[硕士论文精品]并联谐振高频逆变电源的研究.pdf

摘要 摘要 本文以高频感应加热逆变电源为研究对象，以i g b t 为开关器件，采用并联型谐振 逆变拓扑，完成2 0 k h z 4 0 k w 并联型高频感应加热逆变电源的设计。 文中回顾了感应加热技术的发展史，介绍了相关的基本知识，同时对电力电子器件 的发展以及感应加热电源的发展状况做了总结。描述了并联谐振逆变器的调功方法。分 析了感应加热电源常用的两种拓扑结构，并联型谐振逆变器的工作原理。 通过对并联型谐振逆变器各种工作状态的分析，得出其必须工作在容性近谐振状态 下才是安全可靠的结论。通过采用锁相环技术实现了逆变器工作频率的自动跟踪和容性 逆变角度的控制，提出了一种他激转自激方法。设计了适用于并联谐振型逆变器的i g b t 驱动与保护电路。给出了整流控制电路，逆变控制策略及电路，i g b t 驱动电路，过压过 流保护电路。 关键词：感应加热；并联谐振；重叠时间：i g b t 驱动；保护电路 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e do nh i 曲f i e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y ：a d o p t i n g p a r a l l e lr e s o n a n tt o p o l o g y ；a2 0 k h z 4 0 k ws u p p l yh a sb e e nd e s i g n e dw h i c hu s e sp o w e ri g b t a si t ss w i t c h i n gd e v i c e s i ti n t r o d u c e dt h eh i s t o r y 锄dt h eb a s i ck n o w l e d 固eo fi n d u c t i o nh e a t i n gt e c h n o l o g y ，a i l dt h e d e v e l o p m e n to fp o w e rd e v i c e sa n dt h ei n d u c t i o nh e a t i n g t e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d 鹊w e l l c o m p a r e st h et 、v ob a s i cr e s o n a n tt o p o l o g i e s 锄dt h ep a r a n e lo n e i sm a i n l yf 0 c u s e d i t sb a s i c p e r l 白锄i n gp r i n c i p l e t h l 0 u g l lt h ea n a l y s i so fd i f f e r e n to p e r a t i n gs t a t e s ， i ti sp o i n t e do u tt h a tac a p a c i t i v e q u a s i r e s o n a n ts t a t ei sas a f ba n de 伍c i e n tw o r k i n gc o n d i t i o nf o rap a r a l l e li n v e r t e r as t a r t i n g m e t h o di sb r o u 2 h tf o n v a r dw h i c hs w i t c ht h es t a n i n g6 o ms 印a r a t ee x c i t i n gt os e l f e x c i t i n g s u c c e s s 内l l y ；p l l ( p h a s el o c kl o o p ) t e c h n o l o g yi se m p l o y e dt or e a i i z et h e 舶q u e n c y 仃a c i n g a n dc o n s t a j l tp h a s ea n g l ec o n t r o l ：i g b td r i v i n ga n dp r o t e c t i v ec i r c u i ts u i t a b l ef 0 r p a r a l l e li n v e r t e ri sd e v e l o p e d ，w h i c hs u c c e s s m l l ys o l v et h ep r o b l e mo f t i m ec o m p e n s a t i n ga n d o v e r l a p p i n gr e g u l a t i o nf o rt h e “v i n gs i 印a l s i t g i v e st h ep o w e rs u p p l yd e s i 萨w h i c h i n c l u d e sr e c t i 6 e ra n di n v e n e rc o n t r o l ，i g b td r i v e r 嬲w e l la sp r o t e c t i o nc i r c u i t