电力电子技术课程设计。
中频加热电源主电路设计。
学院信息科学与工程学院
姓名。学号
班级 指导教师
完成时间 2015.1.20
摘要。感应加热电源具有加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和自动化等优点，目前已在金属熔炼，淬火，工件透热，焊接，铸造表面热处理等行业得到广泛应用。
本设计中主要研究了中频感应加热电源及其相关技术的发展现状和趋势，设计了1.0khz∕100kw可控硅中频感应加热电源的整流电路及控制电路。整流电路采用三相桥式全控整流电路，电路结构简单。
控制电路采用双闭环反馈控制系统，改善信号迟滞的缺点。
利用晶闸管把50 hz的工频变成中频电源的装置。即由三相全控整流电路把工频电流整流成直流，经过电抗器滤波后，经单相逆变桥将直流变为单相中频交流，以驱动负载。
关键字：感应加热电源；串联谐振；逆变电路；igbt；整流电路。
目录。引言： 5
1 加热电源简介 5
1.1感应加热电源的特点及应用 5
1.2感应加热电源的发展阶段 6
1.3感应加热电源的发展的主要因素 7
2感应加热电源 8
2.1基本工作原理 8
2.2基本结构 9
3整流电路的设计 11
3．1整流电路的分类 11
3．2整流电路的选择 11
3.3三相桥式全控整流电路 12
3.4整流电路的参数设计 13
4逆变电路 14
4.1逆变器基本分类： 14
4.2逆变器的工作原理 15
5控制电路的设计 17
5.1控制电路的结构及原理 17
5.2控制电路的作用 19
5.3控制策略 19
5.4 1.0khz∕100kw感应加热电源控制电路结构 21
5.5过电流和过电压的保护电路 21
5.6 驱动电路的设计22
6设计结果分析 27
7设计心得 27
参考文献28
引言。随着功率器件的发展，感应加热电源的频率也逐步提高，经历了中频、超音频、高频几个阶段。在感应加热电源的应用中，淬火、焊管、焊接等工艺都要求高频率高功率的电源。
功率mosfet虽然可以实现高频工作，但其电压、电流容量等级低，大功率电源需采用串、并联技术，影响了电源运行的可靠性。绝缘栅双极晶体管(igbt)比较容易实现电源高功率化，但在高频情况下，其开关损耗，尤其是igbt关断时存在的尾部电流，会限制工作频率的进一步提高。
本文论述的中频感应加热电源采用功率自关断功率器件igbt，负载频率是开关管工作频率的二倍，间接拓宽了igbt的使用频率；功率管工作于零电流开关状态，彻底消除了尾部电流引起的关断损耗，理论上可实现零开关损耗；同时采用死区控制策略后，可实现负载阻抗调节。以往一般采用晶闸管来实现逆变电路，但是晶闸管关断期反压太低，参数匹配麻烦，输出频率仍然偏低；而采用igbt后，并让电路工作在电流断续状态下，这些问题都得到很好地解决。
为满足中小工件加热的需要，研制了一种新型线效的中频感应加热电源。该电源具有输出电压低圈匝数少、不需要中频变压器降压、结构简单、效率高。
1.加热电源简介。
上世纪初，在欧洲几个发达国家，感应加热技术开始投入应用，由于技术限制，仅仅用在小功率，小容量中频感应熔炼炉上，随着感应加热理论的不断完善，感应加热技术的不断发展，目前，感应加热技术已被广泛应用在机械制造，冶金，国防，航空航天，汽车制造及教学科研等诸多领域。主要用于有色金属的熔炼铸造，热处理，焊接，烧结等方面。
1.1感应加热电源的特点及应用。
感应加热电源是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量对工件进行加热。由于感应加热电源具有加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和自动化等优点，目前已在金属熔炼，淬火，工件透热，焊接，铸造表面热处理等行业得到广泛应用。在铸造方面正在迅速发展双联熔炼工艺，利用中频炉保温改性；在铸造方面，利用感应加热实现快速透热热锻，在淬火方面致力于发展大功率全固态高频电源。
1.2感应加热电源的发展阶段。
在五十年代前，感应加热电源主要有：感应熔炼炉，电磁倍频器，中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。可控硅的出现标志着现代电力电子学的开始。
在中频范围内，晶闸管中频加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。
七十年代么到八十年代初，相继出现了一大批全控型电力电子半导体器件，极大的推动了电力电子学的发展。
2023年igbt的问世进一步推动了感应加热电源的发展。igbt具有通态压降低，开关速度快，易驱动等优点。大功率高速igbt已成为众多加热电源的首选器件。
今后，感应加热电源技术的发展趋势主要有以下几个方面：
第一：功率半导体器件的大容量化、高频化将带动感应加热电源的大容量化和高频化；
第二：髓着感应热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展；
