毕业设计(论文)-基于移相控制的感应加热电源的研究.doc
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1、作品名称: 基于移相控制的感应加热电源的研究 所属学院: 电气工程学院 摘要本文采用频率跟踪和移相调功控制技术,设计了一台输出功率为20KW,开关频率为100KHZ的串联感应加热电源实验装置;并使逆变电路工作在感性状态。本文建立了系统的负载的等效模型,通过分析感应加热电源的谐振槽路和拓扑结构,选择了更适合于高频感应加热电源的串联型逆变器;其次,分析了移相控制策略在内的多种调功方式,针对电压型感应加热电源频率跟踪的要求,重点阐述了移相控制策略。同时,文中对感应加热电源的发展现状、基本工作原理进行了阐述。在理论分析的基础上,完成了实验装置的设计,包括主电路、控制电路、驱动电路、采样和保护电路等,采
2、用CD4046和UC3875作为控制器核心控制电源工作。利用MATLAB的分支产品SIMUINK建立了感应加热电源的仿真模型并得到谐振频率下的仿真结果。论文给出了仿真结果,说明该实验装置工作性能稳定,输出波形满足要求,达到了实验研究的目的。关键词感应加热;移相控制;串联谐振逆变器;频率跟踪II目 录摘要I第1章 绪论11.1 感应加热的基础知识11.1.1 感应加热技术的发展简史11.1.2 感应加热的特点和应用11.1.3 感应加热的原理21.2 感应加热现状和发展动态31.2.1 国内外感应加热技术的发展现状31.2.2 高频感应加热电源的发展动态51.3 选题的意义、目的和任务51.3.
3、1 选题的意义51.3.2 选题的目的51.3.3 课题的主要研究任务61.4 本章小结6第2章 感应加热的系统方案设计72.1 感应加热电源的拓扑结构72.2 逆变环节82.2.1 负载等效电路82.2.2 并联谐振负载分析92.2.2 并联电流型逆变拓扑分析112.2.3 串联谐振负载分析132.2.4 串联电压型逆变拓扑分析152.2.5 负载拓扑优缺点对比和选择162.3 本章小结17第3章 串联谐振逆变器的调功方式18II3.1 直流母线调压调功方法(PAM)183.2 逆变调功方法203.2.1 脉冲密度调制(PDM)法203.2.2 脉冲频率调制(PFM)法213.2.3 脉冲密
4、度调制(PWM)法213.2.3.1 感性移相PWM223.2.3.2 容性移相PWM243.3 本章小结254.1 系统框图274.2 感应加热电源主电路274.2.1 设计指标284.2.2 三相不控整流滤波电路参数及器件选择284.2.3逆变电路参数设计及器件选择294.2.4 负载参数设计和器件选择324.2.4.1 负载谐振参数设计324.2.4.2 匹配变压器的设计344.3 控制电路设计384.3.1 移相控制电路的设计384.3.1.1 移相控制芯片UC3875介绍384.3.1.2 UC3875移相控制电路404.3.1.3 UC3875的参数设计414.3.2 功率调节电路
5、424.3.3 频率跟踪电路434.3.3.1 集成锁相环芯片CD4046介绍434.3.3.2 频率跟踪控制电路454.3.3.3 CD4046外部电路设计的设计46III4.4 驱动电路474.4.1 MOSFET驱动电路的要求474.4.2 驱动电路的选择474.5 保护电路484.5.1 过流保护电路484.5.2 过压保护电路514.5.3 过热保护电路524.5.4 后步驱动封锁逻辑电路534.6 采样电路534.6.1 电压采样电路534.6.2 电流采样电路544.7 辅助直流电源544.8 本章小结56第5章 软件仿真575.1 SIMULINK仿真软件介绍575.2 系统的
