现代电力电子器件论文-电力电子器件在感应加热电源中的应用

1、modern power electronicstechnology姓名：学号：学院（系）:自动化学院专业：电气工程题 目：电力电子器件在感应加热电源中的应用指导老师：2015年6月摘要木论文介绍了电力电子器件在高频感应加热电源中的应用。首先介绍了电力 电子器件的发展状况。然后对感应加热的原理进行了分析。先对简单模块进行分 析，再对高频感应电源的组成进行了分析。高频感应电源的逆变器有两种常用拓 扑结构一一电压型的串联谐振和电流型的并联谐振。在第3章屮对两种逆变器的 原理进行了分析。接着分析了调节感应加热电源功率的调节方式，其中包括pfm， pdm, pwm和直流调功。在讲解调功方式时，以分析开

2、关器件的触发脉冲为研 宄对象，分析它们对电路中输出功率的影响。针对直流轿波调功有着工作在硬开 关方式，开关损耗高，对器件的要求比较高的缺点，提出了可以应用软开关技术 來克服这些缺点。分析yzvs和zcs技术，并且通过实际的缓冲电路来实现软 pwm«在第4章中，分析了倍频高频感成加热电源，该电源采用igbt，通过对 电源的电路，来讲解了倍频高频感应加热电源的工作原理。在论文的最后，讲述 了本人学习 modern power electronic technology 课程的感受。关键字：感应加热调功软开关目录1电力电子技术的发展21.1整流器时代21.2逆变器时代21.3变频器时代32

3、感应加热的原理33高频感应加热电源的电路原理53.1谐振电路的分析53.1.1串联谐振电路63.1.2并联谐振电路73.2逆变器的结构分析73.2.1电压型串联形式逆变器73.2.2电流型并联形式逆变器93.3感应加热电源的调功方法h3.3.2脉冲密度调制法pdm123.3.3 pwm133.3.4直流调功143.4软开关技术153.5 /j、174倍频高频感应加热电源原理分析185课程的学习感受18#教献201电力电子技术的发展现代电力电子技术的发展方向，是从以低频技术处理问题为主的传统电力电 子学，內以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起 始于五十年代末六十年代初的

4、硅整流器件，苏发展先后经历了整流器吋代、逆变 器时代和变频器时代，并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末 期和九十年代初以功率mos-fet和igbt为代表的、集高频、高压和大电流于 一身的功率半导体复合器件的出现和发展，表明了电力电子技术己由传统的电力 电子技术时代进入到了现代电力电子时代。1.1整流器时代1948年普通晶体管的发明引起了电子工业革命。半导体器件首先应用于小 功率领域，如通信、信息处理的计算机。1957年，从美国通用电气公司研制第一个 工业用的普通品闸管开始，已经大人扩展了半导体器件功率控制的范围。电能的 变换和控制从旋转的变流机组、静止的离子变流器进入到以电力半

5、导体器件组成 的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。晶闸管为电力电子学科的建立立 下了汗马功劳。大功率的工业用电由工频（50hz）交流发电机提供，但是大约有20% 的电能是以直流形式消费的，其中最典型的是电解（有色金属和化工原料需要直流 电解）、牵引（电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等）和直流 传动（礼钢、造纸等）三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变 为直流电。因此，在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用 得以很大发展。晶闸管是半控型器件，不能自关断，属于第一代电力电子器件。1.2逆变器时代七十年代出现了世界范围的能源危机，交流电机变频调

6、速因节能效果显著而 迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0 100hz的交流电。在七 十年代到八十年代，随着变频调速装置的普及，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率 晶体管（gtr）和门极可关断晶闸管（gto）成为当时电力电子器件的主角。这些器 件是可控制关断（即自关断的）电力电子器件（全控型器件），属于第二代电力电子器 件。类似的应用还包括高压直流输出，静止式无功功率动态补偿等。这吋的电力电子技术已经能够实现整流和逆变，但工作频率较低，仅局限在中低频范围内。1.3变频器时代进入八十年代，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，为现代电力电子 技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技

7、术和高压大电流技术有机 结合起来，出现了一批全新的全控型功率器件。首先是功率mosfet的问世，导致 丫电力电子应用技术（屮小型功率）向高频化发展，而后绝缘栅极双极晶体管（igbt） 的出现，又为电力电子应用技术（大中型功率）向高频发展带来机遇。mosfet和 igbt的相继问世，是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志据统计，到1995 年底，功率mosfet和gtr在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,jflj 用igbt代替gtr在电力电子领域已成定论。新型器件的发展不仅为交流电机 变频调速提供了较高的频率，使其性能更加完善可靠，而且使现代电力电子技术不 断向高频化、集成化、全控化

