鋼性巖石壓力實驗機感應加熱控制系統的設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 損耗低，其介電系數的變化就可以忽略。介質在電場下的極化過程使分子間碰撞而消耗能量，從而產生損耗，因而也造成了介電系數的降。在電解電容器中，等效串聯電阻是造成損耗的主要原因，而漏電流、介質吸收造成的損耗則可以忽略不計。因此，電解電容器的損耗因數則以串聯等效電阻ESR同容抗l/wC之比，有時也稱損耗角正切(tanδ)表示。因此，電解電容的損耗角正切(tanδ)是隨頻率上升的。損耗因數標志著電容器本身在工作時的自身損耗的大小，這個損耗的大小可定義為:在電容器被施加交流電時，每個周期電容器產生的損耗與每個周期電容器存儲的功率之比，即：損耗因數=5）等效串聯電阻電容器電極到引出端的電阻，一般箔式電容器的等效串聯電阻(ESR)比金屬電容器的ESR小，雙金屬化和加重金屬化的ESR比一般金屬化的ESR小，多引出線的ESR比單引出線的ESR小，平面電極板的ESR比粗糙電極板的ESR小，等等。6）溫度系數溫度系數是電容器隨溫度變化的程度，有的介質的介電系數隨溫度的升高而大，大多數的介質屬于這一類，通常其變化范圍小于容差范圍。而有的介質雖為溫度的上升而減小，如聚丙烯。有的介質則可能在不同的溫度范圍而有不同的變化，像H類陶瓷電容器。7）工作溫度范圍任何介質都存在工作溫度范圍，過高的溫度會使介質的物理特性發生變化(如熔化、介電強度下降)和化學變化(如炭化)而不再滿足電容器介質性能的要求。電解電容器則要避免電解液的蒸發而造成電容器的永久損壞。8）漏電流電容器的漏電流主要是介質的絕緣電阻不是無限大和介質存在的缺陷(雜質)產生的，不同的介質，漏電流不一樣，如鋁電解電容器的漏電流主要是由于氯、鐵、銅離子的存在而產生的對氧化鋁介質的破壞以及微型原電池效應造成的。9）壽命多數電容器在理論上沒有壽命的問題，只有液態介質(電極)或介質在施加電壓后出現介電系數下降而出現壽命問題。最明顯的是鋁電解電容器，山于鋁電解電容器的負電極是電解液，當電解液干涸后鋁電解電容器的負電極面積大大縮小，使電容量大大下降，當電容器下降到壽命終了值，鋁電解電容器即宣告壽命終了。通常，鋁電解電容器均標明最高工作溫度和在這個溫度下的使用壽命，如105℃/20O0h。為了增加電容器的電容量通常將電極軋成金屬箔與絕緣介質薄膜一同卷繞成芯子以盡可能減小體積，這樣形成了薄膜電容器。薄膜電容器可以根據絕緣介質的不同分為紙介質、有機介質。不同的介質具有不同的電氣性能，可以根據不同的應用選擇相應的介質電容器。在電氣結構上，感應加熱負載電路可視為一個電感器，對線性介質而言，電感器大小與結構回路中導體幾何形狀及實體排列有關。感應加熱線圈電感值與線圈長度、線圈材料的導磁系數數及面積有關。感應加熱系統中的實際負載，包含加熱線圈與加工物件，猶如一禍合變壓器。加熱線圈視為一次測，加工物件視為二次測。事實上，感應加熱系統等效電路模型中，由于各參數受很多因素影響，例如電磁感應、趨膚效應、介質特性等等，因此上述負載模型只能視為一個理論基礎架構。3 感應加熱裝置硬件設計整個裝置主要分為兩大部分：主電路部分和微機控制部分。主電路部分實現功率轉換、信號采集、PWM信號發生和保護功能，并提供系統的輔助直流電源。微機控制部分可以設定加熱時間長短、顯示系統狀態以及發出加熱命令。 感應加熱裝置主電路硬件設計完整的主電路主要分為主電路通電控制電路、全橋逆變及信號采樣電路、信號處理電路、PWM信號發生電路、驅動電路和輔助直流電源幾個部分。電路工作原理如下：在待機狀態下，PWM芯片始終輸出驅動信號施加在四個開關管上，而雙向晶閘管TRIAC控制主電路不通電，所以負載兩端沒有電壓。當需要起動機器對負載加熱時，發出的起動信號使得雙向晶閘管導通，主電路通電，則逆變電路輸出的方波電壓經過一級LC諧振后，施加到負載上，對負載進行加熱。采樣電路對負載電壓進行采樣，并反饋到PWM芯片的相應引腳。待機時，反饋電壓使得輸出的PWM頻率為80kHz左右。起動加熱時，反饋信號會控制芯片輸出的PWM頻率提高到100kHz左右，并且負載越重，頻率越高。針對不同的負載，反饋信號可以控制芯片輸出相應頻率的PWM信號，以使得負載線圈兩端的電壓有效值始終穩定在設定值。下面對電路的各個部分分別進行介紹[6]。 主電路及其通電控制電路該部分電路如圖31所示。電路電源輸入經過、濾波后，利用一個雙向晶閘管(TRIAC)來控制主電路電源的通、斷。