中频感应加热设备的设计--毕业论文设计(2)

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屏蔽等均有很多特殊要求，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进一步探讨。

（3）感应加热电源多应用于工业现场，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，它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效率，从磁性材料选择到绕组的设计已成为重要课题。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个无源元件，以代替匹配变压器实现高效，低成本隔离匹配。

（4）随着感应热处理生产线自动化程度及对电源高可靠性要求提高，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。

（5）由于感应加热用电源一般功率都很大，目前对它的功率因数，谐波污染指标还没有具体要求。但随着减少电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数(采用大功率三相功率因数校正技术)及低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。

（6）当今高新技术飞速发展，新材料、新工艺不断涌现，感应加热是一个重要的研发和加工手段。因此，感应加热电源是某些高新技术研发中心不可缺少的装备。可以肯定的说，随着科学技术的发展，感应加热电源在高新技术领域会有更广泛的应用。在这一领域，对感应加热电源的可靠性和可控性要求更高。如何设计制造大功率超高频、高性能的感应加热电源，是电力电子科技工作者的重要课题。

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2.感应加热电源

2.1 基本工作原理

感应加热是利用导体处于交变电磁场中产生感应电流（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要求，感应加热采用的电源的频率有工频（50～60Hz ）、中频(60～10000Hz)和高频(高于10000Hz)。感应加热的物体必须是导体，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（包括表面加热）。

感应加热是利用交流电建立交变磁场产生涡流对金属工件进行感应加热的。基本工作原理如图1所示，图中A 为感应线圈（也称负载线圈），B 为被加热的金属工件。若线圈A 中通以交流电流i 1，则在线圈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e 2，形成涡流i 2，这些涡流使金属工件发热，消耗电能。由上可知，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属工件，然后在金属内部转变为热能，感应线圈与被加热金属不直接电接触，能量是通过电磁感应传递的。

B A

图1 感应加热基本原理

由电磁感应定律可知，感应电动势2e 为：

2d e dt Φ

=- （2-1）

设磁通对时间t 按正弦规律变化，即

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6 Φ＝M Φsin t ω

则

2e ＝－M Φcos t ωω

＝M Φsin(90)t ωω+

＝2M E sin(90)t ω+ （2-2）

其中感应电动势的幅值为：

2M E ＝M ωΦ＝2mf πΦ

为了要使金属工件加热到一定的温度，必须要求金属工件内有足够大的涡流，亦即要求金属工件内有较大的电动势2e ，从式（2-2）可知，要增大2e 有如下两种途径：

（1）增大线圈A 中的电流1i 。增大1i 即增大金属工件中的交变磁通的最大值M Φ。

（2）增大线圈中电流1i 的频率。因为金属工件中的感应电动势2e 正比于磁通变化率，

所以1i 的频率越高，感应电动势2e 就越大。近代感应加热广泛采用中频及高频电源的原

因就在于此，也是成为感应加热电源研究的方向和追求的必然。

2.2 基本结构

随着电力电子学及功率半导体器件的发展，感应加热电源拓扑结构经过不断的完善，已形成一种固定的AC/DC/AC 变换形式，基本结构如图2所示。一般由整流器、滤波器、逆变器及一些控制和保护电路组成。

图2 感应加热电源的基本结构

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3.整流电路设计

3.1 整流电路的分类

整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛，电路形式各种各样；按组成的器件可分为不可控、半控和全控三种，按电路结构可分为桥式电路和零式电路，按交流输入相数分为单相电路和多相电路，按变压器二次侧电流的方向是单相或双相，又分为半波电路和全波电路；实用电路是上述的组合结构。整流电路的实质就是把交流电能转换为直流电能的电路。

3.2 整流电路的选择

半波整流：变压器的次级绕组与负载相接，中间串联一个整流二极管，就是半波整流。利用二极管的单向导电性，只有半个周期内有电流流过负载，另半个周期被二管所阻，没有电流。这种电路，变压器中有直流分量流过，降低了变压器的效率；整流电流的脉动成分太大，对滤波电路的要求高。只适用于小电流整流电路。

全波整流：一是变压器与半流整流电路相同，但用四个二极管组成桥式电路，将次级线圈的正、负半周都用起来；二是变压器的次级绕组圈数加倍，中间抽头，实际上由两个次级线圈构成。中间抽头接负载一端，另两个端子各串联一个二极管后接负载的另一端。

经常使用的整流电源电路是效率高的全波整流电源电路，仅用电容器作为滤波电路的电路有中心抽头式和桥式。现在装有4个整流二极管的桥式整流器能够很便宜买到，而且变压器的使用效率也高，所以几乎都为桥式整流电路。

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8 桥式整流属于全波整流，三相整流只有全波整流，没有半波整流。三相全波整流也只有桥式整流。 所以在此设计中选用了三相桥式全控整流电路。

3.3 三相桥式全控整流电路 整流电路采用三相全控桥式整流电路，其作用为将从三相电网输入的

50Hz 电压整

流成脉动的直流电压。

三相桥式整流电路图如图3所示。

图3 三相桥式全控整流电路

晶闸管AB 、BC 、CA 接成共阴极，晶闸管AC 、BA 、CB 接成共阳极，并与变压器和负荷分别构成两个三相半波可控整流电路，两个三相半波可控整流电路串联就构成三相桥式全控整流电路，如图4所示。

图4 三相桥式全控整流电路

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三相桥式全控整流电路的输出电压为三相半波可控电路的两倍

三相桥式全控整流电路的输出电压为：

02.34cos d U U α= （3-1） 式中：d U ——输出直流电压平均值；

o U ——电网相电压；

α——触发移相角。

当α=0时，对于共阴极组的晶闸管依次触发阴极电位最高的晶闸管，对于阴极组的晶闸管组依次触发阴极电位最低的晶闸管，使晶闸管导通。把一个周期平均分为6段，如图5所示。

图5 不同α的输出波形

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