数字化感应加热电源设计(附件)
感应加热因具有可控性好、加热速率快、低功耗且节能环保以及自动化水平高等优点，被广泛应用于工业生产、家庭生活等各个行业。感应加热主要被应用于熔炼、弯管、铸造、焊接、热锻以及表面热处理等领域。在数字化飞速发展的当今，采用DSP芯片设计感应加热电源来大大增加其控制系统的性能。本文以设计串联谐振感应加热电源的硬件子系统为主要研究对象。通过分析其功率调节、逆变器的类型以及负载特性，从而选择感应加热电源主电路,其中包含了三相不控整流、有容滤波以及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）逆变电路。为了实现功率调节，采用移相PWM调功。根据负载所具有的固有特性，本文选用DSP的数字锁相环来对负载信号捕捉、处理从而实现频率的追踪最终以实现该设计控制系统部分的数字化功能。为了验证该理论的正确性，在MATLAB中建立仿真模型，对其进行详细的仿真分析。关键词 感应加热，串联谐振，PWM技术，数字锁相环
目 录
1 绪论 1
1.1 感应加热原理 1
1.2 感应加热的应用及特点 1
1.3 感应加热电源的发展趋势 2
1.4 本文主要任务 2
2 感应加热电源结构分析 2
2.1 谐振负载的分析 3
2.2 逆变器的分析 7
2.3 调功方式 9
2.4 感性移相PWM调功方式 10
2.5 小结 14
3 感应加热电源主电路设计 14
3.1 感应加热电源结构框图 14
3.2 感应加热电源主电路 15
4 感应加热电源控制系统的硬件设计 20
4.1 DSP数字信号处理的特点及其应用 20
4.2 DSP TMS320LF2407简介 20
4.3 数字锁相环设计 21
4.4 数字移相PWM控制信号 22
4.5 DSP的外围电路设计 23
4.6 驱动电路与保护电路 25
4.7 启动方式的选择 26
5 控制系统的仿真实验的分析 26
5.1 控制系统模型的建立 27
5.2 控制系统仿真结果分析 29
结 论 3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3
致 谢 34
参 考 文 献 35
附录A 数字化感应加热电源原理图 37
1 绪论
1.1 感应加热原理
在1831年，由英国著名的物理学家法拉第首次发现了电磁感应现象，即交变的电流通过导体产生感应电流，从而导致导体发热。感应加热原理便是以电磁感应现象为基础而演变出的一门技术。感应加热电源将50Hz工频电转化为高频电流，得到的高频电流流过线圈产生一个交变的磁场，把磁场加到待加热负载上，交变的磁感线穿过负载形成回路，在负载的横截面内形成感应电流，称之为涡流[1]，该涡流能迅速给待加热负载加热，从而实现了对工件的加热。需要两个条件才能实现感应加热：线圈中的电流必须为交变电流；加热负载必须是导磁的或者使用导磁体作为媒介充当发热体，通过导体传输热能来给非导磁体加热，从而达到加热的作用。
在感应加热电源中我们可以把感应负载工件看成是一个单匝数短路的次级线圈，如此就可以使用我们熟知的变压器原理的知识来解释感应加热这一基本概念。如图11单匝数次级线圈的变压器所示，当漏磁通为零时，负载上的电流就等于线圈的匝数比乘以电源电流，即。因为次级线圈是单匝数，阻抗值非常小，因此次级线圈的短路电流会非常大，消耗的电能也非常的大，从而达到给负载工件加热的目的。
图11 单匝数次级线圈的变压器
虽然负载加热电路为圆柱形，但可看作是变压器，也可以使用变压器原理来解释。由细小的空气间隙来隔离初级线圈和次级线圈。根据集肤效应，加热负载表面的电流密度比中心的密度要大，且是按指数衰减的。由于线圈涡流不能完全使工件表面加热，而其中一部分电热能被工件内部及周围热辐射给吸收掉了。
1.2 感应加热的应用及特点
