中频感应加热电源设计开题报告

课题名称中频感应加热电源设计

系部电气与信息工程学院

专业电子信息工程（汽车电子信息工程）班级

学号

姓名

指导教师

2 0 1 5年

3 月 22 日

一、课题研究的意义

感应加热电源在金属熔炼、铸造、透热、淬火、弯管、烧结、表面热焊以及晶体生长等行业得到了广泛的应用。

在中频（0.5-10kHz)范围内，晶闸管中频感应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，国外装置的最大容量已达数十兆瓦，国内也形成200-8000Hz，100-3000kw系列产品，可以配备5t以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热、表面淬火等热处理工艺。但国内中频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谐振型逆变中频电源的同时，研制结构简单、易于频繁起动的并联逆变中频电源是国内中频感应加热装置领域有待需要解决的问题，尤其是在熔炼、铸造应用中，并联逆变电源易实现全工况下恒功率输出及一机多负载功率分配控制，更值得推广应用。

二、中频感应加热原理及应用

1、集肤效应

当交流电流通过导线时,在导线周围产生交变的磁场，处在交变磁场中的整块导体的内部会产生感应电流，由于这种感应电流在整块导体内部自成闭合回路，形似水的旋涡，称做涡流。在直流电路内，均匀导线的横截面上的电流密度是均匀的，而当交流电通过导线时，由于交变磁场的作用，在导线截面上各处电流分布不均匀，中心处电流密度小，而越靠近表面电流密度越大，这种电流分布不均匀的现象称为集肤效应(也称趋肤效应)。交流电的频率越高，则集肤深度越深，同时其交流阻抗也变大，因此在相同数值的电流作用下，负载所获得的能量也越高，而电流及线路损耗相应地也会变小，从而提高了加热效率，同时还可起到节约电能的目的。变频加热电源正是基于这一原理，利用变频技术，可将运行频率提高到工频的数倍，加

热效果会明显提高。

2、感应加热

1831 年法拉第发现电磁感应规律、1868 年福考特提出涡流理论、1840年焦耳-楞茨确定了电阻发热的关系式Q=I2Rt，构成感应加热之理论基础。交变的电流产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。感应加热的加热效率高、速度快、可控性好，易于实现高温和局部加热。随着电力电子技术的不断成熟，感应加热技术得到了迅速发展。在金属加工上，感应加热热处理用感应电流使工件局部加热的表面热处理工艺。这种热处理工艺常用于表面淬火、局部退火或回火，有时也用于整体淬火和回火。将工件放入感应器(线圈)内，当感应器中通入一定频率的交变电流时,周围即产生交变磁场，交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流，感应电流在工件截面上的分布很不均匀，工件表层电流密度很高，向内逐渐减小,工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。在加热层温度超过钢的临界点温度后迅速冷却，即可实现表面淬火。

3、感应加热的作用

感应加热早期主要用于有色金属熔炼和热处理工艺。由于它本身相对于别的加热方式，具有以下独特优点：

1）加热速度快，可节能。感应加热是从金属内部，透入深度层开始加热，大大节省了热传导时间。

2）加热温度高，是非接触式的电磁感应加热。

3）可进行局部加热，容易控制加热部位。被加热产品质量稳定，加热工件的质量再现性与重复性好，各种参数容易控制。

4）控制温度的精度高，可保证温差在±0.5%～1%范围内。

5）感应加热的热效率高，一般可达50%-70%，而火焰炉的热效率一般只有30%左右。

6）可控性好及易于实现自动化；

7）作业环境好，环保，几乎无热、噪声、粉尘等污染。

4、感应加热的应用

现已广泛应用于冶金（金属熔炼、透热、热处理和焊接等）、机械制造（黑色和有色金属的铸造和精密制造金属的熔炼；机器零件的淬火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火、正火等热处理的加热等）轻工、石油化工（化学反应釜等容器的加热；输油管道缝焊接，现场退火；输油管路的加热和保温；钻铤、钻杆的热处理）电子、金属材料等等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工、石化等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。

三、本课题要研究或解决的问题以及其结构和原理

1、本课题要研究或解决的问题

1.1 学习单片机、电力电子及感应加热技术

1.2 研究感应加热电源的工作原理，设计加热电源主电路，并设计使用单片机实现电源控制电路，使电源运行更加稳定可靠，并能对过压、过滤、缺相、控制电源欠压等故障进行保护并报警。

1.3 感应加热电源的控制电路设计以及整流电路的设计

2、本课题系统的结构和原理

2.1 系统主要包括三相全控整流桥、滤波电路、逆变控制电路、单片机等，其基本结构如下图所示。

2.2 工作原理

主电路由三相桥式全控整流电路提供可调直流电压，经大电流滤波后供给单相逆变桥作振荡电源，负载电路采用纯并联结构。此设计采用了快速V-MOS 场效应管、高速锁相环及单片机等组成的频率为1MHz 输出功率较小的新一代感应加热逆变电路。该电源通过采用高速锁相环实现了频率的自动跟踪，通过单片机对整流部分的

比较器

比较器

逆变控制电路

负载

逆变电路

滤波电路 三相全控制整流桥

脉冲功放

同步信号 单片机

功率给定 起振检测 故障检测

电流采样值

电流限定值

直流电源

电压采样值

电压限定值

脉冲信号

最佳控制，在保证设备稳定可靠的条件下，实现了最大的功率调节。

四、毕业设计的研究方法和技术路线

1、查阅有关书籍，借助于网上数字图书馆收集资料，对课题进行研究分析，形成系统的外部资料，把握国内及国外此方面的研究动向和研究理论。

2、总结前人的经验技术，提出对相关课题的新意见解，并用实践的方式加以证明。

3、在指导老师的安排帮助下解决困难和问题。

4、理论联系实际，进行并完成课题设计。

5、归纳系统的研究过程，撰写论文