8、、电路形式弱电化和控制技术数字化发展，为用电 设备的高效节材、节能，实现小型轻量化，机电一体化和智能化提供了重要的技术 基础。2感应加热的原理电磁感应原理广泛用于电动机，发电机，变压器和通信等方面，然而这些应 用中，任何热效应都被看成是一种有害的副作用。感应加热恰恰是相反的。感应 加热是利用交变磁场中闭合导体内产生的涡流和磁滞损失作用于金属体而引起 的热效应。它能在极短的时间内产生大量的热能，从而对金属进行加热。它的工 作原理如图2-1所示。图2.1热感应加热原理电流通过线圈产生交变的磁场。当磁场内的磁力线通过金属器件时，交变的磁力 线穿透金属器件形成回路，故在其横截面内产生丫感应电流，此电流

9、称为涡流， 可以使金属迅速发热，从而达到加热的0的。当感应线圈上通过上述交变电流i时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通 o,交变磁通o是按正弦规律变化的，则有（i）= sin wt（2.1）(2.2)在公式（2.1）中中,。为交变磁通的最大值。 则可得到感应电动势为：e = no/?lvrcos wt在公式（2.2）中，n是线圈的匝数。因此，感应电动势的有效值为：(2.3)在公式式（2.3）中，f为交变电流的频率：在金属导体内产生的涡流值与感应电动势和涡流回路的阻抗z相关， z 扣 2 + xl2在公式（2.4）中：(2.4)r为涡流回路等效电阻，x。为涡流回路等效的感抗。感应加热通过感应线圈

10、把电能传递给耍加热的金属，然后电能在金属内部转 变为热能。感应线圈不直接接触被加热的工件，能量是通过电磁感应传递的，故 感应加热属于非接触式工件加热，其产生热量的功率为：p = 024,；-r = 4-13nj-r（2.5）尺2 + xl2p为涡流作用在加热工件上所产生的热量。/y为电流的有效值。由式（2.5）可以看出，当负载固定时，发热功率与频率的大小和磁场的强 弱有关，感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大。因此提高线圈中 的电流可以使金属屮产生的涡流加大。同样提高工作频率也会使工件屮的感应电 流加大，从而增加发热效果，使得金属升温更快。另外，涡流的大小与工件的截 面大小，截面形状

11、，导电率，导磁率以及透入深度有关。3高频感应加热电源的电路原理如图3.1所示，其为电源的基本结构图，其变换的形式为：ac-dc-ac，电路 基本由四部分组成，即：整流电路，逆变电路，控制电路，负载电路，而且随着 电力电子技术的不断发展和革新，以及半导体器件技术不断完善，感应电源的结 构也在不断地改进和完善。逆变器图3.1高频感应电源结构图经过整流电路，我们可以将交流电变成脉动直流电。经过滤波电路，再得到 平滑的直流电。逆变器将dc转化为感应加热负载的高频交流电ac。控制电路 为可控整流电路提供移相控制触发脉冲和为逆变桥提供驱动脉冲。为反馈信 号电压，提供过流以及频率跟踪信号。下而将重点介绍逆变

12、桥和谐振电路。3.1谐振电路的分析高频感应加热电源有两种电路结构。一种是电压型的串联谐振，一种是电流 型的并联谐振。下面我们就两种形式分别进行讨论。3.1.1串联谐振电路图3.2 rlc串联谐振电路假设电源的内阻为零。£ = £wszz7(wr + t)(3.1)输入阻抗z (jw)为：z(yvv) = /? + j(wl-)(3.2)wc谐振频率为w0，当w=w。时，x (w() =0。这种电路状态我们称之为串联谐振。 谐振频率为：w，士(33)谐振频率因电路而唯一确定，阻抗电流与频率的关系如下图3.3所示。i图3.3阻抗电流与频率的关系3.1.2并联谐振电路图3.4并联

13、谐振电路(3.4)假设电源的内阻为零。e=emsin(wt)输入阻抗y (jw)为：k(7w) = g + y(vvci-)(3.5)wl谐振频率为wu，当¥=¥()时，y (w0) =0。这种电路状态我们称之为并联谐振。 谐振频率为：(3.6)1v=7zc3.2逆变器的结构分析3.2.1电压型串联形式逆变器在串联形式下的逆变器，供电电源一般是电压源。在图3.5屮，一个大容量 的电容与整流器并联，构成了所需要的电压源。逆变器输入端的电压值决定了交 变电压的幅值，频率取决于器件的开关频率。图3.5电压型串联谐振电路图中c为补偿电容，r,l为包含负载在内的负载等值电阻和电感。交

