电磁感应加热装置的研究
第一章绪论中国地砖十大品牌
1.1 课题研究的背景及意义
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在日常生活中，我们可见许多常用的加热方式，我们用木柴树叶烧火做饭，在冬天用木炭、取暖器、空调、暖气等取暖保温、用吹风机烤干头发或衣服，用电磁炉、微波炉烹饪各种特美食，工厂钢水保温和金属熔炼等等，这些都是加常见加热方式的应用，可以说我们的生活离不开加热源，它不仅给我们提供热源，更是推进社会前进的动力。随着科技的不断发展和进步，出现了的越来越多的加热源，如感应加热、太阳能等新能源加热、核子物理反应，化学反应放热等，这些都可以作为加热源应用于各种场合，但是我们可以说感应加热的应用范围，将更加的普及和方便，对人们生活带来更大的帮助。
新型能源由于技术还不够成熟，而且大部分只能用在特定的领域，开发研究成本相对较高，感应加热技术在不断发展和完善中。传统的加热方式大都是接触式的，而感应加热电源，属于非接触式加热，加热的线圈一般不直接和金属体相接触，是以利用感应透热和热传导的方式，通过金属器件间接加热物体。感应加热跟传统的加热源（煤、气、油、电阻丝等）相比，有相当大的优势，随着现在科技技术的发展，加热电源设备发展日益完善和成熟，工作的功率和频率不断提高，加热效率也相继高，加热质量可靠，易实现自动控制和调节[1]，具体特点和优势如表1-1所示。
采用传统的加热方式，容易产生工件报废，不易操作控制，加热效率较低，安全不易保证，损耗能源和
人力较大。生成实际中，除了购置成本、运营成本、检修维护成本外，还有一些无形成本难以估计的。现在社会能源紧缺，考虑到节能环保，降低成本方面，感应加热装置优势已非常明显，且其应用也日趋成熟和广泛了。目前我国的感应加热技术虽然在高频频段有一定的进步，但随着工业需求的不断提高，仍有许多技术问题待探讨和学习。在电源的最大工作频率、功率大小方面与与国外技术相比有一定的差距，最大功率仅有500KW，国外已有1000KW级别的感应加热电源[2]；国外电源全数字化控制不断发展，而我国的感应加热大部分还是纯模拟电路控制的，电源输入输出功率因数和工作效率都不高；我国感应加热技术在超音频频段以上，功率器件大部分采用的是MOSFET器件，而相对于IGBT而言，IGBT比MOSFET有更大的优势，将IGBT应用
于加热电源将有重要意义；最后在加热电源中，逆变控制部分是核心，研究对负载的频率跟踪和锁相技术，提高频率跟踪的准确性和快速性有重要意义。因此鉴于上文论述，研究高频率、大功率、高功率因数的的感应加热电源，将为设计更多电磁感应加热装置提供参考和借鉴意义，有很好的经济前景和理论研究作用。
表1-1 几种常用加热方式的对比
Table.1-1 The contrast of several common heating mode
1.2 课题研究的主要任务和内容
本课题的主要任务是在理论分析的基础上，分析电磁感应加热装置基本知识和设计方法，基于CD4046芯片，研究频率跟踪和锁相技术，提出并实现一种逆变电源自动跟踪负载谐振频率系统，保证电源基本工作在近软开关状态下，显著减小功率器件IGBT 的导通关断瞬间功率损耗，提高感应加热装置加热效率，并就控制系统的相位补偿、驱动信号死区时间、驱动电路等进行讨论，设计相关辅助电路，给出电路参数计算，最后进行了软件仿真和实物验证，为分析和设计逆变电源装置提供理论依据。具体内容如下：
(1) 介绍电磁感应加热的基本原理，对比其他传统加热的方式，总结了感应加热的优势和特点，概述了感应加热技术发展现状和趋势，其中详细介绍了电力电子器件的发展。
(2) 分析斩波电路、基本LRC串联型全桥拓扑、LRC并联型全桥拓扑结构，选择合适的电源拓扑结构对提高感应加热电源质量有重要影响；此外调功分为直流调功和逆变调功，功率调节也是感应加热系统一个重要环节，是电磁感应加热装置的一个重要性能参数。
(3) 分析和设计高频逆变电源频率跟踪方案。常用的频率跟踪方案有单纯的独立元件组成的电路、集成的模拟芯片、嵌入式的处理器、可编程的芯片等，本文结合实际选择技术成熟，研究成本划算的CD4046集成锁相环，设计频率跟踪系统，并结合单片机实现系统保护和其他辅助功能。
(4) 设计逆变电源系统辅助电路。包括功率IGBT 驱动及保护电路设计，基于单片机保护和控制电路，IGBT缓冲电路，USB数据采集卡监控系统，相位补偿电路，驱动信号死区形成电路，缓冲电路，过压过流保护等。
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(5) 进行电路仿真与实验结果分析。设计系统电路，使用Pspice、Proteus软件对主电路进行仿真，并将理论仿真结果与实物结果进行对比分析，提出改善意见和解决方案，完善装置功能。
