（系统工程专业论文）基于可编程逻辑器件的高频感应加热电源的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 高频感应加热电源在现代工业中有着广泛的应用。基于高频感应加热 电源具有加热效率高、速度快等一些特殊的优点，对其进行研究具有特别 重要的意义。针对目前能源短缺的现状，研制高频感应加热电源提高能源 利用效率势在必行。 本文首先对感应加热电源的基本原理、发展现状等做了简要概述。接 着介绍了感应加热电源的基本结构组成，分析了感应加热电源两种不同类 型的主电路结构形式及其各自的优缺点，阐述了串联谐振型感应加热电源 的调功方式。在此基础上确定了本文的设计方案。设计了感应加热电源的 主电路并计算了各个组成部分器件的参数，同时对主电路做了m u l t i s i m 仿 真，为跺后的实验奠定了基础。本文中着重分析研究了电源控制电路的原 理及其具体实现方法，给出了详细的硬件电路设计原理图和各自的工作原 理说明；并且设计了高频感应加热电源的驱动及保护电路。最后给出高频 感应加热电源的实验结果及结论。 本文重点之一是阐述感应加热电源移相调功式逆变电路控制技术。重 点之二是在高频感应加热电源中应用软开关技术。重点之三，即本课题的 首要创新点，是基于现代数字电子设计技术，以可编程逻辑器件和单片机 相结合的方式设计系统控制电路模块，如区别于模拟电路锁相环的全数字 锁相环( d p l l ) 的设计、p w m 信号发生器等。并对各模块进行软件仿真且把 各模块整合到系统中进行了实验验证。该点的意义在于实现了高频感应加 热电源由模拟电路控制系统向数字化控制的转变。 本文以串联谐振型感应加热电源为研究对象，研制最大输出功率为 4 0 k w 、输出振荡频率范围在2 0 8 0 k h z 的高频感应加热电源。以实验验证了 本文设计方案的可行性及可靠性，性能指标基本达到了系统设计的要求。 为以后研制更高输出频率、更高输出功率的高频感应加热电源奠定了基础， 但通过实践发现在该设计方案中仍存在需要解决的问题。 关键词：感应加热，串联谐振，软开关，移相，全数字锁相环 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g h f r e q u e n c yh i g h p o w e ri n d u c t i o nh e a t e ri sw i d e l yu s e d i n t h em e d e r ni n d u s t r y i nv i e wo ft h ep r e s e n ts i t u a t i o no fd o m e s t i e e n e r g ys h o r t a g e ，r e s e a r c ho nh i g h f r e q u e n c yh i g h p o w e ri n d u c t i o n h e a t e risn e c e s s a r ya n dv a l u a b l eb e c a u s ei tisc h a r a c t e r is t i co fs o m e e s p e c i a l l yg o o dc h a r a c t e r ss u c ha sh i g he f f i c i e n c y ，r a p i ds p e e d a tf i r s t ，w ed i s c u s st h ep r i m a r yp r i n c i p l ea n da a t u a l i t yo f i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y t h e n ，w ep r e s e n tt h eb a s i cs t r u c t u r e o fi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y ，a n dt h et w ot y p e so fc i r c u i t s ， w h o s ea d v a n t a g e sa n dd is a d v a n t a g e sa r ea 1 1d i s c u s s e d m o r e o v e r ，t h i s s e c t i o nd i s c u s s e ss o m ep o w e rm o d u l a t i o nm e t h o d s a f t e ra s c e r t a i n i n g t h es c h e m e ，w eg i v et h em a i nc i r c u i td e s i g na n dt h ep a r a m e t e r so f e a c hc o m p o n e n tw h i c hm a k eu pt h ew h o l es y s t e m t h es i m u l a t i o no ft h e m a i nc i r c u i tt h r o u g hm u l t i s i mt e s t i f i e st h er e a s o n a b l eo ft h ea b o v e c a l c u l a t i o n w ea n a l y z et h ep o w e rs u p p l y sc e n t r e ls y s t e ma so n eo f t h ei m p o r t a n te m p h a s e s ，a n dp r