CN103731043B - 一种用于淬火的微型高频加热电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运行成本低、效率高的用于淬火的微型高频加热电源，包括整流调压系统、高频谐振发生系统及控制系统。整流调压系统包括整流桥、两个平波电抗器、正、负极平衡线圈及滤波电容组；高频谐振发生系统包括高频功率组件、谐振电容槽路；高频功率组件包括四个功率器件，两个并联构成正极，另两个并联构成负极的方式再并联在所述正、负极平衡线圈的另一端；谐振电容槽路包括四个电容及短路线圈；电容C2和电容C3串联后与高频功率组件的正、负极并联，所述电容C1与电容C4一一对应地与高频功率组件的正、负极串联；短路线圈与高频功率组件的正、负极并联，且该短路线圈的中点与电容C2和电容C3的连接节点连接。

Description

一种用于淬火的微型高频加热电源

技术领域

本发明涉及一种用于淬火的加热电源，具体涉及一种用于淬火的微型高频加热电源。

背景技术

目前，热处理行业在国内众多领域都得到了蓬勃发展，主要是由于随着我国机械制造业的不断发展，我国对航天、军用品、汽车以及一些高端机械零部件的质量需求不断提高，特别是一些需要表面热处理的要求越来越高，对淬火热处理设备的需求也不断提出了各种要求。就目前国内情况而言，高频淬火设备主要还是分成两类：一种是老式的采用真空电子管的高频设备，另一种是新型的采用集成电路的，俗称固态的高频设备。由于真空管的高频设备能耗高、体积大，并且使用高电压（通常在1万伏特以上），因此不利于维修保养，且真空管有使用寿命，价格高。所以真空管的高频设备在淬火热处理行业已成为非主流产品，并不断被固态的高频设备替换。目前高频淬火设备主流产品有使用IGBT元器件作为逆变主要元件的中高频感应加热的淬火设备，其加热频率通常在100KHz，小功率时可以达到150-200KHz，适用加热体积较大、且加热深度较深的产品。对于小体积、高精度、以及大面积、加热深度浅的产品，由于需要比较高的频率，就不适用了。

上述热处理淬火用的高频电源存在以下不足之处：

1）IGBT元器件作为逆变主要元件的高频热处理淬火电源只能满足功率，却不能提供较高频率，在对面积较大、淬火深度要求较浅的工件表面热处理，因电源频率要求较高，它就无法满足；

2）电子管高频电源只能提供较高频率，不能满足功率和体积的要求，虽然在加热频率上能满足对于淬火深度要求较浅的工件表面热处理，但其效率太低，体积过于庞大，不利于高精密部件的热处理，且老式电子管运行时发热量较大，电效率较低，此类产品在上世纪90年代开始就逐步让可控硅或IGBT元器件替代。

3）体积大，在处理大部件的表面淬火，需要较大的功率和较高的频率时，现有的MOSFET高频电源超过100KW以上时，大多都采用分离式结构，即直流系统和逆变振荡系统，中间通过电缆连接，使得体积都较大，对于淬火设备来讲，这是个不小的缺陷。特别是老式的电子管高频感应加热的淬火设备，仅振荡柜的体积就超过普通机床。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种用于淬火的微型高频加热电源，它能提供功率达到200KW、频率达到400KHz的高频电源以及功率在50KW，频率可以达到600KHz的高频电源，并且运行成本低、效率高，可大幅度降低企业的生产成本。

本发明的目的是这样实现的：一种用于淬火的微型高频加热电源，包括整流调压系统、高频谐振发生系统及控制系统，其中，

所述整流调压系统包括三相全桥整流桥、两个平波电抗器、正、负极平衡线圈及滤波电容组；两个平波电抗器分别与整流桥的正、负极输出端串联；正、负极平衡线圈一一对应地与两个平波电抗器的另一端串联；滤波电容组并联在正、负极平衡线圈的另一端；

所述高频谐振发生系统包括高频功率组件和谐振电容槽路；所述高频功率组件包括四个MOSFET功率器件，该四个MOSFET功率器件以两个并联构成正极，另两个并联构成负极的方式再并联在所述正、负极平衡线圈的另一端；所述谐振电容槽路包括四个电容C1～C4及短路线圈；所述电容C2和电容C3串联后与高频功率组件的正、负极并联，所述电容C1与电容C4一一对应地与高频功率组件的正、负极串联；所述短路线圈与高频功率组件的正、负极并联，且该短路线圈的中点与所述电容C2和电容C3的连接节点连接；