圖31 主電路及通電控制電路 Main circuit and powercontrol circuit雙向晶閘管是具有雙向導通和阻斷能力的電力電子開關器件，當一個方向施加正向電壓時，只要給觸發信號便可使得雙向晶閘管導通。雙向晶閘管通常使用專門的驅動光耦進行控制，這里選用的是S21MD4。光耦原邊的+5Q信號來自輔助直流電源，約為10V。信號GD是控制板上單片機輸出的起動命令，待機狀態下是低電平。起動時，按下起動按鈕，則單片機輸出高電平到GD，使得導通，光耦S21MD4原邊也導通，從而觸發TRIAC，給主電路通電。加熱結束后，單片機給GD輸出低電平，則主電路電源切斷。主電路的電壓通過，分別為觸發極提供相應導通方向時的觸發電壓。、用來吸收通、斷時的浪涌電壓，保護TRIAC。發光二極管用來指示機器的工作狀態[11]。 逆變電路逆變電路的主體如圖32所示。逆變電路輸出的方波電壓，施加到負載上，負載是一個感應線圈，可以等效為一個電感和一個電阻的串聯，負載呈感性。圖32 逆變電路 Inverter circuit為了提高功率因數，需要添加一個補償電容。是負載電壓采樣電阻，并通過，整流后，得到直流采樣信號Sample，Sample信號的電壓大小可以通過電位器調節，以滿足PWM發生芯片的反饋電平要求。是電流采樣電阻，用來檢測電流信號，采樣信號經過處理后送到PWM發生電路的保護引腳。 PWM發生電路采樣信號Sample經過濾波和放大處理后，經過輸入到PWM芯片的反饋電流控制引腳（引腳3），芯片則根據流入引腳3電流的變化來改變輸出PWM信號的頻率，以保持負載電壓的穩定，如圖38所示。圖33 PWM 電路 PWM circuit，因此。實際上，串入電路中的負載只是一個空心的感應線圈，而真正的負載是利用該感應線圈進行加熱的對象。對應不同的加熱對象，在加熱時，它反過來對主電路參數L的影響程度也不同。由于主電路等效L、C參數受到負載影響而改變，原來待機狀態下的PWM頻率會導致負載電壓降低，因此采樣得到的反饋信號也會作出相應變化，而這種變化便控制芯片輸出信號的頻率提高，以此改變諧振電路的Q值，保持負載兩端電壓的穩定[11]。PWM發生電路采用壓頻變換芯片MC34066，該芯片主要應用于諧振式的電源控制，其最高振蕩頻率超過1MHz。圖34是它的引腳圖。它具有以下特點：1）控制范圍超過的變頻振蕩器。2）可編程的死區單元。3）內帶具有精確輸出鉗位的5MHz的誤差放大器。4）雙大電流圖騰柱輸出單元。5）可選的滯環式欠壓閉鎖功能。6）輸入使能控制。7）可編程軟起動電路。8）待機時的低電流起動模式。圖34MC3406的引腳圖 MC34066 pin connections圖35是MC34066的外圍電路。、是外部振蕩網絡，是用來產生死區。，會使得芯片內部的一個施密特比較器翻轉，從而開通的放電回路，外接的和內部的電流鏡像。，芯片又會對電容進行充電。的芯片內部放電回路受流入引腳3的電流信號調制：采樣信號Sample信號經過信號處理電路處理后，得到一個反饋信號Feedback，它通過電阻產生的電流流入振蕩器控制電流引腳3。該電流的變化將會對振蕩器的振蕩頻率經行調制。若增加，則振蕩電容的放電加快，從而振蕩頻率提高，輸出的PWM信號頻率也提高。圖35 MC34066外圍電路 MC34066 external circuit，放電速度最快，從而振蕩頻率最高。此時的放電時間可以表示為 （31）當時，的放電速度最慢，從而輸出PWM頻率最小。該放電時間可以由式（32）得到： （32）所以，當起動機器對負載進行加熱時，采樣信號Sample是隨著負載電壓的降低而升高的，因為Sample信號電壓的升高，可以控制PWM信號頻率提高，從而提高了諧振的Q值，使得負載電壓隨之上升，達到穩定值。的充電時間（單位為ns）為 （33）顯然，在根據所需的死區時間設定好后，便可根據式（31）~式（33）得到最大、最小的頻率為 （34） （35） 軟起動起動電路和保護電路圖36是芯片軟起動功能和保護單元的內部電路。軟起動電路可以使得芯片輸出頻率從較低值逐漸升高，并建立穩定的反饋控制環。使用該功能時。本系統中，沒有使用軟起動功能。芯片的引腳10是故障信號輸入引腳。從圖36的保護單元內部結構可以看到，將會引起保護單元的動作，從而封鎖PWM輸出，關閉主電路。圖36 軟起動電路和保護單元 Soft start circuit and protection unit圖35的芯片外圍電路中，引腳10通過一個電阻接地，S是貼在MOSFET散熱器上的常開溫度開關，所以當電路正常工作時，該引腳是低電平。