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电磁加热设备详解电源的输出功率应有的作用

文章出处:http://www.fsjxdz.com作者:江信电磁加热设备人气:发表时间:2020

电磁加热设备详解电源的输出功率应有的作用

 

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串联谐振2.5KW 锁相环追频ZVSMOSFET全桥逆变;磁芯变压器两档阻抗改换,水冷散热,市电自耦调压调功,母线过流维护。在开端制造之前,有必要清晰一些基础性原理及概念,这样才不至于一头雾水。

 

一、加热机制:

1.1涡流,只需是金属物体处于交变磁场中,都会产生涡流,强壮的高密度涡流能敏捷使工件升温。这个机制在所有电阻率不为无穷大的导体中均存在。

1.2感应环流,工件相当于一个短路的1匝线圈,与感应线圈构成一个空心变压器,由于电流比等于匝比的反比,工件上的电流是感应线圈中电流的N(匝数)倍,强壮的感应短路电流使工件敏捷升温。这个机制在任何导体中均存在,安稳磁通密度状况下,工件与磁场矢量正交的面积越大,工件上感生的电流越大,功率越高。由此可看出,大磁通切割面积的工件比小面积的工件更简单获得高温。

1.3磁畴冲突(在铁磁体内存在着无数个线度约为10-4m的原本已经磁化了的小区域,这些小区域叫磁畴),铁磁性物质的磁畴,在交变磁场的磁化与逆磁环作用下,剧烈冲突,产生高温。这个机制在铁磁性物质中占主导。

由此可看出,不同资料的工件,由于加热的机制不同,形成的加热作用也不一样。其中铁磁物质三中机制都占,加热作用好。铁磁质加热到居里点以上时,转为顺磁性,磁畴机制减退乃至消失。这时只能靠剩下两个机制持续加热。

 

当工件跳过居里点后,磁感应现 象削弱,线圈等效阻抗大幅下降,致使谐振回路电流增大。跳过居里点后,线圈电感量也跟着下降。LC回路的固有谐振频率会发作改动。致使固定鼓励方法的加热器失谐而形成设备损坏或功率大减。

 

二、为什么要选用谐振?应选用何种谐振?

 

2.1先回答个问题。我曾经认为只需往感应加热线圈中通入足够强的电流,就成一台感应加热设备了。也对此做了一个实验。

 

实验中确实有加热作用,可是远远没有到达电源的输出功率应有的作用。这是为什么呢,咱们来剖析一下,明显,关于固定的工件,加热作用与逆变器实践输出功率成正比。关于感应线圈,根本呈现纯感性,也就是其间的电流改动永久落后于两头电压的改动,也就是说电压到达峰值的时候,电流还未到达峰值,功率因数很低。咱们知道,功率等于电压波形与电流波形的重叠面积,而在电感中,电流与电压波形是错开一个角度的,这时的重叠面积很小,即使其中经过了巨大的电流,也是做无用功。这是假如单纯的计算P=UI,得到的只是无功功率。而关于电容,正好相反,其间的电流永久超前于电压改动。假如将电容与电感构成串联或并联谐振,一个超前,一个滞后,谐振时正好抵消掉。因此电容在这儿也叫功率补偿电容。这时从鼓励源来看,相当于向一个纯阻性负载供电-好文章-,电流波形与电压波形完全重合,输出大的有功功率。这就是为什么要采纳串(并)补偿电容构成谐振的首要原因。

 

2.2第二个问题,LC谐振有串联谐振和并联谐振,该选用什么结构呢。

 

说得直白一点,并联谐振回路,谐振电压等于鼓励源电压,而槽路(TANK)中的电流等于鼓励电流的Q倍。串联谐振回路的槽路电流等于鼓励源电流,而L,C两头的电压等于鼓励源电压的Q倍,各有千秋。

  从电路结构来看:

  关于恒压源鼓励(半桥,全桥),应该选用串联谐振回路,由于供电电压安稳,电流越大,输出功率也就越大,关于串联谐振电路,在谐振点时整个回路阻抗小,谐振电流也到达大值,输出大功率。串联谐振时,空载的回路Q值高,L,C两头电压较高,槽路电流白白浪费在回路电阻上,发热巨大。

