本文關(guān)鍵詞：高頻感應(yīng)加熱裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其數(shù)值分析

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【摘要】：高頻感應(yīng)加熱裝置作為一種非接觸式加熱設(shè)備,具有加熱效率高、工作環(huán)境好、節(jié)能環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn),在金屬件的淬火和熔煉中有著廣泛應(yīng)用。鐵基催化劑作為一種非金屬材料,目前主要采用傳統(tǒng)的熱熔融法進(jìn)行生產(chǎn),收得率低且品質(zhì)不高,而在高頻感應(yīng)加熱工藝下能大大提高其成分均勻性和催化活性。此外,工業(yè)上應(yīng)用的高頻感應(yīng)加熱裝置普遍存在控制精度不高的問題。針對(duì)這一情形,結(jié)合數(shù)字化和智能化控制技術(shù)對(duì)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,設(shè)計(jì)一套適用于非金屬材料的高頻感應(yīng)加熱裝置,在今后的進(jìn)一步研究中具有指導(dǎo)意義。本文以4kW/250kHz的高頻感應(yīng)加熱裝置為研究對(duì)象,首先介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及各個(gè)部分的工作原理,并對(duì)所包含的不同電路類型的工作特性進(jìn)行了對(duì)比分析,確定了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。主電路部分采用單相不可控橋式整流加電容濾波的形式得到直流電壓,選擇MOSFET功率開關(guān)器件組成的串聯(lián)諧振逆變電路進(jìn)行逆變過程,并在輸出端接入隔離變壓器與負(fù)載相連�？刂撇糠植捎妹}沖寬度調(diào)制法對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié),同時(shí)對(duì)負(fù)載工作頻率進(jìn)行跟蹤使其保持在諧振狀態(tài),并以此設(shè)計(jì)了基于ATmega128單片機(jī)的數(shù)字鎖相環(huán)和模糊PID控制器。然后根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo)確定了主電路的元器件參數(shù)以及控制部分各模塊的電路結(jié)構(gòu),并給出了頻率跟蹤模塊和功率控制模塊的程序流程圖。最后在Simulink仿真環(huán)境下建立了高頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)的仿真模型,對(duì)輸出電壓和電流波形進(jìn)行觀察。同時(shí)根據(jù)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的相關(guān)理論得到的數(shù)學(xué)模型和邊界條件,利用ANSYS軟件建立了系統(tǒng)負(fù)載的有限元模型,并在不同工況下進(jìn)行數(shù)值分析,觀察物料的溫度分布情況。仿真結(jié)果顯示,系統(tǒng)的輸出電壓和電流波形在不同的移相角下保持相同的相位關(guān)系,表明鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)了諧振頻率的有效跟蹤,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性;物料在供電頻率越高的情況下溫度上升速度越快,表面與心部溫差越大,集膚效應(yīng)越明顯,且供電頻率處于200kHz至250kHz時(shí)系統(tǒng)加熱效率最好。
【關(guān)鍵詞】：感應(yīng)加熱 非金屬材料 數(shù)字鎖相環(huán) 模糊PID控制器 數(shù)值分析
【學(xué)位授予單位】：武漢工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TG155.21
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 感應(yīng)加熱的基本原理11-12
• 1.2 感應(yīng)加熱裝置的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)12-15
• 1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀13-14
• 1.2.3 未來研究方向14-15
• 1.3 本課題的選題意義及研究?jī)?nèi)容15-17
• 1.3.1 本課題的選題意義15
• 1.3.2 本課題的主要研究?jī)?nèi)容15-17
• 第2章 非金屬材料高頻加熱機(jī)理及其關(guān)鍵技術(shù)17-35
• 2.1 鐵基催化劑高頻加熱性能分析17-18
• 2.2 高頻加熱系統(tǒng)的電源變換原理18-23
• 2.2.1 直流電變換原理18-20
