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研究生:許國展
研究生(外文):Kuo-Chan Hsu
論文名稱:應用於感應加熱的負載串聯共振電壓型反流器設計與研製
論文名稱(外文):Design and Implementation of Voltage-Fed Load Series Resonant Inverter for Induction Heating System
指導教授:何金滿何金滿引用關係
指導教授(外文):Jin-Maun Ho
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電機工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:123
中文關鍵詞:加工物件微處理器數位化高頻感應加熱器零電壓切換相移式脈波寬度調變技術電磁干擾
外文關鍵詞:fully digital high frequency induction heating smicroprocessorworkpieceselectromagnetic interferencesphase-shifted full-bridge zero-voltage-switched
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感應加熱技術是二十世紀初才開始應用於工業界,由於它具有加熱速度快、安全性高、產品質量好、幾乎無環境污染等許多優點,而得到迅速的發展。另一方面,隨著半導體元件製作技術的進步,反流器上的功率開關能夠操作在更高頻率的範圍,使得高頻感應加熱裝置具備了輕、薄、短、小、效率高的特色。
本論文的主要目標在建立一個以單晶片TMS320C240微處理器為基礎的數位化高頻感應加熱器。此數位化高頻感應加熱器已將切換頻率提高至70kHz,減短加熱過程所需的時間,並使用零電壓切換相移式脈波寬度調變技術,降低功率開關元件之切換損失、切換應力及電磁干擾。有鑑於加工物件在加熱過程中,其本身的電氣特性會隨之而改變,致使共振頻率亦隨著加熱時溫度之變化而變動。所以利用變頻控制技術來使驅動頻率追隨共振頻率,促使系統在運轉時的效率隨時保持於最佳狀態。同時,為了能夠調整輸出功率,乃藉由相移脈波寬度調變控制技術來改變輸出電壓的工作週期,來達成此一目標。
最後,將對加熱時產生的負載參數變化現象以及在負載變動下反流器的運轉性能等進行實際的量測及探討,並驗證此零電壓切換技術的確提高了系統的整體效率。
Since the early twentieth century, induction heating have been widely used and rapidly developed in the industrial applications because of their distinctive advantages such as high-speed heating, safety, high products quality, cleanliness, and etc.. In addition to this, with tremendous advance in the latest power semiconductor devices permiting switches of inverters to operate under high frequencies, the induction heating systems have become lighter, compacter, and more efficience.
The main purpose of this study is to investigate the application of a single chip, TMS320C240, microprocessor to a fully digital high frequency induction heating system. By using the phase-shifted full-bridge zero-voltage-switched PWM technique, this system can reduce switching loss, component stress, and electromagnetic interference of power semiconductor devices. In induction heating applications, because the electrical characteristics of the workpieces will change in the processing, the circuit resonant frequency must be changed in accordance. Hence, the variable frequency control technique is used for tracking the resonant frequency to keep the system operating at the optimal condition. The phase-shift Pulse-Width-Modulated (PWM) is used for regulating the duty-cycle to control the output power.
Finally, the efficiency of this heater are measured and analyzed under load variations. Experimental results show that the ZVS PWM technique can improve the efficiency of this system.
目 錄
中文摘要………………………………………………2
英文摘要………………………………………………3
誌謝……………………………………………………4
目錄……………………………………………………5
表目錄…………………………………………………9
圖目錄…………………………………………………10
第一章 緒 論
1.1 研究背景及動機…………………………….….15
1.2 研究內容…………………………………………16
1.3 研究貢獻…………………………………………16
1.4 論文架構…………………………………………17
第二章 感應加熱系統理論基礎與負載特性分析
2.1 基本原理…………………………………………19
2.2 感應加熱系統之設計考量………………………21
2.2.1 系統頻率與功率…………………………..…21
2.2.2 加工物件上的電阻係數………………………25
2.2.3 加工物件上的相對導磁係數……………..…27
2.2.4 溫度分佈…………..…………………………29
2.2.5 加熱時間………………………………………30
2.3 加熱線圈之型式……………………………..…31
2.4 電磁效應…………………………………………34
2.5 焦耳效應…………………………………………40
2.6 加熱負載參數模型………………………………42
2.7 感應加熱之優點與應用…………………………44
第三章 全橋相移式零電壓轉換器簡介
3.1 柔性切換技術簡介………………………………47
3.2 主電路架構………………………………………48
3.3 電路動作原理……………………………………50
3.3.1 切換週期等效回路分析………………………51
3.3.2 共振週期能量分析……………………………60
第四章 高頻感應加熱系統硬體與軟體之設計
4.1 高頻感應加熱器電路架構………………………62
4.2 EMI濾波器設計…….…………..…………….63
4.3 整流器與濾波電容器的選取……..……………65
4.3.1 整流器的選取…………………………………65
4.3.2 濾波電容器的選取……………………………65
4.4 開關功率元件的選取……………..……………66
4.5 MOSFET開關保護電路 …………………..……67
4.6 驅動與隔離電路…………………………..……72
4.7 相移電路…………………………………………73
4.8 匹配變壓器之設計………………………………76
4.9 加熱線圈之設計…………………………………78
4.10 諧振電容之設計.………………………………79
4.11 TMS320C240數位信號處理器簡介……..……80
4.12 系統控制電路之設計與分析……….…………83
4.13 保護電路之設計…….…………………………86
4.13.1 過電壓保護……….…………………………86
4.13.2 過電流保護………….………………………87
4.14 功率與頻率控制方法……….…………………87
4.14.1 數位PID控制器…….……………………….88
4.14.2 電流回授電路………….……………………90
4.14.3 頻率回授電路………….……………………91
4.15 軟體規劃與設計……….………………………91
4.15.1 加熱系統主程式 ……………………………92
4.15.2 DSP中斷副程式…… ………………………93
第五章 實驗結果討論
5.1 驅動信號之量測…………………………………95
5.2 柔切性能之量測…………………………………96
5.3 相移之量測………………………….…………101
5.4 匹配變壓器一、二次側電壓、電流的量測….101
5.5 負載共振頻率的量測………………………….105
5.6 加熱時間的量測……………………………….105
5.7 負載參數條件變動下的量測………………….107
5.8 實體照片圖…………………………………….109
第六章 結論與展望…………………………………117
參考文獻…………………………………………….119
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