感应加热电源的论文

感应加热电源的论文
常州工学院毕业设计论文
摘要
随着电力电子技术的发展，感应加热技术取得了很多重大的成果，尤
其是二十世纪五十年代以后，固态电力电子器件的出现与发展，使感应加热技术和现代化的工业生产发生更紧密的联系，在现代工业生产中发挥了重大的作用，世界各国普遍重视感应加热技术的研究发展。

目前，中小功率容量的感应加热电源在现今的工业生产中有很多的运用，例如工件的透热、淬火、贵金属的熔炼等过程中都有大量的应用。

当前，这类功率容量的感应加热电源多为并联谐振电源。

本文重点阐述移相调功式感应加热电源的系统控制电路的研究设计以
及其保护电路、辅助电路等的研制。

分步阐述了感应加热的基本原理及感应加热电源的结构和工作原理；感应加热电源包括以下几个组成部分：整流器、滤波环节、逆变器、谐振槽路及负载控制及保护环节。

感应加热电源的整流侧采用电力二极管不控整流，向逆变环节提供稳定的直流电压，系统负载与补偿电容器采用串联连接，在逆变环节采用降频式移相调功方式实现对加热电源输出功率的调节，由频率跟踪环节数字锁相环电路跟踪被加热负载及其谐振回路的谐振频率而使系统工作于准谐振状态，有近似谐振软开关环境。

设计了感应加热电源的主电路；对主电路中直流侧、逆变侧等进行分析计算、确定元件参数值；设计移相调功感应加热电源的控制电路、其他辅助电路；控制系统的软件是控制系统能够按设计思想正常运转的关键，对于我们研制的此类带有系统主控制器的硬件系统来说，没有控制软件的支撑，控制系统硬件电路就无法运转。

整个系统的软件程序
主要由主程序和各类功能实现程序构成。

由于需要实现的功能众多，逻辑
关系复杂，我采用目前通用的模块化的程序设计方法，将相对独立的功能
设计为程序模块：例如移相处理、A/D转换、键盘采样、显示、故障中断处理等。