• 2.2.2 高頻加熱電源濾波原理分析20-21
• 2.2.3 電源加熱效率與逆變?cè)矸治?/span>21-23
• 2.3 高頻加熱電源與負(fù)載線圈之間的匹配關(guān)系23-27
• 2.3.1 變壓器在高頻感應(yīng)加熱裝置中的作用23
• 2.3.2 負(fù)載的等效模型分析23-24
• 2.3.3 高頻加熱串聯(lián)諧振電路特性分析24-25
• 2.3.4 高頻加熱并聯(lián)諧振電路特性分析25-27
• 2.4 高頻加熱系統(tǒng)控制特征分析27-33
• 2.4.1 高頻感應(yīng)加熱過程中的功率調(diào)節(jié)28-31
• 2.4.1.1 脈沖頻率調(diào)制法28-29
• 2.4.1.2 脈沖密度調(diào)制法29
• 2.4.1.3 脈沖寬度調(diào)制法29-31
• 2.4.2 數(shù)字鎖相環(huán)的應(yīng)用31-32
• 2.4.3 模糊PID控制器簡(jiǎn)介32-33
• 2.5 本章小結(jié)33-35
• 第3章 高頻感應(yīng)加熱裝置的設(shè)計(jì)35-65
• 3.1 高頻感應(yīng)加熱裝置的整體設(shè)計(jì)方案35-36
• 3.2 高頻感應(yīng)加熱裝置主電路設(shè)計(jì)計(jì)算36-41
• 3.2.1 整流濾波電路的設(shè)計(jì)計(jì)算36-37
• 3.2.2 逆變電路的設(shè)計(jì)計(jì)算37-38
• 3.2.3 變壓器的設(shè)計(jì)計(jì)算38-39
• 3.2.4 負(fù)載諧振電路的設(shè)計(jì)計(jì)算39-41
• 3.3 高頻感應(yīng)加熱裝置控制電路設(shè)計(jì)41-56
• 3.3.1 高頻感應(yīng)加熱裝置的整體控制策略41-43
• 3.3.2 ATmega128單片機(jī)的應(yīng)用43-44
• 3.3.3 頻率跟蹤部分44-48
• 3.3.3.1 它激信號(hào)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)44-45
• 3.3.3.2 它激轉(zhuǎn)自激啟動(dòng)電路的設(shè)計(jì)45-46
• 3.3.3.3 數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)46-48
• 3.3.4 功率控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)48-53
• 3.3.4.1 信號(hào)采樣調(diào)理電路的設(shè)計(jì)48-50
• 3.3.4.2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)50-53
• 3.3.5 其他部分53-56
• 3.3.5.1 控制電路工作電源的設(shè)計(jì)53
• 3.3.5.2 死區(qū)產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)53-54
• 3.3.5.3 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)54-55
• 3.3.5.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)55-56
• 3.4 高頻感應(yīng)加熱裝置的SIMULINK仿真56-64
• 3.4.1 Simulink仿真軟件簡(jiǎn)介56
• 3.4.2 高頻感應(yīng)加熱裝置系統(tǒng)建模56-61
• 3.4.3 仿真結(jié)果分析61-64
• 3.5 本章小結(jié)64-65
• 第4章 高頻感應(yīng)加熱裝置負(fù)載的數(shù)值分析65-75
• 4.1 有限元法簡(jiǎn)介65
• 4.2 感應(yīng)加熱的電磁場(chǎng)有限元分析65-67
• 4.2.1 電磁場(chǎng)的基本理論65-66
• 4.2.2 感應(yīng)加熱渦流場(chǎng)基本方程66-67
• 4.2.3 邊界條件分析67
• 4.3 感應(yīng)加熱的溫度場(chǎng)有限元分析67-69
• 4.3.1 傳熱學(xué)基本知識(shí)67-68
• 4.3.2 感應(yīng)加熱溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型68-69
• 4.3.3 邊界條件分析69
• 4.4 負(fù)載的溫度場(chǎng)模擬及其結(jié)果分析69-75
• 4.4.1 耦合場(chǎng)的分析方法69-70
• 4.4.2 負(fù)載的數(shù)值計(jì)算模型70
• 4.4.3 不同工況下負(fù)載的模擬計(jì)算70-73
• 4.4.4 模擬結(jié)果分析73-74
• 4.4.5 本章小結(jié)74-75
• 第5章 結(jié)論與展望75-77
• 5.1 主要結(jié)論75-76
• 5.2 后期研究展望76-77
• 參考文獻(xiàn)77-81
• 致謝81

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