《2022年超高频感应加热电源主电路元件选择和设计方案》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2022年超高频感应加热电源主电路元件选择和设计方案(29页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、个人资料整理仅限学习使用摘要. Abstract . I 1 绪论 . 错误!未定义书签。1.1感应加热的发展及应用 0 1.2 感应加热技术国内外现状及其发展趋势1 1.2.1 国外现状 1 1.2.2 国内现状 2 1.2.3 现代感应加热技术发展趋势2 2 感应加热原理及其主要拓扑结构分析与应用. 42.1基本原理 4 2.1.1 感应加热原理 4 2.1.2 基于感应加热的效应 5 2.2 感应加热系统组成及分析 7 2.3 逆变电源拓扑基本结构及其特性8 3 主电路元件的选择和设计. 11 3.1功率开关器件的选择及参数设定11 3.2 EMI滤波环节的设计 13 3.3共模抑制电路
2、的设计 14 3.4整流器设计 16 3.4.1电路结构 16 3.4.2 工作原理 16 3.5 电容桥臂的选择 18 3.6 缓冲电路的设计 19 3.6.1缓冲电路的设计 19 3.6.2负载谐振电路参数的分析计算21 参考文献: . 22精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用摘要近几十年以来,随着科学技术的提高以及更先进器件的发展与应用,对感应加热逆变电源的发展产生了巨大影响,体积更小、重量更轻、电路简单、高效节能、携带方便、负载适应范围大成为感应加热装置发展的方向。感应加热技术在国外发
3、展比较迅猛,尤其是欧美和同本等国家,在资金和技术等方面更具有优势,所以他们在感应加热领域,对于高频和超高频产品的开发方面基本上代表了感应加热技术上的最高水平.但是对小工件的热处理,需要感应加热装置功率更加集中,输出频率更高,频率的提高对感应加热效率的提高具有显著意义。所以,提高感应加热的功率和频率,一直是感应加热领域研究的重点与需要解决的难点。超高频感应加热的突出特点为:利用IGBT 功率器件设计的超高频逆变电源,可连续工作,可靠性高;重量轻,体积小,操作携带方便;效率高,功耗低,更加节能;可加热物体体积更小,可加热超小型器件;加热更加集中,加热均匀。主要应用范围为:硬质合金锯片大小齿焊接;眼
4、镜架、零配件焊接退火;珠宝首饰钟表焊接;线材薄带退火;极精细线材各种电子元件精细锡焊银焊;精细金属接头银铜焊微型马达轴等淬火;切纸刀鞋刀刃口淬火等。基于超高频感应加热的这些优点,高频化就成为感应加热的主要趋势本文通过对超高频感应加热电源的电路研究,详细阐述了超高频感应加热电源主电路元件的选择和设计。关键字 :超高频感应加热主电路元件设计计算精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用Abstract In recent decades, with the improvement of science
5、and technology as well as the development and application of more advanced devices, the development of induction heating power inverter had a tremendous impact, smaller, lighter weight, simple circuit, energy efficient, easy to carry, to meet the load range induction heating device in the direction
6、of development. Induction heating technology is relatively rapid development in foreign countries, especially in Europe and the United States and with the other countries in terms of financial and technical advantage in the field of induction heating for VHF and UHF product development basically rep
7、resents the induction heating the highest level of technical However, a heat treatment of the workpiece, the induction heating apparatus of power is more concentrated, the output frequency is higher, having a significant frequency increases the efficiency of the induction heating. Therefore, to impr
