工业电磁炉智能控制器研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 4.23MB 79 页 15积分

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摘要

在当今大力倡导节能减排的形势下，工业热处理行业的运用效果不是很好，

主要表现在加热效率低、耗能严重、对环境的污染大等缺点。在出现电磁感应加

热以后，相关领域正在试图采用此办法来解决此类问题。电磁炉就是基于电磁感

应原理而制作的，但是，相比于民用、商业电磁炉等传统感应加热应用领域，工

业电磁炉的的发展还很缓慢，主要表现在人们对传统电和煤气加热方式的依赖和

传统加热能源的观念转变不好，很大一部分企业的技术革新速度慢，不愿意花成

本根本上解决能源利用率问题。虽然有些企业或者研究机构正在对此进行一定的

改进，但是效果不是很好，这很大一部分体现在电磁炉控制器的效率低、电路拓

扑结构复杂、操作控制不良等缺点。本文在不考虑加热炉体参数设计的前提下，

专门对电磁炉控制器的电路拓扑结构和人工智能化控制方式等方面做了一定的

研究工作，并且取得了相应的成就。主要的研究工作有：

在分析电磁感应原理、负载等效电路、几种逆变器拓扑结构的基础上，研究

和设计了更具简单的工业电磁炉控制器的电路拓扑结构，对半桥串联谐振逆变器

的功率调节方式做了一定的对比研究，最后选定脉冲频率调制的方式来完成对电

磁炉功率的控制，最终确立了以 STM32 为控制核心控制器系统的整体控制方案。

在功率级电路的设计上，采用模块化的设计思想，根据性能指标对主电路和隔离

驱动电路的具体参数进行了详细的对比研究。在完成了以上的研究基础上，对控

制电路进行了详细的设计，主要包括温度、电流、电压、人机接口、故障报警、

等方面进行了模块化电路设计，并且在保护电路方面做了一定的工作，有效地提

高了功率开关管工作的安全性和可靠性。

在温度控制方面采用 PID 算法控制方式，并且提出了电磁炉温度 PID 整体

控制策略，对驱动脉冲频率进行调制，使系统具有更好地稳态性能，通过逆变器

的功率输出，从而间接地控制加热炉的内部温度，达到恒温控制的目的。在软件

设计的方面采用较流行的模块化设计细想，对整个控制器系统的软件进行模块划

分，并对模块化的软件进行详细设计，提高了系统软件的可靠性和复用率。

最后，在理论分析和电路详细设计的基础上，对实验样机进行了调试和测试，

实验表明，电磁炉控制器系统设计合理，安全性和稳定性高，恒温控制效果良好，

符合研究内容的要求。

关键词：感应现象电磁炉串联谐振 IGBT PID 控制

ABSTRACT

At present time, when the situation of energy conservation is vigorously

promoted, the application of industrial heat treatment is going down with its

disadvantages mainly reflected in the low heating efficiency, energy consumption and

serious environmental pollution. After the emergence of electromagnetic induction

heating the field is trying to use this approach to solve such problems. Cookers are

made based on the principle of electromagnetic induction. However, compared to the

traditional induction heating applications, such as civilian and commercial induction

cookers, the development of the industrial cookers is relatively slow, because of the

fact that people rely much on the traditional mode of electricity and gas heating and

the concept of energy heating is not positively transferred; the technological

innovations of a large part of enterprises are slow, they are unwilling to spend the cost

to solve the fundamental problems of utilization ratio of energy resources. Although

some companies or research institutions are engaged in improving, but the outcome is

unsatisfactory. This, in a large part is reflected in the low efficiency of the appliance

controller, the complexity of circuit topology and the poor operational control. This

paper does not consider the premise of the parameter design of the furnace body, but

specifically focuses on the control mode of the appliance controller circuit topology

and artificial intelligence, etc. a certain amount of research work and the

achievements. The main researches are:

In analyzing the principle of electromagnetic induction, load equivalent circuit

and several inverter topology, a simpler industrial cooker controller is investigated

and designed. Comparative studies have been done to the power conditioning of the

circuit topology of half-bridge series resonant inverter, and fianlly selected the pulse

frequency modulation control of the induction cooker power, thus established the

STM32 for the control of the core controller system overall control program. Power

level circuit design, the modular design concept, carried out a detailed comparative

study on the main circuit and isolation of the specific parameters of the drive circuit

according to the performance indicators. Based on the outcome of the above study,

the circuit control is also detailed designed, including temperature, current, voltage,

man-machine interface, fault alarm, and other aspects of the modular circuit design

and circuit protection must work to improve the safety and reliability of the power

switch.