e s e n tt h es y s t e m ss c h e m a t i cc i r c u i t s p a r t i c u l a r l ya sw e l l m e a n w h i l e ，w ea n a l y z ed r i v e rc i r c u i ta n dt h e p r o t e c t i o nc i r c u i to ft h eh i g h f r e q u e n c yh i g h p o w e ri n d u c t i o n h e a t e r f i n a l l y ，w eg i v et h er e s u l ta n dc o n c l u s i o na b o u tt h e e x p e r i m e n td e s i g n i nt h i sp a p e r ，w ep r e s e n tt h r e ee m p h a s i z e s t h ef i r s te m p h a s i z e i sp r e s e n t i n gt h ec o n t r o lm e t h o d si nt h ep h a s e s h i f r e dp o w e r m o d u l a t i o ni n v e r t e rc i r c u i t t h es e c e n do n ei si n t r o d u c i n gt h es o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g ya p p l i e di nh i g h f r e q u e n c yh i g h p o w e ri n d u c t i o n h e a t e r e s p e c i a l l y ，t h et h i r do n e ，w h i c hisa l s ot h em o s ti m p o r t a n t i n n o v a t i o nb a s e do nt h em o d e r ne d a ，i sd e s i g n i n gt h es y s t e m s c o n t r 0 1 c i r c u i tr e a li z e dt h r o u g hp l da n dm c u s u c ha sa l1d i g i t a l p h a s e - 1 0 c k e d1 0 0 pw h i c hi sd i f f e r e n tf r o ma n a l o g u ep l l ，p w ms i g n a l c r e a t o ra n ds oo n t h em e a n i n go ft h ei n n o v a t i o nisr e a li z i n gt h e 山东大学硕士学位论文 t r a n s i t i o nf r o ma n a l o g yc o n t r 0 1s y s t e mt 0d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mf o r t h eh i g h f r e q u e n c yh i g h p o w e ri n d u c t i o nh e a t e r a st h es e r i e sr es o n a n ti n d u c t i o nh e a t e rb e i n gt h em a i nr e s e a r c h o b j e c t ，t h i sp a p e ra i m st om a k er e a l i z a ti o no ft h eh i g h f r e q u e n c y h i g h p o w e ri n d u c t i o nh e a t e ro fw h i c ht h em a x i m u mo u t p u tp o w e ri s4 0 k w a n dt h er a n g e0 ft h eo u t p u tf r e q u e n c yis2 0 8 0 k h z e x p e r i m e n t sh a v e c e r r i f i e dt h er e l i a b i l i t ya n dt h ef e a s i b i l i t ya n dt h ei n d e x0 f p e r f o r m a n c es a t i s f i e st h ep r i m ed e s i g nr e q u i r e m e n t ，t h u sm a k i n g f o u n d a t i o nf o rh i g h e rp o w e ra n dh i g h e rf r e q u e n c y h o w e v e r ，t h e r ea r e s t i l ls o m ep r o b l e m st 0b es o l v e di nf u t u r ew o r k k e yw o r d s ：i n d u c t i o nh e a t e r ，s e r i e sr e s o n a n t ，s o f ts w i t c h i n g ， p h a s e s h i f t e d ，a 1 1d i g i t a lp h a s e 一1 0 a k e d1 0 0 p 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 塞募嚷 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 美五骣 论文作者签名：里庞强导师签名：皇芏孟造日期：2 q q 鱼：窆：! q 山东大学硕士学位论文 1 1 感应加热的基本原理 第一章概述 十九世纪初人们发现了电磁感应现象，得知处于交变磁场中的导体会 产生感应涡流引起导体发热，但在开始阶段人们并没有想到利用这一现象， 相反则是尽力抑制这种效应，直到十九世纪末期人们才开始有目的的利用 这一原理进行对金属的熔炼、热处理、压力加工前的透热等，由此就出现 了各种各样的感应加热设备。 