k e y w o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ；p a r a l l e lr e s o n a n c e ；o v e r - l a pt i m e ； i g b td r i v i n g ； p r o t e c t i o nc i r c u i t i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是各人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名：翻 日 期： 二oo 八年三月十二日 兰一 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件争磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且拳人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 鲎i 导师签名： 趁维 日 期：二o o 八年三月十二日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 感应加热的概况 感应加热技术是一种先进的加热技术，它具有传统加热方法所不具备的优点因而在 国民经济和社会生活中获得了广泛的应用。此项技术的核心内容之一就是感应加热电源 的研制，电源的性能价格比直接决定了其获得应用的速度与广度，随着电力电子器件制 造技术及其控制技术的逐步成熟，以电力半导体器件为主要元件的固态电源的制造成本 j 下在迅速下降，不断提升其性能水平是这种新技术获得最大限度推广的重要条件。1 8 3 1 年m i h c a e l f a r d a y 发现的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时， 电路两端就会产生感应电动势，其大小跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。此定 律是今天感应加热在工业加热方面具体应用的理论基础。利用感应涡流的热效应进行加 热称为感应加热。1 8 6 8 年f o u c u a t l 提出的涡流理论，以及h a e v i s i d e 提出的铁芯中电流 的感生论述了能量由绕组向铁芯传输的问题，使感应加热的应用成为可能。现代感应加 热的主要依据是电磁感应、集肽效应和热传导三项基本理论。1 8 9 0 年瑞典技术人员发明 了第一台有芯熔炼感应炉，1 9 1 6 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。1 9 2 1 年无心感应炉在美国出现，采用火花式中频电源，后来出现中频机 组电源和现代的晶闸管变频电源。1 9 2 7 年开始采用中频无芯炉炼钢，期间逐渐采用电子 三极管构成的高频电子振荡器进行焊管、淬火等工艺。五十年代末晶闸管的出现在电力 电子学有着十分重要的意义，1 9 5 6 年瑞士、西德研制成功晶闸管中频装置，从此打破了 中频发电机组在中频无心感应炉中的垄断地位。自八十年代开始，一系列新型自关断器 件如：m o s f e t 、i g b t 、s i t 、m c t 等的出现，使电力电子技术向更高频率的应用领域进军。 可以预见，随着高频电力电子技术的迅速发展，当功率器件的技术、容量和价格能够和 高频电子管电源相比时，电力半导体加热电源必将全面取代电子管振荡器。 感应加热是利用处在交变磁场中的导体内产生的涡流和磁滞损耗，作用于金属本体 而引起的热效应，可在极短的时间产生大量的热能，来对金属表面或整体进行加热。 它与传统的加热设备相比具有诸多优点： 加热温度高，速度快、温度容易控制，而且是非接触式加热； 加热效率高，节能，整机效率可以达到9 0 左右； 加热速度快，被加热物的表面氧化少； 温度容易控制，容易实现自动控制，产品质量稳定； 能加热形状复杂的工件；工件容易加热均匀，产品质量好。 机械运动、噪声小、负载匹配容易、可以根据负载特性改变频率： 启动停止方便，频率能够自动跟踪以保证最佳的运行状态。 鉴于以上众多优点，感应加热电源已经广泛应用于工业，如：在锻造方面，可对钢材 和钛、镍等稀有金属进行加工预热；在热处理方面，为了加强工件的硬度和韧性，应用 感应加热可对钢材进行透热、表面淬火、穿透淬火、回火：在熔炼方面，通常用感应加 热的方法来熔化优质钢和有色金属；在焊接固压方面，可把金属片涂料抹在金属表面， 江南人学在职人员。学何论文 然后利用感应加热使其熔化镀涂并固化，有些汽车部件的连接也需感应加热电源；在烧 结方面，使用感应加热能在石墨曲颈瓶或感应器中对炭化物加热到2 5 5 0 的高温【i 】。感 应加热技术对国民经济起很大的推动作用。此外小功率感应加热电源也已逐渐进入到家 用生活中，现阶段的热水器、微波炉等都有感应加热产品问世。 1 2 感应加热技术基本原理 感应加热的基本原理可以用电磁感应定理和焦耳一楞次定理来描述：电磁感应定理可 以描述为：当穿过任何闭合回路所限制的面的磁通量随时间发生变化时，在回路上就会 产生感应电势e ，如图l l 所示将一金属导体外面套上一个匝数为n l 的线圈，当交变电流 i l 通入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通巾使感应圈中的工件受到电磁感应而产生感 应电势e 。