中频感应加热炉温度控制系统的数学建模毕业论文

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1、本科毕业设计（论文）开题报告题目：中频感应加热炉温度控制系统的数学建模学生姓名：周虹院（系）：电子工程学院专业班级：自动化0803指导教师：汪跃龙完成时间：2012年3月10日1.课题研究的意义感应加热的基础是法拉第发现的电磁感应现象，即交变的电流会在导体中产生感应电流，从而导致导体发热。其主要应用有：有色金属的冶炼，金属材料的热处理，锻造、挤压、轧制等型材生产的透热，焊管生产的焊缝；各种机械零件的淬火，以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热；罐头以及其他包装的封口；电子管真空除气的加热。由此可见，感应加热的应用十分广泛，它最大的特点是将工件直接加热，优点是工人劳动条件好、工

2、件加热速度快、温度容易控制、加热过程中不会混入金属杂质及金属损耗小、易于实现自动化和在线生产、生产效率高等。感应加热属非接触加热方式，能提供高的功率密度，在加热温度和深度上有高度灵活的选择性，能在各种载气中工作（空气、保护气、真空），损耗极低，不产生任何物理污染，符合环保和可持续发展方针，是绿色环保型加热工艺之一。因此对感应加热系统进行数学建模研究其加热过程中各变量的关系是十分必要的。感应加热炉有工频、中频和高频之分，我们主要研究的是中频感应加热炉。感应电源按频率范围可分为以下等级：500Hz以下为低频，1—10KHz为中频，20KHz以上为超音频和高频。中频感应加热炉一般采用的

3、频率范围为0.5—8KHz。那么中频感应加热炉温度控制系统的工作原理是，系统根据设定的加热温度、生产的线速度等参数，把加热材料所需的热能换算成电能，根据所需的电功率设定整流电压，然后由电压电流双闭环系统控制晶闸管完成直流电压的调节。逆变器为自激系统，不可调。这样系统就把电能转变成热能，使材料加热到所需的温度。对中频感应加热炉温度控制系统进行数学建模，建立其电源电压、电流、电涡流、发热量、温升的电学及热力学方程。感应加热系统的数学建模研究的有电涡流与发热量之间的关系，因被加热材料的形状、种类和温度的不同而有着不同的阻抗，则其电涡流与发热量之间的关系也就不一样。除此之外研究的还有发热

4、量与温升之间的关系，影响它们关系的因素有加热停留时间，入口温度和环境温度。只要弄清楚了这些关系就能更清楚的了解电源电压、电流频率与温升之间的关系，清楚影响温度调节的各个因素，从而更好地对温度进行控制。通过对其控制系统的数学建模，我们就可以更精确的对温度进行控制，从而得到频率与温升的最佳方程，使电能得到最高效的利用，从而在最快的时间内达到所需要的最准确的温度，减少工件的废品率，并提高生产效率。2.国内外的研究历史及现状2.1国内外研究历史1890年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉——开槽式有芯炉，1916年美国人发明了闭槽有芯炉，从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。20世纪电力电

5、子器件和技术的飞速发展，极大地促进了感应加热技术的发展。1957年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电子技术的开始，也引发了感应加热技术的革命。1966年，瑞士和西德首先利用晶闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。20世纪80年代后，电力电子器件再次快速发展，GTO、MOSFET、IGBT、MCT及SIT等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件。现在比较常用的是IGBT和MOSFET，IGBT用于较大功率场合，而MOSFET用于较高频率场合。据报道，国外可以采用IGBT将感应加热装置做到功率超过1000kW，频率超过5

6、0kHz。而MOSFET较适用高频场合，通常应用在几千瓦的中小功率场合，频率可达到500kHz以上，甚至几兆赫兹。我国感应热处理技术的真正应用始于1956年，从前苏联引入，主要应用在汽车工业。随着20世纪电源设备的制造，感应淬火工艺装备也紧随其后得到发展。2.2加热炉的现状及分类目前感应加热制造业的服务对象主要是汽车制造业，今后现代冶金工业将对感应加热有较大需求。尤其是现在国内感应淬火工艺装备制造业也日益扩大，产品品种多，原来需要进口的装备，逐步被国产品所取代，在为国家节省外汇的同时，发展了国内的相关企业。如今，感应加热与可控气氛热处理、真空热处理少无氧化技术已成为热处理技术的发

7、展主流。加热炉的种类很多，其中感应电炉按结构分，有坩埚式（通常称无芯感应电炉）和沟槽式（通常称有芯感应电炉）两大类。坩埚式按频率分，有工频和中频。沟槽式又可分为卧式和立式。2.3各种加热炉系统的数学模型2.3.1简易的加热炉温度系统数学模型以下是一个很简单的加热系统的数学模型，给出了加热材料所需的热功率与材料穿过线圈速度的关系：（2.1）（2.2）（2.3）式中：—材料的截面积，；—材料的体积质量，kg/；—材料的质量热容，J/(kg·K)；—材料的人口温度，℃；—材料的出口温度