8、ove the power and frequency induction heating, induction heating areas of focus of the study need to address the difficulties. The salient features of the ultra-high frequency induction heating: the UHF power inverter using IGBT power devices designed, can work, high reliability 。, light weight, sma
9、ll size, operation and easy to carry。, high efficiency, low power consumption, more energy-efficient 。 heated objects volume is smaller, ultra-compact device can be heated 。 heating is more concentrated, uniform heating. The main application areas: the size of the carbide saw blade teeth welding。 fr
10、ames, spare parts welding annealing。 jewelery Watch welding。 wire thin strip annealing 。 very fine wire of various electronic components fine solder silver solder。 fine metal joints silver copper welding micro motor shaft quenching。 cutter blade port of shoes quenching. These advantages based on the
11、 ultra-high frequency induction heating, high-frequency 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用induction heating trend III This article by the ultra-high frequency induction heating power supply circuit, elaborated on the main circuit component selection and design of u
12、ltra-high frequency induction heating power supply .Keywords:Ultra-high frequency induction heatingmain circuit elementsDesign and calculations精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用超高频感应加热电源主电路元件的选择和设计1 绪论1.1感应加热的发展及应用1831 年 11 月,当时法拉弟将两个线圈分别绕在同一个铁环上,当给一个线圈加上交流电时,另一个线圈
13、内有感应电压产生,他就以此为依据发现了电磁感应定律,后来感应加热装置都是以此为基础发展起来的。这一研究最初应用的领域是金属熔化。随着感应加热在工业金属融化应用领域内的大力发展,这项技术在其它的技术领域的应用也逐渐发展起来。早在1927 感应加热主要应用在对钢质工件表面淬火。M 德瓦勒钢铁公司是最早利用感应加热对轧钢便表面进行加热淬火,用来提高金属产品的耐磨性和耐疲劳力,此项技术一直被广泛应用至今长盛不衰。俄亥俄克拉克机轴公司作为美围最大的柴油机曲轴公司,他们公司采用的感应加热技术对曲轴表面进行淬火,这是世界上第一次利用感应加热进行工业化大批量生产。同样感应加热技术在管状物的内孔表面进行淬火、对
14、车轴和汽车缸筒的加热处理等方面也有广泛的应用。第二次世界大战时期,在军工的热处理方面的广泛应用从而推动了感应加热技术的长足发展,例如回收利用报废的穿甲弹,使用高频感应加热设备对坦克履带、销钉和链轮等进行加热淬火,对枪筒炮筒的材料进行精细的锻造预热。近几十年以来,随着工业化生产更加集约化,生产效率的提高具有极其重要的意义,致使感应加热得到广泛的应用与发展,很多人都致力于感应加热设备的改进与创新,同时,非金属工业利用特定的理论也能使用感应加热。由于美国在 1957 年研制出了晶闸管,这是电力电子器件里程碑的发明,同时标志着现代电力电子技术时代的开始,从而引发了感应加热技术领域的革命。瑞士和西德于
