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用于弱磁性材料的感应加热电力电源研究

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本文是一篇电力论文,电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统,对电能的生产过程进行测量、调节、控制、?;?、通信和调度,以保证用户获得安全、优质的电能。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电力论文,供大家参考。   1 绪论   电磁感应加热技术起始于 19 世纪初,到 19 世纪后半叶开始用于实际生产。相对传统的煤、石油等加热方式,其具有一系列的优点,故应用领域比较广泛,且展示出良好的应用前景【1】。电力电子技术的发展和电力半导体器件的不断优化也有力推动了感应加热技术的发展。而不断改善感应加热电源性能、减小电源体积,降低设计成本,使感应加热技术得到更好的应用依旧是研究的方向【2】。   1.1 感应加热基本知识   1.1.1 感应加热基本原理 由电磁感应定律可知,在一个电路包围的区域内存在交变磁场时,电路两端会产生感应电动势,当电路闭合时则会产生电流。图 1-1 为感应加热的示意图。相较于传统的加热方式,感应加热具有以下一系列特点:(1)可通过控制电源的输出功率和频率,达到不同的加热效果,以满足不同热处理工艺要求;(2)加热过程中,只有感应目标被加热,加热速度快,且使热量损失最小化,从而提高了加热效率;(3)将电能以磁场的形式转化为热能,可在真空中加热,且为非接触式加热,易于实现可靠的电气隔离,提高设备安全性能;(4)易于实现加热装置的自动化和智能化控制,降低劳动强度,提高产品质量;(5)无有害废气、烟雾、噪音等污染,对环境友好。鉴于以上优点,感应加热技术被广泛应用于金属熔炼、透热、焊接等热处理工艺中,成为冶金、石油化工、机械加工、交通工具制造等各个行业中不可或缺的工业技术。另外,感应加热技术在人们的日常生活中也得到广泛的应用,如电磁炉、电热水器等。 ........   1.2 弱磁性材料加热特点 感应加热与明火加热最大的不同之处在于,加热效率和对电源的要求与被加热工件导磁、导电等物理特性有着密切的关系【3】。相关实验表明,所有弱磁性材料的导磁系数都接近于空气,而弱磁性金属材料(铜、铝、金、银等)的使用范围非常广泛,很多场合需要对其进行热处理,传统热处理方式往往是火烧等方式,这种方式难于控制,而且效率很低,而感应加热方式就可以弥补这种种不足。表 1-1 为温度在 20oC 时部分材料的电阻率以及相对磁导率的参数,可以看出铝、铜等常用的弱磁性材料的电阻率比铁、钢等磁性材料小 5-10 倍,则在感应加热中,这类弱磁性工件的等效电阻相对更小,在一定的感应加热场合,其对应的负载品质因数更高;弱磁性材料的相对磁导率非常低,与铁磁性材料相差 200 倍左右,因此弱磁性工件不易产生感应涡流【3】。另外,焦耳热是弱磁性材料的唯一产热途径,不像铁、钢一样除了焦耳热作为主要产热途径,还有少部分热量来源于磁滞效应,即磁偶极子碰撞产热,因此弱磁性材料的感应加热较铁、钢一类铁磁性材料困难很多。 ............   2 双 E 类逆变器的研究   2.1 电路拓扑结构及工作原理 如图 2-1 所示为双 E 类逆变器拓扑结构,其中 Uin为直流输入源;S1与 S2为功率开关管,以 50%的占空比交替导通为负载供电;电感 L1、L2为扼流电感,其电感值足够大,使得输入电流为一个恒定值;Lr、Cr为谐振元件,使逆变器产生高频正弦输出;C1和 C2为开关管输出电容和外部并联电容的总和,与 Lr、Cr配合共同实现软开关,从而减小开关损耗。为了让双 E 类逆变器能够迅速的闭合或断开,使其状态转换瞬间的功率损耗最小,对于双 E 类逆变器有如下要求【40】:(1)开关管关断后,其两端电压由零开始缓慢上升。(2)开关管在开通时刻,其两端电压为零且电压导数为零,即 ZVS(Zero VoltageSwitching)和 ZDS(Zero Derivative Switching)条件;满足以上要求时称双 E 类逆变器处于最佳工作状态。其中,ZVS 条件使得开关管开通时,C1、C2上无剩余电荷从开关管中流过,避免功率损耗和效率降低,同时也保证开关闭合能够迅速完成,使得双 E 类逆变器具有优越的高频性能;ZDS 条件使得开关在一个“平坦”的电压区域里开通,配合 ZVS 条件,增强双 E 类逆变器对驱动方波的抗干扰能力,使开关闭合时刻的偏差不会造成很大的效率下降。 .........   2.2 软开关工作状态分析 双 E 类电路中,在开关管关断时,其两端电压波形由负载网络瞬变响应决定,由谐振元件中的能量供给负载电阻。因此,开关管两端电压波形受负载网络阻尼的影响很大,即电阻 R 的影响。根据负载电阻的不同,双 E 类电路主要有三种开关状态【27】,如图 2-4所示,图中 ug表示开关管的驱动脉冲,us为开关管两端电压,is为流过开关管的电流。设电路的额定负载为 Ropt,并以此进行相应的参数设计,则传统双 E 类逆变器的三种工作状态分别如下:(1)电阻 R=Ropt时,电路工作于最佳状态,如图 2-4(a)所示。在开关管开通时,开关管并联电容上的电荷刚好释放完成,其电压恰好谐振为 0,实现零电压开通,同时dus/dt=0,开关管电流从零上升,此时开关损耗最??;(2)当 R<Ropt时,电路工作于准最佳状态,如图 2-4(b)所示。