（电力电子与电力传动专业论文）400khz60kw高频感应加热电源的研究.pdf

沈阳二f _ = 业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho n4 0 0 k h z 6 0 k w h i g hf r e q u e n c yh i g h p o w e r l n d u c t i o nh e a t e r h i g h f r e q u e n c yh i g h - p o w e r i n d u c t i o nh e a t e rp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ef o r m a t i o n o fn a n op a a i d e s r e s e a r c h m ga n dd e v e l o p i n gt h ei n d u c t i o nh e a t e r ，w h i c hc a no p e r a t ea b o v e s o n i c f r e q u e n c ya n dh i g hp o w e r , w i l lg r e a t l y r e d u c et h ec o s tr e s d f i n gf r o mt h ei m p o r t m e a n w h i l e ，w i t ht h es p e c i a lh e a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，i ti sa p p l i e dw i d e l y i ni n d u s t r ya n db e c o m e s t h eo n eo f t h ef o c u so f r e s e a r c hw o r ki nt h i sf i e l d t h i sd i s s e r t a t i o ns t r e s s e so nt h e d e s i g n o ft h em a i nc i r c u i ta n dc o n f f o lc i r c u i tf o r 4 0 0 k h 州6 0 k wi n d u c t i o nh e a t i n ga p p l i c a t i o n t h es t r a t e g yo fr e a l i z i n gh i g hf r e q u e n c yb y u t i l i z i n gm u l t i p l e f r e q u e n c yc o n 订o li sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ef o r m u l a e t oc a l c u l a t e p a r a m e t e r so f m a i nc i r c u i ta l ed e r i v e d , t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to ft h es y s t e ma n d t h ee q u i v a l e u t m o d e lo f t h el o a de s t a b l i s h e d , t h es t r u c t u r ea n d p r i n c i p l eo f t l l ec o n l i o l c i r c u i ta n a l y z e d ，t h ew a y o f l o a d m a t c h i n g w i t h o u t t r a n s f o r m e r d i s c u s s e d i n d e t a i l h e r e b yu s i n gs i m u l i n k 4 ，p r o d u c to f m a t l a b ，t h e s i m u l a t i o nm o d e lo f h i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o n h e a t e rw h o s e p o w e ra 由u s t e db y b u c kc i r c u i ti ss e t 呷a n dr e s u l t so fg e n e r a lc o n t r o ls t r a t e g ya r e p r e s e n t e d a sw e l la sm u l t i # e - f r e q u e n c yc o n t r 0 1 1 0 0 k h z 2 k wi n d u c t i o nh e a t i n ga p p l i a n c ew i t hm o s f e t s i sd e s i g n e da n de x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n a l y z e di nt h i se x p e r i m e n t ，c