具有快速响应能力的高频感应加热电源逆变控制与调功关系的研究

摘要

本文以高频感应加热电源为研究对象。首先介绍了高速无菌牛奶砖包包装封合的原理和问题,接着,针对特殊的应用场合,提出了三个主要问题,它们分别是功率调节与输出频率的耦合,高频感应加热电源的快速响应要求,高频感应加热电源的可靠性。对高频感应加热电源功率调整与输出频率关系进行了详细的分析,通过对两种逆变器特点的分析比较,主电路拓扑结构选择了串联谐振方式;通过对功率调整方法的分析,得出了直流斩波调功简单易行并满足设计要求的结论;本文还设计了整流侧参数、逆变侧主电路参数。详细分析了高速无菌牛奶砖包包装的过程,其特点之一是高速性,这就要求高频感应加热电源具备快速响应能力,结合控制方法和硬件电路的设计,最终选择了通过对芯片(产生PWM波控制信号)的使能与否来实现对MOSFET的控制信号的控制来实现快速响应要求;由于加热封合所需的热量一定即总能量一定,结合功率MOSFET特性和散热的要求,在功率和时间的选择上,最终选择了较大的输出功率和较短的工作时间配合的方案。为满足高频感应加热电源的可靠性要求,介绍了两种固态高频感应加热电源逆变器锁相控制技术—定时控制和定角控制的原理,并利用MATLAB\SIMULINK建模仿真分析,选择了定角控制方式。由于得出了电压型谐振逆变器必须工作在小感性准谐振状态的结论,而且必须避免向容性状态偏移,因此锁相角度必须足够小且能保证系统不进入容性状态。给出了仿真波形和角度范围,并在功率设计和感应器设计上进行了分析与设计。本文给出了整机框图,设计了基于TI公司TMS320LF2407为核心的硬件控制平台,包括功率调整、整流滤波电路、保护电路、驱动等外围电路,本文还给出了实验结果。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 无菌牛奶砖包包装封合的原理分析

1.2.1 电磁感应

1.2.2 集肤效应与透入深度

1.2.3 热传导

1.3 无菌牛奶砖包包装封合问题的技术分析

1.4 本文工作及论文结构

第二章 高频感应加热电源功率调整与输出频率关系分析与设计

2.1 高频感应加热电源主电路拓扑结构选择

2.2 高频感应加热电源功率调节方法与分析

2.3 高频感应加热电源功率调整方式选择

2.4 电路参数设计

2.4.1 整流侧参数设计

2.4.2 逆变侧主电路参数设计

2.4.3 负载谐振槽路的参数设计

2.5 DC/DC 调压调功的控制与实现

2.6 实验波形

2.7 本章小结

第三章 高频感应加热电源快速响应能力需求分析与设计

3.1 高频感应加热电源快速响应需求分析

3.2 高频感应加热电源快速响应系统方案设计

3.3 MOSFET 高速驱动电路改进

3.3.1 栅极驱动信号振荡的产生机理

3.3.2 驱动电路的设计

3.3.3 实验结果

3.4 本章小结

第四章 高频感应加热电源可靠性分析与设计

4.1 频率跟踪控制电路在高频感应加热电源上应用的研究

4.1.1 电压型谐振逆变器中的锁相控制技术分析

4.1.2 定角控制技术在高频感应加热电源中的应用

4.1.3 最优锁相角度的选取

4.1.4 仿真模型的建立及分析

4.2 功率设定的分析与选择

4.3 感应器设计与改进

4.3.1 感应封合数值模型

4.3.2 磁热耦合计算流程

4.3.3 不同因素对涡流密度和焦耳热分布的影响

4.3.4 不同因素对温度分布的影响

4.4 本章小结

第五章 硬件系统及相关波形

5.1 整机框图

5.2 功率控制

5.3 整流滤波电路的制作与调试

5.4 DC/AC 电路的制作与调试

5.5 基于DSP 的控制电路

5.6 保护模块

5.6.1 过流、短路保护

5.6.2 过压保护

5.6.3 过热保护

5.6.4 缺相保护

5.6.5 保护模块硬件电路

5.7 系统仿真波形

5.8 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 工作总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

上海交通大学硕士学位论文答辩决议书