数字化感应加热电源设计硬件子系统
目 录
1 绪论 1
1.1 感应加热电源的理论基础 1
1.2 感应加热电源发展现状与趋势 3
1.3 选题的意义和论文的主要工作 4
2 IGBT串联感应加热电源结构及工作原理 5
2.1 感应加热电源的结构 5
2.2 串联谐振负载 6
2.3 全桥移相逆变器工作原理 8
3 电路参数设计及MATLAB仿真 14
3.1 主电路参数设计 14
3.2 感应加热电源仿真及仿真分析 18
4 感应加热电源整体设计 21
4.1 TMS320F2812控制系统硬件设计 21
4.2 IGBT的驱动电路设计 24
4.3 负载电压、电流取样检测电路 27
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
附录A： 33
附录B： 34
1 绪论
1.1 感应加热电源的理论基础
感应加热是一种环保安全高效的加热方式，根据法拉第电磁感应定律在垂直于磁力线的截面上产生感应电动势，从而产生感应电流，即涡流，依据焦耳定律感生涡流（感应电流）在导电物体上产生热能对工件进行加热。
图1.1 感应加热原理
电磁感应就是当加热工件回路包围面积的磁通发生变化时，就会产生感生电动势，此时若这条回路形成了闭合回路，那么在这条回路中就会通过感应的作用产生电流。如图1.1所示，我们可以看到圆柱形铁芯上缠绕着螺线管，该螺线管接通着交变电流I，当交变电流的在不停变化时，圆柱形铁芯内的磁通量随着交变电流也在不停地改变。将铁 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
芯看成一层一层的闭合回路的圆筒状薄壳，那么穿过每层薄壳横截面的磁通在不断变化，此时，每个圆筒状薄壳中都会形成感应电动势，产生环形的感应电流[1-2]。
假设线圈匝数为N，那么其产生的感应电势为
(1.1)
式中 为感应电动势，单位： ；
为磁通量，单位： ；
为时间，单位： 。
式1.1的负号反映了感应电动势的方向和磁通量变化形成反比，为楞次定律的数学表示方式，即闭合回路内的感应电流（或感应电动势）具有明确的方向，它所产生的磁通是为了阻碍原来磁通的变化。
如果磁通是交变的，令 ,则
(1.2)
有效值为
(1.3)
由于金属导体的电阻阻值很小，感应电流很大，所以热效应极为显著，产生的热量为
(1.4)
式中 是工件上的感应电流；
是被加热工件等效电阻；
是工件加热时间。
从式1.3、1.4可以得到，交变磁通的频率以及感应电流影响感应电动势 及热量 ，随着感应线圈中的电流变得越来越大，线圈中产生的磁通量也就随着增大，所以可以提高线圈中电流的大小，增大工件中产生的热量[3]。
1.1.2 集肤效应
直流电流通过导体，导体截面的电流散布是平均的，电流密度是一样的。当高频交变电流通过导体时，散布在导体截面上的电流将出现分散状况，电流只从导体的外表通过，此时导电体的表面层的电流密度是最大的，而导电体内部电流密度反而很小，这种现象称为集肤效应[4]。
因为集肤效应的存在，电流的行走路线只是在导体的最外表层，导体材料的性质和电流频率的大小很大程度上影响着表面层的深度，此时我们规定当导体内任意一处的电流密度为表面电流密度的 倍时，该深度就是电流的穿透深度 （单位cm），可表示为
(1.5)
式1.5中 代表导体材料电阻率；
导体材料相对磁导率；
为电流频率。
如果选好了加热工件，那么其导体材料电阻率以及磁导率也就随之确定了，从上式1.5我们可以看到电流的透入深度和感应电流频率的开方成反比。也就是说感应电流频率越高，那么透入深度越小，因此要改变工件的透入深度就要改变电流的频率值。在现实应用中，可以根据不同的需要选择合适的加热频率。
1.2 感应加热电源发展现状与趋势
1.2.1 感应加热电源发展现状
1831年法拉第发现电磁感应原理，但是直至20世纪30年代人类才把感应加热技术应用于现实生活中。初始阶段，感应加热应用范围小、水平低，用于工频感应加热炉，电磁倍频器等加热装置。由于电力电子技术和半导体功率器件当时发展比较落后故也就导致了感应加热技术发展缓慢[5]。
感应加热电源的发展很大程度上受半导体器件的制约，20世纪50年代末SCR的出现了使感应加热技术迎来了它的春天。后来研发出的GTO，是通过外接电路来产生信号，监管关断。这样就避免了要在其内部强加各种复杂的电路，提高了其效率[6]。再后来出现了MOSFET和IGBT，这使得感应加热电源得到快速发展。随之而来是，感应加热系统也逐渐走向标准化[7]。