1 1 1 电磁感应与感应加热 法拉第建立的电磁感应定律说明，处于交变磁场内的导体其两端会感 应出电动势，电路闭合成回路时则产生感应电流。感应加热的基本原理就 是电磁感应定律，其原理如图1 1 所示： 中 t 图1 1 感应加热原理 如上图所示，在导体外面绕一匝数为n 。的线圈，交变电流iz 通入线圈 后，感应线圈中就会产生同频的交变磁通o ，在金属工件中就会产生相应 感应电动势e ，则有m a x w e l l 电磁方程式： p 一z 窑 ( 1 1 ) 设交变磁通为西= 锄s i n f ，则： f ：- n 2 皇里：一n 2 咐c o s c o t ( 1 2 ) 出 山东大学硕士学位论文 因此感应电动势的有效值为： e ：2 x f 焉n 砷一m ：4 4 4 2 如 2 。 一 此感应电动势在工件中产生感应涡流使工件内部加热， q = o 2 4 1 2 r t 其中：q ：感应电流通过电阻产生的热量( j ) ； ( 1 3 ) 其焦耳热为： ( 1 4 ) i ：感应电流有效值( a ) ： r ：工件的等效电阻( o ) ； 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传递给被加热工件，然后 在工件内部电能又转变为热能的过程，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一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此现象1 1 。 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，感应线圈中流过的电流越大，其产生的对应磁通 量就越大，因而可以通过提高感应线圈中的电流值而使工件中的感应涡流 加大；同时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 使工件发热效果得到增强，加热速度增快。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 。2 透入深度与集肤效应 在感应加热过程中存在着三种效应：集肤效应、邻近效应和圆环效应， 下面分别介绍这三种效应： 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，最大的电流密度出现在导体的表面层，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 受彼此的影响而有所变化。若两个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，反之若导体中电流方向相同，则最大电流出现在 导体外侧，这种现象就称作邻近效应。 2 山东大学硕士学位论文 圆环效应：将交流电通过圆环形线圈时，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。工程上规定，当涡流强度由表面向内层衰减到其最大值的 0 3 6 8 ( 1 e ) 时，此处与表面的距离6 称为电流透入深度。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6 的薄层中。工程上，透入深度可由下面表达式确定： 广 5 = 5 0 3 0 仁 ( 1 5 ) v 其中：p ：导体材料的电阻率( q 册) ： 肛：导体材料的相对磁导率； f ：感应a 流的频率( h z ) ； 由上式可得知，当被加热工件、材料的电阻率p 、相对磁导率p ，确 定以后，透入深度6 只与感应涡流的频率f 的平方根成反比。因此我们可以 通过改变频率来控制透入深度，因为在某些金属热处理中，工艺要求工件 的透入深度要在一定的范围之内，如此以来我们就可以很好的满足工艺要 求。 i 2 感应加热电源的特点和应用 由前节叙述可知，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。现在感应加热技术己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。 究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点： ( 1 ) 热温度高，而且是非接触式加热； ( 2 ) 加热效率高，可以节能； ( 3 ) 加热速度快，被加热物的表面氧化少； ( 4 ) 温度容易控制，产品质量稳定，节能： 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 可以局部加热，产品质量好，节能； ( 6 ) 容易实现自动控制，省力； ( 7 ) 作业环境好，几乎没有热，噪声和灰尘； ( 8 ) 作业占地少，生产效率高； ( 9 ) 能加热形状复杂的工件； 基于以上各种优点，感应加热电源已在冶金、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，感应加热也已经不断地进入 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 3 感应加热的发展、现状及趋势 i 3 1 感应加热电源的发展2 】 ( 1 )在五十年代前，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。