感應加熱具有加熱效率高、速度快、可控性好及易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，廣泛應用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等工業(yè)生產(chǎn)過程中，成為冶金、國防、機械加工等部門及鑄、鍛和船舶、飛機、汽車制造業(yè)等不可缺少的技術(shù)手段。

　　1.1 感應加熱的工作原理

　　感應加熱原理為產(chǎn)生交變的電流，從而產(chǎn)生交變的磁場，在利用交變磁場來產(chǎn)生渦流達到加熱的效果。如圖1.1：

　　圖1.1 感應電流圖示

　　當交變電流通入感應圈時，感應圈內(nèi)就會產(chǎn)生交變磁通#FormatImgID_1#，使感應圈內(nèi)的工件受到電磁感應電勢。設(shè)工件的等效匝數(shù)為。則感應電勢：

  (1-1)

　　如果磁通是交變得，設(shè) ，則

　　有效值為：

　　感應電勢E在工件中產(chǎn)生感應電流 使工件內(nèi)部開始加熱，其焦耳熱為：

 

　　式中： ——感應電流有效值(安)，R——工件電阻(歐)，t——時間(秒)。

　　這就是感應加熱的原理。感應加熱與其它的加熱方式，如燃氣加熱，電阻爐加熱等不同，它把電能直接送工件內(nèi)部變成熱能，將工件加熱。而其他的加熱方式是先加熱工件表面，然后把熱再傳導加熱內(nèi)部。

　　金屬中產(chǎn)生的功率為：

 

　　感應電勢和發(fā)熱功率不僅與頻率和磁場強弱有關(guān)，而且與工件的截面大小、截面形狀等有關(guān)，還與工件本身的導電、導磁特性等有關(guān)。

　　在感應加熱設(shè)備中存在著三個效應——集膚效應、近鄰效應和圓環(huán)效應。

　　集膚效應：當交變電流通過導體時，沿導體截面上的電流分布式部均勻的，最大電流密度出現(xiàn)在導體的表面層，這種電流集聚的現(xiàn)象稱為集膚效應。

　　近鄰效應——當兩根通有交流電的導體靠得很近時，在互相影響下，兩導體中的電流要重新分布。當兩根導體流的電流是反方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導體內(nèi)側(cè);當兩根導體流的電流是同方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導體外側(cè)，這種現(xiàn)象稱為近鄰效應。

　　圓環(huán)效應：若將交流電通過圓環(huán)形線圈時，最大電流密度出現(xiàn)在線圈導體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象稱為圓環(huán)效應。

　　感應加熱電源就是綜合利用這三種效應的設(shè)備。在感應線圈中置以金屬工件，感應線圈兩端加上交流電壓，產(chǎn)生交流電流，在工件中產(chǎn)生感應電流。此兩電流方向相反，情況與兩根平行母線流過方向相反的電流相似。當電流和感應電流相互靠攏時，線圈和工件表現(xiàn)出鄰近效應，結(jié)果，電流集聚在線圈的內(nèi)側(cè)表面，電流聚集在工件的外表面。這時線圈本身表現(xiàn)為圓環(huán)效應，而工件本身表現(xiàn)為集膚效應。

　　交變磁場在導體中感應出的電流亦稱為渦流。工件中產(chǎn)生的渦流由于集膚效應，沿橫截面由表面至中心按指數(shù)規(guī)律衰減，工程上規(guī)定，當渦流強度從表面向內(nèi)層降低到其數(shù)值等于最大渦流強度的1/e(即36.8% )，該處到表面的距離△稱為電流透入深度。由于渦流所產(chǎn)生的熱量與渦流的平方成正比，因此由表面至芯部熱量下降速度要比渦流下降速度快的多，可以認為熱量(85～90%)集中在厚度為△的薄層中。透入深度△由下式確定：

(1-6)

　　式中: ρ——工件電阻率(Ω?m ), μ。——真空磁導率4π×10(H/m). μ——工件磁導率(H/m ), μ——工件相對磁導率， ω——角頻率(rad/s )， f——頻率(HZ)。