在开关管开通前,开关管并联电容电压已谐振为零且继续谐振为一个负值,此时由反并联二极管进行续流(图中阴影所示)将开关管两端的电压钳位为零,实现 ZVS;(3)当 R>Ropt时,电路工作于失调状态,如图 2-4(c)所示。在开通时刻,开关管并联电容还未放电完全,不是零电压开通,且由于并联电容容量较大,其正向电压直接对导通的开关管放电,对开关管造成很大的电流冲击。因此此种状态下,不仅开关损耗大,严重时还会损坏开关管。由以上分析,双 E 类逆变器只有在小于或等于最优负载电阻,即 R≤Ropt时才能实现软开关,保持较高的效率。 .........   3 基于 LLC 的双 E 类逆变器研究..............13 3.1 LLC 谐振电路特性分析.......13 3.2 参数设计方法............16 3.3 负载变化时电路特性分析..............17 3.4 仿真及分析.....26 3.4.1 基于 ANSYS 的感应加热仿真....... 26 3.4.2 电路仿真及分析.........28 3.5 本章小结.........31 4 感应加热电源硬件设计......32 4.1 电源主电路整体结构...........32 4.2 主电路参数设计及器件选型..........32 4.3 驱动电路.........35 4.4 本章小结.........36 5 实验结果与分析.......37 5.1 逆变器输出波形........37 5.2 开关状态波形............37 5.3 电路效率分析............38 5.4 本章小结.........39   5 实验结果与分析   本文在理论研究和仿真分析的基础上,搭建了频率为 150kHz 的小功率感应加热电源实验平台。由于本文的研究重点是逆变侧,即基用 LLC 负载谐振槽路的双 E 类逆变电路,故通过对电路的调试,得到以下与该逆变器相关的实验结果。   5.1 逆变器输出波形 图 5-1 为逆变器输出的实验波形。其中图 5-1(a)为逆变器输出电压 uo和输出电流io的波形,可以看出工作频率在 150kHz,输出电压和电流波形十分理想,在开关管换向时未产生电压尖峰,说明该电路能有效吸收电路中的寄生参数,避免了高频振荡,适用于高频场合;为实现双 E 类逆变器的最优工作状态,逆变器输出电流相位滞后电压相位32 左右,近似理论分析值 32.48 。本文设计的双 E 类逆变电源谐振槽路为 LLC 型谐振电路,由理论分析知其具有电流变换、负载匹配的特性,根据本文的实验参数:Lr=3 H,Ls=40 H,则负载谐振电路的电流增益约为电感比 13。图 5-1(b)为双 E 类逆变器输出电流 io和负载电流 ir的波形,可以测出 io有效值约为 1.37A,ir有效值约为 17.1A,则负载电流相对逆变器输出电流的增益为 12.48,与理论值近似相等,说明 LLC 电路的电流变换及负载匹配特性与理论分析一致,且通过 LLC 谐振电路实现了双 E 类感应加热电源的负载匹配。
............   总结   为了实现弱磁性材料的感应加热,需设计出高频的感应加热电源,本文选用了利用软开关而实现“高频高效”的双 E 类逆变器。但现有双 E 类逆变器对负载参数变化敏感,只能在一定负载范围内实现软开关,而感应加热的负载往往是变化的,另外[代写论文就找123Yc.coM原创论文网,QQ:56.223.941],其需高频变压器进行负载匹配,增加了电源体积及设计成本。针对上述问题,本文在研究双 E 类逆变器工作原理及 LLC 谐振电路特性的基础上,将三阶 LLC 谐振电路用于双 E 类逆变器,研究了基于 LLC 的双 E 类逆变器,对稳态及负载变化时的电路特性进行了理论研究,并进行了仿真分析和实验验证。本文主要完成了以下工作:代写论文QQ:56223941(1)介绍了双 E 类逆变器的电路拓扑及其工作原理,分析了传统双 E 类逆变器在不同负载时的工作状态,并通过双 E 类逆变器工作在最优状态时需满足的两个条件推导了电路中各参量的关系,得到了最优状态时谐振槽路的阻抗角值。 (2)研究了 LLC 谐振电路的阻抗特性,电流特性,分析得出 LLC 谐振电路在谐振频率时可提供合适的相位角使双 E 类逆变器工作于最优状态,另外,LLC 谐振电路可代替高频变压器,实现负载的匹配,从而减小电源体积,降低成本。 (3)给出了基于 LLC 的双 E 类逆变器参数设计方法,即通过选取合适的品质因数Q 和电感比 ,使得在谐振频率时 LLC 阻抗角等于双 E 类逆变器在最优状态时的相角,再通过 Q、  来计算出相关谐振参数,另外利用功率守恒计算得到开关管并联电容值。 (4)推导了基于 LLC 的双 E 类逆变器在任意工作状态时电路特征参量与负载间的关系,分析了双 E 类逆变器的工作点偏离最优点时的不同工作状态,从而定性且定量的研究了负载变化时该逆变器的电路特性,得到了该逆变器合适的工作范围。 (5)结合铝塑管焊接要求,通过 ANSYS 软件进行电磁热耦合仿真,根据模拟的加热效果进一步确定了感应加热电源工作频率和功率【论文论文就找123yC.cOm原创论文网,QQ:562.239.41】,设计合适的参数,并搭建了电路仿真模型,给出仿真结果与分析。 (6)设计感应加热电源整体主电路的参数,并选取合适的元器件搭建了小功率的实验平台进行实验验证,证明了本文方案的可行性及理论分析的正确性。 .......... 参考文献(略)代写论文QQ:56223941

关键词:磁性材料 感应 电源 电力

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