1、 . PAGE23 / NUMPAGES27感應加熱逆變電源設計摘要感應加熱可用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等過程，已成為冶金、國防、機械加工等部門與船舶、飛機、汽車等制造業不可缺少的技術。此外感應加熱正不斷的進入人們的家庭生活中，例如電磁爐等都是依靠感應加熱原理工作的。感應加熱電源的發展趨勢是高頻化、大容量化、智能化和綠色化。目前的高頻感應加熱電源頻率在幾百千赫左右技術比較成熟。本文以串聯半橋感應加熱電源為研究對象，首先在介紹感應加熱的原理基礎上，闡述了感應加熱電源的特點、國外發展狀況與應其發展趨勢。其次介紹了串聯全橋逆變電路與串聯半橋逆變電路的優缺點, 半橋串聯諧振逆變器具有結構簡單，控

2、制容易，有良好的經濟效益等特點，故此，分析了串聯半橋逆變橋的工作原理。再次，在設計了一個串聯半橋逆變電路的基礎上，對各個器件的具體電路參數進行計算，并合理選擇元器件。最后，在一臺半橋串聯諧振電源上，通過改變整流濾波后的電壓，測試了橋臂電壓波形，并對波形進行簡要分析，得出感應加熱電源應盡量避免空載等實驗結論。關鍵詞：感應加熱；串聯諧振；半橋串聯諧振逆變器；IGBT；A Design Of Induction Heating Power InverterAbstractInduction heating can be used for metal smelting, diathermy, heat

3、 reatment 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 relyin

4、g on the 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,

5、the series 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 disadv

6、antages 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 bridg

7、e. Again, 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

8、 voltage 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 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc106200912第一章概述1HYPERLINK l _

9、Toc1062009131.1課題研究的背景1HYPERLINK l _Toc1062009141.2 感應加熱的基本原理2HYPERLINK l _Toc1062009151.3 感應加熱電源的特點 PAGEREF _Toc106200915 h 4HYPERLINK l _Toc1062009151.4國外發展與現狀5HYPERLINK l _Toc1062009151.5感應加熱的發展趨勢6HYPERLINK l _Toc106200916第二章 半橋串聯諧振逆變器的主電路8HYPERLINK l _Toc1062009172.1 全橋串聯諧振逆變電路8HYPERLINK l _Toc1

10、062009182.2半橋串聯諧振逆變電路9HYPERLINK l _Toc1062009242.3半橋串聯逆變器工作原理10第三章 主電路參數計算與選取12HYPERLINK l _Toc1062009243.1原始數據 PAGEREF _Toc106200924 h 12HYPERLINK l _Toc1062009243.2變壓器的設計 PAGEREF _Toc106200924 h 12HYPERLINK l _Toc1062009243.3 確定整流晶閘管的參數 PAGEREF _Toc106200924 h 13HYPERLINK l _Toc1062009253.4LC濾波器的設

11、計 PAGEREF _Toc106200925 h 14HYPERLINK l _Toc1062009263.5 確定IGBT管參數 PAGEREF _Toc106200926 h 14HYPERLINK l _Toc1062009273.5.1 額定電壓 PAGEREF _Toc106200927 h 15HYPERLINK l _Toc1062009283.5.2 額定電流 PAGEREF _Toc106200928 h 15HYPERLINK l _Toc1062009293.6 半橋高頻電容的參數計算與選擇 PAGEREF _Toc106200929 h 16HYPERLINK l _

12、Toc1062009303.7 計算感應加熱線圈的電感與主電路諧振電容 PAGEREF _Toc106200930 h 17HYPERLINK l _Toc1062009313.8 本章小結 PAGEREF _Toc106200931 h 174HYPERLINK l _Toc106200939第四章實驗結果與波形分析18HYPERLINK l _Toc1062009404.1 實驗結果18HYPERLINK l _Toc1062009414.2 實驗結論和小結 PAGEREF _Toc106200941 h 20HYPERLINK l _Toc106200942結論 PAGEREF _Toc