　　從上式可以看出，當材料電阻率、相對磁導率給定后，透入深度△僅與頻率f平方根成反比，此中頻爐工件的加熱厚度可以方便的通過調(diào)節(jié)頻率來加以控制。頻率越高，工件的加熱厚度就越薄。這種性質(zhì)在工業(yè)金屬熱處理方面獲得了廣泛的應用。

　　1.2 感應加熱電源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　(1)感應加熱電源技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　感應電源按頻率范圍可分為以下等級：500Hz以下為低頻，1-10KHz為中頻;20KHz以上為超音頻和高頻。感應加熱電源發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密切相關(guān)。1970年浙大研制成功國內(nèi)第一臺100KW/1KHz晶閘管中頻電源以來，國產(chǎn)KGPS系列中頻電源已覆蓋了中頻機組的全部型號。在超音頻電源方面，日本在1986年就利用SITH研制出100KW/60KHz的超音頻電源，此后日本和西班牙又在1991年相繼研制出500KW/50KHz和200KW/50KHz的IGBT超音頻電源。國內(nèi)在超音頻領(lǐng)域與國外還有一定差距，但發(fā)展很快，1995年浙大研制出50KW/50KHz的IGBT超音頻電源，北京有色金屬研究總院和本溪高頻電源設(shè)備廠在1996年聯(lián)合研制出100KW/20KHz的IGBT電源。在高頻這一頻段可供選擇的全控型器件只有靜電感應晶閘管(SITH)和功率場效應晶閘管(MOSFET)，前者是日本研制的3KW～200KW，20KHz～300KHz系列高頻電源,后者由歐美采用MOSFET研制成功輸出頻率為200～300KHz,輸出功率為100～400KW的高頻電源。與國外相比，國內(nèi)導體高頻電源存在較大差距，鐵嶺高頻設(shè)備廠1993年研制成功80KW/150KHz的SIT高頻電源，但由于SIT很少進入國際化流通渠道，整機價格偏高，并沒有投入商業(yè)運行?，F(xiàn)在，電力電子應用國家工程中心設(shè)計研制出了5～50KW/100～400KHz高頻MOSFET逆變電源。上海寶鋼1420冷軋生產(chǎn)線于1998年引進了日本富士公司的71～80KHz,3200KW高頻感應加熱電源，是目前世界上最為先進的逆變電源。

　　總體說來，國內(nèi)在感應加熱電源的設(shè)計開發(fā)和產(chǎn)品化方面雖有發(fā)展，但遠不能適應我國工業(yè)發(fā)展的要求，對于應用范圍越來越廣泛的高頻感應加熱電源領(lǐng)域的研究尤為薄弱，處于剛剛起步階段。

　　(1)感應加熱電源技術(shù)發(fā)展與趨勢

　　感應加熱電源的水平與半導體功率器件的發(fā)展密切相關(guān)，因此當前功率器件在性能上的不斷完善，使得感應加熱電源的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出以下幾方面的特點。

　?、俑哳l率

　　目前，感應加熱電源在中頻頻段主要采用晶閘管，超音頻頻段主要采用IGBT，而高頻頻段，由于SIT存在高導通損耗等缺陷，主要發(fā)展MOSFET電源。感應加熱電源諧振逆變器中采用的功率器件利于實現(xiàn)軟開關(guān)，但是，感應加熱電源通常功率較大，對功率器件，無源器件，電纜，布線，接地，屏蔽等均有許多特殊要求，尤其是高頻電源。因此，實現(xiàn)感應加熱電源高頻化仍有許多應用基礎(chǔ)技術(shù)需要進一步探討。