设工件的等效匝数为n 2 ， 夕t 弋 属工件 图卜l 感应加热的工作原理 f i g 1 1t h ep r i n c i p l eo fi n d u c t i o nh e a ti n g 则感应电势e n 2 警 如果磁通是交变的，设= 。s i n 缈t 则 e n 2 警一n 2 m 缈t e 的有效值为e = 4 4 4 f n 2 m 感应电势e 在工件中产生感应电流1 2 ，1 2 使工件内部开始加热， 达式为：o = o 2 4 i ：r t ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 其焦耳楞次定理的表 ( 1 4 ) 9 一导体所消耗的功率转变成的热量q i 广通过导体的电流强度 r 导体的电阻 t 电流通过导体的时问 p = e i c o s = 4 4 4 f n 2 m i c o s ( 1 5 ) 感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面大小、截面形状等 有关，还与工件本身的导电、导磁等特性有关。 2 第一章绪论 在感应加热设备存在着三个效应：集肤效应、邻近效应和圆环效应。 集肤效应：当交流电通过导体时，沿导体截面上的电流分布是不均匀的。最大电流 密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象。交变磁场在导体中感应出的电流办称 为涡流。工件中产生的涡流由于集肤效应，沿横截面由表面至中心按指数规律衰减，工 程上规定：当涡流强度从表面向中心降低到其数值等于最大涡流强度的0 3 6 8 ，该处到表 面的距离5 称为电流透入深度。出于涡流所产生的能量与涡流的平方成乎比，因此由表 面至芯片部热量下降速度要比涡流下降速度快得多，可以认为热量( 8 5 9 0 ) 集中在厚 度为6 的薄层中。 透入深度6 由下式确定： 艿= 5 0 3 0( 1 ，6 ) 式中，p ：金属材料的电阻率； p ，：金属材料的相对磁导率； 厂：高频交变电流的频率。 由式( 1 6 ) 可以看出，当材料的电阻率p 、相对磁导率m 确定以后，透入深度6 仅与 频率f 的平方根成反比，此工件的加热厚度可以方便的通过改变频率来加以控制。频率越 高，工件的加热厚度就越薄，这种特性在金属表面热处理中得到了广泛的应用。 感应加热另外涉及到两个重要的电磁现象：邻近效应和圆环效应。所谓邻近效应指的 是两根通有交流电流的导体靠得很近时，在相互影响下，电流要做重新分布。邻近效应 的电流密度分布不仅取决于导体本身的磁场，而且与邻近导体磁场的总作用有关。圆环 效应指的是，将交流电流通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧。感 应电炉就是综合利用这几种效应的设备。感应线圈两端加上交流电压，线圈和工件上产 生的电流方向相反，当二者相互靠拢时，线圈和工件表现为邻近效应，结果，线圈电流 集聚在内侧表面，工件电流集聚在外表面。这时，线圈本身表现为圆环效应，而工件本 身表现为集肤效应。 1 3 感应加热电源的研究与发展 1 3 1 感应加热用电力电子器件的发展 经过数十年的发展与应用，感应加热技术取得了不断的进步，以至于整个电力电子 学的产业地位也逐步提高。而固态感应加热技术的核心就是：固态功率器件。固态功率器 件实际上就是以半导体材料构成的功率开关【2 1 。在其发展过程中，始终如的追求目标就 是使固态器件不断接近理想开关的特性： 通态电阻为零，通态电流无穷大； 断态电阻无穷大，阻断电压无限高： 开关过程无延时，开关控制无损耗。 因此固态器件发展的过程，就是不断提高其频率特性和容量，不断降低器件的驱动 损耗、通态损耗和开关损耗。 3 江南人学往职人员学位论文 目前应用于功率变换装置的固态功率器件种类很多，各有优缺。按照门( 栅) 极的控制 特性一般分为两类：半控型器件和全控型器件i 孔。 半控型器件是指第一代固态器件晶闸管及其派生产品，因晶闸管门极只能控制开通， 而不能控制关断，所以称为半控型。1 9 5 7 年，美国研制出世界上第一只普通的( 4 0 0 h z 以 下) 反向阻断型可控硅，后称晶闸管s ( c r ) 。经过6 0 年代的工艺完善和应用开发，到了 7 0 年代，晶闸管己形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。在这期问，世界各国还 研制出一系列的派生器件，如不对称晶闸( a s c r ) 、逆导晶闸管( r c t ) 、门极辅助关断晶 闸管( g a l r r ) 、光控晶闸管( l t s c r ) 等等。在感应加热电源中频领域( 1 0 h l ( z 以下) ，晶闸管 仍将是最佳的器件，主要表现在：通态压降很低( 典型值1 i v ) ，通念损耗很小；借助于负载 谐振实现换相关断，而无须强迫换流电路；单机大容量是其它器件无法竞争的；频率特性得 到了充分应用。由晶闸管及其派生器件所构成的各种电力电子装置在工业应用中主要解 决了传统的电能变换装置中所存在的能耗大和装置笨重的问题，因此电能的利用率大大 地提高了，同时也使工业噪声得到一定程度的控制。