感应加热电源的设计

赵　鹏

摘要:感应加热电源以其加热效率高、速度快,可控性好及易于实现机械化、自动化等优点,已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。本文着重阐述以SG3525A作为PWM控制的核心,HCPL-316J作为IGBT的驱动,用串联谐振来设计感应加热电源。

关键词: 感应 SG3525A PWM HCPL-316J IGBT 谐振 驱动

中图分类号:D035 文献标识码:A 文章编号:1673-8209(2009)5-0278-02

1 感应加热的工作原理

感应加热原理为产生交变的电流,从而产生交变的磁场,在利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。感应加热与其它的加热方式,如燃气加热,电阻炉加热等不同,它把电能直接送工件内部变成热能,将工件加热。而其他的加热方式是先加热工件表面,然后把热再传导加热内部。感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关,而且与工件的截面大小、截面形状等有关,还与工件本身的导电、导磁特性等有关。

在感应加热设备中存在着三个效应——集肤效应、近邻效应和圆环效应。

集肤效应:当交变电流通过导体时,沿导体截面上的电流分布式部均匀的,最大电流密度出现在导体的表面层,这种电流集聚的现象称为集肤效应。

近邻效应——当两根通有交流电的导体靠得很近时,在互相影响下,两导体中的电流要重新分布。当两根导体流的电流是反方向时,最大电流密度出现在导体内侧;当两根导体流的电流是同方向时,最大电流密度出现在导体外侧,这种现象称为近邻效应。

圆环效应:若将交流电通过圆环形线圈时,最大电流密度出现在线圈导体的内侧,这种现象称为圆环效应。

感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备。在感应线圈中置以金属工件,感应线圈两端加上交流电压,产生交流电流I1,在工件中产生感应电流I2。此两电流方向相反,情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。当电流I1和感应电流I2相互靠拢时,线圈和工件表现出邻近效应,结果,电流I1集聚在线圈的内侧表面,电流I2聚集在工件的外表面。这时线圈本身表现为圆环效应,而工件本身表现为集肤效应。

交变磁场在导体中感应出的电流亦称为涡流。工件中产生的涡流由于集肤效应,沿横截面由表面至中心按指数规律衰减,工程上规定,当涡流强度从表面向内层降低到其数值等于最大涡流强度的1/e(即36.8%),该处到表面的距离△称为电流透入深度。由于涡流所产生的热量与涡流的平方成正比,因此由表面至芯部热量下降速度要比涡流下降速度快的多,可以认为热量(85～90%)集中在厚度为△的薄层中。当材料电阻率、相对磁导率给定后,透入深度△仅与频率f平方根成反比,此工件的加热厚度可以方便的通过调节频率来加以控制。频率越高,工件的加热厚度就越薄。这种性质在工业金属热处理方面获得了广泛的应用。

2 电路系统结构

2.1 感应加热电源主电路图

如图1所示,它由整流器、滤波器和逆变器组成。整流器采用不可控三相全桥式整流电路。Cd1、Ld和Cd(C1、C2)构成Ⅱ型滤波器。两个电解电容C1,C2串联以减小单个电容的承受的电压,R2 , R3起均压作用。R1为限流电阻,当系统开始上电时,由于电容两端电压为零,故刚开始对电容充电时,电流将很大,加上限流电阻R1后则就电流不会很大了。当电容两端电压达到一定数值时,交流接触器K1闭合,将限流电阻短接。系统即可正常工作。

逆变器采用单相变逆变桥,经变压器和串联谐振电路相接。利用轮流驱动单相对角的两组IGBT工作,把恒定的直流电压变成10 Hz～10 kHz方波电压输出给负载。

2.2 控制电路的设计

控制电路的核心为PWM控制器SG3525A,用SG3525A发出的PWM脉冲,来控制逆变器VT1、 VT4和VT2、VT3轮流导通,从而控制逆变电压和逆变频率。SG3525A的6脚连接电阻R,改变R的大小,这样就可调控SG3525输出的PWM脉冲频率。同时通过调节SG3525的9脚电压来改变输出脉宽。反馈电路中,当电流互感器从负载端感应出交流电流,通过桥式整流器把他转化为直流电,在滑动变阻器PR2上产生电压。由滑动端输出的信号接到SG3525A的10脚上,当脚10电压大于0. 7V时,芯片将进行限流操作,当脚10电压超过1.4V时,将使PWM锁存器关断,直至下一个时钟周期才能够恢复。

2.3 正向输入IGBT驱动电路

HCPL316J 是一种简单的智能型驱动器芯片。用户可根据需要灵活设置高电平输入、高电平输出和低电平输入、高电平输出的输入方式,自动复位或通过控制复位,故障自动关断,光耦隔离,CMOS/TTL 电平兼容,集成的VCE退饱和电压检测,有回滞的低电压闭锁(UVLO),软关断IGBT 技术及隔离的故障反馈信号。IGBT栅极最大驱动电流可达2.5A ,最大驱动电流IA=150A,VCE=1200V,最大开关速度为500 ns ,较宽的VCC工作电压范围为15～30V。图2.3为所设计的正向输入IGBT驱动电路。Vin+和Vin-是正向及反向输入信号端,经过内部光耦隔离,放大后在VOUT端输出与VIN+波形相同的驱动信号。IGBT正向导通时的栅源电压为VCC2;反向截止时的为VEE。输出端的0.1μF的电容(C3,C4,C5)提供开关变换瞬态时的工作电流;100pF的电容(CBLANK)反映了当IGBT发生过流故障时,HCPL316J从检测到故障到开始工作的反应时间。为了提高故障信号的抗干扰能力,在引脚接一个上拉电阻R1和C2。为了防止门极开路或损坏时主回路加上电压而损坏IGBT,在栅射极之间加上一个下拉电阻R4,以吸收大约650μA的静态电流。R2的作用是限制芯片在DDESAT脚上的外抽电流,Cblank它与DDESAT,构成IGBT集电极短路保护电路。

3 结语

随着功率器件的发展,感应加热电源的频率也逐步提高,经历了中频、超音频、高频几个阶段。本电源是一种中频感应加热电源。该电源具有输出电压低、圈匝数少、不需要中频变压器降压、结构简单、效率高。可应用在如淬火、焊管、焊接等工艺要求频率和功率较高的场合。

参考文献

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