6、主电路仿真575.3 开环仿真585.3.1 移相控制模块585.3.2 开环仿真605.4 加频率跟踪的开环仿真625.5 加功率环的闭环仿真635.5.1 功率调节模块635.5.2 功率闭环仿真645.6 本章小结65结论66参考文献67IV第1章 绪论1.1 感应加热的基础知识1.1.1 感应加热技术的发展简史感应加热设备的发展要追溯到19世纪初期,随着人们对电磁感应现象认识的加深,人们知道处于交变磁场中的导体会发热,但是很长时期,人们对这种发热现象采取避免的措施,直到19世纪末期人们才开始利用这种现象进行有目的的加热,熔炼等,才有了现在感应加热的概念。Foucault,Heavisi
7、d以Thomoson等人对涡流理论的研究分析,加速了感应加热应用于工业领域的过程。从1890年第1台有心感应熔炼炉之后,感应加热技术一直在不断发展,在初期以工频感应炉、中频发电机组为主要产品,随着1966年晶闸管中频感应加热装置的出现,感应加热的发展和电力电子器件的发展紧密联系,每一次电力电子器件的技术变革都带动感应加热领域的革新1。1.1.2 感应加热的特点和应用自感应加热技术出现以来,感应加热技术已随着电力电子器件发展而发生数次变革。在此期间,感应加热装置和理论都有了巨大发展,感应加热技术的应用范围也随之变广,应用领域越来越大。分析原因,无异于感应加热的以下诸多特点:(1)作业占地面积少,
8、生产效率较高;(2)作业环境好,热、噪声和粉尘污染几乎没有;(3)加热效率高,节能;(4)加热温度高,非接触式加热;(5)加热速度快,被加热物品表面氧化少;(6)可局部加热,产品质量好;(7)温度易于控制,产品稳定;(8)自动控制易于实现,节省人力。感应加热技术现在已经广泛应用在国民经济的诸多领域,感应加热已经成为国防、机械加工、冶金等部门和锻铸、飞机、船舶、汽车制造业等不可或缺的重要能源。此外,感应加热技术已不断进入家电领域,电磁炉、微波炉、热水器等都将感应加热作为能源2。1.1.3 感应加热的原理感应加热是利用电磁感应现象对工件进行加热的方法,根据楞次定律和法拉第电磁感应定律,当感应线圈施
9、加交变电流时,线圈中将产生交变的磁场,如果工件被放在加热线圈产生的交变磁场中,磁力线的切割的作用,感应电流(涡流) 将在工件的不同的深浅层面产生,并依据工件的阻抗性质和工件上涡流的流动生成热量,把工件的温度升高,从而达到加热的目的,这就是感应加热技术的基本原理。感应加热电源提供交变的电流I在N匝的感应线圈内产成交变的磁通,并且磁通和电流I频率一致,根据法拉第电磁感应定律和楞次定律,感应电动势e产生在被加热工件中,其公式为: (1-1)注:在上述公式中感应电动势的方向和磁通的方向采用的是右手螺旋定则来确定的,即回路感应电动势的方向即为右手弯曲的四指指向,此时大拇指的指向就是磁通的方向。在磁场中,
10、磁力线切线方向即为磁场的方向,它的疏密也可以用来表示磁场的强弱,通常情况下我们用垂直于磁场方向的单位平方面积中的磁力线数目来表示此处的磁感应强度B,而通过与磁场相垂直平面面积S的磁力线总和就是此面积内的磁通,即: (1-2)假设磁通是按照正弦变化规律变化的,则有: (1-3)交变磁场产生的感应电动势则为: (1-4)有效值为: (1-5)工件利用感应电动势产生感应电流即涡流,并利用涡流效应产生的焦耳热为: (1-6)式中:Q感应电流即涡流通过电阻产生的热量(J);I感应电流的有效值(A);R工件的等效电阻();t工件通电的时间(S);f频率(HZ)。由上述公式分析可知,线圈上产生的磁通和感应线
11、圈的电流正相关,线圈上产生的感应电势和磁通正相关。输出电流的频率和产生的磁场决定感应电势的大小,从而决定涡流大小,产生的祸流和负载本身等效阻抗的大小决定了焦耳热的量。涡流越大,发热效果越强,负载温升越快。另外,影响负载阻抗值和负载涡流回路的诸多因素也会影响祸流的大小,如截面大小和形状,导电率,导磁率等1。1.2 感应加热现状和发展动态1.2.1 国内外感应加热技术的发展现状目前,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,用于大型工件的透热和食用水的保温。在中频(150HZ20KHZ)范围内,晶闸管感应加热装置已完全取代传统的中频发电机和电磁倍频器,国外有报
