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1、 中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名： 学 号： 学 院、系：信息与通信工程学院、电气工程系专 业：电气工程及其自动化论 文 题 目：高频感应加热电源设计指导教师: 2013 年 3月12 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1.1感应加热的发展简史和用途感应加热设备又通称感应电炉，主要包括感应熔炼设备和感应加热设备两大类。人们早在19世纪初就发现了电磁感应现象，知道处于交变磁场中的导体内会产生感应电流而引起导体发热。但是，长期以来人们视这种发热为损耗，并为保护电气设备和提高效率而千方百计地减少这种发热
2、。直到19世纪末起人们才开始开发和利用这种热源进行有目的的加热-熔炼、热处理、压力加工前的透热和其它加热，随之出现了各种形式的感应电热设备1。感应加热电源已广泛用于金属熔炼、透热、焊接、弯管、表面淬火等热加工和热处理行业。对于不同工件、不同工艺，要求不同的电源工作频率和输出功率。感应加热电源按其工作频率的不同，可分为0410kHz晶闸管中频电源、1050kHz IGBT超音频电源和l00400kHz电子管或MOSFET高频电源24。1.2 国内外感应加热技术现状在50年代前，感应加热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。50年代末硅晶闸管的出现引起了感应
3、加热电源技术以致整个电力电子学的一场革命，感应加热电源及应用得到了飞速发展。至今，在中频（150Hz 10kHz）范围内，晶闸管中频感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器。国外装置的最大容量已达数十兆瓦，国内也已形成200Hz 8000Hz，功率为100kW 3000kW系列产品，可以配备5t 以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热，表面淬火等热处理工艺5。在超音频（10kHz 100kHz）频段内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度，浙江大学在70年代开始研制晶闸管倍频逆变电源，目前产品水平为250 320kW/ 10 1
4、5kHz，后于80年代末又采用改进型频逆变电路研制了50kW/ 50kHz 晶闸管超音频电源6。70年代末和80年代初，出现了一大批全控型电力电子半导体器件，极大地推动了电力电子学发展，为固态超音频、高频电源的研制提供了坚实的基础。第一台晶体管超音频感应加热电源在1985 年面世，其容量为25kW/ 50kHz。1983 年美国GE 公司发明了一新的很有前途的功率器件IGBT，它综合了MOS 管与双极晶体管的优点，其通态压降低的同时开关速度也加快了，自1988年解决了挚住问题后，大功率高速IGBT 已成为众多加热电源的首选器件，频率高达100kHz，功率高达MW级电源已可实现。如1994 年，
5、日本采用IGBT 研制出了1200kW，50kHz 的电流型并联逆变感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态，并实现了微机控制7；西班牙在1993年也已报道了30kW 600kW，50 100khz 电流型并联逆变感应加热电源8，欧、美地区的其他一些国家如英国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电源目前最大容量也达数百千瓦。国内在90 年代初，浙江大学开始对IGBT 超音频电源的研制9，1996年50kW/ 50khz IGBT电流型并联逆变感应加热电源通过了产品鉴定，目前的研制水平为200kW、50khz，与国外的水平仍有相当大的距离。在高频（100khz 以上）频段，目前国外正处在从传统
6、的电子管电源向晶体管化全固态电源的过渡阶段，以模块化、大容量化MOSFET 功率器件为主，西班牙采用MOSFET 的电流型感应加热电源制造水平达600kW/ 400khz10，德国在1989年研制的电流型MOSFET 感应加热电源水平达480kW/ 50 200khz，比利时Inducto Eiphiac 公司生产的电流型MOSFET感应加热电源水平可达1000kW/ 15 600khz。应用于高频电源的另一功率器件为静电感应晶体管（SIT），主要以日本为主，电源水平在80年代末达到了1000kW/ 200khz，400kW/400khz14，SIT 开关速度比MOSFET 快，但它存在很大的
7、通态损耗，随着MOSFET、IGBT 性能不断改进，SIT 将失去它存在的价值。国内浙江大学在90 年代研制成20kW/ 300khz MOSFET高频电15，已被成功应用于小型刀具的表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核试验中。1996年天津高频设备厂和天津大学联合开发出75kW/ 200khz 的SIT 感应加热电源16，总的来说，与国外的水平有一定的差距。参考文献：1潘天明，现代感应加热装置，冶金工业出版社，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张明勋电力电子设备设计和应用手册M北京：机械工业出版社19905高伯俭. 我国工业电炉设备现状及技术发展趋势J. 工业加热，1996，（2）.6张仲超，林渭勋. 改进型倍频逆变电路的分析和计算J. 电力电子技术，1991(2）.7high-Power high-Freguency Inverter for Ind
9、uction heating Appiications.Mitsui Iosen Tech.Rev.（Japan），1990，（153）：35.8Dede E J，Tordan J，Esteve V，et ai.Design Considerations for Inductionheating Current Fed Inverters with IGBTs Working at 100khz. APEC93：679.9张仲超，陈辉明.50khz IGBT 超音频感应加热电源J. 电力电子技术，1995，（2）.10Dede E J，Gonzaiez J V，Esteve V，et ai.
