中频感应电源
IGBT中频、超音频感应加热电源
IGBT 中频、超音频感应加热电源IGBT 中频、超音频感应加热电源
IPS 系列中频、超音频电源是清华大学自行研制的新产品，该电源的逆变电路采用新型大功率电力电子器件IGBT
简介：
IPS 系列中频、超音频电源是清华大学自行研制的新产品，该电源的逆变电路采用新型大功率电力电子器件IGBT。
本产品具有体积小，噪音低，整机效率高，维护方便等优点。
频率范围2.5kHz～100kHz。
最大功率可达
500kW，可完全替代高耗能的电子管式超音频电源，中频机组和晶闸管中频电源。
主要应用于金属热处理、热加工，如淬火、透热、熔化、焊接等。
特点：。
浅谈KGPS中频感应加热电源常见故障及检修方法
总第283期 ·65·电气工程及自动化浅谈KGPS中频感应加热电源常见故障及检修方法唐更生【摘 要】本文阐述了KGPS 中频感应加热电源的工作原理及组成，列举了KGPS 中频感应加热电源常见的故障和处理措施，并介绍了中频电源常用的检修方法，对相关的维修人员和工程技术人员有一定的借鉴作用。
【关键词】KGPS 中频感应加热电源；故障现象；维修方法；检测方法作者简介：唐更生，桂林金格电工电子材料科技有限公司，工程师。
一、引言KGPS中频感应加热电源，它是利用电磁感应原理来加热，即交变的电流，产生交变的磁场，交变的磁场会在导体中产生感应涡流，从而导致导体发热。
由于它是非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触，加热效率高，速度快，可实现局部加热等优点，因此广泛应用于熔化、淬火、热处理、焊接等领域。
诸多领域中，要应用到KGPS 中频感应加热电源，掌握一定的检修方法是很必要的，只有熟练掌握其工作原理和检修方法，才能根据故障现象，快速、准确地分析、判断、排除故障。
二、工作原理及组成KGPS中频电源装置的工作原理：利用晶闸管元件，采用三相桥式全控整流电路，将三相工频交流电整流为直流电，经电抗器平波后，成为一个恒定的直流电流源，再经单相逆变桥，把直流电流逆变成1000-8000赫兹的单相中频电流。
KGPS中频电源装置一般由主回路和控制电路两部分组成，主回路由断路器、整流器、直流电抗器、逆变器、电容与感应加热线圈等组成，主回路电气原理图见图一。
整流器采用三相桥式全控整流电路，包括6个快速熔断器、6个KP 型晶闸管。
逆变器采用由4个KK型晶闸管组成的单相全控桥式逆变电路。
负载由感应线圈和补偿电容器组成，负载联接方式主要有并联谐振和串联谐振两种。
控制电路一般采用数字电路，集成到一块印刷电路板上，可靠性好、使用方便。
三、常见故障现象及原因KGPS中频感应加热电源在使用过程中，经常会遇到各种各样的故障，以下列举了几种常见故障现象及处理措施。
项目五 中频感应加热电源的原理与检修
②30≤ α ≤150°° 当触发角α ≥30°时，此时的电压和电流波形断续，各个晶闸管的 导通角小于120°，α =60°的波形。
3）基本的物理量计算 ①整流输出电压的平均值计算：
当0°≤ α ≤30°时，此时电流波形连续，通过分析可得到：
载阻抗的影响。 4）当电路出现故障时，电路能自动停止直流功率输出，整流电
路必须有完善的过电压、过电流保护措施。 5）当逆变器运行失败时，能把储存在滤波器的能量通过整流电
路返回工频电网，保护逆变器。
（3）平波电抗器 平波电抗器在电路中起到很重要的作用,归纳为以下几点：
1）续流 保证逆变器可靠工作。 2）平波 使整流电路得到的直流电流比较滑。 3）电气隔离 它连接在整流和逆变电路之间起 到隔离作用。 4）限制电路电流的上升率di/dt值，逆变失败 时，保护晶闸管。
（4）控制电路 中频感应加热装置的控制电路比较复杂，可以包括以下几种：整流触发电路、
逆变触发电路、起动停止控制电路。 1）整流触发电路
