《电力电子技术》课题五 中频感应加热电源.doc

课题五 中频感应加热电源 【学习目标】：完成本课题的学习后，能够：1．了解中频感应加热装置的基本原理及应用2．掌握中频感应加热装置的组成、各部分电路（三相桥式整流电路、触发电路、并联谐振逆变电路、保护电路）的工作原理3．掌握触发电路与主电路电压同步的概念以及实现同步的方法4．了解常用的中频感应加热装置的使用注意事项5．熟悉中频感应加热装置的安装、调试，简单的故障维修方法6．了解三相有源逆变电路工作原理及有源逆变电路的应用 【课题描述】：中频电源装置是一种利用晶闸管元件把三相工频电流变换成某一频率的中频电流的装置，广泛应用在感应熔炼和感应加热的领域图5-1是常见的感应加热装置          【相关知识点】：一、中频感应加热电源概述1．感应加热的原理（1）感应加热的基本原理1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，并且提出了相应的理论解释其内容为，当电路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如果闭合就会产生感应电流电流的热效应可用来加热 例如图5-2中两个线圈相互耦合在一起，在第一个线圈中突然接通直流电流（即将图中开关S突然合上）或突然切断电流（即将图中开关S突然打开），此时在第二个线圈所接的电流表中可以看出有某一方向或反方向的摆动。

这种现象称为电磁感应现象，第二个线圈中的电流称为感应电流，第一个线圈称为感应线圈若第一个线圈的开关S不断地接通和断开，则在第二个线圈中也将不断地感应出电流每秒内通断次数越多（即通断频率越高），则感生电流将会越大若第一个线圈中通以交流电流，则第二个线圈中也感应出交流电流不论第二个线圈的匝数为多少，即使只有一匝也会感应出电流如果第二个线圈的直径略小于第一个线圈的直径，并将它置于第一个线圈之内，则这种电磁感应现象更为明显，因为这时两个线圈耦合得更为紧密如果在一个钢管上绕了感应线圈，钢管可以看作有一匝直接短接的第二线圈当感应线圈内通以交流电流时，在钢管中将感应出电流，从而产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果平常在50Hz的交流电流下，这种感生电流不是很大，所产生的热量使钢管温度略有升高，不足以使钢管加热到热加工所需温度（常为1200℃左右）如果增大电流和提高频率（相当于提高了开关S的通断频率）都可以增加发热效果，则钢管温度就会升高控制感应线圈内电流的大小和频率，可以将钢管加热到所需温度进行各种热加工所以感应电源通常需要输出高频大电流利用高频电源来加热通常有两种方法：①电介质加热：利用高频电压（比如微波炉加热等）②感应加热：利用高频电流（比如密封包装等）1） 1）  电介质加热（dielectric heating） 电介质加热通常用来加热不导电材料，比如木材、橡胶等。

微波炉就是利用这个原理原理如图5-3.： 图5-3电介质加热示意图当高频电压加在两极板层上，就会在两极之间产生交变的电场需要加热的介质处于交变的电场中，介质中的极分子或者离子就会随着电场做同频的旋转或振动，从而产生热量，达到加热效果2）感应加热（induction heating）感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，再利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果如图5-4 图5-4感应加热示意图 （2）感应加热发展历史 感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象，也就是交变的电流会在导体中产生感应电流，从而导致导体发热长期以来，技术人员都对这一现象有较好了解，并且在各种场合尽量抑止这种发热现象，来减小损耗比较常见的如开关电源中的变压器设计，通常设计人员会用各种方法来减小涡流损耗，来提高效率然而在19世纪末期，技术人员又发现这一现象的有利面，就是可以将之利用到加热场合来取代一些传统的加热方法，因为感应加热有以下优点： 1）非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触 2）加热效率高，速度快，可以减小表面氧化现象 3）容易控制温度，提高加工精度 4）可实现局部加热 5）可实现自动化控制 6）可减小占地，热辐射，噪声和灰尘 中频电源装置是一种利用晶闸管元件把三相工频电流变换成某一频率的中频电流的装置，主要是在感应熔炼和感应加热的领域中代替以前的中频发电机组。

