辽 宁 工 业 大 学
电力电子技术课程设计（论文）
题目：200KW 感应加热电源主电路设计
院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气133 学 号： 130303087 学生姓名： 陈夹夹 指导教师： 起止时间：2015-12-24至2015-1-3
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室： 电气 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘 要
感应加热技术在金属冶炼、铸造、锻造透热、弯管、烧结、表面热处理、铜焊以及晶体生长等行业得到了广泛的应用。
本文针对感应加热装置的需要，对加热电源的主电路进行设计。引入该电源使得加热电源的各方面性能都得到一定的改善。可以跟踪负载的频率，提高装置的效率，从而达到节能和节时的双重目的。
本次课题主要对200KW 感应加热电源主电路进行分析确定了整体方案，它包括整流电路、滤波电路、逆变电路的设计。用三相桥式整流电路对三相工频交流电进行整流，输出通过滤波电路做滤波处理。然后，通过对感应加热电源工作原理的分析，确定以IGBT 作为功率开关器件的电压型逆变作为本次设计的逆变电路。通过整体方案计算了系统的参数以及进行了器件的选择，并通过对设计的主电路的仿真分析验证了设计的可行性。
关键词：感应加热；IGBT ；整流；逆变器
目 录
第1章 绪论 .......................................................... 1
1.1 感应加热技术概况 ............................................. 1 1.2 本文设计内容 ................................................. 1 第2章 感应加热电源主电路设计 ........................................ 3
2.1 感应加热电源主电路总体设计方案 ............................... 3 2.2 具体电路设计 ................................................. 3
2.2.1 整流电路设计 ........................................... 3 2.2.2 滤波电路设计 ........................................... 4 2.2.3 逆变电路设计 ........................................... 5 2.3 元器件型号选择 ............................................... 8
2.3.1 整流电路参数计算与选择 ................................. 8 2.3.2 滤波电路参数计算与选择 ................................. 9 2.3.3 逆变电路参数计算与器件选择 ............................. 9 2.3.4 谐振槽路参数设计与选择 ................................. 9 2.4 系统仿真 .................................................... 10
2.4.1 MATLAB仿真软件简介 ................................... 10 2.4.2 感应加热电源主电路波形仿真 ............................ 11
第3章 课程设计总结 ................................................. 14 参考文献 ............................................................ 15
第1章 绪论
1.1 感应加热技术概况
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。近几十年以来，随着科学技术的提高以及更先进器件的发展与应用，感应加热技术对工业部门的发展产生了巨大的影响。体积更小，重量更轻，高效节能，负载适应范围大成为感应加热装置发展的方向。它是利用处在交磁场中的导体内产生涡流和磁滞损耗作用于金属而引起热效应，在瞬时间产生大量的热能以此对工件表面或整体进行加热。与传统加热方式相比，感应加热技术具有很大的优势，如加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热等等。目前，感应加热技术广泛应用于淬火、锻造熔炼、锻造毛坯加热，金属表面热处理等行业中。
为了获得更高的电能转换效率，提高电能的利用效率，就要求电源装置具有较高的输入输出功率因数，并且实现电力电子的软开关，以降低开关损耗。近年来随着新型电子器件的发展与应用，高频电源的市场需求促进了新的功率器件的产生，同时新器件也会带来高频电源的发展，感应加热电源电路中的谐振逆变器通过功率器件来实现软开关的功能，所以感应加热电源会朝着大容量化、大功率与高频率相统一的方向发展，但是其中有些技术需要我们进一步解决。
