=12.64KHz。B 表示变压器副边电压，峰值为 16V。从图可以看出，桥臂 电压相位超前副边电压相位 90。 图 4.3 桥臂电压和副边电压波形（100V） 图 4.4 中 A 仍表示逆变之后桥臂电压波形，方波，峰值为 200V，f=12.92KHz。B 也表示变压器副边电压，峰值为 31V。从图可

46、以看出，桥 臂电压相位超前副边电压相位 90。 图 4.4 桥臂电压和副边电压波形（200V） 图 4.5 中 A 仍表示逆变之后桥臂电压波形，方波，峰值为 河南科技大学毕业设计论文 20 50V，f=12.68KHz，B 表示原边电感电压，峰值为 180V。由图可以验证在原边电 感电压与桥臂电压之间存在品质因数 Q=180/50=3.6,且可以看出原边电压滞后于 桥臂电压 90。 图 4.5 原边电感电压与桥臂电压波形 4.2 实验结论和小结 根据实验结果，可以看出所采用的感应加热电源可以达到预期的工作要求。 （1）在空载状态下，由于感应线圈的电感很小，导致电路的频率很高，加 上在空载状态，

47、负载的等效电阻小，因而回路的电流很大，基于这个原因，感应 加热电源应尽量避免在空载状态。 （2）在正常工作状态下，回路的频率降低，可以很好加热工件。 （3）加热完成后，工件的温度升高，失磁，因而感应加热线圈处电感降低， 频率又升高;加上等效电阻降低，导致电流升高。所以在加热完成后应及时断电。 经过实验，加深了对感应加热电源的认识，充实了毕业设计的实践内容。 河南科技大学毕业设计论文 21 结 论 本文主要是对感应加热逆变电源主电路进行设计，并在样机上进行波形测试 并分析，得出以下结论。 1.本设计对串联半桥逆变电路与串联全桥逆变电路进行分析，得出了串联半 桥逆变电路具有结构简单、控制容易；开关

48、管上的输入电压低，减小了开关管的 电压应力；设备节省空间，有良好的经济效益等优点 2.主电路的主要部分为输入整流器、逆变器和感应电圈等组成。 3. 按照设计给出的基本要求和参数（额定输出功率 P=30KW，最高工作频率 =20KHz，三相 380V 输入） ，通过理论计算，对电路各个部分的电流、电压和功率 参数进行了详细计算。 4. 在上述计算基础上，根据原器件使用参数和条件的定义，进行了型号选 择。对于元器件如二极管、IGBT 的选择上，会有很多型号符合计算要求，要考虑 安全系数、网压波动和电压尖峰等额外因素，选出合理方案。 5.对样机测试波形分析，得出了：在空载状态下，由于感应线圈的电感很小， 回路的电流很大，应尽量避免空载；在正常工作状态下，回路的频率降低，可以 很好加热工件；加热完成后，工件的温度升高，失磁，因而感应加热线圈处电感 降低，频率又升高;加上等效电阻降低，导致电流升高。所以在加热完成后应及 时断电。 总的说来，在做这个设计的过程中，我得到了很大的锻炼。从电路的设计、 分析、调试，到对问题的解决方法上，都有较大的提高。本次设计提供了一种小 功率串联谐振感应加热电源的主电路的设计方法，希望有些思想对类似的工程设 计工作有所贡献。 河南科技大学毕业设计论文 22 参考