我国在20世纪50年代才开始研究感应加热技术，经过漫长的学习与探索终于形成了属于自己技术，但是与国外相比还是有很大的差距，其主要原因是：第一，受半导体功率器件的制约，半导体器件加工设备和制造水平落后；第二，国外的先进技术在国内抢占了很大的市场份额，很大程度上制约了国内技术的发展。近十年来，国内的感应加热电源发展迅速，广泛应用于工业领域[8]。现在国内的制造技术跟国外相比还存在很大的差距，其感应加热电源大部分应用参数为2000kW、400kHz，国内的IGBT感应加热电源的大部分应用参数是1200kW、10OkHz[9]。
1.2.2 感应加热电源发展趋势
（1） 扩展功率容量
要想实现容量的扩展，我们所用的方法是将单体半导体的功率升高，若此半导体模块无法达到足感应电源在加热时的输出功率要求时，这时我们就功需要率器件一串、并联方式来工作，目的就是提高输出的电压与电流，同时也能加大用来加热的电源的功率容量。如果器件串、并联还是不能达到要求，那么我们就会将几台加热电源并联起来，这样就可以扩增大电源的总容量了[10]。
（2） 感应加热电源高频化
选用工作频率高的半导体器件可实现高频化。其次，开关器件的损耗一定程度上限制了感应加热电源的高频化，开关频率越高，损耗越大，也就导致电源效率低、温度升高容易损坏半导体器件[11]。因此，把开关损耗降低至零就能实现加热电源高频化。
（3） 感应加热电源的智能化
随着科学技术的不断发展，系统的集成化和自动化水平越来越高，对感应加热电源提出了更高的要求。人机智能化成为主流模式。这其中用到了多种模块，包括智能、集成模块。DT技术的长足发展为智能化提高了可能性[12]。传统的热电源的电路都不是集成数字电路，在进行智能化的道路上遇到了很大的阻力。现在的数字电路抗干扰能力极强，不易受外部坏境影响，性能参数和可靠性都很高。再加上DSP的出现，使得整个电路的控制变得简单，结果更为精准，处理能力也极强。
1 绪论 1
1.1 感应加热电源的理论基础 1
1.2 感应加热电源发展现状与趋势 3
1.3 选题的意义和论文的主要工作 4
2 IGBT串联感应加热电源结构及工作原理 5
2.1 感应加热电源的结构 5
2.2 串联谐振负载 6
2.3 全桥移相逆变器工作原理 8
3 电路参数设计及MATLAB仿真 14
3.1 主电路参数设计 14
3.2 感应加热电源仿真及仿真分析 18
4 感应加热电源整体设计 21
4.1 TMS320F2812控制系统硬件设计 21
4.2 IGBT的驱动电路设计 24
4.3 负载电压、电流取样检测电路 27
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
附录A： 33
附录B： 34
1 绪论
1.1 感应加热电源的理论基础
感应加热是一种环保安全高效的加热方式，根据法拉第电磁感应定律在垂直于磁力线的截面上产生感应电动势，从而产生感应电流，即涡流，依据焦耳定律感生涡流（感应电流）在导电物体上产生热能对工件进行加热。
图1.1 感应加热原理
电磁感应就是当加热工件回路包围面积的磁通发生变化时，就会产生感生电动势，此时若这条回路形成了闭合回路，那么在这条回路中就会通过感应的作用产生电流。如图1.1所示，我们可以看到圆柱形铁芯上缠绕着螺线管，该螺线管接通着交变电流I，当交变电流的在不停变化时，圆柱形铁芯内的磁通量随着交变电流也在不停地改变。将铁 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
芯看成一层一层的闭合回路的圆筒状薄壳，那么穿过每层薄壳横截面的磁通在不断变化，此时，每个圆筒状薄壳中都会形成感应电动势，产生环形的感应电流[1-2]。
假设线圈匝数为N，那么其产生的感应电势为
(1.1)
式中 为感应电动势，单位： ；
为磁通量，单位： ；
为时间，单位： 。
式1.1的负号反映了感应电动势的方向和磁通量变化形成反比，为楞次定律的数学表示方式，即闭合回路内的感应电流（或感应电动势）具有明确的方向，它所产生的磁通是为了阻碍原来磁通的变化。
如果磁通是交变的，令 ,则
(1.2)