感应加热技术未出现时，人们都采用煤和各类易燃气体为主要能源构成设备装置来给金属加热。但从感应加热电源技术诞生之后，就开始逐渐慢慢地替代的传统的加热方式。原因在于感应加热有以下几个特点[2]：
（1）能达到很高的温度，且采用非接触式加热；
（2）加热质量高且加热均匀，避免了部分工件冷热不均而导致损坏的风险；
（3）加热的速度很快，是传统加热速度的上百倍甚至上千倍，较大程度上提升了加热的工作效率，节省了大量时间；
（4）能在较短的时间里对工件负载做到快速加热，从而大大的减少能源的损耗；
（5）有较高的自动化水平对温度的控制较为容易增加温度的精度，温差只在0.01%上下；
（6）环保，使用时对环境的污染基本为零，不工作时可以随时关闭设备或处于待机状态；
在应用方面，感应加热电源被广泛应用于焊接、透热、熔炼金属甚至家庭生活等各个领域，深受广大人们的青睐。
1.3 感应加热电源的发展趋势
感应加热技术自从诞生到现在，已经经过了将近几百的发展且技术日渐成熟，被人们广泛应用，取得了重大成果。尤其是随着电力电子器件的被广泛使用，对感应加热技术起到了重要作用。感应加热技术与半导体器件有着不可分的密切关系，如今随着半导体器件的容量化、高频化也随之带动着感应加热电源的高容量和高频化。
1.4 本文主要任务
本课题感应加热电源的硬件子系统设计，主要就是主电路的设计。具体工作如下：
（1）以功率为10KW且在20100%范围内可调的感应加热电源为设计对象，对主电路的结构进行分析并作出选择，同时根据学校要求对各元器件进行参数计算选用对本课题相关的元器件，除此之外对电源的调功方式的分析及选择。
（2）逆变器工作频率的跟踪的锁相环设计的具体方案的确定。
（3）基于DSP控制系统的设计，软硬件的调试。
（4）对整个感应加热电源的仿真是将仿真结果与理论数据对比来验证整个设计的准确性。
2 感应加热电源结构分析
感应加热电源主电路结构如图21所示，主要包含了三相整流电路、滤波电路以及逆变电路这三种电路；除此以外还有由感应线圈和负载工件构成的负载电路，它又可以被看作是电阻与电感串联即呈感性。现实中我们用加补偿电容的办法来增加功率因数和逆变器的输出功率。但是由于所有导体的导磁率与电阻率都会随着被加热是温度的变化而变化，如此电源频率也会随之变化，因此感应加热电源就需要非常优良的频率跟踪能力。
图21 感应加热电源主电路结构图
由补偿的形式不同，感应加热电源可分为串联谐振式和并联谐振式两种[3]。
目 录
1 绪论 1
1.1 感应加热原理 1
1.2 感应加热的应用及特点 1
1.3 感应加热电源的发展趋势 2
1.4 本文主要任务 2
2 感应加热电源结构分析 2
2.1 谐振负载的分析 3
2.2 逆变器的分析 7
2.3 调功方式 9
2.4 感性移相PWM调功方式 10
2.5 小结 14
3 感应加热电源主电路设计 14
3.1 感应加热电源结构框图 14
3.2 感应加热电源主电路 15
4 感应加热电源控制系统的硬件设计 20
4.1 DSP数字信号处理的特点及其应用 20
4.2 DSP TMS320LF2407简介 20
4.3 数字锁相环设计 21
4.4 数字移相PWM控制信号 22
4.5 DSP的外围电路设计 23
4.6 驱动电路与保护电路 25
4.7 启动方式的选择 26
5 控制系统的仿真实验的分析 26
5.1 控制系统模型的建立 27
5.2 控制系统仿真结果分析 29
结 论 3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
3
致 谢 34
参 考 文 献 35
附录A 数字化感应加热电源原理图 37
1 绪论
1.1 感应加热原理