所述控制系统包括PLC控制器、第一直流控制板、第二直流控制板、高频触发板以及三相输入电压反馈板、直流触发器及高频反馈板，所述第一直流控制板分别与三相输入电压反馈板及所述PLC控制器连接，所述三相输入电压反馈板与所述整流调压系统的输入端连接；所述第二直流控制板分别与所述第一直流控制板及所述直流触发器连接，所述直流触发器与整流调压系统连接；所述高频触发板分别与所述第一直流控制板及所述高频反馈板连接，所述高频反馈板与所述高频谐振发生系统连接。

上述的用于淬火的微型高频加热电源，其中，所述PLC控制器还可连接外围控制器。

上述的用于淬火的微型高频加热电源，其中，所述整流调压系统、高频谐振发生系统及控制系统均集装在一柜体内；所述柜体的中后部设置一块隔板；该柜体的背部铰接一个背包箱，并且在背包箱上铰接一扇箱门；该柜体的两个侧面分别铰接一扇侧门；该柜体的顶面的中后部开设一三相电源进线孔；所述三相全桥整流桥和直流触发器一一对应地安装在所述隔板的后端面的上部和中部；所述正、负极平衡线圈及两个平波电抗器一一对应地安装所述隔板的前方下部和底部；所述滤波电容组安装在所述两个平波电抗器之间的前方；所述高频功率组件及谐振电容槽路依次安装在所述隔板的前方中部；所述短路线圈安装在所述谐振电容槽路的上方；所述高频触发板、第一直流控制板及第二直流控制板依次由高到低安装在所述背包箱内。

上述的用于淬火的微型高频加热电源，其中，所述柜体内的顶面上安装一高频触发板的控制电源。

上述的用于淬火的微型高频加热电源，其中，所述隔板的后端面的下部安装一同步电源。

上述的用于淬火的微型高频加热电源，其中，所述柜体内的底部布置有冷却水管；

上述的用于淬火的微型高频加热电源，其中，所述柜体的正面设有高频电源输出口及柜体接地螺栓。

上述的用于淬火的微型高频加热电源，其中，背包箱内还安装一导轨。

上述的用于淬火的微型高频加热电源，其中，所述背包箱的顶面外和底面外一一对应地安装散热风扇及冷凝器。

本发明的用于淬火的微型高频加热电源，具有以下优势：

1、紧凑型的设计，从三相电源输入到最终高频电源的输出，其体积相对于同样功率和频率等级的其它设备的体积大大减小；本高频加热电源的柜体的尺寸：1270mm（长）×700mm（宽）×1100（高），紧凑型的结构也提高了电能的效率，避免了远距离的电能输送的能量损失；

2、体积的微型化，使得在淬火设备的总体占用空间也大大缩小，为设备的使用方也节省了厂房空间，节省了设备使用方的投资成本；

3、采用高频MOSFET功率组件及特有的拓扑结构的高频谐振电路，使得设备功率在200KW的情况下频率可保持400KHZ，为大面积的工件的表面淬火热处理提供了支持；

4、能够灵活增加或减少的高频MOSFET功率组件，使得电源功率在200KW以内自由配置；

5、拓扑结构的高频谐振电路，结合精确的电容参数配置，使得该设备满足在100KHz-400KHz的灵活选型，并且功率可以达到200KW，且在功率50KW时，频率可以调整至600KHz。

附图说明

图1是本发明的用于淬火的微型高频加热电源的原理图；

图2是本发明的用于淬火的微型高频加热电源中的谐振电容槽路的原理图；

图3是本发明的用于淬火的微型高频加热电源的柜体的立体图；

图4是本发明的用于淬火的微型高频加热电源的柜体的内部侧视图；

图5是本发明的用于淬火的微型高频加热电源的柜体的内部后视图；

图6是本发明的用于淬火的微型高频加热电源的柜体的内部前视图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1和图2，本发明的用于淬火的微型高频加热电源，包括整流调压系统100、高频谐振发生系统200及控制系统。

整流调压系统100包括三相全桥整流桥7、两个平波电抗器13、正、负极平衡线圈15及滤波电容组27；其中，两个平波电抗器13分别与整流桥7的正、负极输出端串联；正、负极平衡线圈15一一对应地与两个平波电抗器13的另一端串联；滤波电容组27并联在正、负极平衡线圈15的另一端。

高频谐振发生系统200包括高频功率组件17和谐振电容槽路16；其中，高频功率组件包括四个MOSFET功率器件，该四个MOSFET功率器件以两个并联构成正极171，另两个并联构成负极172的方式再并联在正、负极平衡线圈15的另一端；谐振电容槽路16包括四个电容C1～C4及短路线圈28，电容C2和电容C3串联后与高频功率组件17的正、负极171、172并联，电容C1与电容C4一一对应地与高频功率组件17的正、负极171、172串联；短路线圈28与高频功率组件17的正、负极并联，且该短路线圈28的中点与电容C2和电容C3的连接节点连接。谐振电容槽路16的输出即为淬火工艺所需要的高频电源。

