電力電子課程設(shè)計中頻加熱電源設(shè)計

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計中頻加熱電源主電路設(shè)計學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院 姓名 學(xué)號 班級 指導(dǎo)教師 完成時間 2015.1.20 摘要 感應(yīng)加熱電源具有加熱效率高，速度快，可控性好，易于實現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點，目前已在金屬熔煉，淬火，工件透熱，焊接，鑄造表面熱處理等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計中主要研究了中頻感應(yīng)加熱電源及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，設(shè)計了1.0KHz100KW可控硅中頻感應(yīng)加熱電源的整流電路及控制電路。整流電路采用三相橋式全控整流電路，電路結(jié)構(gòu)簡單。控制電路采用雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，改善信號遲滯的缺點。利用晶閘管把50 Hz的工頻變成中頻電源的裝置。即由三相全

2、控整流電路把工頻電流整流成直流，經(jīng)過電抗器濾波后，經(jīng)單相逆變橋?qū)⒅绷髯優(yōu)閱蜗嘀蓄l交流，以驅(qū)動負載。 關(guān)鍵字：感應(yīng)加熱電源；串聯(lián)諧振；逆變電路；IGBT；整流電路目錄引言：51 加熱電源簡介51.1感應(yīng)加熱電源的特點及應(yīng)用51.2感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段61.3感應(yīng)加熱電源的發(fā)展的主要因素72感應(yīng)加熱電源82.1基本工作原理82.2基本結(jié)構(gòu)93整流電路的設(shè)計1131整流電路的分類1132整流電路的選擇113.3三相橋式全控整流電路123.4整流電路的參數(shù)設(shè)計134逆變電路144.1逆變器基本分類：144.2逆變器的工作原理155控制電路的設(shè)計175.1控制電路的結(jié)構(gòu)及原理175.2控制電路的作用1

3、95.3控制策略195.4 1.0KHz100KW感應(yīng)加熱電源控制電路結(jié)構(gòu)215.5過電流和過電壓的保護電路21 5.6 驅(qū)動電路的設(shè)計.226設(shè)計結(jié)果分析277設(shè)計心得27參考文獻28引言 隨著功率器件的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源的頻率也逐步提高，經(jīng)歷了中頻、超音頻、高頻幾個階段。在感應(yīng)加熱電源的應(yīng)用中，淬火、焊管、焊接等工藝都要求高頻率高功率的電源。功率MOSFET雖然可以實現(xiàn)高頻工作，但其電壓、電流容量等級低，大功率電源需采用串、并聯(lián)技術(shù)，影響了電源運行的可靠性。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)比較容易實現(xiàn)電源高功率化，但在高頻情況下，其開關(guān)損耗，尤其是IGBT關(guān)斷時存在的尾部電流，會限制工作頻率的

4、進一步提高。本文論述的中頻感應(yīng)加熱電源采用功率自關(guān)斷功率器件IGBT，負載頻率是開關(guān)管工作頻率的二倍，間接拓寬了IGBT的使用頻率；功率管工作于零電流開關(guān)狀態(tài)，徹底消除了尾部電流引起的關(guān)斷損耗，理論上可實現(xiàn)零開關(guān)損耗；同時采用死區(qū)控制策略后，可實現(xiàn)負載阻抗調(diào)節(jié)。以往一般采用晶閘管來實現(xiàn)逆變電路，但是晶閘管關(guān)斷期反壓太低，參數(shù)匹配麻煩，輸出頻率仍然偏低；而采用IGBT后，并讓電路工作在電流斷續(xù)狀態(tài)下，這些問題都得到很好地解決。為滿足中小工件加熱的需要，研制了一種新型線效的中頻感應(yīng)加熱電源。該電源具有輸出電壓低圈匝數(shù)少、不需要中頻變壓器降壓、結(jié)構(gòu)簡單、效率高。1.加熱電源簡介 上世紀(jì)初，在歐洲幾個

5、發(fā)達國家，感應(yīng)加熱技術(shù)開始投入應(yīng)用，由于技術(shù)限制，僅僅用在小功率，小容量中頻感應(yīng)熔煉爐上，隨著感應(yīng)加熱理論的不斷完善，感應(yīng)加熱技術(shù)的不斷發(fā)展，目前，感應(yīng)加熱技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在機械制造，冶金，國防，航空航天，汽車制造及教學(xué)科研等諸多領(lǐng)域。主要用于有色金屬的熔煉鑄造，熱處理，焊接，燒結(jié)等方面。1.1感應(yīng)加熱電源的特點及應(yīng)用 感應(yīng)加熱電源是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用工件中渦流產(chǎn)生的熱量對工件進行加熱。由于感應(yīng)加熱電源具有加熱效率高，速度快，可控性好，易于實現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點，目前已在金屬熔煉，淬火，工件透熱，焊接，鑄造表面熱處理等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在鑄造方面正在迅速發(fā)展雙聯(lián)熔

