数字式感应加热电源实验平台的设计与实现

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感应加热电源全数字锁相环实验报告

感应加热电源全数字锁相环实验报告（3）江小宁（深圳市北辰亿科科技有限公司）一、实验目的1. PWM 占空比的变化对电压电流相角的影响。

2. 改进设计方案。

二、实验步骤1. 用matlab 算出相应频率对应的电压与电流的相位差。

2. 发出固定频率，同时改变同一路PWM 的占空比，用示波器测得电压与电流的相位差，并记录。

3. 改变频率，重复2。

4. 发出固定频率，只改变同一路的一个PWM 波的占空比，用示波器测得电压与电流的相位差，并记录。

5. 改变频率，重复4.6. 制作表格，对比相位差的变化。

三、实验仪器a) FPGA 实验板。

b) 信号发生器。

c) 示波器。

d)霍尔电流传感器。

四、实验数据R=51欧，L=4.7mH,C=59ns 谐振频率khz LCf 562.9210==π品质因数53.50==RLw Q 注：表中的“-”号表示电流超前电压的相角。

表中的相位差指的是进入鉴相器时的相位差，电压信号人为延时3.6us 。

表1 同时改变同一路的占空比时，相位差的变化表2 只改变同一路的其中一个pwm 的占空比时，相位差的变化五、实验数据分析从表1和表2中可以看出随着占空比的减小，用示波器测得的电压与电流的相位差也随之减小，甚至出现电流超前电压，与理论相位差相差越来越大。

表1与表2对比可得，只改变一个pwm 波的占空比会比同时改变两个pwm 波的占空比对相位差产生的影响小一点，但还是有影响。

远离谐振频率的相角影响要比近谐振的小。

可能原因是IGBT 开通的时间过短，影响了电流的振荡，以及二极管续流。

六、实验结论由于占空比改变，而频率不变频率电压信号占空比电压与电流的相位差理论相位差 9.7khz46.1% 13.27° 9.3°38.3%-10.13° 11khz 45.6% 41.58° 57.35° 36.8%9.9°频率电压信号占空比电压与电流的相位差理论相位差 9.7khz 46.1% 38.3% 2.1° 9.3° 46.1% 34.4% -3.8° 11khz45.6% 36.8% 27.32° 57.35° 45.6%32.4%20.2°。

全数字中频感应加热电源设计

本设计是全数字中频感应加热电源, 采用串联谐振电路。

主电路整流部分采用了三相全控整流电路，逆变电路采用了单相逆变桥。

串联逆变器的输入电压恒定，近似为恒压源，逆变元件采用IGBT,利用单片机控制其开关，控制部分采用PIC16F877单片机，实现对中频电源的控制。

其中使用了IGBT专用驱动芯片。

本设计完成了中频感应电源控制系统的硬件和软件设计任务，实现了负载频率的自动跟踪。

控制电路简单可靠，方案合理。

关键词：整流；逆变；可控硅；IGBT；单片机。

This design is the entire digital mid-frequency induction heating power source. The main circuit rectification part with transported three-phase in this design has all controlled the leveling circuit, inverted the electric circuit to use the single item inversion electric circuit sine pulse width to modulate (SPWM), the load is a antiresonance circuit. This paper introduces a new inversion and three phase bridge rectification control circuit based on PIC16F877 microcontroller for thyristor medium frequency power supply. Meanwhile the hardware and software designs are also provided. It is approved by analysing the experimental results that the circuit softly starts the power supply in the way of sweeping-frequency and zero-voltage, and well tracks the tank resonant frequency in normal working. The power adjustment can be made by adopting SPWM control technology in the system. Series resonance and frequency follow technology are used. The IGBT, as the switch device, can work between 10Hz to 10kHz frequency channel, and based on the principle of the effects . Key Words: inverter; induction;IGBT; single chip computer; rectification.目录第一章全数字中频感应加热电源设计背景 (4)1.1 感应加热的基本原理 (4)1.2 全数字中频感应电源简介 (5)第二章主电路的设计 (9)2.1 可控硅工作原理 (9)2.2 可控硅触发导通 (9)2.3 整流电路的介绍 (9)2.3.1 基本工作原理 (11)2.3.2 电阻负载时三相桥式全控整流特性 (13)2.4 逆变电路的介绍 (16)2.5 负载电路的介绍 (21)2.5.1 电流过零点检测 (21)2.6 主电路的保护介绍 (22)2.6.1 闸管的保护 (22)2.7 主电路的计算及其器件选型 (25)2.7.1 主电路计算部分 (25)第三章控制电路的设计 (26)3.1 PIC单片机介绍 (26)3.2 LM339介绍 (31)第四章软件部分设计 (33)4.1 程序清单 (33)4.2流程图 (59)总结 (63)参考文献 (64)外文翻译 (65)A 外文原文 (65)B 外文译文 (76)致谢 (81)附录 (82)附录一元件明细表 (82)第一章全数字中频感应加热电源设计背景1.1 感应加热的基本原理感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在金属内部转变为热能。