如今，在中频范围内 ( 5 0 0 h z 一1 0 k h z ) ，晶闸管中频感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机 组和电磁倍频器。 ( 2 )五十年代末可控硅的出现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 )七十年代末到八十年代初，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了条件，相继出现 了一大批全控型电力电子半导体器件，极大地推动了电力电子学发展，为 固态超音频，高频电源的研制提供了坚实的基础。第一台晶体管超音频感 应加热电源在1 9 8 5 年面世，其容量为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以及致命的二次 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 4 山东大学硕士学位论文 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于双极晶体管。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。 ( 4 )1 9 8 3 年i 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 l 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1 0 0 k h z ，功率高达m w 级电源已可实现。 ( 5 )超音频( i o k h z 一1 0 0 k h z ) 频段，长期以来由电子管振荡式变换器 产生。八十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 3 2 国外发展现状 2 1 低频感应加热的特点是透热深度深、工件径向温差小，因此热应力小， 因此工件变形小，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。尽管固态器件构成的低频感应加热电源的效率、体积和性能均优于工 频炉，但在功率容量、价格和可靠性方面还难以与简单的工频感应炉竞争。 在中频( 1 5 0 h z i o k h z ) 范围内，晶闸管感应加热装置已完全取代了传 统的中频发电机组和电磁倍频器，国外的装置容量己达数十兆瓦。 在超音频( 1 0 k h z 一1 0 0 k h z ) 范围内，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 和b s i t ) 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，这是因为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 山东大学硕士学位论文 年也已经报道了3 - 6 0 0 k w 1 0 0 k h z 的i g b t 电流型感应加热电源，欧、美地区 的其它一些国家如英国、法国、瑞士等的系列化超音频感应加热电源也达 数百千瓦。 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 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 ，而其采用s i t 的固态高频感应加热电源的水平可达 4 0 0 k w 4 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1 1 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 加热电源的容量已达4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z ，比利时的i n d u c t oe i 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 k h z 。 1 3 3 国内发展现状1 1 【2 】 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并开拓了较为广阔的应用市场，到目前已经 形成了一定范围的系列化产品。纵观我国感应加热用中频电源的发展历史， 可以把其发展概括为7 0 年代的开发研究期、八十年代的成熟应用期、九十 年代的大范围推广期、2 0 世纪末期的提高性能期。 中频范围内已形成2 0 0 h z 一8 0 0 0 h z ，功率1 0 0 k w 一3 0 0 0 k w 系列产品，可以 配备5 t 以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热，表面 淬火等热处理，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( i o o k h z 以上) 频段内，感应加热电源将以m o s f e t 为主要器件。 