（控制理论与控制工程专业论文）超音频串联谐振感应加热电源的研究.pdf

超音频串联谐振感应加热电源的研究 摘要 感应加热作为一种加热手段，相比传统的加热方式有许多优点。 随着工业技术的发展，感应加热技术被越来越多的应用到各种工业加 热场合，而感应加热电源作为加热设备的主要部件，起到非常重要的 作用。同时，电力电子技术的发展，促进了感应加热技术的不断革新。 本文采用频率跟踪和移相调功控制技术，设计了一台应用于导线 镀膜用的输出功率为2 k w ，开关频率为3 0 k h z 的超音频串联感应加 热电源实验装置；并使逆变电路工作在感性状态，变换电路中所有的 功率器件都实现零电压软开关，降低了器件的开关应力和开关损耗， 减少电磁干扰，提高了电磁兼容性能力。同时，文中对感应加热电源 的发展现状、基本工作原理及数学模型进行了阐述。 在理论分析的基础上，完成了实验装置的设计、制作和调试，包 括主电路、控制电路、m o s f e t 缓冲电路、驱动电路、采样和保护 电路等，采用t i 公司c d 4 0 4 6 作为控制器核心控制电源工作，论文 给出了实验结果，说明该实验装置工作性能稳定，输出波形满足要求， 达到了实验研究的目的。 关键词：感应加热串联谐振逆变器移相控制频率跟踪 r e s e a r c ho ns u p e r a u d i os e r i e sr e s o n a n t i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y a b s t r a c t i n d u c t i o nh e a t i n gh a sm a n ya d v a n t a g e sc o m p a r e d 、析t ht r a d i t i o n a lh e a t i n g t h e t e c h n o l o g yo fi n d u c t i o nh e a t i n gh a sb e e nu s e di nm a n ya p p l i c a t i o n sn o w a d a y s a n d t h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs e m i c o n d u c t o r sa c c e l e r a t e st h et e c h n i c a lr e n o v a t i o no f i n d u c t i o nh e a t i n g i nt h i sp a p e r , a2 k we x p e r i m e n t a ld e v i c eo f3 0 k h zs u p e r a u d i os e r i e sr e s o n a n t i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y 、砘t l lf r e q u e n c yt r a c k i n ga n dp h a s e - s h i f tc o n t r o li s d e s i g n e df o rw i r eh e a t i n g ；a n dt h ei n v e r t e rc i r c u i ti sl i m i t e di ni n d u c t i v eo p e r a t i o n m o d e ，a l lt h ep o w e rs e m i c o n d u c t o r si nt h ei n v e r t e ra r eo p e r a t e dw i t hs o f t - s w i t c h i n g c o n d i t i o n h e n c et h es w i t c h i n gs t r e s s e s ，l o s s e sa n di n t e r f e r e sa r er e d u c e d ，e m ci s i m p r o v e d m e a n w h i l e ，t h ed e v e l o p m e n t , p r e s e n ts t a t u s ，a n do p e r a t i o np r i n c i p l eo f i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yi se x p l a i n e di nd e t a i l b a s e do nt h ea b o v e - a l ls t u d y , t h ed e s i g no fe x p e r i m e n t a ld e v i c eh a sb e e n c o m p l e t e d ，i n c l u d i n gp o w e rs t a g e ，c o n t r o lu n i t ，m o s f e ts n u b b e ru n i t ，d e t e c t i n gu