多功能数字式电力电子实验平台的研究与设计方案

多功能数字式电力电子实验平台的研究与设计方案2. 河南科技大学，河南，洛阳，471000摘要：电力电子是现代社会电力系统的重要组成部分，其设计、开发与应用对电力生产、调度及管理具有重要意义。

传统的电力电子实验室大多是按照电气模型的形式进行设计，不仅操作繁琐、效率低，而且在功能上不能满足实验研究的需要。

本文将现代科技前沿成果与计算机技术相结合，提出了一种数字式电力电子实验平台，实现了电力电子实验中传统仿真分析装置与实验装置之间互联互通、相互协作的互动过程。

关键词：平台简介技术方案界面设计通信原理正文：在研究中通过对比实验发现电感仿真系统各功能模块性能良好并具有较高参数，使用多种电感测试数据进行比较和分析从而设计出一种既能完成仿真目的又能保证系统正常工作的多功能数字式电力电子实验室平台。

该设计平台采用模拟电压输入，输出电流流经整个电路，可以同时进行电阻与电容测试及频率分析仪采集模块信号在电压采集单元和直流采集单元之间采集实时数据并转换为数字信号。

一、平台简介本文提出了一种数字式电力电子实验室平台，为了便于与上位机的接口，在进行上位机软件交互时，采用了上位机程序接口方式，使得上位机之间能够相互操作并进行实时通信。

在整个系统上采用了高性能 PC机进行调试与运行，具有简单便捷及高性能等特点。

同时，在上位机上也可进行电压和电流检测及直流采样信号处理。

为了便于上位机间信息传递，本平台通过MU-MIMO总线连接上位机。

1．1、电源控制模块该电源控制模块采用AT89S52单片机进行控制，在整个电源控制过程中,AT89S52作为一款优秀的单片机，其具有良好的功耗性能及稳定运行性能。

AT89S52的工作频率高达18 MHz,其内部集成了 VCSEL接口，可输出50 mA的直流功率（±10%),具有非常高的工作效率和很好的控制性能；其内部集成了 ADC、PWM、开关等电路，实现恒压和恒流输出；采用16位浮点运算放大器(DC-DC)控制输入电压；利用 PWM控制电流输出和充电功能实现放电检测和充电功能等。

高效数字式空冷感应加热电源

高效数字式空冷感应加热电源上海巴玛克电气技术有限公司李南坤主要内容：本文通过分析现行感应加热产品普遍存在效率低、可靠性差等问题的原因，引入一种高效率数字式全空冷感应加热电源，并介绍其关键技术和节能情况。

关键词：感应加热电源、数字式、效率、可靠性一. 前言感应加热电源广泛应用于金属热处理、淬火、透热、熔炼、焊接、热套、电真空器件去气加热、半导体材料炼制、塑料热合、烘烤和提纯等场合，利用在高频磁场作用下产生的感应电流引起导体自身发热而进行加热。

