西安石油大学毕业论文(3)

西安石油大学本科毕业设计（论文）

1.6 论文安排

通过第1章对感应加热炉的了解，我们知道感应加热炉对我们的作用和意义以及对其数学模型研究的重要性。

我们就要对但应加热炉的结构进行了解与分析，这样我们才能更好地建立感应加热炉的温度控制系统的数学模型。

接下来的第3章就是整篇论文最重要的部分，即对中频感应加热炉温度控制系统进行分析并写出他的数学模型及传递函数,而且还要考虑被加热材料的电阻及比热在温度升高的时候的变化，并计算出其变化量从而使加热炉的温度模型更加的精确。 第4章就根据第3章中推导出的广义对象各环节的数学模型及传递函数计算出某一个特定感应加热炉的温度系统数学模型及他的传递函数。第5章就要对上几章进行分析并得出结论，然后对这个研究课题的未来进行展望。在文章的最后将给出本文所用到的参考文献。

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2 中频感应加热炉系统结构分析

2.1 中频感应加热炉系统总体结构

中频感应加热炉是由电源部分、传送部分、加热和保温部分构成的[1]。电源部分又可以分为整流滤波部分、逆变部分、控制与保护部分以及负载部分。电源的负载就是感应加热炉的线圈及其附属结构（比如电阻和电容）。被加热材料的输送是靠电机传动的，所以这一部分用到电机以及调节电机速度的变频调速器。这个调速器可以调节材料进入炉膛的速度，也可以说是材料的输出速度。这个速度是由轧钢机的运动速度决定的。其材料的出口温度可以反馈至电源部分使其通过对频率的调节来调节材料的温度，其总体结构如图2-1所示。

DC/AC逆变电路交流输入AC/DC整流电路滤波环节负载感应线圈被加热材料保温透热部分材料输出速度材料出口控制与保护传送带电机变频调速器材料出口温度

图2-1 中频感应加热炉系统总体结构框图 上图中各部分的名称及作用：

1. AC/DC整流电路：把输入的交流电转化成直流输出至滤波环节； 2. 滤波环节：滤掉谐波使直流更为稳定；

3. DC/AC逆变电路：把整流输出的直流电转化为所需要的交流电； 4. 控制与保护电路：控制电源使其输出合适的电压、电流； 5. 负载线圈：加热炉的加热部分；

6. 被加热材料：需要加热到特定温度的圆柱形金属材料； 7. 传送带：用来输送被加热材料； 8. 电机：用来驱动传送带；

9. 变频调速器：根据需要调节电机的转速；

10. 保温透热部分：使材料充分透热至其表芯温度均匀。

被加热材料的加热过程是，首先通过传送带把以一定速度运动的材料送入加热炉，材料在炉内产生涡流使其温度升高，并从表面向内部透热。加热后，材料在保温

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透热部分中进行充分地透热，使工件的表芯温度几乎相等。在材料的出口中有检测材料温度的装置，并把它变为1-5V的电压信号送入电源与给定电压作比较，用其偏差来调节电源的输出频率使得材料产生的涡流变化而使材料的温度达到预定值，这就是材料温度的控制过程。在出口也有检测材料出口速度的，也会通过仪表把速度转化为1-5V的电压信号，与给定的速度进行比较来调节材料的出口速度。若想要改变材料的出口速度只需要改变调速变频器的输出频率就好了。

2.2 中频电源的结构分析

中频电源已广泛应用于工业加热领域。新型晶闸管感应加热电源采用成熟的变频技术, 由全控型器件构成串联谐振式逆变电路, 解决了工频加热效果差和浪费电能等问题。中频感应加热电源采用IGBT作为开关器件,可工作在 20KHZ,具有功率调节范围宽、频率变化小的优点,适用于中小功率系统。

感应加热电源的主电路是由一个整流电路，一个滤波环节以及一个逆变电路构成。如图2-2所示[6]：

LDBT1UaUbUcT3T5D1D3C1C3ioD2uoD4T2T4T6C4C2LDA

图2-2 IGBT并联感应加热电源主电路原理图

由图可知整流部分由一个三相桥式全控整流电路构成，通过整流电路可以吧三相的交变电流输出电压为ud电流为id的近似直流电，通过滤波环节滤掉谐波，然后再通过逆变电路把直流电变成特定频率的交流电，就可以输出至负载了。

但是一个完整的中频感应加热电源还要包括控制与保护环节，才能更好地对工件

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进行准确的加热，其结构如图2-3所示。

AC/DC整流电路滤波环节DC/AC逆变电路负载

图2-3 感应加热电源的主电路结构图 负载；控制与保护环节。

控制与保护

如上图所示，感应加热电源主要有四个环节组成：整流及滤波环节；逆变环节；根据以上的两个图可知，中频感应加热电源由以下的几个方面构成[7]： a、三相电源Ua，Ub，Uc；

b、三相全控整流器，由晶闸管T1-T6组成；

c、滤波电感LDB、LDA；

d、逆变器由四个IGBT构成并联型桥臂结构，D1-D4是串联快速恢复二极管,C1-C4构成缓冲电路；

e、负载电路由感应器L，补偿电容C，负载R组成。

通过给加热炉提供可调的，相对稳定的电源使得其可以在规定的时间内把工件加热所需要的温度。

2.3 加热炉的结构分析

感应加热炉由感应线圈，保温部分以及内外隔热层组成。如图2-4所示，

d1d2L1LL2

图2-4 感应加热炉加热部分结构图

图中：L---为加热炉的总长度；

L1---为感应线圈（即加热部分）长度； L2---为保温炉膛的长度；

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d2---为炉膛是的直径； d1---为感应加热炉的外经。

加热炉的感应线圈的主要作用是自身通电产生磁场使工件在线圈中产生涡流，从而使其表面温度升高。保温部分的作用是使工件更进一步地透热，使得表芯温度近似一致。工件先按一定的速度通过线圈段进行加热，再以同样的速度穿过保温段进行透热。在加热及透热的过程中因为使用了较好的保温隔热材料，我们可以近似地认为炉膛中的工件并没有对外界环境做功。

2.4 被加热材料的输送装置

材料的输送装置其实很简单即利用电机带动齿轮使传送带运动，从而使放置在传送带上的工件可以运动，并传送至炉膛中其结构如图2-5所示。

L3工件传送带M变频器调速

图2-5 材料输送装置结构示意图

图中，工件即被加热材料，本次使用的被加热材料为圆柱形的铜和钢；传送带环绕在转动齿轮外部在齿轮转动的过程中以固定的速度向一个方向运动；电机M是带动齿轮转动的装置；变频调速器是通过改变自身的输出频率来改变电机的转速的。

输送装置的工作流程，首先材料的输送装置是由变频调速器调节电机的速度，从而使齿轮以一定的速度转动，带动传送带使传送带转动，这样就能使在传送带上的材料以一定的速度匀速运动。如果要调节材料的速度，就可以通过调节变频器的频率来调节。

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