電磁爐設(shè)計(jì)開題報(bào)告與文獻(xiàn)綜述

1、<p>　　綜述本課題國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義</p><p>　　隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求日益增加，如何實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為世界各國(guó)必須解決的問題?；诔Ｒ?guī)能源枯竭和環(huán)境保護(hù)的考慮，目前世界各國(guó)都已經(jīng)把開發(fā)新能源和利用可再生能源作為未來能源發(fā)展的方向。近年來，國(guó)際油價(jià)急速飚升，使中國(guó)各行各業(yè)的燃料消耗成本越來越大，國(guó)家節(jié)能減排、綜合管理整治工作也深入開展，綠色、節(jié)

2、能、環(huán)保型產(chǎn)品將逐漸成為大勢(shì)所趨，而電磁爐的優(yōu)點(diǎn)最為突出：</p><p>　　1、清潔:無煙、無明火、不產(chǎn)生廢氣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。</p><p>　　2、使用方便:體積小,移動(dòng)方便,便于攜帶。</p><p>　　3、多功能性:功能齊全,蒸、煮、煎、炸、燉、涮、定時(shí)保溫全有。</p><p>　　4、經(jīng)濟(jì): 加熱速度快、加熱效率高整機(jī)效率可以達(dá)

3、到90％左右。</p><p>　　5、安全:全塑外封, 非接觸式加熱，無漏電，防水性，安全可靠。</p><p>　　6、適用各種場(chǎng)所:特別是禁火場(chǎng)所，因?yàn)橥姇r(shí)不產(chǎn)生明火,無高溫。</p><p>　　近年來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的研究主要分成兩個(gè)方向，一方面是以逆變?yōu)橹行?，研究串?lián)諧振與并聯(lián)諧振在感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)中應(yīng)用的各自特點(diǎn)及注意事項(xiàng)；另一方面重點(diǎn)則

4、是放在加熱線圈及加熱工件間能量轉(zhuǎn)移與功率消耗，這部分主要是以有限元分析法建模來探討；另外也一直在高頻、大功率、高可靠性的感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)中做更近一步的研究。由于使用中、高頻電流來做金屬熱處理或其他材料加工呈現(xiàn)急劇的增加，其應(yīng)用范圍如：表面硬化、銅釬焊接及熔化等。</p><p>　　一般家用電磁爐采用傳統(tǒng)的單管自激式電路，在額定工作電壓為220V，當(dāng)輸出功率達(dá)到2000W以上時(shí)就會(huì)遇到困難。這是由于IGBT在高輸

5、出功率時(shí)受能效問題，及電磁輻射問題所困擾。要解決這一問題，通常是采用兩只IGBT并聯(lián)，以達(dá)到目的。</p><p>　　而基于半橋串聯(lián)諧振電容設(shè)計(jì)的電磁爐，主要缺點(diǎn)是功率因數(shù)低、穩(wěn)定性差。逆變主回路上的功率因素低，大量電能損耗在電容和電感上，同時(shí)由于電壓和電流的相位差會(huì)電網(wǎng)產(chǎn)生較嚴(yán)重的影響，產(chǎn)生諧波污染。逆變電路的大電流和多次諧波極大地影響了IGBT的正常運(yùn)行，大電流導(dǎo)致其發(fā)熱嚴(yán)重，多次諧波的影響容易導(dǎo)致其短路。

6、</p><p>　　通常，電磁爐的輸出功率是可以調(diào)節(jié)的，最常見的是采用PWM方式來調(diào)低輸出功率。但這樣存在難以實(shí)現(xiàn)IGBT工作電流過零關(guān)斷的目標(biāo)。所以，關(guān)斷損耗就成了產(chǎn)品技術(shù)的主要矛盾。與單管自激式電路一樣，在低功率工作時(shí)的電磁爐，其能效值會(huì)急劇下降。為了妥善地解決這問題，通?？煽紤]采用PAM方式來調(diào)節(jié)功率大小，實(shí)現(xiàn)IGBT在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)均于零電流狀態(tài)。當(dāng)然，這會(huì)增加電路的復(fù)雜性，同時(shí)會(huì)增加成本。</p&

7、gt;<p>　　本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)諧振電路能夠在同頻率下實(shí)現(xiàn)大功率輸出(如20kHz/40kW) ,運(yùn)用PI調(diào)節(jié)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)PWM直流斬波功率調(diào)節(jié)電路,能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)調(diào)功，通過鎖相頻率跟蹤，使得逆變器工作在容性諧振狀態(tài)，從而降低開關(guān)損耗并保證逆變器的運(yùn)行安全。</p><p><b>　　并聯(lián)諧振電路圖</b></p><p>　　二、研究的基本內(nèi)容，擬解決

