IGBT超音频串联移相调功感应加热电源的研究

关 键 词：感应加热，串联谐振，移相调功，数字锁相环，DSP，CPLD 论文类型：应用研究
I
河南科技大学硕士学位论文
The Study of IGBT Super Audio-frequency Phase-shift Induction Heading Power Supply Specialty: Materials Process Engineering Name: Li Guowei Supervisor: Prof. Zhu Jinhong Subject:
KEY WORDS：Induction heating, serial resonant, phase-shift power modulation,
DPLL, DSP, CPLD
Dissertation Type: Application Research
III
第 1 章 绪论
第1章 绪论
1.1 选题意义
II
摘 要
The hardware control system based TMS320LF2407A is designed, which includes sampling circuit, protective circuit, phase-compensated circuit, display circuit and so on. System program is compiled and a model machine is made and debugged. The real waveform of power supply is offered at the end of this paper. The experimental result indicatቤተ መጻሕፍቲ ባይዱd that the circuit is credible and the program runs well, and the DPLL based DSP is competent for super audio-frequency-tracking.
感应加热技术是 20 世纪初才开始应用于工业部门的，它是通过电磁感应原 理和利用涡流对工件进行加热，是制造业和材料加工中的一种重要手段[1]。 目前半导体固态感应加热电源的频率划分如下： 200Hz 以下为低频， 0.2～ 10kHz 为中频，10～100kHz 为超音频，100kHz 以上称为高频，它们具有不同的 应用范围[2]。本文所设计的超音频感应加热特别适合表面淬火和感应钎焊等。 上世纪八十年代以前，超音频感应加热电源十分缺乏，电子管振荡器电源和 晶闸管感应加热电源性能不好。电子管振荡器加热电源设备体积大、耗材多、电 压高、电磁污染和效率太低。晶闸管感应加热电源由于晶闸管本身开关特性等参 数的限制，频率很难提高。 上世纪八十年代以后，随着新型大功率半导体开关器件的相继出现，促进了 以 GTR 、 IGBT 、 SIT 、 SITH 、 MCT 构成的感应加热电源的发展，各国竞相研 制。目前主要以 IGBT 为主，并逐渐占据主导地位 。 其主要优点为： (1)体积小、重量轻、安装便捷； (2)IGBT 导通损耗小，通态压降为几伏，效率高，能耗小，冷却水流量小； (3)通过合理设计，工作频率自动跟踪负载特性的变化； (4)优良的控制性能，便于实现自动化操作。 国外串联超音频感应加热电源技术比较成熟[3]。从市场上看，国内小功率串 联感应加热电源开始大量出现，主要问题是产品缺乏应有的频率自动跟踪功能。 此外国内正在研究和生产超音频串联感应加热电源企业还没形成生产规模[3]。 因此为了改变上述局面，缩小与国外感应加热电源技术水平的差距，研制新 型 IGBT 超音频感应加热电源就显得十分必要。
图1-1 感应加热电源原理图 Fig.1-1 The schematic diagram of induction heating power supply
如上图，当感应线圈上通以交变的电流 i 时，线圈内部会产生相同频率的交 变磁通 ϕ ，交变磁通 ϕ 又会在金属工件中产生感应电势 e。根据 MAXWELL 电 磁方程式，感应电动势的大小为：
e = −N
dϕ dt
(1-1)
式中 N 是线圈匝数，假如 ϕ 是按正弦规律变化的，则有：
ϕ = φ m sin ωt
(1-2)
那么可得到感应电动势为：
e = − Nφ mω cos ωt
(1-3)
2
第 1 章 绪论
因此感应电动势的有效值为：
河南科技大学 硕士学位论文 IGBT超音频串联移相调功感应加热电源的研究 姓名：李国伟 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：朱锦洪 @
摘 要
论文题目 IGBT 超音频串联移相调功感应加热电源的研究
专 业：材料加工工程 研 究 生：李国伟 指导教师：朱锦洪 教授
摘
要
感应加热技术是 20 世纪初才开始应用于工业部门的，它是通过电磁感应原 理和利用涡流对工件进行加热，是制造业和材料加工中的一种重要手段。随着微 机技术和 IGBT 器件的发展，新型超音频感应加热电源成为研究的重点。 本文以超音频串联谐振式感应加热电源为研究对象，应用锁相环和 PID 技 术，采用数字信号处理器(DSP)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)联合控制的数字化 技术实现感应加热电源的频率跟踪和 0°～180° 自由移相调功，为感应加热电源 系统的数字化、信息化、柔性化、智能化控制提供了优质、可靠的技术基础。 论文首先介绍了感应加热的基本原理及感应加热技术的发展动态。然后通过 对感应加热电源中的主电路拓扑进行分析，比较串联谐振逆变电路与并联谐振逆 变电路的优缺点，选择了更适合超音频感应加热电源的串联谐振主电路。 在确定了设计方案后，详细分析了电源的主电路结构并进行了系统各组成部 分器件的参数计算和选取。 通过对锁相环原理进行了分析，提出一种基于 DSP 的数字锁相环(DPLL) 的 实现方法。 论文在分析和对比了感应加热电源的各种调功方式后，选择了移相调功对感 应加热电源进行恒流调节。通过两种硬件方案的对比，确定了一种最佳方案，实 现了基准臂与移相臂之间移相角的数字控制信号的产生。 论文搭建了以 TMS320LF2407A 为控制核心的硬件控制平台。包括了采样电 路、保护电路、驱动电路、显示电路等外围电路。在此基础上编制了系统的程 序，完成了样机，并对其进行了整机联调，给出了电源的实测波形。实验结果证 明基于 DSP 的 DPLL 完全可以胜任超音频的频率跟踪，系统硬件电路可靠，程 序运行良好。