以i g b t 为主要器件的高频感应加热电源在国内的发展应用仍需进一步研 究。浙江大学在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 用。近期，邯郸市某高频设备公司开发并制造全固态高频感应加热设备， 单机功率范围：2 0 0 k w 以内任意功率，频率范围：1 0 0 k h z 1 0 0 0 k h z 。如 j g m p l 0 0 6 型，功率为1 0 0 k w ，频率为6 0 0 k h z 。 6 山东大学硕士学位论文 1 3 4 感应加热电源的发展趋势1 儿2 1 ( 1 ) 高频化 目前，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 ， 而在高频段，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目成反比。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) 。 串联逆变器输出可等效为低阻抗的电压源。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 d c 环节有足够的时间来纠正直流电流的偏差，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个有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和 可靠性。对焊接，表面热处理等负载，一般采用匹配变压器连接电源和负 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 7 山东大学硕士学位论文 匹配变压器的高能输入效率，从磁性材料选择到绕组的设计已成为一个重 要课题。 ( 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， 感应加热电源正向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 ) 高功率因数，低谐波电源 由于感应加热电源一般功率都很大，目前对它的功率因数、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 当今高新技术飞速发展，新材料、新工艺不断涌现，感应加热是一个 重要的研发和加工手段，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 c k 研究所，c 6 0 纳米材料的研究中就使用 了6 0 k w 4 0 0 k h z 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用。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子科技工作者的重要课题。 1 4 本课题的选题意义及工作任务 1 4 1 本课题选题意义 人类应用感应加热能源已有近1 0 0 年的历史，传统的感应加热电源如晶 闸管中频电源、电子管高频电源在使用中存在一些缺点，如效率低、寿命 短、耗电量大等。这些缺点在电能缺乏的今天愈显突出，社会在呼唤高效 节能的感应加热电源。二十世纪九十年代电力电子器件的快速发展为解决 这一矛盾提供了基础，如今国内外同行都在致力于用现代的功率开关器件 取代晶闸管、电子管的感应加热电源研究。中低频感应加热研究领域已有 可喜成绩，但在高频感应加热研究领域还有许多技术问题有待解决，如可 山东大学硕士学位论文 靠性、调功方式、负载适应性等。故研究高频感应加热电源替代电子管高 频感应加热电源、提高效率节约能源势在必行。 1 4 2 本课题的工作任务 本文以串联谐振型感应加热电源为研究对象，给出了以i g b t 为核心功 率开关器件的逆变器布局的实现方式。在对逆变器工作状态的分析基础上， 设计了整极的控制方案，并给出了实验的结果。为以后傲更高输出频率及 输出功率的高频感应加热电源打下良好的基础。针对本系统主要做了如下 几点工作： ( 1 ) 通过对感应加热电源的基本结构原理及分类分析，设计系统主电 路，针对感应加热电源逆变电路移相调功方式应用了软开关技术，并分析 主电路各组成部分参数的计算；然后用m u l t i s i m 仿真软件做主电路仿真分 析，验证主电路设计的可行性。 ( 2 ) 设计系统控制电路，着重研究了控制电路的原理及其具体的实现 方法；充分利用了可编程逻辑器件的设计优势，完成各控制模块的编辑、 编译、逻辑分析、器件装配以及功能时序仿真等。以可编程逻辑器件和单 片机相结合的方式给出系统的设计并进行仿真及实验验证。该点的意义在 于拓展了数字电路在高频感应加热电源中的应用。 ( 3 ) 搭建系统实验电路平台，研制最大输出功率为4 0 k w 、输出频率在 2 0 k h z 8 0 k h z 的感应加热电源。实验结果充分验证设计方案的可行性及可 靠性。 9 山东大学硕士学位论文 第二章高频感应加热电源的结构原理及分析 2 1 高频感应加热电源的基本结构 随着电力电子学及功率半导体器件的发展，感应加热电源拓扑结构经 过不断的完善，已形成一种固定的a c i d c a c 变换形式，基木结构如图2 i 所示。一般由整流器、滤波、逆变器、负载槽路及一些控制和保护电路组 成，在后文对各个部分有讲解。根据逆变器的特点，感应加热逆变电源又 分为电压型串联谐振和电流型并联谐振两种。 