关于电磁感应加热系统的开发

1万 · 2019-2-14 15:22

关于电磁感应加热系统的开发

电磁感应加热最广泛的应用就是电磁炉了

1万 · 2019-2-14 15:23

随着工业的发展，塑料制品得到了越来越广泛的应用。在塑料加工行业中，注塑机
是一种进行塑料加工成型的重要设备。随着消费者对塑料制品要求的提高，注塑机也在
不断的发展变化。高效能、高精度、大功率、智能化是注塑机未来的发展趋势。
目前注塑机加热系统主要有传统电阻式加热和电磁加热两种。电阻式加热效率低下
且寿命短，而目前市场上注塑机电磁加热系统性能参差不齐，多半采用电磁炉的原理进
行设计，导致感应加热系统稳定性差、效率低和返修率高等问题。本课题的主要目的
是设计一种稳定可靠的注塑机感应加热系统，以满足市场的需求，推动感应加热技术
在塑料加工行业的应用。
本文首先对感应加热原理进行介绍，分析感应加热在注塑机上的应用优势。其次
对串联谐振型逆变结构和并联谐振型逆变结构进行理论分析和对比，对各种功率调节
方式进行介绍，最终选择了串联谐振型逆变结构和移相PWM调功方式，并给出了注塑
机感应加热系统的整体设计方案。
在感应加热系统设计中，本文介绍了系统中的核心芯片，并对温度采集与处理电
路、锁相环电路、移相控制电路、IGBT驱动电路和人机交互模块的具体实现进行阐述。
着重分析了锁相环频率跟踪模块工作原理，将CD4046锁相环与UC3879移相控制芯片
结合起来使用，保证了系统能稳定工作在偏感性谐振状态，并实现输出功率的大范围
调节。本文使用STM32F 103作为主控制芯片。使用了FSMC接口来驱动液晶屏，并通
过液晶屏、独立按键来实现人机交互。本文分析了IGBT的驱动原理，使用集成IC封
装芯片HCPL316J设计了IGBT的驱动电路，并通过移相电路来控制IGBT驱动电路，
保证了感应加热系统能稳定工作在谐振状态。在系统软件设计中，本文给出了系统软
件设计的思路与流程，并结合硬件设计使系统的各个功能模块得以实现。重点分析了模
糊PID控制算法的原理并将其应用到感应加热系统中，实现了对负载温度的闭环控制。
最后使用MATLAB对负载逆变电路进行仿真实验，并完成对实验结果的分析，验证了
系统的可行性、可靠性和稳定性。

1万 · 2019-2-14 15:23

随着科技的发展和社会的进步，塑料制品因其绝缘性好、耐用、廉价、耐腐蚀等诸
多特性在现代制造业中有着不可替代的地位。在生活中，塑料几乎随处可见，比如说塑
料水杯、梳子等等。在工业生产中，大量采用塑料材质制造各种零部件，比如说管道、
容器、阀门等等。塑料因为其质量小强度高的特性，也是制造飞机、火箭、人造卫星必
不可少的材料。随着塑料材质的多样化和其成本的降低，其需求量会进一步提升，塑料
必将成为越来越重要的材料。
塑料成型有多种方式，主要有压缩成型、挤出模塑、注射成型、吹塑成型和热成型
等方法[fll。注塑机是是塑料成型加工的专用设备，又称为注射成型机，其主要是用来
将粉、粒或者液态树脂等原材料经过加热、冷却、塑化、成型制成各种需要的塑料制品。
据统计，目前通过注塑技术生产的塑料制品占塑料行业制品总数的30%以上。和其它几
种成型方式相比较，注塑技术有着精度高、效率高、周期短、容易实现自动控制等优势。

1万 · 2019-2-14 15:24

电磁加热技术在注塑机加热系统的应用分析
注塑机加热系统工作原理
传统电阻线圈式注塑机加热系统的结构如图1所示，电阻线圈用来给注塑机的料筒
及其喷嘴进行加热，并根据热传导效应达到给物料加热的目的。待加热的物料从料筒的
一端送入，经过料筒外部加热装置的加热后融化，从料筒另一端的喷嘴射出。