6、煉工藝，利用中頻爐保溫改性；在鑄造方面，利用感應(yīng)加熱實現(xiàn)快速透熱熱鍛，在淬火方面致力于發(fā)展大功率全固態(tài)高頻電源。1.2感應(yīng)加熱電源的發(fā)展階段 在五十年代前，感應(yīng)加熱電源主要有：感應(yīng)熔煉爐，電磁倍頻器，中頻發(fā)電機組和電子管振蕩器式高頻電源。可控硅的出現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代電力電子學(xué)的開始。在中頻范圍內(nèi)，晶閘管中頻加熱裝置已完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機組和電磁倍頻器。七十年代么到八十年代初，相繼出現(xiàn)了一大批全控型電力電子半導(dǎo)體器件，極大的推動了電力電子學(xué)的發(fā)展。1983年IGBT的問世進一步推動了感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。IGBT具有通態(tài)壓降低，開關(guān)速度快，易驅(qū)動等優(yōu)點。大功率高速IGBT已成為眾多加熱電源的首選器

7、件。今后，感應(yīng)加熱電源技術(shù)的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面: 第一:功率半導(dǎo)體器件的大容量化、高頻化將帶動感應(yīng)加熱電源的大容量化和高頻化; 第二:髓著感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線自動化控制程度及對電源可靠性要求的提高，感應(yīng)加熱電源正向智能化控制方向發(fā)展; 第三:隨著對整個電網(wǎng)無功及諧波污染要求的提高，具有高功率因數(shù)低諧波污染電源也將成為今后發(fā)展的一個方向;第四:電源和負載的最佳匹配。由于感應(yīng)加熱電源多用于工業(yè)現(xiàn)場，其運行工況比較復(fù)雜，它的負載對象也各式各樣，而電源逆變器與負載是一個有機的整體，它們之間的配置方式將直接影響到電源的功率利用系數(shù)感應(yīng)加熱電源技術(shù)發(fā)展與趨勢感應(yīng)加熱電源的水平與半導(dǎo)體功率器件的發(fā)展密切

8、相關(guān)，因此當(dāng)前功率器件在性能上的不斷完善，使得感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出以下幾方面的特點。高頻率目前，感應(yīng)加熱電源在中頻頻段主要采用晶閘管，超音頻頻段主要采用IGBT，而高頻頻段，由于SIT存在高導(dǎo)通損耗等缺陷，主要發(fā)展MOSFET電源。感應(yīng)加熱電源諧振逆變器中采用的功率器件利于實現(xiàn)軟開關(guān)，但是，感應(yīng)加熱電源通常功率較大，對功率器件，無源器件，電纜，布線，接地，屏蔽等均有許多特殊要求，尤其是高頻電源。因此，實現(xiàn)感應(yīng)加熱電源高頻化仍有許多應(yīng)用基礎(chǔ)技術(shù)需要進一步探討。大容量化從電路的角度來考慮感應(yīng)加熱電源的大容量化，可將大容量化技術(shù)分為二大類：一類是器件的串、并聯(lián)，另一類是多臺電源的串、并聯(lián)器件

9、的均流問題，由于器件制造工藝和參數(shù)的離散性，限制了器件的串、并聯(lián)數(shù)目，且串、并聯(lián)數(shù)越多，裝置的可靠性越差。多臺電源的串、并聯(lián)技術(shù)是在器件串、并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進一步大容量化的有效手段，借助于可靠的電源串、并聯(lián)技術(shù)，在單機容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可簡單地通過串、并聯(lián)運行方式得到大容量裝置，每臺單機只是裝置的一個單元或一個模塊。感應(yīng)加熱電源逆變器主要有并聯(lián)逆變器和串聯(lián)逆變器，串聯(lián)逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源，當(dāng)二電壓源并聯(lián)時，相互間的幅值、相位和頻率不同或波動時將導(dǎo)致很大的環(huán)流以致逆變器器件的電流產(chǎn)生嚴重不均，因此串聯(lián)逆變器存在并機擴容困難；而對并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流大電抗器可充當(dāng)各并聯(lián)器之間

10、的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的AC/DC或DC/AC環(huán)節(jié)有足夠的時間來糾正直流電源的偏差，達到多機并聯(lián)擴容。負載匹配感應(yīng)加熱電源多用于工業(yè)現(xiàn)場，其運行工況比較復(fù)雜，它與鋼鐵、冶金和金屬熱處理行業(yè)具有十分密切的聯(lián)系，他的負載對象各式各樣，而電源逆變器與負載是一有機的整體，負載直接影響到電源的運行效率和可靠性。對焊接、表面熱處理等負載，一般采用匹配變壓器連接電源和負載感應(yīng)器，對高頻、超音頻電源用的匹配變壓器要求漏抗很小，如何實現(xiàn)匹配變壓器的高輸入效率，從磁性材料選擇到繞組結(jié)構(gòu)的設(shè)計已成為一重要課題，另外，從電路拓撲上負載結(jié)構(gòu)以三個無源元件代替原來的二哥無源元件以取消匹配變壓器，實現(xiàn)高效、低成本隔離匹

11、配。智能化控制隨著感應(yīng)熱處理生產(chǎn)線自動化控制程度及對電源可靠性要求的提高，感應(yīng)加熱電源正向智能化控制方向發(fā)展。具有計算機智能接口、遠程控制、故障自動診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。1.3感應(yīng)加熱電源的發(fā)展的主要因素 感應(yīng)加熱電源的發(fā)展與電力電子器件的發(fā)展密切相關(guān)，而電力電子器件的發(fā)展又是半導(dǎo)體集成加工技術(shù)及功率半導(dǎo)體技術(shù)分不開的，可控硅出現(xiàn)后是的感應(yīng)加熱電源的可控性實用性得到體現(xiàn)。2 感應(yīng)加熱電源2.1 基本工作原理 感應(yīng)加熱利用導(dǎo)體處于交變的電磁場中產(chǎn)生感應(yīng)電流，即渦流，所形成的熱效應(yīng)使導(dǎo)體本身發(fā)熱。根據(jù)不同的加熱工藝的要求，感應(yīng)加熱采用的電源的頻率有工頻（50HZ），中頻

