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1、河南科技大学毕业设计论文感应加热逆变电源设计摘要感应加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，已成为冶金、国防、机械加工等部门及船舶、飞机、汽车等制造业不可缺少的技术。此外感应加热正不断的进入人们的家庭生活中，例如电磁炉等都是依靠感应加热原理工作的。感应加热电源的发展趋势是高频化、大容量化、智能化和绿色化。目前的高频感应加热电源频率在几百千赫左右技术比较成熟。本文以串联半桥感应加热电源为研究对象，首先在介绍感应加热的原理基础上，阐述了感应加热电源的特点、国内外发展状况及应其发展趋势。其次介绍了串联全桥逆变电路与串联半桥逆变电路的优缺点, 半桥串联谐振逆变器具有结构简单，控制容易，有良好的经
2、济效益等特点，故此，分析了串联半桥逆变桥的工作原理。再次，在设计了一个串联半桥逆变电路的基础上，对各个器件的具体电路参数进行计算，并合理选择元器件。最后，在一台半桥串联谐振电源上，通过改变整流滤波后的电压，测试了桥臂电压波形，并对波形进行简要分析，得出感应加热电源应尽量避免空载等实验结论。关键词：感应加热；串联谐振；半桥串联谐振逆变器；IGBT； A Design Of Induction Heating Power InverterAbstractInduction heating can be used for metal smelting, diathermy, heat reatmen
3、t and welding process, the manufacturing sector has become an indispensable technology in metallurgy, defense, machining and other departments and ships, airplanes, cars and so on. Besides induction heating is constantly entering peoples family life, such as induction cooker, etc. are relying on the
4、 principle of induction heating work. Induction heating power supply is the development trend of high-frequency, high-capacity, intelligent and green. The current high-frequency induction heating power of about a few hundred kilohertz frequency technology is relatively mature.In this paper, the seri
5、es half-bridge induction heating power supply for the study, first principles on the basis of introduction of induction heating, induction heating power supply elaborated characteristics, domestic development and should its development trend. Secondly, it introduces the advantages and disadvantages
6、of full-bridge inverter circuit in series with a series of half-bridge inverter circuit, half-bridge resonant inverter series has a simple structure, easy to control, good economic returns, etc. Therefore, the inverse analysis of the half-bridge series variable working principle of the bridge. Again
7、, on the basis of a series of half-bridge inverter circuit designed on the specific circuit parameters were calculated for each device, and a reasonable choice of components. Finally, in a half-bridge series resonant power supply voltage by changing the rectifier filter after testing the leg voltage
8、 waveform, and the waveform is a brief analysis, the induction heating power should avoid no-load and other experimental results.Keywords: induction heating; series resonance; series resonant half-bridge inverter; IGBT；waveforms目 录第一章 概 述11.1课题研究的背景11.2 感应加热的基本原理21.3 感应加热电源的特点41.4国内外发展及现状51.5 感应加热的发