如果散熱器過熱，則溫度開關閉合，引腳10將會被接到，電壓高于1V，保護動作，并通過相關的LED元件指示過熱保護。該引腳還可以同時用作過電流保護，對應電路如圖37所示。圖37 保護電路 Protection circuitGL信號是采樣電阻上的電壓降。通過調整、關系可以設定過電流保護動作值。當流過的電流在允許值之內時，GL電壓較低，晶體管截止，則會導通，從而將引腳10拉低。若電流超過設定值，則GL電壓將會使導通，通過選擇合適的，則可以將的基極電壓拉低到使無法導通，從而將引腳10電平拉高，使得保護單元動作，封鎖脈沖輸出。 驅動電路各種全控型功率電子器件如GTO、MOSFET和IGBT等的相繼出現,極大地推動了電力電子技術的發展。電能變換裝置的小型化對功率電子器件的開關工作頻率提出了越來越高的要求， 在各種全控型開關器件中，MOSFET是一種單極型器件，沒有少數載流子的存儲效應，工作頻率可達幾百kHz至MHz。MOSFET管以其開關速度快，輸入阻抗高，輸入功率小，無二次擊穿現象等優點，已成為感應加熱電源中最常用的器件。然而MOSFET驅動電路的設計和選型對提高MOSFET的頻率，充分發揮MOSFET的優良性能起著極為關鍵的作用。MOSFET的驅動電路有多種形式，按驅動與柵極的連接方式可分為直接驅動和隔離驅動，隔離驅動又可分為光耦隔離和電磁隔離，在此本設計中采用直接驅動的方式驅動MOSFET。 驅動電路如圖38所示。PWM信號從芯片MC34066的114腳輸出，經過兩級推免電路放大，驅動信號、再接到主電路逆變電路的開關器件的門極上。圖38 驅動電路 Drive circuit 輔助直流電源本設計電路中的許多部分都需要直流電源供電，如采樣信號的放大電路，所需直流工作電壓不是5V就是15V，為了不附加額外的直流電源，系統設計時提供了輔助直流電源，而一般設計直流電源常采用集成穩壓器。集成穩壓器是指將不穩定的直流電壓變為穩定的直流電壓的集成電路。由于集成穩壓器具有穩壓精度高、工作穩定可靠、外圍電路簡單、體積小、重量輕等顯箸優點，在各種電源電路中得到了廣泛的應用。常用的集成穩壓器封裝形式有：金屬圓形封裝、金屬菱形封裝、塑料封裝、帶散熱板塑封、扁平式封裝、雙列直插式封裝等。在電子制用中應用較多的是三端固定輸出穩壓器。集成穩壓器可分為串聯調整式、并聯調整式和開關式穩壓器三大類。78系列集成穩壓器是固定正輸出電壓的集成穩壓器，輸出電壓有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等規格。它的內部含有限流保護、過熱保護和過壓保護電路，采用了噪聲低、溫度漂移小的基準電壓源，工作穩定可靠，因此該系列的集成穩壓器使用十分方便。本設計中的輔助直流電源采用了集成穩壓器件7805和7815。電路如圖39所示。變壓器將經過濾波處理的220V交流電轉換為較低電壓的交流電，通過橋式整流電路輸出脈動的直流電，電容起濾波作用，最后通過穩壓器件7807815得到所需直流電壓[9]。圖39 輔助直流電源電路 Auxiliary DC power circuit 微機控制系統硬件設計隨著現代電力電子和微機控制技術的迅速發展，微機控制的感應加熱電源也得到了廣泛應用。微機控制系統主要用于獲得良好的人機界面；提供在線修改控制輸出數據功能，以方便用戶根據系統實時修改加熱時間；檢測加熱命令以及輸出加熱定時脈沖。感應加熱微機控制系統原理框圖如圖310所示：圖310 感應加熱微機控制系統原理框圖 Principle block diagram of induction heating puter control system微機控制系統電路圖如圖311所示。圖中主要有兩位LED顯示器，顯示加熱時間；三個指示燈，包括加熱指示燈、待機指示燈和等待指示燈（用于兩次加熱之間，等待MOSFET散熱）；還有三個開關，包括開/停機開關、修改數據開關和加熱命令開關；一片和單片機通信的EEPROM芯片，用于保存加熱數據[12]。圖311 微機控制系統電路圖 circuit of puter control system PIC單片機介紹PIC單片機是繼MCS51系列單片機之后的新一代產品，近年來，它向旋風一樣橫掃全球，幾乎將單片機的應用擴大到電子產品的每一個領域。PIC16C5X系列單片機具有精簡指令集(RISC)結構，僅有33條單字節單周期指令（除轉移指令為2周期外），CPU采用指令線和數據線分離的哈佛結構，與同類8位機相比，其程序代碼可節省一半，指令執行速度