d 4 0 4 6w i t hi t sp e r i p h e r a lc k c u ra l eu s e da sf r e q u e n c y t r a c i n gl o o p ，i r 2 11 0a st h ed r i v ec h i pf o rm o s f e tb r i d g e s o m el o 咖c i r c u i t s c o n s i s to f b u c k c o n f f o lc i r c u i t t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sn e w w a y s w i t ht h e p r o b l e m s l i k eh i g hf r e q u e n c yo p e r a t i o n ，n o l o a d - m a t c h i n g t r a n s f o r m e ra n d e x p e c t s b e t t e rp e r f o r m a n c ef r o mo t h e rr e s e a r c h e r si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g - m u l t i p l ef r e q u e n c yc o n t r o l ，h i g hf r e q u e n c y ， r e s o n a n c e ，p h a s el o c k e dl o o p 一2 沈阳j _ 业人学硕士学位论文 引言 感应加热电源发展至今存中低频段已经比较成熟，但在超高频段( 1 0 0 k h z 以 j - - ) ，虽然大功率电力电子器件变换器已取代电了管振荡式变换器，仍然存在不少问 题，比如儿盯r 赫兹的高频化的实现、负载匹配、高功率斟数和低谐波，大容量带来的 器件的串联均k 与并联均流问题等等。电力电了器件本身的发展对这些问题的解决起着 很人的作j j ，同时，从控制卜- 也有待人们去研究和发现新的方法和思路。 本文针对高频化的实现和负载匹配问题展开了研究，在前人的研究基础卜提出了自 己的想法。在高频化的实现方面，提出用倍频控制的方法并通过建立仿真模型对所提方 案进行验证；在负载匹配方面，详细分析了无变压器负载匹配，州等效电路分析方法得 出匹配拓扑。 沈阳工业大学硕上学位论文 1 高频感应加热电源的应用和研究 1 1 高频感应加热电源与纳米科技 1 11 纳米科技 纳米科技是指在纳米尺度( 1 r m a 到l o o n m 之间1 卜研究物质( 包括原了、分子的操纵) 的特性和相h 作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。当物质小到 l 1 0 0 n m ( 1 0 。l l o - 7 m ) 时，其鼍子效应、物质的局域性及巨大的表面及界面效7 、砭使物质的 很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现 象。纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物 理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。 纳米科技是在2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初才逐步发展起来的前沿、交叉洼新兴 学科领域，它的迅猛发展将在2 l 世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。 f 1 前所有发达国家的政府和企业都在对纳米科技的研发进行大量的投入，试图抢占这一 2 1 世纪科技战略制高点。关注纳米科技的进展，尽快组织和部署我国纳米科技的发展 规划，对于我国新世纪的发展影响深远。 纳米技术的研究对象涉及诸多领域，它的基础研究问题又往往与应用密不可分。 我们可以根据纳米科技与传统学科领域的结合而细分为纳米材料学、纳米电子学、纳米 生物学、纳米化学、纳米机械学与纳米加工等等。 1 1 2 纳米微粒的制备方法及其进展 纳米微粒的制备方法很多，以物料状态来分可归纳为i 匐相法、液相法和气相法三 大类，但随着科技的不断发展和对不同物理、化学特性超微粒的需求，在上述i 类方法 的基础上衍生出了许多新的技术，下面给出r 一般方法的分类。 f 固相物质分解法 固相法 物理粉碎法 i 机械台金化法 2 沈刚工业大学硕士学位论文 气牛 法 液相法 热等离子体法 激光加热蒸发法 真空蒸发冷凝法 高压气体雾化法 高频感应加热法 溅射法 气体还原法 物理、化学、离子气相沉淀法 沉淀法 溶胶一凝胶法 水热反应法 胶体化学法 溶液蒸发和热分解法 电解法 其r h 高频感应加热法是以高频感应线圈作热源，使得坩锅内的物质存低压( 1 1 0 k p a ) 的h e 、n 2 等惰性气体中蒸发，蒸发后的金属原予与静眭气体原子相碰撞，冷却 凝聚成颗粒。该法的优点是产品纯度高，粒度尺寸分布窄，保存性好，但成本较高。当 作为科学研究用途，而不是面向批最生产时，效果比成本更有价值。在发达国家如德 | = l = 4 ，新近发展的高频感应加热电源( 4 0 0 k h z 6 0 k w ) l e 被用于纳米的制备研究中。