目前i n t 锄e t 上可以查到的高压大电 流晶闸管有p o w e r e x 推出的用于高压交流开关和静止无功发生器用的1 2 0 0 0 v 1 5 0 0 a 的晶闸管l 钔。 全控型器件是指二十世纪七十年代后期相继出现的各种自关断器件，主要有g t o 、 g t r 、m o s f e t 、i g b t 、s i t 、s i t h 、m c t 等等。自1 9 4 8 年美国贝尔实验室发明了第 一只晶体管以来，经过2 0 多年的努力，到了7 0 年代，用于电力变化的晶体管( g t r ) 已进 入工业应用领域，由于g t r 具有自关断能力且开关速度可达2 0 k h z ，在p w m 技术中一 度得到了广泛的应用，并促使装置性能进一步提高和传统直流电源装置的革新，出现了 所谓的“2 0 千周革命”，但因功率晶体管存在二次击穿、不易并联以及开关频率仍然偏低 等问题，它的应用受到了限制【5 】。 7 0 年代后期，电力半导体器件在高频化进程中一个标志性器件，功率场效应晶体管 ( p o w e r 】m o s f e t ) 开始进入实用阶段。进入8 0 年代，人们又在降低器件的导通电阻、消除 寄生效应、扩大电压和电流容量以及驱动电路集成化等方面进行了大量的研究，取得了 很大的进展。功率场效应管中应用最广的是电流垂直流动结构的器件( v d m o s ) 。它具有 工作频率高( 几十千赫至数百千赫，低压管可达兆赫) 、开关损耗小、安全工作区宽( 不存 在二次击穿问题) 、漏极电流为负温度特性( 易并联) 、输入阻抗高等优点，是一种场控型 自关断器件，为目前电力电子技术赖以发展的主要器件之一。1 0 0 1 0 0 0 v 的v d m o s 已 商品化，研制水平达2 5 0 1 0 0 0 v ，其电流的容量还有继续增大的趋势。尽管v d m o s 器 件的开关速度非常快，但其导通电阻与功率成正比，这就限制了它在高压大功率领域的 应用。 8 0 年代电力电子器件较为引人注目的成就之一就是开发出双极型复合器件。研制复 合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数之间的最合理的折中，使 其兼有m o s 器件和双极型器件的突出优点，从而产生出较为理想的高频、高压和大电流 器件。目前最有发展前途的复合器件是绝缘栅双极型晶体管 i g b t ( i n s u l a t e g a t e b i p o l 酬【n l a s i s t o r ) 和m o s 栅控晶闸管m c t ( m o sc o n t r o l l e dt h y r i s t o r ) 。i g b t 4 第一章绪论 于1 9 8 2 年在美国率先研制出样品，1 9 8 5 年丌始投产。目i ；i 最高电压己达4 5 0 0 v ，最大电 流可为1 8 0 0 a 。m c t 是8 0 年代后期出现的另一种比较理想的器件，目前研制水平为 3 0 0 a ，2 0 0 0 v ，10 0 0 lo o o v ，最高电压达3 0 0 0 v 。 8 0 年代期问发展起来的静电感应晶体管s i t ( s t a t ci n d u c t i o n 胁s i s t o r ) 和静电感应晶闸 管s i t h ( s t a t i ci n d u c t i nt h 蜘s t o r ) 是利用门极电场强度改变空间电荷区宽度来开闭电流通道 的原理研制成的器件。 本文研究的并联谐振高频逆变电源，所采用的功率器件是绝缘栅双极型晶体管 i g b t 。 1 3 2 国外感应加热电源发展现状 低频感应加热的特点是透热深度深、工件径向温差小，热应力小，热处理工件变形 小，比较适合大型工件的整体透热、大容量炉的熔炼和保温。目前，在低频感应加热场 合普遍采用传统的工频感应炉。国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦，用于数十吨的 大型工件的透热或数百吨的钢水保温。预计短期内，以固态器件构成的低频感应加热电 源在功率容量、价格和可靠性方面还难以与简单的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积 和性能均优于工频炉。 在1 5 0 1 0 k h z 中频范围内，晶闸管感应加热装置己完全取代了传统的中频发电机组 和电磁倍频器，国外的装置容量已达数十兆瓦。 在高频范围内，早期基本是空白，晶闸管出现以后，一度曾采用晶闸管以时间分割 电路和倍频电路构成。八十年代开始，随着一系列新型功率器件的相继出现，以这些新 型器件( 主要有g t o 、g t r 、m c t 、i g b t 、b s i t 和s t i h ) 构成的结构简单的全桥型超音 频固态感应加热电源逐渐占据了主导地位，其中以i g b t 应用最为普遍，这是因i g b t 使 用起来方便可靠，很受电路设计者的欢迎。1 9 9 4 年日本采用i g b t 研制出了 1 2 0 0 k w 5 0 k h z 的电流型感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态，实现了微机控 制：西班牙在1 9 9 3 年也已报道了3 0 k w 6 0 0 k w ，5 0 1 0 0 k h z 电流型并联逆变加热电 源，欧、美地区的其他一些国家如英国、法国、瑞士等国的系列化感应加热电源目前最 大容量也达数百千瓦。