13、106200942 h 21HYPERLINK l _Toc106200943參考文獻 PAGEREF _Toc106200943 h 22HYPERLINK l _Toc106200944致 PAGEREF _Toc106200944 h 24第一章 概 述1.1課題研究的背景早在十九世紀初，人們就發現了電磁感應現象：處于交變磁場的導體會產生電流，從而引起導體發熱。但是，這種發熱長時間以來只是作為一種損耗而被人們關注。十九世紀末，人們才開始試圖利用這種發熱，于是用于產生這種發熱的設備感應加熱設備誕生了。感應加熱主要用于金屬熔煉、焊接、燒結、鋼管焊縫、熱裝配、金屬熱處理等領域。由于感應加熱具有

14、加熱速度較快、溫度容易控制、加熱效率高、無需預熱、污染小、占地面積小、設備制造方便等諸多優點，因此廣泛地應用于生產和生活當中。它不僅可對金屬材料直接加熱，而且也可對非金屬材料進行間接式加熱，如單晶硅的加熱拉伸、半導體的提純、有機涂層的固化、人造寶石的熔煉等。另外，在航空工業等需要精密焊接處理的領域中，感應加熱在對某些材料或零件進行特殊處理方面所起到的作用也是不可替代的。如今，感應加熱也開始滲透到了人們的日常生活中，如電磁爐等以感應加熱原理制造的電器，為人們的日常生活提供了極方便。感應加熱電源是感應加熱工藝實現的主要設備。它可以將直流電轉變為高頻率的交流電，進而產生交變磁場，處于交變磁場的導體感

15、應出渦流，從而使導體加熱。隨著電力電子技術的迅速發展，感應加熱裝置的面貌也日新月異，伴隨著MOSFET、IGBT等電力電子器件的相繼出現，掀起了感應加熱裝置的革命，固態感應加熱裝置已逐步取代電子管式感應加熱裝置，在很多方面得到較廣泛的應用。感應加熱電源主要由整流器、逆變器、負載與控制和保護電路組成，其電路結構如圖11所示。整流器一般為三相不控整流或三相可控整流，它的作用是將三相工頻交流電轉換為直流電；然后經過濾波器濾除雜波后送到逆變器，逆變器將其轉換為負載所需頻率的交流電，以加熱工件；整流控制電路和逆變控制電路分別為整流器和逆變器上的開關器件提供所需的脈沖信號。圖1.1 感應加熱電源基本結構框

16、圖111.2 感應加熱的基本原理根據電磁感應定律，處于交變磁場中的導體兩端會產生感應電動勢，當導體為閉合回路時，導體中會有電流通過。感應加熱的基本原理是根據電磁感應定律，利用被加熱金屬工件中感生的渦電流對金屬工件進行加熱。如圖12所示，當交流電通過感應線圈f時，在其部會形成一個與f同頻率的交變磁通西，處于線圈的金屬工件兩端會產生感應電動勢，從而產生渦流使金屬工件材料發熱。假定纏繞在會屬工件上的線圈匝數為N，則根據麥克斯韋爾(MAXWELL)電磁方程式，可得出感應電動勢e為：式中p金屬工件的電阻率(cm);金屬工件的相對磁導率，對于非磁性材料來說，=1；f金屬工件的電流頻率(Hz)。如果磁通是交

17、變得，設，則有效值為：感應電勢E在工件中產生感應電流使工件部開始加熱，其焦耳熱為：式中：感應電流有效值（安），R工件電阻（歐），t時間（秒）。這就是感應加熱的原理。感應加熱與其它的加熱方式，如燃氣加熱，電阻爐加熱等不同，它把電能直接送工件部變成熱能，將工件加熱。而其他的加熱方式是先加熱工件表面，然后把熱再傳導加熱部。金屬中產生的功率為：感應電勢和發熱功率不僅與頻率和磁場強弱有關，而且與工件的截面大小、截面形狀等有關，還與工件本身的導電、導磁特性等有關。在感應加熱設備中存在著三個效應集膚效應、近鄰效應和圓環效應。集膚效應：當交變電流通過導體時，沿導體截面上的電流分布式部均勻的，最大電流密度出現在