控制系统包括PLC控制器300、第一直流控制板22、第二直流控制板23、高频触发板21以及三相输入电压反馈板400、直流触发器8及高频反馈板500，第一直流控制板22分别与三相输入电压反馈板400及PLC控制器300连接，三相输入电压反馈板400与整流调压系统100的输入端连接；第二直流控制板23与第一直流控制板22连接并通过信号放大器600与直流触发器8连接，直流触发器8与整流调压系统100连接；高频触发板21分别与第一直流控制板22及高频反馈板500连接，高频反馈板500与高频谐振发生系统200连接。PLC控制器300还可连接外围控制器700。

本发明的用于淬火的微型高频加热电源，其触发控制部分由高频触发板进行有效的触发控制，可以灵活增加或减少的高频功率组件17的数量，在仅有的设计空间内，根据不同的需要实现不同的功率要求，最大可以配置到200KW。谐振电容槽路16的独特的串并联混合谐振拓扑结构，可以在满足功率200KW时，将频率输出至400KHz。这得益于本发明的谐振电容槽路中的四个电容C1、C2、C3、C4，其中，电容C2、C3为并联槽路，由整流调压系统100整流出来的直流电源经过高频功率组件17后直接输入至并联槽路，电容C1、C4为串联槽路，与电容C2、C3构成的并联槽路连接，组成了串并联复合槽路，谐振电容槽路16的输出与负载将会组成谐振电路。本设计的优点在于，如果采用单纯的并联槽路，输出电源在谐振时只能放大电流，输出电源的电压会受直流电压的限制而不能放大。而如果只采用串联槽路，不采用并联槽路与之复合，输出电源只能放大电压，电流将会受限于直流电流不能放大。本发明采用串并联复合结构的谐振电容槽路，可以使得电源输出的电压和电流同时得到倍增放大，从而使得输出电源的功率得到放大。谐振电容槽路的混合谐振拓扑结构能在频率达到400KHz的情况下，功率能释放到200KW；在频率达到600KHz的情况下，功率能释放到50KW。当功率为200KW、频率为400KHz时，谐振电容槽路的四个电容C1、C2、C3、C4的参数为：C1=C4=4.5uF，C2=C3=3uF。

请参阅图1，本发明的用于淬火的微型高频加热电源的工作原理是：三相电源通过整流桥调压系统100将三相交流电源转变为直流，并经过平波电抗器13提高直流电源的纹波质量，将以此得到的直流电源通过高频MOSFET功率组件17分配给谐振电容槽路16，通过设计好的谐振电容槽路16，根据设计的槽路参数得到所需频率下的高频电源。在整个电路工作过程中，三相输入反馈将设备的电源功率使用状态反馈至第一直流控制板22，实现设备功率反馈，且第一直流控制板22通过第二直流控制板23及触发信号放大器600经直流触发器8对整流桥7实现整流调压，实现整机的功率平滑升降。高频触发板21作用于高频MOSFET功率组件，实现对电源的频率控制。并经过反馈装置实现对设备电路频率的监控。设备的PLC控制器300实现设备的外围逻辑控制，且采集第一直流控制板22的信息，监控电源运行状态。

再请参阅图3至图6，本发明的用于淬火的微型高频加热电源中的整流调压系统100、高频谐振发生系统200及控制系统均集装在一柜体1内。柜体1的尺寸为1270mm（长）×700mm（宽）×1100（高）。

柜体1的中后部设置一块隔板20；柜体1的正面3设有高频电源输出口18及柜体接地螺栓19；该柜体1的背部铰接一个能向后开启的背包箱10，并且在背包箱10上铰接一扇箱门5；背包箱10的顶面2外和底面外一一对应地安装散热风扇9及冷凝器11；该柜体1的两个侧面分别铰接一扇侧门25、29；该柜体1的顶面2的中后部开设一三相电源进线孔4；柜体1内的底部布置有冷却水管14；

三相全桥整流桥7和直流触发器8一一对应地安装在隔板20的后端面的上部和中部；隔板20的后端面的下部安装一同步电源12，该同步电源12是实现对三相电源相序的监控；隔板20的后端面还安装三相输入电压反馈板、控制电源变压器以及端子排；

