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1、电力电子技术电力电子技术模块五模块五 中频感应加热电源的中频感应加热电源的安装与维护安装与维护DC/DC变换电路任务二任务一中频感应加热电源概述任务三逆变主电路随着我国工业化进程的飞速发展，感应加热领域也在快速发展。由于环保要求及煤炭涨价，用焦煤加热不仅不符合环保要求，而且在价格和经济上也非常不合算。中频感应加热电源在车刀、铣刀、金刚石工具、薄壁钻头等工具的钎焊方面，小零件热处理，金、银、铜等贵金属的熔炼方面具有广泛的应用，具有节能、效率高、环保、加热快等优点。图5-1所示为常见的中频感应加热装置。模块五模块五 中频感应加热电源的中频感应加热电源的安装与维护安装与维护模块五模块五 中频感应加热
2、电源的中频感应加热电源的安装与维护安装与维护图5-1 中频感应加热装置（1）了解中频感应加热电源的基本原理及应用。 （2）掌握中频感应加热电源的组成和各部分电路的工作原理。 （3）掌握触发电路与主电路电压同步的概念及实现同步的方法。 （4）了解常用的中频感应加热电源的使用注意事项。 （5）熟悉中频感应加热装置的安装、调试及简单的故障维修方法。 （6）了解三相有源逆变电路的工作原理及有源逆变电路的应用。 模块五模块五 中频感应加热电源的中频感应加热电源的安装与维护安装与维护中频感应加热电源装置是一种利用晶闸管元件把三相工频电流变换成某一频率的中频电流的装置，广泛应用在感应熔炼和感应加热的领域。模
3、块五模块五 中频感应加热电源的中频感应加热电源的安装与维护安装与维护中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一 中频感应加热电源概述 一、感应加热的原理感应加热的原理1.1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，并提出了相应的理论解释。其内容为：当电路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如果闭合就会产生感应电流，电流的热效应可用来加热。中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一例如，图5-2中的两个线圈相互耦合在一起，在第一个线圈中突然接通直流电流（即将图中开关S突然闭合）或突然切断电流（即将图中开关S突然打开），此时在第二个线圈所接的电流表中可以看出有某一
4、方向的摆动。这种现象称为电磁感应现象，第二个线圈中的电流称为感应电流，第一个线圈称为感应线圈。图5-2 电磁感应中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一若第一个线圈的开关S不断地接通和断开，则在第二个线圈中也将不断地感应出电流。每秒内通断次数越多（即通断频率越高），则感应电流将会越大。若第一个线圈中通以交流电流，则第二个线圈中也感应出交流电流。不论第二个线圈的匝数为多少（即使只有一匝）都会感应出电流。如果第二个线圈的直径略小于第一个线圈的直径，并将它置于第一个线圈之内，则这种电磁感应现象更为明显，因为这时两个线圈耦合得更为紧密。中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一如果在一个钢管
5、上绕了感应线圈，钢管可以看作有一匝直接短接的第二线圈。当感应线圈内通以交流电流时，在钢管中将感应出电流，从而产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流，达到加热的效果。平常在50 Hz的交流电流下，这种感应电流不是很大，所产生的热量使钢管温度略有升高，不足以使钢管加热到热加工所需温度（通常为1 200 左右）。增大电流和提高频率（相当于提高了开关S的通断频率）都可以增加发热效果，则钢管温度就会升高。控制感应线圈内电流的大小和频率，可以将钢管加热到所需温度进行各种热加工。所以感应电源通常需要输出高频大电流。中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一利用高频电源加热的方法利用高频电源加热的方法2
