STM32与感应加热

1万 · 2019-8-22 14:52

随着中国经济的不断发展，人们越来越注重生态环境的保护，绿色发展的理
念引起国家高度关注。感应加热技术作为一种节能环保技术，它具有加热速度快、
效率高、控制精度高的优点，这与生态文明建设的理念相符，可以取代传统的化
石能源加热和电加热，减少环境污染。随着电力电子与逻辑器件的不断发展，感
应加热技术发展也是非常迅速的，但是它距人们的要求、应用的价值还有一定距
离。电源的体积、效率、抗干扰能力、电磁兼容性以及控制精度等都需要针对特
定的工作要求做研究，因此对感应加热技术中的器件、材料以及电源的拓扑结构
和控制方案的研究是很有价值的。

1万 · 2019-8-22 14:57

关键的一点现在国家环保治理理念越来越严格，将来对于供暖的需求也存在一个更加绿色、先进的需求。

1万 · 2019-8-22 14:58

本论文对中频感应加热电源的各个组成部分进行分析研究，对整流逆变等部
分的结构选型进行详细分析，同时对感应加热电源的几种调功方式进行介绍，最
终根据实际需求确定整体的设计方案并计算了相应的结构参数;针对感应加热电
源与锅炉的控制问题，本文以STM32CBT6为核心搭建中频感应电源的控制系
统，如IGB T的驱动、过压过流保护以及功率调节等，并设计了电源的启动方式;
为了能够实时监测控制设备外部信息，采用57-200Smart对锅炉的温度和压力等
信息进行采集和控制，同时控制电源的功率输出;选取MCGS组态环境与PLC
建立通信，设计了系统和输入输出的监控界面，实时显示系统的运行信息，该系
统可以有效地保护电源的运行，并快速地达到加热要求。
最后针对电源控制中PID控制的参数整定问题，本论文采用灰狼算法对PID
的参数进行优化，同时采用竞争策略对算法进行改进，通过仿真分析证明了改进
方案可以提高算法的寻优速度和精度，并有效减少局部最优的情况，同时使用改
进的算法对PID的参数进行优化，并与遗传算法相比较，仿真结果说明改进灰狼
算法对PID参数的优化效果是优于遗传算法的;针对中频感应加热电源逆变部分
的频率跟踪问题，本论文用改进PID控制改善逆变电路的频率跟踪，并通过
Matlab进行仿真分析，结果表明改进PID控制可以有效地提高逆变电路的频率
跟踪效果。

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随着电力电子的发展以及逻辑器件在性能上的不断完善，感应加热电源的将向以下几个方向发展:1、大功率，高频率。早期感应加热电源由于功率器件、电路结构等的限制，只能达到高频或者大容量的效果。随着对电路结构的研究以及新型高频大功率器件的研制，感应加热电源将向大功率和高频率发展.
2、低损耗、高功率因数。软开关技术使得感应加热的开关损耗大量减少，同时对逆变谐振电路的改进可以逆变器在谐振状态下工作，功率因数接近于10

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3、智能化、复合化。控制方式由原来的模拟控制变为数字控制，大量采用数字器件和专用集成电路，如集成PWM芯片SG3535,MPU-1016可编程逻辑器件，简化了控制电路同时系统可以根据运行信息自动控制，也可以根据生产需要进行设置控制方式与流程。
4、应用范围扩大化。新型感应加热电源覆盖的频率范围更广，覆盖了中频、超音频和高频，输出功率从1.5}2000kW，可满足不同热处理工艺的要求。

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三相相全波整流中使用最广泛的电路是三相桥式整流电路，根据所用开关器
件的不同可分为全控整流和不控整流。当开关器件采用可控硅时，电路为三相桥
式全控整流，可以通过调节可控硅的导通角来控制逆变侧的输入功率。导通角越
小直流侧的电压越高，输出的功率越大。当整流电路接电阻负载时移相角的范围
为。-120度;当接阻感负载时范围为。-90度。三相桥式不可控整流电路结构与
全控型大致相同，不同的是开关器件采用二极管，根据二极管自身特性通断。不
可控整流电路不容易产生谐波，对电网的影响较小，可以略去整流侧滤波环节。
在感应加热电源、不间断电源、开关电源等应用场合中，大都采用不可控整流电
路提供直流电源供逆变器、斩波器等使用，整流侧输出脉动直流电波动较大，因
此并联电容减小波形起伏输出平稳的电流。采用这种电路的感应加热电源一般是
通过直流斩波电路或逆变调功电路来控制电源的功率输出的。考虑到电源的经济
性和实用性，三相不控整流电路不需要对整流侧的开关器件设置驱动电路，输出
电压范围大易于调节，同时通过逆变侧控制电源功率可以保证电源在较高的功率
因数下运行。

1万 · 2019-8-22 15:59

1万 · 2019-8-22 16:04

图2-3所示为电压型的逆变电路，它的负载通常为},c串联。该型电路具
有以下特点:
1、可以假设整流侧接入电压源，为了防止电压突变并联电容进行稳压，在
这里直流回路的等效阻抗值很小。
2、在图2-3中整流侧接入的电源是直流电源，由于电容的作用输出的电压
波形与负载侧的阻抗角无关，负载侧的参数可以影响输出的电流大小和波形。
3、当负载端的性质是阻感负载的时候，那么负载中能量变换时，需要提供
无功功率，因此在直流侧并联大电容用于储存能量。为了给开关器件上流过的无
功能量提供通道，每个开关器件都并联一个二极管。

1万 · 2019-8-22 16:04

1万 · 2019-8-22 16:06

图2-4所示为电流型的逆变电路，它的负载通常为RL串联后与c并联。直
流侧该型电路具有以下特点:
1、对于直流侧使用的电源，我们假定为电流源，串联的电感起平滑电流的
作用，因此电流基本无脉动，直流回路在这样的条件下表现为高阻抗。
2、通过控制逆变电路中的开关器件M1 }M4的开断来改变直流电流的流通
路径，因此交流侧会输出与负载侧无关的矩形电流波，但负载侧会影响输出端的
电压波形与相位。
3、当负载端性质为阻感负载时，负载中能量变换时需要提供无功功率，由
于直流电流方向不变，因此不需要反并联二极管为无功功率提供流通路径，只需
要在直流侧串联大电感缓冲无功能量即可。

1万 · 2019-8-22 16:08

调功策略分析
电流型逆变电路一般采用调节直流电压大小的方法来调节功率，根据调功方
式的不同可分为直流侧调功与逆变侧调功。直流侧调功方式主要有全控整流的调
压调功、不控整流的斩波调功;逆变侧调功则主要有调频(PFM)调功〔33]、脉冲
密度(PDM)调功〔34]、脉宽调制(PWM)调功〔35]，随着对调功方式的研究深入，逆
变侧调功也可以结合两种调功方式来控制功率，如调宽调制加调频调功、脉宽调
制加脉冲密度调制调功。