感应加热与气体燃烧加热或者通电加热相比，具有显著节能、非接触、速度快、效率高、工序简单、容易实现自动化等显著优点。

图1. 感应加热原理示意图感应加热电源主要由逆变器、谐振单元、变压器和感应器组成。

其中逆变器是一个交－直－交的变流器，将工频交流电能变换成为几千至几百千赫兹的高频电能。

谐振单元和变压器一端连接逆变器，另一端连接感应器，将高压变成隔离的低压并进行阻抗匹配。

加热时，感应器中流过强大的高频电流，在导体内产生感应电流，因此导体迅速被加热。

逆变器所需的高频逆变器件决定了装置的形式，它经历了从电子管、晶闸管到目前普遍采用IGBT 的发展历程。

早期的感应加热设备以大功率真空电子管为核心构成单级自激振荡器，把高压直流电能转换成高频交流电能，由于电压变换环节较多、电子管转换效率低，设备的总体效率一般在50％以下，水和电能的消耗非常大。

与电子管设备相比，晶闸管式感应加热设备的效率大为提高，达到90％左右，但其谐振频率较低、逆变换流部分相当复杂、损耗仍然较大，且功率因素低。

而采用IGBT或MOSFET 的感应加热设备总体效率在90％以上，谐振频率可达数百千赫兹，且结构大为简化，设备可靠性、功率因数等其它品质均得以提高。

二. 目前产品普遍存在的问题及原因虽然采用IGBT取代晶闸管和电子管已经取得了很大的进步，但目前大多数生产厂商研制生产的感应加热电源设备仍然存在一些普遍问题，这些问题主要表现为：效率较低、电能和冷却水消耗大功率元件IGBT容易损坏输出变压器容易损坏冷却水回路故障较多功率因数较低、谐波污染大设备可靠连续运行性能欠佳这些问题主要是因为设计上的缺陷所致，现针对这些问题探讨其原因：◆目前同类产品的输出变压器均采取水冷结构，变压器线圈由铜管绕制，高频工作时，涡流损耗非常大，因此效率较低，冷却水消耗大。

数字式感应加热电源实验平台的设计与实现

数字式感应加热电源实验平台的设计与实现吕淼;李金刚【摘要】感应加热电源数字化技术是目前该领域研究的热点之一.研究了将现有技术整合后具有多项选择功能的感应加热电源研究平台.为研究者提供了具有一定技术基础的开发平台.该平台集成了Buck斩波、移相PWM两种调功方式以及PID、模糊控制算法,操作人员可根据不同情况选择不同的控制方案,提高了装置的自动化和智能水平.以TMS320F2812为核心,实现了驱动电路、电压电流检测调理电路、过流过压保护等.该实验平台减少了研究者的重复工作,可以提高研究效率,节省开发时间.【期刊名称】《电气传动自动化》【年(卷),期】2014(036)001【总页数】5页(P11-15)【关键词】感应加热电源;数字控制;开发研究平台【作者】吕淼;李金刚【作者单位】西安理工大学,陕西西安710048;西安理工大学,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TM924.5;TP181 引言国内感应加热电源在控制方面还是采用模拟控制为主，还没实现全数字化控制，电源的核心控制部分（功率控制、频率跟踪）仍然采用模拟电路来实现。

数字控制的感应加热电源具有稳定性好、控制精度高、可实现最优控制算法以及远程监控等优点，采用数字控制设计的电源产品不仅性能可靠，而且更有易于实现产品的更新换代，是感应加热技术的一个研究热点和发展趋势。

而目前设计的数字控制的感应加热电源只是一部样机，采用单一的调功方式或控制算法，稳定性较差，且设计成本较高［1,2］。

本文在现有研究基础上，开发一台基于DSP320F2812的全数字控制感应加热电源实验研究平台，把多种调功方式和控制算法集成在一台控制器和一套主电路上，为深入研究感应加热电源新的控制策略和特性性能提供了一个便于操作的研究平台，并对相关参数和外围电路进行优化。