整流触发电路主要是保证整流电路正常可靠工作，产生的触发脉冲必 须达到以下要求：
①产生相位互差60º的脉冲，依次触发整流桥的晶闸管。 ②触发脉冲的频率必须与电源电压的频率一致。 ③采用单脉冲时，脉冲的宽度应该大与90º，小于120º。采用双脉冲
3）起动、停止控制电路 起动、停止控制电路主要控制装置的起动、运行、停止。一般由 按纽、继电器、接触器等电器元件组成。
（5）保护电路 中频装置的晶闸管的过载能力较差，系统中必须有比较完善的保 护措施，比较常用的有阻容吸收装置和硒堆抑制电路内部过电压， 电感线圈、快速熔断器等元件限制电流变化率和过电流保护。 必须根据中频装置的特点，设计安装相应的保护电路。
中频感应加热电源的设计
中频感应加热电源的设计
1.电源输出功率和频率：根据加热要求确定电源的输出功率和频率。
输出功率一般由加热负荷大小决定，频率一般选择在1kHz~20kHz之间，
根据不同的加热要求进行调整。
2.电源结构设计：电源的结构设计主要包括整流、逆变、振荡等电路
的设计。
整流电路用于将交流电转换成直流电，逆变电路用于将直流电转
换成交流电，振荡电路用于产生中频振荡信号。
3.电源控制系统设计：电源控制系统主要包括开关控制电路、保护电
路和自动控制电路等。
开关控制电路用于控制电源的开关，保护电路用于
保护电源和负载不受损坏，自动控制电路用于实现加热功率的调节和温度
等参数的监测和控制。
4.效率和功率因数：设计中频感应加热电源时，需要考虑电源的效率
和功率因数，以提高电源的能量利用率和减少对电网的电能需求。
5.冷却系统设计：中频感应加热电源在工作过程中会产生大量的热量，需要通过冷却系统将热量排出，以保证电源的正常工作和寿命。
6.控制方式：中频感应加热电源的控制方式有手动控制和自动控制两种。
手动控制方式需要人工操作电源的开关和参数调节，自动控制方式通
过传感器和控制器实现对加热过程的自动控制。
7.安全性设计：中频感应加热电源设计中需要考虑安全性问题，包括
过载、短路、过流、过热等保护措施的设计，以及对电源和负载的绝缘和
接地等安全措施的实施。
综上所述，中频感应加热电源的设计需要考虑输出功率和频率、电源结构、电源控制系统、效率和功率因数、冷却系统、控制方式、安全性等方面的因素。
通过合理的设计和选择，可以提高电源的性能和工作效率，满足不同加热需求的要求。
中频感应加热电源工作原理
中频感应加热电源工作原理
中频感应
当通过导体环路所包围的磁通量发生变化时，环路中就会产生感应电势，同样，处于交变磁场中的导体，受电磁感应的作用也产生感应电势，在导体中形成感应电流（涡流），感应电流克服导体本身的电阻而产生焦耳热，用这一热量加热导体本身，使其升温、熔化，达到各种热加工的目的，这就是中频感应加热的原理。
中频感应加热优点
加热速度快
氧化脱炭少由于中频感应加热的原理为电磁感应，其热量在工件内自身产生，由于该加热方式升温速度快，所以氧化极少，加热效率高，工艺重复性好。
加热均匀。
中频感应加热电源 原理
中频感应加热电源原理中频感应加热电源是一种常用的加热设备，它利用中频电流的感应作用将电能转化为热能。
该电源的工作原理主要包括电源单元、谐振电路、功率变换单元和控制单元等几个关键部分。
电源单元是提供电能的装置，通常由三相交流电源和整流电路组成。
交流电源通过整流电路将交流电转化为直流电，然后进一步进行滤波，以保证电源稳定。
谐振电路是中频感应加热电源的核心部分，它由电容器和电感器组成。
谐振电路的作用是将直流电转化为中频交流电，并将其输出到功率变换单元。
功率变换单元主要由功率开关管和输出变压器组成，其作用是将中频交流电通过功率开关管的控制进行变换，使其达到所需的电压和电流。
功率开关管可以根据负载的变化来调整输出功率，从而实现对加热过程的控制。
输出变压器则是将电源提供的中频交流电转化为适用于加热设备的高电压和高电流。