ABSTRACT
The induction heating technology was used in industrial area from the beginning of 20th Century. The work piece was heated by electromagnetic induction effect and eddy current. Induction heating method plays a very important role in manufacturing and material processing. With the developing of microcomputer and IGBT device, new super audio-frequency has became an emphasis in induction heating power. This paper regards induction heating power supply of super audio-frequency series resonance as the researching object. By the introduction of phase-lock loop and PID technology, the induction heating power supply realized frequency tracing and phase-shifting for 0°～180° to modify power of the induction heating power supply, which using digital technology control combination with DSP and CPLD, and this provide high quality, credibility technology foundation for numeralization, information, flexibility and intelligentized controlling of the induction heating power supply system. At the beginning, the basic theory of induction heating and the development of induction heating technique are introduced. By analyzing the main circuit of the induction heating power and comparing the advantages and disadvantages between series resonance circuit and parallel resonance circuit, the series resonance inverter is selected because it is more suited to super audio-frequency power supply. The main circuit is detailed analyzed after confirmation of design scheme. The calculation and selection of parameters are detailed explanation for every system component. The realized method of implementing PLL based Digital Signal Processor (DSP) is introduced through analyzing the principle of Phased-Locked Loop (PLL). By means of the comparison of several power adjust mode, phase-shifting adjusting in order to ensure constant current is selected. Through comparator of the two hardware scheme, the more suitable one is confirmed, which attained the creating numerical control signal between orient arm and shift arm.
1.2 感应加热的基本理论
1.2.1 感应加热的原理 初级线圈中电流的变化，可以在邻近的闭合次级线圈中产生感应电流，这就 是感应加热的理论基础。对金属工件的感应加热，其工作原理是在被加热金属工
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件外绕上一组感应线圈。当线圈中流过某一频率的交流电流时，就会产生相同频 率的交变磁通，交变磁通又在金属工件中产生感应电势，从而产生感应电流，实 现对工件加热。感应加热所遵循的主要依据是：电磁感应、集肤效应和透入深度 三项基本原理。 1.2.1.1 电磁感应与感应加热 感应加热的原理图如图 1-1 所示：