15、1966 年利用晶闸管研制感应加热装置,这是世界上第一个晶闸管感应加热装置,从此感应加热技术在电力电子器件发展的同时丌始飞速发展。直到1967 年,人们才开始应用高频固态电源,这一技术的应用使得感应加热技术得精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用到进一步的发展。随着生产力的快速发展,各式各样的感应加热装置已广泛地用于制造电子管、加热等离子、熔炼和加热盒属器具等很多方面。感应加热装置从低频逐渐向高频化发展,感应加热工作的效率越来越高,有的机型已经几乎提高至 95,而且损耗越来越小,成本费用越来越低
16、。我们从感应加热的发展史可以看出,感应加热主要应用领域是金属工业中的对金属器件的预热、热处理、焊接及其熔化等方面。另外,在处理油漆、粘合以及制作半导体等等方面感应加热技术也得到广泛应用。1.2 感应加热技术国内外现状及其发展趋势20 世纪 80 年代后期,随着 GTO、MOSFET 、IGBT、MCT、SIT 等器件相继出现,电力电子技术得到再次发展,感应加热装置渐渐离丌晶闸管,继而采用这些新的电力电子器件。其中IGBT 和 MOSFET 是现在比较常用的电力电子器件, IGBT 适用于大功率装置,而MOSFET 适用于高频装置。通常把感应电源按频率范围可划分为:低频(500Hz 以下、中频
17、(1KHz1OKHz 、超音频(20KHz40KHz ,高频 (40KHz200KHz 、超高频 (200KHz 以上。1.2.1 国外现状感应加热技术在国外发展比较迅猛,尤其是欧美和同本等国家,在资金和技术等方面更具有优势,所以他们在感应加热领域对于高频和超高频产品的开发方面基本上代表了感应加热技术上的最高水平心。国外某些公司利用IGBT 设计的感应加热装置可以把功率做到超过1000KW 同时频率超过 50K;利用MOSFET 可以设计出功率几千瓦同时频率可达到500K 以上,甚至儿兆赫兹的感应加热装置。比如美国Inductorheat 公司利用 MOSFET 设计的感应加热电源达到 400
18、KHz ,最大输出功率2MW,这也标志了高频大功率感应加热电源应用的发展方向。同时日本利用SIT 设计的高频感应加热电源也非常成熟,他们在 1987 年就已开始着力研制1200KW/200KHz的 SIT 电源。在超高频感应加热装置的研究方面,其实早在上世纪80 年代末就有人使用E 类单管拓扑研制出 800W/3.3MHz 和 150W/7MHz 的实验样机。目前在市场上的超高频感应加热电源产品中,由韩国研制的8kW/1.8MHz 感应加热逆变电源,就有领先的地位。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 29 页个人资料整理仅限
19、学习使用1.2.2 国内现状20 世纪 50 年代,我国才开始引进感应加热技术,改革开放以后得到快速发展,由于我国的电力电子技术起步比较晚,致使我们的感应加热技术落后于国外很多,尽管近些年来我们的感应淬火技术得到迅速发展,但仍然同于工业化国家相差很远。同时,纵观我国的感应加热市场,真可谓百家齐鸣,但是其中很多企业在里面可以说是滥竽充数,各式各样的机型充斥与市场,杂乱无章,仅河南省的感应加热企业,大大小小几十上百家,其中有做整机的,有做机芯的,也有做机芯改造的,我们从市场上调查的信息数据来看,感应加热设备的退货率和故障维修率很高,尽管有实力的大型企业能提供高效率的售后服务,但是很多小企业不能做到
20、这些,造成顾客的不满;还有些有实力的企业投入大量资金研发出新产品,不久被抄袭了,造成很多企业不敢在研发上投入过多的时间与精力,感应加热市场被搅得一片混乱。所以我们应该采取积极行动,建立健全严格的引进政策,使我国的感应加热技术同世界先进水平差距越来越小。但是由于我们国家市场需求大,致使感应加热技术在我国前景广阔,所以在我国研制感应加热技术的公司有很多,竞争也相当激烈,广东、江苏、河南这些地方生产感应加热的就有上百家,在我国感应加热领域内浙江大学一直走在最前列。1.2.3 现代感应加热技术发展趋势感应加热电源的发展水平与电力电子器件的发展息息相关相关,功率器件的发展与应用,使得感应加热技术发展趋势
21、呈现以下特点:1、更加大功率化、大容量化和高频化目前,利用晶闸管设计出的中频电源,垄断者中频大功率领域,IGBT 主要用于超音频电源的开发,MOSFET 则主要用于高频或者超高频感应加热电源中,电力电子半导体器件的使用容量与工作频率机器密切的关系,早期的晶闸管和电子管就是由于受到容量的限制,从而限制了频率的大小,所以制造不出大功率、高频率的感应加热装置,近年来随着新型电子器件的发展与应用,高频电源的市场需求促进了新的功率器件的产生,同时新器件也会带来高频电源的发展,感应加热电源电路中的谐振逆变器通过功率器件来实现软开关的功精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - -
