1、 中 北 大 學畢業設計開題報告學 生 姓 名： 學 號： 學 院、系：信息與通信工程學院、電氣工程系專 業：電氣工程及其自動化論 文 題 目：高頻感應加熱電源設計指導教師: 2013 年 3月12 日畢 業 設 計 開 題 報 告1結合畢業論文情況，根據所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述1.1感應加熱的發展簡史和用途感應加熱設備又通稱感應電爐，主要包括感應熔煉設備和感應加熱設備兩大類。人們早在19世紀初就發現了電磁感應現象，知道處于交變磁場中的導體內會產生感應電流而引起導體發熱。但是，長期以來人們視這種發熱為損耗，并為保護電氣設備和提高效率而千方百計地減少這種發熱

2、。直到19世紀末起人們才開始開發和利用這種熱源進行有目的的加熱-熔煉、熱處理、壓力加工前的透熱和其它加熱，隨之出現了各種形式的感應電熱設備1。感應加熱電源已廣泛用于金屬熔煉、透熱、焊接、彎管、表面淬火等熱加工和熱處理行業。對于不同工件、不同工藝，要求不同的電源工作頻率和輸出功率。感應加熱電源按其工作頻率的不同，可分為0410khz晶閘管中頻電源、1050khz igbt超音頻電源和l00400khz電子管或mosfet高頻電源24。1.2 國內外感應加熱技術現狀在50年代前，感應加熱電源主要有：工頻感應熔煉爐、電磁倍頻器、中頻發電機組和電子管振蕩器式高頻電源。50年代末硅晶閘管的出現引起了感應

3、加熱電源技術以致整個電力電子學的一場革命，感應加熱電源及應用得到了飛速發展。至今，在中頻（150hz 10khz）范圍內，晶閘管中頻感應加熱裝置已完全取代了傳統的中頻發電機組和電磁倍頻器。國外裝置的最大容量已達數十兆瓦，國內也已形成200hz 8000hz，功率為100kw 3000kw系列產品，可以配備5t 以下的熔煉爐及更大容量的保溫爐，也適用于各種金屬透熱，表面淬火等熱處理工藝5。在超音頻（10khz 100khz）頻段內，由于晶閘管本身開關特性等參數的限制，給研制該頻段的電源帶來了很大的技術難度，浙江大學在70年代開始研制晶閘管倍頻逆變電源，目前產品水平為250 320kw/ 10 1

4、5khz，后于80年代末又采用改進型頻逆變電路研制了50kw/ 50khz 晶閘管超音頻電源6。70年代末和80年代初，出現了一大批全控型電力電子半導體器件，極大地推動了電力電子學發展，為固態超音頻、高頻電源的研制提供了堅實的基礎。第一臺晶體管超音頻感應加熱電源在1985 年面世，其容量為25kw/ 50khz。1983 年美國ge 公司發明了一新的很有前途的功率器件igbt，它綜合了mos 管與雙極晶體管的優點，其通態壓降低的同時開關速度也加快了，自1988年解決了摯住問題后，大功率高速igbt 已成為眾多加熱電源的首選器件，頻率高達100khz，功率高達mw級電源已可實現。如1994 年，

5、日本采用igbt 研制出了1200kw，50khz 的電流型并聯逆變感應加熱電源，逆變器工作于零電壓開關狀態，并實現了微機控制7；西班牙在1993年也已報道了30kw 600kw，50 100khz 電流型并聯逆變感應加熱電源8，歐、美地區的其他一些國家如英國、法國、瑞士等國的系列化超音頻感應加熱電源目前最大容量也達數百千瓦。國內在90 年代初，浙江大學開始對igbt 超音頻電源的研制9，1996年50kw/ 50khz igbt電流型并聯逆變感應加熱電源通過了產品鑒定，目前的研制水平為200kw、50khz，與國外的水平仍有相當大的距離。在高頻（100khz 以上）頻段，目前國外正處在從傳統

6、的電子管電源向晶體管化全固態電源的過渡階段，以模塊化、大容量化mosfet 功率器件為主，西班牙采用mosfet 的電流型感應加熱電源制造水平達600kw/ 400khz10，德國在1989年研制的電流型mosfet 感應加熱電源水平達480kw/ 50 200khz，比利時inducto eiphiac 公司生產的電流型mosfet感應加熱電源水平可達1000kw/ 15 600khz。應用于高頻電源的另一功率器件為靜電感應晶體管（sit），主要以日本為主，電源水平在80年代末達到了1000kw/ 200khz，400kw/400khz14，sit 開關速度比mosfet 快，但它存在很大的

