50kw感应加热电源课设

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1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：50kW50kW感应加热电源初步设计感应加热电源初步设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 起止时间：起止时间：202015-12-24至至2016-1-3 本科生课程设计（论文） I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 电气 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号1303030学生姓名专业班级 课程设计 （论文

2、） 题目 50kW50kW感应加热电源初步设计感应加热电源初步设计 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能实现功能 先将交流电变成直流电，再将直流电变成 400HZ 以上的交流电，驱动电磁 线圈。产生高频交变磁场，在被加热的金属工件内产生磁滞损耗和涡流损耗， 产生热量而加热工作。 设计任务设计任务 1、方案的经济技术论证。2、主电路设计。3、逆变电路设计。4、通过计 算选择器件的具体型号。5、控制电路设计。6、绘制相关电路图。7、进行 matlab 仿真。8、完成设计说明书。 要求要求 1、1、文字在 4000 字左右。

3、 2、2、文中的理论分析与计算要正确。 3、3、文中的图表工整、规范。 4、元器件的选择符合要求。 技术参数技术参数 1、输入电压三相380V。2、输入交流电频率4565HZ。3、具有过流保护。 4、输出最大功率50KW。5、负载功率因数0.8。6、采用晶闸管中频感应或IGBT 高频感应方式均可。 进度计划 第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：输入整 流滤波电路设计；第 5 天：逆变电路设计；第 6 天：确定中频或高频变压器变 比及容量；第 7 天：控制电路设计；第 8 天：保护电路设计进行 matlab 仿真； 第 9 天：总结并撰写说明书；第 10

4、 天：答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） II 摘 要 本文对感应加热装置要求设计一个其所需求的一个感应加热电源。本电源的 引入使得感应加热装置的频率应变性得到增强，可跟踪负载的工作频率，使装置 效率提高，从而达到节能、节时的目的。 本课题是 50kW 加热感应加热电源的初步设计，该电源设计一个三相桥式整 流电路把三相工频交流电整流滤波成直流电，然后采用 IGBT 作为开关器件的电 压型逆变电路为本系统的逆变电路对直流电进行逆变。并通过双极性脉冲宽度调 制（SPWM）方式实现了对逆变器功率的控制。最后设计了控制电路

5、和保护电路， 对感应加热电源起着保护作用和可靠作用，最后通过 matlab 进行仿真验证本课 题可靠性。 关键词：感应加热；整流滤波；IGBT；逆变；仿真； 本科生课程设计（论文） III 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 电力电子技术概况 .1 1.2 本文设计内容 .2 第 2 章 50KW 感应加热电源电路初步设计3 2.1 感应加热电源初步设计总体设计方案 .3 2.2 感应加热电源具体电路设计 .4 2.2.1 主电路设计 .4 2.2.2 整流滤波电路设计 .4 2.2.3 逆变电路设计 .5 2.2.4 整流触发控制电路设计 .6 2.2.5 驱动电路设计 .7 2.2.6

6、逆变电路调制方式 .8 2.2.7 保护电路设计 .9 2.3 元器件型号选择 11 2.3.1 整流滤波电路参数计算与选择 11 2.3.2 逆变电路参数计算与选择 13 2.4 系统仿真 13 2.4.1 Matlab 仿真软件简介13 2.4.2 感应加热电源初步设计仿真模型建立 14 2.4.3 感应加热电源仿真波形及数据分析 14 第 3 章 课程设计总结 .17 参考文献 18 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 电力电子技术概况 感应加热电源对金属材料加热效率最高、速度最快、且低耗环保。他已经广 泛应用于各行各业对金属材料的热加工、热处理、热装配及焊接、熔炼等工

7、艺中。 感应加热电源由两部分组成，一部分是提供能量的交流电源，也称变频电源；另 一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈，也称感应器。 感应加热电源不但可以对工件整体加热，还能对工件局部针对性加热；可实 现工件的深层熟热，也可只对表面、表层集中加热；不但可对金属材料直接加热 也可对非金属材料间接加热等。因此，感应加热技术必将在各行各业中应用越来 越广泛。 用感应电流是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，也可用于局部退火或回火，有时也可用于整体淬火或回火。随着钢、铁、 铜、铝及合金各行各业的需要，感应融化设备受到青睐，越来越多行业运用到感 应加热设备，越来越多进入感应加热

8、设备行业运用到了感应加热设备。 感应加热是目前人类所知最快加热方式，传统加热方式是热传导，即由一个 物体将自身的热能量传递给另一个物体，而感应加热则是通过交变电流在电感线 圈中产生电流旋窝，也就是涡流，使处于线圈中的导磁性物体内的电子空穴运动 从而产生的热量。感应加热是传统加热方式的一次伟大革命。 感应加热装置由两部分组成，一部分是提供能量的交流电源，也称变频电源；另 一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈，称感应炉。 本科生课程设计（论文） 2 1.2 本文设计内容 本设计所要求的电源应该能够满足感应加热器工作在最佳状态下，感应加热 器的工作特性决定了其电源应该具有以下特性： 1、该电源应该

9、提供一个在大范围内连续可调的电流，以驱动负载线圈产生 一定的磁场。 2、由于本电源要应用于感应加热装置，所以，电源的频率要在一定范围内 连续可调。 3、电源的负载为感应加热器，即负载呈感性。因此应具有过电流保护电路 以抑制开、关电源等电流变化较大的场合所产生的瞬态电压对功率器件的冲击。 感应加热电源的技术参数： 1、输入三相电压 380V。 2、输入交流电频率 4565HZ。 3、输出最大功率 50KW。 4、负载功率因数 0.8。 本课题设计内容主要为交流变直流（AC-DC） 、直流变交流（DC-AC） 、控制电 路、保护电路等电路组成。 本科生课程设计（论文） 3 第 2 章 50kW 感