中频发电机组体积大，生产周期长，运行噪声大，而且它是输出一种固定频率的设备，运行时必须随时调整电容大小才能保持最大输出功率，这不但增加了不少中频接触器，而且操作起来也很繁琐晶闸管中频电源与这种中频机组比，除具有体积小、重量轻、噪声小、投产快等明显优点外，最主要还有下列一些优点：1）降低电力消耗中频发电机组效率低，一般80%～85%，而晶闸管中频装置的效率可达到90%～95%，而且中频装置起动停止方便，在生产过程总短暂的间隙都可以随时停机，从而使空载损耗减小到最低限度（这种短暂的间隙，机组是不能停下来的）2）中频电源的输出装置的输出频率是随着负载参数的变化而变化的，所以保证装置始终运行在最佳状态，不必像机组那样频繁调节补偿电容12图5-5 螺丝刀口淬火1——螺丝刀口 2——感应线圈2．中频感应加热电源的用途感应加热的最大特点是将工件直接加热，工人劳动条件好、工件加热速度快、温度容易控制等，因此应用非常广泛主要用于淬火、透热、熔炼、各种热处理等方面 （1）淬火 淬火热处理工艺在机械工业和国防工业中得到了广泛的应用它是将工件加热到一定温度后再快速冷却下来，以此增加工件的硬度和耐磨性图5-5为中频电源对螺丝刀口淬火。

12图5-6 弯管的工作过程1——感应线圈 2——钢管（2）透热12图5-7 熔炼炉1——感应线圈 2——金属溶液 在加热过程中使整个工件的内部和表面温度大致相等，叫做透热透热主要用在锻造弯管等加工前的加热等中频电源用于弯管的过程如图5-6所示在钢管待弯部分套上感应圈，通入中频电流后，在套有感应圈的钢管上的带形区域内被中频电流加热，经过一定时间，温度升高到塑性状态，便可以进行弯制了 （3）熔炼中频电源在熔炼中的应用最早，图5-7为中频感应熔炼炉，线圈用铜管绕成，里面通水冷却线圈中通过中频交流电流就可以使炉中的炉料加热、熔化，并将液态金属再加热到所需温度4）钎焊钎焊是将钎焊料加热到融化温度而使两个或几个零件连接在一起，通常的锡焊和铜焊都是钎焊如图5-8是铜洁具钎焊 图5-8 铜洁具钎焊1——感应线圈 2——零件12主要应用于机械加工、采矿、钻探、木材加工等行业使用的硬质合金车刀、洗刀、刨刀、铰刀、锯片、锯齿的焊接，及金刚石锯片、刀具、磨具钻具、刃具的焊接其他金属材料的复合焊接，如：眼镜部件、铜部件、不锈钢锅3．中频感应加热电源的组成目前应用较多的中频感应加热电源主要由可控或不可控整流电路、滤波器、逆变器、和一些控制保护电路组成。

工作时，三相工频（50Hz）交流电经整流器整成脉动直流，经过滤波器变成平滑的直流电送到逆变器逆变器把直流电转变成频率较高的交流电流送给负载组成框图如图5－9所示 图5－9 中频感应加热电源组成原理框图（1）整流电路中频感应加热电源装置的整流电路设计一般要满足以下要求：1）整流电路的输出电压在一定的范围内可以连续调节2）整流电路的输出电流连续，且电流脉动系数小于一定值3）整流电路的最大输出电压能够自动限制在给定值，而不受负载阻抗的影响4）当电路出现故障时，电路能自动停止直流功率输出，整流电路必须有完善的过电压、过电流保护措施5）当逆变器运行失败时，能把储存在滤波器的能量通过整流电路返回工频电网，保护逆变器2）逆变电路 由逆变晶闸管、感应线圈、补偿电容共同组成逆变器，将直流电变成中频交流电给负载为了提高电路的功率因数，需要调协电容器向感应加热负载提供无功能量根据电容器与感应线圈的连接方式可以把逆变器分为：1）串联逆变器：电容器与感应线圈组成串联谐振电路2）并联逆变器：电容器与感应线圈组成并联谐振电路3）串、并联逆变器：综合以上两种逆变器的特点3）平波电抗器 平波电抗器在电路中起到很重要的作用,归纳为以下几点：1）续流 保证逆变器可靠工作。