正、负极平衡线圈15及两个平波电抗器13一一对应地安装隔板20的前方下部和底部。

滤波电容组27安装在两个平波电抗器13之间的前方。

高频功率组件17及谐振电容槽路16依次安装在隔板10的前方中部。

短路线圈28安装在谐振电容槽路16的上方。

柜体1内的顶面上安装一高频振荡控制电源6。

高频触发板21、第一直流控制板22及第二直流控制板23依次由高到低安装在背包箱10内，背包箱10内还安装一导轨24、PLC控制器、继电器以及端子排。导轨24用于安装设备的元器件。背包箱10的背面安装控制电源及高频反馈板。

柜体1内各个部件的布置结构和连接都非常合理、有序。电网主电源先进入三相全桥整流桥7，三相全桥整流桥7与平波电抗器连接，电抗器再通过平衡线圈与高频谐振发生系统200的高频MOSFET功率组件连接，高频MOSFET功率组件输出和谐振电容槽路连接，谐振电容槽路的输出即为淬火工艺所需要的高频电源。

本发明的用于淬火的微型高频加热电源的柜体结构和配置，在完成高频表面淬火工艺所需的电源特性要求下，与同类产品比较下，可以大大缩小设备的使用空间，并且运行成本低、效率高，可大幅度降低企业的生产成本。

本发明的用于淬火的微型高频加热电源，将表面淬火领域的设备开发出了一个新的方向，在频率和功率同时满足一定要求的情况下，为表面淬火的新工艺方案提供了样机，紧凑型的结构设计符合了淬火机床的特殊要求。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种用于淬火的微型高频加热电源，包括整流调压系统、高频谐振发生系统及控制系统，其特征在于，

所述整流调压系统包括三相全桥整流桥、两个平波电抗器、正、负极平衡线圈及滤波电容组；两个平波电抗器分别与整流桥的正、负极输出端串联；正、负极平衡线圈一一对应地与两个平波电抗器的另一端串联；滤波电容组并联在正、负极平衡线圈的另一端；

所述高频谐振发生系统包括高频功率组件和谐振电容槽路；所述高频功率组件包括四个MOSFET功率器件，该四个MOSFET功率器件以两个并联构成正极，另两个并联构成负极的方式再并联在所述正、负极平衡线圈的另一端；所述谐振电容槽路包括四个电容C1～C4及短路线圈；所述电容C2和电容C3串联后与高频功率组件的正、负极并联，所述电容C1与电容C4一一对应地与高频功率组件的正、负极串联；所述短路线圈与高频功率组件的正、负极并联，且该短路线圈的中点与所述电容C2和电容C3的连接节点连接；

所述控制系统包括PLC控制器、第一直流控制板、第二直流控制板、高频触发板以及三相输入电压反馈板、直流触发器及高频反馈板，所述第一直流控制板分别与三相输入电压反馈板及所述PLC控制器连接，所述三相输入电压反馈板与所述整流调压系统的输入端连接；所述第二直流控制板分别与所述第一直流控制板及所述直流触发器连接，所述直流触发器与整流调压系统连接；所述高频触发板分别与所述第一直流控制板及所述高频反馈板连接，所述高频反馈板与所述高频谐振发生系统连接，

所述整流调压系统、高频谐振发生系统及控制系统均集装在一柜体内；

所述柜体的中后部设置一块隔板；该柜体的背部铰接一个背包箱，并且在背包箱上铰接一扇箱门；该柜体的两个侧面分别铰接一扇侧门；该柜体的顶面的中后部开设一三相电源进线孔；

所述三相全桥整流桥和直流触发器一一对应地安装在所述隔板的后端面的上部和中部；

所述正、负极平衡线圈及两个平波电抗器一一对应地安装所述隔板的前方下部和底部；

所述滤波电容组安装在所述两个平波电抗器之间的前方；

所述高频功率组件及谐振电容槽路依次安装在所述隔板的前方中部；

所述短路线圈安装在所述谐振电容槽路的上方；

所述高频触发板、第一直流控制板及第二直流控制板依次由高到低安装在所述背包箱内。

2.根据权利要求1所述的用于淬火的微型高频加热电源，其特征在于，所述柜体内的顶面上安装一高频触发板的控制电源。

3.根据权利要求1所述的用于淬火的微型高频加热电源，其特征在于，所述隔板的后端面的下部安装一同步电源。

4.根据权利要求1所述的用于淬火的微型高频加热电源，其特征在于，所述柜体内的底部布置有冷却水管。

5.根据权利要求1所述的用于淬火的微型高频加热电源，其特征在于，所述柜体的正面设有高频电源输出口及柜体接地螺栓。

6.根据权利要求1所述的用于淬火的微型高频加热电源，其特征在于，背包箱内还安装一导轨。

7.根据权利要求1或6所述的用于淬火的微型高频加热电源，其特征在于，所述背包箱的顶面外和底面外一一对应地安装散热风扇及冷凝器。