小功率高频炉设计.docx

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1、洛施理工老龙毕业设计（论文）课题：小功率高频炉设计系（部）：电气工程与自动化系专业：应用电子技术姓名：王超指导教师：张刚时间：2021年5月8日小功率高频炉设计摘要本文以高频炉的电源部份为研究对象，论述了高频炉（感应加热电源）的优势、应用、大体原理和加热进程中的三种效应，和感应加热电源的现状与进展趋势；介绍了本课题要紧的研究内容及任务。本文分析了感应加热电源的整体结构；通过对经常使用的进线滤波电路的描述，选择了适合的滤波器；通过对感应加热电源经常使用的谐振回路和拓扑结构进行了分析，和对串、并谐振电路的对偶特性和优缺点的比较，选择了更适合高频感应加热电源及本课题的串联谐振型逆变器。在功率的调剂方

2、面，分析了几种经常使用的调功方式、选用了移相脉冲宽度调制调功，能够通过芯片UC3895来实现，另外该芯片还具有设置死区，简化了死区电路。本文要紧对200KHz10KW的高频炉进行设计，计算了整流和逆变部份的元器件参数；在计算结果的基础上选择了适合的三相不控整流模块、滤波电容、MOSFET开关模块和谐振电路的元器件；通过对几种驱动电路的比较，结合容量和开关器件，设计了适合的驱动电路。为保证电源正常运行，并使逆变器始终工作在功率因数接近或等于1的准谐振或谐振状态，以实现逆变器开关器件的零电流或零电压开关,设计了以传统模拟锁相环CD4046为核心的频率跟踪电路,并研究了电路的启动方式。为了使电源系统

3、稳固运行，还设计了过流、过压和欠压爱惜。关键词：感应加热，UC3895,移相调功，频率跟踪DesignOfLowPowerHighFrequencyFurnaceABSTRACTThispapertooksupplyofhigh-frequencyfurnaceastheresearchobject,introducedadvantagesandapplicationandbasicprinciplesandthreeeffectsandsituationanddevelopmenttrendofthehigh-frequencyfurnace(inductionheatingsupply)；

4、introducedthemainsubjectofresearchandmission.Thepaperanalyzedtheoverallstructureofinductionheatingsupply；describedthefiltercircuit,selectedtheappropriatefilter；throughanalyzingtheinductionheatingsupplyusedresonantcircuitandtopologystructure,andcomparedthedualcharacteristicsoftheseriesandparallelreso

5、nantcircuit,chosentheseriesresonantinverter,whichismoresuitableforhigh-frequencyinductionheatingsupply.Forpowerregulation,paperanalyzedseveralcommonlyusedwaysofpowerregulation,selectedphase-shiftpulsewidthmodulationpowerregulator,whichcouldbeachievedwithachipUC3895,ithasthediezonesettingfeature.Thep

6、aperaimedatdesigningahighfrequencyfurnaceof200KHz10KWandcalculatedparametersofsomecomponents；selectedappropriatethree-phaserectifiermodule,thefiltercapacitor,theMOSFETswitchmoduleandtheresonantcircuitcomponents；comparisonofseveraldifferentdrivecircuits,combinedwiththecapacityandswitchingdevices,thep

7、aperdesignedasuitabledrivecircuit.Inordertoensurethenormaloperationofpowerandtheinverterisalwaysworkinginquasi-resonantandresonantstateofpowerfactorclosetoorequalone,achievingzerocurrentorzerovoltageswitchofswitchdevices,thepaperdesignedafrequencytrackingcircuitwhichusedthetraditionalanalogphase-loc

8、kedloopCD4046asthecore.Inordertoensurethesystemstabilityoperate,thepaperalsodesignedover-current,over-voltageandunder-voltageprotection.Keywords：Inductionheating,UC3895,Phase-shiftedpowerregulation,Frequencytracking-JlZ-.-1-T刖g1第1章绪论21.1感应加热的大体知识2高频炉简介21.1.2感应加热优势及应用21.1.3感应加热大体原理31. 1.4感应加热中的三种效应和穿

9、透深度31.2感应加热电源进展现状及趋势41.2.1 感应加热电源频率划分41.2.2 国外高频感应加热电源进展现状51.2.3 国内高频感应加热电源进展现状51.2.4 感应加热电源进展趋势6第2章感应加热电源整体设计82. 1感应加热电源整体结构92.2 线路滤波器的作用和结构92.3 负载分析及谐振谐振电路112. 3.1负载等效电路113. 3.2串联谐振电路124. 4.1串并联逆变器拓扑结构155. 4.2串并联谐振逆变器拓扑电路的对偶关系166. 4.3串并联谐振优缺点比较17第3章功率调剂方案的选择186.1 整流单元调功196.2 直流单元调功206.3 逆变单元调功203.