随着电力电子技术和微电子技术以及现代控制技术的发展，感应加热电源的发展也逐步趋于成熟。目前，感应加热技术发展趋势：更加大功率化 、大容量化和高频化；低功耗、高功率因数；控制智能化、数字化；加热技术无氧化；应用广泛化等。
1.2 本文设计内容
本文的设计内容为200KW 感应加热电源主电路设计，此次设计要实现的功能是：先将工频交流电通过整流器及滤波电路变成直流电，再将直流电转换为频率超过2000Hz 以上得到的交流电。由此交流电驱动电磁线圈产生高频交变磁场。在被加热的金属工件内产生磁滞损耗和涡流损耗，产生热量而加热工件。
该电源应该提供一个在大范围内连续可调的电流，以驱动负载线圈产生一定的磁场。由于电源要应用于感应加热装置，所以电源的频率要在一定范围内可调。
电源的负载为感应加热器，即负载呈感性。
感应加热电源的技术参数：输入三相电压380V , 输入交流电频率45～65Hz, 输出最大功率200KW ，感应方式采用IGBT 高频感应。
第2章 感应加热电源主电路设计
2.1 感应加热电源主电路总体设计方案
感应加热电源主电路原理图如图2.1所示
图2.1 感应加热电源主电路原理图
本设计系统主电路采用的是交—直—交结构，包括输入整流器、直流滤波器、逆变器、交流滤波器及隔离变压器等组成部分。整流滤波电路将输入的交流电转变为直流电，逆变电路中的逆变器输出的脉宽调制波经LC 低通滤波电路滤去高频分量，得到纯正的正弦波交流电，再经变压器隔离变压得到设计所要求的电流和频率均可调的交流电供给感应加热器的交流线圈从而利用感应加热线圈产生的磁滞损耗和涡流损耗进行加热。
2.2 具体电路设计
2.2.1 整流电路设计
整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路应用十分的广泛，例如直流电动机，电镀和电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。
本设计不用整流变压器而直接由380V 三相交流接入再整流为直流电源。常用的三相可控整流的电路有三相半波、三相半控桥、三相全控桥、双反星形等。。从经济和适用角度分析，本设计采用三相半控整流电路。
本设计采用三相桥式晶闸管半控整流电路。它具有如下优点：在启动过程中，调节晶闸管的触发角，可以控制整流输出直流电压由低到高逐渐变化，这样可以
防止浪涌电流损毁整流器，实现了软启动；当电源出现故障时，可以封锁晶闸管的触发信号，从而切断直流侧滤波电容的充电回路，关闭直流环节，以防止故障的进一步扩大。三相可控整流电路如图2.2所示。
输入整流部分由三相晶闸管整流桥组成，在感应加热电源开机启动时通过调节晶闸管的导通角来实现软启动，限制冲击电流不超过电源满载时的额定电流。软启动结束后，可控硅/整流桥的导通角最大，此时相当于标准的整流桥。整流后通过电解电容Cd 滤波得到平稳的直流送到逆变器。高频滤波电容Ch 用于提供高频 无功电流的通路。电抗器Ld 主要起限流作用，限制流过整流桥电力二极管的电流尖峰，改善网侧的功率因数。
图2.2
整流电路
2.2.2 滤波电路设计
近年来，随着电力电子技术的发展，各种低电力电子器件在工业生产和人们日常生活应用日益广泛。因此，谐波和无功问题也日益严重，并引起了人们的日益关注。许多电力电子装置都要消耗无功功率，会对公用的电网带来如下不利影响：导致电流增大和视在功率增大，设备容量增加；设备和线路损耗增加；导致电压波动大等。
为了尽可能的减小上述问题带来的影响，本次设计中，通过整流电路后输出的脉动直流通过滤波电路是输出电压值趋于稳定。滤波电路中，电解电容Cd 滤波得到平稳的直流送到逆变器。高频滤波电容Ch 用于提供高频无功电流的通路。 滤波电路如图2.6所示
图2.6 滤波电路
2.2.3 逆变电路设计
与整流相对应，把直流电变成交流电成为逆变。逆变电路分为有源逆变和无源逆变两类。通常情况下，不加特殊说明，逆变电路都是指无源逆变电路，而无源逆变电路又包含电压型和电流型逆变两种。
本设计采用单相电压型全桥逆变电路，它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替导通各导通180度。全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最为广泛的。其电路具有如下特点：（1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关；而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同；（3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起到缓冲无功能量的作用；为了给交流侧向直流才反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。电压型全桥逆变电路如图2.3所示。
电压型逆变电路负载分析：电容与负载串联构成了电压型逆变器的负载电路。如图2.4所示。
由图2.4可知，负载阻抗为：
1
Z =R +jwL +=R +jX L +jX C =R +jX (2-1)
jwC
图2.3 电压型逆变电路
图2.4 电压型负载电路 负载阻抗的模为:
|Z |=R 2+(X L +X C ) 2=R 2+(wL +
当Im[Z(jw)]=0时，即jwL +
所以jw 0L +
12
) (2-2) wC
1
=0, 电路发生谐振，设谐振角频率为w 0。 jwC
11
（2-3） =0 则w 0=
jw 0C LC
12πLC