而在 陶内，高频感应加热电源在高频率( 1 0 0 k h z 以上) 大功率的水平上离实川化还有一段 距离。所以在这一领域中都是用进u 设备，价格昂贵。在国内研究开发出高频感应加热 电源( 儿卣干赫兹下瓦以上) 将大大降低由于进口带来的高成本，对于纳米技术 的研究起希重要的作h j ，也是促进我国纳米技术发展的迫切需要。 1 2 感应加热电源的发展概况 1 2 1 感应加热电源的特点和应用 感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量对工件进行加热的。由 于感应加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和 自动化等优点，已在熔炼，铸造，弯管，热锻，焊接和表面热处理等行业得到广泛的应 3 沈刚工业大学硕士学位论文 用。在同外，感应加热技术已n 趋成熟。在铸造方面，正在迅速发展双联熔炼工艺， 即利门1 i 【 一频炉保温改性，进行球墨铁或合金钢的精密浇铸；在锻造方面，利用感应加热 实现快速透热热锻，其材料利用率可达8 5 ，锻件表面光洁度可小于5 0t i m ；在焊接， 淬火方面，国外一方面致力于开发大功率全固态高频电源，一方面致力于开发高度自动 化的热处理成套处理系统。我国铸件用量大，丽铸造行业仍以冲天炉熔炼为主，温度及 成分波动大，废品率高。口前，我同较好的铸造业废品率也存6 一1 5 间，而一般铸 造厂的废品率高达3 0 。随着我闲电力供应的改善，环保要求的提高，发展和扩大感 应加热的规模，在大型企业推广双联熔炼工艺，改造我困铸造行业是符合我国煤炭资源 丰富特点的一条有效途径。这项改造工程不但涉及到保温炉的设计制造，双联熔炼工艺 的最佳化控制系统设计，还涉及到大功率中频感应加热电源等。同样地，在锻造，焊 接，淬火热处理方面全面推广国外先进技术，改造我国传统产业是必然趋势。 近年米在某些高新技术的研究开发中也使用了感应加热。上述这些先进技术的推广 和发展均与感应加热电源技术的研究和发展密切相关。 1 2 2 感应加热电源的发展阶段 ( 1 )在5 0 年代前，感应加热电源主要有：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。至今，在中频( 5 0 0 h z - 一1 0 k h z ) 范围 内，晶闸管中频感应加热装置已完全取代r 传统的中频发电机组和电磁倍频 器。 ( 2 )玻璃管汞弧整流器的发明标志着电力电子学的起源，5 0 年代末可控硅的出现 则标志着固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始。硅晶闸管的出现 推动了感应加热电源及应用的飞速发展。在高频范围内，由于晶闸管本身开 关特性等参数的限制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度，它必须 通过改变电路拓扑结构才有可能实现。 ( 3 )7 0 年代末到8 0 年代初，现代半导体微机集成加工技术与功率半导体技术的 结合，为开发新型功率半导体器件提供r 条件，相继 h 现了一大批全控型电 力电子半导体器件，极人地推动了电力电子学发展，为固态超音频，高频电 4 沈阳丁业大学硕士学位沦文 ( 4 、 ( 5 ) 源的研制提供了坚实的基础。第一台晶体管超音频感应加热电源存1 9 8 5 年 面世，其窖量为2 5 k w 5 0 k h z ，由于单管容量小而采用了多管并联技术，功 率晶体管开关速度受到存储时间限制( a s 级) 及它存在一致命的二次击穿 问题，限制了它的推广使用，随后出现的达林顿晶体管功率模块大多为电机 调速应用设计，其开关速度更低，一般无法适用于感应加热电源。功率 m o s 晶体管与功率双极晶体管相比存在许多优点，由于它为多子器件，不 存在存储时间，因此它的开关时间大大小十双极晶体管，另外，m o s 晶体 管没有二次击穿问题，具有矩形安全区，驱动功率小，易并联等优点，非常 适用于高频大功率感应加热电源应用，采用m o s 可能引起的问题是由于高 速开关要求电源工艺布置严格，另外，高压m o s 晶体管通态损耗较大。 1 9 8 3 年1 g b t 的问世进一步推动了感应加热电源的发展。i g b t 综合了m o s 和双极晶体管的优点，具有通态压降低，开关速度快，易驱动等优点，自 1 9 8 8 年解决了擎住问题后，大功率高速i g b t 已成为众多加热电源的首选器 件，频率高达l o o k a a z , 功率高达m w 级电源已可实现。 在超高频( 1 0 0 k h z 以卜) 频段，长期以来由电子管振荡式变换器产生。8 0 年代兴起由大功率半导体开关器件为元件的逆变式高频感应加热电源。 1 2 3 国外发展现状 在中频范围内，国外装置的最大容量已达到数k 瓦。在高频( 1 0 0 k h z 以上) 频 段内，f j 前国外正处于从传统的电子管电源向晶体管化全固态电源的过渡阶段，以模块 化，大容景化m o s f e t 功率器件为t 。西班牙采j _ f jm o s f e t 的电流型感应加热电源制 造水平达6 0 0 k w 4 0 0 k h z 。德国在1 9 8 9 年研制的电流型m o s f e t 感应加热电源水平达 4 8 0 k w 5 0 - - - - - - 2 0 0 k h z 。