10、 3.1脉冲频率调制方式(PFM)203. 3.2脉宽移相调制(PS-PWM)227. 3.3脉冲密度调制方式(PDM)223.4功率调剂方案确信23第4章主电路参数选择与设计244. 1整流电路参数计算244. 1.1整流桥的选取248. 1.2滤波电容的选取268.1 逆变开关的选择278.2 谐振回路参数选择28第5章操纵电路的设计295. 2.1UC3895的电气特性和管脚309. 2.2移相全桥操纵电路335.3驱动电路的设计345. 3.1驱动电路的方案346. 3.2IR2110驱动电路的设计375.4 频率跟踪电路的设计385. 4.1锁相环原理和CD4046结构386. 4.

11、2CD4046频率跟踪电路407. 4.3锁相环的起动415.5 操纵系统的软件设计435. 5.1软件设计思想446. 5.2操纵系统的程序流程图44第6章结论46谢辞47参考文献48附录50外文资料翻译56感应加热具有加热速度快、热效率高、适用于局部加热、产品质量好、无环境污染、易于实现生产自动化等优势，其功率密度在被加热工件内的散布可方便地通过频率的选择和感应圈的合理设计而取得。目前，感应加热技术已普遍应用于金属熔炼、铸造、焊接、热处置、热锻造等热加工工艺.关于小型工件的表面热处置或超小型小工件的加工和焊接，那么要求功率加倍集中、输出频率更高，可是频率提高受到器件自身开关速度和技术工艺的

12、限制。提高感应加热的功率和频率，一直是感应加热领域研究的重点与难点。本文要紧对200KHz10KW的高频炉进行设计，计算了整流和逆变部份的元器件参数；在计算结果的基础上选择了适合的三相不控整流模块、滤波电容、MOSFET开关模块和谐振电路的元器件；通过对几种驱动电路的比较，结合容量和开关器件，设计了适合的驱动电路。为保证电源正常运行，并使逆变器始终工作在功率因数接近或等于1的准谐振或谐振状态，以实现逆变器开关器件的零电流或零电压开关,设计了以传统模拟锁相环CD4046为核心的频率跟踪电路,并研究了电路的启动方式。论文的目的旨在研究感应加热电源的工作原理，设计加热电源主电路，并设计利用单片机（或

13、DSP）实现电源操纵电路，使电源运行加倍稳固靠得住，并能对过压、过流、缺相、操纵电源欠压等故障进行爱惜。第1章绪论1.1感应加热的大体知识高频炉简介高频炉又名高频加热机、高频感应加热设备、高频感应加热装置、高频加热电源、高频电源、高频电炉、高频焊接机、高周波感应加热机、高周波感应加热器（焊接器）等，是目前对金属材料加热效率最高、速度最快、低耗、节能、环保型的感应加热设备。感应加热优势及应用此刻，感应加热应用范围愈来愈广，已经深切到国民经济的各个领域，如冶金、机械制造、轻工、石化、电子等。感应加热比之传统的加热方式具有以下的一些特点、优势：1、加热速度快，效率高，容易实现高功率密集。由于感应加热

14、是从金属内部即从金属的电流透入深度层开始加热，如此就专门大程度地节省了热传导的时刻，因此加热速度快，生产效率可达60%以上。2、采纳非接触式加热方式，在加热进程中不易渗入杂质。3、加热温度由工件表面向内部传导或渗透，具有精准的加热深度和加热区域，并易于操纵。4、工件损耗少，被加热物的表面氧化少。5、节能环保，作业环境好，几乎没有热，噪声和尘埃，而且占地少，适合现代环保的要求。6、工作容易，加热均匀，产品质量好，且能加热形状复杂的工件。7、自动化程度高，关于感应加热装置，可频繁的起停，操纵温度的精度高。8、可对工件进行局部加热。感应加热大体原理感应加热是依照电磁感应原理，利用涡流对置于交变磁场中

15、的工件进行加热。高频交变电流通过线圈产生交变的磁场，当磁场内磁力线通过待加热金属工件时，交变的磁力线穿透金属工件形成回路，故在其横截面内产生感应电流，此电流称为涡流（亦称傅科电流），可使待加热工件局部瞬时迅速发烧，进而达到工业加热的目的。感应加热中的三种效应和穿透深度在感应加热进程中存在着三种效应：集肤效应、临近效应和圆环效应。集肤效应：当交流电流通过导体时，沿导体截面上的电流散布不是均匀的，最大的电流密度出此刻导体的表面层，咱们称这种电流集聚的现象为集肤效应。临近效应：两根通有交流电的导体距离很近时，导体中的电流散布会受彼此的阻碍而有所转变。假设两导体中电流方向相反，那么最大的电流密度出此刻两导体的内侧，反之假设导体中电流方向相同，那么最大电流出此刻两导体的外侧，这种现象就称作临近效应。圆环效应：当交流电通过圆环形线圈时，最大的电流密度出此刻线圈导体的内侧，这种现象称作圆环效应。感应加热设备（电源）确实是综合利用此三种效应的设备。高频交变电流通过导体时，由于集肤效应的阻碍，电流只在导体表面层通过，表面层的深度与导体的性质和电流频率的高低有关，通常将此表面层的深度或厚度概念为穿透深度。工程上规定，当导体某一深处的电流密度为其表面电流密度的1/e时，该深度就定以为穿透