论文总字数：16219字

摘 要

电磁感应加热技术在经过了一个世纪的发展后，与我们现代化生产产生了极强的有机反应，极大地提高了现代化的生产水平。在各个领域也发挥了其节能环保、易于控制等优点。本文详细地介绍了一种中频电磁感应加热电源的设计方案，主要由整流电路、直流斩波电路及其控制驱动电路、逆变电路及其控制驱动电路组成。为保障电路的安全可靠运行，在各环节加入了保护电路对主电路系统进行保护，最后通过MATLAB/Simulink仿真对设计可行性加以佐证分析。

关键词：电磁感应；感应加热；串联谐振

Abstract

After a century of development, electromagnetic induction heating technology has a strong organic reaction with our modern production, which greatly improves the level of modern production. In various fields, it also has the advantages of energy conservation, environmental protection and easy control. In this paper, a design scheme of if electromagnetic induction heating power supply is introduced in detail, which is mainly composed of rectifier circuit, DC chopper circuit and inverter circuit, including the control and drive circuit of chopper circuit and inverter circuit, and the protection circuit is added in each link to protect the main circuit system. Finally, the design feasibility is assisted by Matlab / Simulink simulation Syndrome analysis.

Key words: electromagnetic induction; induction heating; series resonance

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

第二章 感应加热的基本原理及思路分析 3

2.1 感应加热的基本原理 3

2.2 整体思路分析 4

第三章 主电路设计 6

3.1 整流电路 6

3.2 斩波电路 7

3.2.1 斩波电路原理及参数计算 7

3.2.2 斩波电路的控制电路 9

3.2.3 斩波电路的驱动电路 11

3.3 逆变电路 12

3.3.1 串联型逆变电路基本原理 12

3.3.2 参数计算及元件选型 15

3.3.3 逆变驱动电路 16

3.3.4 逆变控制电路 17

第四章 保护电路设计 20

4.1 过压保护 20

4.2 欠压保护 20

4.3 过流保护 21

第五章 电磁感应加热主电路仿真及其结果分析 22

5.1 整流模块 22

5.2 逆变模块 23

5.3 反馈模块 25

5.4 结果分析 25

总结 26

参考文献 27

致谢 28

第一章 绪论

感应加热最初起源于电磁感应现象，可以理解为感应电流会在有交流变化电流的导体中生成^[1]，这种与原电流方向相反的感应电流也称涡流，会导致发热现象的产生。多年来，这一现象给人们带来了不少困扰，因为这会导致工作带来损耗，所以我们会通过各种技术手段来减少这种发热现象。但是在临近20世纪时，电磁感应现象的优势慢慢被科研工作者所发现，那就是利用它会快速发热的特性将它应用到各类加热场合，比如在炼钢、钎焊和表面硬化等方面有很大的发挥空间^[2]。

在经历了一个世纪的发展后，电磁感应加热在这个领域战功卓越，特别是后来可控硅的出现及发展更是让这一技术与我们现代化生产产生了有机反应，极大地提高了现代化的生产水平。所以各个国家都在这一领域注入了大量的资金和研发成本，使得电磁感应技术飞速发展。

我国紧跟世界发展的潮流，在改革开放以后以浙江大学以及华北电力大学为首，也对电磁感应技术进行了研究。当然为这一技术做出巨大贡献的还有许多高新科技企业比如辽宁电子设备制造厂，但由于其产品是以SIT为控制开关器件的，在成本上与市场主流无法形成优势，所以反响并不尽人意。

由于起步较晚，国内的电力电子技术与国际存在一定差距，很多的关键器件需要从国外进口，也使得我国感应加热电源的发展相对落后。不过从上个世纪八十年代以来，浙江大学对于超音频领域的研究就已经开始了，而在近期浙江大学在电流型感应加热电源上取得了非常不错的成果，不仅如此，他们在电压型电源也有所建树。

电磁感应加热电源利用感应线圈中快速交变的电流产生交变的磁场，并在需要加热的工件内部产生涡流^[3]，继而从电能转换为热能，从而对需要加热的金属产生大量的热能。因为能量是通过电磁感应进行传导的，所以在这个过程中被加热的物件并不会与线圈进行接触^[4]。与传统的不可再生能源加热设备相比，电磁感应加热技术主要由以下这些优点：