  关于恒流源鼓励(如单管电路),应选用并联谐振,自在谐振时LC端电压很高,因此能获得很大功率。并联谐振有个很重要的优点,就是空载时回路电流小,发热功率也很小。值得一提的是,从实验作用来看,相同的谐振电容和加热线圈,相同的驱动功率,并联谐振合适加热体积较大的工件,串联谐振合适加热体积小的工件。

  三、 制造过程

明白了以上原理后,可以着手打造咱们的感应加热设备了。咱们制造的这个设备首要由调压整流电源、锁相环、死区时刻发作器、GDT电路、MOS桥、阻抗改换变压器、LC槽路以及散热体系几大部分组成。

  咱们再来对构成体系的原理图进行一些剖析,如下:

  槽路部分:

  C1C2C3L1以及T1的次(左侧)一起构成了一个串联谐振回路,由于变压器次存在漏感,回路的走线也存在散布电感,所以实践谐振频率要比单纯用C1-C3容量与L1电感量计算的谐振频率略低。图中L1实践上为1uH,我将漏感散布电感等加在里边所认为1.3uH,参数谐振频率为56.5KHz

从逆变桥输出的高频方波鼓励信号从J2-1输入,经过隔直电容C4及单刀双掷开关S1后进入T1的初,然后流经1:100电流

互感器后从J2-2回流进逆变桥。在这儿,C4单纯作为隔直电容,不参与谐振 ,因此应挑选容量足够大的无感无性电容,这儿选用CDE无感吸收电容1.7uF 400V五只并联以下降发热。

S1的作用为阻抗改换比切换,当开关打到上面触点时,变压器的匝比为 35:0.75,折合阻抗变比为2178:1;当开关打到下面触点时,变压器匝比为24:0.75,折合阻抗变比为1024:1。为何要设置这个阻抗变比切换,首要根据以下原因。(1)铁磁性工件的尺度决议了整个串联谐振回路的等效电阻,尺度越大,等效电阻越大。(2)回路空载和带载时等效电阻不同巨大,假如空载时变比过低,将形成逆变桥瞬间烧毁。

T2T1初作业电流的取样互感器,由于匝比为1:100,且负载电阻为100Ω,所以当电阻上电压为1V时对应T1初电流为1A。该互感器应有足够小的漏感且易于制造,宜选用铁氧体磁罐制造,如无磁罐也可用磁环代替。在调试电路时,可经过示波器检测J3两头电压的波形形状和起伏而了解电路的作业状况,频率,电流等参数,亦可作为过流维护的取样点。

J1端子输出谐振电容两头的电压信号,当电路谐振时,电容电压与T1次电压存在90°相位差,将这个信号送入后续的PLL锁相环,就可以自动调理时鼓励频率一直等于谐振频率。且相位安稳。

L1T1 线圈均选用紫铜管制造,作业中,线圈发热严重,有必要参加水冷措施以确保长时刻安全作业。为确保杰出的传输特性以及防止磁饱满,T1选用两个 EE85磁芯叠合运用,在绕制线圈时需先用木板做一个比磁芯舌截面稍微大点的模子,在上面绕制好后脱模。

 

PLL锁相环部分:

PLL是整个电路的中心,请自行查阅书籍或网络。 以U1五端单片开关电源芯片LM2576-adj为中心的斩波稳压开关电路为整个PLL板供给安稳的,功率微弱的电源。供给15V2A的安稳电压。由于选用15VVDD电源,芯片只能选用CD40xx系列的CMOS器件,74系列的不能在此电压下作业。

CD4046 锁相环芯片的内部VCO振动信号从4脚输出,一方面送到U2为中心的死区时刻发作器,用以驱动后电路。另一方面回馈到CD4046的鉴相器输入B端口3 脚。片内VCO的频率范围由R16R16W1C13的值一起决议,如图参数时,随着VCO控制电压0-15V改动,振动频率在20KHz- 80KHz之间改动。

从谐振槽路Vcap接口J1送进来的电压信号从J4接口输入PLL板,经过R14D2D3构成的钳位电路后,送入 CD4046的鉴相器输入A端口14脚。这儿要留意的是,Vcap电压的相位要倒相输入,才干形成负反馈。D2D3宜选用低结电容的检波管或开关管如 1N41481N60之类。

 