18、導體的表面層，這種電流集聚的現象稱為集膚效應。近鄰效應當兩根通有交流電的導體靠得很近時，在互相影響下，兩導體中的電流要重新分布。當兩根導體流的電流是反方向時，最大電流密度出現在導體側；當兩根導體流的電流是同方向時，最大電流密度出現在導體外側，這種現象稱為近鄰效應。圓環效應：若將交流電通過圓環形線圈時，最大電流密度出現在線圈導體的側，這種現象稱為圓環效應。感應加熱電源就是綜合利用這三種效應的設備。在感應線圈中置以金屬工件，感應線圈兩端加上交流電壓，產生交流電流，在工件中產生感應電流。此兩電流方向相反，情況與兩根平行母線流過方向相反的電流相似。當電流和感應電流相互靠攏時，線圈和工件表現出鄰近效應，

19、結果，電流集聚在線圈的側表面，電流聚集在工件的外表面。這時線圈本身表現為圓環效應，而工件本身表現為集膚效應。 交變磁場在導體中感應出的電流亦稱為渦流。工件中產生的渦流由于集膚效應，沿橫截面由表面至中心按指數規律衰減，工程上規定，當渦流強度從表面向層降低到其數值等于最大渦流強度的1/e(即36.8% )，該處到表面的距離稱為電流透入深度。由于渦流所產生的熱量與渦流的平方成正比，因此由表面至芯部熱量下降速度要比渦流下降速度快的多，可以認為熱量(8590%)集中在厚度為的薄層中。透入深度由下式確定：式中:工件電阻率（m）,。真空磁導率410(H/m). 工件磁導率(H/m ), 工件相對磁導率， 角

20、頻率(rad/s )， f頻率(HZ)。 將。和的數值代入，即可得公式:從上式可以看出，當材料電阻率、相對磁導率給定后，透入深度僅與頻率f平方根成反比，此工件的加熱厚度可以方便的通過調節頻率來加以控制。頻率越高，工件的加熱厚度就越薄。這種性質在工業金屬熱處理方面獲得了廣泛的應用21。1.3 感應加熱電源的特點自工業上開始應用感應加熱電源以來，在這期間，無論是感應加熱的理論還是感應加熱的裝置都得到了很大的發展。感應加熱的應用領域亦隨之擴大，其應用圍也越來越廣。究其原因，主要是感應加熱具有如下一些特點：(1) 加熱溫度高，而且是非接觸式加熱；(2) 加熱效率高，可以節能；(3) 加熱速度快，被加熱

21、物的表面氧化少；(4) 溫度容易控制，產品質量穩定，省能；(5) 可以局部加熱，產品質量好，節能；(6) 容易實現自動控制，省力；(7) 作業環境好，幾乎沒有熱，噪聲和灰塵；(8) 作業占地面積少，生產效率高；(9) 能加熱形狀復雜的工件；(10)工件容易加熱均勻，產品質量好。此外，感應加熱電源由于采用了新型電路元件，其緩沖電路，驅動電路等也得到了空前的改善，此外，還有對環境污染小等優點。基于上述分析，感應加熱電源有著良好的發展前景。1.4 國外發展與現狀感應加熱技術從誕生至今，經過了近百年的發展，取得了令人注目的成果，尤其是六十年代以后，固態電力電子技術的出現與發展，使感應加熱技術與現代化生

22、產的許多方面密切相關，發揮了很大的生產力的作用。因此世界各國十分關注感應加熱技術的發展，并投入相當的經濟支持和技術力量。目前 ，在低頻感應加熱領域普遍采用傳統的工頻感應爐。國外的工頻感應加熱裝置可達數百兆瓦，用于數十噸的大型工件透熱或數百噸的食用水保溫。預計短期，以固態器件構成的低頻感應加熱電源在功率、價格、可靠性方面還很難與簡單可靠的工頻感應爐競爭，雖然其效率、體積和性能均大于工頻爐。在中 頻 (150Hz20kHz)圍，晶閘管感應加熱裝置己經完全取代了傳統的中頻發電機和電磁倍頻器，國外的裝置容量己經達到數十兆瓦。在超音頻 (20kHz1OOkHz)圍，IGBT的應用占主導地位。1994年日