关键词：感应加热；逆变器；A/D转换
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Abstract
With the development of power electronics technology, induction heating
technology has made many significant achievements, especially after the 1950s, solid-state power electronic devices and the emergence of development so that the induction heating technology and modernization of industrial production in a closer Contact, in modern industrial production has played a major role in the world of universal importance induction heating technology research and development. At present, the capacity of small and medium-sized power induction heating power in today's industrial production in a lot of use, for example, the permeability of the workpiece, quenching and precious metals such as the melting process has a large number of applications. At present, such power capacity of the induction heating power and more power for
parallel resonance.
This article focuses on phase-shift-work-induction heating power supply
system control circuit design and its protection circuit, such as
the development of auxiliary circuit.A step-by-step on the basic principles of induction heating and induction heating power structure and working principle of induction heating power supply include the following components: Rectifier, filter links, inverter, resonant slot Road and load control and protection of links. . Induction heating power supply side of the rectifier is not controlled by the power diode rectifier, inverter link to provide a stable DC voltage, the system load and compensation capacitors connected in series used in a down-link inverter-phase-shift-work means of heating power output The regulation of power by the frequency tracking links DPLL circuit track was heating load and the resonant frequency resonant circuits system in quasi-resonant, and a similar resonance soft-switching
environment.Design of the induction heating power of the main circuit; on the main circuit in the DC side, inverter, such as the analysis side, the components identified parameters, design super-audio induction heating power control circuit, the other supporting circuit; Control System software control system is able to design the proper functioning of critical thinking, we developed such a system main controller of the hardware system, no control software support, control system hardware circuit will not be able to operate. The whole system software program mainly by the main program and various functions to achieve a procedure. Because of the need to achieve the functions of the many, complex logic, we use the current generic modular design process, the function will be
relatively independent modules designed to process: for example, phase-shifting processing, A / D conversion, sampling keyboard, display, fault interruption Processing.
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Key words: induction heating; inverter; A / D converter
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目录
摘
要 ..................................................................... (I)
Abstract ........................................................... . (II)
第一章绪
论 ..................................................................... .. (1)
1.1 感应加热的基本原理与用
途 ..................................................................... ............ 1 1.1.1 感应加热的工作原
理 ..................................................................... .................. 1 1.1.2 感应加热的特点与应用......................................................................
............. 2 1.2 感应加热技术的发展情
况 ..................................................................... ................ 3 1.2.1 感应加热技术的发展过
程 ..................................................................... ......... 3 1.2.2 感应加热技术的发展现状与趋
势 (4)
1.3 本设计的目的和工作任
务 ..................................................................... ................ 5 1.4电力电子元器件及加热电源的发展......................................................................
5 1.4.1 电力电子元器件的发展...................................................................... ........... 5 1.4.2感应加热电源发
展 ..................................................................... .. (6)
1.5逆变器与谐振负载电路的原理分析......................................................................
7 1.5.1 电压型串联逆变
器 ..................................................................... . (8)
1.5.2电流型并联逆变
器 ..................................................................... .. (8)
1.5.3两种形式逆变器的比
较 ..................................................................... ............... 9 1.6串联谐振式逆变器调功方法的设计....................................................................
10 1.6.1 整流侧调功方
法 ..................................................................... (10)
1.6.2逆变侧调功方
法 ..................................................................... . (11)
1.7本设计方案的确
定 ..................................................................... . (12)
第二章移相调功感应加热电源的主电路分
析 .......................................................... 13 2.1电源整机结构框
图 ..................................................................... . (13)
2.2移相调功感应加热电源主电
路 ..................................................................... ....... 14 2.2.1 直流侧主电路分析计算...................................................................... ........... 14 2.2.2 逆变侧主电路分析计算......................................................................
........... 18 2.2.3负载谐振槽路分析计
算 ..................................................................... ............. 20 2.3本章小
结 ..................................................................... .. (22)
第三章移相调功感应加热电源控制电路设
计 .......................................................... 23 3.1 电源移相调功主控制电
路 ..................................................................... .............. 23 3.1.1 移相调功控制的原
理 ..................................................................... ................ 23 3.1.2 锁相环控制电
路 ..................................................................... (23)
3.1.3电源起动电路的设
计 ..................................................................... ................. 25 3.1.4基于80C196KC的移相控制电路设
计 ........................................................ 26 3.1.5死区形成电路研
究 ..................................................................... (28)
3.1.6主功率器件的驱动电
路 ..................................................................... ............. 29 3.2 电源故障保护电
路 ..................................................................... (30)
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3.2.1过电流保护电
路 ..................................................................... . (30)
3.2.2过电压保护电
路 ..................................................................... . (31)
3.2.3过热保护电
路 ..................................................................... .. (31)
3.3本章小
结 ..................................................................... .. (32)
第四章控制系统的软件支
持 ..................................................................... (33)
4.1 控制系统软件设
计 ..................................................................... (33)
4.2 各程序模块的分
析 ..................................................................... (33)
4.2.1系统主程序设
计 ..................................................................... . (33)
4.2.2移相调功子程序设
计 ..................................................................... .. (34)
4.2.3触发信号移相处理中断程
序 ..................................................................... . (36)
4.2.4故障保护中断子程
序 ..................................................................... .. (36)
4.3本章小
结 ..................................................................... .. (38)
结
论 ..................................................................... . (39)
参考文
献 ..................................................................... .. (40)
致
谢 ..................................................................... . (42)
-V-
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第一章绪论 1.1 感应加热的基本原理与用途
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。

本文论述的移相调功式感应加热电源设计采用功率自关断功率器件
IGBT，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。

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。

1.1.1 感应加热的工作原理
感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，在利用交变
磁场来产生涡流达到加热的效果。

如图：
感应电流图示1-1
Induced current icon 1-1
,当交变电流通入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通，使感应圈
Ne2内的工件受到电磁感应电势。

设工件的等效匝数为。

则感应电势：
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d,e,,N2dt （1-1）
,,,sin,tm如果磁通是交变的，设（1-2）
则有效值为：
E,4.44fN, 2M （1-3）
感应电势在工件中产生感应电流使工件内部开始加热，其焦耳热为：
2Q,0.24IRt 2 （1-4）
I式中： 2——感应电流有效值（安），R——工件电阻（欧），t——时间（秒）。

这就是感应加热的原理。

感应加热与其它的加热方式，如燃气加热，
电阻炉加热等不同，它把电能直接送工件内部变成热能，将工件加热。

而
其他的加热方式是先加热工件表面，然后把热再传导加热内部。

金属中产生的功率为：
P,EIcos,,4.44fN,cos,2M （1-5）
感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面
大小、截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁特性等有关。

在感应加热设备中存在着三个效应：集肤效应、近邻效应和圆环效应。

集肤效应：当交变电流通过导体时，沿导体截面上的电流分布式部均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层；近邻效应：当两根通有交流电的导体
靠得很近时，在互相影响下，两导体中的电流要重新分布。