在l o o k h z 以上高频频率领域，国外目前正处于从传统的电子管振 荡器向固态电源的过渡阶段。以日本为例其系列化的电子管振荡器的水平为5 1 2 0 0 k w 1 0 0 5 0 0 k h z ，丽其采用s t i 的固态高频感应加热电源的水平可达4 0 0 k w 似0 0 k h z ，并且 在1 9 8 7 年就已开始研制1 2 0 0 k w 2 0 0 k h z 的s i t 电源。欧美各国采用m o s f e t 的高频感 应加热电源的容量正在突飞猛进，例如西班牙采用m o s f e t 的电流型感应加热电源的制 造水平可达6 0 0 k w 2 0 0 k h z ，德国的电子管高频电源水平约为l1 0 0 k w ，而其在1 9 8 9 年 研制的电流型m o s f e t 感应加热电源的容量己达4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z ，比利时的i n d u c t o e l p h i a c 公司生产的电流型m o s f e t 感应加热电源的水平可达1 m 、w 1 5 6 0 0 l m z 。 1 3 3 国内感应加热电源发展现状 我国感应加热技术从5 0 年代开始就被广泛应用于工业生产当中。6 0 年代末 开始研制晶闸管中频电源。到目前已经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了 5 江南人学在职人员学位论文 较为广阔的应用市场。 在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，国产中频电源大多采 用并联谐振逆变器结构，在丌发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的同时，尽快研 制出结构简单，易于频繁启动的串联谐振逆变电源。 对高频领域的研究工作八十年代己经开始。浙江大学于1 9 9 6 年研制出2 0 k w 3 0 0 k h z m o s f e t 高频感应加热电源，己被成功应用于小型刀具的表面热处理和飞机涡轮叶片的 热应力考核试验中。s i t 电源国内已经生产多年，可达3 0 0 k w 2 0 0l ( h z 3 0 0l ( h z 。1 9 9 6 年天津高频设备厂和天津大学联合研制开发出7 5k w 2 0 0l ( h z 的静电感应晶体管( s i t ) 感应加热电源。同年，浙江大学5 0 k 、w 5 0 k h z ，i g b t 电流型并联逆变感应加热电源通过 鉴定。2 0 0 3 年浙江大学三伊公司研制成功1 0 0 k w l o ok h z 的i g b t 固体电源。国内近来 有许多手提式m o s f e t 高频感应加热电源上市，最大功率达到4 0k w ，频率在1 0 0k h z 2 0 0 l ( h z 。总的来说，近年来国内在感应加热电源研究方面有了较大发展，但与国外的水 平仍有相当大的距离。 1 4 高频感应加热电源的发展方向 今后，高频感应加热电源的发展趋势主要有以下几个方面： 第一：大功率、高频率。随着半导体功率器件m o s f e t 、i g b t 、m c t 、i g c t 等的 发展，将来高频感应加热电源必将朝着大功率和高频率相统一的方向发展。 第二：低损耗、高功率因数。随着功率器件的发展，再加上驱动电路的不断完善和 优化，使得整个装置的损耗明显降低。随着对电网无功要求的提高，具有高功率因数的 电源是今后的发展趋势【6 】。 第三：智能化、复合化。随着感应加热生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求 的提高，高频感应加热电源正向自动化控制方向发展，具有计算机智能接口的全数字化 高频感应加热电源正成为下一代发展目标。 第四：大容量化。从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量化技 术分为二大类：一类是器件的串、并联，另一类是多台电源的串、并联：在器件的串、 并联方式中，必须认真处理串联器件的均压问题和并联器件的均流问题，由于器件制造 工艺和参数的离散性、限制了器件的串、并联数目，且串、并联数越多，装置的可靠性 越差：多台电源的串、并联技术是在器件串、并联技术基础上进一步大容量化的有效手 段，借助于可靠的电源串、并联技术，在单机容量适当的情况下，可简单地通过串、并 联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元或一个模块。 1 5 论文的主要工作 本论文研究的高频逆变电源即应用于感应加热技术。在对感应加热电源电路拓扑结 构、槽路谐振特性和频率自动跟踪的分析基础上，设计了一种基于i g b t 的并联谐振高频 逆变电源的控制方法，重点完成驱动电路、频率跟踪电路、功率调节电路以及保护电路 等的设计。主要工作包括几下几个方面： 1 、对感应加热电路拓扑结构、功率调节，负载槽路谐振特性，逆变器的工作状态，频率 6 第擎绪沦 球踪等办进i r 技术分析，并确定了并联谐振高频逆变i u 源的实现办案。 2 、设汁了仰k w 2 0 k l zi 乜流型并联谐振高频逆变r 乜源生i 乜踏结构，灭：橄抛负载特性要求， 进行主要器件参数的计算及挺号选择。