23、本采用IGBT研制出了1200kW/5OkHz電流型感應加熱電源，逆變器工作于零點壓開關狀態，實現了微機控制。1993年西班牙也報道T30-600kW/50-100kHz的IGBT電流型感應加熱電源。歐美地區其他一些國家的系列化超音頻感應加熱電源的最大容量也達數百千瓦。在高頻(100kHz以上)領域，國外己從傳統的電子管電源過渡到晶體管全固態電源。以日本為例，其系列化的焊管用電子振蕩器的水平為51200kW/100500kHz，而采用SIT的固態高頻感應加熱電源的水平可達400kW/4OOkHz。歐美各用MOSFET的高頻感應加熱電源的容量也在突飛猛進.例如，西班牙采MOSFET的電流型感應加

24、熱電源制造水平可達600kW/400kHz;比利時InductoElphiac公司生產的電流型MOSFET感應加熱電源水平可達1MW/15600kHz。我國感應加熱技術從50年代開始就被廣泛應用于工業生產當中，60年代末，開始研制晶閘管中頻電源，大學首先研制成功國第一臺晶閘管中頻電源，到目前己經形成了一定圍的系列化產品，并開拓了較為廣闊的應用市場。在中頻領域，晶閘管中頻電源裝置基本上取代了旋轉發電機，已經形成了500800 Hz/1005000kW的系列化產品。但國產中頻電源大多采用并聯諧振逆變器結構，因此在開發更大容量的并聯逆變中頻感應加熱電源的同時，盡快研制出結構簡單，易于頻繁啟動的串聯諧

25、振逆變中頻電源也是中頻領域有待解決的問題。在超音頻領域的研究工作八十年代己經開始。大學采用晶閘管倍頻電路研制了50kW/50kHz的超音頻電源，采用時間分隔電路研制了30kHz的晶閘管超音頻電源。從九十年代開始，大學開始對IGBT超音頻電源進行研制，1996年研制開發的50kW/50kH,的IGBT電流型并聯逆變感應加熱電源己經通過了省技術鑒定，目前的研制水平為200kW/50kflz。另外，大學在90年代己經研制成功30kW/300kHz MQSFET高頻感應加熱電源，并己成功應用于小型刀具的表面熱處理和飛機渦輪葉片的熱應力考核試驗中?？傮w上來說，國目前的研制水平與國外的水平相比還有一定的差

26、距31。1.5 影響感應加熱電源發展的主要因素(1)高頻化 目前 ,感應加熱電源在中頻段主要采用晶閘管，超音頻段主要是IGBT，而高頻段，隨著MOSFET和1GBT性能不斷改進，SIT將失去存在價值。感應加熱電源諧振逆變器可實現軟開關，但由于通常功率較大，對功率器件，無源器件，電纜，布線，接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是高頻電源。因此，實現感應加熱電源高頻化仍有許多應用基礎技術需進一步探討。(2) 大容量化 從電路的角度，感應加熱電源的大容量化技術分兩類:一是器件的串并聯；二是多臺電源的串并聯。在器件的串并聯方式中，必須處理好串聯器件的均壓問題和并聯器件均流問題，由于器件制造工藝和參數的離散

27、性，限制了器件的串并聯數目，且裝置的可靠性和串并聯數目成反比。多臺電源的串并聯技術是在器件串并聯技術基礎上進一步大容量化的有效手段，借助于可靠的電源串并聯技術，在單機容量適當的情況下，可簡單地通過串并聯運行方式得到大容量裝置，每臺單機只是裝置的一個單元(或一個模塊)。串聯逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源，當兩電壓源并聯時，相互間的幅值，相位和頻率不同或波動時將導致很大的環流，以致逆變器件的電流產生嚴重不均，因此，串聯逆變器存在并機擴容困難；而對并聯逆變器，逆變器輸入端的直流大電抗器可充當各并聯器之間的電流緩沖環節，使得輸入端的AC/DC或DC/DC環節有足夠的時問來糾正直流電流的偏差，達到多