8、的主要問題：</p><p>　　串、并聯(lián)諧振型逆變器的區(qū)別；</p><p>　　并聯(lián)諧振型逆變器的工作原理及特點(diǎn)；</p><p>　　并聯(lián)諧振型逆變器的調(diào)功方法；</p><p>　　并聯(lián)諧振型逆變器的頻率跟蹤；</p><p>　　并聯(lián)諧振型逆變器的控制電路設(shè)計(jì)；</p><p>　　并

9、聯(lián)諧振型逆變器的電路仿真；</p><p>　　研究步驟、方法及措施：</p><p>　　第1-4周——查閱資料，閱讀文獻(xiàn)</p><p>　　根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目要求，閱讀并聯(lián)諧振型逆變器方面的文獻(xiàn)，對(duì)其組成部分、工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域等有一個(gè)大體了解。針對(duì)其研究方向進(jìn)一步查閱資料，確定研究對(duì)象的可行性。完成開題報(bào)告。</p><p>　　第5

10、-8周——建立模型，設(shè)計(jì)電路</p><p>　　鑒于前四周的準(zhǔn)備工作，熟悉并聯(lián)諧振型逆變器的電路基本原理、工作步驟，分析比較其優(yōu)點(diǎn)和不足，并學(xué)習(xí)參數(shù)計(jì)算方法。設(shè)計(jì)硬件電路圖與軟件流程圖，歸納解決主要問題等。</p><p>　　第9-12周——算法研究，仿真實(shí)驗(yàn)</p><p>　　結(jié)合相關(guān)知識(shí)，對(duì)聯(lián)諧振型逆變器進(jìn)一步分析研究，運(yùn)用相關(guān)軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行模擬仿真，

11、進(jìn)行電路優(yōu)化。</p><p>　　第13-16周——軟件設(shè)計(jì)，電路調(diào)試</p><p>　　學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)軟件及編程語(yǔ)言，將理論上的功能換成能夠識(shí)別的語(yǔ)言代碼，實(shí)現(xiàn)電氣化控制，從而能夠更為明了測(cè)試設(shè)計(jì)電路，以對(duì)其不足提出改進(jìn)。</p><p>　　第17-18周——整理數(shù)據(jù)，撰寫論文</p><p>　　總結(jié)前十六周所做的工作，按照規(guī)范要求撰寫

12、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。</p><p><b>　　四、研究工作進(jìn)度：</b></p><p>　　第一周：通過查閱資料，了解并聯(lián)諧振型逆變器以及電磁爐。</p><p>　　第二周：閱讀并聯(lián)諧振型逆變器原理及應(yīng)用的相關(guān)資料，掌握相關(guān)的知識(shí)以及方法，重點(diǎn)掌握電磁爐原理及設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　第三周：翻譯英文資料。學(xué)習(xí)相

13、關(guān)應(yīng)用軟件。</p><p>　　第四周：初步構(gòu)建硬件電路。</p><p>　　從下周起，開始搜集相關(guān)內(nèi)容的資料，整理思路，設(shè)計(jì)硬件電路繪制原理圖，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，最后認(rèn)真撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，準(zhǔn)備答辯。</p><p><b>　　主要參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　1. 王兆安 電力電子技

14、術(shù)第4版 機(jī)械工業(yè)出版社 2003</p><p>　　2. 康華光 電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社 2001</p><p>　　3. 張立 現(xiàn)代電力電子技術(shù)第l版 科學(xué)出版社 1992</p><p>　　4. 劉勝利 現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù) 電子工業(yè)出版社 200l</p&

15、gt;<p>　　5. 李杭軍 串并聯(lián)諧振逆變器的設(shè)計(jì) 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào) 2007</p><p>　　6. 周艷瓊 電磁爐工作原理 家電檢修技術(shù) 2001</p><p>　　7. 黃采倫 IGBT驅(qū)動(dòng)模塊及其應(yīng)用 國(guó)外電子元器件 1999</p><p>　　8. 易映萍 IGBT的驅(qū)

16、動(dòng)與保護(hù) 儀表技術(shù) 1999</p><p>　　9.伍炎軍 對(duì)中國(guó)電磁爐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考 電器制造商 2003</p><p>　　10.康明 并聯(lián)諧振感應(yīng)加熱逆變器控制方法的設(shè)計(jì) 現(xiàn)代電子技術(shù) 2006</p><p>　　11.胡雪峰 IGBT 集成驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊的分析比較與選用

