感应加热设备的制作方法

文档序号:7390003阅读:301来源:国知局
专利名称:感应加热设备的制作方法
技术领域
本实用新型涉及工业热处理行业中的感应加热设备,具体地说是涉及一种 节电效率高的新型高频感应加热设备。
背景技术
在机械加工行业中,透热成型、表面热处理和钎焊是应用十分广泛的生产 工艺。早期传统工艺多采用氧乙炔焊、烧煤、烧油、烧气或电炉加热等手段。 生产环境恶劣,环境污染严重以及工件氧化层厚和生产效率低的现象是这种工 艺的不足之处。二十世纪六十年代中期,电子管式中频感应加热装置的问世, 较传统热处理工艺有了较大的进步。但是由于设备体积庞大,能耗大效率低, 操作维修安全性差以及低功率因数运行时对电网干扰严重等问题是制约这类感 应加热技术发展和应用的主要原因。到了二十世纪九十年代后期,随着国际经 济技术一体化发展格局的形成,应用科学技术的发展呈现出了空前的盛世,其 显著的特征之一是电力电子器件与技术有了新的突破。美国、日本、德国等发
达国家都曾使用双极型绝缘栅晶体管IGBT功率开关器件成功的开发出新型高频
感应加热设备,与老设备相比较,这类新设备具有能耗低、效率高、重量轻、
体积小、操作维修安全方便,运行功率因数高,对电网干扰小,调功范围大, 适应性强,信息技术与智能控制融为一体使控制保护电路简单可靠等优势。改 革开放政策吸引了众多的外商把机械加工业转移到国内,并在一些地区正在形 成支柱产业。为此,需要大量的高频感应加热设备,然而进口设备价格太高, 国内少数企业生产的高频感应加热设备供不应求。 发明内容
本实用新型的目的是提供一种节电效率高的新型感应加热设备。
为实现上述目的,本实用新型采用以下技术方案
本实用新型包括三相全桥整流电路,三相全桥整流电路的输出端与逆变电 路的输入端相连接,逆变电路的输出端与谐振回路相连接;所述的逆变电路与 脉宽调制器相连接,脉宽调制器与驱动电路相连,其特征在于在所述的谐振 回路中,输出变压器采用干式变压器。
上述的谐振回路为串联谐振回路。
上述的谐振回路为并联谐振回路。
上述的逆变电路包括全桥逆变电路。
上述的逆变电路包括半桥逆变电路。
上述的三相全桥整流电路与滤波电路相连接,滤波电路与调功电路相连, 调功电路与逆变电路相连接。
上述的调功电路主要由大功率晶体管构成,其集电极与滤波电路的输出端
相连,发射极与逆变电路的输入端相连;且在集电极与发射极之间设有二极管。 在三相全桥整流电路的输入端分别并联三个水泥电阻。
上述的逆变电路是由四个双极型绝缘栅晶体管构成,四个双极型绝缘栅晶 体管均放置在装有水的水盒上,所述的水盒内设有至少一个传感器;且所述的 水盒上涂有硅脂。
上述的脉宽调制器分别与过流保护电路、过热保护电路、欠水保护电路和 过压保护电路相连接。
采用上述技术方案的本实用新型,在谐振回路中,输出变压器采用干式变 压器,因而具有体积小,重量轻,可增加可靠性,使变压器输出功率得到大范 围的提高,效率大大的提高。采用进口原装西门子双极型绝缘栅晶体管IGBT功 率开关器件,以自适应控制和最优控制相结合的控制方案,实现频率自动跟踪, 使产品具有重量轻、体积小,价廉、安全、环保等特点,与老式感应加热方式 相比较,节能效果十分显著。另外,本实用新型具有调功功能和阻抗变换设置, 以适应不同工件,不同温度,不同功率的要求,并实现负载阻抗的最佳匹配; 具有宽范围频率自动跟踪功能,在负载变化时确保逆变谐振回路始终工作在谐 振状态,从而实现了运行功率因数高和对电网干扰小的目的;本实用新型设置 有过电压、过电流、过温度保护和缺水、缺相等保护功能与报警功能,同时, 本实用新型设置有对工件的加热、保温和冷却定时自动控制功能。此外,本实 用新型为全自动型高频加热设备,可实现全自动,半自动及手动转换三个功能, 并具有三个轻触式定时装置可完成定时加热,定时保温,定时冷却功能,并能 实现全自动循环。满足了生产自动化的要求,提高了企业生产自动化程度。