6、.利用高频电源来加热通常有两种方法：电介质加热（利用高频电压，如微波炉加热等）和感应加热（利用高频电流，如密封包装等）。中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一1 1）电介质加热）电介质加热电介质加热（dielectric heating）通常用来加热不导电材料，如木材、橡胶等，微波炉就是利用这个原理，如图5-3所示。图5-3 电介质加热示意图中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一当高频电压加在两极板层上，就会在两极之间产生交变的电场。需要加热的介质处于交变的电场中，介质中的极性分子或离子就会随着电场做同频的旋转或振动，从而产生热量，达到加热效果。中频感应加热电源概述中频感应加热
7、电源概述任务一2 2）感应加热）感应加热感应加热（induction heating）原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流，从而达到加热的效果，如图5-4所示。 图5-4 感应加热示意图中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一 中频感应加热电源的组成 二、目前应用较多的中频感应加热电源主要由可控或不可控整流电路、滤波器、逆变器和一些控制保护电路组成。逆变器把直流电转变成频率较高的交流电送给负载。中频感应加热电源组成框图如图5-5所示。图5-5 中频感应加热电源组成框图中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一整流电路整流电路1.中频感应加热电源装置的整流
8、电路设计一般要满足以下要求。 （1）整流电路的输出电压在一定的范围内可以连续调节。 （2）整流电路的输出电流连续，且电流脉动系数小于一定值。 （3）整流电路的最大输出电压能够自动限制在给定值，而不受负载阻抗的影响。 （4）当电路出现故障时，电路能自动停止直流功率输出，整流电路必须有完善的过电压、过电流保护措施。 （5）当逆变器运行失败时，能把储存在滤波器的能量通过整流电路返回工频电网，保护逆变器。 中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一逆变电路逆变电路2.由逆变晶闸管、感应线圈、补偿电容共同组成逆变器，将直流电变成中频交流电供给负载。为了提高电路的功率因数，需要调谐电容器向感应加热负载
9、提供无功能量。根据电容器与感应线圈的连接方式可以把逆变器分为以下几种。 （1）串联逆变器。电容器与感应线圈组成串联谐振电路。 （2）并联逆变器。电容器与感应线圈组成并联谐振电路。 （3）串、并联逆变器。综合以上两种逆变器的特点。中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一平波电抗器平波电抗器3.平波电抗器在电路中起到很重要的作用，归纳为以下几点。 （1）续流。保证逆变器可靠工作。 （2）平波。使整流电路得到的直流电流比较平滑。 （3）电气隔离。它连接在整流和逆变电路之间，起到隔离作用。 （4）限制电路电流的上升率（di/dt），逆变失败时，保护晶闸管。 中频感应加热电源概述中频感应加热电源概
10、述任务一平波电抗器的主要参数是额定电流和电感量，电感量的计算依据如下。 （1）保证电流连续所需要的电感量。 （2）限制电流脉动所需要的电感量。 （3）抑制环流所需要的电感量。 中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一一般情况下，平波电抗器的计算步骤如下。 （1）根据给定原始数据L和Id计算Id2L。 （2）根据选用的硅钢片的磁化曲线确定B0。 （3）根据选用的导线的绝缘材料和冷却方式选取电流密度。如选用自然冷却的铜导线，取安全载流量J=250 A/cm2的铜导线。中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一控制电路控制电路4.中频感应加热装置的控制电路比较复杂，可以包括以下几种：整流触
11、发电路、逆变触发电路和起动停止控制电路。 （1）整流触发电路。整流触发电路主要是保证整流电路正常可靠工作，产生的触发脉冲必须达到以下要求。 产生相位互差60的脉冲，依次触发整流桥的晶闸管。 触发脉冲的频率必须与电源电压的频率一致。 中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一采用单脉冲时，脉冲的宽度应该大于90，小于120。采用双脉冲时，脉冲的宽度为2530，脉冲的前沿相隔60。 输出脉冲有足够的功率，一般为可靠触发功率的35倍。 触发电路有足够的抗干扰能力。 控制角能在0170平滑移动。中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一（2）逆变触发电路。加热装置对逆变触发电路的要求如下。 具