22、- - - - -第 7 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用能,所以感应加热电源会朝着大容量化、大功率与高频率相统一的方向发展,但是其中有些技术需要我们进一步解决。2、低功耗、高功率因数目前市场上的新型功率器件的通态电阻和通态压降非常小,工作时的损耗主要是在基极或门极驱动电路的损耗上,随着功率器件的发展和驱动电路的更加完善,使得整个感应加热装置的损耗降低。由于高功率的感应加热电源对电网的的无功要求比较高,随着高功率化的趋势使得具有高功率因数的电源成为今后的发展趋势心。伴随着谐振技术在感应加热电源中的应用,既降低了电源中开关器件的开通、关断损耗,又利用锁相技术把逆变器的频率锁定在固有谐振频
23、率内,能使电源以负载功率因数为l 的状态一直运行。3、控制智能化、数字化随着机电一体化和计算机信息处理技术的快速发展,感应加热装置在生产过程中对自动化控制程度要求越来越高,感应加热电源向控制自动化、精密化的方向发展 .感应加热电源发展的目标是让装置具智能接口、远程控制、故自动诊断的功能。4、加热技术的无氧化最早说的无氧化加热技术主要表现在真空热处理技术、可控气氛热处理技术和等离子体表面热处理,其中真空热处理具有无氧化、无脱碳和小畸变优点,代表着当代热处理技术先进性。5、应用广泛化感应加热装置主要是应用在对金属的热处理方面,它具有高效、无污染等特点,同时通过一定的负载匹配技术,使得感应加热应用更
24、加广泛,现在食品药品中的封装基本都是用的感应加热装置,我们生活中所用的电磁炉、电火锅也是利用了感应解热的原理。此外,感应加热也逐渐应用在非金属的加热上面。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用2 感应加热原理及其主要拓扑结构分析与应用2.1基本原理2.1.1 感应加热原理感应加热原理示意图2-1法拉第电磁感应规律作为感应加热的理论基础,可以看到变化的电流产生变化的磁场,随后交变的磁场产生涡流来对物体加热,感应极热就是通过这一原理把电能转化成热能,当交变电流输入感应圈时,感应圈内就会产生交变磁通,
25、使感应圈内的工件受到电磁感应电势e。设工件的等效匝数为N,则感应电势: (2-1 如果磁通是交变的,令,则: (2-2 感应电动势 E 在工件中产生感应电流使工件内部开始加热,感应加热电动势的有效值为: (2-3 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。感应线圈中流过的电流越大,其产生的磁通也就越大,因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大;同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大,从而增加发热效果,使工件升温更快。另外,涡流的大小与金属的截
26、面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关。被加热物体中产生的功率为: (2-4 以上各式就表达了感应加热的原理,感应加热相比于其它加热的方式(如火加热,电炉丝加热等 不同,他利用电磁原理直接从被加热物体内部进行加热,而其他的加热方式是传导性的加热。感应电动势和热功率有诸多印象因素:频率、磁场强度、被加热物体的截面积和形状、被加热物体本身的特性等。2.1.2 基于感应加热的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。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
27、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。当通电线圈通电后,在被加热金属物体外部和内部都产生了交变的磁场,工件表面部分交链的磁力线比导体内部少很多,于是被加热工件中心的电感和阻抗大于表面部分的,由于电流的特性,电流就积聚到阻抗比较小的导体表面,同时随着电流频率越高,集肤效应更加严重。若被加热物体置于变化的磁场中时,交变的电磁场使被加热物体中产生的涡流,它沿截面涌向在工件的表面层。我们由焦耳定律可分析出,当电阻愈来愈大,相应的导体产生热量
28、增加。同样的由高频电流通过相距过近的被加热工件或者圆环状、绕成圆状的工件时,通过的电流密度也会随之发生变化,引起我们所说的邻近效应或者环形效应。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用在感应线圈中置以金属工件,感应线圈两端通过交流电流会在被加热物体中相应的产生感应电流,当两者相互接近时,无论线圈还是工件表现出邻近效应,其电流分布如下图2-2 所示:近导体的电流分布图2-2 若电流汇聚在线圈的内侧表面上,而电流汇集在被加热金属的外表面时,被加热物体自身出现集肤效应,而线圈本身为圆环效应,圆环效应电
29、力分布如下图 2-3 所示:环形导体的电路分布图2-3我们可以看到圆坏效应下,电流集中在线圈内侧,靠近加热铜管的外侧电流几乎没有, m 处为中心点,电流密度最高。感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备,被加热金属工件产生的涡流因为集肤效应,通过横截面从表至中心按指数方式衰减,一般在实际工作时,涡流大小由表至里降到值等于最大涡流强度的1/e(36.5% ,其到表面的距离为(即电流透入深度 。因为涡流所产生的热量正比于涡流的平方,所以由外至里的热量下降速度要比涡流的快很多,那么我们确定为: ;:被加热物体的磁导率,单位H/m;:被加热物体相对磁导率,单位H/m;w:角频率,单位 rad/s ;f