图l为本实用新型的原理框图2为本实用新型中实施例1的原理框图3为本实用新型中实施例1电路图的一部分;
图4为本实用新型中实施例1电路图的另一部分;
图5为本实用新型中实施例1电路图的最后一部分;
图6为本实用新型中实施例2的电路原理图7为本实用新型中实施例3的电路原理图8为本实用新型中实施例4的电路原理图9为本实用新型中实施例5的电路原理图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示,本实用新型包括三相全桥整流电路,在三相全桥整流电路的 输入端分别并联三个水泥电阻R101, R201, R301。三相全桥整流电路的输出端 与滤波电路的输入端相连接。滤波电路的输出端与逆变电路的输入端相连接, 逆变电路的输出端与串联谐振回路相连接,在串联谐振回路中,输出变压器采 用干式变压器。上述的逆变电路与脉宽调制器相连接,脉宽调制器与驱动电路 相连。上述的脉宽调制器分别与过流保护电路、过热保护电路、欠水保护电路 和过压保护电路相连接。上述的逆变电路为全桥逆变电路。
如图2、图3、图4、图5所示,三相交流电源经熔断器,空气开关再经交 流接触器常开触点电网电压直接引入三相全桥整流电路。由于本实用新型是大 功率用电设备,为防止开机瞬间冲击电流过大特在接触器三个触点处并接有大 功率三个水泥电阻RIOI, R201, R301对滤波电容进行预充电。三相全桥整流电 路DlOl, D201, D301, MOl, D501, D601及滤波电路的滤波电容C201, C301 将380V/50HZ的工频交流电转换成单相约510V的直流电压。电源进滤波电路的 作用为 一是为防止电网上的干扰信号对本机进行干扰;二是防止本机所产生 的高频干扰电网。逆变电路是由四个双极型绝缘栅晶体管IBGT管VIOI, V201, V301, V401构成,四个双极型绝缘栅晶体管VlOl, V201, V301, V401均放置在 装有水的水盒上,水盒内设有至少一个传感器,且水盒上涂有硅脂。直流滤过 后的510V的直流电压加在由4只IGBT管组成的单相逆变全桥的两个桥臂交点 上,桥臂的另两个交点串入LC串联谐振电路的电感线圈L101和槽路电容C101 上,上述的电感线圈LIOI即为匹配输出变压器的初级,匹配输出变压器的次级 为加热线圈L201,工件置于加热线圈L201内,由此构成干式变压器。
逆变电路中的四个双极型绝缘栅晶体管VIOI, V201, V301, V401分为两组, V101和V301为一组,V201和V401为另一组。当全逆变桥每组对称的两只IGBT 的栅射极间接入幅值相等,相位互补的脉冲信号后,桥臂上的4只IGBT将分两 组同时导通-〉截止-〉导通……产生振荡电压加在串联谐振LC电路上,输出经匹 配变压器降压加在加热线圈两端,工件因感生电流产生的涡流而被加热,发热 量根据焦耳-楞次定理可得
Q=I2Rt
Q:导体发热量;
I:通过导体的电流强度;
R:加热工件电阻; t:加热时间。