C7C12CD4046的电源退耦,旁路掉电源中的高频重量,使其安稳作业。

现在说说作业流程,咱们选用的是CD4046内的鉴相器1XOR异或门)。关于鉴相器1,当两个输人端信号UiUo的电平状况相异时(即一个高电平,一个为低电平),输出端信号UΨ为高电平;反之,UiUo电平状况相一起(即两个均为高,或均为低电平),UΨ输出为低电平。当UiUo的相位差Δφ在0°-180°范围内改动时,UΨ的脉冲宽度m亦随之改动,即占空比亦在改动。从比较器Ⅰ的输入和输出信号的波形可知,其输出信号的频率等于输入信号频率的两倍,并且与两个输入信号之间的中心频率坚持90°相移。从图中还可知,fout不一定是对称波形。对相位比较器Ⅰ,它要求UiUo的占空比均为50%(即方波),这样才干使锁定范围为大。

14脚与3脚之间的相位差发作改动时,2脚输出的脉宽也跟着改动,2脚的PWM信号经过U4为中心的有源低通滤波器后得到一个较为平滑的直流电平,将这个直流电平作为VCO的控制电压,就能形成负反馈,将VCO的输出信号与14脚的输入信号锁定为相同频率,固定相位差。

关于死区发作器,本电路中,以U2 CD40012输入端与非门和外围R8R8C10C11一起组成,利用了RC充放电的推迟时刻,将实时信号与推迟后的信号做与运算,得到一个合适的死区。死区时刻巨细由R8R8C10C11一起决议。如图参数,为1.6uS左右。在实践设计装置的时候,C10C11应运用68pF的瓷片电容与5-45pF的可调电容并联,以便利调整两组驱动波形的死区对称性。

关于输出,从死区时刻发作器输出的电平信号,仅有微弱的驱动能力,咱们有必要将其输出功率放大到一定程度才干有效地推动后续的GDT(门驱动变压器)部分,Q1-Q8构成了双性射跟随器,俗称图腾柱,将较高的输入阻抗改换为低的输出阻抗,合适驱动功率负载。 R10.R11为上拉电阻,增强CD4001输出的“1”电平的强度。有人会问设计两图腾是否多余,我开端也这么认为,实验时单用一 TIP41TIP42为图腾输出,测试后发现高电平平顶斜降带载后比较严重,剖析为此类型晶体管的hFE过低引起,增加前8050/8550推动后,平顶斜降消失。

GDT门驱动电路:

MOSFET的门驱动电路,选用GDT驱动的优点就是即使驱动出问题,也不可能呈现共态导通鼓励电平。

留适当的死区时刻,这个电路死区大到1.6uS。并且MOSFET开关敏捷,没有IGBT的拖尾,很难炸管。并且MOS的米勒效应小许多。

电路处于ZVS状况,管子2KW下作业根本不发热,热击穿不复存在。

PLL板输出的两路倒相驱动信号,从GDT板的J1J4接口输入,经过C1-C4隔直后送入脉冲阻隔变压器T1-T4R5R6的存在,下降了隔直电容与变压器初的振动Q值,起到削减过冲和振铃的作用。从脉冲变压器输出的±15V的浮地脉冲,经过R1-R4限流缓冲(延长对Cgs的充电时刻,减缓开通斜率)后,齐纳二管ZD1-ZD8对脉冲进行双向钳位,后经由J2J3J5J6端子输出到四个MOS管的GS。这儿由于关断期间为 -15V电压,即使有少量的电平抖动也不会使MOS管反常开通,形成共态导通。留意,J2J3用以驱动一个对角的MOS管,J5J6用于驱动另一个对角的mos管。 为了有效利用之前PLL板输出的功率以及减小驱动板高度,这儿选用4只脉冲变压器别离对4支管子进行驱动。脉冲变压器T1- T4均选用EE19磁芯,不开气隙,初次均用0.33mm漆包线绕制30T,为提高绕组间耐压起见,并未 选用双线并绕。而是先绕初,用耐高温胶带3 层缘后再绕次,选用密绕方法,留意图中+-号表示的同名端。C1-C4均选用CBB无性电容。其余按电路参数。

电源部分:

市电电压经过自耦调压器后从J2输入,经过B1全波整流后送入C1-C4进行滤波。为了在MOS桥开关期间,坚持母线电压安稳(恒压源),故没有参加滤波电感。C1C2为MKP电容,首要作用为全桥钳位过程期间的逆向突波吸收。整流滤波后的脉动直流从 J1输出。

全桥部分:

MOSFET桥电路结构比较简单,不再赘述。着重一下,各个MOS管的GSGDT板之间的引线,尽可能一样长,但应小于250px。有必要选用双绞线。MOS管的选取应遵从以下要求:开关时刻小于100nS、耐压高于500V、内部自带阻尼二管、电流大于 20A、耗散功率大于150W

四、散热体系

槽路部分的阻抗改换变压器次以及感应线圈部分,在满功率输出时,流经的电流到达500A之巨,假如没有强有力的冷却措施,将在短时刻内过热烧毁。

该体系宜选用水冷措施,利用铜管本身作为水流通路。泵选用隔膜泵,一是能自吸,二是压力高。电路选用的是国产普兰迪隔膜泵,输出压力到达0.6MPa,轻松在3mm内径的铜管中完成大流量水冷。

五、拼装

拼装留意GDT部分,输出端口的1脚接G2脚接S,双绞线长度小于250px

六、调试

该电路的调试比较简单,首要分以下几个过程进行。

 

PLL板整体功能检测。电路拼装好后,先断开高压电源,将PLLJP1跳线的2,3脚短路,使VCO输出固定频率的方波。然后用示波器别离检测四个MOS管的GS电压,看是否满足相位和起伏要求。对角的波形同相,同一臂的波形反相。起伏为±15V。假如此过程无问题,进行下一步。假如波形相位反常,检测双绞线连接是否有误。

 

死区时刻对称性调整。用示波器监测同一臂的两个MOSGS电压,调理PLLC10C11并联的可调电容,使两个MOSGS电压的高电平宽度根本共同即可。死区时刻差异过大的话,简单形成在振动的前几个周期内,就形成磁芯的累计偏磁而发作饱满炸管,隔直电容能减轻这一状况。

 

 VCO 中心频率调整。PLL环路中,VCO的中心频率在谐振频率附近时,能获得大的盯梢捕捉范围,因此有必要进行一个调整。槽路部分S1切换到上方触点,PLLJP1跳线的2,3脚短路,使VCO控制电压处于0.5VCCW2置于中点。经过自耦调压器将高压输入调理在30VAC。用万用表沟通电流档监测高压输入电流,一起用示波器监测槽路部分J3接口电压,缓慢调理PLL板的W1,使J3电压为规范正弦波。此时,电流表的示数也为大值。这时谐振频率与VCO中心频率根本相等。电流波形规范正弦波,与驱动波形滞后200nS左右。

 

安装电磁加热器的注意事项

 

其实,跟着电器的不断发展和技术创新,咱们在进行热量开发的时候都运用着不同的电器手段,包含不可再生资源、可再生资源开发、电路电阻器、红外线、电磁感应等等,而热水电磁加热器作为其间为高效,也是对环境友好程度高的方法,成为了现代民用加热和工业别热能转换为常见的。那么,面对种类丰富的热水电磁加热器,咱们在运用之前应该对其怎么装置需求注意什么问题。

 

先是热水电磁加热器发展过程中的加热方式分类,电阻加热在电磁之前是为常见的加热方式,它是以电流通过金属体进行热量的释放来完成加热的,其间,电阻丝加热、陶瓷制品加热、石英质地管状物加热为主,原理都是相同的;另外一个就是红外线加热,以电磁波作为传到中介进行的辐射加热,对被加热体产生共振、旋转,然后产生高能的热量。

在进行装置之前,咱们需求断定咱们对热水电磁加热器的功率需求。热水电磁加热器的热效能比传统电阻加热的热效能高得多,所以咱们只需求设定相较于电阻同等发热70%-80%功率就能够了。

 

通过对原有电阻式加热的加热圈拆卸就能够使得热水电磁加热器不再采用电阻加热的方式,而在加热圈外围包裹一层厚度在1.8公分-2.0公分的保温用的棉花层,再在外层加装一层直径在1mm左右的偏硬环氧树脂板,以完成对外观上的平坦修理,更好的发挥保温棉的成效。后,也是重要的环节,咱们需求选择耐高温的热水电磁加热器专用的电磁加热线(耐高温温度约在500摄氏度-600摄氏度之间),在管状料筒外围进行严密缠绕。

 

在完成对各个不同成效端口的线路搭建之后,整套热水电磁加热器就能够运用了,其保养和修理也能够依照这一步骤进行。

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此文关键字: 详解 电磁加热设备 电源

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