当两根导体流
的电流是反方向时，最大电流密度出现在导体内侧；当两根导体流的电流
是同方向时，最大电流密度出现在导体外侧；圆环效应：若将交流电通过
圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧。

感应加热电源就是
综合利用这三种效应的设备。

在感应线圈中置以金属工件，感应线圈两端
加上交流电压，产生交流电流I1，在工件中产生感应电流I2。

此两电流方向相反，情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。

当电流I1和感应电流I2相互靠拢时，线圈和工件表现出邻近效应，结果，电流I1集聚在线圈的内侧表面，电流I2聚集在工件的外表面。

这时线圈本身表现为圆环
效应，而工件本身表现为集肤效应。

1.1.2 感应加热的特点与应用
自从1890年世界上第一台感应熔炼炉问世以来，无论是感应加热的理
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论还是感应加热的实际应用装置都得到了很大的发展，感应加热的应用领
域也得到了很大的扩展，无论是工农业生产还是日常生活中都有大量的感
应加热设备的应用，其中主要的原因在于感应加热比之传统的一些加热方
式具有下列的一些特点、优点：
1．加热速度快，从而使被加热物体的表面氧化程度减轻，有利于提高
产品质量；
2．容易实现装置的自动控制，减轻劳动强度，降低投入；
3．容易对加热对象进行局部加热，根据需要生产出高质量的产品，节
能；
4．容易加热均匀，产品质量好。

应用领域上，感应加热被广泛用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等
工业过程，已经成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造等行业不可缺少的工业技术设备，此外，在人们的家庭生活中，
感应加热技术也得到了大量的运用，例如电磁炉、电热水器等家用电气很
多就是采用感应加热方式来实现的。

1.2 感应加热技术的发展情况 1.2.1 感应加热技术的发展过程
在1831年法拉第通过实验发现的电磁感应现象。

在以后的时间里，电
磁感应原理被应用于电动机、发电机、变压器和射频通讯等装置中，但是
电路和磁路的热效应在此类设备中均被视为有害的副效应，当时人们通过
各种的技术手段来极力的减轻它的影响作用，为设备的正常、长期稳定运
行创造良好的条件。

一直到了十九世纪末期，有三个科学家Heaviside，
Foucault和Thomson等人对感应涡流理论和能量由线圈向铁心传输的原理进行了系统的研究后，人们才逐渐建立了感应加热的理论基础，人们开始
认识到电磁感应过程中的感应涡流效应的积极的可利用价值。

以后人们对“感应致热”现象认识的不断加深，二十世纪初期时法国、
意大利和瑞典等国的技术人员开始研究使用感应加热技术。

二十世纪五十
年代出现的晶闸管引起了感应加热技术乃至整个电力电子学的一场革命。

七十年代后期，晶闸管中频装置已经逐渐代替了以前的中频发电机组，成
为中频感应加热领域的主导产品。

电力电子技术的发展到了八十年代又有
了长足的进步，标志之一就是一系列新型自关断器件如MOSFET、IGBT、SIT、MCT等的出现，这些器件的出现促使电力电子技术向高频率的应用领域发
展。

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1.2.2 感应加热技术的发展现状与趋势
（1）感应加热电源技术发展现状
感应电源按频率范围可分为以下等级：500Hz以下为低频，1-10KHz为中频；20KHz以上为超音频和高频。

感应加热电源发展与电力电子器件的发展密切相关。

在超音频电源方面，日本在1986年就利用SITH研制出
100KW/60KHz的超音频电源，此后日本和西班牙又在1991年相继研制出
500KW/50KHz和200KW/50KHz的IGBT超音频电源。

国内在超音频领域与国外还有一定差距，但发展很快，1995年浙大研制出50KW/50KHz的IGBT超音频电源，北京有色金属研究总院和本溪高频电源设备厂在1996年联合研制出
100KW/20KHz的IGBT电源。

在高频这一频段可供选择的全控型器件只有静电感应晶闸管（SITH）和功率场效应晶闸管（MOSFET），前者是日本研制的3KW～200KW，20KHz～300KHz系列高频电源,后者由欧美采用MOSFET研制成功输出频率为200～300KHz,输出功率为100～400KW的高频电源。

现在，电力电子应用国家工程中心设计研制出了5～50KW/100～400KHz高频MOSFET逆变电源。

上海宝钢1420冷轧生产线于1998年引进了日本富士公司的71～80KHz,3200KW高频感应加热电源，是目前世界上最为先进的逆变
电源。

（2）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：
1．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探讨。