1. 加热的方法为非直接接触式，使得加热过程安全性更高。相较于传统的直接加热也不容易掺杂其他物质；
2. 热传递效率高并且速度快，绝缘性能优秀。因为感应加热的原理是从加热工件的内部开始加热，在减少金属表面氧化的同时，也极大地减少了热传递的时间，根据加热物件的不同生产效率也不同，效率普遍能够高达60%以上；
3. 加热过程易控制，加工精度高。由于能量直接由电能控制，能量由金属内部向外扩散并且受热比较均匀，所以可以非常方便地对加热深度和温度进行控制同时也会让材料消耗降低，不受环境制约在真空中加热更加有利于提高产品精度，提升质量；
4. 节能环保。对于环境几乎没有影响，不会产生噪音与烟尘，也不会有过多的热量散发到环境中，作业环境温度低较为安全，更加适应现代化生产的需要；
5. 实现自动化控制，现代化生产对于自动化的要求更加迫切，电磁感应加热这种电力控制的加热设备显然更加适应这种需求，可以更加频繁地启停设备，同时对于频率与功率的控制也会更加精确；
6. 使用寿命长，在设备运行时，设备自身的运行温度在90摄氏度以下，线圈的工作损耗小哦，可以减少以后的二次投入。

但电磁感应加热技术仍存在一定的局限性，比如感应加热不适合于处理复杂形状的工件^[5]。比如在传统的链齿轮感应淬火过程中，由于集肤效应、角效应和环形效应，出现了齿面局部过热、硬度不均匀和微裂纹等现象^[6]，所以适用的应用场景还是要结合实际来使用。

第二章 感应加热的基本原理及思路分析

2.1 感应加热的基本原理

电磁感应加热是通过电磁感应现象在带交流电的线圈的附近产生交变磁场，再利用交变的磁场在被加热的金属中产生感应电动势生成涡流^[7]，从而达到加热的目的，如图2.1所示。

图2.1 感应加热的基本原理

由法拉第电磁感应定律

（2.1）

设感应线圈中通有频率为f的交流电I₁，线圈内的磁通为Φ，被加热金属的等效线圈匝数N，则e为被加热金属上产生的感应电动势。

当感应线圈中通入以正弦规律交流变化的电流时，有，由式（2.1）可得

（2.2）

感应电动势e的有效值为

（2.3）

在本次实验中，金属工件可以利用一组串联的电感L与电阻R来等效代替，可以得出金属内的涡流I₂：

（2.4）

金属内部功率P和涡流 I₂有以下关系：

（2.5）

将（2.4）代入到（2.5）中可得：

（2.6）

并且涡流在金属内部会产生发热，根据焦耳—楞茨定理：

（2.7）

式中，Q为金属工件产生的热量，t为线圈中通电的时间。

金属工件的温升△T为：

（2.8）

上式中，m为加热金属物件的质量，c为加热金属物件的比热参数。

由式（2.8）可以看出，除了交流电的频率f以及磁通量Φ可以影响被加热金属工件在电磁感应加热设备中的温升量以外，金属工件自身的各项属性影响在其中占很大部分的比重。由于被加热工件性质的不可控性，我们仍可以通过控制交流电的频率以及磁通量来对设备的功率或是对金属工件的温升来进行调节。

2.2 整体思路分析

经过对于电磁感应加热设备适用性的考察，本次设计一个工作频率约为10KHz，输出功率在30KW左右的感应加热电源，主要应用于工业塑胶机械或者锅炉等设备中。因为主要是应用于工业场合，所以电网提供的是380V三相电，我们需要利用AC-DC-AC变换将标准工业电整流为平滑的直流电后，再通过逆变为我们所需要功率与频率的单相交流电提供给负载。

所以这次设计的主电路包含三个模块：整流滤波、直流斩波、谐振逆变。首先三相交流电通过整流桥变为直流电，然后通过Buck型斩波电路来对直流电的电压进行调节操作，然后将被控制的平稳直流电送入逆变器中对输出进行功率调节。同时为了对输出的电压做出检测，使用霍尔传感器将检测到的电压转化为信号送入保护电路的控制系统，从而对各个环节的电路元件进行保护，同时作为反馈信号也方便系统进行自我调节稳定输出。系统运行的结构框图如下图2.2所示：

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