n i t , p r o t e c t i n ga n dd r i v i n gu n i t c d 4 0 4 6h a sb e e nu s e da s c o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h e i n v e r t e r t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ta r eg i v e n ，t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c eo p e r a t e s s t a b l ya n ds a t i s f y i n go u t p u tw a v e f o r m sa r eo b t a i n e d k e yw o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ：s e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r ；p h a s e - s h i f t e dc o n t r o l ； f r e q u e n c yt r a c k i n g 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者躲弘黔滓 2 0 0 8 年z 月灿 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： d 即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 一雾砌螽导攀弋脚2 0 0 8 年么月沂 超音频串联谐振感应沏口热电源的研究 致谢 衷心感谢导师陈延明教授对本人的精心指导，感谢导师三年来对我的关 怀和培养，向陈老师致以最诚挚的谢意。 感谢黄洪全老师在课题中给予的帮助。 本课题的完成离不开各位同窗师兄弟们的帮助和支持，感谢你们! 感谢我的家人，多年来他们为我倾注了无数的心血，饱受了生活的艰辛， 没有他们就没有我的今天! 我对他们的感激之情无以言表，只有以默默的努力 作为回报。 最后，向审阅和评议本论文的专家老师们致以深深的谢意。 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：日 超音频串联谐振感西沏口热电源的研究 第一章绪论 1 1 感应加热的原理与用途 感应加热是根据电磁感应原理，利用感应涡流的热效应对导体进行加热， 其作为一种非接触式加热方式广泛应用于工业领域。如图1 1 所示，给线圈通入 交变的电流，在线圈内部就会产生一个交变的磁场，从而就会在置于该交变磁 场内的导体上产生感应电动势，形成涡流。由于导体电阻一般很小，导体内部 的涡流很大，导体发热就比较显著。十九世纪末以前人们均将此现象看作是有 害的热效应，在电路设计时进行积极的避免，但自从1 8 9 0 年瑞典人k j e l i n 发明了 有芯感应炉用于金属熔炼，人们就已开始认识到电磁感应涡流热效应的应用价 值【l 】o 涡流环 感应线圈 金属工件 图l - l 感应加热不惫图 f i g 1 1t h ei n d u c t i o nh e a t i n g 如图1 1 所示，交变电流f 通入线圈匝数为n l 后，感应线圈中就会产生同频的 交变磁通莎，同时，在金属工件中就会相应有感应电动势e 。设工件的等效匝数 ) ( j n 2 ，则有麦克斯韦电磁方程式【2 】： 归一2 警( 1 - 1 ) 设通入的是正弦交流电流，得到相应的交变磁通为= 九s i n c o t ，有： p = 一2 警= 一：九功c 。s 耐( 1 - 2 ) 广西大掌硕士学位论文超音频串联谐振感应翻口热电源的研究 则感应电动势的有效值为： e = 警= 4 4 4 z 丸 此感应电动势在工件中产生感应涡流焦耳热为： q = 0 2 4 1 2 r t ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) 其中：q 感应电流通过电阻产生的热量，j ； 卜感应电流有效值，a ； r 一工件的等效电阻，q ； t - 工件通电的时间， s 。 由此可知，感应加热是利用电磁感应将电能转变成磁能，通过磁场把能量 传递给被加热工件，并在工件内部把磁能又转变电能，同时把电能变为热能的 过程，它与一般的电气设备中由于电磁感应而产生涡流进而产生发热的原理是 一样的，只不过在感应加热中我们是利用了这一效应，而不像一般情况下我们 都是试图抑制这种现象。 由上面的焦耳热表达式可以看出，感应电动势及发热功率与交变磁通的频 率和磁场强度有关，流入感应线圈中的电流有效值越大，其产生的对应磁通量 也就越大，因而可以通过提高感应线圈中的电流值来加大工件中的感应涡流； 同时，在一定条件下提高工作频率也可以提高工件中的感应电流，从而使同样 工件发热效果得到增强，加热速度增快。当然，感应涡流的大小同时与金属工 件的截面大小、形状、工件材料的导电率、导磁率及透入深度等因素有关。 