In terms of temperature control, PID control algorithm has come out with a

cooker temperature PID overall control strategy, the drive pulse frequency modulation,

the system has a better steady state performance, power output of the inverter, and

thus indirectly control the heating of the internal temperature of the furnace, and

achieved the constant temperature control purposes. More popular modular designs

are reflected on aspects of software design, module division of the entire controller

system software, and modular software design, and thus will help to increase the

system software reliability and reuse rate.

Finally, on the basis of theoretical analysis and detailed circuit design, debugging

and tests have been done to the sample cookers. Experiments show that the cooker

controller system is appropriately designed, the system has high security and stability,

the thermostatic control is fairly effective, therefore is in line with the requirements of

the research.

Key Words: Induction，

Cooker Series Resonant，

IGBT，

PID Control

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论................................................................................................................. 1

§1.1 引言............................................................................................................. 1

§1.2 国内外研究现状......................................................................................... 2

§1.2.1 国外研究现状...................................................................................... 2

§1.2.2 国内研究现状..................................................................................... 3

§1.3 感应加热技术的经济效益分析................................................................ 4

§1.4 大功率电磁炉的特点和应用范围............................................................ 5

§1.4.1 大功率电磁炉的特点.......................................................................... 5

§1.4.2 大功率电磁炉的应用范围.................................................................. 5

§1.5 工业电磁炉发展趋势................................................................................ 5

§1.6 本章小结.................................................................................................... 7

第二章工业电磁炉感应加热原理............................................................................. 8

§2.1 电磁感应原理............................................................................................ 8

§2.1.1 概述..................................................................................................... 8

§2.1.2 感应原理分析..................................................................................... 8

§2.1.3 感应加热的趋肤效应和透入深度................................................... 10

§2.2 工业电磁炉加热系统.............................................................................. 11

§2.3 负载输出等效电路分析.......................................................................... 12

§2.4 本章小结.................................................................................................. 15

第三章电磁炉控制器系统设计............................................................................... 16

§3.1 系统结构框图.......................................................................................... 16

§3.2 逆变主电路拓扑分析.............................................................................. 17

§3.2.1 串联谐振逆变器................................................................................ 17

§3.2.2 并联谐振逆变器................................................................................ 18

§3.2.3 两种逆变形式比较........................................................................... 20

§3.3 半桥串联电压谐振电路分析.................................................................. 21

§3.4 工业电磁炉的功率调节方式.................................................................. 23

§3.5 本章小结.................................................................................................. 24

第四章电磁炉控制器主电路设计........................................................................... 25

§4.1 功率模块化设计...................................................................................... 25

§4.1.1 EMI 滤波模块的设计 ........................................................................ 25

§4.1.2 AC/DC 整流模块的选取 ................................................................... 27

§4.2 滤波输入电容、电感参数设计................................................................. 28

§4.2.1 滤波输入电容参数计算.................................................................... 29

§4.2.2 滤波输入电感参数计算................................................................... 29

§4.3 逆变电路功率管的选型............................................................................ 31

§4.3.1 几种开关管性能对比........................................................................ 31

§4.3.2 IGBT 参数计算.................................................................................. 33

§4.4 谐振电容、电感参数计算........................................................................ 34

§4.5 功率管缓冲电路设计................................................................................ 35

§4.6 IGBT 驱动电路........................................................................................... 36

§4.6.1 IGBT 栅极驱动要求.......................................................................... 36

§4.6.2 IGBT 栅极驱动电阻的选择.............................................................. 38

§4.6.3 IGBT 驱动电路设计.......................................................................... 38

§4.7 硬件死区电路............................................................................................ 40

§4.8 本章小结..................................................................................................... 41

第五章硬件控制电路与恒温策略研究................................................................... 42

§5.1 主控制器选择............................................................................................ 43