运用p c i ) i c e 仿真软件对主电路进行仿真。 3 、运用p l 调节闭环控制实现p w m 直流斩波功率调节电路提高系统的工作稳定性。 4 、进行了一种锁相环逆变器频率跟踪电路的设计，以实现在加热过程中负载参数变化时 对谐振工作频率的自动跟踪，使得逆变器工作在容性近谐振状态，从而保证逆变器的运 行安全。 5 、分析了逆变器中主丌关器件i g b t 对驱动及保护电路的要求，完成了基于e x b 8 4 l 的 i g b t 驱动及保护电路的设计，保证了功率丌关器件工作的安全性。 7 江南人学在职人员学位论文 第二章感应加热电源的方案分析 2 1 逆变器拓扑结构 感应加热的负载即感应线圈可以看作一个变压器，其原边为感应线圈，副边为被加 热工件，如此就成了一个副边短路的特殊变压器。一般可以将感应加热工件和感应线圈 用图2 1 所示的电路等效，其中l 和r 分别为等效电抗和电阻，则其等效阻抗为z = r 勺l 。 l r 厂y y n 口 ： 图2 1 负载等效电路 可以计算负载的功率因数： 尺 螂舻面丽 ( 2 1 ) 设负载线圈中流过电流为i ，则负载线圈有功功率：凡= ，尺 ( 2 2 ) 无功功率：骁= ，2 础 ( 2 3 ) 负载的品质因数为： q = 鲁= 警= 五b ( 2 4 ) 由此推得品质因数与功率因数的关系：c o s 妒= - 7 每 ( 2 - 5 ) ： 1 + q 2 感应加热负载，一般其l r ，即q 值比较大，因此功率因数很低，由参考文献 提供的经验数据，熔炼、透热、及淬火等应用场合中的感应加热电源的功率因数一般为 o 0 5 一o 5 。为了充分利用电源容量，我们需要提高电源功率因数，在感应加热电源中都 是用电容器来补偿无功功率，如此整个负载回路就变成了由感应线圈等效负载和补偿电 容器构成的谐振回路，根据补偿电容器与负载及感应线圈的连接方式的不同，感应加热 电源的逆变器可以分为电压型串联逆变器和电流型并联逆变器两种典型的结构形式r 刀( 如 图2 2 ，图2 - 3 ) 串联谐振型逆变器利用电路串联谐振的原理，系统的谐振频率= l c ，逆变 器工作于谐振状态下时，其等效阻抗为z = r ，实际应用中一般负载电阻值都比较小，负 载电路对前端电源呈低阻抗，要求由电压源对其供电，因此在逆变器前端整流环节要求 并接大的滤波电容器c ( 如图2 2 ) ，当c 足够大时就可以认为逆变器的直流电源即系统整 流环节是一恒压源。电路中与主开关器件反并联的二极管是为了在主开关器件关断期间 给负载谐振电路提供电流通路，使主开关器件不受换流电容器上高电压的影响，一般 i g b t 器件内部封装有此反并联二极管。逆变器一般工作于准谐振频率上，负载功率因数 可近似为l ，输出负载电压为近似方波，电流为近似正弦波。串联逆变器是恒压源供电， 8 第一二章感戍加热电源的方案分析 为了防止逆变器的同一桥臂的上下开关管同时导通造成直流电源短路，在电路换流过 图2 2串联谐振逆变器 f i g 2 2s e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r 图2 3 并联谐振逆变器 f i g 2 3p a r a li e lr e s o n a n ti n v e r t e r 程中应遵循先关断后开通的原则，在一定时间内所有的开关器件都处于关断状态，此段 时间称为电路的死区时间，一般为2 p s 左右。在i g b t 器件关断时，由于电路杂散电感 和分布电感的存在，会有感生尖峰电压的产生，此尖峰电压对开关器件是一很大的威胁， 可能损坏器件，因此实际电路中需要为开关器件并联阻容吸收电路以构成保护电路【8 1 。 - 。_ _ _ - _ - _ 一 并联谐振式逆变器利用电路的并联谐振原理，其谐振频率为= l c ，谐振 状下时其等效阻抗为弘。很c 。负载发生并联谐振时阻抗十分大，此时若用电压源对其 供电则谐振附近电流较小，因此并联谐振逆变器要用电流源供电，则在逆变器前端的整 流环节不要大电容滤波而是改用大的电感器滤波如图中k 所示，此时整流环节即相当 于一恒流源。在逆变器工作于准谐振状态时负载并联谐振回路对于负载电流中接近谐振 频率的基波呈高阻抗，而对高次谐波呈低抗，谐波分量电压被衰减，负载两端电压为近 似正弦波，电流为近似方波【9 】。并联谐振式变器由恒流源供电，为了防止直流电源开路， 逆变器上下桥臂的主开关器件不能同时关断电路换流过程中必须遵循先开通后关断的 原则，使得有一定时间内所有开关器件都是导的，此段时间称作电路的重叠时问。由于 直流电流源采用大电感滤波，大电感能够抑制电路电流的上升，所以一般不必考虑直流 电源短路的问题【m 】。由于i g b t 内部封装有反并联极管，所以i g b t 不能承受反向电压， 因此在每个桥臂中要为每个主开关器件串联一同容量的电力二极管以承受换流后相应 桥臂要承受的反压，如图2 3 中所示二极管d 1 d 4 。 从电路原理来看，电压型逆变器和电流型逆变器在各种变量的波形、电路的拓扑、还 有电路的特性等方面都存在着对偶关系，下面以列表l 一1 形式加以特征对比。从图中的比较 可以看出，串联谐振和并联谐振两种电路各有优缺点。