2．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。

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3．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 本设计的目的和工作任务
目前，功率容量的感应加热电源多为并联谐振电源，并联谐振型电源
由电流源供电，包含比较大的平波电抗器，此种电源的功率调节一般是通
过直流侧调节，即通过改变整流晶闸管的移相触发角来实现的。

这类电源
耗用材料，入端功率因数低，对电网有较大的谐波干扰，效率也比较低，
与当前人们对更优异性能的感应加热电源的要求相差很大。

本设计就是针
对这一情况，来探求一种简单高效的中小功率感应加热电源控制方法。

本设计以串联谐振型感应加热电源为研究对象，通过对串联谐振型感
应加热电源的调功方式的分析比较而得到适用的调功控制方式，研制一额
定功率为10KW的用于淬火的移相调功式感应加热电源。

重点阐述移相调功式感应加热电源的系统控制电路的研究设计以及其保护电路、辅助电路等
的研制，给出系统的软件设计流程和对系统的设计进行仿真实验验证。

1.4电力电子元器件及加热电源的发展 1.4.1 电力电子元器件的发展
上世纪70年代，使用的是传统的电力电子器件，主要以晶闸管为主。

此后的80、90年代，开发、完善了许多自关断电力电子器件，如功率场效应管、IGBT、GTO等，同时开发了静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（SITH）、MOS控制晶闸管（MCT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）等新型器件。

90年代以来，将电力电子器件及其保护、驱动电路集成到一起的
功率模块（Power Module），将电力电子器件及其逻辑、控制、保护、驱
动、传感、检测和自诊断电路集成到一起的功率集成电路（Power Integrated Circuit—PIC），将横向高压器件与控制电路实现单片集成的高压集成电路（High Voltage IC—HVIC），将纵向功率器件与控制电路实现单片集成
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常州工学院毕业设计论文的智能功率集成电路（Smart Power IC—SPIC），以及将IGBT及其辅助器件、保护和驱动电路实现单片集成的智能功率模块（Intelligent Power Module—IPM）开发成功并投入应用。

总而言之，电力电子器件的发展趋势为：高压大电流化、快速高频化、
光输入化、易驱动化、模块化、智能化。

1.4.2感应加热电源发展
感应加热电源发展出了多种不同的种类形式。

但总体上来说，感应加
热电源包括以下几个组成部分：整流器（AC－DC）、滤波环节（FILTER）、逆变器（DC－AC）、谐振槽路及负载（RESONANT TANK）控制及保护环节（CONTROL AND PROTECT）。

一般的感应加热电源的组成框图及其各环节典型波形如下所示：
UoUdUdU
交流输入整流器滤波器逆变器负载
控制及保护环节
感应加热电源的组成框图及典型波形1-2
Induction heating power and the composition of a typical waveform diagram 1-2
它是由三相工频交流电输入，经整流环节后成为脉动直流电，再通过
滤波环节后成为平滑的直流电，这个平滑直流电经过在它后面的逆变器环
节逆变为一定频率的交流电压供与负载。

在正常情况下电能通过感应线圈
传递给被加热负载，但往往在研制过程中感应线圈作为电源逆变器的一部
分对待它与负载一起又可构成逆变器的等效负载。

整个的构成我认为就是
这样的。

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常州工学院毕业设计论文 1.5逆变器与谐振负载电路的原理分析我认为感应加热的负载应该可以看作一个变压器，因为它的原边是一
个感应线圈，副边又是一个被加热工件，这样就构成了一个变压器。

感应加热工件和感应线圈通过以前学的知识我用下面电路等效，其中L和R分别为等效电抗和电阻，它的等效阻抗为。

Z,R，jwL
LR
负载等效电路1-3
Load equivalent circuit 1-3
这样通过电路的知识可知道负载的功率因数为：
R ,cos,22R，(wL)
当负载感应圈中的电流为I时，它的有功功率为：
2P,IR L
无功功率为：
2 Q,IwL L
负载的品质因数为：
1QwL L,,, QPRwRCL
这样我就得到了品质因数Q与功率因数间关系为： cos,
1 , cos,21，Q
在一般情况下，高中频感应加热负载，它的 wL,,R，也就是说Q值
比较大，因此功率因数很低，熔炼、透热、等一般场合中的感应加热电源的功率因数大约为0.05~0.5。