匹 配 变 压 器 图2 i 高频感应加热基本结构图 三相交流电经过整流滤波变成直流电，给逆变器提供电源：控制电路 控制着逆变器中各开关管的导通顺序，形成一定的交流方波信号，此信号 输出给负载槽路，让负载工作在谐振状态；为了使系统工作安全可靠，保 护电路提供了必要的保障。以下对各部分做大体的介绍。 1 整流器 整流器的作用是把交流电转换成直流电。可以分为可控整流和不可控 整流。在感应加热装置中，整流器的负载是逆变器。对整流器的基本要求 如下： ( 1 ) 电流型逆变器要求整流器输出电流连续、电流脉动系数小，应 采用电抗滤波；而电压型逆交器则要求整流器的输出电压平稳、电压脉动 小，这应采用电容器滤波。 ( 2 ) 在出现负载短路或逆变颠覆时，必须采取保护措施。电流型逆 变器要求整流器能把储存在电路元件中的能量迅速反馈回电网，电压型逆 变器则要求整流器立即停止工作。 ( 3 ) 要求整流电路在加热负载变化时，能自动限制输出电压和电流 1 0 山东大学硕士学位论文 值，以及有系统过电流和过电压保护功能。 2 滤波器 由于整流器输出波形一般都是脉动很大的电压。为此，需要采用平滑 滤波器，将脉动电压成分减少，使输出直流电压变得更平坦一些。平滑虑 波器是一种只允许直流电流( 电压) 通过，而阻挡交流电流( 电压) 通过的电 路。主要有电抗滤波和电容滤波。当然，要使通过平滑滤波器以后的电压 只有直流成分而丝毫不包含交流成分是办不到的，只能使交流成分减到适 合于要求的程度。 3 逆变器 逆变器是感应加热电源的核心。因此在本文中侧重于逆变侧的研究， 对于整流侧的论述相对比较少。根据直流输入的不同，逆变器可分为电流 型逆变器和电压型逆变器；从电路拓扑上看，这两种电路是完全对偶的， 但由于目前采用的均为高频功率开关器件，所以均不能承受反压。如果用 于电流型逆变器，则每个桥臂的功率开关器件都必须串接二极管来承受反 压，而且通过开关器件的正向电流也全部通过串联二极管。这样就要求串 联二极管能通过很大的正向电流和承受很高的反向电压，且开关速度也要 快，这样的条件有时难以满足。而对于电压型逆变器，开关管无须承受反 压，只要在开关器件两端反并联续流二极管，如果逆变器的工作状态合理， 对二极管的反向恢复特性则无太高要求，因此极易选择。另外，电压型逆 变器可以采用不控整流，通过移相控制调节输出电压的宽度来调节功率， 而且它的启动性能也要好于电流型逆变器。与滤波电容比较，电流型逆变 器的滤波电感体积大，损耗也大，整机效率也低一些。基于这些特点，本 文决定选用电压型逆变器。 用于感应加热逆变器的开关器件可分为半控型和全控型器件。半控型 器件即晶闸管，其导通的条件为在晶闸管承受正向电压时，在门极加触发 电流，晶闸管就会导通。当晶闸管一旦导通后门极就失去了控制作用，无 论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通，因此称为半控型器件。 晶闸管所能承受的电压和电流都很大，但其关断时间较长，因此主要用在 中频。 全控型器件在器件加正向电压后，通过控制信号既可以控制其导通， 山东大学硕士学位论文 又可以控制其关断。在全控型器件中，应用于感应加热领域的主要有电力 晶体管g t r 、绝缘栅双极型晶体管i g b t 、静电感应晶体管s i t 和功率萌o s f e t 。 g t r 是一种双极结型晶体管，具有耐压高、龟流大、开关特性好的特点，但 它所需的驱动功率很大、驱动电路复杂、开关速度较低，不能用于高频段。 功率m o s f e t 是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它所需驱动功率小，驱 动电路简单。它还具有开关速度快、工作频率高的特点，可用于高频电源。 通常功率m o s f e t 的电流容量小，耐压低。但是它的均流特性好，很容易并 联。i g b t 硼j 综合了g t r 和功率m o s f e t 的优点，具有优良的特性，因此有着广 泛的应用。 4 负载匹配 在感应加热装置中输出耦合电路是非常重要的一部分，它直接决定了 输出装置的效率。为了使负载达到最大的逆变输出功率，并使得主开关器 件中流过的电流不至于很大，逆变电路与负载之间采用了阻抗匹配变压器。 槽路串联补偿电容可以接在变压器初级或次级分别形成初级谐振或次级谐 振，如图2 2 ： e c 訇r e广le l c = = 卜一 一 留 ( a ) 初级谐振( b ) 次级谐振 图2 2 串联谐振补偿电容的放置 对串联型逆变器，常用变压器实现负载阻抗的匹配。谐振电路放在变 压器次级实现次级谐振，这样在次级谐振中变压器只传输有功功率，变压 器的容量即为有功功率。 5 负载电路 高频感应加热电源负载电路由补偿电容c 、槽路电感线圈l 、被加热工 件及等效电阻r 组成。根据电容和电感的电路连接形式不同可把感应加热电 源负载分为串联谐振电路和并联谐振电路两种。在后续章节( 2 2 高频感 应加热电源的分类及分析) 有详细叙述。 山东大学硕士学位论文 6 控制电路 控制电路主要包括整流侧控制和逆变侧控制。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。逆变侧控制的任务是根据负载所需的功率要求， 改变功率开关器件的占空比，从而达到调整系统的输出功率的目的。 感应加热电源主要用于工业快速、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。 整流桥的控制一般用典型的不可控整流( 在不要求调节直流侧电压时) 或可 控整流( 需要调节直流侧电压时) 。 2 2 高频感应加热电源的分类及分析 根据逆变器及负载谐振槽路的电路结构不同可把感应加热电源分为电 压型串联谐振和电流型并联谐振高频感应加热电源两种基本形式。以下是 对两种基本形式感应加热电源的分析。 