28、機并聯擴容。(3) 負載匹配 感應加熱電源多應用于工業現場，其運行工況比較復雜，它與鋼鐵，冶金和金屬熱處理行業具有十分密切的聯系，它的負載對象各式各樣，而電源逆變器與負載是一有機的整體，負載直接影響到電源的運行效率和可靠性。對焊接，表而熱處理等負載，一般采用匹配變壓器連接電源和負載感應器，對高頻，超音頻電源用的匹配變壓器要求漏抗很小，如何實現匹配變壓器的高能輸入效率，從磁性材料選擇到繞組的設計己成為一重要課題，另外，從電路拓撲上負載結構以三個無源元件代替原來的二個無源元件，以代替匹配變壓器實現高效，低成本隔離匹配。(4) 智能化控制 隨著感應熱處理生產線自動化控制程度與對電源高可靠性要求提高，

29、感應加熱電源正向智能化控制方向發展。具有計算機智能接口，遠程控制，故障自動診斷等控制性能的感應加熱電源正成為下一代發展目標。(5) 高功率因數，低諧波電源 由于感應加熱用電源一般功率都很大，目前對它的功率因數，諧波污染指標還沒有具體要求，但隨著減少電網無功與諧波污染要求的提高，具有高功率因數(采用大功率三相功率因數校正技術)低諧波污染電源必將成為今后發展趨勢。(6)應用領域進一步擴大 當今高新技術飛速發展，新材料、新工藝不斷涌現，感應加熱是一個重要的研發和加工手段，因此感應加熱電源是某些高新技術研發中心不可缺少的裝備。例如在德國Max Planck研究所，C60納米材料的研究中就使用了400k

30、Hz/6OkW 的感應加熱電源?？梢钥隙ǖ恼f，隨著科學技術的發展，感應加熱電源在高新技術領域會有更廣泛的應用。在這一領域，對感應加熱電源的可靠性和可控性要求更高。如何設計制造大功率超高頻高性能的感應加熱電源，是電力電子科技工作者的重要課題41。第二章 半橋串聯諧振逆變電源的主電路2.1 全橋串聯諧振逆變電路串聯諧振逆變電路分為全橋串聯諧振逆變電路和半橋串聯諧振逆變電路兩類，首先對全橋串聯諧振逆變器進行介紹，其電路結構如圖21所示。圖2.1 全橋串聯逆變電路串聯型逆變電路根據負載工作狀態的不同可以分為三種工作模式：容性狀態、感性狀態和諧振狀態，圖2-2(a)、(b)、(c)分別為三種狀念下負載電

31、壓和電流的相位關系，其中UH、IH分別為負載電壓、負載電流的波形，為負載電壓與負載電流之間的相位角。如圖22(a)所示，當負載工作于容性狀態時，負載電流超前負載電壓口電角度，在換流過程中，負載電流由負變正時，電壓仍為負，導致反并聯二極管短時通過負載電流，由于二極管的反向恢復作用，使逆變器出現短時橋臂直通現象，由此產生的大電流將損壞開關管IGBT。如圖22(b)所示，當負載工作于感性狀態時，負載電壓超前負載電流電角度，電流換向時，電壓已換為正感性狀態下實現了開關管的零電流開通。如圖22(c)所示，當負載工作在諧振狀態時，負載電壓、電流同時換向，開關管零電流開通和關斷，此種狀念下不存在二極管的反向