　?、诖笕萘炕?/p>

　　從電路的角度來考慮感應加熱電源的大容量化，可將大容量化技術(shù)分為二大類：一類是器件的串、并聯(lián)，另一類是多臺電源的串、并聯(lián)器件的均流問題，由于器件制造工藝和參數(shù)的離散性，限制了器件的串、并聯(lián)數(shù)目，且串、并聯(lián)數(shù)越多，裝置的可靠性越差。多臺電源的串、并聯(lián)技術(shù)是在器件串、并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進一步大容量化的有效手段，借助于可靠的電源串、并聯(lián)技術(shù)，在單機容量適當?shù)那闆r下，可簡單地通過串、并聯(lián)運行方式得到大容量裝置，每臺單機只是裝置的一個單元或一個模塊。感應加熱電源逆變器主要有并聯(lián)逆變器和串聯(lián)逆變器，串聯(lián)逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源，當二電壓源并聯(lián)時，相互間的幅值、相位和頻率不同或波動時將導致很大的環(huán)流以致逆變器器件的電流產(chǎn)生嚴重不均，因此串聯(lián)逆變器存在并機擴容困難;而對并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流大電抗器可充當各并聯(lián)器之間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的AC/DC或DC/AC環(huán)節(jié)有足夠的時間來糾正直流電源的偏差，達到多機并聯(lián)擴容。

　　③負載匹配

　　感應加熱電源多用于工業(yè)現(xiàn)場，其運行工況比較復雜，它與鋼鐵、冶金和金屬熱處理行業(yè)具有十分密切的聯(lián)系，他的負載對象各式各樣，而電源逆變器與負載是一有機的整體，負載直接影響到電源的運行效率和可靠性。對焊接、表面熱處理等負載，一般采用匹配變壓器連接電源和負載感應器，對高頻、超音頻電源用的匹配變壓器要求漏抗很小，如何實現(xiàn)匹配變壓器的高輸入效率，從磁性材料選擇到繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計已成為一重要課題，另外，從電路拓撲上負載結(jié)構(gòu)以三個無源元件代替原來的二哥無源元件以取消匹配變壓器，實現(xiàn)高效、低成本隔離匹配。

　?、苤悄芑刂?/p>

　　隨著感應熱處理生產(chǎn)線自動化控制程度及對電源可靠性要求的提高，感應加熱電源正向智能化控制方向發(fā)展。具有計算機智能接口、遠程控制、故障自動診斷等控制性能的感應加熱電源正成為下一代發(fā)展目標。

　　感應加熱電源及其實現(xiàn)方案研究

　　2.1 串并聯(lián)諧振電路的比較

　　感應加熱電源根據(jù)補償形式分為兩種，并聯(lián)諧振式(電流型)電源

　　和串聯(lián)諧振式(電壓型)電源。

 

 

　　圖2.1感應加熱電源主電路圖

　　并聯(lián)諧振式電源采用的逆變器是并聯(lián)諧振逆變器，其負載為并聯(lián)諧振負載。通常需電流源供電，在感應加熱中，電流源通常由整流器加一個大電感構(gòu)成。由于電感值較大，可以近似認為逆變器輸入端電流固定不變。交替開通和關(guān)斷逆變器上的可控器件就可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電流，其電流幅值取決于逆變器的輸入端電流值，頻率取決于器件的開關(guān)頻率。

　　串聯(lián)諧振式電源采用的逆變器是串聯(lián)諧振逆變器，其負載為串聯(lián)諧振負載。通常需電壓源供電，在感應加熱中，電壓源通常由整流器加一個大電容構(gòu)成。由于電容值較大，可以近似認為逆變器輸入端電壓固定不變。交替開通和關(guān)斷逆變器上的可控器件就可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電壓，其電壓幅值取決于逆變器的輸入端電壓值，頻率取決于器件的開關(guān)頻率。

　　串聯(lián)諧振逆變器和并聯(lián)諧振逆變器的差別，源于它們所用的振蕩電路不同，前者是用L、R和C串聯(lián)，后者是L、R和C并聯(lián);

　　(1)串聯(lián)諧振逆變器的輸入電壓恒定，輸出電流近似正弦波，輸出電壓為矩形波，換流是在晶閘管上電流過零以后進行，因而電流總是超前電壓-φ角。

　　并聯(lián)諧振逆變器的輸入電流恒定，輸出電壓近似正弦波，輸出電流為矩形波，換流是在諧振電容器上電壓過零以前進行，負載電流也總是越前于電壓 -φ角。這就是說，兩者都是工作在容性負載狀態(tài)。