由于w 0=2πf 0，故谐振频率为：
f 0=
（2-4）
品质因数：
Q =
w 0L 11L
（2-5） ==
R w 0CR R C
则电感和电容上的电压分别为：
w 0L
U =jQU （2-6） R 11
U C =-j （2-7） I =-j U =-jQU
w 0C w 0CR
U L =jw 0LI =j
可见，电路发生串联谐振时外部电源电压全部加在电阻上，电感上的电压和电容上的电压大小相等，方向相反，且大小等于外部电压的Q 倍，因此我们也常常把串联谐振称为电压型谐振，Q 为谐振电路的品质因数。
当今逆变电源控制广泛的采用了SPWM 正弦脉冲宽度调制法。它是调制波为正弦波，载波为三角波或锯齿波的一种脉冲宽度调制法，由于三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波的函数值的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电。
SPWM 调制的工作原理：冲量等效原理，大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。正弦波脉冲宽度调制波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。根据采样控制理论，脉冲频率越高，SPWM 波形越接近正弦波。逆变器输出电压为SPWM 波形时，其低次谐波得到很好地抑制和消除，高次谐波又能容易滤去，从而可得到畸变率极低的正弦波输出电压。
根据脉宽调制的特点，逆变器主电路的开关器件在其输出电压半周内要开关N 次，而器件本身的开关能力与主电路的结构及其换流能力有关，所以，应用脉宽调制技术时必然受到一定条件的制约，主要有下列两点：
①开关频率。电力电子器件的开关频率受到其固有开关时间和开关损耗的限制。为了使逆变器输出尽量接近正弦波，应该尽可能增大载波比，但开关器件本身允许的开关频率又限制了载波比不能太大。
②最小间歇时间与调制度。为保证主电路开关器件的安全工作，必须使所调制的
图2.5 主电路图
脉冲波有个最小脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间。主电路如图2.5所示。
2.3 元器件型号选择
2.3.1 整流电路参数计算与选择
（1）三相半控整流电路，其整流输出的直流电压为：
U d =
式中：U d —整流滤波输出电压平均值；
U i —整流电路输入线电压；
则 U d =3232πU i
πU i ≈ 1.35U i =1.35⨯380=513V
本电源的最大输出功率为P m =200KW，考虑到滤波器的损耗以及功率开关管器件的开关损耗，设逆变器的变换效率为95%，则整流电路最大输出直流功率为：
P dm = P m
η=200/0.95=210.5KW
则整流电路的最大输出直流电流为： I dm =
（2）整流二极管参数计算
在三相整流电路中，每个桥臂的二极管所承受的正反向电压的最大值为三相交流电网线电压的峰值，在实际应用中还需要考虑到电网电压的波动以及各类浪涌电压的影响，因此需要留有一定的安全裕量，一般取为此峰值电压的2～3 倍，则整流二极管的额定电压为：
. 6~1612) V U N =(2~3) 2U i =(2~3) ⨯2⨯380≈(1074P dm =210.5/513=410.4A U d
流过二极管的电流有效值为： I 410. 4 I VT =dm =≈236.9A 3
按照有效值相等的原则来选取二极管的额定电流，并留有一定的裕量，一般
1.5～2 倍, 则整流二极管的额定电流为：
I 236. 9I N =(1. 5~2) VT = (1. 5~2) ⨯=(226. 4~301. 8) A 1. 571. 57
所以选取耐压值为1300V ，额定电流为250A 的整流二极管。
2.3.2 滤波电路参数计算与选择
滤波电容器主要起滤波和稳定电压的作用。由于采用了三相桥式整流电路，应按下式设计滤波电容的值：
(6~8) 300R d C d =
T1为整流输入电压的频率，T 1=50Hz，直流电源的负载电阻：
U 513 R d =d ==1.25(Ω) I d 410. 4
因此：
C d =(6~8) (6~8) =(400~534)(μF ) T 1=300⨯1. 25300R d
电容耐压值为：
U c =1. 5⨯1. 35U i =1.5⨯1.35⨯380=769.5V
由于耐压要求较高，所以选择6个1000μF 电容，耐压为400V ，分成相同的两组串联。
2.3.3 逆变电路参数计算与器件选择
IGBT 所承受的正向电压值就是前面整流电路的输出电压U d ，实际应用时留有一定的安全裕量，一般取为2～3 倍。因此IGBT 的额定电压为：
U N =(2~3) U d =(2~3) ⨯513=（1026～1539） 逆变电路输出电流有效值最大为： πI d π⨯410. 4 I HM ===569.6A 22cos φ22⨯0. 8
由于IGBT 在一个周期内桥臂的开关管只导通不到一半的时间，同时考虑到
1.5～2 倍的安全裕量，则流过IGBT 的电流有效值为： I 569. 6 I VHNM =2HM =2⨯=805.4A 22
由以上计算可知，应选1000V-300A 型号为KK300-10的IGBT 四只。
2.3.4 谐振槽路参数设计与选择
（1）槽路电容设计
由于此感应加热电源不采用阻抗匹配变压器，因此在设计槽路电容时，主要考虑它与谐振电感的无功能量交换平衡。