控制单元是中频感应加热电源的智能化部分，它通过传感器实时监测加热过程中的温度、电流和电压等参数，并根据设定的加热要求进行调节。
控制单元可以实现加热功率的精确控制和加热时间的设定，从而提高加热效率和产品质量。
中频感应加热电源具有许多优点。
首先，它具有高效率和节能的特点。
由于中频电流只在工件表面产生感应加热效应，因此加热效率较高，可以减少能量的浪费。
其次，中频感应加热电源具有快速加热和均匀加热的特点。
由于电磁感应的作用，加热速度快且加热均匀，可以提高生产效率和产品质量。
此外，中频感应加热电源还具有操作简便、自动化程度高等特点，可以提高工作环境的安全性和操作的便利性。
中频感应加热电源广泛应用于金属加热、焊接和热处理等领域。
在金属加热方面，中频感应加热电源可以用于钢铁、铜、铝等金属材料的加热和熔炼。
在焊接方面，中频感应加热电源可以实现金属材料的局部加热，从而实现高效的焊接。
在热处理方面，中频感应加热电源可以用于金属材料的淬火、回火和退火等工艺，以改善材料的性能和延长使用寿命。
中频感应加热电源是一种高效、节能的加热设备，其工作原理简单明了。
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。
功率可调中频感应加热电源控制系统的设计
功率可调中频感应加热电源控制系统的设计中频感应加热电源是一种高效、节能和安全可靠的加热设备，被广泛应用于金属加热、淬火、硬化、熔炼等领域中。
其中，功率可调中频感应加热电源是一类集节能、可靠性、自动控制于一体的中频感应加热设备，可以根据不同需要实现功率的调整和控制。
本文提出一种基于单片机控制的功率可调中频感应加热电源控制系统的设计方案。
该方案主要包括硬件设计和软件设计两个方面。
硬件设计：1.电源电路设计：整个系统采用三相交流电源。
电源电路包括整流、滤波、逆变和输出控制等功能，通过滤波电容的设计，保证电源输出的稳定性和滤波效果。
2.中频谐振电路设计：中频感应加热电源需要产生一定频率的中频信号，用来激励感应加热线圈。
中频谐振电路可以采用LC谐振电路或者串/并联谐振电路，根据实际需要选择。
3.功率控制模块设计：采用功率芯片进行功率输出控制。
根据用户需求，可采用PID控制算法或者其他控制算法对输出功率进行控制。
4.保护电路设计：系统应包括短路保护、过流保护、过压保护等保护电路，以保证系统的稳定性和安全性。
软件设计：1.中频信号控制程序设计：根据实际需要，设计中频信号的输出和控制程序，通过控制中频信号的频率和幅值，实现功率的调整和控制。
2.功率控制算法设计：根据系统的实际需要，选择合适的功率控制算法，例如PID控制算法，通过调整算法参数，实现功率输出的控制。
3.保护程序设计：针对各种保护电路，编写保护程序，实时检测各项保护电路的工作状态，保证系统的安全稳定运行。
在实际工程应用中，中频感应加热电源控制系统设计还需要结合各种实际工况和用户需求，进行相应的优化和调整，以实现最优化的功率调节和控制效果。
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普传科技PI7800MF系列中频感应加热电源的应用
【前言】
普传科技股份有限公司根据冶金和石油行业特殊用途，基于公司产品研发战略，在成功开发冶金行业电磁搅拌器专用电源基础上，开发生产了新一代数字化控制高性能特殊电源——PI7800MF中频感应加热电源，主要应用领域有：金属熔炼、透热、钎焊、晶体生长、稀有金属加工及石油工业的感应电加热采油（稠油井的空心抽油杆电加热）、石油集输管道的感应加热等设备，还可以应用于集输管道加热和其它类型的中频电源相比，在结构、性能及可靠性方面，具有非常明显的优势，控制电路采用高性能专用32位DSP及大规模数字专用集成电路，IGBT/IPM功率器件，整流控制、逆变控制、功率调节、操作接口、保护等部分均集成在一块控制板上，调试、维护方便，可靠性提高，节能效果好。