2 平台控制系统设计2.1 功率调节方式选择固态感应加热电源对于功率调节方式来说，主要分为直流器侧调功和逆变器侧调功两类［3］。

全数字中频感应加热电源设计

本设计是全数字中频感应加热电源, 采用串联谐振电路。

主电路整流部分采用了三相全控整流电路，逆变电路采用了单相逆变桥。

串联逆变器的输入电压恒定，近似为恒压源，逆变元件采用IGBT,利用单片机控制其开关，控制部分采用PIC16F877单片机，实现对中频电源的控制。

其中使用了IGBT专用驱动芯片。

本设计完成了中频感应电源控制系统的硬件和软件设计任务，实现了负载频率的自动跟踪。

控制电路简单可靠，方案合理。

关键词：整流；逆变；可控硅；IGBT；单片机。

This design is the entire digital mid-frequency induction heating power source. The main circuit rectification part with transported three-phase in this design has all controlled the leveling circuit, inverted the electric circuit to use the single item inversion electric circuit sine pulse width to modulate (SPWM), the load is a antiresonance circuit. This paper introduces a new inversion and three phase bridge rectification control circuit based on PIC16F877 microcontroller for thyristor medium frequency power supply. Meanwhile the hardware and software designs are also provided. It is approved by analysing the experimental results that the circuit softly starts the power supply in the way of sweeping-frequency and zero-voltage, and well tracks the tank resonant frequency in normal working. The power adjustment can be made by adopting SPWM control technology in the system. Series resonance and frequency follow technology are used. The IGBT, as the switch device, can work between 10Hz to 10kHz frequency channel, and based on the principle of the effects . Key Words: inverter; induction;IGBT; single chip computer; rectification.目录第一章全数字中频感应加热电源设计背景 (4)1.1 感应加热的基本原理 (4)1.2 全数字中频感应电源简介 (5)第二章主电路的设计 (9)2.1 可控硅工作原理 (9)2.2 可控硅触发导通 (9)2.3 整流电路的介绍 (10)2.3.1 基本工作原理 (11)2.3.2 电阻负载时三相桥式全控整流特性 (13)2.4 逆变电路的介绍 (16)2.5 负载电路的介绍 (21)2.5.1 电流过零点检测 (21)2.6 主电路的保护介绍 (22)2.6.1 闸管的保护 (22)2.7 主电路的计算及其器件选型 (25)2.7.1 主电路计算部分 (25)第三章控制电路的设计 (26)3.1 PIC单片机介绍 (26)3.2 LM339介绍 (31)第四章软件部分设计 (33)4.1 程序清单 (33)4.2流程图 (60)总结 (64)参考文献 (65)外文翻译 (66)A 外文原文 (66)B 外文译文 (77)致谢 (82)附录 (83)附录一元件明细表 (83)第一章全数字中频感应加热电源设计背景1.1 感应加热的基本原理感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在金属内部转变为热能。

基于DSP的感应加热电源平台的研究

ＣＵＩＨｅｎｇ，ＬＩＪｉｎ — ｇａｎｇ，ＬＶＭｉａｏ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｉｎｄｕｃｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｇｐｏｗｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｉｓｐｌａｔｆｏｒｍｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＢｕｃｋ，ＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｓａｎｄｔｈｅＰＩＤ，ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｉｔｒｈｍｓ．Ｏｐｅｒａｔｏｒｃａｎｃｈｏｏｓｅｃｏｎｔｒｏｌ
究者的重复工作，可以提高研究效率，节省开发时间。关键词：感应加热电源；数字锁相环；ＰＩＤ控制；模糊控制：ＤＳＰ
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＩｎｄｕｃｔｉｏｎＨｅａｔｉｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＰｌａｔｆｏｒｍｂａｓｅｄｏｎＤＳＰ
回国
基于ＤＳＰ的感应加热电源平台的研究
崔恒，李金刚，吕淼
（华陆工程科技有限责任公司，陕西西安７１００６５）
摘要：研究了将感应加热电源数字化技术整合后具有多项选择功能的感应加热电源研究平台，这
ｓｃｈｅｍｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ．Ａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ

数字型感应加热电源方案分享之主电路设计

数字型感应加热电源方案分享之主电路设计
中频感应加热电源在目前的工业制造领域应用十分广泛，也是很多工程师和厂家的重点关注方向之一。

在今明两天的方案分享中，我们将会通过一个系列分享的形式，为大家分享一种全新的中频感应加热电源设计方案。

今天要为大家分享的是这种新型感应加热电源的主电路设计方案，大家一起来看看吧。

在本文所设计的这种全新的数字型150kW/10kHz中频感应加热电源中，其系统主要采用了IGBT桥式逆变器的串联谐振式工作模式。

在本方案中，我们在主系统中利用了数字锁相环DPLL技术，不但提高了系统频率跟踪的稳定性和可靠性，解决了模拟控制中参数随温度漂移的问题，而且还具备控制灵活，电路简单，高效节能。