比利时生产的电流型m o s f e t 感应加热电源水平达1 0 0 0 k w 1 5 6 0 0 k h z 。日本主要以s i t 为t ，电源水平在8 0 年代末达到了l o o o k w 2 0 0 k z ， 4 0 0 k w 4 0 0 k h z 。s i t 速度比m o s f e t 快，由于s i t 漏源间具有负温度系数，在多只 s i t 并联使用时，4 i 需采用均流措施，便能获得很好的电流均衡效果。但它存存很大的 通态损耗，所以主要发展m o s f e t 电源。 5 一 沈阳工业人学硕_ = 学位论文 1 2 4 国内发展现状 仵中频范围内，国内已形成2 0 0 h z - 8 0 0 0 h z ，功率为1 0 0 k w 3 0 0 0 k w 系列产品，可 以配备5 t 以f 的熔炼炉及更大容量的 泉温炉，也适用于各种金属透热，表面淬火等热 处理工艺，尤其在废旧钢铁熔化及铸造上已经得到了普遍的应用。在高频( 1 0 0 k h z 以 卜) 频段内，国内浙江大学往9 0 年代研制成2 0 k w 3 0 0 k h zm o s f e t 高频电源，已被成 功应j h 于小犁刀具的表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核试验中，9 6 年大津高频 设备厂和灭滓大学联合开发出7 5 k w 2 0 0 k h zs i t 感应加热电源。总的来说，与国外的水 一v 4 h 筹很大。表l 列出了各国的发展水平。 表1各国感应加热电源的发展水平 国家m o s f e t 的参数i g b t 的参数 西班牙 6 0 0 k w 饵0 0 k h z 3 0 _ 6 0 0 k 、 v 5 0 _ 一1 0 0 k h z 德同4 8 0 k w 5 嗍o o k 比利时l o o o k w 1 5 删k h z 日本1 2 0 阑| s 0 k h z r t国 5 0 k w 5 0 k h z ( 产品) ( 浙江大学) 2 0 k w 3 0 0 k h z 2 0 0 k w 5 0 k h z ( 研制) 1 3 影响高频感应加热电源发展的主要因素 ( 1 )半导体微机集成加工技术与功率半导体技术 由以上可以看出，感j 避) j n 热电源的发展与电力电子器件的发展密切相关。而电 力电子器件的发展又是与半导体微机集成加工技术与功率半导体技术分不开的。可 控硅出现后，一代又一代的电力半导体器件先后问世，性能1 i 断改善，高耐压和高 耐流，低损耗、高频率使得感应加热电源的性能和实用性得到了体现。 ( 2 )单片机、微型计算机技术和集成芯片技术 单片机、微型计算机技术和集成芯片技术的发展使得对感应加热电源的复杂控 制成为可能，体积和重量明显减小，功率因素提高了，功率控制调节方便、准确。 ( 3 ) 其他相关技术和学科 6 一 沈阳工业大学硕j 一学位沦文 感应加热电源的发展离不开材料学的进步如磁性材料学。同时，一些相关 的技术如磁通集中器，感应线圈的材料和设计，绝缘技术，故障诊断技术和远 程控制、智能化技术等等也都影响其发展。可以说，感应加热电源的发展是诸 多学科和综合技术共同决定的。 1 4 感应加热电源的发展趋势 ( 1 ) 高频化 f = 1 前，感应加热电源在中频段主要采用晶闸管，超音频段主要是i g b t ，而高频 段，随着m o s f e t 和i g b t 性能不断改进，s i t 将失去存在价值。感应加热电源谐振逆 变器可实现软开关，但由于通常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，布线，接地 屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是高频电源。因此，实现感应加热电源高频化仍有许多 应用基础技术需进一步探讨。 ( 2 ) 大容量化 从电路的角度，感应加热电源的大容量化技术分两类：一是器件的串并联：二是多 台电源的串并联。在器件的串并联方式中，必须处理好串联器件的均压问题和并联器件 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，且装置的可 靠性和串并联数日成反比。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 窖量化的有效手段，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黄，每台单机只是装置的一个单元( 或一个模 块) 。 串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源，当两电压源并联时，相互间的幅值， 相位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以致逆变器件的电流产生严重不均，因 此，串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大电抗器可 充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的a c d c 或d c 他c 环节有足够的时间 来纠i 直流电流的偏差，达到多机并联扩容。 ( 3 ) 负载匹配 感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁，冶金和金 一7 沈阳工业大学硕十学位论文 属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载 是一有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接，表而热处理 等负载，一般采用匹配变雎器连接电源和负载感应器，对高频，超音频电源用的匹 配变压器要求漏抗很小，如何实现匹配变胜器的高能输入效率，从磁性材料选择到 绕组的设计己成为一重要课题，另外，从电路拓扑卜i 负载结构以三个无源元件代替 原来的：个无源元件，以代替匹配变压器实现高效，低成本隔离匹配。 ( 4 ) 智能化控制 随着感应热处理生产线自动化控制程度及对电源高可靠性要求提高，感应加热电源 正i 句智能化控制方向发展。具有计算机智能接口，远程控制，故障自动诊断等控制性能 的感应加热电源正成为下一代发展目标。 ( 5 ) 高功率凼数，低谐波电源 l h 十感应加热用电源一般功率都很大，目前对它的功率凶数，谐波污染指标还没有 具体要求，但随着减少电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数( 采用大功率 i 相功率因数校正技术) 低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。 ( 6 ) 应用领域进一步扩大 当今商新技术飞速发展，新材料、新工艺不断涌现，感应加热是一个重要的研发和 加t 手段，因此感应加热电源是某些高新技术研发中心不可缺少的装备。例如在德国 m a xp l a n e k 研究所，c 6 0 纳米材料的研究中就使用了4 0 0 k h z 6 0 k w 的感应加热电源。 可以肯定的说，随着科学技术的发展，感应加热电源在高新技术领域会有更广泛的应 f l ：j 。在这一领域，对感应加热电源的可靠性和可控性要求更高。如何设计制造大功率超 高频高性能的感应加热电源，是电力电了科技工作者的重要课题。 1 5 本论文的目的和内容 本论文的目的旨在设计4 0 0 k h z 6 0 k w 高频感应加热电源，研究其控制方法，设计 并制作1 0 0 k h z 2 k w 的高频感应加热电源进行实验分析，并为以后研制大功率高频感应 加热电源打下基础。 本论文的内容t 要包括以下4 个部分： 8 沈阳工q k 大学硕士学位论文 分析了感应加热电源的t 作原理，对各阶段的工作模式进行描述，建立了 系统的等效电路，负载的等效模型；分析了控制电路的结构和原理。 分析了感应加热电源的调功方法，并对几种方法进行了综合评价。 描述了高频感应加热电源幸电路的设计要点，提出j j 倍频控制的方法来实 现高频率的方案，推出t 电路参数计算公式；详细讨论了无耦合变压器的 负载匹配方法，对控制电路进行设计和考虑；建立4 0 0 k h z 6 0 k w 的仿真 模型并仿真分析。 设计并制作1 0 0 k h z 2 k wm o s f e t 斩波调功高频感应加热电源实验样机并 测得波形。对整流侧斩波控制、逆变侧锁相控制、桥臂开关器件的驱动电 路都作r 详细说明。其中，卡回路用单相半波串联谐振拓扑结构，控制电 路以c d 4 0 4 6 及其外围电路作为频率跟踪环节i r 2 1 1 0 作为m o s f e t 桥臂 的驱动芯片，斩波控制由n e 5 5 5 及其外围电路、比较器和一些分立元件 组成。 9 一 ； ) 沈阳l 业人学硕十学位论文 2 高频感应加热电源的结构及工作原理 2 1 高频感应加热电源的基本结构框图 鼍f | 回一 南。 国型 一l o 沈阳工业人学硕十学位论文 功率斟素。k m i i 胆是开关器件，如m o s t e t ，s i t ，i g b t ，g t r ，g t o 等，v d l 一) 4 是反_ ： f ：联续流二极管。 串联谐振并联谐振 图2 2 逆变器主电路结构及其t 作波形 v 1 ) 4 2 2 高频感应加热电源的主电路工作模式 上电路的工作模式主要指的是逆变器的工作过程。因为我们讨论的是串联谐振穆， 如未作特别说明，以下都是指串联谐振型电路。蕾电路工作模式( 假设开关器件是 m o s f e t ) 一般是、止工作频率在谐振频率附近，这样电路的阻抗接近最小，负载效率 高，同时开关器件的损耗最小。 图2 3 工作在感性负载下的波形 参考图2 3 ，工作在感性负载状态时，输出电流的相位滞后于电压相位，其换流过 稃足这样进行的( 参考图2 2 ) ，假设当前的工作状态是在电压和电流的正半波，k m i 和k m 4 导通。 ( 1 ) k m i 和k m 4 关断，负载电压反向，而电流仍然为正，由v d 2 和v d 3 续 流，这个电流迅速地减小。 沈阳t 业大学硕士学位论文 ( 2 ) 存滞后一个死区时间后，k m 2 和k m 3 加上开通脉冲，但此时彳i 流过电流， 等待电流自然过零后从二极管换至同桥臂的m o s f e t 。 ( 3 )电流自然过零反向，电流从心以2 和k m 3 流过，实现了换流。 由于k m 2 和k m 3 中的电流是从零开始上升的，因而基奉实现了零电流开通，其 开父损耗很小。