1 1 1 电磁感应的三种效应与透入深度 在感应加热过程中，同时伴随着三种效应：集肤效应、邻近效应和圆环效 应，下面分别介绍这三种效应【2 1 。 集肤效应：当交流电通过导体时，沿导体截面上的电流分布不是均匀的， 导体的表面层的电流密度最大，我们称这种电流集聚的现象为集肤效应。 邻近效应：两根通有交流电的导体距离很近时，导体中的电流分布会相互 影响；若两导体中电流方向相反，则最大的电流密度出现在两导体的内侧；若 导体中电流方向相同，则最大电流密度的地方出现在导体外侧，这种现象就称 作邻近效应。 2 超音频串联谐振感应加热电源的研究 圆环效应：将交流电通过圆环形线圈时，受到线圈自身的磁场影响，最大 的电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象称作圆环效应。 感应加热设备( 电源) 就是综合利用此三种效应的设备。交变磁场在导体中感 应出的交变涡流由于集肤效应的影响，其沿横截面由导体表面至中心按指数规 律衰减。由于由涡流产生的热量与涡流的平方成正比，因此热量由工件表面至 芯部的下降速度比涡流的下降速度快的多，我们可以近似认为感应加热的热量 集中在厚度为电流透入深度万的薄层中。 以金属圆柱导体为例，定义电流透入深度j 为涡流密度降至表面电流密度的 1 e ( i i p 3 6 8 ) 处的深度： 。 1 d = 2 n 一s 0 3 3 历 其中：万电流透入深度，俐； p 金属的电阻率，q c m ； 以- 金属的相对磁导率； 厂电流频率，h z 。 从上式可知，当导体的电阻率p 和相对磁导率，给定后，透入深度仅与频 率的平方根成反比，且在电流透入深度万范围内吸收的功率，为金属圆柱吸收总 功率的8 6 5 ，因此根据负载工艺的要求( 加热效率和温度分布) 确定万，对于选 择合适的工作频率和设备容量非常重要。 j 、； 1 1 2 特点与用途 现在感应加热技术已广泛应用于国民经济的各个领域。从工业上开始应用 感应加热电源以来，感应加热的理论和感应加热装置都有很大的发展，感应加 热的应用领域和应用范围也越来越广。这主要是因为感应加热具有以下特点【2 】： l 、动态响应快，温度容易控制，产品质量好，工件容易加热均匀，也可以 实现局部加热，节能； 2 、加热温度高，加热速度快，而且是非接触式加热，被加热物的表面氧化 少； 3 、效率高，节能，生产效率高。特别是采用现代电力电子器件的逆变器， 效率一般为8 0 9 0 、可节电2 0 - 4 0 以上； 4 、容易实现自动控制，实现生产自动化； , e - 西大学硕士掌位论文超音频串联谐振感应加热t o _ - ；i a o 研究 5 、作业环境好，作业占地少，几乎没有热和灰尘，且噪声较小； 6 、能加工形状复杂的工件，满足特殊工艺的要求。 基于以上各种优点，感应加热电源己在冶金、机械制造、轻工业、石油化 工、电子等行业得到广泛的应用。此外，感应加热也己经不断地进入到人们的 家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水器等都是可以用感应加热作为能源。 1 2 国内外感应加热的发展现状 感应加热电源由于上述的诸多优点，己在各行业中得到日益广泛的应用。 感应加热电源按其工作频率的不同可分为中频( 1 5 0 h z 一1 0 k h z ) 、超音频 ( 1 0 k h z - 1 0 0 k h z ) 和高频( 1 0 0 k h z 以上) 三种。 在2 0 世纪5 0 年代以前感应加热电源主要有1 2 1 ：工频感应熔炼炉、电磁倍频器、 中频发电机组和电子管振荡器式高频电源。在2 0 世纪5 0 年代末，硅晶闸管的出 现引起了整个电力电子学的一场革命，促进了感应加热电源飞速发展。至今， 在中频范围内，晶闸管中频感应加热装置己经完全取代了传统的中频发电机组 和电磁倍频器。国外研制出的感应加热电源装置的最大容量己达数十兆瓦，国 内也己形成2 0 0 - 8 0 0 0 h z ，1 0 0 - - - 3 0 0 0 k w 系列产品。 在超音频范围内，由于晶闸管本身开关特性等参数的局限，给研制该频段 电源带来了很大的技术难度，虽然8 0 年代采用晶闸管倍频电路和时间分割电路 研制了超音频电源【3 4 5 一，但由于倍频电路双谐振回路耦合使负载呈非线性，时 变加热负载参数与谐振回路参数匹配调试相当复杂，而时间分割电路控制和主 回路的结构复杂，逆变管利用率低，因此没得到很好推广。7 0 年代末和8 0 年代 初，随着电力电子技术和微电子技术的迅速发展，相继开发出的一大批全控型 电力电子半导体器件( g t r ，m o s f e t ，i g b t ，s i t ，s i t h ，m c t 等) ，为全固态 超音频、高频电源的研制提供了坚实的基础。日本、西班牙、英国等国家相继 研制出容量达数百千瓦的超音频电源。国内在九十年代开始采用i g b t 研制超音 频电源，北京有色金属研究总院和本溪高中频电源设备总厂共同研制出了 1 0 0 k w 2 5 k h z 的i g b t 超音频电源【列，浙江大学9 6 年5 0 k w 5 0 l ( h z i g b t 并联型感应 加热电源也通过了产品鉴定，目前的研制水平为2 0 0 k w 5 0 k h z ，2 0 0 3 年浙江大学 三伊公司研制成功1 0 0 k w 1 0 0 l ( h z 的i g b t 固体电源，与国外的水平仍有相当大的 差距。 