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中频电源的设计
中频电源的设计
 

    工频加热技术与其它各种物理加热技术相比,确实具有较高的效率,但存在一些明显的不足。在现代工业的金属熔炼、热处理、焊接等过程中,感应加热被广泛应用。感应加热是根据电磁感应原理,利用工件中涡流产生的热量进行加热的,它加热效率高、速度快、可控性好,易于实现高温和局部加热。随着电力电子技术的不断成熟,感应加热技术得到了迅速发展。本文设计的70KW/500HZ中频感应加热电源采用IGBT串联谐振式逆变电路,能够实现频率自动,电路结构简单,高效节能。

1   主电路结构

主电路由整流电路、逆变电路、保护电路组成,其结构如图1

2   主要器件的设计

2.1  整流电路的设计

中频电源采用三相全控桥式整流电路,它的输出电压调节范围大而移相控制角的变化范围小,有利于系统的自动调节,输出电压的脉动频率较高可以减轻直流滤波环节的负担。根据设计要求:额定输出功率P=70KW,输出频率f=500HZ,进线电压UIN=380V,取逆变器的变换效率=0.9。

1) 确定电压额定值URRM

考虑到其峰值、波动、雷击等因


素,取波动系数为1。1,安全系数

1  主电路结构图

 =2,选取电压为:

URRMUIN××1。1=1179V

根据实际二极管电压等级,取URRM=1600V

2) 确定电流额定值IT(AV)

IT(AV)=0。368×Id

=0.368×

=0.368×=56A

考虑冲击电流和安全系数,实取额定电压1600V,额定电流200A的整流模块。

2.2    逆变电路的设计

逆变电路是由全控器件IGBT

成的串联谐振式逆变器,两组全控器件V1V4V2V3交替导通,输出所需要的交流电压。IGBT的主要参数有最高集射极电压(额定电压)、集射极电流等。

1) 确定电压额定值UCEP

IGBT的输入端与电容相并联,起到了缓冲波动和干扰的作用,因此安全系数不必取得很大,一般取安全系数=1.1平波后的直流电压:

Ed=380V××=590V

关断时的峰值电压:

UCESP=(590×1。15+150)×=912V

式中1.15为电压保护系数, 150L引起的尖峰电压。令UCEPUCESP,并向上靠拢IGBT等级,取UCEP=1200V

2 确定电流额定值Ic

Ic=(×1.5)Id

=374A

式中,Id的峰值,1。5为允许1min过载容量,0。9为变换效率。由于电路采用桥式结构,4IGBT轮流导通,根据IGBT等级,选用西门子BSM200GB120两单元并联。

3 电解电容Cd的计算

Cd主要起滤波、稳定电压和改善功率因数的作用,在串联谐振电路中相当于电压源。Cd可用下式计算:

Cd=(4050)×Id

(4050)×150A

60007500

选用6800/400VDC电解电容,三只并联后再串联,在每只电解电容两端并联上放电电阻100K/2W,两只并联。由于串联谐振式逆变器的直流电源回路还必须流过无功电流,该无功电流随逆变器的输出功率因数减小而增大,而电解电容Cd中不能流通高频无功电流,否则会发热损坏。高频电容的选择一般根据逆变器的工作频率和容量大小来确定,电路中选用两只2F/1200V的薄膜电容直接并在IGBT的两侧。

2.3 逆变电路的保护

IGBT采用缓冲保护电路,它以上下桥臂为单元进行设置,这种电路缓冲元件的功耗小,降低了IGBT的关断损耗。通常采用计算和实验相结合的方法,确定缓冲元件的参数。CS选取35F/1200V的电解电容,RS选用62/150W的无感电阻。

在开关电源中,逆变电路中二极管除整流作用外,还起电压嵌位和续流作用,二极管在正向偏置时,呈低阻状态,近似短路,在反向偏置时,呈高阻状态,近似开路。二极管从低阻转变成高阻或从高阻转变成低阻并不是瞬间完成的,普通二极管的反向恢复时间较长,不适应高频开关电路的要求,需要使用快速恢复二极管。系统阻容吸收电路中采用IXYS公司的DSE12X快速恢复二极管模块,其恢复时间在60ns左右。

由电路产生的PWM脉冲,不能直接驱动大功率器件,为确保功率管的开关准确可靠,IGBT驱动放大电路采用三菱公司的M57962L,它采用+15V\-15V双电源供电,外围元件少,具有较强的驱动能力,又能有效的限制短路电流值和由此产生的应力,实现软关断。

3   负载电路的计算

中频电源用于加热时,负载主要是由集肤效应、涡流效应、滞后效应产生的阻抗和感抗,虽然还存在着其他作用引起的额外电感和电容,但它们的等效电感量和电容量很小,所以,在频率不太高的情况下,负载可以等效为感抗和阻抗串联。如图2

2  负载等效电路

由实验可得负载的等效电阻为10,等效电感为100mH

负载的品质因数:

Q=

=

31.4

功率因数:

cos()==0.001

可见,该电源负载是功率因数非常低的感性负载,为了提高功率因数,有效利用电源容量,采用中频电容补偿无功功率,这样便组成了振荡电路。则串联补偿谐振电容C0=31.25F

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