32、恢復問題，開關損耗最小，但這種理想的換流點很難實現。圖2.2. 串聯諧振逆變器的三種工作狀態2.2 半橋串聯諧振逆變電路主電路圖如下:圖2.3 半橋串聯諧振逆變電路如圖2.3所示，該電路可分為三部分：逆變主電路主要由三部分組成：輸入電路、逆變橋、輸出電路，其中輸入整流器用于將電網的三相工頻交流電變為脈動直流電，可用整流模塊(組件)，也可用單個的硅二極管組成橋式整流器；輸入濾波器對三相脈動直流進行濾波，使輸出電壓波形近似平直；高頻電容與IGBT組成逆變橋壁；逆變器將濾波過后的直流波形變成方波交流電壓，主電路諧振電容儲存與提供能量，以穩定橋壁電壓；感應線圈接受能量，將電能轉化為熱能。半橋串聯諧振逆

33、變器主要優點有：半橋串聯諧振逆變器相當于接有一個2：1變壓器的全橋逆變器，因此一般情況下可省略匹配變壓器。匹配變壓器的成本占整臺感應加熱電源設備總成本的很大比例，因此采用半橋串聯諧振逆變器可大大提高感應加熱電源設備的經濟效益，同時還節省了空間，可以使感應加熱電源設備做的更小、更精致；半橋串聯諧振逆變器開關管上的輸入電壓低，減小了開關管的電壓應力；相比于全橋諧振逆變器，半橋串聯諧振逆變器還具有結構簡單、控制容易等優點。半橋串聯諧振逆變器也存在一些缺點，如：為了擴大容量，需要采用多個開關管IGBT并聯連接，但是由于開關管的均流作用，限制了并聯的IGBT的個數；而且因為不接匹配變壓器，逆變器與負載之

34、間沒有電氣隔離，因而會增加設計保護電路的難度。2.3 半橋串聯逆變器工作原理半橋串聯逆變器工作原理示意圖如圖2.4所示:（a）開關管S1導通 （b）二極管D2續流（c）開關管S2導通 （d）二極管D1續流圖2.4 半橋串聯諧振逆變器的工作狀態分析示意圖(1) 當開關管S1導通時，整流側電源和諧振電容CI(在前一周期已充電)分兩路同時給負載供電，一路為S1-L-R-C2-S1回路，另一路為C1-S1-L-R-C1回路，如圖25(a)所示；(2) 當開關管S1關斷時，由于負載處于小感性狀態，負載電流通過二極管D2形成L-R-C2-D2-L回路續流，如圖2-5(b)所示；(3)當開關管S2導通時，整

35、流側電源和諧振電容C2分兩路同時給負載反方向供電，一路為S2-C1-R-L-S2回路，另一路為C2-R-L-S2-C2回路，如圖25(c)所示：(4)當開關管S2關斷時，由于負載電感的作用，通過二極管Dl形成L-D1-C1-R-L回路續流，如圖25(d)所示；后一個周期繼續重復這一過程。第三章 主電路參數計算與選取3.1.原始數據主電路圖如下：圖2.3 半橋串聯諧振逆變電路輸入電壓：交流3-380V，輸入電壓頻率：50赫茲，額定輸出功率：P=30KW，最高工作頻率=20KHz，Ld為濾波電感，Cd1、Cd2為橋臂電容，L為負載電感，C為諧振補償電容。 3.2 變壓器的設計輸入三相工頻電壓經整流

36、后最大電壓:Uo=380EQ EQ EQ R (2) =537V (2-1)變壓器原邊電壓: U1=537Q (2-2) 5Q為品質因數，工程上常把串聯諧振時的電容或電感上的電壓與總電壓之比叫品質因數，對于感應加熱電源一般取3，得出 U1= 5373= 1611V副邊電壓: U2取安全電壓 36V,則匝數比: K=N1/N2=U1/U2=1611/36=44.7545 (2-3)又對于感應加熱電源變壓器的副邊匝數一般為1匝，即N2 = 1,則 N1=N2K = 45 (2-4)又輸出功率 P2 = 30KW,可得副邊電流:I2=P2/U2=30103W/36V833.4A (2-5)由此得出原