另一方面，k m i 和k m 4 关断时电流尚未过零，此时仍存在一定的关断 损耗，但是由于m o s f e t 关断时间很短，预留的死区不长，所以适当地控制逆变器的 工作频率，使之高于负载电路的谐振频率，就可以使上( f ) 桥臂的m o s f e t 向下 ( 上) 桥臂的反并联：极管换流，其瞬间电流也是很小的，即m o s f e t 关断和反并联 二极管开通是在小电流下发生的，这样也限制了器件的关断损耗。当开关频率很高时， 工作频率与开关频率应接近相等，让输出电压的基波电压和电流同相位比较好。因为若 是开关器件的反向二极管续流很大，在高频下其反向恢复效应会很大，对将要开通的器 件有很大的冲击。在实际运行中，可以给开关器件并联缓冲电容以较小器件的损耗，适 当地选择电容值能实现软开关工作。从e 述分析可知，串联谐振型逆变器在适当的工作 方式卜，开关损耗很小，因而，可以t 作在较高的丁作频率下，这也是串联谐振型逆变 器在半导体高频感应加热电源中受到更多重视的主要原因之一。 需要注意的是，当可控器件采用普通晶闸管时，必然要解决管子的关断问题。若桥 式电路负载为容性，即工作频率低于负载谐振频率，则其换流次序为k m _ v d ( f f 内换 流) 和v d 斗k m ( 臂问换流1 ，后者只涉及管子的开通，前者则涉及管子的关断。但由 于晶闸管中的电流为正弦波，有自然过零的性质，故属自然换流；其次，由于是臂内换 流，当晶闸管内电流过零，反并二极管相继导通之后，其正向压降便自动作为晶闸 管的反向电压，只要二极管电流的持续时间t 。 t 。，晶闸管便能可靠关断。由以上分析 可见。若逆变电路工作在容性情况卜，则可以利用自身负载电压关断退出导通的晶闸 管，即可以采用负载换流方式，不需要设置独立的换流电路，主电路就简化了。而若 m o s f e t 感应加热电源采用容性方式，在臂间抉流过程中，将会流过很大的开通电流， 使工作条件恶化。为了避免产生这种现象，所以让电路工作在感性卜- 。 1 2 沈阳t 业大学硕士学位沧文 2 3 控制电路的结构与原理 控制电路包括整流控制电路、逆变控制电路，保护电路等( 如图2 4 ) 。 图2 4 感应加热电源控制电路框图 整流控制电路的任务是根据各种输入信号( 给定，反馈，故障等) 综合情况发出宽 度合适的脉冲，以便输出合适的直流电压。感应加热电源主要用于t 业快速，均匀加 热，特点是随着加热过程的进行，负载不断变化，负载的固有谐振频率变化，功率因数 变化。这些变化取决于负载的电气特性如导电性、渗透性、耦合系数和几何性质如形状 等等；同时，不同的负载需要的功率大小也不同，这样必须对逆变器的输出功率和频率 都做相应的调整。也就是说，整流侧和逆变侧是协调工作的。在本课题的实验中是由整 流侧调节功率，由逆变侧进行频率跟踪。整流桥的控制一般用典型的不可控整流( 在不 要求移相调节直流侧电压时) 或可控整流( 需要调节直流侧电压时) ，具体用哪一种取 决于控制策略。 逆变控制电路包括开关器件的驱动电路，死区形成电路，锁相环电路。其f | 1 ，驱动 电路所产生的脉冲的次序和占空比由控制策略决定，硬件主要是由集成驱动模块及其一 些外围电路组成，也有用纯模拟电路搭成的，还可以是数字与模拟电路共同合成。死区 形成电路存串联谐振型中是必不可少的，有的集成驱动模块中含有该单元，在设计时就 1 3 沈阳工q k 大学硕士学位论文 可以省略；有的虽然含有一定的延迟环节，但时间太短( 如l o o n s ) ，需要另加延迟。 锁相环电路的日的是跟踪负载的谐振频率，从而控制逆变电路的t 作频率，这就是所谓 的锁相控制。一般采样电压取自负载电容两端，这是由于电容对高次谐波的阻抗小，其 端电压的商次谐波分量最小，基波分量最大，以此信号作为反馈，可有效降低商次谐波 的干扰，使系统能稳定地跟踪谐振频率t ，再加上适当的偏置电路，可以使得t 作频率 略高于谐振频率。保护电路主要是防止过电流，短路保护。 2 ，4 调功控制策略 感应加热主要用于t 业快速、均匀加热，特点是随着加热过程的进行，负载不 断变化，谐振频率变化，功率凼数变化，质量因素变化，这样必须对逆变器的输出 功率和频率都做相应的调整。功率调节方式有两种：是改变功率斟数；二是改变 商流电压。 2 4 1 改变功率因数调功 通过改变工作频率来改变功率因数。通常，为减小器件开关损耗，工作频率应 大十谐振频率。若逆变器的工作电压不变，则存谐振点附近负载等效阻抗最低( 如图 2 5 1 ，电流最大，因而输出功率也最大。 z 可 广百1 厂百 。 百 广石1 厅 图2 5 等效阻抗的频率特性图2 6 移相控制开关动作 当提高工作频率时阻抗也随之增大，电流减小，功率因数也减小，因此输出功 率随之减小。由此可见，逆变器的输出功率可由工作频率来调节，特别当负载回路 g 值较高时调节更灵敏，因而直流端可为i 相不控整流电源。逆变电路的工作频率 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 的大小 所需的功率要求决定。这种调功方法速度快，整流电路简单，但是当所 需功率很小时，会止系统工作在严重失谐的状态，无功损耗人。 2 ，4 2 整流侧斩波调功 整流侧斩波调功的目的是改变直流端电压，调节输出到负载的能最，本论文。p 采用 的就是这种方法。根据负载所需功率要求，通过斩波器的占空比来调节。在稳态运行过 程r n 实时从谐振回路中反馈电流的变化，从而r 解负载的变化，通过与基准值比较获 得占空比的大小。