用于水加热装置的高频感应加热电源设计

论文摘要

感应加热在金属熔炼、热处理中的应用越来越多,这种先进的加热技术以传统加热技术所不具备的特点而在各行业中得到了广泛的应用。近年来,感应加热装置在家用电器等中小功率应用场合正逐渐增多,而这类应用以水加热装置为主。对于此类感应加热装置,其加热对象一般为金属容器或管道。由于其金属壁厚一般较薄,所以感应加热电源的适用工作频率一般较高。对于高频感应加热电源,如何降低电源成本、减小体积和提高可靠性成为关键。本文分析和比较了高频感应加热电源常用的主电路拓扑和功率调节方式,并采用不控整流与电压型逆变器的主电路拓扑。引入负载频率跟踪技术与全桥移相PWM功率调节方法结合的控制方案。同时针对高频感应加热电源的负载匹配问题,采用LLC型负载谐振电路代替高频变压器的电磁耦合方法。其中深入研究了LLC型负载谐振电路的阻抗特性和电流变换特性。在理论分析的基础上,使用PSIM仿真环境建立了基于LLC型负载谐振电路的感性移相调功控制的闭环仿真模型,并进行了电源系统的仿真研究。最后,设计了基于LLC型负载谐振电路的高频感应加热电源的主电路和控制电路。其中控制电路采用相移谐振控制器UC3875和集成锁相环CD4046结合设计的方法,有效提高了电源的稳定性。根据设计搭建了实验平台,并进行了实验与调试,完成了系统闭环控制。通过实验证明了本文理论分析与设计方案的正确性与可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 感应加热的原理与特点
• 1.1.1 感应加热的基本原理
• 1.1.2 感应加热工作频率与加热厚度的关系
• 1.1.3 感应加热的特点
• 1.2 感应加热电源的现状与发展
• 1.2.1 感应加热电源的现状
• 1.2.2 感应加热电源的发展趋势
• 1.3 本文研究的目的及主要内容
• 2 感应加热电源的构成及控制方式
• 2.1 主电路拓扑分析
• 2.1.1 串联谐振逆变器
• 2.1.2 并联型谐振逆变器
• 2.1.3 两种谐振逆变器的比较
• 2.2 负载匹配
• 2.2.1 电磁耦合
• 2.2.2 静电耦合
• 2.3 电压型谐振逆变电源功率控制方式
• 2.3.1 直流调压调功
• 2.3.2 逆变调功
• 2.4 频率跟踪技术与锁相环原理
• 2.5 本章小结
• 3 移相式LLC负载谐振感应加热电源的分析与仿真
• 3.1 电压型LLC负载谐振电路特性分析
• 3.1.1 阻抗特性分析
• 3.1.2 功率分析
• 3.1.3 电流分析
• 3.1.4 电容电压分析
• 3.2 感性移相调功特性分析
• 3.2.1 移相调功分析
• 3.2.2 主电路工作状态分析
• 3.3 系统结构仿真
• 4 电源系统设计
• 4.1 电源总体结构
• 4.2 主电路参数设计
• 4.2.1 整流环节参数设计
• 4.2.2 逆变器参数的选择
• 4.2.3 负载谐振槽路参数设计
• 4.3 控制电路设计
• 4.3.1 控制电路原理及总体构成
• 4.3.2 频率跟踪电路
• 4.3.3 移相调功控制电路
• 4.3.4 闭环控制
• 4.3.5 逆变器驱动电路及保护电路
• 4.4 本章小结
• 5 实验结果与分析
• 6 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 在校期间所发表论文