37、邊電流: I1 = I2/K = 833.4/45 = 18.52A (2-6)取變壓器的效率為 1，變壓器一次、二次的總功率：Pt = P1+P2 = P1+ P1/=60KW (2-7)6P1為原邊輸入功率，P2為副邊的輸出功率。導線的截面積由電流密度j和電流有效值I決定，原、副邊導線的截面積分別為：j電流平均密度，根據工作頻率f，考慮到集膚效應，根據變壓器的散熱條件，允許的工作溫升，選擇適當的導線電流密度j,對于自然冷卻的高頻變壓器，最好不超過3A/mm,若有風冷可選擇j3.56A/mm。本次設計中f=1KHz,允許溫升不超過100，采取風冷，所以取j6A/mm。9原邊導線截面積 F1=

38、I1/j=18.52/6=3.08mm2副邊導線截面積 F2=I2/j=833.4/6=139.2mm23.3 確定整流晶閘管的參數整流后電流:I=P/Uo=30KW/537V=55.8A (2-11)取電流安全系數Kiz=1.37,則整流晶閘管的額定電流:Ied=KizI/3=1.3755.8/350.8A (2-12)確定額定電壓 Ued取安全系數Kuz=1.48，則:Ued=KuzU0=1.48537=794.5V (2-13) 查下表可選擇KP20.3.4 LC濾波器的設計在本設計中濾波器我們選用的是一個濾波電感。沒有選用電容，而是在橋臂上加兩個電容Cd1、Cd2在電路中。在實際電路中

39、，濾波電感很難做準確的計算，一般根據經驗值選用，本論文設計的30KW感應加熱電源，可選用電感Ld=1.64mH。3.5 確定IGBT管參數IGBT是一種新的復合功率器件、它集雙極型功率晶體管和功率MO SFET 的優點于一體,具有電壓型控制,輸入阻抗大、驅動功率小,控制電路簡單,開關損耗小,通斷速度快,工作頻率較高,元件容量大等優點。在逆變電路中IGBT的作用是通過它的周期性開和關作用，把直流電壓變換成方波電壓，它是逆變電源中的關鍵核心元件。由于它比較脆弱，對它的設計、選擇直接關系到整個電源的安全、可靠。所以，計算參數時留有的富裕量較大8。表2.5 可控晶閘管主要額定值73.5.1 額定電壓輸

40、入電網電壓整流濾波后，考慮網壓波動10%，直流輸出電壓最大值：Uo = EQ R (2) U1.1=380 EQ R (2) 1.11.1=650V （2-14）式中Uo為IGBT承受的穩態最大電壓；U為電網電壓有效值380V；1.1為波動系數；為安全系數，取1.1。關斷時的峰值電壓 Uceps = (Uo1.15+150) = (6501.15+150V) 1.1=987.25V 式中 Uceps為IGBT關斷時的峰值電壓；為安全系數，取1.1；1.15為過電壓系數；150為電感引起的尖峰電壓。3.5.2 額定電流每只IGBT管上的平均電流 I = I1I1是變壓器一次側電流，在上面我們已得

41、出 I1 =18.52A，即 I = 18.52A額定電流 Ie是IGBT手冊給出的在結溫25條件下的額定值。 Ics=I1.4=18.521.4=25.92A 式中 Ics 為IGBT額定電流計算值；I為每只IGBT管上的平均電流；1.4為Ie安全系數。綜上所述，所選IGBT管額定電壓1200V，額定電流 75A。可以選用日本富士電機第四代S系列中2MB175S-120型。表2.6 富士電機P系列IGBT參數表 3.6 半橋高頻電容的參數計算與選擇半橋轉換電路上的兩個高頻電容是對稱的,其耐壓峰值UP和電容量的計算可用下式: UP=Ud/2+U+UL （2-15） C=I1ton/4U （2-

42、16）式中 Ud輸入直流電壓幅值(V)U 電容兩端電壓變化值,這里允許其電壓波動10%,則U=10%（Ud/2）=10%537/227VUL電感感應附加電壓UL=20%（Ud /2）=20%537/254Vton功率開關管導通時間(S)。所以，把已知數據代入可求得 UP537/2+27+54351V Cd1Cd218.522510-6/(427)4.29F 為了其工作安全，要留有一定的安全裕量，所以UP取540V，Cd1、Cd2取5F。3.7 計算感應加熱線圈的電感與主電路諧振電容感應加熱線圈的電感 L3=N2S/l取 感應加熱線圈匝數N=3,面積S=(5/2)2cm2 ，磁路長度l=3cm