12、（60-10000HZ），高頻（高于10000HZ）。感應(yīng)加熱本身的物體必須是導(dǎo)體，感應(yīng)加熱能在被加熱物體內(nèi)部直接生熱，因而熱效率高，升溫速度快，容易實現(xiàn)整體均勻加熱或局部加熱。 感應(yīng)加熱利用交流電建立交變磁場渦流對金屬工件進行感應(yīng)加熱，基本工作原理如圖1，A為感應(yīng)線圈，B為被加熱工件，若線圈A中通以交流電流i1，則線圈A內(nèi)產(chǎn)生隨時間變化的磁場，置于交變磁場中的被加熱工件B要產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2，形成渦流i2，這些渦流使金屬工件發(fā)熱，因此，感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加熱的金屬工件，然后在金屬工件內(nèi)部轉(zhuǎn)換成熱能，感應(yīng)線圈與被加熱工件不直接接觸，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。 感應(yīng)電流圖示為了將

13、金屬工件加熱到一定的溫度，要求工件中的感應(yīng)電流盡可能地大，增加感應(yīng)線圈中的電流，可以增加金屬工件中的交變磁通，進而增加工件中的感應(yīng)電流，現(xiàn)代感應(yīng)加熱設(shè)備中，感應(yīng)線圈中的電流最大可以達到幾千甚至上萬安培。增加工件中感應(yīng)電流的另一個有效途徑是提高感應(yīng)線圈中電流的頻率，由于工件中的感應(yīng)電勢正比于交變磁通的變化率，感應(yīng)線圈中電流的頻率越高，磁通的變化就越快，感應(yīng)電勢就越大，工件中的感應(yīng)電流也就越大。對同樣的加熱效果，頻率越高，感應(yīng)線圈中的電流就可以小一些，這樣可以減少線圈中的功率損耗，提高設(shè)備的電效率。由電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動勢e2為：設(shè)磁通對時間t按正弦規(guī)律變化為：其中感應(yīng)電動勢的幅值為： 為了

14、使金屬工件加熱到一定溫度，必須要求金屬工件內(nèi)有足夠大的渦流，即要求金屬工件內(nèi)有較大的電動勢e2，由式2-2知，增大e2有以下兩種途徑：增大線圈A中電流i1。增大i1即增大金屬工件內(nèi)的交變磁通的最大值m。增大線圈中電流i1的頻率。因為金屬工件中感應(yīng)電動勢e2正比于磁通變化率，所以i1的頻率越高e2就越大。2.2 基本結(jié)構(gòu) 經(jīng)過半導(dǎo)體器件的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源的拓撲結(jié)構(gòu)逐漸固定為一種ACDCAC的變換形式，基本結(jié)構(gòu)如圖2，由整流器，濾波器，逆變器及一些控制和保護電路組成。并聯(lián)諧振式電源采用的逆變器是并聯(lián)諧振逆變器，其負載為并聯(lián)諧振負載。通常需電流源供電，在感應(yīng)加熱中，電流源通常由整流器加一個大電感構(gòu)

15、成。由于電感值較大，可以近似認為逆變器輸入端電流固定不變。交替開通和關(guān)斷逆變器上的可控器件就可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電流，其電流幅值取決于逆變器的輸入端電流值，頻率取決于器件的開關(guān)頻率。 串聯(lián)諧振式電源采用的逆變器是串聯(lián)諧振逆變器，其負載為串聯(lián)諧振負載。通常需電壓源供電，在感應(yīng)加熱中，電壓源通常由整流器加一個大電容構(gòu)成。由于電容值較大，可以近似認為逆變器輸入端電壓固定不變。交替開通和關(guān)斷逆變器上的可控器件就可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電壓，其電壓幅值取決于逆變器的輸入端電壓值，頻率取決于器件的開關(guān)頻率。串聯(lián)諧振逆變器和并聯(lián)諧振逆變器的差別，源于它們所用的振蕩電路不同，前者是用L

16、、R和C串聯(lián)，后者是L、R和C并聯(lián)； (1)串聯(lián)諧振逆變器的輸入電壓恒定，輸出電流近似正弦波，輸出電壓為矩形波，換流是在晶閘管上電流過零以后進行，因而電流總是超前電壓角。 并聯(lián)諧振逆變器的輸入電流恒定，輸出電壓近似正弦波，輸出電流為矩形波，換流是在諧振電容器上電壓過零以前進行，負載電流也總是越前于電壓 角。這就是說，兩者都是工作在容性負載狀態(tài)。(2)串聯(lián)諧振逆變器在換流時，晶閘管是自然關(guān)斷的，關(guān)斷前其電流己逐漸減少到零，因而關(guān)斷時間短，損耗小。在換流時，關(guān)斷的晶閘管受反壓的時間較長。并聯(lián)諧振逆變器在換流時，晶閘管是在全電流運行中被強迫關(guān)斷的，電流被迫降至零以后還需加一段反壓時間，因而