第三：随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数低谐波污染电源也将成为今后发展的一个方向；
第四：电源和负载的最佳匹配。由于感应加热电源多用于工业现场，其运行工况比较复杂，它的负载对象也各式各样，而电源逆变器与负载是一个有机的整体，它们之间的配置方式将直接影响到电源的功率利用系数。
感应加热电源技术发展与趋势。
感应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此当前功率器件在性能上的不断完善，使得感应加热电源的发展趋势呈现出以下几方面的特点。
高频率。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应用基础技术需要进一步**。
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为二大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、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，当二电压源并联时，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/ac环节有足够的时间来纠正直流电源的偏差，达到多机并联扩容。
负载匹配。感应加热电源多用于工业现场，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，他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。对焊接、表面热处理等负载，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输入效率，从磁性材料选择到绕组结构的设计已成为一重要课题，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哥无源元件以取消匹配变压器，实现高效、低成本隔离匹配。
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可靠性要求的提高，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。
1.3感应加热电源的发展的主要因素。
感应加热电源的发展与电力电子器件的发展密切相关，而电力电子器件的发展又是半导体集成加工技术及功率半导体技术分不开的，可控硅出现后是的感应加热电源的可控性实用性得到体现。
2 感应加热电源。
2.1 基本工作原理
感应加热利用导体处于交变的电磁场中产生感应电流，即涡流，所形成的热效应使导体本身发热。根据不同的加热工艺的要求，感应加热采用的电源的频率有工频（50hz），中频（60-10000hz），高频（高于10000hz）。感应加热本身的物体必须是导体，感应加热能在被加热物体内部直接生热，因而热效率高，升温速度快，容易实现整体均匀加热或局部加热。
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，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。
感应电流图示。
为了将金属工件加热到一定的温度，要求工件中的感应电流尽可能地大，增加感应线圈中的电流，可以增加金属工件中的交变磁通，进而增加工件中的感应电流，现代感应加热设备中，感应线圈中的电流最大可以达到几千甚至上万安培。增加工件中感应电流的另一个有效途径是提高感应线圈中电流的频率，由于工件中的感应电势正比于交变磁通的变化率，感应线圈中电流的频率越高，磁通的变化就越快，感应电势就越大，工件中的感应电流也就越大。对同样的加热效果，频率越高，感应线圈中的电流就可以小一些，这样可以减少线圈中的功率损耗，提高设备的电效率。
由电磁感应定律可知，感应电动势为：
设磁通φ对时间t按正弦规律变化为：
其中感应电动势的幅值为：
为了使金属工件加热到一定温度，必须要求金属工件内有足够大的涡流，即要求金属工件内有较大的电动势，由式2-2知，增大有以下两种途径：
增大线圈a中电流。增大即增大金属工件内的交变磁通的最大值。
增大线圈中电流的频率。因为金属工件中感应电动势正比于磁通变化率，所以的频率越高就越大。
2.2 基本结构。
经过半导体器件的发展，感应加热电源的拓扑结构逐渐固定为一种ac∕dc∕ac的变换形式，基本结构如图2，由整流器，滤波器，逆变器及一些控制和保护电路组成。
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。
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