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1、洛阳理工学院洛阳理工学院毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告院（部）：电气工程与自动化 2016 年 3 月 18 日 课题名称基于 IGBT 的并联谐振感应加热电源的研究学生姓名彭付龙专业班级电气工程及其 自动化 （B12040219）课题类型工程设计指导教师王璇职称讲师课题来源生产1.综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义国内外的研究现状感应加热作为新兴工业领域，在近年来得到了长足发展。随着人们对能源 与环境的日益关注，具有节能、环保优点的感应加热技术在现代化生产中占据 越来重要的地位。感应加热电源经历了从电子管感应加热为主导到现在以固态 感应加热为主导的过程。尤其是六
2、十年代以后，电力电子器件的相继开发和其 控制技术的不断发展，使固态感应加热也得到了飞速发展。目前，在中频（150Hz10kHz）范围内，自 20 世纪 60 年代，额定电流达 300A 晶闸管的问世，使得在技术和经济性方面的障碍得以解决，并导致了中频 发电机式中频电源的淘汰。按同等功率输出，晶闸管中频电源比中频机组要节 能 30%40%，所以固态中频电源在国内外得到了长足发展。1995 年，美国日 内瓦钢铁公司有了 42MW 中频感应炉的问世。近期，印度 electrotherm 公司也 宣布开发出 10MW/5kHz 的产品。在我国也开发出 100kW3000kW 的系列产品。 但国内中频电
3、源采用串联谐振拓扑结构的很少，多数都采用并联谐振拓扑，因 此串联型中频电源成为未来的研发方向。在超音频（10kHz100 kHz）范围内，由于晶闸管开关速度的影响，较高 频段的设备开发受到限制。八十年代后期，许多新型电力电子器件成功开发， 尤其是 IGBT 的出现使感应加热做到更高频率得到实现。1994 年，日本采用 IGBT 研制出了 1200kW/50kHz 电流型感应加热电源，并实现了微机控制。在英 国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电源设备容量已达数千千瓦。目 前，美国 Indutoheat 公司推出 400kW1.5MW/30kHz 的产品，在世界上具有领 先水平。国内超音频感
4、应加热电源的系列化产品达到了 10kW 5000kW ，10kHz50kHz 的制造水平，与国外的研制水平仍有一定的差距。在高频（100kHz 以上）段，目前，国外正处在从传统的电子管感应加热电 源向固态感应加热电源的过渡。大功率高频固态感应加热设备的逆变功率器件 采用的逆变功率器件有 SIT 和 MOSFET 器件。德国在 1987 年研制的电流型 SIT 感应加热电源水平达到 1200kW/200kHz。自从 MOSFET 的大量应用，各国高 频电源容量日益增长。西班牙采用 MOSFET 的电流型感应加热电源生产出 600kW/400kHz 系列产品；比利时 Inducto Elphiac
5、 公司的电流型 MOSFET 高频 感应加热电源 1000kW/15kHz600kHz 产品也投入市场14-16。我国在 20 世纪五十年代中期，中国科学研究院长春光机所已研制出火花式高频电源，1958 年，天津广播器材厂与北京广播器材厂相继研究出 200300kHz，30kW、60kW、100kW 的电子管高频电源。目前国内也有多家企业和学校进行高频电源设备的 研发，如保定三伊天星电气有限公司已经推出采用 MOSFET 为逆变功率器件的60kW1200kW/100kHz400kHz 系列的产品。课题研究的背景和意义从感应加热电源开始应用于工业领域以来，已经过去一个多世纪。与传统 方法比，感应
6、加热电源具有许多优点，例如：易于达到较高温度、加热速度较 快、加热效率高、环境污染小、工作条件好、占地面积小、设备易于制造等， 因此广泛地应用于国民经济和社会生活中。在机械制造工业和冶金工业方面， 感应加热电源主要用于淬火、熔炼、透热、焊接及烧结等领域1。它不但可对 金属材料直接加热，而且也可对非金属材料进行间接式加热，如单晶硅的加热 拉伸、半导体的提纯、有机涂层的固化、人造宝石的熔炼等。另外，感应加热 技术也在不断地进入人们的家庭生活领域当中，例如电磁炉便采用了感应加热 技术 。感应加热电源是实现感应加热工艺要求的关键设备之一。它输出所需频率 的交流电能给工件，以完成能量的传递。随着 MOS