17、關(guān)斷時間較長。相比之下，串聯(lián)諧振逆變器更適宜于在工作頻率較高的感應(yīng)加熱裝置中使用。(3)串聯(lián)諧振逆變器起動較容易，適用于頻繁起動工作的場所；而并聯(lián)諧振逆變器需附加起動電路，起動較為困難，起動時間長。至今仍有人在研究并聯(lián)諧振逆變器的起動問題。串聯(lián)諧振逆變器晶閘管暫時丟失脈沖，會使振蕩停止，但不會造成逆變顛覆。而并聯(lián)諧振逆變器晶閘管偶爾丟失觸發(fā)脈沖時，仍可維持振蕩。(4)串聯(lián)諧振逆變器并接大的濾波電容器，當(dāng)逆變失敗時，浪涌電流大，保護困難。但隨著保護手段的不斷完善以及器件模塊本身也有自帶保護功能，串聯(lián)諧振逆變器的保護不再是難題。 并聯(lián)諧振逆變器串接大電抗器，但在逆變失敗時，由于電流受大電抗限制，沖

18、擊不大，較易保護。(5)串聯(lián)諧振逆變器感應(yīng)線圈上的電壓和補償電容器上的電壓，都為諧振逆變器輸出電壓的Q倍。當(dāng)Q值變化時，電壓變化比較大，所以對負載的變化適應(yīng)性差。流過感應(yīng)線圈上的電流，等于諧振逆變器的輸出電流。并聯(lián)諧振逆變器的感應(yīng)線圈和補償電容器上的電壓，都等于逆變器的輸出電壓，而流過它們的電流，則都是逆變器輸出電流的Q倍。逆變器器件關(guān)斷時，將承受較高的正向電壓，器件的電壓參數(shù)要求較高。(6)串聯(lián)諧振逆變器的感應(yīng)加熱線圈與逆變電源(包括補償電容器)的距離較遠時，對輸出功率的影響較小。而對并聯(lián)諧振逆變器來說，感應(yīng)加熱線圈應(yīng)盡量靠近電源(特別是補償電容器)，否則功率輸出和效率都會大幅度降低。綜合比

19、較串、并聯(lián)諧振逆變器的優(yōu)缺點，決定對串聯(lián)諧振式電源進行研究。3.整流電路的設(shè)計 整流電路是中頻電源的重要組成部分。整流控制電路的最終任務(wù)是根據(jù)輸入的同步信號及電壓調(diào)節(jié)信號、電流反饋信號、啟動信號、復(fù)位信號等綜合情況發(fā)出相位合適的脈沖信號去觸發(fā)主回路，以便輸出合適的直流電壓。3.1整流電路的分類 整流電路是電力電子電路中最早出現(xiàn)的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用廣泛，電路形式多種多樣。按組成器件可分為：不可控，全控和半控三種。按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式和零式。按交流輸入相數(shù)可分為單相輸入和多相輸入。按變壓器二次側(cè)電流的方向又可分為電路是半波和全波電路。實用電路是上述的組合結(jié)構(gòu)，整流電路的實質(zhì)就是把交流

20、電能轉(zhuǎn)換成直流電能的電路。逆變控制的最終任務(wù)是產(chǎn)生頻率合適的逆變脈沖，以保證逆變橋可靠換向。3.2整流電路的選擇 半波整流：變壓器的次級繞組與負載相連，中間串聯(lián)一個整流二極管就是半波整流。利用二極管的單向?qū)щ娦?，只有半個周期內(nèi)有電流流過負載，另半個周期被二極管所阻，沒有電流。這種電路變壓器中有直流分量，降低了變壓器的效率；整流電路的脈動成分太大，對濾波電路要求高，只適用于小電流整流電路。全波電路：變壓器與半波電路相同，但用四個二極管組成橋式電路，將次級線圈的正負半周都用起來，使得變壓器的次級線圈的繞組匝數(shù)加倍，中間抽頭，實際上由兩個次級線圈構(gòu)成，中間抽頭接負載一端，另兩個端子各串聯(lián)一個二極管后

21、接負載的另一端。經(jīng)常使用的整流電路是效率較高的全波整流電路，僅用電容器作為濾波器的電源電路有中心抽頭式和橋式，設(shè)計中選用三相橋式全控整流電路。3.3 三相橋式全控整流電路整流電路采用三相橋式全控整流電路，將電網(wǎng)輸入的三相50HZ交流電壓整成脈動直流電壓，三相橋式整流電路如圖3.晶閘管VT1，VT3，VT5接成共陰極，VT2,VT4,VT6接成共陽極，并于變壓器和負載分別構(gòu)成兩個三相半波可控整流電路，兩個三相半波可控整流電路串聯(lián)就構(gòu)成三相橋式全控整流電路，如圖4所示。三相橋式全控整流電路的輸出電壓是三相半波可控整流電路的兩倍，三相橋式全控整流電路的輸出電壓： Ud=2.34·U2

22、83;COS (3-1) 式中：Ud-輸出直流電壓平均值 U2-電網(wǎng)相電壓 -觸發(fā)角當(dāng)=0°時，對于共陰極組的晶閘管依次觸發(fā)陰極電位最低的，對于共陽極組的晶閘管依次觸發(fā)陽極電位最高的晶閘管，是晶閘管導(dǎo)通把一個周期分為六段。如圖5所示為不同觸發(fā)角時的整流波形。在AB段，a相電壓最高，電流從變壓器a相流出經(jīng)過負載AB和BA回到變壓器B相繞組，a相繞組內(nèi)電流為正，b相繞組內(nèi)電流為負，負載電壓Ud=Uab在AC段，a相電壓最高，晶閘管AB繼續(xù)導(dǎo)通，電流從變壓器a相繞組流出，經(jīng)過負載AB和CB。晶閘管BA承受反向電壓而關(guān)斷，所以電流回到c相繞組，b相繞組內(nèi)電流為正，c相繞組內(nèi)電流為負，負載電壓