1.3 感应加热电源的特点及原理
19世纪早期电磁感应这一物理现象就已被人们发现，当时引起了科学界的广泛关注。电磁感应现象本质是，当闭合线圈中有磁通量变化时，变化的磁场会在其周围形成蜗旋的电场，电路中自由电子受电场力作用运动，我们知道金属中自由电子定向运动就会形成电流，因此闭合电路会形成感应电流和感应电动势，简单的说就是闭合回路中变化的磁场形成涡旋电场，从而产生感应电流[3]。随着科技的发展和生产实际的需要，人们将这种原理应用于加热、金属及塑料熔炼、淬火、退火、焊接、热处理、机械制造、电子类等行业[4]，随之电磁感应加热设备和装置随即如雨后春笋般陆续出现，根据电磁感应的原理我们可知，将送入用户或者工厂的市电交流电源，接入感应加热电源后，电源线圈中就会有交变的磁通从而能产生感应电流（涡流），涡流会在金属器件表面产生
热效应[5]。感应加热电源是一个非常复杂系统，总的来说主要由整流电路、逆变器、控制及保护电路
镌三大部分组成。具体来说可以划分为整流部分、滤波部分、直流变换部分（DC/DC Converter）、逆变器部分、频率跟踪锁及电路保户部分等，电磁感应加热电源工作系统框图如图1-1所示。
图1-1 感应加热电源系统图
Fig.1-1 Induction heating power supply system diagram
一般情况下，通过电网接入用户或工厂的交流电电源，由于逆变部分需要直流工作电压，故需要经过整流电路变成直流电，再送入滤波电路部分过滤得到平滑直流电，根据调节功率的需求，在直流-直流变流电路部分改变电流值大小，逆变器把转换来的直流电变为同频率的交流电，此时负载感应线圈就
可以正常工作，整个感应加热电源工作过程基本如上所述。在电磁感应加热设备中，环形导体线圈是不会产生热量的，属于非接触式加热，导体线圈中磁场交替变化即会产生涡流效应，各种金属器件内的液体、气体、固体均可作为加热介质，加热金属器件受热较均匀，易于控制和调节其发热功率，安全可靠快捷，因此工业生产和人们实际生活中，感应加热装置已随处可见。
电磁感应加热的方式也有很多种类，在给储存大容量液体灌加热时（如电磁炉、金属熔炼炉），加热线圈和加热器件是隔开的，加热设备通入工频交流电源后，整个电源就开始工作，导体线圈会生成涡旋电场，电流的方向和磁场的方向符合右手定则，在电场作用下金属器件表面就会产生涡流，通过热传导作用器件内部液体温度就升高了。管线电磁加热（热水器、微波炉等），是将绝缘线圈按螺旋缠绕在金属管道上，加热原理其实都相似，通入工频交流电后，由涡流作用金属管壁产生了热效应，从而加热金属管道内部的液体。
图1-2 电磁感应加热原理图
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Fig.1-2 Electromagnetic induction heating principle diagram  电磁感应加热原理，如图1-2所示，在交变磁场中，金属体内产生涡流效应，电磁感应加热就是利用涡流焦耳热和磁滞损失作用，引起热效应[6]，产生大量的热量，来加热金属表面或整体部分，再通过其他介质加热金属内的物体，达到极热的目的，一般电网接入的交流电表达式为：
t m ωs i n
I =I                          (1.1) 感应线圈中，由于电流的交变变化，即会产生同频率大小的交变磁通Ø，故根据此原理我们可推知磁通表达式为，
Ø =t m ωϕsin                          (1.2)
式(1.1)中：m φ是最大交变磁通量，ω是电压角频率；则由dt d φε-
=得，线圈产生的感应电动势为，
t n m ωωφεcos =                        (1.3)
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式(1.2)中，n 是线圈的匝数；因此，感应电动势的有效值为
m m
n n E φωφω88.02==                    (1.4)
通过感应线圈将热量传递给金属，当交变磁场穿过金属体时，就会产生涡流。涡流大小与金属的导磁率μ、导电率ρ、截面积s 、长度l 及透入深度σ有关[3]。透入深度σ表达式为，
πμω
ρσ2=                          (1.5) 式(1.5)中，导电率ρ单位为欧姆*厘米；导磁率μ单位是亨/米；透入深度σ单位是

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