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一种铝合金感应加热电源的设计

发布日期:2019-09-10   来源:《变频器世界》19-07期   作者:王珏 窦爱玉   浏览次数:330
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【摘   要】:本文结合目前国内铝合金感应加热的现状,设计了一种铝合金感应加热电源。论文从感应加热电源等效电路出发,对系统主回路结构和控制回路进行了分析并在感应加热电源的整流、逆变、谐振回路以及控制回路等部分进行了器件参数选型与设计。最后搭建了实验实物,通过实验数据分析可得出本文所提铝合金感应加热电源的可用性和实用性。

 

 关键词:电源;感应加热;LLC谐振拓扑


 


1  引言

随着电磁理论与电力电子技术的发展进步,感应加热技术已经应用于工业热处理的各行各业,从淬火、熔炼、焊接、铸造、透热、回火、烘干到一些特殊行业的应用。感应加热电源具有加热速度快,加热时间短、效率高、体积小、重量轻、无噪声、安全、寿命长、维护简单、改善了车间的劳动环境等诸多优点,已经成为国内外热处理的首选装置,因此感应加热技术的研究成为各大高校以及相关公司研究的重点[1]

本文提出一种新型的LLC感应加热拓扑结构,对系统主回路结构和控制回路进行了分析并在感应加热电源的整流、逆变、谐振回路以及控制回路等部分进行了器件参数选型与设计[2]。该电源系统省去谐振变压器有效的降低了成本,减少了电源损耗,减少了逆变器之间的环流,并且通过多机并联有效的实现了大容量化[3]
   2   感应加热电源的主回路结构

1为铝合金感应加热电源主回路的结构感应加热电源直流侧前端采用三相不可控整流方式,经电容滤波后作为谐振逆变器的直流供电电源,为了提高系统的整机容量采用双机并联方式,由于感应炉采用的是LLC谐振结构,省去了LC振回路所必须的谐振变压器提高了电源输出效率,降低了成本减少了电源损耗。图中只是感应加热电源的一个感应加热线圈,该电源系统一共六个感应加热线圈,因此该感应加热电源一共六个并联的逆变单元。6个逆变单元共同从直流侧汲取电能。感应炉主回路的设计主要是整流侧主电路的设计,逆变侧主电路的设计,以及谐振回路电感和电容的设计[4-5]


1  感应加热电源主回路单个加热单元原理图

 

2.1  不可控整流二极管的选型

系统采用了两个整流桥,共同为母线提供电能,因此每个二极管流过的电流为800A。

根据上述分析,选取整流二极管型号,选用型号为AZD1080S18不可控二极管,额定电流1080A,额定电压2800V,冲击电流30kA


  
  

3  感应加热电源控制回路设计

本文的电源系统控制回路分为PLC控制系统和DSP控制系统两部分。PLC主要完成感应炉内的温度A/D采集,将温度的设定值与当前温度检测值进行PI调节后,通过RS-485总线传送给DSPDSP根据调节器输出的温度值进行脉宽调制后输出PWM,控制逆变器。DSP还负责实时检测逆变器输出电流,通过电流调节器后,保证电流稳定不变。上位机主要是利用西门子的人机界面(HMI)触摸屏作为显示界面。完成系统参数的输入和运行状态的显示。触摸屏界面和通讯是利用Wincc flexible组态完成的,并且具有良好的用户界面[6-10]

                                                                                                                                  

2  电源系统控制结构图

 

3。1 DSP电路设计

本文中DSP核心处理电路由DSP电源电路DSP时钟复位电路、接口转换电路等组成、PWM光纤驱动电路和通信电路,芯片选用TMS320LF2812。

DSP电源电路选用TI公司TPS767D318电源管理芯片,保证了系统的稳定性。该芯片由5V电源输入同时输出3.3V1.8V两种不同的电压,给芯片TMS320LF2812供电,其最大输出电流为100mA

