IGBT小功率感應加熱電源的設計 電路圖

1、-范文最新推薦- IGBT小功率感應加熱電源的設計+電路圖 摘要：隨著科技的發(fā)展，感應加熱技術作為一種新型清潔、高效的加熱能源，越來越多地應用于人們的生產生活當中。感應加熱具有加熱速度快、熱效率高、適用于局部加熱、產品質量好、無環(huán)境污染、易于實現(xiàn)生產自動化等優(yōu)點，其功率密度在被加熱工件內的分布可方便地通過頻率的選擇和感應圈的合理設計而得到。目前，感應加熱技術已廣泛應用于金屬熔煉、鑄造、焊接、熱處理、熱鍛造等熱加工工藝.對于小型工件的表面熱處理或超小型小工件的加工和焊接，則要求功率更加集中、輸出頻率更高，但是頻率提高受到器件自身開關速度和技術工藝的限制。6509本論文分析了感應加熱電源的原理，并

2、了解了感應加熱電源的現(xiàn)狀。通過兩部分來進行了感應加熱電源的設計。第一部分是通過理論來設計感應加熱電源的線圈和水冷卻裝置。第二部分是選擇用全橋IGBT模塊作為逆變電路，建立了IGBT驅動電路。最后對本次設計進行了歸納。關鍵詞：感應加熱電源；水冷卻；逆變電路The design of small power induction heating power supply Abstract：With the development of technology, induction heating technology as a new type of clean, efficient heat ene

3、rgy, more and more used in the production and living among the people. Induction heating with heating speed, high thermal efficiency, suitable for local heating, product quality, no pollution, easy-to-production automation, etc., the power density in the work piece is heated and its distribution can

4、 be easily by frequency selection and induction loop be. At present, the induction heating technology has been widely used in metal melting, casting, welding, heat treatment, hot forging and other hot working processes. for small work piece surface heat or ultra-small small parts machining and weldi

5、ng, require more concentrated power, the output frequency is more High, but the frequency increases switching speed by the device itself and the technical process of the limit. 3感應線圈冷卻水的計算183.1冷卻水溫度的確定183.2冷卻水量的計算183.3感應線圈水冷卻的驗算194感應加熱電源電路的設計224.1電路的基本結構234.2整流電路234.2.1整流電路的作用234.2.2整流電路的分類及各自的優(yōu)缺點23

6、4.2.3三相二極管不控整流電路254.3逆變電路264.3.1 逆變電路的分類264.3.2 逆變器的工作原理274.3.3 逆變電路器件的選擇284.4控制電路304.4.1 控制電路的結構及原理304.4.2 控制電路的作用324.4.3 控制芯片324.4.4 控制設計355總結37致謝38參考文獻391緒論感應加熱技術是利用電磁感應原理對工件進行加熱, 其主要用途是感應加熱電源。由于感應加熱具有加熱速度快、熱效率高、加熱均勻和易于實現(xiàn)機械化、自動化等優(yōu)點, 在鑄造熔煉、鍛造毛坯加熱、鋼管彎曲、金屬表面熱處理、焊接、粉末冶金等行業(yè)中被廣泛應用。隨著感應加熱理論和感應加熱裝置的不斷發(fā)展,

7、 其應用領域也隨之擴大, 應用范圍越來越廣, 如微波爐、電磁爐等已進入人們的日常生活。而感應加熱技術的發(fā)展與感應加熱電源水平密切相關。1.1高頻加熱的兩種方式利用高頻電壓或電流來加熱通常有兩種方法： 感應加熱利用交流電建立交變磁場渦流對金屬工件進行感應加熱，基本工作原理如圖1.1，A為感應線圈，B為被加熱工件，若線圈A中通以交流電流，則線圈A內產生隨時間變化的磁場，置于交變磁場中的被加熱工件B要產生感應電動勢，形成渦流，這些渦流使金屬工件發(fā)熱，因此，感應加熱是靠感應線圈把電能傳遞給要加熱的金屬工件，然后在金屬工件內部轉換成熱能，感應線圈與被加熱工件不直接接觸，能量是通過電磁感應傳遞的。圖1.1

