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磁场的矩形感应器实现了半轴表面和圆角的一次加热淬火，使生产效率提高数倍、半轴的抗弯扭疲劳强度提高10倍。具有故障报警、诊断功能、由计算机自动控制的半轴感应淬火自动生产线已多年稳定投入生产。我国汽车工业的感应热处理已达到国际先进水平。因此，对中频淬火进行研究将有重大的现实意义
[8，10]
。
我国感应加热技术的应用，起源于上世纪50 年代，感应加热技术几乎全
来自前苏联和捷克等国家，主要用于机床、纺机、汽车、拖拉机等制造业。感应加热集中在工件表面淬火方面，熔炼和透热方面用的较少。20世纪60年代，由于和苏联的关系破裂，我国走上了感应加热技术独立发展的道路。这段时间直到改革开放后，由浙大开发了第一台并联式晶闸管中频电源，并向全国推广。有关单位相继也生产了容量在几百kW，频率500 Hz～8 kHz的中频电源。电子管式超音频电源也研制成功，填补了我国8～200 kHz之间的频率缺口。
感应加热电源真正大量应用于工业生产则是20世纪80年代后。近20 多年间我国在感应加热电源和感应加热领域发生了令人注目的变化，此阶段从德国、美国、英国、法国、日本、意大利、西班牙、比利时和俄罗斯等工业发达国家引进了数百套感应加热成套装置（含电源）。粗分类有：各种淬火设备及电源；透热设备及电源；高频钎焊设备；熔炼设备及电源；熔炼设备无心感应炉、有心感应炉。
20世纪90年代，国外的一些感应电炉公司直接到中国来办厂，如美国的英达感应加热公司，彼乐公司等，和国内的同行业厂家同台竞争。他们的产品技术含量高，电源功率大，品牌全，炉子吨位大，生产线规模大，占据了国内的很大一部分市场。只是他们的设备价格高（国内同性能产品大约是其价格的1/10)，这才使技术落后于他们的国内厂家，有了一定的市场发展空间。
国内感应加热方面除了国外在国内的办事机构外，从地域上还分“南派”和“北派”技术和产品方面的竞争。“南派”以浙江大学为中心源，从技术和人事关系上衍生出浙江、上海、江苏一带的感应电炉公司，其代表有振吴、四达、兆力等公司，主导着南方的熔炼炉市场。“北派”是以西安交大、西安电炉研究所、西安重型电炉厂（现西安鹏远重型电炉厂）所在地西安为中心，衍
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生出西安，洛阳，山东，河北，山西等地的电炉公司。仅西安市感应加热的公司就达百家之多，是名副其实的中国电炉设计、制造中心。这些厂家中比较有影响的有西安电炉研究所、西安鹏远重型电炉厂、西安机电研究所、陕西海意机电制造有限公司、西安动化、博大、秦翔、华立等电炉公司。
感应加热的市场发展前景看好，据行内人士讲，西安的几个大的感应炉公司，在2006年、2007年的年产值均在几千万至一个亿之间，而且产值逐年度快速递增。其中电炉所、海意公司、机电所、动化公司等有多台感应炉出口第三世界国家。据证实，仅海意公司一家2006年就向俄罗斯，哈萨克斯坦等国出口2 t、3 t感应炉7台套。
为适应熔炼炉工艺中熔炼和保温工艺的同时需要，国内还开发出了双供电变频电源：一台电源同时输出功率到两台炉体线圈上，这样可使一台变频电源的功率能灵活的分配给两台炉体，即把一台电源的大功率分配给熔炼炉，余下小功率分配给保温炉。
两台炉的功率可自由互补的调整，整体不超过电源输出总功率，也可以同时将小功率输出到两台炉体用以保温。市场上称这种电源为DX中频电源，俗称“一拖二”中频电源。国内“一拖二”电源的电路结构是建立在逆变串联谐振电源的基础上的，前端电路是可控或不控的三相整流电路；中间是直流电路，由电容进行滤波；后端电路由两个独立的半桥串联逆变谐振电路进行逆变，输出两路输出频率和功率可各自调节的中频电压。“一拖二”中频电源功率器件有选晶闸管的，也有选IGBT的，这两种电路都有成熟产品在工业现场运行。这里特别要说明的是“一拖二”变频电源在国外主电路有两种形式：美国应达、比乐电炉公司开发的为串联谐振的“一拖二”；德国容克、ABP公司生产的是并联谐振的“一拖二”。单机容量功率一般在１MW到10 MW。“一拖二”电源尽管市场需求量不大，但很有卖点，是代表感应电炉公司电源开发能力的标志。
近年来，国外感应加热公司的一些新产品，例举如下：
(1)德国SMS Elotherm 公司（原AEG-Elotherm 公司）是国际上著名的感应加热设备制造商，我国进口的曲轴旋转淬火机床，从1966年半自动浸液式曲轴旋转淬火机开始→ 全自动曲轴淬火机→ 柔性全自动曲轴淬火机等，加上通
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用淬火机床有数十台之多。最近该公司又推出具有自动更换感应器的柔性曲轴淬火机，使设备更便于调整。
(2)美国应达公司近年推出固定加热曲轴颈淬火机床。它首先是功率高、时间短，工件不转动；其次淬火与回火工序在一台设备上进行，称为Sharp-C工艺。其感应器是分合型的，但不接触。