30、:频率,单位 Hz。从式可以看出:如果被加热物体电阻率和相对磁导率是固定值,透入深度仅仅和频率 f 平方根成反比关系。那么我们就可以只调节频率,就能达到控制被加热物体的加热厚度,其原理在金属热处理应用很多。2.2 感应加热系统组成及分析本研究首先将 220V 交流电经整流桥不控整流,得到脉动直流,然后由电解电容滤波,得到平直的直流电压,用高速VMOS 功率场效应管组成桥式逆变电路,逆变出高频方波交流电压,通过变压器隔离,将高频高压转换成低压大电流,实现阻抗匹配。控制电路的核心是采用锁相技术,实现频率自动跟踪。超高频感应加热设备系统框图如图 2-4 所示。系统主要由七个部分组成:感席加热系统框图
31、 2-4 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用不控整流电路:本研究采用不控整流将市电交流变为不可调的直流电,为了简化电路本课题利用调节输出电压的占空比的PWM 方法来调整功率。滤波电路电压源:逆变谐振一般采用电容滤波,这里为减小体积,采用了电感,为防止电流冲击,在电路中设置了延迟环节。全桥逆变电路:由于本研究装置频率较高,必须采用快速VMOS 场效应管;由于单管电流容量受到限制,因此在满足耐压的前提下,采用了多管并联方式以满足输出功率的要求,而场效应管本身也具有易并联的特点。高频变压器隔离:
32、串联谐振一般Q 值较大,谐振电压达千伏以上,须采用变压器隔离,同时变压器起阻抗匹配作用。在超高频的工作条件下,变压器磁芯选用高频铁氧体磁芯。5、调节器:在闭坏反馈系统,采用成熟通用的调节方式一PI 调节器,既能做到无静差又能快速跟踪。6、锁相环:由于工件大小不同,而且工件温度变化过程中频率随时变化,要求逆变频率跟随谐振频率变化,并且相位一致。通过对多种方案的比较,确定了采用锁相技术,以准确跟随谐振频率的变化和控制相位。7、驱动电路:超高频感应加热设备频率中,在各种驱动电路中唯有脉冲变压器速度能满足如此高的速度要求。2.3 逆变电源拓扑基本结构及其特性串联谐振同并联谐振是感应加热常用并且常见的拓
33、扑形式,两种电路的结构、频率、相位的对比如图2-5,其中 (a为串联谐振, (b为并联谐振。串联谐振与并联谐振拓扑结构图2-5 2.3.1 串谐振逆变电路及特性分析精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用其中串联谐振阻抗Z 表示为:谐振时有:那么谐振角频率0 和频率 f0 表示为:因此谐振电路的品质因数Q 为:特征阻抗 Zo 为:串联谐振时 UC0 和 UL0 相等但方向相反,电压幅度为电源电压的Q 倍,电源电压几乎都加在电阻两端,串联谐振有时也称为电压谐振,谐振阻抗的模:那么谐振阻抗角为:任意
34、频率 w 下回路电流:精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用模的大小:可以看到当 w=w0时,电流有最大值;当电源频率向着ww0或w的缩写,IGBT 是由 MOSFET 和双极型晶体管复合而成的一种器件,其输入极为MOSFET ,输出极为 PNP 晶体管,它融和了这两种器件的优点,既具有MOSFET 器件驱动功率小和开关速度快的优点,又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点,其频率特性介于MOSFET 与功率晶体管之间,可正常工作于几十 kHz 频率范围内,在现代电力电子技术中得到了越来越广泛
35、的应用,在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。2、静态感应晶体管SIT 静态感应晶体管SIT(StaticSIT Induction Transistor诞生于 1970 年,实际上是一种结型场效应晶体管。将用于信息处理的小功率SIT 器件的横向导电结构改为垂直导电结构,即可制成大功率的SIT 器件。SIT 是一种多子导电的器件,其工作频率与电力MOSFET 相当,甚至超过电力MOSFET ,而功率容量也比电力 MOSFET 大,因而适用于高频大功率场合,目前已在雷达通信设精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 29 页
36、个人资料整理仅限学习使用备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等某些专业领域获得了较多的应用。但是 SIT 在栅极不加任何信号时是导通的,栅极加负偏压时关断,这被称为正常导通型器件,使用不太方便。此外,SIT 通态电阻较大,使得通态损耗也大,因而SIT 还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。MOSFET MOSFET :金属 -氧化层 -半导体 -场效晶体管,简称金氧半场效晶体管Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管field-effect transist