4 广西大学炙士学位议譬 超音频串联谐振感矗泐口热电源的研究 在高频频段1 6 , 7 1 ，国外目前正处在从传统的电子管振荡器向固态电源的过渡 阶段，主要采用m o s f e t 和s i t 两种器件。日本采用s i t 开关管研制的感应电源水 平为1 0 0 0 k w 伦0 0 k h z 。欧美各国则采用m o s f e t 电流型为主，西班牙的研制水平 为6 0 0 k w 2 0 0 - h 1 6 1 ，最新的m o s f e i ：感应加热电源频率可达7 0 0 k h z 8 0 0 k h z t 羽， 德国的电子管高频电源的研究水平约为1 1 0 0 k w ，8 9 年m o s f e t 的研究水平约为 4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z ，比利时i n d u c t oe l p h i a c 公司为1m w 15 6 0 0 k h z 9 1 。国内仍以电 子管式高频振荡器为主，设计能力大约在8 0 0 k w 4 0 0 k h z 。在固态电源方面，浙 江大学9 0 年代开发的2 0 k w 乃o o k h z ，己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。九十年代初，国内的辽宁电子设备厂和天津高频设备 厂等引进技术开发了s i t 高频感应电源系列产品，研制水平己达3 0 0 k w 2 0 0 k h z 。 从可预见的电力半导体器件发展情况来看，近期不太可能满足开发1 m h z 以上大 功率感应加热电源的要求，这一频段暂时还只能用电子管振荡器去实现。随着 电力半导体的逐步高频化，固态电源必将取代电子管振荡器。 总体来说，国内感应加热电源在各频率范围与功率等级、设计水平等方面 都有了很大发展，但是与国外相比还有一定的差距，还需要更多科技工作者的 不懈努力。 1 3 感应加热电源的发展趋势 随着现代工业生产对感应加热设备的数量和性能质量上需求的不断增长， 以及电力电子技术的发展，电力电子半导体器件的更新，计算机微控制器性能 的增强，未来感应加热电源技术的发展趋势可以期望有如下几个方面 6 , 7 1 ： l 、智能化：随着感应加热设备所处生产线的自动化程度的提高和对电源可 靠性要求的提高，感应加热电源正向智能化控制方向发展。特别是随着d s p 、嵌 入式芯片的飞速发展和普及，具有计算机接口、远程控制、故障自诊断等控制 性能的感应加热电源正成为主要方向。 2 、高效化：随着人们对现代电能质量的更多关注和对电网无功及谐波污染 抑制要求的提高，具有高功率因数，对电网谐波污染小的感应加热电源将会成 为感应加热电源研制生产的追求目标。 3 、大容量、高频化：电力半导体器件的大容量化、高频化以及感应加热电 源在高频工况下所具有的一些优异性能促使感应加热电源向大容量化、高频化 厂西大学硕士学位论文超音频串联谐振感应加热电源的研究 和小型化方向发展。 4 、最佳负载匹配。感应加热电源运行在各类工业现场，工况特别复杂，其 所驱动的负载对象差别很大，实际工作过程中电源逆变器与负载是一个需要综 合考虑的有机整体，他们之间的配置情况会直接影响到电源的运行情况和运行 效率。因此，以后感应加热电源的研制过程中肯定会更多的考虑到电源负载的 实际情况，设计出整体性能、效率更佳的感应加热电源。 1 4 电力电子元器件的发展及开关管的选择 1 9 5 7 年美国通用电气公司研制出世界上第一只品闸管( s c r ) ，标志着电力电 子技术的诞生。晶闸管是一种只能控制开通而不能使之关断的半控型电力电子 器件。经过了6 0 年代的工艺完善和应用开发，到了7 0 年代，晶闸管己经形成了 从低压小电流到高压大电流的系列产品。同时如不对称晶闸管( a s c r ) 、光控晶 闸管( l a s c r ) 、快速晶闸管( f s t ) 、逆导晶闸管( r c t ) 和门极可关断晶闸管( g t o ) 等一系列派生器件也陆续被开发出来【1 3 , 1 4 l 。 到了7 0 年代，美国贝尔实验室研制出用于电力应用中的晶体管( g t r 一电 力晶体管) 出现并得到了广泛的应用。g t r 属于全控型器件，其开关速度比晶闸 管有了很大的提高，可达到2 0 k h 2 ，g t r 的广泛应用促进了传统直流电源装置的 技术革新。但是g t r 存在二次击穿、不易并联扩容以及开关频率仍然不够高等 问题，满足不了人们更高的应用要求。 7 0 年代后期，标志电力半导体器件高频化进程的功率场效应晶体管( p o w e r m o s f e t ) 开始进入实用阶段。p o w e rm o s f e t 是一种压控单极性器件，它的开 关频率高( 可达数百千赫甚至兆赫) 、开关损耗低、安全工作区宽、输入阻抗高、 驱动容易，另外这种器件在大电流区域具有负温度系数，很容易实现并联扩容。 