1万 · 2019-2-14 15:24

1万 · 2019-2-14 15:25

由图1可看出，传统的电阻式一般采用四个线圈分为四段对料筒进行加热，每一段
都设有一个热电偶来对温度进行分段的检测控制。因此加热系统对料筒每一段的温度控
制精度都有着较高的要求，温度偏高或偏低都会影响塑料制品的成型并影响最终的产品
质量。因此，注塑机加热系统必须使用闭环控制，以便于准确地控制实时温度。
传统的注塑机加热方式为电阻丝式加热，该方式存在一个严重的缺陷，电阻丝产生
的能量需要从外部传导到内部才能完成整个加热过程，因为热量在传导过程中会伴有能
量损耗，从而导致加热效率低下。
相比于过去，近几年在国内外也出现了一些感应加热技术的应用，例如采用家用电
磁炉的技术原理来设计加热系统，但其没有考虑到在工业中实际应用的情况，也没有结
合具体的情况进行设计，结果导致注塑机不能长时间稳定的工作，且加热效率低下
为了解决类似种种问题，本课题通过查阅大量的国内外文献，再综合实际情况，重
新设计了一种感应加热系统，以满足注塑机加热系统实际应用的需要。

1万 · 2019-2-14 15:26

注塑机电磁加热技术的基本原理是运用交一直一交电路将电磁能转变成热能，将工
频交流电先整流再逆变，得到所需要的高频交流电压，通过谐振电路线圈产生交变的磁
场，在被加热物体上产生涡流效应，根据涡流的热效应完成对物体的加热。
电磁加热技术在塑料加工行业应用中有如下优点:
(1)加热效率高:在塑料加工行业中，最常采用的加热方式是电阻丝式，但这种
方式只能单面传导，因此在传导过程中会有大量的能量损耗，从而会导致环境中的温度
提高。而在本课题的设计中，加热线圈与被加热物体不直接接触，且中间有隔热层进行
隔热，能量散失较小，从而提高了加热效率。
<2)加热速度快:由于电磁加热为非接触式加热，热耗散较小，通过在被加热物
体上产生涡流效应来对物体进行加热，因此可以使物体很快达到预设温度。
(3)加热品质好:工件受热均匀，且快速加热可有效降低材料损耗，因此材料的
消耗较少。感应加热可以工作在真空等多种环境下，不受场地的制约，可选择合适的工
作环境以便于提高塑料制品的品质。
C4)产量高:电磁加热较高的加热效率能使注塑机料筒的升温时间显著缩短，使
得生产周期降低，产量显著提高。
CS)控制精度高:电磁加热可以采用比较精确的控制策略进行控制，从而使温度
偏差降低，实际加热中的温度和预设中的相差较小。

1万 · 2019-2-14 15:26

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1万 · 2019-2-14 15:28

电磁加热运用了电磁感应、集肤效应、热传导三大基本的物理规律，下面对这三种物理现象进行简单介绍。
1.3.1法拉第电磁感应定律
1831年，法拉第首次全面阐释了磁生电现象，因此，磁生电现象被称为法拉第电
磁感应定律，其基本原理为:导体在磁场中做切割磁感线运动时在导体中会产生感应电
动势，若导体为闭合回路，则可产生回路电流。这种磁生电的现象被称为法拉第电磁感
应定律。
如图3所示，圆柱形金属筒外面缠绕着若干匝线圈，当线圈中通入变化的交流电流
时，线圈内外就会产生交变的磁场，由于金属筒为一个封闭导体，相当于一个闭合回路，
根据法拉第电磁感应定律，交变的磁场会在金属筒上产生感应电动势，其数学表达式
为:

1万 · 2019-2-14 15:29

1.3.2集肤效应及感应电流透入深度
集肤效应是指导体通入交流电流时，在导体截面中，使得边缘部分和中心的电流密
度不一样。之所以会产生这个现象，是因为电流流动时，周围将产生磁场，导线的中心
磁通最大，由于变化的电流在导体周围产生的电磁场可以阻碍电场的变化，因而导体中
心产生的阻碍效果最为明显，且频率越高这种效应越剧烈，因而电流密度由导体表面到
导体中心是逐渐降低的。影响电流密度大小的还有另外两个因素，即被加热工件的电阻
率和相对磁导率。由于涡流的能量与涡流的平方成正比关系，因此其热量下降的要快。
可以近似认为感应加热的能量集中在厚度为电流透入深度△的薄层中[[6]。其透入深度△
由公式((1-3)确定。

1万 · 2019-2-14 15:29

1万 · 2019-2-14 15:32

1.3.3热传导
热传导是一种自然界的普遍现象，其本质就是热能从高温物体向低温物体转移的过
程。只要两个物体之间存在温度差，就会产生热传递，直到这两个物体的温度相同为止。
注塑机电磁加热的热传递就在于先使料筒升温，然后将热能传递到料筒内的物料中。
1.4功率半导体器件的选用
由于电子技术的飞速发展，功率半导体模块的应用也变得越来越普遍。功率半导体
器件通常有三个引脚，通过对其中一个引脚施加控制信号，可以控制其另外两个引脚的
截止/导通状态。
常见的功率半导体器件有门极关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、功率场
效应晶体管(MOSFET )、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等[f71，其中IGBT为第三代电
力电子半导体器件，结合了MOSFET的开关频率高、驱动功率小和GTR驱动功率大的
特点。其优势可以总结如下:
(1)输入高阻抗;
(2)电压型控制的自关断元件，开关动作快，功耗小;
(3)驱动功率小，电路设计简单;
(4)工作温度范围宽，热阻小，通态电阻不大，压降饱和也很低;
(5)有较高的电压应力和电流应力，并且在复杂情况下也有不俗的安全性和稳定
性。相对MOSFET和GTR的抗浪涌能力，它的表现力更强。
IGBT等效电路及其电路图符号如图5 <a) 5 Cb)所示。由IGBT等效电路图5 (a)
可看出IGBT是由一个双极型三极管和MOSFET组成的，可以看作是MOSFET的基极
驱动的PNP型三极管，图中的Rn是三极管基区的调制电阻，所以IGBT与电力MOSFET
具有相同的驱动原理，均是场控型元件。其导通和断开均是G和E的电压UGE确定的。

1万 · 2019-2-14 15:35

.5电磁加热技术的发展现状
根据开关频率的大小可将电磁加热电源划分为这四个等级:低频低于SOOHz，中频
在1- 20kHz，超音频的频率范围在20kHz -1 OOkHz，高频的频率可达到1 OOkHz以上[t81a
晶闸管一般适用于频率在中频以下的场合。国外中频加热电源用晶闸管做的最大达却匕
瓦级别，同时国内也能达到300kW的级别。80年代初，全控型器件的问世为感应加热
电源的推广起到了关键的一步，1993年出现了30 } 600kw / 50 } 100kHz的感应加热电源
[9]，1994年日本利用IGBT研发了1200kw/SOkHz的并联型感应加热电源tiol。国内在1996
年研发出了75kw/200kHz SIT感应加热电源(3l } 2003年又研发了1 OOkw/1 OOkHz的IGBT
固体电源(11l。尽管国内在感应加热电源的研制方面也取得了一些成就，但是其用的都还
是国外厂商的驱动芯片，国产芯片还达不到实际应用的要求。
总的来说，国外在感应加热电源的研制方面起步较早，在高频大功率的加热电源的
研发领域有着深厚的技术资本，近年来虽然国内感应加热电源在设计开发、产品化方面
虽有所进步，但是和国外的感应加热研发水平相比还是有着相当大的差距。
.6电磁加热技术的发展趋势
电磁加热技术的进步与电力电子器件的工艺的进步有着密不可分的关系。电磁加热
技术随着电力电子器件的高频化与大容量化也逐渐向着高频、大功率的方向发展[till。随
着电磁感应加热技术的流行，电磁加热系统正朝着低功耗、高功率因数、智能化、数
字化的方向发展，因此对电源控制电路的可靠性要求将会越来越高。