17、 機(jī)床電器 2004</p><p>　　12.楊永輝 并聯(lián)諧振感應(yīng)加熱逆變器控制方法的設(shè)計(jì) 現(xiàn)代電子技術(shù) 2006</p><p>　　13.曲學(xué)基 IGBT及其集成控制器在電力電子裝置中的應(yīng)用 電子工業(yè)出版社 2010</p><p>　　14. Richard Boner

18、t Simple Staning Scheme for a Parallel Resonance Inverter for induction Heating IEEE TR ANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS 1994</p><p>　　15.George Chryssis High Frequency Switching Pow

19、er Supplies:Theory and Desogn New York:Mcgraw Hill Book Company 1984</p><p><b>　　六、指導(dǎo)教師意見</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師簽字： </b></p><p><b>　　年 月 日<

20、/b></p><p>　　系級(jí)教學(xué)單位審核意見：</p><p>　　審查結(jié)果： □ 通過 □ 完善后通過 □ 未通過</p><p><b>　　負(fù)責(zé)人簽字：</b></p><p><b>　　年 月 日</b></p><p><b>　　

21、一、課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀</b></p><p>　　近年來，國(guó)內(nèi)外針對(duì)電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的研究主要分成兩個(gè)方向，一方面是以逆變?yōu)橹行模芯看?lián)諧振與并聯(lián)諧振在感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)中應(yīng)用的各自特點(diǎn)及注意事項(xiàng)；另一方面重點(diǎn)則是放在加熱線圈及加熱工件間能量轉(zhuǎn)移與功率消耗，這部分主要是以有限元分析法建模來探討；另外也一直在高頻、大功率、高可靠性的感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)中做更近一步的研究。由于使用中、高頻電流來做金屬熱處理或其

22、他材料加工呈現(xiàn)急劇的增加，其應(yīng)用范圍如：表面硬化、銅釬焊接及熔化等。</p><p>　　和國(guó)外情況相比，國(guó)內(nèi)還有不少差距。在控制技術(shù)手段上，國(guó)外大量采用集成電路，數(shù)字顯示，微機(jī)控制，國(guó)內(nèi)則大部分是分立元件和繼電器控制，只有少部分采用集成電路控制，采用微機(jī)控制的則更少。在工作頻率上，國(guó)外基本沒有空白，可滿足不同用戶的要求，而國(guó)內(nèi)10kHz-100kHz基本屬于空白，100kHz以上以電子管式為主。在生產(chǎn)手段上，國(guó)

23、外一般采取標(biāo)準(zhǔn)化大規(guī)模生產(chǎn)，而國(guó)內(nèi)仍處于手工業(yè)作坊階段，工藝落后，外觀質(zhì)量差。</p><p>　　感應(yīng)加熱技術(shù)是20世紀(jì)初才開始應(yīng)用于工業(yè)部門的，由于感應(yīng)加熱具有加熱速度快、物料內(nèi)部發(fā)熱和熱效率高、加熱均勻且具有選擇性、產(chǎn)品質(zhì)量好、幾乎無環(huán)境污染、可控性好及易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此得到了迅速發(fā)展。近年以來，感應(yīng)加熱技術(shù)在民用家電領(lǐng)域更是得到驚人的發(fā)展，其代表產(chǎn)品電磁爐已進(jìn)入市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。</p

24、><p><b>　　研究主要成果 </b></p><p>　　感應(yīng)加熱電源頻率可分為三個(gè)等級(jí)：500Hz以下為低頻，1—10kHz為中頻，20～100kHz為超音頻，100kHz以上為高頻。中頻多用晶閘管但也有用IGBT，迄今國(guó)外晶閘管中頻感應(yīng)加熱電源的最大容量己達(dá)上兆瓦級(jí)別，而國(guó)內(nèi)也有200Hz到8kHz、功率為100到3000kW的生產(chǎn)能力；</p>

25、<p>　　1993年西班牙報(bào)道了30～600kW/50-100kW的感應(yīng)加熱電源，1994年日本采用IGBT研制了1200kW/50kHz的并聯(lián)型感應(yīng)加熱電源，從90年代初國(guó)內(nèi)開始采用IGBT研制超音頻電源，浙江大學(xué)研制開發(fā)的50kW/50kHz的IGBT超音頻電源已經(jīng)通過浙江省技術(shù)鑒定，2003年浙江大學(xué)三伊公司研制成功了100kW/100kHz的IGBT固體電源；日本公司在80年代末還采用SIT研制的電源水平達(dá)到100