有效值为
(1.3)
由于金属导体的电阻阻值很小，感应电流很大，所以热效应极为显著，产生的热量为
(1.4)
式中 是工件上的感应电流；
是被加热工件等效电阻；
是工件加热时间。
从式1.3、1.4可以得到，交变磁通的频率以及感应电流影响感应电动势 及热量 ，随着感应线圈中的电流变得越来越大，线圈中产生的磁通量也就随着增大，所以可以提高线圈中电流的大小，增大工件中产生的热量[3]。
1.1.2 集肤效应
直流电流通过导体，导体截面的电流散布是平均的，电流密度是一样的。当高频交变电流通过导体时，散布在导体截面上的电流将出现分散状况，电流只从导体的外表通过，此时导电体的表面层的电流密度是最大的，而导电体内部电流密度反而很小，这种现象称为集肤效应[4]。
因为集肤效应的存在，电流的行走路线只是在导体的最外表层，导体材料的性质和电流频率的大小很大程度上影响着表面层的深度，此时我们规定当导体内任意一处的电流密度为表面电流密度的 倍时，该深度就是电流的穿透深度 （单位cm），可表示为
(1.5)
式1.5中 代表导体材料电阻率；
导体材料相对磁导率；
为电流频率。
如果选好了加热工件，那么其导体材料电阻率以及磁导率也就随之确定了，从上式1.5我们可以看到电流的透入深度和感应电流频率的开方成反比。也就是说感应电流频率越高，那么透入深度越小，因此要改变工件的透入深度就要改变电流的频率值。在现实应用中，可以根据不同的需要选择合适的加热频率。
1.2 感应加热电源发展现状与趋势
1.2.1 感应加热电源发展现状
1831年法拉第发现电磁感应原理，但是直至20世纪30年代人类才把感应加热技术应用于现实生活中。初始阶段，感应加热应用范围小、水平低，用于工频感应加热炉，电磁倍频器等加热装置。由于电力电子技术和半导体功率器件当时发展比较落后故也就导致了感应加热技术发展缓慢[5]。
感应加热电源的发展很大程度上受半导体器件的制约，20世纪50年代末SCR的出现了使感应加热技术迎来了它的春天。后来研发出的GTO，是通过外接电路来产生信号，监管关断。这样就避免了要在其内部强加各种复杂的电路，提高了其效率[6]。再后来出现了MOSFET和IGBT，这使得感应加热电源得到快速发展。随之而来是，感应加热系统也逐渐走向标准化[7]。
我国在20世纪50年代才开始研究感应加热技术，经过漫长的学习与探索终于形成了属于自己技术，但是与国外相比还是有很大的差距，其主要原因是：第一，受半导体功率器件的制约，半导体器件加工设备和制造水平落后；第二，国外的先进技术在国内抢占了很大的市场份额，很大程度上制约了国内技术的发展。近十年来，国内的感应加热电源发展迅速，广泛应用于工业领域[8]。现在国内的制造技术跟国外相比还存在很大的差距，其感应加热电源大部分应用参数为2000kW、400kHz，国内的IGBT感应加热电源的大部分应用参数是1200kW、10OkHz[9]。
1.2.2 感应加热电源发展趋势
（1） 扩展功率容量
要想实现容量的扩展，我们所用的方法是将单体半导体的功率升高，若此半导体模块无法达到足感应电源在加热时的输出功率要求时，这时我们就功需要率器件一串、并联方式来工作，目的就是提高输出的电压与电流，同时也能加大用来加热的电源的功率容量。如果器件串、并联还是不能达到要求，那么我们就会将几台加热电源并联起来，这样就可以扩增大电源的总容量了[10]。
（2） 感应加热电源高频化
选用工作频率高的半导体器件可实现高频化。其次，开关器件的损耗一定程度上限制了感应加热电源的高频化，开关频率越高，损耗越大，也就导致电源效率低、温度升高容易损坏半导体器件[11]。因此，把开关损耗降低至零就能实现加热电源高频化。
（3） 感应加热电源的智能化
随着科学技术的不断发展，系统的集成化和自动化水平越来越高，对感应加热电源提出了更高的要求。人机智能化成为主流模式。这其中用到了多种模块，包括智能、集成模块。DT技术的长足发展为智能化提高了可能性[12]。传统的热电源的电路都不是集成数字电路，在进行智能化的道路上遇到了很大的阻力。现在的数字电路抗干扰能力极强，不易受外部坏境影响，性能参数和可靠性都很高。再加上DSP的出现，使得整个电路的控制变得简单，结果更为精准，处理能力也极强。
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