1万 · 2019-2-14 15:37

2系统整体设计方案
2.1电源系统整体需求分析
*感应加热电源的拓扑结构和功能有很多种，本文研究的是针对注塑机加热的感应
加热系统。依据这个出发点，本章设计了感应加热电源的技术规范，为整个系统的设
计提供了框架。为了使整个注塑机感应加热系统设计得更加合理，更适应于实际应用
环境，本章对系统中关于谐振逆变器结构和功率调节方式的选择进行了详细分析，并给
出了系统的整体设计方案。
2.1.1注塑机感应加热系统技术规范
在假冒伪劣产品盛行的当今社会，注塑机感应加热设备也难逃被“造假”的**，市
场上的这种产品多数是由电磁炉技术改造而成的，这种电磁炉技术存在着性能不稳定、
温控性差、危险性高和效率低、功能不完善等问题，严重影响着用户的人身财产安全[[13]a
另外，由于工业用注塑机因其特殊的工作环境，需要长时间运行，且要具有较好的温控
性和稳定性，因此，本课题意在改进和完善注塑机感应加热系统。
由于感应加热电源技术尚不成熟，也没有明确的技术规范，因此本节制定了较为符
合注塑机特性的技术参数，包括电源容量、电源功率因数、负载工作频率、工作环境和
产品使用范围。以下分别对这5个方面进行分析。
本文主要从以下5个方面进行分析:
(1)电源容量
电源容量又称为视在功率S，即电压有效值U与电流有效值I的乘积，而有功功率
P为视在功率S与功率因数cosg}的乘积。电源容量的大小决定了选电路中各种元件的
参数设计。本文注塑机加热系统的额定功率为20kW o
(2)电源功率因数
功率因数cos}p为有功功率P与视在功率S的比值。注塑机加热系统中存在着铜损、
铁损和线路输送热量散失等线路损耗，电源提供的能量只有一部分用于负载生热[14j。因
此，选取合适的控制策略可以获得较高的功率因数。对于本系统而言，功率因数需在
0.9一1之间，低于0.9时会产生较大的无功功率，不利于节约能量。因此系统功率因数
范围为约为0.90.95 0
(3)负载工作频率
注塑机加热系统对谐振频率具有特殊要求，一般选取17kHz}25kHz之间，低于
17kHz时，系统会产生较大的运行噪音，高于25kHz时，难以满足系统对功率开关管特
性和设计结构要求。
(4)工作环境。
注塑机加热系统工作在高压电网下，当电网处于用电高峰与低峰期时，电网电压会
发生波动，因此需要对注塑机加热系统的供电电源电压限制使用范围，防止升压损坏电
源，另外，当电网处于电压波动时，会对供电电源的稳定性产生影响[[15]。因此，还需要
对电路中使用的各种元件的电压上限留有一定的空间，防止波动电压烧坏元件。本文注
塑机加热系统的三相电压为220V、线电压为380V供电，电压允许波动范围为
-15%}-I-15%，现场工作环境温度也要限制。由于温度以及场合的区别，电源在运行时限
制了各个元器件的使用效能，承受的温度范围也有限，元器件会随着温度的升高不断降
低通流能力，并且会出现元器件的损耗。通常的温升为20 0C，具体环境中为0 0C 400 0C o
(5)使用范围
电源输出的功率和其负载阻抗的值是一一对应的。当负载阻抗的值过大时，会使功
率降低，电源不能够完全利用。阻抗太小会使输出的功率太大，致使元器件承受不了过
高的电流和温度而损坏。根据材料分析可以知道，注塑机负载阻抗还会受到其他因素的
影响，比如料筒温度变化因其的阻抗变化。总之感应加热系统必须根据实际现场的需求
和条件采用。本文的感应加热系统是对注塑机的专用料筒而具体设计的。
2.1.2注塑机感应加热系统基本功能
(1)锁相功能
注塑机在工作的时候，其谐振电路的谐振点并非固定的，而是随着负载电感量的变
化而发生改变。为了增强电源的稳定性，减少IGBT的损耗，在系统中必须加入锁相装
置来对负载谐振频率进行追踪并使负载频率随着谐振频率的变化而改变[16]0
(2)温度闭环功能
温度控制在感应加热中起到了重要的作用，温度决定了产品的性能和质量。因此要
对温度进行闭环控制，保证温度值能达到工艺的要求，并使温度的波动范围可控。
(3)功率控制功能
对输出功率进行精确地控制是实现温度闭环控制的基础。感应加热系统有多种功率
控制方式。主要分为直流侧调功与交流侧调功，在选择调功方式的过程中要考虑到系统
的功率、工作频率等参数，使其满足系统的控制精度与可靠性要求。
(4)故障保护及自恢复功能
本文中设计具体的应用电路，将相关模块的保护电路具体应用其中，由于感应加热
电源的工作性质要求系统要有较高的可靠性。注塑机的不间断运行，往往会出现问题，
自恢复电路的应用，会大大提高其运行可靠性，这样也可以使停机后产生的废品数量大
大减少，降低了工人的劳动量，并且实现了感应加热电源的自动化[fml0
2.2电磁感应加热系统拓扑图
从本质上说电磁感应加热系统是一种交流一直流一交流的变频装置，其电路结构和
工作功率、频率都无关，感应加热系统的基本组成都是:整流单元、滤波单元、逆变单
元、逆变控制单元、保护单元和负载单元，基本结构框图如图6所示。在正常工作状态
下，整流和滤波单元先对工频交流电进行整流滤波转换为平滑的直流电，逆变单元再对
整流滤波后的直流电进行逆变，通过开关管转换成高频交流电，给负载侧供电。逆变单
元是整个系统的核心电路，逆变桥开关管开通关断的频率与电压电流决定了加热系统的
频率和功率，因此对逆变电路的开关管控制的精准度对加热的质量起到了决定性作用。

