基于全数字锁相环的感应加热电源研制

摘要

从上个世纪初开始，感应加热开始兴起并很快得到广泛应用。由于感应加热是非接触式加热，加热温度高，具有相当高的效率，同时感应加热容易实现对温度的控制，作业环境好，能加热复杂形状的工件，因此感应加热电源正在成为我国研究的热点问题。目前，我国的感应加热多为并联谐振式的电源结构，功率的调节大都是通过直流侧的调压来实现，但是这种方式容易产生电网的谐波污染，如果改进电源结构，电源主电路采用串联谐振式电路，电路的直流侧采用不控整流，逆变侧的主回路采用PWM移相调功方式，这样就可以避免并联谐振式电源结构带来的电网谐波污染问题。 本文的结构安排如下：首先介绍了感应加热的基本原理及发展过程；然后分析逆变侧主回路两种不同的电路结构的优缺点，并对这两种电路的换流过程进行比较；接下来，文章针对目前应用比较广泛的几种调功方式进行详细分析，最优分析结论是采用串联谐振式的电路结构，并通过PWM移相调功的方式对电源的功率进行调节。在确定了电路方案之后，本文介绍了软开关的定义、分类以及其新发展，并与硬开关方式进行了比较。一般的软开关是通过ZVS的形式来实现的，但是当负载很轻时，零电压开关条件难以满足，在非零开关条件下，器件的电压应力太大，并且干扰严重，影响了电源的品质，因此本文采用基于ZVZCS的PWM技术来实现该电源的研制，其中超前桥臂采用零电压开关，滞后桥臂采用零电流开关，在此基础上可以确定了主回路中各元件参数的大小。 本文的重点是对控制回路的设计。传统的加热电源大多采用模拟锁相环CD4046作为主回路电流的反馈信号，由于模拟锁相环存在着很多缺点，本文提出一种基于FPGA的数字锁相环设计。由于在FPGA的内部集成有锁相环，但主要是面向高频应用的，在10kHz-200kHz范围内不适合采用，鉴于此，本设计采用内置锁相环74297并通过VHDL语言设计相应的辅助电路，保证了在大范围的中低频率内锁相的要求。同时在该芯片内设计了PWM产生电路，产生了4路IGBT的驱动脉冲，并且保留了一定的死区时间。此外，通过单片机实现了人机界面的交互，通过硬件PI调节器的作用，可以满足该电源的功率和电流的调节。 文章通过MATLB仿真验证了设计的正确性，并给出了相应的仿真波形。 最后搭建了实际电路，该电路的功率为40KW并且上电调试，实际锁相范围可以从10kHz-200kHz，不过样机只需要从20kHz-80kHz变化即可，从调试的效果来看，基本达到了目的。

目录

文摘

英文文摘

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第一章概述

1.1感应加热的原理

1.1.1感应加热的物理基础

1.1.2感应电流的分布以及透入深度

1.2感应加热技术的发展的历程及特点

1.3电力电子器件的发展

1.4感应加热电源的发展趋势

1.5本文所做的工作

第二章感应加热电源的结构及其分析

2.1谐振槽路分析

2.1.1串联谐振

2.1.2并联谐振

2.2逆变器结构分析

2.2.1电压型串联逆变器

2.2.2电流型并联逆变器

2.2.3串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的比较

2.3感应加热电源的调功方式

2.3.1调压调功(PAM)

2.3.2脉冲频率(PFM)调功

2.3.3脉冲密度(PDM)调功

2.3.4脉冲宽度(PWM)调功

2.3.5输入功率调功

第三章感应加热电源的主电路分析

3.1软开关技术

3.1.1软开关的定义

3.1.2软开关的分类

3.1.3软开关的发展

3.1.4软开关技术的新发展

3.2电源整机结构框图

3.3主电路分析

3.3.1主电路综述

3.3.2控制电路分析

3.3.3主电路工作过程

第四章感应加热电源的控制电路设计

4.1控制系统硬件设计

4.1.1飓风系列FPGA简介

4.1.2飓风芯片的开发工具简介

4.1.3飓风系列FPGA编程和配置

4.1.4硬件描述语言简介

4.2锁相环控制电路

4.2.1传统的模拟锁相环

4.2.2全数字锁相环的实现

4.3控制电路整体构成

4.3.1扫频电路简介

4.3.2它激转自激

4.3.3 PWM产生电路

4.3.4 IGBT驱动电路

4.3.5保护电路

4.3.6人机交互界面的设计

第五章试验结果与结论

5.1仿真结果

5.2实验结果

5.3结论

参考文献

致谢

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