(3)美国Welduction公司前几年推出半环锁相工艺（SemiCycle Phase Locked），其感应器是特殊的，不但用于曲轴，并且用于凸轮轴等工件。
上述列举的一些新产品，国内应奋起直追，开发出高水平的产品。此外，在冶金工业，大功率的厚板感应加热装置等，目前仍依赖进口，国内应该进行开发，改变众多企业集中、重复在汽车工业、机械行业这一领域的现状。
总之，淬火技术的应用范围十分广泛，对工业发展起到很大的推动作用，工业中的各个领域都离不开淬火工艺的支持。 2 总体方案设计思路
晶闸管变频电路可以分为两大类：交-交变频电路和交-直-交变频电路，前者的特点是将50HZ的工频交流电变为一定频率的中频交流电，没有中间直流环节。这种变频电路的优点是效率较高，但电路复杂，目前应用极少。交-直-交变频电路的特点是有中间直流环节，通过整流电路先将工频交流电先整流成直流电，再通过逆变电路将它变成一定频率的中频电。这种电路具有结构简单，调试方便，运行可靠，效率高等优点，目前国内外应用较多。
本设计主电路采用交-直-交电流型变频器，逆变器采用电流型并联谐振（8000HZ），控制电路以单片机为中心，通过传感器控制工件的加热温度和通过驱动电路为整流和逆变的器件进行触发导通。如下图2.1所示：
三 相 全 控 整 流 滤波电 路 单 相 逆 变 负 载 驱动电 路 AT89C51 单片机 传感器 驱动电路 LED专 科 毕 业 设 计 第 9 页 共 页
图2.1 中频淬火设计框图
图2.1为中频电源主电路的框图。整流部分将工频交流电整流成脉动的直流电可以通过调节晶闸管的触发角来调节直流电压，从而调节负载电流，并用大的电感来将直流电流滤成比较平滑的波形。逆变部分是将直流电逆变为交流方波，并送入负载电路。负载电路是由感应器和电容器组成的并联谐振电路对工件进行加热。逆变电路输出的中频电流的频率受触发脉冲的控制。当频率接近并联电路的谐振频率时振荡电路阻抗很小，发生谐振，方波在并联振荡电路谐振的作用下波形变得接近正弦波。 3 总设计方案的确定
晶闸管中频电源主电路从原理上分为整流和逆变两部分。本文主要从这两点分析中频感应电源的工作原理，整流、逆变的工作过程。确定整体方案。 3.1 主电路的设计方案确定
主电路由整流、滤波、逆变、负载四部分组成，采用交直交变频电流谐振电路。它具有接线简单、输出频率任意可调、功率因数高等优点[3]。如图3.1
L1C4CAPQ8R11RES2F1FUSE1F2FUSE1F3FUSE1Q11R24RES2Q12R25RES2Q13R26RES2D1DIODESCRC9CAPSCRC10CAPSCRIGBTC11CAPIGBTD1DIODER?RES2CAPL?INDUCTOR1SCRSCRQ9R12RES2SCRC?C5CAPQ10IGBTR14RES2C6CAPINDUCTOR2D1DIODEIGBTD1DIODEABC 图3.1 主电路设计
3.1.1 整流电路的设计
整流，就是把交流电变为直流电的过程。其利用具有单向导电特性的器
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件，可以把方向和大小交变的电流变换为直流电。
整流电路有多种分类方法，按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分为单相电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。
单相可控硅整流电路虽然简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁心直流磁化。这种电路还会导致三相电源的不平衡对电网波形的影响较大，所以只用在小容量的设备中。
当整流负载容量较大或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路。以及六相、十二相脉波可控整流电路等。
三相半波可控整流电路与单相电路相比较，整流电压脉动又要较小些，而且三相负载平衡，电路比较简单，在一定范围内得到广泛应用。但该整流电路变压器二次电流中含有直流分量，且每相只有1/3周期导电，利用率低。所以较大功率的三相整流电路常常采用三相桥式整流电路。
目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路。这种电路在一个周期的换相次数比三相半波整流电路多一倍，即换相六次。整流变压器二次电流中不含有直流分量，利用率高。且这种整流电路的滞后时间为3.3毫秒，为三相半波整流电路的一半。三相桥式全控整流电路大多用于阻感负载和反电动势阻感负载供电[4]。
此外，还有六相整流电路，十二相整流电路等。它们的技术性能要比三相桥式的好，但它们用的晶闸管数量多，投资也多，经济性差。
综上所述，三相桥式全控整流电路较其他几种电路更符合本设计系统的要求，所以本设计采用三相全控整流电路。