只看该作者 · 2019-2-14 15:38

楼主讲解的很具体

1万 · 2019-2-14 15:38

本文选用全桥式逆变加串联谐振的主电路拓扑。其中全桥逆变电路结构简单，需要
用到四个IGBT开关管，有着频率高，输出功率大，成本低等优点，常用于大功率逆变
电源ys}。串联谐振与并联谐振的选用分析在下一章节进行讲解，主电路拓扑结构如图7
所示。

1万 · 2019-2-14 15:40

2.2.1整流滤波电路
整流电路是利用二极管的单向导电性将220V/380V工频交流电转换为单向脉动直
流电压的电路。通常使用的整流电路分为半波和全波两种。本课题采用全波整流电路。
滤波电路是利用大电容除去整流后电路中含有的较大的交流分量，使输出电压平稳，无
较大波动。
本文中整流电路主要作用是将市电过来的交流电转换成直流电，输入到系统的逆变
侧。常见的整流电路根据其工作方式分为可控和不可控两种，由于可控的整流电路在较
小的导通角时会对电网产生非常大的干扰，为了消除这种干扰就需要加上额外的滤波电
路[19]。本文选用三相不可控二极管整流电路来设计整流模块。利用二极管的单向导通特
性来实现交流到直流的转换，其工作波形如图8所示。

1万 · 2019-2-14 15:41

1万 · 2019-2-14 15:42

U。为输入的直流电压，幅值大小为Ua，电阻R是逆变器输出负载。将图中的Ti与
几导通，将几与T3截止，输出的逆变电压为Uo = Ua。反之，将Ti与几截止，将几与
T3导通，输出的逆变电压为Uo = -Ua。当以频率fs交替切换T, , T4和Tz以及T3时，
则电阻R两边的交流电压波形如图9伪)，波形的频率也为fs，周期为Ts =1/fs，从而将
直流电压U。变成了幅值不变的交流电压Uo，不过此时U。含有谐波，为了得到理想的
正弦波电压，应该通过滤波器进行滤波处理。