37、or )。MOSFET 依照其 “ 通道” 的极性不同,可分为n-type 与 p-type 的 MOSFET ,通常又称为 NMOSFET 与 PMOSFET ,其他简称尚包括 NMOSFET 、PMOSFET 、NMOSFET 、PMOSFET 等。应用 MOSFET 的优点是电路设计简单,开关速度快,温度影响小,无二次击穿影响,适用于高频场合,易于控制。但是 MOSFET 电流处理能力弱,耐压相对低。表 3-1 IGBT 、SIT、MOSFET 优缺点器件名称优点缺点IGBT 绝缘栅双极型晶体管)双极型晶体管与 MOSFET的复合,驱动功率小,饱和压降低。开关速度低于 MOSFET SI
38、T静电感应晶体管)电压电容量大,适用于高频大功率场合栅极不加任何信号时,SIT 是导通的,栅极加负偏时关断使用不方便,而且制造工艺复杂、成本高、价格昂贵。MOSFET 绝缘栅型场效应管)电路设计简单,开关速度快,温度影响小,无二次击穿影响,适用于高频场合,易于控制。电流处理能力弱,耐压相对低。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用针对本课题设计的超高频逆变器的需要:工作频率高、易并联使用、容易控制电压、驱动功率要比较低等,所以采用MOSFET 为逆变电源中的关键有源器件,它在高频领域最有前途且
39、使用最广泛的半导体器件。3.2 EMI 滤波环节的设计高频感应加热电源主电路的滤波环节采用电容与电阻并联的设计方法,其电路拓扑已在主电路如下3-1:滤波环节电路拓扑图3-1 下面主要对电容的设计选取做主要讨论。作为本实验采用的是单相交流220V/50Hz 的市电直接供电,经过整流后的信号存在很严重的干扰,为了避免对信号的干扰加上了滤波电容C,它的作用是既能防止市电的干扰又能避免机器对市电的影响,加上滤波电容C 之后使带有交流成分的信号变得更加平滑。一般来说市电频率为工频50Hz,如果用普通的电解电容来滤除交流纹波,其脉动电压的频率只有100Hz ,充放电的时间为ms 级数,为了能够得到更小的脉
40、动系数,所需的电容量就得数十万微法,为了降低成本,采用电解铝电容而不是高频电解电容,本设计的目标主要足提高电容容量、改变损耗角的下切值和漏电流。如果C 出太小,会造成直流电压UDC 的最小值更小,从而使开关管电流增大;如果太大,会造成功率因数降低、EMI 增加、整流管和滤波电容损耗增加等不利因素,同时成本也会更高。在设计滤波电容原则上要满足公式: 中:C 是滤波电容,单位为微法;T 是频率,单位赫兹;R 是负载等效电阻,单位为欧。针对桥式整流电路,电容的耐压值应该满足:精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 29 页个人资料整
41、理仅限学习使用UC2*220 所以选择电容的耐压值为450V。整流滤波后的最大脉动直流电压为: 3-2)整流滤波后的电压UDC 为:UDC=U-UP 3-3)为了使电压的最小值满足要求,其对滤波电容所提供的能量WC 为: 3-4)那么一个周期中电容所提供的能量WC 为: 3-5)可得滤波电容的容量: 3-6)估算出 CDC8059uF ,那么在实验中将采用4 个 2200uF/450V 的电解电容并联使用,除此之外还再并联136K/6W 的平衡电阻。3.3共模抑制电路的设计大部分电路设备中的干扰信号都是从交流电网进入的,造成干扰可分为差模干扰和共模干扰:l、差模干扰及其抑制方式差模干扰是从交流
42、市电输入串入的干扰信号,比如电源超载时电网电压的不稳定;大电感负载产生的浪涌涌入;可控硅引起的畸变电网波形、波形失真;输电线间的交叉干扰、雷电等浪涌电流的侵入等引起的干扰。差模干扰信号一般来自于交流输电线,相对来说比较容易祛除,主要的措施有:串联浪涌滤波器、火线与零线之间并联吸收电容与泻放电阻等,抑制电路的级数越多,去干扰的效果越好。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用2、共模干扰信号及其抑制方式电力系统中因前、后电路网络因为选择的参考地不同造成的电位差,而且一直在随机改变着,这主要是由电路
43、的分布电容、分布电感、寄生电容、寄生电感、静电藕合、电磁感应、高频辐射等方面造成的干扰;因接地的错误使用造成电路的回流造成的干扰;测试仪器中的传感器和被测试回路输入端阻抗失配所产生干扰等,这些现象都可称为共模干扰。共模干扰因地电位所造成的,故干扰路径比较复杂,很难将干扰消除掉,所以在测试系统中,消除或者降低共模干扰有三个比较有效的措施:使前、后两个电路网络间的整体隔离,这样不仅电气隔离还能使信号传输线间的隔离;一定要做好静电屏蔽和磁屏蔽的工作、正确恰当的接地,布线要合理;要尽量减少被隔离的两个电路网络间的阻抗匹配误差。前面虽然已经加了滤波电容,但是为了电路的稳定性,特别有必要在整流桥前加上电感