§5.2 温度检测电路............................................................................................ 44

§5.2.1 炉温检测电路.......................................................................................... 44

§5.2.2 IGBT 温度检测电路.......................................................................... 45

§5.3 母线电流、电压检测与保护电路............................................................. 46

§5.3.1 直流母线电压采集电路.................................................................... 46

§5.3.2 直流母线电流采集电路.................................................................... 47

§5.3.3 保护电路设计.................................................................................... 48

§5.4 人机接口电路............................................................................................. 48

§5.4.1 输入键盘与 LCD 显示电路.............................................................. 48

§5.4.2 系统工作状态与报警电路................................................................ 50

§5.5 风扇驱动电路............................................................................................. 51

§5.6 远程通信电路............................................................................................. 52

§5.7 恒温控制策略............................................................................................. 52

§5.7.1 典型的 PID 控制方式........................................................................52

§5.7.2 电磁炉温控系统................................................................................ 54

§5.8 本章小结..................................................................................................... 55

第六章系统软件设计与结果分析........................................................................... 56

§6.1 系统软件模块化设计................................................................................ 56

§6.2 主程序设计................................................................................................ 57

§6.2.1 初始化模块....................................................................................... 58

§6.2.2 A/D 采样模块 .....................................................................................59

§6.2.3 故障报警模块................................................................................... 60

§6.2.4 温度控制模块................................................................................... 61

§6.2.5 键盘输入模块................................................................................... 62

§6.3 实验结果分析............................................................................................. 63

§6.3.1 实验样机........................................................................................... 63

§6.3.2 测试波形分析................................................................................... 64

§6.4 本章小结..................................................................................................... 67

第七章总结与展望................................................................................................... 68

§7.1 设计目标与阶段成果................................................................................. 68

§7.2 后续工作..................................................................................................... 69

参考文献............................................................................................................... 71

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果......................................... 74

致谢........................................................................................................................... 75