12、道装置容量已经达到数十兆瓦。在超音频(20KHZ100KHZ)范围内,IGBT的应用占主导地位且朝着大容量方向发展。外国媒体已有1200KW50KHZ电流型感应加热电源、30600KW50100KHZ的IGBT电流型感应加热电源的报道。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。400KW400KHZ SIT的同态高频感应加热电源、600KW400KHZ MOSFET同态高频感应加热电源、lMW15600KHZ电流型MOSFET感应加热电源相继研发出且技术成熟。国内的感应加热技术从50年代
13、开始应用于工业生产,60年代的研制处于系列化晶闸管电源,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。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,己经形成了500800HZ1005000KW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,串联谐振逆变中频电源发展缓慢。在超音频领域,从九十年代开始,国内采用IGBT研制超音频电源。浙江大学研制开发的250KW50KHZ超音频电源已经产品化,在串联谐振电源方面50KW50KHZ的产品己经实验通过。在高频领域,SRR电源和MOSFET电源是取代电子管高频电源的主要方向。80KW150KHZ的SI
14、T高频感应加热电源、5KW200KHZ的SRR高频感应加热电源、20KW300KHZ的MOSFET高频电源、1KW2MHz MOSFET超高频电源相继研发而出。国内现阶段的MOSFET电源总体上仍处于研究阶段。1.2.2 高频感应加热电源的发展动态最近几年,高频感应加热电源技术发展迅速,不仅在控制方式上实现了模拟向模数、数字控制的巨大飞跃,而且在结构和控制理论领域也出现了许多创新性方案。由文献313可知,江南大学采用PS-PWM输出功率控制策略, 设计了适用于负载串联谐振的三电平感应加热逆变电源,在有效控制和调节输出功率的同时, 改善输出电压与电流波形的质量;李文江团队采用一种将有限双极性PW
15、M法与移相PWM调功相结合的新型功率控制策略,使高频感应加热电源在轻载条件下实现软开关;乔攀科和外国学者则分别提出采用移相全桥式LLC和LCL谐振拓扑的方法,利用谐振回路特性,设计适当控制方法,实现谐振槽路静电感应匹配;除此之外电流矢量控制和相移控制结合、相移控制和分时控制组合、新型的桥内移相控制等控制策略层出不穷。1.3 选题的意义、目的和任务1.3.1 选题的意义高频感应加热电源在工业生产和日常生活中具有重要的作用。在节能、环保大的时代背景下,在高频大功率感应加热电源和谐振回路方面的研究虽不断受到重视,也取得了不小的成绩,但在设计制作高效率、大容量高频电源方面仍然有很多工作有待完善。高频全
16、控器件容量的不断增大,高频控制技术的不断进步和现代电力电子技术的不断发展,使得大容量高频高效工业加热电源成为了可能。现在普遍使用的电子管振荡器感应加热电源效率较低,而采用全控器件的高频电源则可以大大地提高电源的效率。当前国家电力紧张和国内高频感应加热电源效率低下这两者的矛盾日益凸显,对高频感应加热电源研究就更具有实用价值1。1.3.2 选题的目的本课题的主要目的是研究基于移相控制的高频感应加热电源,设计包括主电路和控制电路(频率跟踪电路、驱动电路、功率控制电路、保护电路等)的完整100KHZ/20KW的高频感应加热电源。1.3.3 课题的主要研究任务(1)了解感应加热技术现状和发展,掌握感应加
