高频感应加热装置结构优化及其数值分析

发布时间：2017-10-22 23:20

  本文关键词：高频感应加热装置结构优化及其数值分析

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【摘要】：高频感应加热装置作为一种非接触式加热设备,具有加热效率高、工作环境好、节能环保等一系列优点,在金属件的淬火和熔炼中有着广泛应用。铁基催化剂作为一种非金属材料,目前主要采用传统的热熔融法进行生产,收得率低且品质不高,而在高频感应加热工艺下能大大提高其成分均匀性和催化活性。此外,工业上应用的高频感应加热装置普遍存在控制精度不高的问题。针对这一情形,结合数字化和智能化控制技术对内部电路结构进行优化,设计一套适用于非金属材料的高频感应加热装置,在今后的进一步研究中具有指导意义。本文以4kW/250kHz的高频感应加热装置为研究对象,首先介绍了系统的结构组成及各个部分的工作原理,并对所包含的不同电路类型的工作特性进行了对比分析,确定了系统的整体设计方案。主电路部分采用单相不可控桥式整流加电容滤波的形式得到直流电压,选择MOSFET功率开关器件组成的串联谐振逆变电路进行逆变过程,并在输出端接入隔离变压器与负载相连。控制部分采用脉冲宽度调制法对功率进行调节,同时对负载工作频率进行跟踪使其保持在谐振状态,并以此设计了基于ATmega128单片机的数字锁相环和模糊PID控制器。然后根据给定的技术指标确定了主电路的元器件参数以及控制部分各模块的电路结构,并给出了频率跟踪模块和功率控制模块的程序流程图。最后在Simulink仿真环境下建立了高频感应加热系统的仿真模型,对输出电压和电流波形进行观察。同时根据电磁场和温度场的相关理论得到的数学模型和边界条件,利用ANSYS软件建立了系统负载的有限元模型,并在不同工况下进行数值分析,观察物料的温度分布情况。仿真结果显示,系统的输出电压和电流波形在不同的移相角下保持相同的相位关系,表明锁相环实现了谐振频率的有效跟踪,验证了设计的合理性;物料在供电频率越高的情况下温度上升速度越快,表面与心部温差越大,集肤效应越明显,且供电频率处于200kHz至250kHz时系统加热效率最好。
【关键词】：感应加热 非金属材料 数字锁相环 模糊PID控制器 数值分析
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG155.21
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 感应加热的基本原理11-12
• 1.2 感应加热装置的研究现状及趋势12-15
• 1.2.1 国外研究现状12-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.2.3 未来研究方向14-15
• 1.3 本课题的选题意义及研究内容15-17
• 1.3.1 本课题的选题意义15
• 1.3.2 本课题的主要研究内容15-17
• 第2章 非金属材料高频加热机理及其关键技术17-35
• 2.1 铁基催化剂高频加热性能分析17-18
• 2.2 高频加热系统的电源变换原理18-23
• 2.2.1 直流电变换原理18-20
• 2.2.2 高频加热电源滤波原理分析20-21
• 2.2.3 电源加热效率与逆变原理分析21-23
• 2.3 高频加热电源与负载线圈之间的匹配关系23-27
• 2.3.1 变压器在高频感应加热装置中的作用23
• 2.3.2 负载的等效模型分析23-24
• 2.3.3 高频加热串联谐振电路特性分析24-25
• 2.3.4 高频加热并联谐振电路特性分析25-27
• 2.4 高频加热系统控制特征分析27-33
• 2.4.1 高频感应加热过程中的功率调节28-31
• 2.4.1.1 脉冲频率调制法28-29
• 2.4.1.2 脉冲密度调制法29
• 2.4.1.3 脉冲宽度调制法29-31
• 2.4.2 数字锁相环的应用31-32
• 2.4.3 模糊PID控制器简介32-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第3章 高频感应加热装置的设计35-65
• 3.1 高频感应加热装置的整体设计方案35-36
• 3.2 高频感应加热装置主电路设计计算36-41
• 3.2.1 整流滤波电路的设计计算36-37
• 3.2.2 逆变电路的设计计算37-38
• 3.2.3 变压器的设计计算38-39
• 3.2.4 负载谐振电路的设计计算39-41
• 3.3 高频感应加热装置控制电路设计41-56
• 3.3.1 高频感应加热装置的整体控制策略41-43
• 3.3.2 ATmega128单片机的应用43-44
• 3.3.3 频率跟踪部分44-48
• 3.3.3.1 它激信号产生电路的设计44-45
• 3.3.3.2 它激转自激启动电路的设计45-46
• 3.3.3.3 数字锁相环的设计46-48
• 3.3.4 功率控制系统设计48-53
• 3.3.4.1 信号采样调理电路的设计48-50
• 3.3.4.2 模糊PID控制器的设计50-53
• 3.3.5 其他部分53-56
• 3.3.5.1 控制电路工作电源的设计53
• 3.3.5.2 死区产生电路的设计53-54
• 3.3.5.3 MOSFET驱动电路的设计54-55
• 3.3.5.4 保护电路的设计55-56
• 3.4 高频感应加热装置的SIMULINK仿真56-64
• 3.4.1 Simulink仿真软件简介56
• 3.4.2 高频感应加热装置系统建模56-61
• 3.4.3 仿真结果分析61-64
• 3.5 本章小结64-65
• 第4章 高频感应加热装置负载的数值分析65-75
• 4.1 有限元法简介65
• 4.2 感应加热的电磁场有限元分析65-67
• 4.2.1 电磁场的基本理论65-66
• 4.2.2 感应加热涡流场基本方程66-67
• 4.2.3 边界条件分析67
• 4.3 感应加热的温度场有限元分析67-69
• 4.3.1 传热学基本知识67-68
• 4.3.2 感应加热温度场数学模型68-69
• 4.3.3 边界条件分析69
• 4.4 负载的温度场模拟及其结果分析69-75
• 4.4.1 耦合场的分析方法69-70
• 4.4.2 负载的数值计算模型70
• 4.4.3 不同工况下负载的模拟计算70-73
• 4.4.4 模拟结果分析73-74
• 4.4.5 本章小结74-75
• 第5章 结论与展望75-77
• 5.1 主要结论75-76
• 5.2 后期研究展望76-77
• 参考文献77-81
• 致谢81

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本文编号：1080562