10、应加热电源电路初步设计 2.1 感应加热电源初步设计总体设计方案 本设计课题主要由三个部分组成：主电路、控制电路、驱动电路。主电路主 要由三相桥式整流电路和电压型逆变电路组成。结构框图如下所示。 图 2.1 感应加热电源主结构框图 当三相工频交流电 380V 输入电路时，通过主电路的三相桥式整流电路整流 后流经点解电容滤波得到直流电。然后直流电通过电压型逆变电路得到交流电。 通过控制电路及驱动电路来控制信号的稳定和可靠。 逆变器输出的脉宽调制波经 LC 低通滤波电路滤去高频分量，得到纯正的正 弦波交流电，再经变压器隔离变压得到设计所要求的电流和频率均可调的交流电 供给感应加热器的交流线圈。本设

11、计的核心和难点工作在于逆变器和 DSP 控制电 路的设计。逆变器部分主要包括逆变电路拓扑结构的选择及其功率开关器件参数 的设计和选择；控制部分则包括逆变驱动电路、控制电路等硬件电路的设计和 SPWM 信号波的产生和保护电路等部分的设计。 本科生课程设计（论文） 4 2.2 感应加热电源具体电路设计 2.2.1 主电路设计 逆变电路有电压型逆变电路和电流型逆变电路两种。两种电路具有一下特点： 电压型逆变器短路保护较为困难。电流型逆变器的短路保护则比较容易。电 压型逆变器工作时，开关管承受反压较大。电流型逆变器工作时，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。电压型逆

12、变 器的起动较为简单。电流型逆变器起动较为困难。电压型逆变器由于电压高， 电流小，对槽路布局要求较低。电流型逆变器则由于电压低，电流大而对槽路布 线要求很高。电压型逆变器工作更为可靠。电流型逆变器工作可靠性较差。 整流电路有三相半控整流电路、三相桥式整流电路、双反星形型整流电路以 及十二脉波可控整流电路等。根据课题合适及节约等情况，本课题采用三相桥式 整流电路。即主电路设计如下图。 图2.2 感应加热电源主电路图 2.2.2 整流滤波电路设计 目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理如下图 所示， 本科生课程设计（论文） 5 图 2.3 三相桥式整流滤波电路 习惯将其中

13、阴极连接在一起的三个晶闸管（D1、D3、D5）称为共阴极组； 阳极连接在一起的三个晶闸管（D2、D4、D6）称为共阳极组。输出整流电压Ud 的波形是三组整流电压波形之和，改变共阴极组晶闸管的控制角度，可获得0 2.34U2d的直流电压。假定负载电感L足够大，可以认为负载电流在整个稳态工作 过程中保持恒值，因此不论控制角为何值，负载电流总是单向流动，而且变化 很小。在感应加热电源开机启动时通过调节晶闸管的导通角来实现软启动，限制 冲击电流不超过电源满载时的额定电流。软启动结束后，可控硅/整流桥的导通角 最大，此时相当于标准的整流桥。整流后通过电解电容Cd滤波得到平稳的直流送 到逆变器。高频滤波电

14、容Ch 用于提供高频无功电流的通路。电抗器Ld 主要起限 流作用，限制流过整流桥电力二极管的电流尖峰，改善网侧的功率因数。 2.2.3 逆变电路设计 其电路具有以下特点：（1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电 压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；（2）由于直流电压源的 钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关；（3）为了 给交流侧向直流才反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。 本科生课程设计（论文） 6 图 2.4 三相电压型桥式逆变电路 如上图所示为三相电压型桥式逆变电路，和单相半桥、全桥逆变电路相同， 三相电压型桥式逆变电路的基本工作方

15、式也是 180 度导电方式，即每个桥臂的导 电角度为 180 度，同一相上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差 120 度。这样，在任一瞬间，将有三个桥臂同时导通。可能是上面一个桥臂，下 面两个桥臂，也可能是上面两个桥臂下面一个桥臂导通。因为每次换流都是在同 一相上下两个桥臂之间进行，因此被称为纵向换流。 2.2.4 整流触发控制电路设计 晶闸管的导通条件除了其阳极必须承受正向电压之外，还必须同时满足门极 上加正向电压。同时根据普通晶闸管门极的特性，一旦门极加正向电压使晶闸管 导通后，门极上电压就失去了作用。因此，使晶闸管导通的门极电压可以用交流 正半周的一部分，也可用直流，还可用短

16、暂的正脉冲电压。为门极提供触发电压 与电流的电路称为触发电路，他决定每个晶闸管的触发导通时刻，是晶闸管装置 中的重要部分，触发电路一般多为移相触发电路。 晶闸管触发电路通常由同步移相、脉冲形成及脉冲放大输出等三部分组成。 同步移相环节用于实现触发电路与主电路的同步及控制发出触发脉冲的时刻；脉 冲形成环节在同步移相环节的控制下，利用开关电路与电容的充放电产生触发脉 冲；而脉冲放大输出环节则将所形成的脉冲进行功率放大后通过脉冲变压器等元 部件将脉冲送到晶闸管的门极上去进行触发控制。晶闸管触发电路的形式很多， 本设计采用 JK 系列触发器。集成电路 KJ 系列触发器利用在起动瞬间三相干扰触 本科生课程设计（论文） 7 发脉冲同时存在的特点，设计出抗干扰电路，消除了在按下起动按钮的瞬间出现 的干扰触发脉冲。利用电容的滤波作用，