　　(2)串聯(lián)諧振逆變器在換流時，晶閘管是自然關(guān)斷的，關(guān)斷前其電流己逐漸減少到零，因而關(guān)斷時間短，損耗小。在換流時，關(guān)斷的晶閘管受反壓的時間較長。

　　并聯(lián)諧振逆變器在換流時，晶閘管是在全電流運行中被強迫關(guān)斷的，電流被迫降至零以后還需加一段反壓時間，因而關(guān)斷時間較長。相比之下，串聯(lián)諧振逆變器更適宜于在工作頻率較高的感應加熱裝置中使用。

　　(3)串聯(lián)諧振逆變器起動較容易，適用于頻繁起動工作的場所;而并聯(lián)諧振逆變器需附加起動電路，起動較為困難，起動時間長。至今仍有人在研究并聯(lián)諧振逆變器的起動問題。

　　串聯(lián)諧振逆變器晶閘管暫時丟失脈沖，會使振蕩停止，但不會造成逆變顛覆。而并聯(lián)諧振逆變器晶閘管偶爾丟失觸發(fā)脈沖時，仍可維持振蕩。

　　(4)串聯(lián)諧振逆變器并接大的濾波電容器，當逆變失敗時，浪涌電流大，保護困難。但隨著保護手段的不斷完善以及器件模塊本身也有自帶保護功能，串聯(lián)諧振逆變器的保護不再是難題。

　　并聯(lián)諧振逆變器串接大電抗器，但在逆變失敗時，由于電流受大電抗限制，沖擊不大，較易保護。

　　(5)串聯(lián)諧振逆變器感應線圈上的電壓和補償電容器上的電壓，都為諧振逆變器輸出電壓的Q倍。當Q值變化時，電壓變化比較大，所以對負載的變化適應性差。流過感應線圈上的電流，等于諧振逆變器的輸出電流。

　　并聯(lián)諧振逆變器的感應線圈和補償電容器上的電壓，都等于逆變器的輸出電壓，而流過它們的電流，則都是逆變器輸出電流的Q倍。逆變器器件關(guān)斷時，將承受較高的正向電壓，器件的電壓參數(shù)要求較高。

　　(6)串聯(lián)諧振逆變器的感應加熱線圈與逆變電源(包括補償電容器)的距離較遠時，對輸出功率的影響較小。而對并聯(lián)諧振逆變器來說，感應加熱線圈應盡量靠近電源(特別是補償電容器)，否則功率輸出和效率都會大幅度降低。

　　綜合比較串、并聯(lián)諧振逆變器的優(yōu)缺點，決定對串聯(lián)諧振式電源進行研究。

　　2.2 串聯(lián)諧振電源工作原理

　　串聯(lián)諧振逆變器也稱電壓型逆變器，其原理圖如圖2.2所示。串聯(lián)諧振型逆變器的輸出電壓為近似方波，由于電路工作在諧振頻率附近，使振蕩電路對于基波具有最小阻抗，所以負載電流

近似正弦波同時，為避免逆變器上、下橋臂間的直通，換流必須遵循先關(guān)斷后導通的原則，在關(guān)斷與導通間必須留有足夠的死區(qū)時間。

 

 

　　圖2.2 串聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu)

 

  

 