7、FET、IGBT 器件的相继出 现，感应加热装置也有了很大发展，尤其是固态感应加热装置得到较广泛的应 用3。固态感应加热电源的电路结构如图 1-1 所示。图中，整流电路是三相不 控整流或三相不可控整流，它将 50Hz 交流电转换为直流电 DC；逆变器将 DC 转换为感应加热负载所需频率的交流电 AC；整流控制电路为可控整流电路提 供移相控制触发脉冲，逆变控制电路为逆变电路提供驱动脉冲。负载反馈信号 提供保护检测及频率跟踪信号。2. 研究的基本内容，拟解决的主要问题本文主要进行并联型 IGBT 感应加热电源逆变控制技术的研究，重点解决 逆变器工作频率对加热过程中负载谐振频率的跟踪、逆变小容性工作
8、状态的精 确控制和过压、过流保护电路的设计，对控制策略进行了详细的分析和设计， 建立了 Simulink 仿真模型，得出仿真和试验结果。本论文的主要工作如下：（1）分析了串联型和并联型感应加热电源的电路结构，并对其异同点进行 了对比研究。（2）分析了并联型逆变器的换流过程。（3）设计了并联型逆变电路的定角锁相控制电路，在 Matlab/Simulink 环 境下建立整个电源系统的仿真模型，并对部分电路进行硬件设计和实验验证。（4）针对并联型感应加热电源，设计了一套逆变侧过压、过流保护电路， 保证了并联型感应加热电源的安全高效运行。3. 研究步骤、方法及措施本章首先对感应加热技术的基本原理进行了
9、研究，了解了集肤效应、 圆环效应、邻近效应及透热深度的含义与产生原因。接着对固态感应加热 电源的两种电路拓扑结构的异同点进行了对比。1、针对方向进行相关的资料文献积累，收集相关资料，深入分析总结;2、结合本人在本科阶段的学科知识，从前人的研究成果出发，借鉴他人的研究方法，在对前人的研究成果上进行深化和系统化的基础上，建立设计的初步框架;3、认真学习和论证4、完成设计要求和毕业答辩。4. 研究工作进度1 3 周 查阅课题相关文献，储备知识，搜集数据；4 7 周 总结本课题的主要目标，进行软、硬件设计；89 周 进行调试和运行，撰写论文；1012 周 修改论文，准备答辩。5. 主要参考文献1 杨军
10、. IGBT 超音频感应加热电源相位跟踪的研究 北京: 清华大学 20042 夏小荣. 高频感应加热电源D. 杭州: 浙江大学, 20034 干于. 超音频感应加热电源的锁相控制策略D. 浙江大学学位论文. 杭州: 浙江大学, 20066 熊爱明. 高频感应加热电源的研究D. 杭州: 浙江大学, 20039 张志远, 陈辉明. 感应加热电源的最新发展J. 机械工人, 1999, 3: 6-710 全亚杰. 感应加热电源的发展历程与动向J . 电焊机, 2001, 31(11): 3-611 李亚斌. 固态高频感应加热电源控制技术的研究D. 保定: 华北电力大 学, 200812 汪义旺. 新型
11、中频感应加热电源控制系统的研究D. 无锡: 江南大学,200813 林渭勋. 可控硅中频电源M . 北京: 机械工业出版社, 1983: 193-20414 张晓丽. 并联型逆变器定角控制的研究D. 保定: 华北电力大学, 2004 20 张新. 超音频串联感应加热电源的研究D . 南宁: 广西大学,200615 刘永丰. 感应加热电源负载匹配技术的研究D. 保定: 华北电力大学,200816 白平. 超高频感应加热电源的研究D. 成都: 四川大学, 200517 潘天明. 工频和中频感应炉 北京: 冶金工业出版社, 1981: 1-518 潘天明. 现代感应加热装置 北京: 冶金工业出版社,
12、 1996: 49-5219 李守智. 500KWIGBT 并联谐振感应加热电源研制D. 西安: 西安理工大 学, 2008 20 毛鸿, 吴兆麟, 侯振程. 感应加热电源无相差频率跟踪控制电路J. 电力电子技术, 1998, 32(2) : 69-7221 陈还. 通信系统定时恢复问题的研究D. 上海: 上海交通大学, 201022 梁宝明. 基于 ADPLL 逆变器频率跟踪控制方法的研究D. 保定: 华北电 力大学, 200423 潘如峰. 高频感应加热电源技术的研究D . 杭州: 浙江大学，200424 常树华. 可控硅全桥并联和 IGBT 半桥串联的逆变固体电源性能讨 .机械管理开发, 2009, 24(6) : 16-1825 周伟松, 赵前哲, 周景春, 等. IGBT 超音频电源保护系统研究J. 电力电 子技术, 2005, 39(4): 84-85, 114攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果1 王永星, 彭咏龙, 李亚斌. IGBT 并联型逆变器定角控制的研究. 电力科学与 工程, 2011, 27(2): 13-162 王永星, 彭咏龙, 李亚斌. IGBT 中频感应加热电源的研究. 电源技术应用,教学系意见系主任签字： 年 月 日