目前p o w e rm o s f e t 的容量也已经达到很高的应用水平，研制水平达到 2 5 0 a 1 0 0 0 v 。p o w e rm o s f e t 有一很大的不足是其导通电阻比较大，因此在高频、 大功率系统中的应用就受到了限制。 8 0 年代后期，绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的出现标志着双极型复合器件的研 制成功。i g b t 综合了m o s f e t 开关频率高，其固有频率在2 0 k h z 左右，输入阻抗 高，通态阻抗很小，热稳定性好，驱动容易和g t r 的载流能力强的优点，是一 种较为理想的高频、高压、大电流器件，在大功率电路中得到了广泛的应用。 6 超音频串联谐振感应加热电源的研究 目前i g b t 的商业应用水平己达到1 2 0 0 a 3 5 0 0 v 5 0 k h z 。同期出现的复合器件 m c t 的研制水平也达到3 0 0 a 2 0 0 0 v ，1 0 0 0 a j i o o o v i s , 。 8 0 年代期间发展起来的静电感应晶体管s i t ( s t a t i ci n d u c t i o nt r a n 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 o nt h y r i 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。它们实际上是一种结型电力场效应 晶体管，其电压、电流容量都很大，适用于高频大功率的场合。在栅极不加任 何信号时，s i t 是导通的，栅极加负偏电压时关断，使用不是很方便。由于s i t 制造工艺复杂、成本高、价格昂贵( 数倍于m o s f e t ) ，所以使其推广应用受到很 大限制，因而市场容量小。 目前所能得到的开关器件中，由于m o s f e t ，i g b t 的电压、电流定额比较 大，是感应加热电源中的比较常用开关器件。功率m o s f e t 是单极型器件，主要 由多数载流子导电，没有少数载流子的存储效应，关断时没有拖尾现象，关断 速度快，关断损耗小。i g b t 是双极型器件，主要由少数载流子导电，关断时必 须将器件内存储的电荷抽空，才能恢复阻断能力，i g b t 关断的时候有明显的拖 尾现象，关断比较慢，关断损耗是主要的。结合这两种开关器件的特性，考虑 到电路比较高的开关频率，同时为了更好配合串联谐振逆变器处在感性的工作 状态，以及减小电路功率损耗，提高电路的效率，本设计选用m o s f e t 作逆变器 主开关管 1 3 ，1 4 1 。 1 5 本文的主要工作内容 本文的研究设计了一台应用于导线镀膜用的超音频感应加热电源实验装 置。开关频率为3 0 k h z ，输出功率为2 k w ，采用串联谐振方式。主要内容包括： 1 ) 简要叙述感应加热电源的工作原理，对电压型和电流型电源进行了比较 分析，确定采用电压型逆变电源；同时对电路相应的功率调节方式进行 讨论，得到频率跟踪与移相调节相结合的超音频逆变控制方式。 2 ) 对3 0 k h z 2 k w 试验样机的进行设计，包括全桥逆变主电路，保护电路， 控制电路，锁相电路，加热线圈，以及补偿电容的设计方法与参数选型。 3 ) 给出实验装置和实验结果波形。实验结果说明该实验装置输出波形满足 其性能要求，且工作稳定性好，具有较强的电磁兼容性能力和抗干扰能 力。 7 广西大学硕士掌位论文超音频串联谐报感应加热电源的研究 第二章感应加热电源的结构及原理分析 随着电力电子技术的不断发展和实际工业生产等应用领域中的不同要求的 提出，感应加热电源发展出了多种不同的种类形式。但总体上来说，感应加热 电源主要由以下四个部分组成：整流器( a c d c ) ，逆变器( d c a c ) ，谐振槽路及 负载( r e s o n a n tt a n k ) 和控制及保护环节( c o n t r o la n dp r o t e c t ) 。 一般的感应加热电源的组成框图如图2 1 所示： 图2 1 感应加热电源的组成框图 f i g 2 - 1i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y 其大致工作过程如下：感应加热电源接入市况工频正弦交流电，经整流环 节后成为脉动直流电，再经过滤波环节后成为平滑的直流电，此平滑直流电经 过其后的逆变器环节逆变为一定频率的交流电供给负载。在感应加热装置中， 电能一般都是通过感应线圈传递给被加热负载，它与负载一起又可构成逆变器 的等效负载。 