第一章绪论

§1.1 引言

进入 21 世纪以后，我国大力推进科技进步与能源节约，2008 年4月1日，

随着新修订的《节约能源法》的颁布实施，节能减排与资源循环利用已经成为我

国的基本国策，能源发展战略中已经把节能减排放在工作的首位，从而实现资源

耗散密集型社会向资源节约型社会的转型。由此可见，节能减排已在我国提升到

了一种战略性的高度。当今社会在高速发展，环境的污染已经大大超过它的自净

化底线。现在，由于人们极大地寻求经济的发展而给周围的环境带来了很大的损

害。不能做到可持续发展的要求，能源的浪费与消耗很大。为要真正做到节能减

排，就必需从我们自身入手，使用清洁能源、降低能源损耗、提高能源的利用率。

对于企业效益来说，减少能源，特别是电能的消耗将有效地减少生产成本，提高

企业利润。在需要电加热的行业领域，以前大多数都是采用传统的燃烧煤、石油、

天然气等明火加热方式，或者采用电阻丝加热的方式，电能消耗高，对于环境的

污染也很大[1~3]。

在法拉第发现电磁感应现象以后，人们发现交变的电流会在金属导体中产生

感应涡电流，涡流热效应导致导体发热。但是长期以来，人们在各种应用场合尽

量去抑止这种热现象的产生，希望通过抑制涡流来减少热能耗损。一直到 19 世

纪末期，大家才发现该种现象也有利好的一面，即使将它应用到感应加热的场合。

人们一直在寻求把电磁感应理论运用在工业领域，经过前人的不断努力实践，直

到20 世纪初，感应加热技术是才真正开始应用于工业领域。以前苏联为代表的

一些欧洲国家在这技术的发展起到了很重要的作用。由于感应加热方式在热处理

行业具有加热速度快、热效率高、加热均匀、环境污染很小、可控性好及易于实

现生产自动化等众多优点，因此此技术得到了迅速发展。

随着世界经济全球化的迅猛增长，能源及原料的严重供不应求的现状。石油、

天然气等不可再生能源的浪费巨大，很大程度没有达到节能的发展要求。在工业

热处理行业来说，能源的消耗与浪费更是达到惊人的地步，以塑胶热处理行业为

例，我国是塑料生产和消耗大国，能源消耗十分惊人，达到了工业能源消耗的

30%左右。随着近几年来世界经济的不景气和生产技术的发展缓慢，制造业成本

增加了不少，虽然我们不能去发展新型能源来取代电能或者其他传统能源来提升

塑胶行业的发展性需求，但是节能可以作为企业增效、降低生产成本、提高企业

在行业竞争力的重要手段，已经具有特别的经济和环保意义，并逐步的被企业家

工业电磁炉智能控制器研究

和广大用户所认识和接受[4]。其次，世界上任何一个国家都不可能避免日益全球

化的能源危机问题，随着经济的增长，对石油的需求加大，能源问题已经在向着

新的方向和新的领域延伸和发展，而工业电磁炉则是用电能来取代煤气、柴油等

传统不可再生燃料，顺应时代的发展趋势，积极响应国家节能减排的口号，把节

能减排作为调整经济结构、转变经济发展方式、推动科学发展的重要抓手和突破

口，感应加热方式将逐步取代以传统加热方式为主的工业加热设备，成为今后主

流的发展趋势[5]。

相对于工业电磁炉来说，家用电磁炉以及商用电磁炉在市场已经有了广泛的

应用，目前发展也是最快，是市场增长幅度最高的家电产品之一。形成了以美的、

苏泊尔、奔腾等有规模的大型企业，已经在厨房电器等领域带来了一场意义非凡

的革命。但是对于工业领域来说，工业电磁炉的发展还是比较的缓慢，技术有待

于改进和创新，但是这已经在向着节能的方向发展，是一个很好的趋势。有待于

技术推广和广泛使用。

所以，就目前来看，节能减排和环境污染问题是政府也是个人最头疼的问题，

若要解决此类问题就要从环境危害源着手，提高能源的利用率，提倡绿色工业，

提高全社会的额减少生活垃圾排放，节能环保意识。在工业热处理领域，电磁炉

的发展将促进节能减排的措施的很好实施。

§1.2 国内外研究现状

§1.2.1 国外研究现状

工业电磁炉是基于磁感应加热来实现的，基本实现原理源于法拉第发现的电

磁感应现象，也就是高频交变电流会在加热导体中产生感应涡电流，从而导致导

体发热。电磁炉按频率范围可分为以下等级：500Hz 以下为低频，1～10KHz 为

中频；20KHz 以上为超音频和高频。1890 年瑞典发明了第一台电磁炉，成为了

电磁炉研究发展的始祖。直到后来，美国科学家发明了一种闭槽有芯炉，那时才

开始把感应加热技术真正逐渐带入一种实用化应用阶段。工业电磁炉的发展与电

力电子器件的发展密切相关。20 世纪以后，伴随着电力电子器件和其他相关技

术的快速发展，很好地促进了感应加热技术的进一步发展[6] 。

直到 1957 年，随着晶闸管的新兴面世，从此标志着现代电力电子技术的开

端，这也相应也相应地引发了感应加热的技术革新[7]。

1966 年，欧洲等技术强国

开始利用新型开关器件来研制感应加热产品，从此感应加热技术开始突飞猛进的

发展。全世界范围内都在研究怎么利用感应加热技术区改变现有的加热技术，提

高能源的利用率，真正地往节能方面发展。

上世纪 70 末至 80 年代初，人们将现代半导体集成技术与功率半导体技术进

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摘要在当今大力倡导节能减排的形势下，工业热处理行业的运用效果不是很好，主要表现在加热效率低、耗能严重、对环境的污染大等缺点。在出现电磁感应加热以后，相关领域正在试图采用此办法来解决此类问题。电磁炉就是基于电磁感应原理而制作的，但是，相比于民用、商业电磁炉等传统感应加热应用领域，工业电磁炉的的发展还很缓慢，主要表现在人们对传统电和煤气加热方式的依赖和传统加热能源的观念转变不好，很大一部分企业的技术革新速度慢，不愿意花成本根本上解决能源利用率问题。虽然有些企业或者研究机构正在对此进行一定的改进，但是效果不是很好，这很大一部分体现在电磁炉控制器的效率低、电路拓扑结构复杂、操作控制不良等缺点。本文在不...

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