7、通態損耗，隨著mosfet、igbt 性能不斷改進，sit 將失去它存在的價值。國內浙江大學在90 年代研制成20kw/ 300khz mosfet高頻電15，已被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。1996年天津高頻設備廠和天津大學聯合開發出75kw/ 200khz 的sit 感應加熱電源16，總的來說，與國外的水平有一定的差距。參考文獻：1潘天明，現代感應加熱裝置，冶金工業出版社，1996年12月2e j dede.design of mediun and high power current fed inverters for inducting heatin

8、gaias91c.1991:104710513e j dededesign considemtion for induction heating current fed inventers with igbts working at 100khza.ias93c1993：6796824張明勛電力電子設備設計和應用手冊m北京：機械工業出版社19905高伯儉. 我國工業電爐設備現狀及技術發展趨勢j. 工業加熱，1996，（2）.6張仲超，林渭勛. 改進型倍頻逆變電路的分析和計算j. 電力電子技術，1991(2）.7high-power high-freguency inverter for ind

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11、數的思考j. 國外金屬熱處理，1996，17（4）.15沈旭，吳兆麟，馬駿，李廣勇. 20kw、300khz 高頻感應加熱電源j. 電力電子技術，1996，（2）.16章亦葵，姜士林. 200khz、75kw sit 高頻感應加熱電源的研制j. 工業加熱，1996，（1）. 畢 業 設 計 開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：感應加熱裝置都是由整流器、濾波器、逆變器及其控制保護電路組成。工作時，三相工頻電流經整流器整流，濾波器濾波后，成為平滑直流送到逆變器。逆變器是采用電力半導體器件作為電子開關的，它將直流電轉變變成較高頻率的電流供給負載。圖1 感應加熱基本結構圖

12、2.1主電路在感應加熱裝置中，整流器的負載是逆變器，對整流器的基本要求如下：電流型逆變器要求整流器輸出電流連續、電流脈動小，應采用電抗器濾波；而電壓型寬逆變器則要求整流器的輸出電壓平穩、電壓脈動小，這應采用電容器濾波。在出現負載短路或逆變顛覆是，必須采取保護措施。電流型逆變器要求整流器能把存儲在電路元件中的能量迅速反饋回電網，電壓型逆變器則要求整流器立即停止工作。常見的整流電路形式甚多，但能夠滿足上述要求而又簡單經濟的電路，只有三相全控或不控橋式整流電路。逆變器的電路型式繁多，分類不一。適用于感應加熱的逆變器，多采用單相橋式并聯、串聯、串并聯、倍頻和時間分割式逆變電路。使用sit、igbt、v

13、mos等作開關器件的裝置，多采用串聯諧振式電壓型逆變器；使用快速晶閘管、gto作開關器件的裝置，多采用并聯諧振式電流型逆變器。因為高頻電源對分布參數較為敏感，雜散電感和分布電容容易引起電壓過沖和開關過程的高頻振蕩。電流型逆變器的開關器件要求具有雙向耐壓的能力，因此增加了結構設計和安裝的工作量以及分布參數。另外，由于電壓型逆變器可以利用逆變調功，不必像電流型逆變器那樣必須采用可控整流或直流斬波。可見，采用電壓型逆變器的感應加熱電源在整體結構上更加簡潔，有利于高頻電源的結構設計。2.2控制電路采用可控關斷器件作為逆變器件的串聯諧振型逆變器有多種不同的調功方式，常用的有直流調功和逆變調功。考慮到逆變

14、器工作在高頻下，igbt的損耗必須嚴加控制，否則器件壽命會大大縮短。在直流側調壓調功，逆變器工作在諧振狀態，igbt的開通和關斷都在電流過零時刻進行，損耗很小，逆變器的運行環境好，對逆變器的穩定工作極為有利，因此選用直流側調壓調功。本設計以at89c51為控制核心，實現對逆變器的控制。2.3驅動電路驅動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口。igbt是電壓驅動型器件。使igbt開通的柵射極間驅動電壓一般取15-20v。同樣，關斷時施加一定幅值的負驅動電壓，有利于減小關斷時間和關斷損耗。igbt的驅動多采用專用的混合集成驅動器，例如三菱公司的m579系列和富士公司的exb系列。這些混合集成驅動內部都具有退飽和檢測和保護環節，當發生過電流時能快速響應但慢速關斷igbt，并向外部電路給出故障信號。2.4保護電路沒有良好的保護電路，器件容易損壞，電路也容易出現故障。對于本設計，我們可以遵循以下原則進行保護：（1） 足夠高的輸入輸出電氣隔離特性，使信號