在石油工业应用上，由于中频电源涡流感应加强,导致集肤效应更强,漏磁减少,因此电加热效果大大好于工频电源。
该设备可替代现有的工频加热电源，节能效果达到30%以上，大大地降低了采油生产能源的消耗。
本专用电源对电网没有污染，与同类产品相比，提高了电源的可靠性，减少了因停机造成的生产损失。
一、电源基本框图及原理
1.1 电路基本构成如下：
TI DSP
1.2 原理：中频加热电源主电路为AC-DC-AC变频结构，由整流电路、滤波、逆变电路和保护电路组成。
其工作原理是将三相50Hz工频交流电经过三相全控整流桥整流成电压可调的脉动直流，再通过电容将脉动的直流电滤波变成光滑平稳的直流电送到单相
逆变桥，最后通过逆变桥将直流电变成单相频率可调的中频交流电供给负载。
采用三
相全控桥式整流电路，它的输出电压调节范围大，而移相控制角的变化范围小，有利于系统的自动调节，输出电压的脉动频率较高，可以减轻直流滤波环节的负担。
逆变电路是由全控器件IGBT构成的串联谐振式逆变器：核心部分逆变器由大功率
IGBT半桥组成。
由锁相环控制工作频率，自动跟踪负载固有频率及其它参数的变化，保持IGBT工作在零电压开关状态，损耗小，安全区大。
由SPWM电路控制输出功率，由功率检测电路组成闭环控制。
电解电容Cd主要起滤波、稳定电压和改善功率因数的作用
二、性能特点
u采用32位美国德州仪器TI公司专用控制芯片DSP，控制系统性能增强，电路简化，负载适应性强。
实现电源控制的全数字化，智能化。
u采用先进的大功率绝缘栅双极性晶体管（IGBT）作为功率开关器件，逆变频率可调。
u具有相序自适应功能，无需鉴别进线相序。
u输出可进行恒功率、恒电压、恒电流控制。
u采用零压软启动,启动成功率高无冲击。
完全能够满足广大热加工行业用户的需求。
u采用扫描式零压启动方式和自动重复启动
电路，启动成功率可达100%。
采用中频电压作为
取样信号，无中频电流互感器，输出部分和负载的
连接不需区分极性。
u控制电路采用电压、电流双闭环系统，并
设有阻抗调节器，逆变角调节器，使电源的运行更
加稳定可靠。
u人机对话的显示界面，可通过键盘的选择
显示工作频率及电流，输出脉冲的占空比、电流变
比等，并可显示故障状态及原因，使显示更直观，
更易于操作。
显示与主控板共用一个线路板，排列
更紧凑，避免了信号传输过程中的干扰，工作更稳
定。
u保护功能齐全：具有过压、过流、缺相、
控制电源欠压、水压低等故障报警功能。
u输出电压、电流连续可调，可以使加热系统处于最佳工作状态，能源利用率高，节能效果明显恒输出电压/恒输出功率控制选择功能。
u高效节能，全功率范围内，极高的功率因数和电源效率。
三、主要技术参数及产品型谱
型号PI7800MF 输出功率范围60-700KVA
相数/电压/频率三相/380V-1140V/50Hz
输入电源
允许波动电压±15% 频率± 2%
工作频率在260-1500Hz之间任意设定
输出频率
精度1Hz
输出电压 300～3000V（根据变压器选定）
控制面板操作/远程操作、上位机
输出功率 60-700KVA
稳压精度0.5%
输入功率因数≥ 0.9
转换效率＞ 95% （电源本体）
显示运行频率、输出占空比、输出电流、故障代码等
保护功能短路、过压、欠压、缺相、过热、过流等
工作环境温度-200C—+400C
运行环境
相对湿度<90%RH 无凝霜
无导电、易燃、易蚀、易爆及损害绝缘气体的场合
*用户有特殊要求的，可个性化定做，具体尺寸、技术参数等以技术协议为准
四、应用举例1在稠油井抽油系统上的应用
【前言】在我国石油开采中，稠油井的比例占相当大一部分，这类井原油粘度高、凝固点高、密度大、含蜡量高，难以开采。
目前国内外开采这类油井的最广泛效果最好的采油工艺技术是稠油热采。