　　(a)容性負載 (b)感性負載

　　圖 2.3負載輸出波形

　　當串聯(lián)諧振逆變器在低端失諧時(容性負載)，它的波形見圖2.3(a)。由圖可見，工作在容性負載狀態(tài)時，輸出電流的相位超前于電壓相位，因此中頻爐在負載電壓仍為正時，電流先過零，上、下橋臂間的換流則從上(下)橋臂的二極管換至下(上)橋臂的MOSFET。由于MOSFET寄生的反并聯(lián)二極管具有慢的反向恢復特性，使得在換流時會產(chǎn)生較大的反向恢復電流，而使器件產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗，而且在二極管反向恢復電流迅速下降至零時，會在與MOSFET串聯(lián)的寄生電感中產(chǎn)生大的感生電勢，而使MOSFET受到很高電壓尖峰的沖擊當串聯(lián)諧振型逆變器在高端失諧狀態(tài)時(感性負載)，它的工作波形見圖2.3(b)。由圖可見，工作在感性負載狀態(tài)時，輸出電流的相位滯后于電壓相位，其換流過程是這樣進行的，當上(下)橋臂的MOSFET關(guān)斷后，負載電流換至下(上)橋臂的反并聯(lián)的二極管中，在滯后一個死區(qū)時間后，下(上)橋臂的MOSFET加上開通脈沖等待電流自然過零后從二極管換至同橋臂的MOSFET.由與MOSFET中的電流是從零開始上升的，因而基本實現(xiàn)了零電流開通，其開關(guān)損耗很小。另一方面，MOSFET關(guān)斷時電流尚末過零，此時仍存在一定的關(guān)斷損耗，但是由于MOSFET關(guān)斷時間很短，預留的死區(qū)不長，并且因死區(qū)而必須的功率因數(shù)角并不大，所以適當?shù)乜刂颇孀兤鞯墓ぷ黝l率，使之略高于負載電路的諧振頻率，就可以使上(下)橋臂的MOSFET向下(上)橋臂的反并聯(lián)的二極管換流其瞬間電流也是很小的，即MOSFET關(guān)斷和反并聯(lián)二極管開通是在小電流下發(fā)生的，這樣也限制了器件的關(guān)斷損耗。上述分析可知，串聯(lián)諧振型逆變器在適當?shù)墓ぷ鞣绞较?，開關(guān)損耗很小因而，可以工作在較高的工作頻率下這也是串聯(lián)諧振型逆變器在半導體高頻感應加熱電源中受到更多重視的主要原因之一。

　　2.3 電路的功率調(diào)節(jié)原理

　　電源工作在開關(guān)頻率大于諧振頻率狀態(tài)，負載呈感性，負載電流滯后于輸出電壓r角。　　

　　式中的0. 9是因為矩形波所乘的波形率。從式中可以看出當輸入電壓一定時，可以通過調(diào)節(jié)輸出電流滯后輸出電壓的滯后角r來調(diào)節(jié)輸出功率。而滯后角r是由諧振參數(shù)和開關(guān)管工作頻率共同決定的。

　　從上式可以看出當系統(tǒng)工作在諧振頻率時

=1，即r為0度，系統(tǒng)輸出的功率最大。當開關(guān)頻率提高時，滯后角r同時開始增大，輸出功率開始下降，從而完成功率調(diào)節(jié)。

　　2.4 本課題設(shè)計思路及主要設(shè)計內(nèi)容

　　本課題研究的是一種感應加熱電源。系統(tǒng)原理圖見圖2.4

 

 

　　圖2.4系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

　　本文主要設(shè)計內(nèi)容：

　　(1)給出系統(tǒng)理論模型和主要設(shè)計內(nèi)容。

　　(2)主回路部分，進一步介紹了整個系統(tǒng)的總體工作過程，分析了主回路的等效模型，通過計算選擇主回路元器件參數(shù)。

　　(3)控制系統(tǒng)及實驗論證，介紹了控制回路硬件原理和控制模塊SG3525A及其組成方案。

　　(4)驅(qū)動電路部分，給出了IGBT驅(qū)動電路的要求和驅(qū)動模塊HCPL-316J，及其在本系統(tǒng)的用途，并分析了其短路方法。

　　(5) 輔助直流穩(wěn)壓電源,對系統(tǒng)設(shè)計過程需要的直流供電穩(wěn)壓電源作了具體分析。

　　(6)硬件調(diào)試部分，分析了系統(tǒng)硬件調(diào)試需要注意的問題及本系統(tǒng)調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題。

　　(7)結(jié)論部分，對設(shè)計方案進行了綜合和總結(jié)，并提出了進一步的工作設(shè)想，還附帶了經(jīng)過本次畢業(yè)設(shè)計的心得體會。