数控中频电源设计.doc

0 引言 随着功率器件的发展，感应加热电源的频率也逐步提高，经历了中频、超音频、高频几个阶段。在感应加热电源的应用中，淬火、焊管、焊接等工艺都要求高频率高功率的电源。功率MOSFET虽然可以实现高频工作，但其电压、电流容量等级低，大功率电源需采用串、并联技术，影响了电源运行的可靠性。绝缘栅双极晶体管(IGBT)比较容易实现电源高功率化，但在高频情况下，其开关损耗，尤其是IGBT关断时存在的尾部电流，会限制工作频率的进一步提高。 本文论述的中频感应加热电源采用功率自关断功率器件IGBT，负载频率是开关管工作频率的二倍，间接拓宽了IGBT的使用频率；功率管工作于零电流开关状态，彻底消除了尾部电流引起的关断损耗，理论上可实现零开关损耗；同时采用死区控制策略后，可实现负载阻抗调节。以往一般采用晶体管来实现逆变电路，但是晶体管关断期反压太低，参数匹配麻烦，输出频率仍然偏低；而采用IGBT后，并让电路工作在电流断续状态下，这些问题都得到很好地解决。 为满足中小工件加热的需要，研制了一种新型线效的中频感应加热电源。该电源具有输出电压低圈匝数少、不需要中频变压器降压、结构简单、效率高[1]。 1 概述 中频感应电源因其设计简单、电效率高、使用方便等优点，在工业生产中得到了广泛的应用。随着我国制造业和电力电子行业的不断发展，迫切需要开展大功率感应加热用电源的开发和研制工作，以提高我国感应加热的技术水平，更好地促进工业生产的发展。 1.1 课题研究意义 现代工业生产中，经常要对金属工件进行淬火、透热、熔炼、钎焊、烧结等加热处理。随着社会的不断发展，人们对工件加热的工艺指标要求也越来越高。过去传统的加热方式，多以煤、油、气为能源或箱式电炉加热，不仅造成有限的资源浪费、环境污染，而且工作效率低，工人劳动条件差，工艺质量难以准确控制，严重地制约了机械加工业的迅速发展。因此利用电磁感应来加热金属工件的方法一经提出，立刻引起广泛的关注。 感应加热是通过电磁感应原理即利用涡流对被加工件进行加热的。由于是从工件内部，即从工件的电流透入深度层开始加热的，因此大大节省了热传导时间，加热速度快，氧化层薄，金属烧损少，可以根据不同的工艺要求，对工件进行局部或整体加热，而且对加热深度可以严格控制，加热温度也容易控制，一般只需控制加热时间和电压即可，温差可保证在±0.5～1%以内，而热效率则可高达50～60%。最重要的是对大气和周围环境无污染，无噪音，作业的环境条件得以大大提高。在大力提倡环保意识的今天，更加符合时代的要求。而且，感应加热设备可以随时开停，不需电极或填加燃料，容易实现机械化和自动化。 感应加热应用范围非常广泛:在锻造方面，可对钢材和钛、镍等稀有金属进行加工预热;在热处理方面，为了加强工件的硬度和韧性，应用感应加热可对钢材进行透热、表面淬火、穿透淬火、回火和焖火:在熔炼方面，通常用感应加热的方法来熔化优质钢和有色金属;在焊接固压方面，可把金属片涂料抹在金属表面，然后利用感应加热使其熔化镀涂并固化，有些汽车部件的连接也需感应加热电源;在烧结方面，使用感应加热能在石墨曲颈瓶或感应器中对碳化物加热到2550℃的高温。 在国外，早在二十世纪初就开始了感应加热的研究，至今感应加热技术已日趋成熟。应用于感应加热的配套电源发展也十分迅速，电源的频率、功率不断提高。日前国外己有3000kw/8kHz和600kw/100 kHz的电源产品。上世纪八十年代特别是九十年代，随着科技的进步和时代的发展，我国的感应加热设备才有了一定的发展，但与世界发达国家相比还有相当大的差距。由于生产设计水平的限制，目前我国市场上的感应电源仍存在着不可忽视的缺点，如功率因数低、起动装置繁琐、功率调节有限等。这不仅造成了用户生产上的不便，还会影响到电网的安全。因此很好地解决感应电源的这些问题，不仅有巨大的经济效益，也有良好的社会效益。 总之，随着我国电力供应的改善，电力电子技术的进一步发展，以及环保要求的提高，发展和扩大感应加热应用的范围，在锻造、焊接、淬火热处理等方面进一步改进技术，提高质最，改造我国传统加热行业是势在必行的。这一改造不但涉及与加热电源配套的机械工艺的改造提高，而且至关重要的就是进行大功率感应加热电源的开发和研究工作。 本文试图针对日前IGBT中频感应电源存在的问题，提出新的设计方案，采用功率因数调节、零压扫频软起动、恒功率输出控制，单片机数字控制等新技术，对提高晶闸管中频感应电源的性能进行一些有益的探索。 1.2 中频电源发展概述 （1）感应加热电源技术发展现状 感应电源按频率范围可分为以下等级：500Hz以下为低频，1～10KHz为中频；20KHz以上为超音频和高频。感应加热电源发展与电力电子器件的发展密切相关。1970年浙大研制成功国内第一台100KW/1KHz IG