26、kW/200kHz，400kW/400kHz，國(guó)內(nèi)1996年天津高頻設(shè)備廠和天津大學(xué)聯(lián)合研制開發(fā)出75kW/200kHz的SIT感應(yīng)加熱電源，比利時(shí)公司生產(chǎn)的電流型MOSFET感應(yīng)加熱電源可達(dá)1000kW/15～600kHz，美國(guó)、西班牙和德國(guó)采用MOSFET的電流型感應(yīng)加熱電源制造水平分別達(dá)600kW/400kHz，480kW/50～200kHz，目前國(guó)外最大容量已達(dá)幾十兆瓦，國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)在90年代研制成功了20kw/300kHz的M

27、OSFET高頻電源。國(guó)內(nèi)目前MOSFET電源制造水平為400kW/500kHz。</p><p><b>　　發(fā)展趨勢(shì)： </b></p><p>　　今后，高頻感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：</p><p>　　第一：大功率、高頻率。隨著半導(dǎo)體功率器件MOSFET、IGBT、MCT、IGCT等的發(fā)展，將來高頻感應(yīng)加熱電源必將朝著大

28、功率和高頻率相統(tǒng)一的方向發(fā)展。</p><p>　　第二：低損耗、高功率因數(shù)。隨著功率器件的發(fā)展，再加上驅(qū)動(dòng)電路的不斷完善和優(yōu)化，使得整個(gè)裝置的損耗明顯降低。隨著對(duì)電網(wǎng)無功要求的提高，具有高功率因數(shù)的電源是今后的發(fā)展趨勢(shì)。</p><p>　　第三：智能化、復(fù)合化。隨著感應(yīng)加熱生產(chǎn)線自動(dòng)化控制程度及對(duì)電源可靠性要求的提高，高頻感應(yīng)加熱電源正向自動(dòng)化控制方向發(fā)展，具有計(jì)算機(jī)智能接口的全數(shù)字化

29、高頻感應(yīng)加熱電源成為下一代發(fā)展目標(biāo)。</p><p>　　第四：大容量化。從電路的角度來考慮感應(yīng)加熱電源的大容量化，可將大容量化技術(shù)分為二大類：一類是器件的串、并聯(lián)，另一類是多臺(tái)電源的串、并聯(lián)：在器件的串、并聯(lián)方式中，必須認(rèn)真處理串聯(lián)器件的均壓?jiǎn)栴}和并聯(lián)器件的均流問題，由于器件制造工藝和參數(shù)的離散性、限制了器件的串、并聯(lián)數(shù)目，且串、并聯(lián)數(shù)越多，裝置的可靠性越差：多臺(tái)電源的串、并聯(lián)技術(shù)是在器件串、并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一

30、步大容量化的有效手段，借助于可靠的電源串、并聯(lián)技術(shù)，在單機(jī)容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可簡(jiǎn)單地通過串、并聯(lián)運(yùn)行方式得到大容量裝置，每臺(tái)單機(jī)只是裝置的一個(gè)單元或一個(gè)模塊。</p><p><b>　　四、存在問題</b></p><p>　　(1)電路方案、參數(shù)設(shè)計(jì)及控制軟件設(shè)計(jì)·</p><p>　　分析電磁爐工作原理，選用的逆變電路形式，根據(jù)

31、電路形式設(shè)計(jì)電路中各參數(shù)，包括IGBT的選型，諧振電感、電容的設(shè)計(jì)；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)IGBT硬件重疊區(qū)電路和智能保護(hù)電路，保護(hù)開關(guān)器件。設(shè)計(jì)控制軟件，功率控制模塊軟件。</p><p>　　(2)IGBT驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　研究IGBT特性及功耗計(jì)算，一般驅(qū)動(dòng)電路中應(yīng)注意的參數(shù)和柵極電阻的選取，重點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路，并通過仿真驗(yàn)證可行性。</p><p&

32、gt;　　(3)動(dòng)態(tài)負(fù)載模型的研究</p><p>　　分析感應(yīng)加熱的基本原理，研究基于變壓器的負(fù)載模型，基于網(wǎng)絡(luò)阻抗的動(dòng)態(tài)的負(fù)載模型，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和軟件仿真，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。 </p><p><b>　　五、主要參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　1. 劉勝利 現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實(shí)用技術(shù) 電子工業(yè)出版社 200l</p&g

33、t;<p>　　2. 周艷瓊 電磁爐工作原理 家電檢修技術(shù) 2001</p><p>　　3. 易映萍 IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù) 儀表技術(shù) 1999</p><p>　　4. 黃采倫 IGBT驅(qū)動(dòng)模塊及其應(yīng)用 國(guó)外電子元器件 1999</p><p>　　5. 曲學(xué)基