17、热原理;(2)分析感应加热电源的谐振槽路和拓扑结构;(3)分析感应加热电源的各种调功方式;(4)对100KHZ/20KW的高频感应加热电源进行总体设计,要求采用移相控制方式调功,电源包括功率控制电路,频率跟踪电路和驱动电路,MOSFET的过压、过流、过热保护电路; (5)使用仿真软件MATLAB进行系统闭环仿真;(6)给出全部设计参数和图纸。1.4 本章小结本章首先介绍了包括感应加热技术发展简史、感应加热技术特点和原理在内的感应加热技术基础知识,之后介绍了感应加热电源的发展现状和动态,最后对课题的选题意义、目的和主要工作任务进行了简要总结。70第2章 感应加热的系统方案设计2.1 感应加热电源
18、的拓扑结构感应加热技术和电力电子器件的发展紧密联系,但采用电力电子器件的感应加热装置,不论其功率容量、频率等级的差异,在内部结构上都大同小异。感应加热电源按其拓扑一般可分为如图2-1所示的三大类。(a)逆变侧调功的感应加热电源(b)可控整流调功的感应加热电源(c)直流斩波调功的感应加热电源图2-1 感应加热电源的系统结构框图在电路逻辑上,三种拓扑都是采用三相交流电经过一级或者二级整流之后变成直流电,再使用不同的控制策略通过逆变器变换成所需频率的交流电加在负载侧。综合考虑各方面,用图2-1(a)中的拓扑结构进行功率调节控制结构和结构分析上相对比较简单,所以本论文采用图2-1(a)中的拓扑结构(调
19、功方式)来进行功率调节。2.2 逆变环节DC/AC电路又称为逆变电路,逆变电路是感应加热电源电路的重要组成部分,通过它可以实现直流电到交流电的转换,它的输出功率和工作频率决定了电源的功率和频率。逆变器分为有源逆变和无源逆变,前者将变换来的交流电反馈给电网,后者将变换来的交流电供给负载使用,本设计采用的只能为无缘逆变。逆变器的电路类型有很多。依照电路结构可分为全桥、半桥和非桥式等;依照输出相数可分为单相、三相和多相。半桥逆变的优点是器件少,但输出电压幅值仅为U/2,限制了开关器件功率的发挥,并且分压电容的引入也是一个问题;非桥式电路结构复杂,不做赘述。所以在感应加热电源领域的逆变器一般采用单相桥
20、式逆变电路。2.2.1 负载等效电路感应加热的逆变器负载可以看作一个变压器,其原边为感应线圈,副边为被加热工件,如此就构成了一个副边短路的特殊变压器14。一般可以将感应加热工件和感应线圈可以等效成一个电抗L和一个电阻R串联,等效电路如图2-2所示。图2-2 负载等效电路其等效阻抗为: (2-1)从此可得负载的功率因数为: (2-2)电流I流过负载感应线圈时,有功功率为: (2-3)无功功率为: (2-4)负载的品质因数为: (2-5)由此可得,品质因数和功率因数之间的关系为: (2-6)一般而言,高中频感应加热负载的,由(2-5)可以看出这样的品质因数比较大而从(2-6)可以看出这样的感性负载
21、功率因数比较低,我们采用增加补偿电容的方式来提高功率因数。补偿方式有两种,并联补偿和串联补偿,因此也就形成了两种逆变谐振电路,并联逆变电路和串联逆变电路。同时,为了提高效率、保障电路安全,感应加热电源一般设计工作于准谐振状态。2.2.2 并联谐振负载分析当补偿电容和负载并联时,构成了并联振荡电路,如图2-3所示。图2-3 并联振荡电路负载阻抗为: (2-7)考虑到,阻抗的模为: (2-8)其中电抗为: (2-9)电流的模为: (2-10)当 时,电路处于谐振状态,根据上述公式,此时各参数表达式为: (2-11) (2-12) (2-13) (2-14) (2-15) (2-17)感应线圈无功功
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