此方法控制简单方便，且t 作频率与谐振频率可以同步，功率因数 离，无功损耗小。 2 4 3 移相控制调功 移相调功是通过移相控制，即每个桥臂的两个开关管1 8 0 。q ：补导通，两个桥臂的导 通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小调节负载电压的宽度，从而调节 输出功率( 如图26 ) 。根据脉冲的作用先后可把桥臂分为超前臂( q 1 、0 3 ) 和滞后 臂( q 2 、q 4 ) 。移相调功时电路仍工作在谐振状态，实现负载电压基波分量与负载电流 同丰| j 。在两桥臂开哭器件都关断时，由反并联极管续流。 1 5 沈阳t 业大学硕士学位论文 3 4 0 0 k h z 6 0 k w 高频感应加热电源设计与参数计算 3l 主电路设计 1 1 相控整流调压方式的缺点 相控式低频整流电路是传统的直流端调压方式，它采用半控型元件作为功率开关， 删相控方式实现调压、电源换流。这种电路的优点是主电路结构简单，控制方便。由十 使用较早，技术也很成熟，凼而得到广泛应用。但也存在以下问题： ( 1 ) 深控r 网侧功率因数降低 由定义，整流电路网侧功率因数九为 x = j c o s 矿l ( 3 1 ) 式丰_ “一褴流电路入端电流波形畸变冈数： 矗一网侧基波电压和电流的相位差。 整流电路网侧功率凶数与基波位移因数c o s # l 有关。而由相控式整流电路分析可 鬟，在输出电流为连续并忽略换流过程影响的条件下，有 c o s # l = c o s a ( 3 2 ) 式中a 一整流电路滞后控制角。 式( ：j 2 ) 表明，网侧功率因数将随a 而变化，在深控卜| ，直流输出电压很低，口 很大，相应网侧功率因数很低。这意味着在输出有功功率降低的同时，整流电路每相由 电网吸取的感性基波无功功率却相应增大。 ( 2 ) 由电网电流包含高次谐波所产生的不良影响 高次谐波电流的存在，使电路产生畸变功率d ，从而增加了电路的无功功率p 。因 为电路叶i 各种功率可分别表达为 螭波无功功率q = s 。s i n 办 ( 3 3 ) 基波表观功率s i = u l ，l = 鼻2 + q 1 2 ( 3 4 ) 总表观功率 s = u i = u l ，1 2 + ，2 2 + + 。2 ( 3 5 ) 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 畸变功率d = u i ，2 + ，。2 + + ，。2 ( 3 6 ) 将式( 3 6 ) 、( 3 4 ) 代入( 3 5 ) ，有 n ：丽：i 亍j i j 可：丽：i 可 ( 。z ) 式t l t ( ) 一电路总无功功率； 只基波有功功率，只= p q = a 。2 + d 2 ( 3 8 ) 式( 3 8 ) 表叫，由于畸变功率d 的存在，总无功功率增加，电流谐波含景越高， 增加餐也越大。此外，谐波电流流经电网时，还会使网问其他电磁性负载温升增高，影 响山力；也会通过辐射和感应等方式对其他设备和整流电路自身的控制电路产生干扰。 ( 3 ) _ 换流引起的电网电压波形畸变 相控整流电路可采用电源换流方式无需设置独立关断电路，因而主电路结构简单， 但也由于聚用上述换流方式，导致叠流期中电网电压畸变，后果不仅是整流电路自身性 能受到不良影响，而且也降低r 电9 四质景，产生电网干扰，对同一接入点的网间其他用 i 乜设备带来不良影响。 3 1 2 整流电路的理想状态 a c d c 图3 1a c d c 变换电路的框图 我们希望整流电路的理想状态是这样的： ( 1 ) 嘲侧电压电流均为无畸变正弦波，若入端电压为 一1 7 j 1 t 沈阳工业大学硕士学位论文 “2 u m s m t o t( 3 9 ) 其t h - - i 乜网角频率。 则应有： i 2j m s i n t ( 3 1 0 ) ( 2 ) 刚侧功率网数 一1 ，这相当于入端电、i 无畸变无相移，电嘲对整流电路只提 供有功功率： ( 3 ) 负载端电压“。= c o r l s t ( 电压璎) 或输出电流，。= c o n s t ( 电流型) ： ( 4 ) 能实现快速调节； ( 5 ) 有再生能力。 为实现卜述要求，依靠传统的电路，采用半控型元件、电源换流、低频开关方式和相控 方式是无法达到的。 3 1 3 接近理想的整流电路 我们以单相整流电路为例，假设电路内部无损耗。首先我们根据能量平衡原则，按 图3 1 所示物理量符号，有 l g n i = u o t 。= u 。，。 ( 3 1 1 ) 即输出电流f 。可表达为 o ：昔 。1 2 ) 将( 3 g ) 和( 3 1 0 ) 代入上式，得 扣警s i n 2 研= 1 0 - i o c o s 2 舻。f 0 2 刹 ，。= 等 i 。22 。c o s 2 0 x 上式表明，为了实现电压裂整流电路的理想状态，输出电流为一脉动波， 含直流分量，。外尚包含二次谐波f 。：，因此出端功率瞬时值为： p 。= u o i 。= u 。，。( 1 一c o s 2 删) 一1 8 一 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 其中除包 ( 31 5 ) 沈阳一【业大学硕士学位论文 平均功率 只= 亭f 成西= 虬，。 ( 31 6 ) 模犁电路如图：32 ( a ) 所示。