由于IGBT长期工作在导通,截止,导通,截止……反复循环的状态下,所 以会产生关断浪涌电压,既在关断瞬时流过IGBT的电流被切断时而产生的瞬态 电压,此电压极易损坏IGBT。故在设计电路时在IGBT集电极与发射极两端并接 有缓冲电路。上述的缓冲电路是指在4只IGBT上分别并联一个缓冲电容C401, C501, C601, C701。缓冲电路用于解决关断浪涌电压对IGBT的损害。缓冲电路 具有以下作用降低功率器件IGBT承受的冲击电压和电流;降低功率器件的能 耗;提高装置的过压,过流能力;降低dv/dt和di/dt,使之不超过器件所容许 的范围;软化续流二极管的反向恢复特性,降低反向恢复电流造成的危害。另 外,启动电阻R401, R501分别并联在IGBT管V101和V301的两端,启动电阻 R401, R501是为了使V201和V401在逆变过程中满足工作条件。
IGBT为大功率器件,故其发热量相当大,在设计电路时同样考虑到了对IGBT 工作温度的控制,采用水冷方式,将IGBT固定在通有水的水盒上,并涂有硅脂 使其均匀散热,并在水盒上同时装有温度传感器,当IGBT工作温度超过55。C时 发出过热报警,并停止机器工作,对IGBT起到了良好的保护作用。设有水压传 感装置,将水压规定在O. 15 0.2MPa范围内,使水冷却更合理,工作环境更安 全。
本实用新型还设有过流保护电路、过热保护电路、欠水保护电路和过压保 护电路。过电流保护霍尔环接于510V直流电源正端,主要由运放电路A101来 完成。当工作电流超过规定值时将发出过电流报警,并停止机器工作,此时控 制操作均无效,对机器起到了良好的保护作用。过热保护电路主要由A201来完 成;欠水保护电路主要由A301来完成;过压保护电路主要由A401来完成。过 热保护电路、欠水保护电路和过压保护电路均采用先进的高速比较器完成,且 均为本领域普通技术人员所熟知的技术。
如图2、图3、图4、图5所示,上述的脉宽调制器包括集成P丽控制器SG3525, 其与整形放大电路和频率跟踪电路相连接。本IGBT驱动信号由美国SG公司出 品的集成P丽控制器SG3525A产生,并由运算放大器A501等完成控制脉冲形成, 放大,调宽,振荡频率变化的频率自动跟踪,功率大小的调控。此脉宽调制器 是按反馈来调节脉宽的,在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流 的信号与误差放大器输出信号进行比较,使输出的电感峰值电流跟随误差电压 变化而变化。从而保证了脉冲占空比的调整。当工件几何尺寸的变化和加热过 程中随温度的升高而使槽路的固有频率发生变化时,控制电路能实现频率自动
跟踪,以保证电路始终在最佳的谐振状态下工作。
IGBT为栅极驱动型功率器件,对驱动电路要求较高。脉冲控制信号的幅值 选用15V。由于IGBT的开通和关断是通过栅极电路的充放电来实现的,因此栅 极电阻值将对IGBT的动态特性产生极大的影响。选用数值较小的电阻值使栅极 电容的充放电较快,从而减小开关时间和开关损耗,但与此同时,它只能承受 较小的栅极噪声,并导致栅极-发射极电容,同栅极驱动导线的寄生电感产生振 荡问题,故此电阻经过权衡选为4. 1 Q.为了保证IGBT可靠截止,低边选-5V, 同时为防止4个桥臂在振荡时直通,除要求两路脉冲信号严格互补外并留用一 定的死电压时间。
由于IGBT对栅极驱动要求较高故栅极布线必须将驱动器的输出级和IGBT 之间的寄生电感降至最低,采用双绞线将IGBT驱动端与驱动PCB板连接。为了 使IGBT工作更安全,同时主控板与驱动板之间的信号耦合还采用了共模抑制比 较高的光耦合器,用于隔离高边栅极驱动信号。