感应加热电源直流侧电压Ud, 逆变时在负载上产生正负交变的方波正负Ud 。经傅氏级数展开基波电压有效值2.82Ud/3.14。
取Q=3,因此谐振槽路电容两端电压为：
Uc=QU=3*2.82/3.14*Ud=1382.2v
其阻抗为：
Xc=Uc/Ic=1382.2/30=46 (Ω)
所以
C=1/wXc=189(nF)
所以可按1382.2V 和189nF 选配槽路电容。
（2）谐振电阻和电感的设计
谐振时有 XL=XC=46(Ω)
所以 L=XL/w=336(uH)
Q=wL/R=3
所以槽路线圈和负载等效电阻 R=wL/Q=9(Ω)
可按1382.2V 和30A 及336uH 设计加热线圈，负载和等效电阻为9欧姆左右。
2.4 系统仿真
2.4.1 MATLAB 仿真软件简介
MATLAB （矩阵实验室）是MATrix LABoratory的缩写，是一款由美国The MathWorks 公司出品的商业数学软件。MATLAB 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB 还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C ，C++和FORTRAN ）编写的程序。
尽管MATLAB 主要用于数值运算，但利用为数众多的附加工具箱（Toolbox ）它也适合不同领域的应用，例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等。另外还有一个配套软件包Simulink ，提供了一个可视化开发环境，常用于系统模拟、动态/嵌入式系统开发等方面。
MATLAB 和Mathematica 、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB 来解算问题要比用C ，FORTRAN 等语言完成相同的事情简
捷得多，并且MATLAB 也吸收了像Maple 等软件的优点，使MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C ，FORTRAN ，C++，JAVA 的支持。可以直接调用, 用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN 编写了最早的MATLAB 。1984年由Little 、Moler 、Steve Bangert合作成立了的MathWorks 公司正式把MATLAB 推向市场。到20世纪90年代，MATLAB 已成为际控制界的标准计算软件。
2.4.2 感应加热电源主电路波形仿真
电源的设计师一个复杂的过程，因此不能仅凭理论分析就进行硬件设计，可能会造成很多在经济人力方面的浪费，所以在进行硬件设计之前，应该对理论设计的电路通过专业工具进行仿真。前面分析了感应加热电源的工作原理以及硬件电路的组成，那么接下来就是通过专业的系统仿真软件来对设计的电路进行仿真，验证设计电路的可行性。
逆变电路仿真波形如图2.7所示
图2.7 逆变输出电压仿真波形
图2.8滤波输出电流和负载电压波形
图2.9系统输出仿真波形
由图2.7和图2.8可以看出，经过Matlab 软件仿真后的输出波形与理论分析及计算结果基本一致，基本符合本次设计要求。本次设计设定了感应加热电源的负载为一定值，对此负载进行仿真分析。图2.9为系统工作在谐振状态下的输出波形，系统保持工作在谐振状态，实现了频率的自动跟踪，确保了电源的稳定运行，符合前面的设计要求，验证了系统设计的可行性。
第3章 课程设计总结
在理论分析计算的基础上，本文针对感应加热装置的需要设计了一种感应加热电源，此次设计完成了感应加热电源主电路的搭建，包括整流、滤泼、逆变电路等，确定了以IGBT 作为功率开关器件的电压型逆变器作为本系统的逆变电路，在额定功率下对整个感应加热电源系统进行仿真调试，现察并截取电路关键部分的波形，包括电压电流、负载电压电流波形等，实验结果验证了前一章节理论分析的正确性， 电源系统运行稳定、可靠。
基于上述工作，同时对设计进行理论分析的基础上，可以得到：
（1）系统主电路逆变元件采用新型功率器件IGBT ，它具有工作频率高、耐电流冲击范围较宽、可承受电流密度大、驱动容易、驱动电路功率消耗小、工作损耗小等优点，是一种教理想的开关器件，但对IGBT 的过流保护必须采取确实可行的措施。
（2）采用电压型逆变电路，其具有在换流是自然过零关断、关断时间短、起动较容易、适用于频繁起动工作的场所等特点。
（3）采用一种带有输出电压有效值控制方案，对输出电压的幅值、频率、波形进行精确控制、使得波形品质好，电源容易实现与各种负载的匹配。
（4）运用MATLAB 进行仿真，得出了精确的波形，说明了本设计的可行性
参考文献
[1] 王兆安主编. 电力电子技术. 第四版. 北京：机械工业出版社,2003
[2] 郝万新主编. 电力电子技术. 化学工业出版社, 2002
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[6] 李金刚主编. . 电力电子技术. 基于DSP 感应加热电源频率跟踪控制的实现,
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[7] 杨子青，赵江.75KW 中频感应加热电源的研制. 河北工业科技，2003。
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[15]周跃庆. 基于Matlab 的感应加热电源仿真2005.2