23、Ud=Uac在AB和AC段內(nèi)，由于負載的電感量較大，流過AB的電流保持不變。在BC段內(nèi)，b相電壓最高，晶閘管BC因得到觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通，由于b點點位高于a點電位，所以晶閘管AB因承受反向電壓而關(guān)斷，電流從b相繞組流出。負載電壓Ud=Ubc。圖5為感性負載下，不同觸發(fā)角時的輸出波形。 圖5不同觸發(fā)角的輸出波形3.4 整流電路的參數(shù)計算 （1）二極管額定電壓值URRM二極管的耐壓值可根據(jù)（3-2）式確定，根據(jù)電網(wǎng)電壓，考慮其峰值，電壓波動等因素，取波動因數(shù)1.3，安全系數(shù)=1.5 VRRMUAC×2×1.3× (3-2)由于交流側(cè)電壓UAC=380V，帶入上式，可得：V

24、RRMUAC×2×1.3×= 380×2×1.3×1.5 =1047.774V（2）額定電流I：整流二極管的電流額定值根據(jù)其結(jié)溫確定， I2 tIR2t (3-3) 式中，IR-沖擊電流 -安全系數(shù)，=2 上式變形為， I·IR=2×1.3×IR=2×1.3×115.83=213A （3-4）VCH的選?。篤CH的耐壓和耐流和整流二極管的等級是相同的，由于頻率較高，常選取GTR,MOSFET,IGBT等工作頻率較高的自關(guān)斷器件。電力電容選擇：由于是6脈動整流波動，50HZ電網(wǎng)輸入，周期

25、為20ms，每個波動的時間為2064ms，由公式可得： Q=C×U=I×t （3-5） 式中，I=115.83A t=4ms U=600V得 C=772.2F可選取3000F400V的4個電容串聯(lián)，實際容量為750F，耐壓1600V。4.逆變電路4.1 逆變電路基本分類： 逆變器的類型除了基本電路有橋式和零式、三相和單相之分外，還有其它集中分法:(1)根據(jù)儲能元件的性質(zhì)來分 根據(jù)滯留環(huán)節(jié)中濾波和儲能元件的性質(zhì)，逆變器殼分為電壓型(源)和電流型(源)兩大類。采用大電容Cd作為濾波和儲能元件的逆變器稱為電壓型(源)逆變器;而采用大電感Ld作為濾波和儲能元件的逆變器稱為電流型(源

26、)逆變器。電容Cd可以保持直流電壓恒定，使直流環(huán)節(jié)猶如恒壓源，直流側(cè)的阻抗遠小于逆變器的輸出阻抗。電容Cd在逆變過程中提供負載所需的無功能量，并形成逆變器輸入端諧波分量的短路通道，使整流裝置產(chǎn)生的諧波分量不進入逆變器，逆變器產(chǎn)生的諧波分量也不進入電網(wǎng)，起交流隔離的作用。Cd通常稱儲能電容。 直流環(huán)節(jié)的電感Ld可使直流電流恒定，直流環(huán)節(jié)猶如恒流源，直流側(cè)的阻抗遠大于逆變器的阻抗。電感同樣起儲能和濾波作用，抑制諧波分量的進入與輸出，并在逆變器產(chǎn)生短路故障時，大電感具有良好的抑流作用，這是電流型逆變器的一個重要特點。（2）根據(jù)換流電容器的接法來分 為了換流，逆變器具有換流電容器，單換流電容器與負載并

27、聯(lián)連接時稱為并聯(lián)逆變器。當(dāng)換流電容與逆變器串聯(lián)實稱為串聯(lián)逆變器。 (3)根據(jù)換流電路結(jié)構(gòu)的特點來分 換流電路的結(jié)構(gòu)種類較多，基本上分為兩類，一類籍輔助晶閘管接通換流電路實現(xiàn)換流，另一類則不需要輔助晶閘管就殼實現(xiàn)換流。前者稱為麥克墨萊逆變器，后者如串聯(lián)二極管或串聯(lián)電感式逆變器。 (4)根據(jù)晶閘管導(dǎo)通的角度來分 逆變器中晶閘管可以導(dǎo)通180°，也可以導(dǎo)通120°，由此把逆變器分為180°導(dǎo)通型和120°導(dǎo)通型兩種。 (5)根據(jù)逆變器調(diào)壓方式來分 當(dāng)逆變器向感應(yīng)電動機供電時，為了獲得恒定的轉(zhuǎn)矩，頻率和輸出電壓應(yīng)按正比關(guān)系調(diào)節(jié)(即U/f=恒值)。調(diào)壓的方式有數(shù)種