在大功率的场合下，采用并联谐振逆 变器配置无疑更具优势，原因如下： ( 1 ) 逆变器输出谐振电流大 串联谐振压的谐振电压为输出电压的q 倍，负载变压器及谐振电容的耐受电压要求很高； 9 江南人学在职人员学位论文 串联谐振逆变器 并联谐振逆变器 切换丌关的电流流向 双向性 单相性 电压阻隔能力单相性 双向性 输出电压方波 正弦波 输出电流j 下弦波方波 反并联二极管需需 串联快恢复二极管不需需 线圈基频电压逆变器产生的电压乘以品逆变器产生的电压 质因数q 流过线圈上的基频电逆变器产生的电流逆变器产生的电流乘以品质 流 因数q 构造简单较复杂 短路承受能力 差 佳 关断时间容忍度较差较佳 表卜l 串、并联谐振比较 t a b 1 一ls e r i e sa n dp a r a l l e lr e s o n a n tc o m p a r i s o n 而对于并联谐振变换，由于谐振电流为输出电流的q 倍，可以在负载侧获得比较大的电 流。 ( 2 ) 在工件上建立交变电流的速度快 因为并联谐振逆变器采用电流源供电，直接在负载上产生交变电流，而串联谐振 逆变器是现在负载上加上交变电压，通过负载谐振产生正弦电流需要一定的建立时间。 ( 3 ) 过流保护容易 并联谐振逆变器的负载电路对电源呈现高阻抗，由电流源供电，而电流源通常是由 大电感来完成的。因此在逆变器发生故障短路时，由于大电感的限流作用，比较容易实 现保护。串联谐振逆变器的负载电路对电源呈现低阻抗，由电压源供电，电压源通常由 大电容来实现。因此在逆变器发生故障短路时，由于电容电压不能突变，因此瞬间电流 会很大，可能会损坏器件，需外部的保护来切断驱动信号使器件关断。 ( 4 ) 负载适应性好，负载匹配方式灵活 负载匹配载阻抗匹配就是为了使电源输出额定功率，而采取的使负载阻抗等于电源 额定阻抗的方法和措施。对于热处理行业的大部分负载来说，感应加热电源设备须经过 负载阻抗匹配后才能j 下常工作。电源与负载不匹配时，为保证不损坏电源设备，只能降 额运行，降低了电源利用率，适当的匹配可以使电源全功率运行，保证设备正常运转， l o 第二章感戍加热电源的方案分析 减少故障。在实际中，很少有负载阻抗恰好等于电源额定阻抗的情况，负载匹配是感应 加热装置安全可靠经济运行的一个必不可少的环节，是感应加热电源负载侧设计的重要 内容。 并联谐振电路等效阻抗z d = 弧c ，改变等效电路中的电容、电感、电阻的值都能改 变阻抗，这一特性使并联谐振电路的阻抗匹配更加灵活。串联谐振电路的特性决定改 变等效电容和电感值不能改变谐振状态的等效阻抗，静电耦合负载阻抗匹配方案中很难 适用于串联谐振电路，串联谐振电路一般采用匹配变压器进行负载匹配。并联谐振电路 可用静电耦合和电磁耦合进行负载阻抗匹配，匹配方法灵活，对负载适应性强。 ( 5 ) 通过采用全控型器件，启动性能可以媲美串联谐振逆变器，关断时问很短，不 存在换相失败问题1 1 2 l ，对谐振电路属性没有严格要求，电压上升率d 矿出低，设备的故 障率低。 ( 6 ) 管子利用率高，使用成本低。电流源并联谐振逆变器在所有的感应加热逆变 器中的每千瓦成本最低 综合上面各方面因素，本文对负载匹配选用并联谐振匹配的形式，并采用电流型逆 变器作为所设计感应加热电源的逆变环节。 2 2 并联谐振逆变器负载及谐振槽路特性 补偿电容与感应线圈并联后作为电流型并联谐振逆变器的负载，因此可将该负载等 效为电阻r 和l 串联后与c 并联的电路，如图2 4 所示。整个感应加热电源等效为一个交流 电源e = 乜s i n 国f ，且假设其内阻为零，则流过感应线圈和补偿电容的电流 ， 三 r 图2 4 并联谐振负载 f i g 2 4 p a r a ll e lr e s o n a n tl o a d = 手= 志 z i n 叫l i c ：导：j 钞c 釜 z 、 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 一 江南人学在职人员学位论文 i _ 二= 二二二二= = 二一一 ，。一， ；一尺+ 归( 彩2 f c + 月2 c 一三) ； 卜+ l = 旦锩竞俨e 并联谐振电路的总阻抗为： z 争坐譬筹幽 l 瓜l 逆变器工作在谐振状态下时，其负载阻抗的虚数项为零 玉0 c + 辩c l ：o 因此谐振时的逆变器的角频率为： ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 对于( 2 一l1 ) 有 叩压 ( 2 1 2 ) 进一步分析可知，随着电阻r 的增大，谐振频率将减小直至为零，所以为了获得 合适的谐振频率点，r 值选择尽可能的小。将谐振角频率用频率来表示，则逆变器谐振 工作频率为： 。蔬 ( 2 - 1 3 ) 将式( 2 2 3 代入式( 2 - 2 - 1 ) ，即得到逆变器工作在谐振状态时感应加热电源输出到负载的 蛾 = 乏蔫三= 譬三 弦 负载谐振阻抗z 0 ：半：去：q z r ( 2 1 5 ) ” 尺cr 1 其中q = 警= 瓦b 为负载品质因数。 这时感应线圈和补偿电容中的电流为 = 妻= 志= 云( 譬一m 像 o f = = 觑c e( 2 。1 7 ) z 其模分别为： i c = e = 警q = q l ， i l - = e 阿咄厢嘁 j 2 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 第二章感戍加热电源的方窠分析 由式( 2 9 ) ，( 2 1 3 ) ，( 2 1 4 ) 可知，当逆变器工作在谐振状态时，感应加热电 输入负载的电流不大，但感应线圈和补偿电容上的电流却很大，是电源输入电流的q 倍， 其中q 值的大小由感应线圈和加热负载本身的特性决定。 