8、 感應加熱電源的基本原理1.3感應加熱的三大效應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(huán)效應。（1）集膚效應眾所周知，直流電流經導體時，電流在導體截面上是均勻分布的，而當給一個圓形斷面直導線通以交流電時，這時電流在導體截面上的分布將不再是均勻的，導體表面上各點的電流密度最大，而在導體中心軸線上電流密度最小，由外表面向內層以冪指數(shù)規(guī)律逐漸遞減，這種現(xiàn)象叫做集膚效應，也稱表面效應或趨膚效應。在感應加熱中，電源電流是交流電，工件中的感應電流也是交流電流，因此同樣具有集膚效應，在此效應作用下，工件中的電流密度分布是不均勻的。當交變電流通過導體時，沿導體截面上的

9、電流分布是不均勻的，最大電流密度出現(xiàn)在導體的表面層，這種電流集聚的現(xiàn)象稱為集膚效應。（2） 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(xiàn)在導體內側；當兩根導體流的電流是同方向時，最大電流密度出現(xiàn)在導體外側，這種現(xiàn)象稱為近鄰效應。 5、節(jié)能環(huán)保，作業(yè)環(huán)境好，幾乎沒有熱，噪聲和灰塵，而且占地少，適合現(xiàn)代環(huán)保的要求。6、工作容易，加熱均勻，產品質量好，且能加熱形狀復雜的工件。7、自動化程度高，對于感應加熱裝置，可頻繁的起停，控制溫度的精度高。8、可對工件進行局部加熱。1.7感應加熱電源的發(fā)展趨勢隨著功率器件的大容量化

10、、高頻化等性能上的不斷完善，感應加熱電源的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出以下幾個方面的特點：（1） 高頻化目前，感應加熱電源在中頻頻段主要采用晶閘管，超音頻頻段主要采用IGBT，而高頻頻段，由于SIT 存在高導通損耗等缺陷，主要發(fā)展MOSFET 電源。感應加熱電源諧振逆變器中采用的功率器件利于實現(xiàn)軟開關，但是，感應加熱電源通常功率較大，對功率器件、無源器件、電纜、布線、接地、屏蔽等均有許多特殊要求，尤其是高頻電源。因此，實現(xiàn)感應加熱電源高頻化仍有許多技術需進一步探討，特別是新型高頻大功率器件的問世，將進一步促進高頻感應加熱電源的發(fā)展。（2） 大容量化從電路的角度來考慮感應加熱電源的大容量化，可將大容量化技術分

11、為兩大類:一類是器件的串、并聯(lián)，另一類是多臺電源的串、并聯(lián)。在器件的串、并聯(lián)方式中，必須認真處理串聯(lián)器件的均壓問題和并聯(lián)器件的均流問題，由于器件制造工藝和參數(shù)的離散性，限制了器件的串、并聯(lián)數(shù)目，且串、并聯(lián)數(shù)越多，裝置的可靠性越差。多臺電源的串、并聯(lián)技術是在器件串、并聯(lián)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(lián)技術，在單機容量適當?shù)那闆r下，可簡單地通過串、并聯(lián)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。感應加熱電源逆變器主要有并聯(lián)逆變器和串聯(lián)逆變器，串聯(lián)逆變器輸出可等效為一低阻抗的電壓源，當兩電壓源并聯(lián)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(huán)流，

12、以致逆變器件的電流產生嚴重不均，因此串聯(lián)逆變器存在并機擴容困難；而對并聯(lián)逆變器，逆變器輸入端的直流大電抗器可充當各并聯(lián)器之間的電流緩沖環(huán)節(jié)，使得輸入端的AC/ DC 或DC/ DC 環(huán)節(jié)有足夠的時間來糾正直流電流的偏差，達到多機并聯(lián)擴容。晶體管化超音頻、高頻電源多采用并聯(lián)逆變器結構，并聯(lián)逆變器易于模塊化、大容量化是其中的一個主要原因。 1.8感應加熱電源的研究意義由于電磁感應加熱具有加熱效率高、速度快，可控性好及易于實現(xiàn)機械化、自動化等優(yōu)點，已在熔煉、鑄造、彎管、熱鍛、焊接和表面熱處理等行業(yè)得到廣泛的應用。在國外，感應加熱技術已日趨成熟。在鑄造方面，正在迅速發(fā)展雙聯(lián)熔煉工藝，即利用感應加熱爐保