2 1 逆变器与谐振负载电路的原理分析 感应加热的逆变器负载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，如此就构成了一个副边短路的特殊变压器【1 0 ，2 2 2 3 1 ，一般可以将感应 加热工件和感应线圈可以等效成一个电抗l 和一个电阻r 串联，等效电路如图2 2 所示，则其等效阻抗为z = r + 础 8 超音频串联谐振感矗翻廿热电源的研究 lr r r y l 口 图2 - 2 负载等效电路 f i g 2 2l o a de q u i v a l e n tc i r c u i t 由此可以得知负载的功率因数为： 足 c o s 够2 芦= = = = 2 r 2 + q 圮) 2 负载感应圈中流过电流i 时，其有功功率为： 兄= 1 2 r 无功功率为： o t = iz c o l 一b ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 负载的品质因数为： q = 鲁= 警 由此可以得知，品质因数q 与功率因数c o s q 7 间关系为： 1 咖舻了雨( 2 - 5 ) 一般的高中频感应加热负载，其础) 尺，即q 值比较大，因此功率因数很低。 由文献【2 】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0 0 5 0 5 。为了充分利用电源电能，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进行无功功率补偿，如此整个负载回路就变 成了由补偿电容器和逆变器等效负载构成的谐振回路。 u 擗三- z l l + 图2 3 串联谐振逆变器 f i g 2 3s e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r 9 广西大尊q 蕊士掌位论文超音频串联谐振感应加热电源的研究 根据补偿电容器与负载及感应线圈的连接方式，感应加热电源的逆变器可 以分为串联谐振逆变器( 图2 3 ) 和并联谐振逆变器( 图2 4 ) 两种典型的结构形 式。为了提高电路的功率因数，一般使电容补偿后逆变电路工作在准谐振状态。 图2 _ 4 并联谐振逆变器 f i g 2 - 4p a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e r 2 1 1 串联谐振逆变器的原理分析 图2 3 所示为串联谐振逆变电路，由于在逆变桥的输入端并上一个大的电解 电容，所以，输入端可近似看作一个恒压源，因此，也称电压型逆变器，其等 效电路如图2 5 所示，电感l 、电容c 和电阻r 组成串联谐振电路。如将内阻为零 的电源e = e ms i n c o t 加到此电路中，则在电路中将流过电流i ，即： t ee 仁i2 而 ( 2 _ 6 ) zr + j c x ￥唧， 其模为： 其中k 串联电路的总阻抗： x 一串联电路的总电抗。 卜志 图2 5 串联谐振等效电路 f i g 2 5s e r i e sr e s o n a n te q u i v a l e n tc i r c u i t 1 0 ( 2 - 7 ) 广西大学司n b 学位论文超音频串联谐振感应加热电源的研究 工一心一面1 = 段詈一爿 ， 其中= 了b 为谐振角频率，则电路固有谐振频率为： 力= 芴c o o = 丽1 ( 2 9 ) 此时，加在各元件上的电压分别是： e e2 皿 ( 2 1 0 ) & = 上j = 上簧= 一j q e j r o o cj r o o c 。 r 卜7 e l2 j r o o l i = j r o o l r 2j qe(2-12) 从( 式2 7 ) 可知，电路中电流的最大值出现在x - o ，即z x _ o = r 时 k = 簧 -(2-13) 式中q 称为谐振电路的品质因数 q = 譬= 去 由公式2 1 2 可知，谐振时外电源的电压e 全部加在电阻上。此时，电感l 上 的电压和电容c 上的电压大小相等而方向相反，且电压的量值是输入电源的电压 量值的q 倍。谐振时流过电路的电流和外电源电压同相，因此电路的功率因数 c o s q = l ，即： c o s 伊2 i 2 ( 2 - 1 5 ) 当l ，c 和r 值一定时，使外电源的频率由0 到变化，则电路中的电压和阻抗 的变化情况如图2 6 所示。图中的这些曲线称为谐振曲线。当c a = o 时，相当于直 流电流，电容相当于开路，电路中的电流为0 ，全部电压加在电容上。当国逐渐 增大时，容抗x c 逐渐减小，而感抗x l 逐渐增大，但在谐振前( t o ( t o o ) 始终保持 k c 工，电路呈容性，电流i 随国的增大而增加。当电路达到谐振时，电流i 达到 g - 西大掌硕士掌位论文超音频串联谐振感应加热电源的研究 极大值，这时丘= c l ，= e ，c o s 9 ) = 1 ，电路呈纯阻性。电路频率继续增 加，大于谐振频率时，则置 x c ，电路呈感性，电流i 开始下降。 e 图2 _ 6 串联电路中各参量随变化情况 f i g 2 - 6 c u r v eo fs e r i e sr e s o n a n tc i r c u i t 由于输入端连接有大电容，因此，逆变器输入电压为恒值，在负载上电压 近似为矩形波，而电流则近似为正弦波。需要注意的是，对于恒压源，电路不 能出现短路现象；因此，根据串联谐振的特性，串联谐振电路不能空载工作。 同时，对于逆变桥，也是绝对不允许出现上下桥臂同时导通的情况，因此，在 开关管脉冲驱动信号上一般会加入死区时间进行限制，来保证“先关断后导通的 原则”。串联型逆变器的一个好处是对于开路保护比较容易。 