高频感应加热电源的研究

摘要

感应加热电源以其清洁、高效、加热速度快等优势在工业领域得到了越来越广泛的应用，如熔炼、透热、淬火、弯管、焊接等领域。本文以高频感应加热电源为研究对象，对三相电流型PWM整流器（CSR）、LLC谐振电路和逆变器锁相控制方式进行了理论研究和仿真验证。
　　本文首先对感应加热电源的发展现状和发展趋势进行了分析和总结，给出了感应加热电源的基本原理和直流侧功率调节方式的优缺点。其次，针对传统的晶闸管相控整流控制方式下网侧功率因数低、谐波污染严重的问题，研究了三相CSR作为感应加热电源中的整流部分来降低网侧谐波污染。根据三相CSR的拓扑结构，建立了三相CSR在三相静止坐标系与旋转坐标系下的数学模型，利用空间矢量脉宽调制（SVPWM）方法控制三相CSR，给出了三相CSR双闭环控制中控制内环和外环的参数设计思路。再次，分析了LLC谐振电路的拓扑结构和电路特性，利用LLC谐振电路的电流变换特性替代高频变压器实现阻抗匹配，研究了品质因数和电感比对LLC谐振电路的影响，给出了谐振槽路参数的设计方法。介绍了逆变器的锁相控制工作原理，分析了利用电容电压和逆变器输出电压作为锁相变量构成谐振逆变器的单闭环锁相控制，当负载参数发生变化时，用来跟踪负载谐振频率。
　　最后，设计了感应加热电源的整体结构，进行了网侧LC低通滤波器、直流侧储能电感、电容参数的设计，在Matlab/Simulink平台搭建了基于dq变换的双环三相CSR仿真模型和逆变器锁相控制模型，从仿真结果可看出，三相CSR较晶闸管相控整流可有效降低网侧电流谐波，单闭环锁相控制下的LLC谐振电路可以在电源感应器发生故障时避免引起逆变器的损坏。

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Abstract

Contents

1 绪 论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 感应加热电源国内外发展现状与趋势

1.2.1 国外感应加热电源的发展历程与现状

1.2.2 国内感应加热电源发展历程与现状

1.2.3 感应加热电源发展趋势

1.3 感应加热电源基本原理

1.3.1 基本原理介绍

1.3.2 影响加热效果的三种效应

1.4 感应加热电源技术方案分析

1.4.1 感应加热电源的整体结构

1.4.2 直流侧调功方案对比分析

1.4.3 负载谐振拓扑结构

1.5 课题研究的主要内容

2 电流型PWM整流器研究

2.1 电流型PWM整流器拓扑结构

2.2 三相CSR数学模型

2.2.1 三相CSR一般模型

2.2.2 三相CSR模型

2.3 三相CSR的SVPWM调制技术研究

2.3.1 三相CSR电流空间矢量的定义

2.3.2 三相CSR SVPWM的生成

2.4 三相CSR双闭环控制策略

2.4.1 双闭环控制策略

2.4.1 电流内、外环控制器的设计

2.5 本章小结

3 LLC谐振槽路研究

3.1 LLC谐振电路拓扑结构

3.2 LLC谐振电路特性分析与研究

3.2.1 最大功率点

3.2.2 电流变换特性

3.2.3 逆变器输出电压与电容电压的关系

3.3 LLC电路与LC电路对比研究

3.4 LLC谐振电路参数设计

3.5 本章小结

4 谐振逆变器单闭环锁相控制

4.1 锁相控制基本原理

4.2 锁相环稳定性分析

4.3 锁相控制变量选取

4.4 单闭环锁相控制逆变器研究

4.5 本章小结

5 高频感应加热电源仿真与实现

5.1 感应加热电源整体拓扑结构

5.1.1 交流侧滤波器参数设计

5.1.2 直流侧电感、电容参数设计

5.2 三相CSR仿真系统搭建

5.2.1 三相CSR仿真系统模型

5.3 电源故障时LLC谐振电路特性

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

作者从事科学研究和学习经历简介

攻读硕士期间主要成果