28、，大致分兩類，一類是用類似斬波控制的脈寬調(diào)制方法，另一類則用階梯波調(diào)幅或移相等非脈寬調(diào)制的方法。從而有脈寬調(diào)制逆變器和非脈寬調(diào)制逆變器之分。 (6)根據(jù)半導(dǎo)體元件性質(zhì)來分除用逆阻型晶閘管(SCR)構(gòu)成逆變器外，還殼用逆導(dǎo)管及功率晶體管(GTR)構(gòu)成逆變器以簡化電路。此外用大功率的可關(guān)斷晶閘管(GTO)構(gòu)成不需要換流電路的逆變器，也已經(jīng)用于電力傳動。4.2 逆變器的工作原理把直流電能通過逆向變換，向交流電源反饋能量的逆變器稱為有源逆變器;若變換所得的交流電能，按要求的頻率和電壓直接向負載供電的逆變器成為無源逆變器。生產(chǎn)實踐中常要求把工頻交流電能或直流電能變成頻率和電壓都可調(diào)的或者固定的交流電能，

29、供給負載，以便實現(xiàn)交流電動機的變頻調(diào)速，或者為感應(yīng)加熱爐提供中頻電源，為電子計算機、醫(yī)用設(shè)備等重要裝置提供不停電的工作電源。這些用電裝置必須采用無源逆變器。近代的無源逆變器具有調(diào)頻調(diào)壓等性能。靜止變頻器按電源的種類可以分為交流一交流變頻器和直流一交流變頻器兩大類。前者直接將工頻轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧慕涣麟娔?，因此也稱為直接變頻器。后者把直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔?，因此稱逆變器。這種逆變器與有源逆變器相比，不是把變換成的交流電再反饋到交流電網(wǎng)中去，而是用來供給無源的負載使用， 圖6 單相橋式逆變電路原理圖因此是一種無源逆變器，它的換流比利用電網(wǎng)電勢換流的有源逆變器困難的多。無源逆變器由逆變電路的基本部分和換流

30、電路兩部分有機的組成，前者的電路結(jié)構(gòu)猶如一個逆方向工作的整流電路，它使電能從直流變成交流，這點是與有源逆變器相同的。后者則使前者實現(xiàn)換流，這是這種逆變器的特殊地方。逆變電路的基本部分從其結(jié)構(gòu)而言也像整流電路刀州洋，有零式(中間抽頭式)和橋式、單相和多相等等之分。圖6是一個單相橋式逆變電路的原理性示意圖，其中TI, T2和T3. T4兩組開關(guān)輪流接通時，負載R上就得到交流電壓UR，這是一個幅值為Ua的周期性交變電壓，負載電壓UR的頻率取決于兩組開關(guān)的切換頻率。圖7 輸出電壓波形t t3 t4 0 t1 t2 t5 t6 t V1 V4 V2 V3 V1 V4 V2 V3ON VD1VD4 VD2

31、VD3 VD1VD4 VD2VD3 圖8 輸出電流波形5 控制電路的設(shè)計 5.1控制電路的結(jié)構(gòu)及原理控制電路包括整流控制電路，逆變控制電路和保護電路。拓撲結(jié)構(gòu)如圖6， 圖6 感應(yīng)加熱電源控制電路整流控制電路根據(jù)各種輸入信號，發(fā)出寬度合適的脈沖，以便輸出合適的直流電壓。感應(yīng)加熱電源的特點是，隨著加熱過程的進行，負載溫度不斷變化，負載的固有諧振頻率變化，功率因數(shù)變化。設(shè)計中采用由整流側(cè)調(diào)節(jié)功率，逆變側(cè)進行頻率跟蹤的方案。逆變控制電路包括，開關(guān)器件的驅(qū)動電路，死區(qū)形成電路，鎖相環(huán)電路，其中，驅(qū)動電路所產(chǎn)生的脈沖次序和占空比由控制策略決定。死區(qū)形成電路在串聯(lián)諧振型中是必不可少的，鎖相環(huán)電路的目的是跟蹤

32、負載的諧振頻率，從而控制逆變電路的工作頻率，就是所謂的鎖相控制。采樣電壓一般取自負載電容兩端，因為電容對高次諧波的阻抗小，以此信號作為反饋可有效減小高次諧波信號的干擾。保護電路主要是防止過電流，短路保護。功率調(diào)節(jié)方式有三種：改變功率因數(shù)：通過改變工作頻率改變功率因數(shù)。為減小器件開關(guān)頻率，工作頻率應(yīng)大于諧振頻率，若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點附近負載等效阻抗最低，電流最大，輸出功率也最大。如圖9改變直流電壓：移相調(diào)功是通過移相控制，每個橋臂的兩個開關(guān)互補導(dǎo)通，兩個橋臂的導(dǎo)通角相差一個相位，通過調(diào)節(jié)移相角的大小調(diào)節(jié)負載電壓的寬度從而調(diào)節(jié)輸出功率，如圖10調(diào)頻調(diào)節(jié)輸出功率：高頻感應(yīng)加熱電源采用橋

33、式逆變電路，通過調(diào)頻的方式調(diào)節(jié)輸出功率。為減小器件開關(guān)損耗，其工作頻率應(yīng)大于諧振頻率。圖9 等效阻抗的頻率特性 圖10 移相控制開關(guān)動作5.2 控制電路的作用 （1）調(diào)節(jié)控制電路必須對整流電路，逆變電路等主電路部分進行功能控制，對整流電路，逆變電路必須在各種擾動下維持各參數(shù)不偏離其設(shè)定值。（2）當(dāng)各參量因各種故障偏離起設(shè)定值的極限值時，控制電路應(yīng)調(diào)節(jié)是整流電路工作于逆變狀態(tài)。（3）為了達到保護的目的，系統(tǒng)必須具有對各種參數(shù)進行測量和監(jiān)視的目的。（4）中頻加熱電源的負載頻率必須要實現(xiàn)自動跟蹤功能。5.3 控制策略工業(yè)中常用的中頻電源以并聯(lián)諧振逆變電路為主，調(diào)節(jié)方式采用單獨調(diào)節(jié)可控整流器輸出電壓的