14、替幵通 和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端得到交变的方波电压。它的 幅值取决于逆变器的输入端的电压值，频率取决于开关频率。串联逆变器根据负 载电压和电流的相位关系可能工作于三种工作状态下：谐振，感性和容性状态。 在串联逆变器中，为了避免开关器件因短路电流而损坏，在开关器件换流过程中, 上，下桥臂igbt必须遵守先关断后开通的原则，即应该留有死区时间。由分析可知，不同的频率，电路可能会有三种不同的工作状态。如图3.6所/j。(b)(c)图3.6电压型串联谐振电路(a) 中由于并联电容的作用，电压波形为方波，正弦波是理想电流波形。从图 中可以看出，电压和电流的相位一致，此时电路工作在谐

15、振状态。(b) 屮电流超前电压，逆变器工作在容性状态。(c) 中电流滞后电压，逆变器工作在感性状态。3.2.2电流型并联形式逆变器在并联形式下的逆变器中，一般采用电流源供电。为了得到理想的交变电流 方波，整流器的输出端串联一个大电感。在逆变器的输入端因为大电感的存在， 可以近似认为电流是固定不变的，其电流幅值取决于逆变器的输入端电流值，频 率取决于器件的开关频率。如图3.7所示：图3.7电流型并联谐振逆变电路如图3.7所示，补偿电容和负载线圈（l和r）并联作为逆变桥的负载，这 种逆变器称为并联谐振式逆变器。当负载功率因数不是1时，负载的无功电压分 量便会加在开关器件上，为了避免igbt承受反向

16、电压而损坏，必须用快速二极 管与igbt串联。根据负载电压电流相位关系，并联逆变器可能工作在三个状态: 谐振，感性和容性状态。由于大电感的存在，为了保持电流连续，在换流过程中， 上下桥臂igbt必须遵守先开通后关断的原则，即应有一段重叠时间。该换流重 叠时间的长短与逆变器输出电感密切相关，电感越大，时间就越长。阁3.8电流型并联谐振逆变电路(a) 中并联谐振逆变电路处于谐振状态，此时电流为方波，电压为正弦波。 逆变器工作在谐振状态时，功率因数近似为1。(b) 中并联谐振电路处于感性状态。中并联谐振电路处于容性状态。3.3感应加热电源的调功方法由于并联谐振电路的调功比较复杂。在这里，以串联谐振电

17、路分析为主。在 电路的整流侧和逆变侧都可以采用调功。但是两种调功是不同的，在整流侧我们 采用了电压调功，电压调功是指在输入端控制输入电流或电压的大小来控制输入 功率。在逆变侧，则可以采用pfm调功，pdm调功，pwm调功等方法。下面 将对它们进行分析。3.3.1 pfmpfm调功是最简单一种调功方式，通过改变逆变器工作频率，从而改变负 载等效阻抗以达到调节功率的输出的目的。串联感应加热负载的等效阻抗为：z =+ ryvvc|z 卜#十-士卜 #+（2祇-士）2（3.7）当逆变器的开关频率f变化时，负载的功率和频率特性如下图3.10所示。 负载的功率在fq处时是最大的，而偏离这个频率时，负载功率

18、都会降低。pfm调功方式时逆变调功中最简单的，属于频率开环调节。这种调功方式主 要缺点是工作频率在调功过程屮，不停地变化。3. 3.2脉冲密度调制法pdmpdm工作原理图如图3. 11。它是通过控制脉冲密度向负载馈送能量的吋间 比来控制输出频率。简单地说，就是以负载的谐振周期作为一个调功单位。总共 100个调功单位，在n个单位逆变器向负载输出功率。剩下的100-n个单位内逆 变器不工作，负载以自然频率逐渐衰减。这样的话输出的脉冲为n%,输出频率 跟脉冲密度存在一定的关系。因此，调节脉冲密度就可以改变输出功率。图3.11 pdm控制方式原理图3.3.3 pwm这种逆变器同一桥臂的两个开关是互补的

19、，斜对角的两个开关同时开通和关 断。这类逆变器输出电压为±的方波。如果在控制电路中设法使原来同相的两个桥臂开关错开一个相位角，使得负载输出的交替电压在交替过程中插入一段 零电压去。这就可以改变输出电压的有效值，最终调节了输出功率。感应加热电源中的pwm耍求工作频率必须能跟踪负载的谐振频率。这种控 制方法通常要求使某一桥臂的驱动脉冲与输出电流的相位一致，另外一个桥臂的 驱动脉冲与输出电流的相位可以调节。根据a超前还是滞后，可以分为两种pwm方式：降频式pwm控制和升频 式 pwm。卓t'图3.12降频式pwm图3.12中，滞后（t-180"。在（t-180"