采用空心杆电加热工艺技术，使稠油变稀，可实现稠油的顺利开采。
以前的空心杆加热技术，采用工频加热，因负载为单相，需要有一个独立的变压器，将三相输入变为单相输出，造成三相电网的不平衡，功率因数低，电能消耗大，对电网的污染大，加热效果不明显，造成电能的极大浪费。
因此，需要探讨一种先进的加热方式，以提高功效，增强加热效果。
经过多方试验，采用现已掌握的较成熟的变频技术，为该加热装置提供一种新的变频电源—PI7800MF系列中频加热电源。
该设备可提供260——1500Hz的频率，实现了输出电压、电流的连续可调，以达到输出功率连续可调的目的，提高了加热效果。
目前已在胜利油田、辽河油田稠油加热，输油管道加热及油井井口加热，很受油田采油人员的欢迎。
应用感应加热法开采高粘度石油或为输油管线解除油路堵塞，目前,加热元件主要采用感应加热器和空心加热秆，前者为感性负载，后者为阻性负载。
PI7800MF系列油井采油中频感应加热电源通过DSP控制IPM/IGBT功率器件，实现功率和频率可调的中频电源输出。
它充分利用中频集肤效应、邻近效应和圆环效应原理，通过感应加热器和油管柱，使电能有效的转化为热能，从而达到油井降粘降稠、稳产高产的目的。
1、采用了先进的移相控制技术和软起动技术，使工作更可靠。
2、人机对话的显示界面，可通过键盘的选择显示工作频率及电流，输出脉冲的占空比、电流变比等，并可显示故障状态及原因，使显示更直观，更易于操作。
显示与主控板共用一个线路板，排列更紧凑，避免了信号传输过程中的干扰，工作更稳定。
3、输出部分采用环形中频变压器，用于隔离输入、输出电压，同时经电容组与控制柜输出相连接，起到隔直作用，防止由于直流偏磁或过励磁产生的磁饱和，同时可起到串联谐振的作用。
中频变压器为非晶钛材料，导磁率高，工作频率高，自身能量损耗极低，整机效率提高。
若频率再提高，其体积可做得更小，工作效率更高。
4、保护功能齐全。
设置了过流、短路、机内温升过高及过、欠压保护，功能更齐全，工作更可靠，避免了由于各种不正常因素而造成的损坏。
【应用效果】
产品面市以来，普传科技在胜利油田、辽河油田等几个稠油井分布的区域内成功运用了中频加热电源技术。
通过现场调整，结合加热电缆及功率，一般将频率调至500Hz-800Hz左右，比工频提高了10倍，根据功率调整电流，一般75kW的电源输出电流在80A左右，93kW的电源在100A左右，通过中频变压器，输出电压800V左右（串联输出电压： 500V、600V、700V、800V），其加热效果十分明显，较之工频加热：
1、功率因数明显提高，原工频加热，功率因数约在0.7左右，而用变频加热，经测试都在0.95以上。
2、减少了对电网的污染。
原工频加热，需三相变二相，造成变压器输入三相电压严重不平衡，对电网污染严重。
应用变频器以后，功率因数提高，谐波含量明显减少，减轻了对电网的污染。
3、加热效果明显。
根据集肤效应，频率提高后，负载所获得的能量提高，线路损耗也相应减少从而提高了加热效果。
据测试，变频加热可比工频加热提前1—2小时达到预定效果，而且温度也要高。
4、保护功能齐全。
原工频柜因无单片机控制，其保护功能差，往往由于负载的短路、断路及电压的不稳定，造成变压器烧毁、工作不稳定。
而变频电源柜由于DSP的控制，其保护功能齐全，避免了由于电网及负载的故障引起的问题，保证系统的稳定运行。
5、节能效果明显。
据测试，每台变频电源柜比相应的工频柜节电都在20%左右，有力的节约了电能，提高了工作效率，保证了加热系统的效果。
总之，变频加热是稠油热采的一次革命。
我国的稠油资源相当丰富，推广该技术，是采油行业节能减排和提高效率的有效途径。
2、普传科技中频感应加热电源在钢铁行业应用
实践中，在以下加工中很好地利用了中频感应加热技术。
铝壳炉体出钢
大型钢板加热感应器钢轨淬火
透热设备淬火。