34、方式。中頻電源的開環(huán)控制如圖11 圖 11 中頻電源開關(guān)原理控制過程：整流觸發(fā)控制角調(diào)節(jié)器把輸入控制信號UC轉(zhuǎn)化成控制角，可控整流電路在電網(wǎng)電壓為UC的情況下，把轉(zhuǎn)化成直流輸出電壓Ud;經(jīng)過濾波電感Ld，逆變器將輸入直流電壓Ud轉(zhuǎn)化為頻率為f的中頻電壓UN向負載輸出電能，負載電路將工件電壓轉(zhuǎn)換成工件溫度Tc，改變控制信號Uo即可改變工件溫度Tc。閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理如圖12 圖12 中頻電源控制原理電壓反饋電路把輸出中頻電壓UH轉(zhuǎn)換成反饋電壓Ur,后者與給定電壓Us相比較，產(chǎn)生差值電壓U，電壓調(diào)節(jié)器將此差值電壓放大，這樣系統(tǒng)在外界干擾下也能維持輸出電壓為恒定值。中頻感應(yīng)輸出功率PH與工件溫度Tc存

35、在：PH=C（Tc-TD）G0.24t0 (4-1)式中，-電源總效率，C-鍛件比熱容，t0-鍛件加熱時間，G-鍛件質(zhì)量TD-環(huán)境溫度PH=UH2RH (4-2)式中，UH-中頻電壓，RH-等效電阻UH2= C（Tc-TD）G0.24t0RH （4-3） 生產(chǎn)過程中，若要保持工件溫度在控制范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)中頻電壓UH即可達到調(diào)節(jié)鍛件溫度的目的，而中頻電壓在生產(chǎn)過程中會發(fā)生波動，且溫度控制具有一定的滯后性，故一般采用溫度和電壓雙閉環(huán)的方法控制鍛件溫度，溫度和中頻電壓串聯(lián)控制，溫度閉環(huán)為外環(huán)，電壓閉環(huán)為內(nèi)環(huán)，控制框圖如圖13 圖13 感應(yīng)加熱溫度控制系統(tǒng)外環(huán)根據(jù)給定控制溫度Tg和反饋工件的溫度Tr進行

36、PI調(diào)節(jié)后，設(shè)定給定電壓值Ug，內(nèi)環(huán)根據(jù)Ug和中頻反饋電壓Ur經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后通過整流控制角調(diào)節(jié)器設(shè)定整流的角，控制中頻電源的輸出功率。5.4 1KHz100KW感應(yīng)加熱電源控制電路結(jié)構(gòu)設(shè)計的1KHz100KW感應(yīng)加熱電源的控制電路是電流電壓雙閉環(huán)控制，采用電流為內(nèi)環(huán)電壓為外環(huán)的控制方式，如圖14圖14 1KHz100KW感應(yīng)加熱電源的控制電路圖中Ug為給定電壓，Uf為負載反饋電壓，Ig為負載給定電流，If為負載反饋電流。為三相全控整流橋的導(dǎo)通角，通過對主回路的三相全控整流橋的控制，實現(xiàn)對負載功率的控制。5.5 過電流和過電壓的保護電路 電力電子半導(dǎo)體器件特點之一就是承受過電流和過電壓的能力較差

37、，一旦遇到故障幾乎瞬間就燒壞。為了提高電力電子器件的可靠性，在留夠一定的電壓電流裕量外，還需采用一定的保護措施，過電壓是用阻容元件吸收和消耗過電壓的能量，或選用非線性元件限制過電壓的幅度，用電子電路來實施保護等方法。過電流一般采用快速熔斷器，快速直流開關(guān)和電子電路來實施過電流保護。設(shè)計中采用快速熔斷器的保護措施，使用時與被保護晶閘管直接串聯(lián)，如圖15圖為matlab控制電路仿真部分圖 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 5.6驅(qū)動電路設(shè)計 驅(qū)動電路的作用是將控制電路輸出的PWM脈沖放大到足以驅(qū)動IGBT，所以單從原理上講，驅(qū)動電路主要起開關(guān)功率放大作用，即脈沖放大作用器。其重要性在于IGBT的開關(guān)特性與驅(qū)動電路的

38、性能密切相關(guān)。5.6.1絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）對驅(qū)動電路的要求5.6.1.1門極電壓對開關(guān)特性的影響及選擇驅(qū)動電路的要求與IGBT的特性密切相關(guān)，見表5.1。設(shè)計門極驅(qū)動電路時，應(yīng)特別注意其開通特性、負載短路能力和引起的誤觸發(fā)等問題。正偏置電壓UGE增加，通態(tài)電壓UCE下降，開通能耗EON也下降，只有當(dāng)UGE大到一定值時，UCE才能達到較低的飽和值。若+UGE固定不變時，導(dǎo)通電壓將隨集電極電流增大而增高，開通損耗將隨結(jié)溫而升高。由此可知當(dāng)門極電壓在15V左右時，通態(tài)壓降接近飽和，但是門極電壓不能超過20V，否則可能擊穿門極與發(fā)射極之間的氧化膜，這里選擇18V。 表5.1 IGBT的門極