当感应加热电源输出电流频率变化，且忽略负载电阻影响时，可以得到并联负载 电路的电抗 x 三 x 的频率特性图如2 6 所示， ：立 协2 。) 旦一g 国 j 。 秽 国ri 一 i ：糊 图2 6 并联谐振电路阻抗x 的频率特性 f i g 2 6f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co f p a r a l l e lr e s o n a n tc i r c u i ti m p e d a n c ex 由该图可看出： l 、并联谐振电路的谐振频率点由l 和c 的大小来确定，在实际应用中，l 和r 的值是 由加工工件( 负载) 所决定的，所以往往通过并联电容c 来改变整个负载的谐振频率点。 2 、随着频率向谐振频率点靠拢，负载阻抗增大，电流降低，在谐振频率点，电源输出 的电流可达到最小，对于电源来说是有利的。根据并联电路的品质因素q ：竺迕：上， 只 锻 电路的r 往往很小，q 值较高，此时虽然逆变电源的输出电流很小，但是流过电容c 和电感l 的电流仍然会很大。 3 、 电路频率偏离谐振点越远，电路的阻抗z ( 欲) 就越小，而且当q 值这个变化更 加明显，也就是说，q 值越大，z 在谐振频率点附近的变化也越大。 4 、当逆变器工作频率大于谐振频率( f 坛) 时，负载表现为容性；当逆变器工作频率小 于谐振频率( f f o ，逆变器工作频率高于负载固有谐振频率时，负载呈现容性 1 4 第一二章感癍加热电源的方案分析 状态，逆变器输出电压相位滞后于输出电流。 在这种状态下其工作过程如下：当某一时刻开关器件v t l 、v t 3 导通时，直流电流 i d 经开关v t l 一负载一开关、厂r 3 形成回路，负载电流为正向，此时，v t 2 、v t 4 都处 于关断状态，由于电压落后于电流，二极管v d 2 、v d 4 承受反压，当负载电压过零变 为正向后，二极管v d 2 、v d 4 导通，v t 2 、v t 4 承受正向正弦电压：当负载正向电压还 未过零时，在v t 2 、v t 4 上加导通脉冲，在负载电压作用下与v t l 、v t 3 发生换流：当 换流结束后，在v t l 、v t 3 上加关断脉冲，v t l 、v t 3 在小电流下关断：当v t l 、v t 3 关 断以后，电流i d 经v t 2 一负载一v t 4 形成回路，电流为负向，此时电压仍为正向，则 二极管v d l 、v d 3 承受反压：当负载电压过零变为负向电压时，二极管v d l 、v d 3 导通， v t l 、v t 3 承受正向正弦波电压，当负载负向电压还未过零时，在v t l 、v t 3 上加导通 脉冲，同样在负载电压的作用下与v t 2 、v t 4 发生换流，换流结束后将v t 2 、v t 4 关 断，其过程与前半周期相似。这样就完成了一个周期的工作，该过程中各，点的波形如图 2 9 所示。 其中i o 为负载电流，u o 为负载电压，u a 为逆变器输入电压。 l 厂 广 。 i jul 八八川 u 弋 趴厂厂吨八八 f 一 图2 7f = f o 时逆变器各点波形 f i g 2 7 t h e 霄a v eo f i n v e r t e rp o i n t sw h e nf = f o t t t l i 广厂 。 u一l 弋；八八| vvk 、八八入八r nnyn 、f 7 t t t 图2 8 f f d 时逆变器各点波形 f i g 2 9 t h ew a v eo f i n v e r t e rp o i n tsw h e n 珍f o t t t 由以上分析可知对于自关断器件组成的并联型逆变器容性工作状态是一种良好的工 1 5 江南人学在职人员学位论文 作状态在实际运行中也是可靠的当然容性相角即超前角小要适当过小的容性相角可能 会因为换流电压太小换流时间太短不能实现桥臂问的完全换流负载电压就已反向可靠 换流只能靠强制关断来实现过大的容性相角会使负载功率因数降低在一定的输入直流 电压的情况下使得功率丌关及负载电容的电压容量提高，所以并联谐振逆变电源工作于 弱容性状态较好【1 6 1 。 2 4 并联谐振逆变器的调功方法 由于在感应加热过程中，负载等效参数随温度变化以及加工工艺的需要，电源应对 负载进行功率调节【r 7 1 。并联谐振逆变器的调功方法可分为两类：直流调功和逆变调功。 一、直流调功 直流调功可以大范围调节功率，而且功率调节的线性比较好。但是必须在逆变桥前 级加可控电路。在实际应用中，通过调节d c d c 变换器的输出电压来调节感应加热电 源的输出功率。也有采用输入可控整流来调节功率，常见的直流电压的调节有几种方法： 1 三相p w m 整流技术 三相p w m 整流技术可以使功率因数得到有效的提高，但由于高频p w m 同样使交 流侧的高次谐波含量大，目前使用软开关技术的三相p w m 整流技术正在研究阶段，并 不成熟。而且使用的全控型功率器件过多，价格上面不具优势。所以目前一般很少应用。 2 三相晶闸管可控整流 三相晶闸管可控整流的特点是电路简单，成本低，但负载电压的谐波分量大，输入 功率因数低，电流谐波成分大，对电网污染严重，如果形成电压反馈闭环，动态响