辽 宁 工 业 大 学
电力电子技术课程设计（论文）
题目：200KW 感应加热电源主电路设计
院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气133 学 号： 130303087 学生姓名： 陈夹夹 指导教师： 起止时间：2015-12-24至2015-1-3
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室： 电气 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘 要
感应加热技术在金属冶炼、铸造、锻造透热、弯管、烧结、表面热处理、铜焊以及晶体生长等行业得到了广泛的应用。
本文针对感应加热装置的需要，对加热电源的主电路进行设计。引入该电源使得加热电源的各方面性能都得到一定的改善。可以跟踪负载的频率，提高装置的效率，从而达到节能和节时的双重目的。
本次课题主要对200KW 感应加热电源主电路进行分析确定了整体方案，它包括整流电路、滤波电路、逆变电路的设计。用三相桥式整流电路对三相工频交流电进行整流，输出通过滤波电路做滤波处理。然后，通过对感应加热电源工作原理的分析，确定以IGBT 作为功率开关器件的电压型逆变作为本次设计的逆变电路。通过整体方案计算了系统的参数以及进行了器件的选择，并通过对设计的主电路的仿真分析验证了设计的可行性。
关键词：感应加热；IGBT ；整流；逆变器
目 录
第1章 绪论 .......................................................... 1
1.1 感应加热技术概况 ............................................. 1 1.2 本文设计内容 ................................................. 1 第2章 感应加热电源主电路设计 ........................................ 3
2.1 感应加热电源主电路总体设计方案 ............................... 3 2.2 具体电路设计 ................................................. 3
2.2.1 整流电路设计 ........................................... 3 2.2.2 滤波电路设计 ........................................... 4 2.2.3 逆变电路设计 ........................................... 5 2.3 元器件型号选择 ............................................... 8
2.3.1 整流电路参数计算与选择 ................................. 8 2.3.2 滤波电路参数计算与选择 ................................. 9 2.3.3 逆变电路参数计算与器件选择 ............................. 9 2.3.4 谐振槽路参数设计与选择 ................................. 9 2.4 系统仿真 .................................................... 10
2.4.1 MATLAB仿真软件简介 ................................... 10 2.4.2 感应加热电源主电路波形仿真 ............................ 11
第3章 课程设计总结 ................................................. 14 参考文献 ............................................................ 15
第1章 绪论
1.1 感应加热技术概况
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。近几十年以来，随着科学技术的提高以及更先进器件的发展与应用，感应加热技术对工业部门的发展产生了巨大的影响。体积更小，重量更轻，高效节能，负载适应范围大成为感应加热装置发展的方向。它是利用处在交磁场中的导体内产生涡流和磁滞损耗作用于金属而引起热效应，在瞬时间产生大量的热能以此对工件表面或整体进行加热。与传统加热方式相比，感应加热技术具有很大的优势，如加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热等等。目前，感应加热技术广泛应用于淬火、锻造熔炼、锻造毛坯加热，金属表面热处理等行业中。
为了获得更高的电能转换效率，提高电能的利用效率，就要求电源装置具有较高的输入输出功率因数，并且实现电力电子的软开关，以降低开关损耗。近年来随着新型电子器件的发展与应用，高频电源的市场需求促进了新的功率器件的产生，同时新器件也会带来高频电源的发展，感应加热电源电路中的谐振逆变器通过功率器件来实现软开关的功能，所以感应加热电源会朝着大容量化、大功率与高频率相统一的方向发展，但是其中有些技术需要我们进一步解决。
