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大型工件感应加热关键技术研究

作　者: 曹宏
导　师: 王秀莲; 王铁峰
学　校: 沈阳理工大学
专　业: 控制工程
关键词: 感应加热 电压型逆变器 有限差分模型 电磁场 温度场
分类号: TM924
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


感应加热是利用电磁感应的方法使被加热工件内部产生涡电流，依靠这些涡流的能量达到加热目的。随着感应加热理论和技术的不断发展，感应加热已经应用工业各个领域。然而基于试验的传统设计方法却耗时费力，并且成本高。因此，感应加热数值模拟计算具有重要意义。目前，很多研究人员开始对感应加热数值模拟方法进行研究，并已取得了一定的成果。本文根据PWM控制技术设计感应加热电源，采用温度和功率的闭环控制进行功率调节；并研究建立有限差分计算模型，实现对45#钢大型圆柱体工件的感应加热过程温度计算。全文内容分为4章：第1章，简述了本文选题背景和意义。分析了国内外学者在感应加热电源部分和数值模拟方面所做的研究工作，最后给出了本文主要研究内容。第2章，介绍了感应加热电源主电路结构。详细分析了逆变器的结构和工作状态，最终选择电压型逆变器进行电源部分主电路设计。叙述了感应加热电源功率调节的几种方法，采用PWM波控制方法进行电源控制系统设计。最后，分析了感应加热系统中的温度控制过程，采用数字PI控制算法实现了电源的输出功率与温度的闭环控制，并给出了闭环控制规则。第3章，根据传热学的基本理论推导了感应加热数值模拟通用计算模型，并采用控制容积法和有限差分法建立了一维有限差分模型和二维有限差分模型。随后进行了感应加热相关理论分析和边界情况分析。最后，总结本文所研究的感应加热系统的所有有限差分模型。第4章，搭建以45#钢为材料的大型圆柱体工件的感应加热实验系统。给出了感应加热有限差分模型计算的软件系统流程图。分析了感应加热过程中关键问题处理方法。给出了有限差分模型计算的在线和离线计算过程展示。最后对比实际测温分析了感应加热过程结束时各离散单元的温度分布情况。最后，对全文进行总结，并对感应加热装置优化和数值模拟计算新方法进行展望。

全文目录


摘要  6-7
Abstract  7-12
第1章 绪论  12-20
  1.1 选题的背景和意义  12-13
  1.2 感应加热发展现状及动态  13-18
    1.2.1 感应加热控制装置的发展现状及动态  13-14
    1.2.2 数值模拟方法的发展与现状  14-18
  1.3 本文的工作  18-20
第2章 感应加热电源原理分析及设计  20-34
  2.1 串并联逆变器分析  20-23
    2.1.1 电流型逆变器和电压型逆变器的比较分析  21-22
    2.1.2 电压型逆变器的工作状态分析  22-23
  2.2 感应加热电源功率调节方法  23-25
    2.2.1 调压调功  23
    2.2.2 脉冲频率调制调功  23-24
    2.2.3 脉冲密度调制调功  24-25
    2.2.4 脉冲宽度调制调功  25
  2.3 感应加热电源系统设计  25-29
    2.3.1 感应加热电源供电系统结构图  25-26
    2.3.2 感应加热电源的主要技术指标  26
    2.3.3 单相桥式整流电路  26-27
    2.3.4 单项桥式逆变电路  27-29
  2.4 感应加热的控制系统  29-33
    2.4.1 感应加热过程中温度控制  29-30
    2.4.2 感应加热电源的控制算法  30-32
    2.4.3 DSP 的数字 PI 控制算法实现  32-33
    2.4.4 感应加热过程中功率和温度的闭环控制规则  33
  2.5 本章小结  33-34
第3章 感应加热有限差分模型建立  34-47
  3.1 感应加热数值模拟通用导热模型  34-36
    3.1.1 傅里叶定律  34
    3.1.2 感应加热数值计算通用导热模型的推导  34-36
  3.2 感应加热数值计算有限差分模型  36-39
    3.2.1 一维不稳定导热差分模型的建立  36-38
    3.2.2 二维不稳定导热差分模型的建立  38-39
  3.3 有限差分模型的分析  39-45
    3.3.1 感应加热相关理论  39-41
    3.3.2 显示有限差分模型的稳定性  41-42
    3.3.3 感应加热涡流及内热计算  42-44
    3.3.4 感应加热有限差分模型边界情况分析  44-45
  3.4 感应加热温度计算有限差分模型概括  45-46
  3.5 本章小结  46-47
第4章 感应加热软件部分及计算结果分析  47-62
  4.1 感应加热计算程序流程图  47-48
  4.2 关键问题处理  48-53
    4.2.1 环境温度的处理  48-49
    4.2.2 材料物性参数变化问题  49-51
    4.2.3 涡流分布影响  51
    4.2.4 感应加热线圈与工件感生电流相互影响的处理  51-52
    4.2.5 离散单元的划分  52-53
  4.3 模型温度计算过程叙述  53-54
  4.4 模型计算结果及分析  54-61
    4.4.1 感应加热计算参数准备  54-56
    4.4.2 模型计算结果及分析  56-61
  4.5 本章小结  61-62
结论  62-64
参考文献  64-68
攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果  68-69
致谢  69-70

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电气化、电能应用 > 电热
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