2 1 2 并联谐振逆变器的原理分析 并联型逆变电路在拓扑上和串联型逆变电路属于对偶的关系，在输入端上 图2 7 并联谐振等效电路 f i g 2 - 7p a r a l l e lr e s o n a n te q u i v a l e n tc i r c u i t 1 2 超音频串用啦皆振感应幼口热电源的研究 采用的大电感来平滑直流输入，可以把输入看作是一个恒流源【1 0 1 3 7 1 。因此，该 电路也称作电流型逆变器。图2 7 是将电阻r 和电感l 串联后与c 并联的整个逆变 器的等效电路。 其负载导纳为： y = i 二+ 彩c ( 2 - 1 6 ) 尺+ w l 。、7 电路谐振时： 足 舻丽( 2 - 1 7 ) b l = b c , 即再r 两2 w c ( 2 1 8 ) r + l 毗) 则有： 旷圭括( 2 - 1 9 ) 当i k 时，可以得到： 伽赢( 2 - 2 0 ) q 寺= 等= 吉拦掣， 。 ，gg 、三，、 可以看出，对于并联型逆变器来说，谐振时，负载呈现出高阻抗，因此，需 要在输入端接大电感来保证电路的工作，减小电流脉动，整个输入也就等效为 一个恒流源，在负载上表现为，电流近似于矩形波，而电压则近似于正弦波。 同串联型一样，并联型逆变器也有其要注意的地方，对于恒流源，负载不允许 出现开路情况，如果上下桥臂同时断开，大滤波电感中储存的巨大能量无处释 放，将在逆变桥输入侧形成高压尖峰，很可能将逆变器中的功率开关器件击穿，。 造成损坏。因此在逆变桥动作时，必须保证同一时间内至少有一条通路，一般 都在控制中为了遵循“先导通后关断”的原则，加入死区，保证叠流时间。在重叠 导通时间内，大电感的存在将使得短路电流不会产生突变，因此只要换流的过 程够快，在功率器件的电流容量裕度范围内该电流是不会形成危害的。并联型 逆变器的一个好处是对于短路保护比较容易。 广西大掌硕士掌位论文 超音频串联谐振感应加热电源的研究 2 1 3 电压型逆变器与电流型逆变器的比较分析 串联谐振式逆变器和并联谐振式逆变器的直流侧分别是电压源和电流源。 因此，也称为电压型逆变器( v o l t a g es o u r c et y p ei n v e r t e r v s t i ) 和电流型逆 变器( c u r r e n ts o u r c et y p ei n v e r t e r - - - c s t i ) ，两者之间存在着对偶性。下面对两 者应用过程中的主要差别进行比较分析【2 】瞄j 。 1 串联谐振式逆变器短路保护较为困难，并联谐振不易进行开路保护。串 联谐振式逆变器采用电压源供电，在输入端并接有大的滤波电容，在逆变器发 生短路故障时， 由于电容器上电压不能突变，瞬时放电电流将会很大，极易造 成功率管的过流损坏，此时必须在功率器件的允许短路时间内采取保护措施， 可以通过研制合理有效的保护电路予以克服。相反，并联谐振式逆变器采用电 流源供电，逆变器输入端末端串接有一大滤波电感，在逆变器发生短路故障时， 短路电流的上升将会受到此滤波电感的抑制，功率器件的短路保护就相对比较 容易实现。但是，为了能使电感上的能量及时释放，必须时刻保持电感通路， 当逆变器负载开路时，就会在电感上感生很大的电动势，并加在开关管上，极 易造成开关管的过压击穿，负载开路保护相对困难。 2 并联谐振逆变器工作时，开关管承受反压较大，串联谐振逆变器无此现 象。由于并联谐振逆变器采用电流源供电，逆变器输出电流近似矩形波，输出 电压为正弦波，因此各开关管必须承受半个周期的反向电压，且反向电源的峰 值很大。由于自关断开关器件承受反压的能力很低，因此应用中就需要给每个 桥臂的主开关管串接同等容量的快恢复二极管，而大容量的快恢复二极管价格 很贵且不易购买。同时开关管内部有寄生的反并联二极管，在器件受反压作用 时，该二极管可能会引起较大的环流损坏器件。串联逆变器采用恒压源供电， 负载为rl 和c 的串联，其输出电压为矩形波，电流为近似正弦波，开关管受的 反压很小，其大小仅仅是开关管反并联二极管的导通压降，非常小。 3 串联谐振逆变器的起动较为简单，并联谐振逆变器起动困难。串联逆变 器既能自激工作，也能他激工作。我们可以利用这一点设计他激转自激电路， 容易的解决电路的起动问题。对于应用于淬火等需要频繁起停的场合，这一点 上串联逆变器有应用优势。而并联逆变器起动前需对直流滤波大电感预充电， 以保证其为电流源，且其只能工作于自激状态，当驱动信号频率不等于负载固 有谐振频率时，系统就起动不起来，因此并联逆变器起动之前必须测定负载的 固有谐振频率。 1 4 超音频串联谐振感压勃口热电源的研究 4 串联谐振逆变器必须遵循先关断后开通原则，并联谐振逆变器须保证先 开通再关断。由于串联逆变器由电压源供电，在换流过程中为避免逆变器同一 桥臂上下开关管直通造成电压源短路，必须确保这两开关管一个先关断另一个 再开通，即必须保证两互补驱动信号有一定的死区时间存在。此时电路的杂散 电感上的感生电势可能对器件构成威胁，因此要有吸收电路对主开关器件进行 保护。并联逆变器由电流源供电，换流时为了避免直流滤波电感上产生大的感 生电势，必须保证电流连续，即换流时要遵循先开通后关断的原则，保证重 叠时间的存在。