这与直流升压型电路很卡h 似，只是为了适应电源“。的 交变性质，用v d l v d 4 组成的单相全桥电路代替。 与 。二 v d 2 屯2 i 王2 i 剖丽 l z 匿 二 厂1 c 2 = v d 4 v d 3 z王2 v s 二- 0 + ( c ) ( d ) 图3 2 接近理想整流的模型电路 ( 一)开关状态分析 全控型元件k 采用斩控式，其斩波频率正远高于电网频率厶，当k 处于通态时， 其端压“，= 0 ，不控桥入端电流j ，= o ，v o i - - v i ) 4 处于断态，直流输出电压= 【，。，负 载中能景由支撑电容c 。维持，此时开关等效电路如图( b ) 。图中v s 视为理想二极管。 1 9 圳知 ( 婆堕三些奎堂堡主里垡堡茎 一一 当y 。处于断态，电源电压“ o 时，有v 。1 ，d 3 导通，d s = 材。= 。，= z w 。i 。等 效电路如图( c ) 所示。 当旷处于断态，电源电压 。时，： o 为欠补偿，当c x x 。时，x j o 为过补偿。电路矢量图3 1 0 ( d ) ， 两者相比，欠补偿在达到同样的等效负载阻抗时所用的元件少。对欠补偿来说，x ：相 当于一个等效电感，按照负载槽路要求的谐振频率串以相应的槽路电容c 后仍然组 成串联谐振电路，如图3 t o ( e ) 。同样，对过补偿，矗相当于一个等效电容c ：，为满 足串联谐振要求，必须按谐振频率的要求串以相应的电感。此外，对于一定频率卜- 的一 个确定负载，其感性无功容量是一定的，当它工作在谐振点附近时可认为所需补偿的容 性无功容量近似与负载的感性无功容量相等，是一个恒值，。可见，在采用欠补偿时， 槽路中的总容性无功容量不变，只是把原先串联中的一部分电容功改为并联补偿性无功 l 酊已，凶此在经济上不会因增加原有的电容无功容量而增加成本。过补偿电路如图 一3 0 一 沈阳t 业大学硕士学位论文 载 r 图3 1 l 电压源型l c l 耦合逆变器 对于感性耦合谐振角频率人约是 = 一 ； ( 3 3 5 ) , i c t l l 2 ( l + 三2 ) 此处，f = 乜感l ，的目的是在此谐振频率下转变阻抗的大小，即 r e q = 面瓦万r 丽郏) ( 3 3 6 ) 嘲+ 高器2 罨筹c 慨。， 当输出基波电压和电流的相位相同时，x 。= 0 。逆变器就设计为提供给负载所需 的功率，。，等于实部所需的功率丘。，日 吃一2 2 薏 。3 8 ) 式中，u t 为输出方波电压的有效值。 3 感应加热线圈的设计 当感应加热线圈中通入交变电流时，交变电流在感应线圈中的分布直接影响到加热 的效果，f 而是有关感应线圈中的电流密度的关系式。 设感应线圈的内径为r l ，外径为r 2 ，其截面积为一矩形( 如图3 1 2 ) 。感应线圈 可视为有一定厚度的圆柱壳层，则电磁场矢量相量 e ( x ，r ) = e ( x ) e “ ( 3 3 9 ) h ( x ，f ) = h ( x ) e 1 “ ( 3 4 0 ) 建立如图3 1 3 所示坐标，电磁场的微分方程为b e s s e l 方程，由文献有 3 1 沈阳工q k 人学硕+ 学位沦文 _ i - - r 1 一 l 一r 2 y 圈3 1 2 感应线i 劐截由图图3 1 3 柱面坐标系 ：h o 生! 生型! ! 厶! 生丝! 二厶! 生生丝! 生! 竺型! ； ( 3 - 4 1 ) 五( k r i 4 0 e ( k r = 4 i ) 一l ( k r j i ) k 。( 蝎，) e：坠h。一xo(kr：40f,(kr40+l(kr：40k,(h40 ( 3 4 2 ) 4 2 t r 。f o ( k r a 4 i ) k , ，( k r ：4 i ) 一f o ( 欣：4 i ) k 。( 蝎f ) 卜畸式即为感应线圈中电磁场的分布情况。由电流密度与电场强度的关系，i ，= 葩有 ，：阜h 。整型塑塑塑垡型銎型牟 ( 3 4 3 ) 2 “疋( 崛4 i ) k 。( k r 2 4 i ) 一正( 幌f ) k o ( 蝇f ) 即为感应线圈中电流密度的分布情况，以上公式的推导见文献。 由以上式可知，感应线圈中电磁场和电流的分布随频率而变化。并得出感应线圈中 电磁场与电流密度戬分布曲线。 0 0 r 1 r 2 图3 1 4 感应线圈中电磁场与电流密度的分布曲线 图可知，存感应线圈内侧电流密度最大，而外侧电流密度最小。频率对电流密度 有影响，i 司时，感应线圈的几何参量也会对电流的分布产生影响，当圆环内径变化时， 一3 2 沈阳t 业大学硕上学位论文 电流密度的分布也随之变化，而且内径越小，这种变化越明显，这是一种“圆环效 应”，产叶i 圆环效应的原因是由于感应加热线圈的几何参量与其中电磁场之间的关系引 起的，这种效应的强弱与感应线圈的设计密切相关，凶此，存感应加热设备的感应加热 线圈的设计卜，要充分考虑这一因素。 4 补偿电容的必要性0 选择 感应加热电源大多用在高q 值、强感性的环境下，描述系统的等效电路如【：文中所 见( 电阻和电感的串联) ，功率因数存0 0 3 _ _ o 0 8 。因此所需补偿的无功功率很大， 对6 0 k w 有功功率的系统，人约7 5 0 k w - - 2 0 0 0 k w 。f _ l _ i 公式p = u c o s o 中c o s o 很小可见， 逆变器中的电压和电流相对较高，提高功率因数是必须的