2 2 1 串联谐振电路分析 e 图2 。3 串联谐振电路 如图2 3 所示，电感l 、电容c 和电阻r 组成串联电路，若将内阻为零的 电源雪= b s i n 眦加到此电路中，则电路中将流过电流i 即： f ：墨：l( 2 一1 ) z r + j x 山东大学硕士学位论文 其模大小为： 阼蠢警 c 2 吲 式中：z 为串联电路总阻抗； x 为串联电路总电抗； x = 魁一= 缸一击c = 抬( 旦c o o 一予 ( z s ) v c 、。 o = = 一 4 l c c o s 母：墨：。! ! 一 ( 2 4 ) 婶i 。阿 一4 此时，加在各元件上的电压分别是： 意a ：i r 赢：上f ：土星( 2 - - 5 ) j 也ci 位cz 雹c = j 国l i = j 国l t 2 6 ) 从式( 2 - 2 ) 可知，电路中电流的最大值出现在x = 0 时，此时： j。：鱼：重(2-7) 赢= h r = 重( 2 一s ) 蟊。：击里：一，三：一堙应 (29)r硒cm o c r 一 岛= 如l 盖= j q e = 一如 ( 2 1 0 ) 式中：q = 百c o o l = 蕊1 当x = o 时，l = 去，称x = 。的状态为串联谐振，此时的角频率为谐振 1 4 山东大学硕士学位论文 角频率，用咖表示。 1 32 | ”i 赢 由式( 2 7 ) 一( 2 1 0 ) 可知，谐振时外电源电压应全部加在电阻上。 此时，电感l 上的压降和电容c 上的压降量值相等而相位相反，它们的值比 电源电压高q 倍。因此，通常又把这种谐振称为电压谐振，而将q 称为此谐 振电路的品质因数。 由式( 2 4 ) 可知，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 币= 1 ，即： c o s 币：墨：，! ! ，：1 。8 审2 三2 了：i = = 巧2 1 ( 2 1 1 ) 如果将l 、c 和r 值不变，使外电源频率由o 到一变化，则电路中的电流、 电压和阻抗的变化情况如图2 4 所示： d躲 蓐 。 图2 4 串联电路中个参量随变化曲线 从图2 4 中可见，当。逐渐增大时，容抗厩逐渐减小，而感抗兄逐渐增 大，但在谐振前( 国 兄，电路呈容性，电流i 随。增大而 增加。当电路达到谐振时，电流i 达到极大值，这时电路呈纯阻性；继续增 加渤则因豇 五使电流下降，电路呈感性。 如果让l 、c 和r 也能变化，则电路中电流的有效值i 与谐振时电路中电 流的有效值i 。的比值为： 山东大学硕士学位论文 ，l 矿再虿可 上式中的i ，i o 值为纵坐标，m ，( i ) 。为横坐标。取几种不同q 值作曲线，如 图2 5 所示，从图中可见q 值越大，谐振曲线就愈尖，电路工作频率偏离谐 振频率时，i i o 的比值变化就越大。实际设计串联谐振负载时，故q 值不能 太高，否则电路将不稳定，不利于调功输出。【1 】 图2 5 不同q 值的谐振曲线 2 2 2 串联谐振逆变器电路分析 h j 麓c l r l f 卞掣4 1 卜_ 八 八_ 【= = 】+ d 3 q 1 i 一一】 图2 6 串联谐振逆变器电路 如图2 6 所示的串联谐振逆变器电路，根据2 2 1 节的分析可知，因它 的负载电路对电源e 呈现低阻抗，故需采用电压源供电。电压源通常由大电 容来实现，实际应用时则只需电解滤波电容就可以达到；但在逆变器发生 突发性故障短路时，由于电容两端电压不能突变，因而瞬间放电电流会很 大，可能会损坏器件，需可靠性极高的外部保护电路来切断驱动信号使器 山东大学硕士学位论文 件关断。 逆变器加在串联负载上的电压u = e ，为近似矩形波电压，故应力 d u d t 值较大。功率开关器件上的缓冲吸收龟路起着关键作用，电路中电流 为正弦波，而对应力d i d t 要求较低。 串联谐振逆变器工作时，开关管承受的反压仅为二极管的正向导通压 降，非常低，且像i g b t 、功率m o s f e t 等可关断器件内部都内建有反并联二 极管；当使用移相调功等方法调功时，这些二极管可直接使用，不需要额 外加二极管；若外加二极管必须是快恢复二极管，容量要与功率开关器件 容量相同。 串联谐振逆变器对布线的要求较低，因为负载引出线的电感只会引起 负载回路中电感量大小的变化，而不会影响它的结构。因此串联逆变器更 适合于高频段。 串联谐振逆变器对负载电路的补偿电容的耐压要求较高，通常电容两 端的电压为逆变器直流输入端电压的q 倍。因此，对于一个逆变器输出方波 电压幅值为几百伏的电源，它所需电容的耐压值就要在千伏以上，通常需 要使用电力电容器。为了降低电容耐压值，一般来说需在串联谐振逆变器 的输出端接入高频变压器。 串联谐振逆变器启动较简单。它既可以自激起动，也可以他激起动。 他激工作时，若他激频率与负载谐振频率相差较大时，就会使无功电流增 大，效率变低，输出有功功率减小，器件发热较严重。故有必要采取措施 让启动到稳定工作所需时间尽可能短。 2 2 3 并联谐振电路分析 e 图2 7 并联谐振电路图 c 1 7 山东大学硕士学位论文 如图2 7 所示电路，将电阻r 和电感l 串联后与电容c 并联，若将内阻为 零的电源盖= bs i n t 加到此电路中，则电路中将流过的电流为： ：= r + j c o ( 国2 l 2 c + r z c - l ) r 2 + 分p 贝f j 并联电路总的阻抗为： z 兰孚= 而 r 2 + 2 r = ：- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 r + ，似2 口c + r 2 c d ( 2 一1 4 ) ( 2 1 6 ) 电路发生谐振时，式( 2 1 5 ) 的虚部为零，得到谐振时的角频率： 咖