9、展趋势6第二章 半桥串联谐振逆变器的主电路82.1 全桥串联谐振逆变电路82.2半桥串联谐振逆变电路92.3半桥串联逆变器工作原理10第三章 主电路参数计算与选取123.1原始数据123.2变压器的设计123.3 确定整流晶闸管的参数133.4 LC滤波器的设计143.5 确定IGBT管参数143.5.1 额定电压153.5.2 额定电流153.6 半桥高频电容的参数计算及选择163.7 计算感应加热线圈的电感及主电路谐振电容173.8 本章小结174第四章 实验结果及波形分析184.1 实验结果184.2 实验结论和小结20结 论21参考文献22致 谢2425第一章 概 述1.1课题研究的背
10、景早在十九世纪初，人们就发现了电磁感应现象：处于交变磁场的导体内会产生电流，从而引起导体发热。但是，这种发热长时间以来只是作为一种损耗而被人们关注。十九世纪末，人们才开始试图利用这种发热，于是用于产生这种发热的设备感应加热设备诞生了。感应加热主要用于金属熔炼、焊接、烧结、钢管焊缝、热装配、金属热处理等领域。由于感应加热具有加热速度较快、温度容易控制、加热效率高、无需预热、污染小、占地面积小、设备制造方便等诸多优点，因此广泛地应用于生产和生活当中。它不仅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，在航空工业等
11、需要精密焊接处理的领域中，感应加热在对某些材料或零件进行特殊处理方面所起到的作用也是不可替代的。如今，感应加热也开始渗透到了人们的日常生活中，如电磁炉等以感应加热原理制造的电器，为人们的日常生活提供了极大地方便。感应加热电源是感应加热工艺实现的主要设备。它可以将直流电转变为高频率的交流电，进而产生交变磁场，处于交变磁场的导体感应出涡流，从而使导体加热。随着电力电子技术的迅速发展，感应加热装置的面貌也日新月异，伴随着MOSFET、IGBT等电力电子器件的相继出现，掀起了感应加热装置的革命，固态感应加热装置已逐步取代电子管式感应加热装置，在很多方面得到较广泛的应用。感应加热电源主要由整流器、逆变器
12、、负载及控制和保护电路组成，其电路结构如图11所示。整流器一般为三相不控整流或三相可控整流，它的作用是将三相工频交流电转换为直流电；然后经过滤波器滤除杂波后送到逆变器，逆变器将其转换为负载所需频率的交流电，以加热工件；整流控制电路和逆变控制电路分别为整流器和逆变器上的开关器件提供所需的脉冲信号。图1.1 感应加热电源基本结构框图111.2 感应加热的基本原理根据电磁感应定律，处于交变磁场中的导体两端会产生感应电动势，当导体为闭合回路时，导体中会有电流通过。感应加热的基本原理是根据电磁感应定律，利用被加热金属工件中感生的涡电流对金属工件进行加热。如图12所示，当交流电通过感应线圈f时，在其内部会
13、形成一个与f同频率的交变磁通西，处于线圈内的金属工件两端会产生感应电动势，从而产生涡流使金属工件材料发热。假定缠绕在会属工件上的线圈匝数为N，则根据麦克斯韦尔(MAXWELL)电磁方程式，可得出感应电动势e为：式中p金属工件的电阻率(cm);金属工件的相对磁导率，对于非磁性材料来说，=1；f金属工件的电流频率(Hz)。如果磁通是交变得，设，则有效值为：感应电势E在工件中产生感应电流使工件内部开始加热，其焦耳热为：式中： 感应电流有效值（安），R工件电阻（欧），t时间（秒）。这就是感应加热的原理。感应加热与其它的加热方式，如燃气加热，电阻炉加热等不同，它把电能直接送工件内部变成热能，将工件加热。
14、而其他的加热方式是先加热工件表面，然后把热再传导加热内部。金属中产生的功率为：感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面大小、截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁特性等有关。在感应加热设备中存在着三个效应集肤效应、近邻效应和圆环效应。集肤效应：当交变电流通过导体时，沿导体截面上的电流分布式部均匀的，最大电流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象称为集肤效应。近邻效应当两根通有交流电的导体靠得很近时，在互相影响下，两导体中的电流要重新分布。当两根导体流的电流是反方向时，最大电流密度出现在导体内侧；当两根导体流的电流是同方向时，最大电流密度出现在导体外侧，这种现象称为近邻
15、效应。圆环效应：若将交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称为圆环效应。感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备。在感应线圈中置以金属工件，感应线圈两端加上交流电压，产生交流电流，在工件中产生感应电流。此两电流方向相反，情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。当电流和感应电流相互靠拢时，线圈和工件表现出邻近效应，结果，电流集聚在线圈的内侧表面，电流聚集在工件的外表面。这时线圈本身表现为圆环效应，而工件本身表现为集肤效应。 交变磁场在导体中感应出的电流亦称为涡流。工件中产生的涡流由于集肤效应，沿横截面由表面至中心按指数规律衰减，工程上规定，当涡流强度从表面向内层降低到其数值等于最大涡流强度的1/e(即36.8% )，该处到表面的距离称为电流透入深度。由于涡流所产生的热量与涡流的平方成正比，因此由表面至芯部热量下降速度要比涡流下降速度快的多，可以认为热量(8590%)集中在厚度为的薄层中。透入深度由下式确定：式中: 工件电阻率（m ）, 。真空磁导率410(H/m). 工件磁导率(H/m ), 工件相对磁导率， 角频率(rad/s )， f频率(HZ)。 将。和的数值代入，即可得公式:从上式可以看出，当材料电阻