随着电力电子技术和微电子技术以及现代控制技术的发展，感应加热电源的发展也逐步趋于成熟。目前，感应加热技术发展趋势：更加大功率化 、大容量化和高频化；低功耗、高功率因数；控制智能化、数字化；加热技术无氧化；应用广泛化等。
1.2 本文设计内容
本文的设计内容为200KW 感应加热电源主电路设计，此次设计要实现的功能是：先将工频交流电通过整流器及滤波电路变成直流电，再将直流电转换为频率超过2000Hz 以上得到的交流电。由此交流电驱动电磁线圈产生高频交变磁场。在被加热的金属工件内产生磁滞损耗和涡流损耗，产生热量而加热工件。
该电源应该提供一个在大范围内连续可调的电流，以驱动负载线圈产生一定的磁场。由于电源要应用于感应加热装置，所以电源的频率要在一定范围内可调。
电源的负载为感应加热器，即负载呈感性。
感应加热电源的技术参数：输入三相电压380V , 输入交流电频率45～65Hz, 输出最大功率200KW ，感应方式采用IGBT 高频感应。
第2章 感应加热电源主电路设计
2.1 感应加热电源主电路总体设计方案
感应加热电源主电路原理图如图2.1所示
图2.1 感应加热电源主电路原理图
本设计系统主电路采用的是交—直—交结构，包括输入整流器、直流滤波器、逆变器、交流滤波器及隔离变压器等组成部分。整流滤波电路将输入的交流电转变为直流电，逆变电路中的逆变器输出的脉宽调制波经LC 低通滤波电路滤去高频分量，得到纯正的正弦波交流电，再经变压器隔离变压得到设计所要求的电流和频率均可调的交流电供给感应加热器的交流线圈从而利用感应加热线圈产生的磁滞损耗和涡流损耗进行加热。
2.2 具体电路设计
2.2.1 整流电路设计
整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路应用十分的广泛，例如直流电动机，电镀和电解电源，同步发电机励磁，通信系统电源等。
本设计不用整流变压器而直接由380V 三相交流接入再整流为直流电源。常用的三相可控整流的电路有三相半波、三相半控桥、三相全控桥、双反星形等。。从经济和适用角度分析，本设计采用三相半控整流电路。
本设计采用三相桥式晶闸管半控整流电路。它具有如下优点：在启动过程中，调节晶闸管的触发角，可以控制整流输出直流电压由低到高逐渐变化，这样可以
防止浪涌电流损毁整流器，实现了软启动；当电源出现故障时，可以封锁晶闸管的触发信号，从而切断直流侧滤波电容的充电回路，关闭直流环节，以防止故障的进一步扩大。三相可控整流电路如图2.2所示。
输入整流部分由三相晶闸管整流桥组成，在感应加热电源开机启动时通过调节晶闸管的导通角来实现软启动，限制冲击电流不超过电源满载时的额定电流。软启动结束后，可控硅/整流桥的导通角最大，此时相当于标准的整流桥。整流后通过电解电容Cd 滤波得到平稳的直流送到逆变器。高频滤波电容Ch 用于提供高频 无功电流的通路。电抗器Ld 主要起限流作用，限制流过整流桥电力二极管的电流尖峰，改善网侧的功率因数。
图2.2
整流电路
2.2.2 滤波电路设计
近年来，随着电力电子技术的发展，各种低电力电子器件在工业生产和人们日常生活应用日益广泛。因此，谐波和无功问题也日益严重，并引起了人们的日益关注。许多电力电子装置都要消耗无功功率，会对公用的电网带来如下不利影响：导致电流增大和视在功率增大，设备容量增加；设备和线路损耗增加；导致电压波动大等。
为了尽可能的减小上述问题带来的影响，本次设计中，通过整流电路后输出的脉动直流通过滤波电路是输出电压值趋于稳定。滤波电路中，电解电容Cd 滤波得到平稳的直流送到逆变器。高频滤波电容Ch 用于提供高频无功电流的通路。 滤波电路如图2.6所示
图2.6 滤波电路
2.2.3 逆变电路设计
与整流相对应，把直流电变成交流电成为逆变。逆变电路分为有源逆变和无源逆变两类。通常情况下，不加特殊说明，逆变电路都是指无源逆变电路，而无源逆变电路又包含电压型和电流型逆变两种。
本设计采用单相电压型全桥逆变电路，它共有4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。把桥臂1和4作为一对，桥臂2和3作为另一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替导通各导通180度。全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最为广泛的。其电路具有如下特点：（1）直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关；而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同；（3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起到缓冲无功能量的作用；为了给交流侧向直流才反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。电压型全桥逆变电路如图2.3所示。
电压型逆变电路负载分析：电容与负载串联构成了电压型逆变器的负载电路。如图2.4所示。
由图2.4可知，负载阻抗为：
1
Z =R +jwL +=R +jX L +jX C =R +jX (2-1)
jwC
图2.3 电压型逆变电路
图2.4 电压型负载电路 负载阻抗的模为:
|Z |=R 2+(X L +X C ) 2=R 2+(wL +
当Im[Z(jw)]=0时，即jwL +
所以jw 0L +