44、和电容组成的共模抑制电路,用来抑制交流市电带来的EMI,其电路方案如图 3-2。模抑制电路图 3-2 此电路等效为 LC 二阶低通滤波电路,器转折频率为: 3-7)其中 L 为扼流线圈的等效电感量,C 为等效电容量,其插入损耗随着噪声频率 40db/dec 的斜率增加,一般在设计时取C=2C2=2C3 ,在选取 C 时应取符合安规的最大值,在这里取C2=C3=3000uF ,对于超高频电路,因为C1 对共模精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用噪声几乎不起作用,可设定为滤除高频的电容,其值电容
45、值设定为C1=O.33uF ,然后根据上面公式得: 3-8)其中 L1、L2 为绕在同一个磁环上的两个线圈,两个线圈的匝数完全相同,磁芯选择大小为 018mm*8mm*5mm锰锌铁氧体的磁环,导磁率为2000。其中每个线圈要绕 80 圈,当然因为磁环具有高导磁率,线圈还能继续做得很大但不会占体积,线圈所用的导线为0.53mm ,测试后的电感量为6.86mH ,当交流市电通过两个线圈时,它们所产生的内磁通会彼此抵消,同时差模信号干扰可以通过旁路电容抑制掉。3.4整流器设计3.4.1 电路结构如图 3-3 所示为典型单相桥式全控整流电路,共用了四个晶闸管,两只晶闸管接成共阳极,两只晶闸管接成共阴极
46、,每一只晶闸管是一个桥臂,桥式整流电路的工作方式特点是整流元件必须成对以构成回路,负载为电阻性。u1Tu2udRidab VT1VT3VT2VT4i2图 3-3 3.4.2 工作原理1)在 u2 正半波的 0)区间,晶闸管VT1、VT4 承受正向电压,但无触发脉冲,晶闸管VT2、VT3 承受反向电压。因此在0区间, 4 个晶闸管都不导通。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用2)在 u2 正半波的 )区间,在 wt时刻,触发晶闸管VT1、VT4使其导通。3)在 u2 负半波的 +)区间,在+区
47、间,晶闸管 VT2、VT3 承受正向电压,因无触发脉冲而处于关断状态,晶闸管VT1、VT4 承受反向电压也不导通。4)在 u2 负半波的 +2)区间,在 wt+时刻,触发晶闸管 VT2、VT3 使其元件导通,负载电流沿bVT3RVT2T 的二次绕组 b 流通,电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上,负载上有输出电压u2 ut1.4=0、ut2.3=u2 ut1.4=ut2.3= (?u2 ut1.4=u2、ut2.3=0 整流电压平均值为: 3-9)其中为晶闸管的移相角,我们这里选择为30。,所以 Ud=185V 向负载输出的直流电流平均值为精选学习资料 - - - - - - - - -
48、名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用=53A 导通时,流过感应圈的都有两部分组成,一是经过V1 、L、R、C1 的振荡电流;二是经过经过V1、L、R 向 C2 充电的充电电流,两路的振荡频率相同。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用图 3-6 半桥串联逆变充放电时刻图 3-6 中在 t1 时刻, 电容器 C1 已放电完毕,即Uc1 = 0 ,同时 C2 充电到直流电压 Ud 发, 所以 t1 时刻,流经电路感应器的电流最大。在换流电感的作
49、用下,流经感应圈的两个回路继续流通。一是给电容C1 反向充电 ,二是给电容 C2 继续充电 ,直到电感中的能量释放完毕的t2 时刻,即 iL=0 时,这时 C1 的电压为负的 Uc1,保证了晶闸管 V1 能可靠的关断;此时电容C2 的电压达到最大值。在电容 C1、C2 电压的作用下,两回路都通过VD1 管放电,电流方向为由左向右,直到 t4 时刻,放电电流变为零 ,这时 C1 又正向充电到 1/2Ud, 同时触发 VD2管,重复上面的过程。以上是逆变器的逆变原理。其中:两桥臂两端电压=49.5V 3-11)对于桥臂电容,其最大承受电压也为49.5V。在选取桥臂电容时,选取的电容应该足够大,以满
50、足单项桥臂逆变电路的要求,且耐压值应该在50V 以上。3.6 缓冲电路的设计3.6.1 缓冲电路的设计缓冲电路 ,还可能导致器件的二次击穿。实际电力电子电路中,还常由于二极管、晶闸管等的反向恢复电流而增加电力电子器件的开通电流,由于感性负载或导线的分布电感等原因造成器件关断时承受很高的感应电压。采用缓冲电路可以改善电力电子器件的开关工作条件。缓冲电路的基本工作原理是利用电感电流不能突变的特性抑制器件的电流上升率,利用电容电压不能突变的特性抑制器件的电压上升率。下图是本逆变电路中缓冲电路的设计图3-7:缓冲电路图 3-7 利用电路的交流特性进行缓冲电路的最优化设计。首先需要确定电路的杂散电感,