主电路系统
依据目前的市场需求和中频感应加热电源的基础设计需要，在本方案中，我们所设计的感应加热设备主电路系统中，额定输出功率P=150kW，输出频率10kHz，输入电压为三相AC380V。

依据逆变原理和传统模拟系统存在的缺欠，我们设计了一种10kHz/150kW串联谐振感应加热电源设备的主电路，这一系统采用电流调节和功率调节组成双闭环功率控制电路，具有调压范围宽、输出稳定性好等优点。

图1 10kHz/150kW的感应加热电源主电路
在上述要求和设计思路下，我们所完成的数字式中频感应加热系统的主电路结构，如上图1所示。

从图1中我们可以看到，在这一主电路系统中，三。

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏａｂｏｖｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓ，ａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｉｎｄｕｃｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｒｅｓｅａｒｃｈｐｌａｔｆｏｒｍｗｈｉｃｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍｕｌｔｉｐｌｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｓｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
吕淼，李金刚
（西安理工大学，陕西西安７１００４８）
摘
要：在前人工作的基础上，研究了将这些技术整合后具有多项选择功能的感应加热电源实验平
台。为研究者提供了具有一定技术基础的开发平台，该平台集成了Ｂｕｃｋ斩波、移相ＰＷＭ两种调功方式以及ＰＩＤ、模糊控制算法，操作人员可根据不同情况选择不同的控制方案，提高了装控制方面还是采用模拟
制部分（功率控制、频率跟踪）仍然采用模拟电路来
实现。数字控制的感应加热电源具有稳定性好、控
控制为主，还没实现全数字化控制，电源的核心控
制精度高、可实现最优控制算法以及远程监控等优
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＩｎｄｕｃｔｉｏｎＨｅａｔｉｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙＰｌａｔｆｏｒｍＢａｓｅｄｏｎＤＳＰ
ＬＶＭｉａｏ，ＬＩＪｉｎ — ｇａｎｇ
ｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ｏｐｅｒａｔｏｒｓｃａｎｃｈｏｏｓｅｃｏｎｔｒｏｌｓｃｈｅｍｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃａｎｄｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ．Ｔｈｉｓｐｌａｔｆｏｒｍｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ，ｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｂａｓｅｄｏｎＴＭＳ３２０Ｆ２８１２．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｈｏｗｉｔｒｅｄｕｃｅｓｒｅｐｅａｔｅｄｗｏｒｋｉｎｇ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｓａｖｉｎｇｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｉｍｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｄｕｃｔｉ０ｎ — ｈｅａｔｉｎｇ：ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｅｓｅａｒｃｈｐｌａｔｆｏｒｍ
中图分类号：ＴＭ９２４．５文献标志码：Ａ文章编号：０２１９ — ２７１３（２０１３）０６ — ００２４ — ０６
第１６卷
第６期
奄涤艘石闵
Ｐ０ＷＥＲＳＵＰＰＬＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧｌＥＳＡＮＤＡＰＰＬｌＣＡＴｌＯＮＳ
Ｖｏ１．１６Ｎｏ．６Ｊｕｎｅ．２０１３
２０１３年６月
数字式感应加热电源实验平台的设计与实现
ｐｌａｔｆｏｒｍｗｉｔｈｃｅｒｔａｉｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｈｉｓｐｌａｔｆｏｒｍｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＢｕｃｋ．ＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅｓａｎｄｔｈｅＰＩＤ．ｆｕｚｚｙ
收稿日期：２０１３ — ０２ — ２７
点，使得所设计的电源产品不仅性能可靠，而且更
化和智能化水平。以ＴＭ￥３２０Ｆ２８１２为核心，实现了驱动电路、电压电流检测调理电路、过流过压保
护等。该实验平台减少了研究者的重复工作，可以提高研究效率，节省开发时间。
关键词：感应加热电源；数字控制；开发研究平台