2）平波 使整流电路得到的直流电流比较平滑3）电气隔离 它连接在整流和逆变电路之间起到隔离作用4）限制电路电流的上升率di/dt值，逆变失败时，保护晶闸管4）控制电路中频感应加热装置的控制电路比较复杂，可以包括以下几种：整流触发电路、逆变触发电路、起动停止控制电路1）整流触发电路 整流触发电路主要是保证整流电路正常可靠工作，产生的触发脉冲必须达到以下要求：①产生相位互差60º的脉冲，依次触发整流桥的晶闸管②触发脉冲的频率必须与电源电压的频率一致③采用单脉冲时，脉冲的宽度应该大与90º，小于120º采用双脉冲时，脉冲的宽度为25º-30º，脉冲的前沿相隔60º④输出脉冲有足够的功率，一般为可靠触发功率的3～5倍⑤触发电路有足够的抗干扰能力⑥控制角能在0º～170º之间平滑移动2）逆变触发电路加热装置对逆变触发电路的要求如下：①具有自动跟踪能力②良好的对称性③有足够的脉冲宽度，触发功率，脉冲的前沿有一定的陡度④有足够的抗干扰能力3）起动、停止控制电路起动、停止控制电路主要控制装置的起动、运行、停止一般由按纽、继电器、接触器等电器元件组成5）保护电路中频装置的晶闸管的过载能力较差，系统中必须有比较完善的保护措施，比较常用的有阻容吸收装置和硒堆抑制电路内部过电压，电感线圈、快速熔断器等元件限制电流变化率和过电流保护。

另外，还必须根据中频装置的特点，设计安装相应的保护电路二、整流主电路1．三相半波可控整流电路（1）三相半波不可控整流电路图5－10 三相半波不可控整流电路及波形为了更好地理解三相半波可控整流电路，我们先来看一下由二极管组成的不可控整流电路，如图5-10(a)所示此电路可由三相变压器供电，也可直接接到三相四线制的交流电源上变压器二次侧相电压有效值为U2，线电压为U2L其接法是三个整流管的阳极分别接到变压器二次侧的三相电源上，而三个阴极接在一起，接到负载的一端，负载的另一端接到整流变压器的中线，形成回路此种接法称为共阴极接法图5—10(b)中示出了三相交流电uu、uv和uw波形图ud是输出电压的波形，uD是二极管承受的电压的波形由于整流二极管导通的唯一条件就是阳极电位高于阴极电位，而三只二极管又是共阴极连接的，且阳极所接的三相电源的相电压是不断变化的，所以哪一相的二极管导通就要看其阳极所接的相电压uu、uv和uw中哪一相的瞬时值最高，则与该相相连的二极管就会导通其余两只二极管就会因承受反向电压而关断例如，在图5—10(b)中ωt1～ωt2区间，u相的瞬时电压值uu最高．因此与u相相连的二极管VD1优先导通，所以与v相、w相相连的二极管VD2和VD3则分别承受反向线电压uvu、uwu关断。

若忽略二极管的导通压降，此时，输出电压ud就等于u相的电源电压uu同理，当ωt2时，由于v相的电压uv开始高于u相的电压uu而变为最高，因此．电流就要由VDl换流给VD2，VD1和VD3又会承受反向线电压而处于阻断状态，输出电压ud＝uv同样在ωt3以后，因w相电压uw最高，所以VD3导通，VDl和VD2受反压而关断，输出电压ud＝。