43、在這里,感應加熱線圈即使在加熱工件放入后，也并沒有形成磁回路，所以取為真空相對磁導率。得出 L=N2S/l=2.2210-6 H （2-17）與之對應的原邊電感為 L1=N12L3，L1=4.510-3H由此可得出 諧振電容C = 1/(42f2L) =0.01410-6F3.8 本章小結經過本章的計算，基本確定了主電路的參數，變壓器的參數；并以此可以選定各個元器件的型號。在計算過程中，加深了對主電路的認識和對所學知識的理解。同時，也認識到自己所學知識的掌握的深度還不夠，沒有能對主電路做更深一步的分析。第四章 實驗結果與波形分析4.1 實驗結果在本次設計過程中，我們采用一補償電容實測值C =

44、0.193F,勵磁電感實測值L = 0.39mH的半橋串聯諧振感應加熱電源，通過調節可控晶閘管改變整流濾波后的電壓，一共測試了五組波形。分別如圖4.1，圖4.2，圖4.3，圖4.4，圖4.5。圖4.1中A表示逆變之后橋臂電壓波形，方波，峰值為100V，f=12.50KHz。B表示輸出電流波形，正弦波，峰值為47A。從圖可以看出電壓和電流波形同相位，表明電路工作在諧振狀態或準諧振狀態。圖4.1 橋臂電壓和電流波形（100V）圖4.2 橋臂電壓和電流波形（200V）圖4.2中A表示逆變之后橋臂電壓波形，方波，峰值為200V，f=12.89KHz。B表示輸出電流波形，正弦波，峰值為91A。比較圖4.

45、1和4.2可以看出，當橋臂電壓變化時，頻率也發生了變化，這說明電路元件的性能發生了改變。電壓和電流仍是同相位，表明電路工作在諧振狀態或準諧振狀態。圖4.3中A仍表示逆變之后橋臂電壓波形，方波，峰值為100V，f=12.64KHz。B表示變壓器副邊電壓，峰值為16V。從圖可以看出，橋臂電壓相位超前副邊電壓相位90。圖4.3 橋臂電壓和副邊電壓波形（100V）圖4.4中A仍表示逆變之后橋臂電壓波形，方波，峰值為200V，f=12.92KHz。B也表示變壓器副邊電壓，峰值為31V。從圖可以看出，橋臂電壓相位超前副邊電壓相位90。圖4.4 橋臂電壓和副邊電壓波形（200V）圖4.5中A仍表示逆變之后橋

46、臂電壓波形，方波，峰值為50V，f=12.68KHz，B表示原邊電感電壓，峰值為180V。由圖可以驗證在原邊電感電壓與橋臂電壓之間存在品質因數Q=180/50=3.6,且可以看出原邊電壓滯后于橋臂電壓90。圖4.5 原邊電感電壓與橋臂電壓波形4.2 實驗結論和小結根據實驗結果，可以看出所采用的感應加熱電源可以達到預期的工作要求。（1）在空載狀態下，由于感應線圈的電感很小，導致電路的頻率很高，加上在空載狀態，負載的等效電阻小，因而回路的電流很大，基于這個原因，感應加熱電源應盡量避免在空載狀態。（2）在正常工作狀態下，回路的頻率降低，可以很好加熱工件。（3）加熱完成后，工件的溫度升高，失磁，因而感應加熱線圈處電感降低，頻率又升高;加上等效電阻降低，導致電流升高。所以在加熱完成后應與時斷電。經過實驗，加深了對感應加熱電源的認識，充實了畢業設計的實踐容。結 論本文主要是對感應加熱逆變電源主電路進行設計，并在樣機上進行波形測試并分析，得出以下結論。1.本設計對串聯半橋逆變電路與串聯全橋逆變電路進行分析，得出了串聯半橋逆變電路具有結構