12、有自动跟踪能力。 具有良好的对称性。 有足够的脉冲宽度和触发功率，脉冲的前沿有一定的陡度。 有足够的抗干扰能力。 中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一（3）起动停止控制电路。起动停止控制电路主要控制装置的起动、运行和停止，一般由按钮、继电器、接触器等电气元件组成。中频感应加热电源概述中频感应加热电源概述任务一保护电路保护电路5.中频感应加热装置的晶闸管的过载能力较差，系统中必须有比较完善的保护措施，比较常用的有阻容吸收装置和硒堆（抑制电路内部过电压），电感线圈、快速熔断器等元件（限制电流变化率和过电流保护）。另外，还必须根据装置的特点，设计安装相应的保护电路。整流主电路整流主电路任务
13、二 三相半波可控整流电路 一、三相半波不可控整流电路三相半波不可控整流电路1.为了更好地理解三相半波可控整流电路，我们先讲述由二极管组成的不可控整流电路，如图5-6(a)所示。此电路可由三相变压器供电，也可直接接到三相四线制的交流电源上。变压器二次侧相电压有效值为U2，线电压为U2L。其接法是三个整流管的阳极分别接到变压器二次侧的三相电源上，而三个阴极接在一起后接到负载的一端，负载的另一端接到整流变压器的中线，形成回路。此种接法称为共阴极接法。整流主电路整流主电路任务二图5-6(b)所示为三相半波不可控整流电路的波形图。ud是输出电压的波形，uD1是二极管承受的电压的波形。由于整流二极管导通的
14、唯一条件就是阳极电位高于阴极电位，而三只二极管又是共阴极连接的，且阳极所接的三相电源的相电压是不断变化的，所以哪一相的二极管导通就决定于其阳极所接的相电压ua、ub和uc中哪一相的瞬时值最高，则与该相相连的二极管就会导通。其余两只二极管则因承受反向电压而关断。整流主电路整流主电路任务二例如，在图5-6(b)中的t1t2区间，u相的瞬时电压值ua最高，因此与a相相连的二极管VD1优先导通，与b相、c相相连的二极管VD2和VD3则分别承受反向线电压uba、uca而关断。若忽略二极管的导通压降，此时，输出电压ud就等于a相的电源电压ua。同理，在t2t3区间，由于b相的电压ub开始高于a相的电压ua
15、而变为最高，因此电流就要由VD1换流给VD2，VD1和VD3又会承受反向线电压而处于阻断状态，输出电压udub。同样在t3以后，因c相电压uc最高，所以VD3导通，VD1和VD2受反压而关断，输出电压uduc。以后又重复上述过程。整流主电路整流主电路任务二图5-6 三相半波不可控整流电路及其波形 整流主电路整流主电路任务二可以看出，三相半波不可控整流电路中的三个二极管轮流导通，导通角均为120，输出电压ud是脉动的三相交流相电压波形的正向包络线，负载电流波形形状与ud相同。 其输出直流电压的平均值Ud为 整流二极管承受的电压的波形如图5-6（b）所示。以VD1为例，在t1t2区间，VD1导通，
16、所以uD1为零。整流主电路整流主电路任务二在t2t3区间，VD2导通，则VD1承受反向电压uab，即uD1uab；在t3t4区间，VD3导通，则VD1承受反向电压uac，即uD1uac。从图中还可看出，整流二极管承受的最大反向电压就是三相交压的峰值，即 从图5-6(b)中还可看到，t1、t2、t3这三个点分别是二极管VD1、VD2和VD3的导通起始点，即每经过其中一点，电流就会自动从前一相换流至后一相，这种换相是利用三相电源电压的变化自然进行的，因此把t1、t2、t3点称为自然换相点。整流主电路整流主电路任务二三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2.三相半波可控整流电路有两种接线方式，分别为共阴极、共阳极接法。由于共阴极接法触发脉冲有共用线，使用调试方便，所以三相半波共阴极接法常被采用。整流主电路整流主电路任务二1 1）三相半波共阴极可控整流电路）三相半波共阴极可控整流电路（1）电路结构。将图5-6（a）中的三个二极管换成晶闸管就组成了共阴极接法的三相半波可控整流电路。如图5-7（a）所示，电路中，整流变压器的一次侧采用三角形联结，防止三次谐波进入电网。二次侧采用星形联结，可以引出