在1831年，由英国著名的物理学家法拉第首次发现了电磁感应现象，即交变的电流通过导体产生感应电流，从而导致导体发热。感应加热原理便是以电磁感应现象为基础而演变出的一门技术。感应加热电源将50Hz工频电转化为高频电流，得到的高频电流流过线圈产生一个交变的磁场，把磁场加到待加热负载上，交变的磁感线穿过负载形成回路，在负载的横截面内形成感应电流，称之为涡流[1]，该涡流能迅速给待加热负载加热，从而实现了对工件的加热。需要两个条件才能实现感应加热：线圈中的电流必须为交变电流；加热负载必须是导磁的或者使用导磁体作为媒介充当发热体，通过导体传输热能来给非导磁体加热，从而达到加热的作用。
在感应加热电源中我们可以把感应负载工件看成是一个单匝数短路的次级线圈，如此就可以使用我们熟知的变压器原理的知识来解释感应加热这一基本概念。如图11单匝数次级线圈的变压器所示，当漏磁通为零时，负载上的电流就等于线圈的匝数比乘以电源电流，即。因为次级线圈是单匝数，阻抗值非常小，因此次级线圈的短路电流会非常大，消耗的电能也非常的大，从而达到给负载工件加热的目的。
图11 单匝数次级线圈的变压器
虽然负载加热电路为圆柱形，但可看作是变压器，也可以使用变压器原理来解释。由细小的空气间隙来隔离初级线圈和次级线圈。根据集肤效应，加热负载表面的电流密度比中心的密度要大，且是按指数衰减的。由于线圈涡流不能完全使工件表面加热，而其中一部分电热能被工件内部及周围热辐射给吸收掉了。
1.2 感应加热的应用及特点
感应加热技术未出现时，人们都采用煤和各类易燃气体为主要能源构成设备装置来给金属加热。但从感应加热电源技术诞生之后，就开始逐渐慢慢地替代的传统的加热方式。原因在于感应加热有以下几个特点[2]：
（1）能达到很高的温度，且采用非接触式加热；
（2）加热质量高且加热均匀，避免了部分工件冷热不均而导致损坏的风险；
（3）加热的速度很快，是传统加热速度的上百倍甚至上千倍，较大程度上提升了加热的工作效率，节省了大量时间；
（4）能在较短的时间里对工件负载做到快速加热，从而大大的减少能源的损耗；
（5）有较高的自动化水平对温度的控制较为容易增加温度的精度，温差只在0.01%上下；
（6）环保，使用时对环境的污染基本为零，不工作时可以随时关闭设备或处于待机状态；
在应用方面，感应加热电源被广泛应用于焊接、透热、熔炼金属甚至家庭生活等各个领域，深受广大人们的青睐。
1.3 感应加热电源的发展趋势
感应加热技术自从诞生到现在，已经经过了将近几百的发展且技术日渐成熟，被人们广泛应用，取得了重大成果。尤其是随着电力电子器件的被广泛使用，对感应加热技术起到了重要作用。感应加热技术与半导体器件有着不可分的密切关系，如今随着半导体器件的容量化、高频化也随之带动着感应加热电源的高容量和高频化。
1.4 本文主要任务
本课题感应加热电源的硬件子系统设计，主要就是主电路的设计。具体工作如下：
（1）以功率为10KW且在20100%范围内可调的感应加热电源为设计对象，对主电路的结构进行分析并作出选择，同时根据学校要求对各元器件进行参数计算选用对本课题相关的元器件，除此之外对电源的调功方式的分析及选择。
（2）逆变器工作频率的跟踪的锁相环设计的具体方案的确定。
（3）基于DSP控制系统的设计，软硬件的调试。
（4）对整个感应加热电源的仿真是将仿真结果与理论数据对比来验证整个设计的准确性。
2 感应加热电源结构分析
感应加热电源主电路结构如图21所示，主要包含了三相整流电路、滤波电路以及逆变电路这三种电路；除此以外还有由感应线圈和负载工件构成的负载电路，它又可以被看作是电阻与电感串联即呈感性。现实中我们用加补偿电容的办法来增加功率因数和逆变器的输出功率。但是由于所有导体的导磁率与电阻率都会随着被加热是温度的变化而变化，如此电源频率也会随之变化，因此感应加热电源就需要非常优良的频率跟踪能力。
图21 感应加热电源主电路结构图
由补偿的形式不同，感应加热电源可分为串联谐振式和并联谐振式两种[3]。
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