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1、第22卷第1期烟台大学学报(自然科学与工程版)Vo.l22No.12009年1月JournalofYantaiUniversity(NaturalScienceandEngineeringEdition)Jan.2009文章编号:10048820(2009)01004204基于单片机的高频感应加热电源1,234何全民,杨淑连,王生德(1.海军航空工程学院电子工程系,山东烟台264001;2.烟台职业学院汽车工程系,山东烟台264670;3.山东理工大学电子与电气工程学院,山东淄博255049;4.郑州大学信息工程学
2、院,河南郑州450052)摘要:针对微小工件表面淬火中,要求感应加热电源频率高、功率大的特点,研制了由快速V-MOS场效应管、高速锁相环MM74HC4046及单片机等组成的频率为1MHz、输出功率为5kW的新一代感应加热逆变电源.该电源通过采用高速锁相环实现了频率的自动跟踪,通过单片机对整流部分的最佳控制,在保证设备稳定可靠的条件下,实现了最大功率调节.对样机的实验结果表明:该电源工作稳定、性能良好,达到了设计要求.关键词:晶闸管;整流;逆变;感应加热中图分类号:TM924.5文献标识码:A感应加热具有加热速度
3、快、热效率高、适用于1系统总体结构局部加热、产品质量好、无环境污染、易于实现生主电路由三相桥式全控整流电路提供可调直产自动化等优点.其功率密度在被加热工件内的流电压,经大电抗滤波后供给单相逆变桥作振荡分布可方便地通过频率的选择和感应圈的合理设电源,负载电路采用纯并联结构,如图1所示.计而得到.目前,感应加热技术已广泛应用于金属熔炼、铸造、焊接、热处理、热锻造等热加工工[1]艺.对于小型工件的表面热处理或超小型小工件的加工和焊接,则要求功率更加集中、输出频率更高,但是频率提高受到器件自身开关速度和技术工艺的限制.提高感应加热
4、的功率和频率,一直[2,3]是感应加热领域研究的重点与难点.目前,频率高于数百千赫兹、功率大于数千瓦的感应加热电源,多采用真空电子管去实现.而电子管不仅体积庞大、使用寿命短,而且转换效率低.一般情况下,在工作过程中需要操作工人适时调整逆变角,这不但增加了操作的复杂性,效果也不很理想.我们利用单片机设计的用于表面淬火的新一代高频电源,充分利用其软、硬件的超强功能,通过对整图1系统结构图流、逆变的最佳调节,实现了恒功率输出.实验结Fig.1Schematicdiagramofthesystem果表明,研制的样机达到了设计要求
5、.收稿日期:20080603基金项目:国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2007AA05Z451).作者简介:何全民(1958),男,山东聊城人,副教授,硕士,主要从事机电一体化和数控方面研究.第1期何全民,等:基于单片机的高频感应加热电源43为了适应高频率的要求,采用高速场效应管;位比较,当相位差为零时,鉴相器输出的平均电压由于单管电流有限,为了提高电源输出功率,用6为零,相位差为180时,输出电压为5V,输出电只高速场效应管并联作为一个单元组成H桥电压与相位差成线性变化,如图3所示.当锁相环
6、的路.输出方波与谐振电流不同相时,鉴相器的输出就存在一定占空比的脉冲,该脉冲由环路低频滤波2逆变控制电路器R3、C2滤波,得到直流电压调制VCO的输出频率.如果没有其他控制信号,VCO的输出信号将感应加热电源的谐振频率受负载影响很大,要得到最佳的加热效果,频率必须自动跟踪.对于与谐振电流保持同步.高达兆赫兹的频率,传统的控制方法是难以实现[4,5]的.本设计采用高速锁相环MM74HC4046,最高频率可以做到10MHz以上,扫频范围宽,并能实现频率自动跟踪和相位调节.由MM74HC4046锁相环组成的频率控制、相位调节电路
7、如图2所示.首先根据高频感应加热电源可能的负载,确定频率覆盖范围,找出中心频率和扫频范围,C1、R1的数决定扫频范围,R2决定扫频的中心频率.从串联谐振支路通过电流互感器检测出负载正弦电流,经整形电路整形,得到图3相位比较器输入相位差与输出电压的响应特性Fig.3Outputvoltageresponsetotheinputphasedifference与正弦电流同相位的方波加在锁相环的同步端,ofthephasecomparator锁相环的输出信号经分频器分频后加于相位比较端.两信号在锁相环内部鉴频器的输入端进行相3
8、整流控制电路整流控制电路的任务是根据各种输入信号发出相位合适的脉冲,以便输出合适的直流电压.根据图1所示的系统结构图,通过对主回路的三相全控整流桥的控制,即对三相全控桥的6个晶闸管导通角的控制,实现对负载功率的控制.本系统采用电流电压双闭环,其中电流为内环,电压为外环的控制方式,如图4所示