为了充分利用电源容量，就要考虑功率因数，在感应加热电源中都是用电容器来补偿无功功率，这样的话整个负载回路就变成了由逆变器等效负载和补偿电容器构成的谐振回路，我根据补偿电
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常州工学院毕业设计论文容器与负载及感应线圈的连接方式的不同，将感应加热电源的逆变器可以
分为电压型串连逆变器和电流型并联逆变器。

下面对它们进行说明。

1.5.1 电压型串联逆变器
我查过资料了解到无功补偿电容器与感应线圈串联的逆变器称作串联
逆变器。

它的电路原理如图所示，以单相逆变器做一个说明。

串联谐振式逆变器原理图1-4
Series resonant inverter schematic 1-4
电路中为谐振电容器，为感应线圈和负载的等效电感电阻。

CR,L
我根据负载槽路电压电流相位关系的不同，将串联逆变器可能工作于三种工作状态下：容性、感性和谐振状态，如图（a）（b）（c）所示。

（a）容性（b）感性（c）谐振图 1-5
(A) capacitive (b) emotional (c) resonant Figure 1-5
1.5.2电流型并联逆变器
同样在参考书上说补偿电容器与逆变器负载相并联的逆变器称作并联
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常州工学院毕业设计论文逆变器。

其电路原理如图所示，同样以单相逆变器做一个说明。

并联谐振式逆变器原理图
1-6
Parallel resonant inverter schematic 1-6
电路中为谐振电容器，为感应线圈和负载的等效电感电阻。

CR,L
我根据负载槽路电压电流相位关系的不同串联逆变器可能工作于三种状态下：感性、容性和谐振状态，如下图（a）（b）（c）所示。

（a）容性（b）感性（c）谐振图 1-7
(A) capacitive (b) emotional (c) resonant Figure 1-7
1.5.3两种形式逆变器的比较
上面我只就简单分析了串联谐振式逆变器和并联谐振式逆变器的原
理，由分析可知两类逆变器存在着一定的对偶性。

下面我就主要差别做一个比较：
1．在工作时发现串联谐振式逆变器短路保护一般还是比较困难。

串联
谐振式逆变器的负载电路对电源呈低阻抗，我将逆变器采用电压源供电，因此在直流电源的两端并接有大的滤波电容。

在逆变器发生短路故障时，由于电容器上电压不能突变，瞬时放电电流将会很大，此时必须在功率器-9-
常州工学院毕业设计论文件的允许短路时间内采取保护措施，否则功率器件就会损坏，这一缺点可
以通过研制合理有效的保护电路予以克服。

与之相反的是并联谐振时逆变器的短路保护则比较容易。

并联谐振式逆变器采用电流源供电，直流电源末端串接有一大滤波电感。

在逆变器发生短路故障时，短路电流的上升将会受到此滤波电感的抑制，功率器件的保护就相对比较容易实现。

2．在并联逆变器工作时，开关管承受反压较大。

自关断器件IGBT承
受反压的能力很低，因此应用中就需要给每个桥臂的主开关管串接同等容量的快恢复二极管。

同时IGBT内部有寄生的反并联二极管，在器件受反
压作用时，该二极管可能会引起较大的环流损坏器件。

串联逆变器工作时，开关管受的反压很小，其大小仅仅是开关管反并联二极管的导通压降，非常小。

我综合以上两点的对比情况，我认为在需要频繁起停的移相调功频感
应加热应用中，选择串联逆变器结构更为合适。

所以我还是决定选择这个比较好！
1.6串联谐振式逆变器调功方法的设计
我在参考书中了解到串联谐振式逆变器在很多应用中，它对系统的输
出功率的调节方式有好几种，我根据实际的应用场合、性能要求等作出合理的选择。

一般它分为整流侧调功和逆变侧调功。

1.6.1 整流侧调功方法
一般是这样定义的，整流侧调功是在逆变器的直流电源侧通过对逆变
环节输入电压值的调节实现对逆变器输出功率的调节。

一般有两类直流侧调功方式：相控整流调功和直流斩波调功。

我在接着的说明中都以单相交流输入为例子做一个说明。

1．相控整流调功
整流电路采用可控（或半控）器件进行可控整流，通过调节不同的移
相角而得到幅值大小不一的直流输出电压供给逆变环节，从而改变逆变器输出功率。

它的原理图如下：
QQ12
CUdd
U~
QQ43
相控整流调功原理图 1-8
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Phased Rectifier Power Regulation schematic 1-8
2．直流斩波调功
在我设计的电源中的直流斩波调功方式的原理下图所画：。