13、溫改性，進行球墨鑄鐵或合金鋼的精密澆鑄；在鍛造方面，利用感應加熱實現(xiàn)快速透熱熱鍛，其材料利用率可達85%，鑄件表面光潔度可小于50微米。隨著我國電力供應的改善，環(huán)保要求的提高，發(fā)展和擴大感應熔煉爐的規(guī)模，在大型企業(yè)推廣雙聯(lián)熔煉工藝，改造我國鑄造行業(yè)已成為可能。這一改造工程不但涉及到感應加熱電源，保溫爐的設計制造，還涉及到雙聯(lián)熔煉工藝的最佳化控制系統(tǒng)設計等。1.9課題主要研究內容及任務1、感應加熱電源工作原理分析；2、設計將加熱材料從室溫加熱到950°C的感應加熱電源主電路設計。選擇加熱頻率、確定加熱時間、感應加熱器尺寸、加熱功率，計算電參數(shù)、冷卻水; 電源主電路設計；3、感應加熱電源控

14、制系統(tǒng)設計。1.10本課題的方案論證本設計的感應加熱電源擬采用IGBT作為開關器件。以理論計算進行對感應加熱電源線圈部分的設計。在線圈部分的計算完成后，進行加熱電路部分的設計。冷卻方式擬采用水冷卻。（1） 技術可行性絕緣柵極功率晶體管有以下幾個特點：1、良好的自關斷性能。IGBT的開通和關斷完全取決于柵極控制電壓的幅值，不必借助復雜的換流電路。使IGBT電源控制方便，啟動性能較好。2、通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)。即管子的結溫越高，通態(tài)電阻越大，通態(tài)電流也就越小。這說明IGBT具有自動電流平衡的作用。這使得大容量電源中IGBT的并聯(lián)使用更容易實現(xiàn)。 2感應器的設計計算2.1感應加熱電源設計的原始數(shù)據(jù)

15、毛坯的原始數(shù)據(jù)：加熱材料，直徑6mm，高度5mm鋼材（45#），設計將加熱材料從室溫加熱到950。室溫：20；頻率：30kHZ；45#鋼的密度為7.85g/cm3；表2.145#鋼在950時的參數(shù)電阻率（*10-6Ωm）導熱系數(shù)（w/mk）比熱容（J/kg•k）1.18124.97619.5由于毛坯的尺寸為直徑6mm，高度5mm。則可將線圈設計成內徑10mm，長度10mm。2.2感應加熱時間的確定經查得：45#鋼的密度 7.85g/cm3=7.85*103kg/m3。則毛坯質量為：G=π（0.6cm/2）2*0.5cm*7.85g/cm3=π（0.3）2*0.

16、5*7.85g/cm3=1.109767605*10-3kg≈1.1*10-3kg從集膚效應中可以看出，使用交變電流時電流之流過導體表面層，電流頻率越高，電流流過的表面層越薄。為了簡化感應加熱的整個計算，引入了一個電流穿透深度的概念。工程上規(guī)定，當渦流強度從表面向內層降低到其數(shù)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。電流穿透深度的常用計算式為：2=5030（2.1）式中——電阻率 ；——相對磁導率；——電流頻率 。則，電流穿透深度：2=5030=5030=5030=5030*=5030*=0.09984cm圓柱形毛坯的感應加熱時間 （s）為： 因為毛坯尺寸很小，心部溫度為950，則表心溫差的數(shù)值可視為0，Tk=(2.5)毛坯表面與中心的溫差= ，溫差為0時，查文獻12的圖3-13，得傅里葉數(shù) =1.7，則把數(shù)值代入式（2-5）：2.3毛坯加熱所需的功率毛坯加熱的有效功率：P21=(2.6)式中：c——金屬的比熱容kw/(kg*k)；G&md