重叠时间内，虽然逆变器桥臂直通，但由于l 比较大能够限制电 流上升率，不会造成直流电源短路，但换流过长会使系统效率降低，因此重叠 时间不可过长。 5 并联逆变器要求负载尽量靠近源端，串联谐振无苛刻的槽路布线要求。 由于串联谐振逆变器输出电压高，电流小，对槽路布局要求较低，感应加热线 圈与逆变电源的距离远时对输出功率的影响很小，当采用同轴电缆或将来回线 绞接在一起铺设时影响则几乎可以不计。并联逆变器则由于电压低，电流大而 对槽路布线要求很高。感应加热线圈与逆变电源( 尤其是谐振电容器) 的距离应尽 量靠近，否则两者之间的引线的分布电感会改变负载电路的结构，使逆变器工 作受到很大影响。 综合以上几点的对比情况，在需要频繁起停，适合复杂工况的超音频感应 加热应用中，选择串联逆变器结构更为合适。同时，为了改善开关状态，防止 开通时有过大的尖峰电流，实现开关管的z v s ，需要使负载工作于感性状态，即 开关频率略大于谐振频率。 2 2 串联谐振逆变器的调功方法 通常逆变器要求功率可调，以满足不同负载的需求，而串联谐振逆变器的 调功方式大体可分为两大类：直流侧调功和逆变侧调功【2 8 1 1 4 7 。 2 2 1 直流侧调功 直流侧调功方式是在逆变器的直流侧进行输出功率调节的方式，即通过对 逆变环节输入电压值的调节实现对逆变器输出功率的调节。通常有两类直流侧 调功方式：相控整流调功和直流斩波调功。 广西大学硕士掌位说譬 超音频串联谐振感应功口热电源的研究 1 相控整流调功 整流电路采用全控( 或半控) 器件进行可控整流，如图2 8 所示，通过调节触 发角得到不同的整流输出直流电压供给逆变环节，从而改变逆变器输出功率。 相控整流方式很大的不足是由于触发角直接影响到网侧功率因数，因此采用相 控整流调功时会使系统网侧功率因数变低，同时也会给电网带来不同程度的谐 波危害。另外，还有采用半控器件时系统调节响应快速性差等缺点。 f k * o 啼i - - - 爿 z 2 亡 划巨 a c 2 2 0 v c - = j m l 一卜一 c 一 亡 型g v - -寻岛业一 么 么 图2 8 相控整流调功主电路拓扑 f i g 2 - 8m a i nc i r c u i tt o p o l o g yo fp h a s e - c o n t r o u e dr e c t i f y i n gp o w e rm o d e 2 直流斩波调功 图2 - 9 为直流斩波调功电路拓扑，即在整流与逆变环节之间加入d c d c 变 换器，通过调节d c d c 变换器的功率器件导通占空比来改变输出电压，从而调 一 w l * o 一 l ：i - -l 爿 z z - i 吐y t i a c 2 2 d v一c - = w 凡_ ( 二 _ 一卜_ 一z -_ v t 3 i =l o ， 业_ 爿 lz - 一j - 一 图2 - 9 直流斩波调功主电路拓扑 f i g 2 - 9m a i nc i r c u i tt o p o l o g yo f d cc h o p p i n gp o w e rm o d e 节感应加热电源的输出功率，该模式采用不控整流方式，大大降低了系统对电 网的干扰，且提高了网侧功率因素；但需在主电路增加一级直流调压和滤波电 路，大大增加了电源的体积和成本，且斩波主开关器件工作在硬开关状态，开 关损耗大，不易在高频及大容量系统中应用。 1 6 超音频串联谐振感砌口热电源的研究 2 2 2 逆变侧调功 逆变侧调功即在逆变器侧通过对逆变桥功率器件开通关断的控制改变逆变 器输出电压的有效值从而实现对逆变器输出功率的调节。常见的逆变调功方法 主要有脉冲频率调制法( p f m ) 、脉冲密度调制法( p d m ) 、p w m 调制法，下面分 别进行介绍。采用逆变侧调功方案，其电路如图2 1 0 所示，就可以在直流侧采 用不控整流，从而大大提高系统整体网侧功率因数，同时逆变侧功率调节的响 应速度比采用直流侧调节要快。 一一 l * 功 咋i - z z吐 c 2 2 0 q = w 忆_ 二卜一卜一一 _ _ 型匡1 踢韭_ - 习 zz 图2 1 0 逆变侧调功电路主拓扑 f i g 2 - 1 0m a i nc i r c u i tt o p o l o g yw i t ht h ei n v e r t e rs i d ep o w e rm o d e 1 频率调制( p f m ) 从图2 6 可以看出串联谐振电路的阻抗频率特性。如果让负载工作在感性状 态下，那么负载阻抗将随频率的提高而提高，从而减小输出功率。频率调制的 方式简单易行，而且容易实现软开关。但是调节范围有限，如果要求输出功率 接近零，就要求开关频率达到无穷大，这显然是不可能的，所以只有在q 值较 高的时候才比较有优势。 2 脉冲密度调制( p d m ) p d m 就是通过控制脉冲密度，从而控制输出平均功率，来达到控制功率的 目的。也就是通过控制加热时间来控制功率。这种控制方法较容易实现，在传 统的电阻加热的设备中比较常用。但是由于是间断加热，所以加热效果不好， 使加热对象加热不均匀，这种方法较少用。 3 脉冲宽度调制( p w m ) 该方法通常采用不控整流桥和滤波电路为逆变桥提供稳