芯片TMS320LF2812片内有一个基于锁相环电路的时钟模块,锁相环有4位寄存器,用于配置CPU的不同时钟频率。DSP的复位信号有两种:上电复位和手动复位。为了调试系统方便,本文选用手动复位。DSP时钟复位电路选取芯片MAX708,可以同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号,本系统使用了该芯片的低电平复位引脚。

DSP器件多为3.3V的,而DSP的外围器件一般为5V的居多,如EEPROMRAMA/DD/A以及计算机通信接口等等。为了与外界接口兼容以及提高驱动能力,接口转换电路选用74LVX3245作为电平转换芯片。

PWM光纤驱动电路利用了DSPEVAEVB一共12PWM脉冲,采用光纤将PWM信号传送到IGBT驱动板,光纤转换器件采用的是Avago Technologies公司的HFBR 1414HFBR2412作为光纤的发送器和接收器。

通信电路采用RS-485总线方式,利用DSPSCI单元,以及外围电路可以方便的和PLC实现RS-485通信。RS-485芯片采用MAXIM公司的MAX3082,和DSP之间通过6N137高速光耦进行通信,提高了电路的可靠性。

3.2  IGBT驱动电路的设计

感应加热电源的逆变器采用的是桥式逆变结构,选用2SD315AI-33作为IGBT驱动器。SCALE系列驱动器集成了自检、状态反馈、DC/DC电源、智能驱动、控制部分与功率部分完全隔离等功能于一体。为节省DSPPWM输出接口,在该课题中采用半桥驱动方式。栅极驱动Rg选择的电阻,功率为2W。

4  感应加热电源系统实验分析

根据本文的试验数据与分析,搭建了一套铝合金感应加热电源,系统输入交流600V,由不可控二极管桥式整流得到800V直流电压,通过逆变器双机并联控制LLC负载。LLC感应加热电源整流部分采用POSEICO不可控整流二极管AZD1080S18,额定电流1080A,额定电压2800V,冲击电流30kA。逆变部分采用INFINEON公司的FZ600R17KE3 IGBT,额定电流600A,额定电压1700V,系统参数设计为:L1=3mH,L2=0.8mH,R=0.048Ωf=50Hz。系统采用TMS320LF2812为主控芯片,以不对称规则采样法SPWM作为控制算法,载波频率f=4kHz。下面对试验结果与波形进行分析。

如图3所示,为逆变器输出电流与负载电流波形,由于在实际应用中谐振逆变器输出电流并不是理想正弦波,谐振逆变器输出电流与负载电流有一定的差异,根据公式可得:

        13)

 

3 逆变器输出电流与负载电流波形

 

如图4所示,为逆变器输出电压与谐振电容两端的电压波形,可以看出当逆变器工作在串联谐振状态时,逆变器输出电压超前于谐振电容电压相位约90°,逆变器此时输出最大功率。

 

4 逆变器输出电压与谐振电容电压波形

 

如图5所示,为LLC谐振逆变器双机并联是各个逆变器输出的电流波形,可以看出两个谐振逆变器输出的电流基本同相,并且幅值相等,满足系统实际要求。

 

5 LLC谐振逆变器双机并联电流波形

 

如图6所示,为系统工作是通过PLC的通信模块传到西门子触摸屏上的实时温度曲线图。可以看出,系统开始加热时温度上升缓慢,数分钟以后系统温度基本线性上升,直到温度达到设定温度是,系统在设定温度附近微调,提高了工作效率,满足系统设计要求。

 

6 系统加热曲线

 

5  结束语

本文结合目前国内铝合金感应加热的现状,设计了一种新型的LLC感应加热拓扑结构,从系统主电路选型、控制电路设计提出了详细的计算与设计。最后根据所搭建实验实物,进行实验与分析,得出所提出的感应加热电源系统的正确性和实用性,具有加热速度快,加热时间短、效率高的特点

 


  

   

 

 
 
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