10、Transistorized Inverters for Inductionheating Appiications State-of-the-Art and Future Trends.IPEMC97：746.11heumann K. 电力电子学发展动态J. 国外电力电子技术，1991，（1）.12Ogiwara h. 用高频静电感应晶体管制作的高频逆变器的性能评述J. 半导体情报，1989，（3）.13倔克彦.200khz、200kW晶体管逆变器在电焊钢管生产线上的应用J. 半导体情报电力电子器件-静电感应晶体管和晶闸管专集，1988，9.14沈庆通，周大振. 高效感应热处理电源的本质和参
11、数的思考J. 国外金属热处理，1996，17（4）.15沈旭，吴兆麟，马骏，李广勇. 20kW、300khz 高频感应加热电源J. 电力电子技术，1996，（2）.16章亦葵，姜士林. 200khz、75kW SIT 高频感应加热电源的研制J. 工业加热，1996，（1）. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：感应加热装置都是由整流器、滤波器、逆变器及其控制保护电路组成。工作时，三相工频电流经整流器整流，滤波器滤波后，成为平滑直流送到逆变器。逆变器是采用电力半导体器件作为电子开关的，它将直流电转变变成较高频率的电流供给负载。图1 感应加热基本结构图
12、2.1主电路在感应加热装置中，整流器的负载是逆变器，对整流器的基本要求如下：电流型逆变器要求整流器输出电流连续、电流脉动小，应采用电抗器滤波；而电压型宽逆变器则要求整流器的输出电压平稳、电压脉动小，这应采用电容器滤波。在出现负载短路或逆变颠覆是，必须采取保护措施。电流型逆变器要求整流器能把存储在电路元件中的能量迅速反馈回电网，电压型逆变器则要求整流器立即停止工作。常见的整流电路形式甚多，但能够满足上述要求而又简单经济的电路，只有三相全控或不控桥式整流电路。逆变器的电路型式繁多，分类不一。适用于感应加热的逆变器，多采用单相桥式并联、串联、串并联、倍频和时间分割式逆变电路。使用SIT、IGBT、V
13、MOS等作开关器件的装置，多采用串联谐振式电压型逆变器；使用快速晶闸管、GTO作开关器件的装置，多采用并联谐振式电流型逆变器。因为高频电源对分布参数较为敏感，杂散电感和分布电容容易引起电压过冲和开关过程的高频振荡。电流型逆变器的开关器件要求具有双向耐压的能力，因此增加了结构设计和安装的工作量以及分布参数。另外，由于电压型逆变器可以利用逆变调功，不必像电流型逆变器那样必须采用可控整流或直流斩波。可见，采用电压型逆变器的感应加热电源在整体结构上更加简洁，有利于高频电源的结构设计。2.2控制电路采用可控关断器件作为逆变器件的串联谐振型逆变器有多种不同的调功方式，常用的有直流调功和逆变调功。考虑到逆变
14、器工作在高频下，IGBT的损耗必须严加控制，否则器件寿命会大大缩短。在直流侧调压调功，逆变器工作在谐振状态，IGBT的开通和关断都在电流过零时刻进行，损耗很小，逆变器的运行环境好，对逆变器的稳定工作极为有利，因此选用直流侧调压调功。本设计以AT89C51为控制核心，实现对逆变器的控制。2.3驱动电路驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口。IGBT是电压驱动型器件。使IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取15-20V。同样，关断时施加一定幅值的负驱动电压，有利于减小关断时间和关断损耗。IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器，例如三菱公司的M579系列和富士公司的EXB系列。这些混合集成驱动
15、内部都具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。2.4保护电路没有良好的保护电路，器件容易损坏，电路也容易出现故障。对于本设计，我们可以遵循以下原则进行保护：（1） 足够高的输入输出电气隔离特性，使信号电路与栅极驱动电路绝缘，并具有较强抗干扰能力。（2） 出现短路、过流故障时，具有灵敏的保护能力，并具有一定的抗干扰能力，防止瞬时短路或干扰信号造成误保护。（3） 保护电路具有软降栅压功能，对短路、过流造成的大电流采取软关断，避免产生过压。（4） 对输出级电压进行监测，在出现欠压时向控制发出错误信号，避免出现过低的电压造成IGBT不饱和进而烧毁。 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见： 指导教师： 年 月 日所在系审查意见： 系主任： 年 月 日