12
) (2-2) wC
1
=0, 电路发生谐振，设谐振角频率为w 0。 jwC
11
（2-3） =0 则w 0=
jw 0C LC
12πLC
由于w 0=2πf 0，故谐振频率为：
f 0=
（2-4）
品质因数：
Q =
w 0L 11L
（2-5） ==
R w 0CR R C
则电感和电容上的电压分别为：
w 0L
U =jQU （2-6） R 11
U C =-j （2-7） I =-j U =-jQU
w 0C w 0CR
U L =jw 0LI =j
可见，电路发生串联谐振时外部电源电压全部加在电阻上，电感上的电压和电容上的电压大小相等，方向相反，且大小等于外部电压的Q 倍，因此我们也常常把串联谐振称为电压型谐振，Q 为谐振电路的品质因数。
当今逆变电源控制广泛的采用了SPWM 正弦脉冲宽度调制法。它是调制波为正弦波，载波为三角波或锯齿波的一种脉冲宽度调制法，由于三角波或锯齿波的上下宽度是线性变化的波形，因此它与调制波相交时，就可以得到一组幅值相等，而宽度正比于调制波的函数值的矩形脉冲序列用来等效调制波，用开关量取代模拟量，并通过对逆变器开关管的通断控制，把直流电变成交流电。
SPWM 调制的工作原理：冲量等效原理，大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。正弦波脉冲宽度调制波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。根据采样控制理论，脉冲频率越高，SPWM 波形越接近正弦波。逆变器输出电压为SPWM 波形时，其低次谐波得到很好地抑制和消除，高次谐波又能容易滤去，从而可得到畸变率极低的正弦波输出电压。
根据脉宽调制的特点，逆变器主电路的开关器件在其输出电压半周内要开关N 次，而器件本身的开关能力与主电路的结构及其换流能力有关，所以，应用脉宽调制技术时必然受到一定条件的制约，主要有下列两点：
①开关频率。电力电子器件的开关频率受到其固有开关时间和开关损耗的限制。为了使逆变器输出尽量接近正弦波，应该尽可能增大载波比，但开关器件本身允许的开关频率又限制了载波比不能太大。
②最小间歇时间与调制度。为保证主电路开关器件的安全工作，必须使所调制的
图2.5 主电路图
脉冲波有个最小脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间。主电路如图2.5所示。
2.3 元器件型号选择
2.3.1 整流电路参数计算与选择
（1）三相半控整流电路，其整流输出的直流电压为：
U d =
式中：U d —整流滤波输出电压平均值；
U i —整流电路输入线电压；
则 U d =3232πU i
πU i ≈ 1.35U i =1.35⨯380=513V
本电源的最大输出功率为P m =200KW，考虑到滤波器的损耗以及功率开关管器件的开关损耗，设逆变器的变换效率为95%，则整流电路最大输出直流功率为：
P dm = P m
η=200/0.95=210.5KW
则整流电路的最大输出直流电流为： I dm =
（2）整流二极管参数计算
在三相整流电路中，每个桥臂的二极管所承受的正反向电压的最大值为三相交流电网线电压的峰值，在实际应用中还需要考虑到电网电压的波动以及各类浪涌电压的影响，因此需要留有一定的安全裕量，一般取为此峰值电压的2～3 倍，则整流二极管的额定电压为：
. 6~1612) V U N =(2~3) 2U i =(2~3) ⨯2⨯380≈(1074P dm =210.5/513=410.4A U d
流过二极管的电流有效值为： I 410. 4 I VT =dm =≈236.9A 3
按照有效值相等的原则来选取二极管的额定电流，并留有一定的裕量，一般
1.5～2 倍, 则整流二极管的额定电流为：
I 236. 9I N =(1. 5~2) VT = (1. 5~2) ⨯=(226. 4~301. 8) A 1. 571. 57
所以选取耐压值为1300V ，额定电流为250A 的整流二极管。
2.3.2 滤波电路参数计算与选择
滤波电容器主要起滤波和稳定电压的作用。由于采用了三相桥式整流电路，应按下式设计滤波电容的值：
(6~8) 300R d C d =
T1为整流输入电压的频率，T 1=50Hz，直流电源的负载电阻：
U 513 R d =d ==1.25(Ω) I d 410. 4
因此：
C d =(6~8) (6~8) =(400~534)(μF ) T 1=300⨯1. 25300R d
电容耐压值为：
U c =1. 5⨯1. 35U i =1.5⨯1.35⨯380=769.5V
由于耐压要求较高，所以选择6个1000μF 电容，耐压为400V ，分成相同的两组串联。
2.3.3 逆变电路参数计算与器件选择
IGBT 所承受的正向电压值就是前面整流电路的输出电压U d ，实际应用时留有一定的安全裕量，一般取为2～3 倍。因此IGBT 的额定电压为：
U N =(2~3) U d =(2~3) ⨯513=（1026～1539） 逆变电路输出电流有效值最大为： πI d π⨯410. 4 I HM ===569.6A 22cos φ22⨯0. 8
由于IGBT 在一个周期内桥臂的开关管只导通不到一半的时间，同时考虑到
1.5～2 倍的安全裕量，则流过IGBT 的电流有效值为： I 569. 6 I VHNM =2HM =2⨯=805.4A 22
由以上计算可知，应选1000V-300A 型号为KK300-10的IGBT 四只。