20、调节过程中，输出脉宽减小的同时，将引起输出电压由超前变为滞后，也就是说频率在不断降低。因此这种方式称为 降频式pwm控制。图3.13升频式pwm图3.13中，/?超前(t-180"。在(t-180"调节过程中，输出脉宽减小的同时，将引起输出电压更加超前，这是相对于输岀电流的相位。也就是说频率在不断的 提高。因此这种方式称为升频式pwm控制，其中，t2, t4为超前桥臂，t1 ,t3 为滞后桥臂。两种pwm有共同的特点：在调节输出电压的脉宽的同时也改变了负载的工 作频率。3.3.4直流调功直流调功采用相控整流或直流斩波来改变逆变器的输入直流电压的大小，从 而将逆变器的功率调节

21、转化为直流电压的调节。(1)相控整流调功由六只晶闸管组成三相全桥可控整流电路如图3.14所示。图3.14相控整流电路三相全桥可控整流电路是通过控制全控整流桥的开通和关断来调节直流输 出电压，可以通过调节该电压的大小來调节感应加热电源的输出功率。然而，对 晶闸管初始相位角的调节直接影响到电网功率因数。此外，相控整流换流过程还 会影响到电网电压的稳定性，由于晶闸管整流存在固有延时，故采用闭环系统调 节时，其相应的快速性较差。（2）直流斩波调功感应加热电源屮的直流斩波调功方式的调功原理如图3.15所示:阁3.15斩波调节方式原理阁前端是三相不可控整流器，输出的直流电压ud,经过电容（滤波后，送入 由

22、开关管t，续流二极管滤波电感1和滤波电容c2组成的斩波器，调节t 的占空比，逆变器得到的电压为o-ud之间的电压。这种方式可以获得较高的功 率因数，但是开关管t是工作在硬开关方式，开关损耗高，对器件的要求比较 高。一般可以采用软开关技术，使得pwm斩波器的主开关器件为零电压或者零 电流开关，从而降低开关损耗。3.4软开关技术软开关技术就是在切换的过程中，减少电压和电流重叠的方法。在开关截止 之前使得流过其中的电流为零，这就是零电流开关（zcs）。在开关开通之前先 使得开关两端的电压为零，这就是零电压开关（zvs）。图3.17软开关缓冲电路是实现软pwm的有效措施。零电流开关有两种电路方式：l型

23、和 m型。如图3.18,图3.18zcs的l型和m型其工作原理是：在s开通之前，u的电流为零。当s开通时，u限制s中电流的上升率， 从而实现s的零电流开通。当s关断时，u和cr谐振工作使u的电流回到零, 从而实现s的零电流关断。iicrzcs的半波模式zcs的全波模式图3.19 zcs的开关模式根据s是单向导通还是双向导通，可以将zcs分为半波模式和全波模式。 一般而言，全波模式优于半波模式。3.5小结调功方式多种多样，但是所有的调功方式都有其自身的优缺点，表格3.1中 对各种调功方式的优缺点进行了比较。表格3.1调功方式对比调功方式优点缺点pfm电路简单，控制容易，成本低，技术成熟功率因数低

24、，效率低，不适于高频pdm电路简单，输出频率基木不变，功率因数高，功率因数接近于1，工作频率高，陈本低控制比较困难，控制精度受器件的约束。晶闸管相控整流技术成熟，成本低，逆变部分开关损耗小设备复杂，控制环节多，当控制角较大时功率因数低。直流斩波电路电路简单，频率同定，控制容易，成本低，技术成熟斩波器工作在硬开关状态，开关损耗大，效率低调功部分釆用不可控整流加dc-pwm斩波的方式可以使电源设备简单，功 率因数高，动态响应快，易于控制。逆变部分能够使负载工作在谐振状态，逆变 开关损耗小。但是存在着斩波器器件工作在硬开关状态，开关损耗大。因此，通 过适当软开关方式，可以克服它的缺点。4倍频高频感应

25、加热电源原理分析倍频高频感应加热电源采用igbt，通过在逆变桥的每个igbt上分别并联 一个igbt来实现。每组并联的igbt轮流工作，使得负载频率是幵关管工作频 率的二倍。这种技术可以使感应加热电源的频率做的更高，功率做的更大。图4.1倍频商频感应加热电源该电路主要包括3部分：不可控整流器，滤波器，直流斩波器和逆变器。三 相交流电源通过不可控整流，经过滤波电路得到直流电压。通过调节斩波主开关 s的占空比，可以调节斩波器输出电压，进而调节电源的输出功率。辅助器件 lr与cr共同构成了软开关。逆变器由8只igbt开关管及负载电路构成，8只 igbt开关管都并有反向二极管，作为逆变器电压反向时续流使用。逆变器的负 载包括补偿电容c,高频变压器t和加热线圈。在分析感应加热时，整个负载可 以等