39、驅(qū)動與特性的關(guān)系特 性、負載短路能力條件 UCE大UCE 大RG 大 減小減小 增大微增大 增大減小增大減小減小負偏電壓-UGE直接影響IGBT的可靠運行，負偏電壓增高時漏極浪涌電流明顯下降，對關(guān)斷能耗無顯著影響，-UGE與集電極浪涌電流和關(guān)斷能耗EOFF的關(guān)系十分密切。因為當(dāng)IGBT關(guān)斷時，會在集電極和射極間產(chǎn)生很高的電壓上升率，引發(fā)較大的位移電流，使得門極與發(fā)射極間的電壓升高，可能超過門極閥值，導(dǎo)致脈沖浪涌電流過大，發(fā)生擎住效應(yīng)。為了避免這種誤觸發(fā)，在IGBT關(guān)斷時，應(yīng)在門極上加負電壓，-5V-10V。因此，驅(qū)動電路輸出選擇+18V和-5V為開通和關(guān)斷電壓。5.6.1.2門極串聯(lián)電阻對開關(guān)

40、特性的影響及選擇門極電阻增加，將使IGBT的開通與關(guān)斷時間增加；因而使開通與關(guān)斷能耗均增加。而門極電阻減小，則又使增大，可能引發(fā)IGBT誤導(dǎo)通，同時RG上的損耗也有所增加。因為RG的具體數(shù)值還與柵控電路的具體形式及IGBT的電壓、電流大小有關(guān)，所以門極電阻選擇要適當(dāng)。本設(shè)計中的門極電阻可選取30。綜上所述對驅(qū)動電路的要求可歸納如下：IGBT與MOSFET都是電壓驅(qū)動，都具有一個2.55.0V的閾值電壓，有一個容性輸入阻抗，因為IGBT對柵極電荷集聚較敏感，故驅(qū)動電路必須很可靠，要保證有一條低阻抗的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓

41、UGE有足夠陡的前后沿，使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。另外,IGBT開通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提供足夠的門極電壓，使IGBT不致退出飽和而損壞。驅(qū)動電路要能傳遞幾百Hz的脈沖信號。驅(qū)動電平+UGE也必須綜合考慮。+UGE增大時，IGBT通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負載短路時的IC增大，IGBT能承受短路電流的時間減少，對其安全不利，因此在有短路過程的設(shè)備中UGE應(yīng)選得小些，一般選1215V。在關(guān)斷過程中，為盡快抽取PNP管中的存儲電荷，需施加一負偏壓UGE，但它受IGBT的G、E間最大反向耐壓限制，一般取-2-10V。驅(qū)動電路與控制電路應(yīng)嚴格隔離。IGBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用，最好自身帶有

42、對IGBT的保護功能，并有較強的抗干擾能力。5.6.1.3 IGBT過壓的原因及抑制 IGBT關(guān)斷時，由于主回路電流的急劇變化，主回路的雜散電感引起高壓，產(chǎn)生開關(guān)浪涌電壓，由于此開關(guān)浪涌電壓，關(guān)斷時的電壓軌跡超過了RBSOA（反向偏置電壓安全動作區(qū)域）就會損壞元件。為了對這種過電壓進行抑制，采用適當(dāng)?shù)牟季€使主電路中的所有寄生電感減至最小時有利的，然后采用抑制網(wǎng)絡(luò)，并以最短的距離將其連接起來，在本系統(tǒng)中，采用的緩沖回路如下圖5.2所示：（1）工作原理 在IGBT導(dǎo)通時，通過R1使Cs1充電到直流電源U d。當(dāng)T1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，由于主回路的雜散電感，電流Io將通過Cs1、D1流向變壓器原邊，管

43、子兩端的電壓為電容電壓與二極管電壓之和，由于電容器Cs1上的電壓不能突變，所以T1管子兩端電壓將得到抑制。（2）緩沖器回路的設(shè)計1、緩沖器電容的計算：當(dāng)T1由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r，為維持負載電流的連續(xù)，電流Io將流過電容Cs1、D1、變壓器原邊、T4，雜散電感L中儲存的能量絕大部分將轉(zhuǎn)移到Cs1儲存，即： 圖5.2 緩沖器回路圖這里：- 主回路的雜散電感 - IGBT關(guān)斷時的集電極電流 - IGBT關(guān)斷時的集電極發(fā)射極電壓-直流電源電壓按經(jīng)驗選取2、緩沖器阻抗R的計算:對緩沖器阻抗的要求使IGBT在關(guān)斷信號到來之前，將緩沖器電容上的電壓放至直流電壓。若阻抗很小，會使電流波動，IGBT開通時的集電極電流初始值將增大，在滿足的前提下，希望選取盡可能大的阻值，選取R=10。在緩沖電路中，電容要選為無感電容。電阻要選為無感電阻。 3、緩沖器二極管的選擇：要選擇快恢復(fù)二極管，若二極管選擇不當(dāng)，會產(chǎn)生很高的尖峰電壓，同時在二極管反向恢復(fù)時期電壓波動。這里選擇二極管型號為MUR8100。由圖5-2可知緩沖器二極管D