51、然而杂散电感是特定电路布局固有的特性, 通常是不容易计算出来的。我们用测量的方法来确定杂散电感的大小。在没有加任何缓冲器的时候 ,用示波器观察开关管关断时的一个振荡周期记为T1。接着在开关管两端并联一个容值确定的电容, 称之为测试电容 Ctest, 重新测量开关管关断时的一个振荡周期,记为T2。在没有接任何缓存电路的时候对功率开关管进行测试, 得出 T1=0.42s, 在开关管两端并联了一个4.7nF 的电容后进行观测得出T2=0.84us 。电路的杂散电感就可以用下式进行计算:在知道了电路的杂散电感后, 利用下式就可以求出电路的杂散电容:其中 , f1为在没有增加缓存电路时的振荡频率。精选学
52、习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用根据上两式可以记算出电路中的杂散电感和电容分别为Lp= 2.85uH, Cp=1.57nF。缓冲电阻的选择利用下式进行计算: 计算得缓存电阻RS=42.6 ,在实际 , 选用时电阻的取值为40。缓存电容的选择要满足两个要求, 首先 , 缓存电容能够存储的能量要比电路中杂散电感存储的能量要大 , 也就是要满足下式:其中 I 为电路的关断电流。其次, 缓存电路的时间常数要比功率开关管的导通时间短, 这样在开关管导通的时候存储在缓存电路中的能量才能够释放完毕。缓存电容
53、的选择还要满足下式 :所以可得 3.83nFCS50nF,在实际选用时电容的取值为4.7nF 。电阻上消耗的能量为:实际选取电阻的功率为20W 。3.6.2 负载谐振电路参数的分析计算负载谐振电路由感应线圈、加热负载和补偿电容器组成,体现在原理图中即是感应线圈和加热负载的等效电感、电阻和补偿电容器的串联电路。逆变器输出电压基波分量有效值:1、谐振电容的设计: 3-12)由串联谐振的电路理论,谐振电容两端的电压满足: 3-13)其中 Q 是谐振回路的品质因数,凭经验选取,在本文中的感应加热装置的设计中我们选取 Q 为 5,可得 Ucm=5*44.6=223V电容器的阻抗满足: 3-14)设负载谐
54、振频率是50kHz,电容器的电容量为: 3-15)精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用所以补偿电容可按0.39uF 、50kHz 、44.6V 设计。加热线圈的设计加热线圈中的线路等效电阻R 一般不大,计算时可暂时不予以考虑,直接由 XL=XC 的关系进行计算,有:XL=XC=8.2 3-16) :PP.13152 余新颜高功率冈数软开关逆变弧焊电源的研究华中科技大学硕士论文D 2005:PP573 李风 M频率 1MHz 的开关电源用铁氧体磁芯J电子材料 ,1995(7:PP 7-84 李
55、亚斌,彭永龙,刘咏峰串联型感应加热电源的自动负载匹配技术J.电力电子技1994(1,PP1822精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 27 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用5 吴兆麟,林刚,兰奎串联逆变式高频感应加热电源J电力电子技术1994(1,PP18226 王生德,翟玉MOSFET 高频感应加热电源的研究J郑州人学学报2001(3,PP 54577 沈旭,吴兆麟,马骏等20Kw/300kHz 高频感应加热电源J电力电子技术,1996(2,pp 10138 应建平,贾爱民,徐玲玲等串联谐振逆变器中谐振极的虑用和设计方法J电力电
56、子技术, 2000(2:PP 7-99 黄俊,王兆安电力电子变流技术M 机械工业出版社199810 ( 西班牙 E JDede钟梓清译晶体管高频感应加热电源装置M 11 潘大明现代感应加热装置M 冶金工业出版社199612 毛鸿,吴兆麟,候振程串联型IGBT 超音频感应加热电源J工业加热, 1998,28(2.13 E.J.Dede, On the Design of High Frequency Series Resonant Converters for Induction Heating Applications z IEEE1993精选学习资料 - - - - - - - - - 名师
57、归纳总结 - - - - - - -第 28 页,共 29 页个人资料整理仅限学习使用14 A grawai JaiPPower Electronic Systems Theory and DesignM Beijing Tsinghua University Press , Prentice hall,2001 15 J.M. Burdio ,FMonterde,JRGarcia,eta1A two output series resonant inverter for induction heating cooking appliances IEEE Transactions on Power Electronics 2005,20(4:PP815 822精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 29 页,共 29 页