2.3.4 谐振槽路参数设计与选择
（1）槽路电容设计
由于此感应加热电源不采用阻抗匹配变压器，因此在设计槽路电容时，主要考虑它与谐振电感的无功能量交换平衡。
感应加热电源直流侧电压Ud, 逆变时在负载上产生正负交变的方波正负Ud 。经傅氏级数展开基波电压有效值2.82Ud/3.14。
取Q=3,因此谐振槽路电容两端电压为：
Uc=QU=3*2.82/3.14*Ud=1382.2v
其阻抗为：
Xc=Uc/Ic=1382.2/30=46 (Ω)
所以
C=1/wXc=189(nF)
所以可按1382.2V 和189nF 选配槽路电容。
（2）谐振电阻和电感的设计
谐振时有 XL=XC=46(Ω)
所以 L=XL/w=336(uH)
Q=wL/R=3
所以槽路线圈和负载等效电阻 R=wL/Q=9(Ω)
可按1382.2V 和30A 及336uH 设计加热线圈，负载和等效电阻为9欧姆左右。
2.4 系统仿真
2.4.1 MATLAB 仿真软件简介
MATLAB （矩阵实验室）是MATrix LABoratory的缩写，是一款由美国The MathWorks 公司出品的商业数学软件。MATLAB 是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB 还可以用来创建用户界面及与调用其它语言（包括C ，C++和FORTRAN ）编写的程序。
尽管MATLAB 主要用于数值运算，但利用为数众多的附加工具箱（Toolbox ）它也适合不同领域的应用，例如控制系统设计与分析、图像处理、信号处理与通讯、金融建模和分析等。另外还有一个配套软件包Simulink ，提供了一个可视化开发环境，常用于系统模拟、动态/嵌入式系统开发等方面。
MATLAB 和Mathematica 、Maple 并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB 来解算问题要比用C ，FORTRAN 等语言完成相同的事情简
捷得多，并且MATLAB 也吸收了像Maple 等软件的优点，使MATLAB 成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C ，FORTRAN ，C++，JAVA 的支持。可以直接调用, 用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB 函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB 爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。
20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任Cleve Moler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN 编写了最早的MATLAB 。1984年由Little 、Moler 、Steve Bangert合作成立了的MathWorks 公司正式把MATLAB 推向市场。到20世纪90年代，MATLAB 已成为际控制界的标准计算软件。
2.4.2 感应加热电源主电路波形仿真
电源的设计师一个复杂的过程，因此不能仅凭理论分析就进行硬件设计，可能会造成很多在经济人力方面的浪费，所以在进行硬件设计之前，应该对理论设计的电路通过专业工具进行仿真。前面分析了感应加热电源的工作原理以及硬件电路的组成，那么接下来就是通过专业的系统仿真软件来对设计的电路进行仿真，验证设计电路的可行性。
逆变电路仿真波形如图2.7所示
图2.7 逆变输出电压仿真波形
图2.8滤波输出电流和负载电压波形
图2.9系统输出仿真波形
由图2.7和图2.8可以看出，经过Matlab 软件仿真后的输出波形与理论分析及计算结果基本一致，基本符合本次设计要求。本次设计设定了感应加热电源的负载为一定值，对此负载进行仿真分析。图2.9为系统工作在谐振状态下的输出波形，系统保持工作在谐振状态，实现了频率的自动跟踪，确保了电源的稳定运行，符合前面的设计要求，验证了系统设计的可行性。
第3章 课程设计总结
在理论分析计算的基础上，本文针对感应加热装置的需要设计了一种感应加热电源，此次设计完成了感应加热电源主电路的搭建，包括整流、滤泼、逆变电路等，确定了以IGBT 作为功率开关器件的电压型逆变器作为本系统的逆变电路，在额定功率下对整个感应加热电源系统进行仿真调试，现察并截取电路关键部分的波形，包括电压电流、负载电压电流波形等，实验结果验证了前一章节理论分析的正确性， 电源系统运行稳定、可靠。
基于上述工作，同时对设计进行理论分析的基础上，可以得到：
（1）系统主电路逆变元件采用新型功率器件IGBT ，它具有工作频率高、耐电流冲击范围较宽、可承受电流密度大、驱动容易、驱动电路功率消耗小、工作损耗小等优点，是一种教理想的开关器件，但对IGBT 的过流保护必须采取确实可行的措施。
（2）采用电压型逆变电路，其具有在换流是自然过零关断、关断时间短、起动较容易、适用于频繁起动工作的场所等特点。
（3）采用一种带有输出电压有效值控制方案，对输出电压的幅值、频率、波形进行精确控制、使得波形品质好，电源容易实现与各种负载的匹配。
（4）运用MATLAB 进行仿真，得出了精确的波形，说明了本设计的可行性
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