为了使IGBT更好工作于开关状态,对驱动电路还有以下特殊要求栅极驱 动电压脉冲的上升率和下降率要充分大;在功率IGBT导通后,栅极驱动电路提 供给IGBT的驱动电压和电流要具有足够的幅度;功率IGBT在关断过程中,栅 射极施加的反偏电压有利于IGBT的快速关断,但反向偏压受IGBT栅射极之间 最大耐压的限制,过大的反向电压亦会造成IGBT栅射极的反向击穿,所以反向 电压选为-5V;驱动电路与IGBT栅极发射极之间的连线要尽量短,并采用双绞 线连接。
本电路由SG3525, M0S数字模块,运算放大器等完成控制脉冲形成、放大、 调宽、振荡频率变化的频率自动跟踪,功率大小的调控及威胁电路安全的自动 保护。功率开关器件,匹配变压器功率,槽路电容等根据振荡功率和振荡频率 选用相应的器件参数。本机功率调节电路采用改变控制脉冲宽度的方法来实现 功率调节即P丽技术。
保护电路的基本设计思路是将被保护对象分成正常、超限两种状态,通过 比较器,晶体管开关电路等将两种状态变换成低电平、高电平的开关信号,以 与门逻辑关系进入SG3525第10脚,即保护脚,切断SG3525脉冲信号源,同时 切断主接触器线圈和接通声、光报警电路以达到报警保护之目的。本机除具有 过流,过热,缺水等保护护措施外还具有缺相保护及过压保护电路。缺相保护 的设计思想为将三相电压其中两相接于一小型变压器,并监测输出电压,当 电压不正常时。输出缺相保护信号。而将另一相用于控制变压器的供电,故此 三相电压中缺少任何一相,设备都不能工作,同时发出报警信号。
实施例2
如图6所示,本实用新型包括三相全桥整流电路,三相全桥整流电路的输
出端与滤波电路的输入端相连接。滤波电路与调功电路相连,调功电路与逆变 电路相连接。逆变电路的输出端与串联谐振回路相连接,在串联谐振回路中, 输出变压器采用干式变压器。上述的逆变电路与脉宽调制器相连接,脉宽调制 器与驱动电路相连。上述的脉宽调制器分别与过流保护电路、过热保护电路、 欠水保护电路和过压保护电路相连接。上述的逆变电路为全桥逆变电路。
上述的调功电路主要由大功率晶体管V501构成,其集电极与滤波电路的输 出端相连,发射极与逆变电路的输入端相连;且在集电极与发射极之间设有二 极管D701。
其它技术特征及四个保护电路与实施例1相同。 实施例3
如图7所示,本实用新型包括三相全桥整流电路,三相全桥整流电路的输 出端与滤波电路的输入端相连接。滤波电路与调功电路相连,调功电路与逆变 电路相连接。逆变电路的输出端与并联谐振回路相连接,在并联谐振回路中, 输出变压器采用干式变压器。上述的逆变电路与脉宽调制器相连接,脉宽调制 器与驱动电路相连。上述的脉宽调制器分别与过流保护电路、过热保护电路、 欠水保护电路和过压保护电路相连接。上述的逆变电路为全桥逆变电路。
上述的调功电路主要由大功率晶体管V501构成,其集电极与滤波电路的输
出端相连,发射极与逆变电路的输入端相连;且在集电极与发射极之间设有二 极管D701。
其它技术特征及四个保护电路与实施例1相同。 实施例4
如图8所示,本实用新型包括三相全桥整流电路,三相全桥整流电路的输 出端与滤波电路的输入端相连接。滤波电路的输出端与逆变电路的输入端相连 接,逆变电路的输出端与串联谐振回路相连接。在串联谐振回路中,输出变压 器采用干式变压器。另外,逆变电路采用半桥逆变电路,半桥逆变电路由两个 工GBT管VIOI, V201构成,VlOl, V201交替打开,从而产生高频逆变电流,高 频电流经过感应线圈L1产生磁场,使为于其中的工件发热,达到感应加热的目 的。上述的逆变电路与脉宽调制器相连接,脉宽调制器与驱动电路相连。上述 的脉宽调制器分别与过流保护电路、过热保护电路、欠水保护电路和过压保护 电路相连接。
其它技术特征及四个保护电路与实施例1相同。
实施例5
如图9所示,本实用新型包括三相全桥整流电路,三相全桥整流电路的输
出端与滤波电路的输入端相连接。滤波电路的输出端与逆变电路的输入端相连 接,逆变电路的输出端与串联谐振回路相连接。逆变电路采用半桥逆变电路,
半桥逆变电路由两个IGBT管V101, V201构成,VlOl, V201交替打开,从而产 生高频逆变电流,高频电流经过感应线圈L101产生磁场,使为于其中的工件发 热,达到感应加热的目的。在串联谐振回路中,输出采用感应线圈L101直接输 出,可以减少输出变压器,节省了损耗。上述的逆变电路与脉宽调制器相连接, 脉宽调制器与驱动电路相连。上述的脉宽调制器分别与过流保护电路、过热保 护电路、欠水保护电路和过压保护电路相连接。
其它技术特征及四个保护电路与实施例1相同。
权利要求1、一种感应加热设备,它包括三相全桥整流电路,三相全桥整流电路的输出端与逆变电路的输入端相连接,逆变电路的输出端与谐振回路相连接;所述的逆变电路与脉宽调制器相连接,脉宽调制器与驱动电路相连,其特征在于在所述的谐振回路中,输出变压器采用干式变压器。
2、 根据权利要求1所述的感应加热设备,其特征在于所述的谐振回路为 串联谐振回路。
3、 根据权利要求1所述的感应加热设备,其特征在于所述的谐振回路为 并联谐振回路。
4、 根据权利要求1所述的感应加热设备,其特征在于所述的逆变电路包 括全桥逆变电路。
5、 根据权利要求1所述的感应加热设备,其特征在于所述的逆变电路包 括半桥逆变电路。
6、 根据权利要求1或4所述的感应加热设备,其特征在于所述的三相全 桥整流电路与滤波电路相连接,滤波电路与调功电路相连,调功电路与逆变电 路相连接。
7、 根据权利要求6所述的感应加热设备,其特征在于所述的调功电路主要由大功率晶体管(V501)构成,其集电极与滤波电路的输出端相连,发射极 与逆变电路的输入端相连;且在集电极与发射极之间设有二极管(D701)。
8、 根据权利要求1所述的感应加热设备,其特征在于在所述三相全桥整 流电路的输入端分别并联三个水泥电阻(RIOI, R201, R301)。
9、 根据权利要求1所述的感应加热设备,其特征在于所述的逆变电路是 由四个双极型绝缘栅晶体管(V101 V401)构成,四个双极型绝缘栅晶体管(V101 V401)均放置在装有水的水盒上,所述的水盒内设有至少一个传感器; 且所述的水盒上涂有硅脂。
10、 根据权利要求1所述的感应加热设备,其特征在于所述的脉宽调制器分别与过流保护电路、过热保护电路、欠水保护电路和过压保护电路相连接。
专利摘要本实用新型公开了一种感应加热设备,它包括三相全桥整流电路,三相全桥整流电路的输出端与逆变电路的输入端相连接,逆变电路的输出端与谐振回路相连接;逆变电路与脉宽调制器相连接,脉宽调制器与驱动电路相连,在谐振回路中,输出变压器采用干式变压器。本实用新型,在谐振回路中,输出变压器采用干式变压器,因而具有体积小,重量轻,可增加可靠性,使变压器输出功率得到大范围的提高,效率大大的提高。采用进口原装西门子双极型绝缘栅晶体管IGBT功率开关器件,以自适应控制和最优控制相结合的控制方案,实现频率自动跟踪,使产品具有重量轻、体积小,价廉、安全、环保等特点,与老式感应加热方式相比较,节能效果十分显著。
文档编号H02M1/32GK201204714SQ20082007081
公开日2009年3月4日 申请日期2008年5月30日 优先权日2008年5月30日
发明者刘喜峰, 吴水江, 张蓓蓓, 李国霞, 李正民, 李进轩, 郭信生, 高俊山 申请人:郑州科创电子有限公司
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