（电力电子与电力传动专业论文）串联谐振感应加热电源的数字化控制研究.pdf

堕旦查兰堡圭兰堡笙苎 a b s t a c t i n d u c t o rh e a t i n gp o w e ri sw i d e l yu s e di ns e v e r a li n d u s t r i a la r e a s ，f o rt h ep u r p o s eo f i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h ei n d u c t o rh e a t i n gp o w e r , m a n yc o n t r o lm e t h o d sa n d t e c h n o l o g yo fp l lh a v eb e e ni n t r o d u c e di n t ot h ea r e a i nt h i sp a p e ran e w k i n do f d p l l ( d i g i t a lp h a s e l o c kl o o p ) b a s e do nd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) i si n t r o d u c e d f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo f i n d u c t o rh e a t i n ga n dt h es i t u a t i o n o f t h ea p p l i c a t i o n so f t h ei n d u c t o rh e m i n ga n dt h em a i nt o p o l o g i e sb o t hh e r ea n d a b r o a d s e c o n d l y ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h em a i nc i r c u i t so f t h ei n d u c t o rh e m i n gp o w e r a n d i ti n d i c a t e st h ea d v a n t a g e sa n dt h ed i s a d v a n t a g e so f t h es e r i e sr e s o n a n c ec i r c u i ta n d t h ep a r a l l e lr e s o n a n c ec i r c u i t a c c o r d i n gt ot h er e s u l to f t h es i m u l a t i o ni nt h e m a t l a b s i m u l i n k , t h ew a v e so f t h ev o l t a g ea n dt h ec u r r e n ti nt h er e s o n a n c ec i r c u i t i sa n a l y z e d t h e nw i t ht h eh e l po f t h em a t h e m a t i c a la n a l y s i so f t h em o d u l a t i o n m e t h o d si nt h es e r i e sr e s o n a n c ec i r c u i ta n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，as u i t e dm o d u l a t i o n m e t h o di sc h o s e n t h i r d l y , t h ei m p o r t a n c ea n dt h ea c h i e v e m e n to f p l l i nt h es e r i e sr e s o n a n c ec i r c u i t i si n t r o d u c e db a s e do nt h ea n a l y s i sa n dt h em o d u l a t i o no f p l l ，an e wt y p ed p l li s d e s i g n e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h e d p l li nt h es e r i e sr e s o n a n c ec i r c u i ti sb u i l t u p a n dt h ef e a s i b i l i “o f t h ed p l l i st e s t i f i e d f o u r t h l y , t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ea c h i e v e m e n to f t h ed p l li nd s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g n t h e ni tc o m p a r e st h er e s u l tw i t ht h et r a d i t i o n a lp l l k e yw o r d s ：i n d u c t o rh e a t i n gp o w e r d s ps e r i e sr e s o n a n c ed p l lm a t l a b s i m u l i n k 南昌大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌盍堂或其他教育机 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。 学位论文储繇重磊签字眺砂6 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权直昌太堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) l ， 学位论文作者魏筐磊导师躲葶护水学位论文作者签名：鱼坠磊伽导师签名：考1 i 叼。 f， 签字日期：7 a 、6 年月心日签字日期：i 年莎月u 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 南昌大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 感应加热的基本知识 1 1 1 感应加热原理 1 8 3 1 年m i c h a e lf a r a d a y 发现的电磁感应现象是一切感应加热的基础。根据初级线圈中电 流的变化，可以在邻近的闭合次级线圈中产生感应电流的现象。感应加热本质上的特征就是 由初级线圈中的交变电流引起闭合的次级线圈中磁通量的变化，利用电磁感应原理和焦耳楞 次定理将电能转变为热能。感应加热所遵循的主要依据是：电磁感应、集肤效应和透入深度 三项基本原理。 s l 1 1 1 1 电磁感应与感应加热 m i c h a e lf a r a d y 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，当电路闭合时则产生电流。这个定律同时也就是今天感应加热的 理论基础。 感应加热的原理图如图1 1 所示： 。1 l 图1 - 1 感应加热电源原理图 如上图，当感应线圈上通以交变的电流f 时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通， 交变磁通缈又会在金属工件中产生感应电势e 。 的大小为： p ：一立 功 根据m a x w e l l 电磁方程式，感应电动势 式中n 是线圈匝数，假如( p 是按正弦规律变化的，则有： ( d = q s m s i n o d t 2 ( 1 - 2 ) 南昌大学硕士学位论文 那么可得到感应电动势为： e = - n m , c o c o s c o t ( 1 - 3 ) 因此感应电动势的有效值为： e ：坐：4 4 4 n f c i 4 , , ( 1 - 4 ) 4 2 这样，感应电势在工件中产生感应电流( 涡流) f ，使工件加热。其焦耳热为： q 。0 2 4 1 z 胁 ( 1 5 ) 式中，q ：电流通过电阻产生的热量( j ) ： j ：电流有效值( a ) ； r ：工件的等效电阻( q ) ； t ： 工件通电的时间( s ) 。 由式( 1 4 ) 可以看出，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。感应线圈中 流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的 涡流加大：同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工件升 温更快。另外，涡流的大小还与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度 有关。1 6 1 由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在金属内部 转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。另外需要 指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流以及涡流引起发热的原理是相同的， 不同的是在一般电气设备中涡流是有害的，而感应加热却是利用涡流进行加热的。i l l 1 1 1 2 透入深度与集肤效应 透入深度的规定是由电磁场的集肤效应而来的。电流密度在工件中的分布是从表面向里 面衰减，其衰减大致呈指数规律变化。工程上通常是这样规定的，当导体电流密度由表面向 里面衰减到数值等于表面电流密度的0 3 6 8 倍时，该处到表面的距离万称为电流透入深度。 因此可以认为交流电流在导体中产生的热量大部分集中在电流透入深度万内。 透入深度万可用下式来表示： 扣5 0 3 0 ，与( 1 - 6 ) n 弘r ， 式中，p ：导体材料的电阻率( q c m ) ： i l ：导体材料的相对磁导率； f ：电流频率( h ：) 。 分析一下式( 1 - 6 ) ，当材料的电阻率p ，相对磁导率“确定以后，透入深度6 仅与频率 3 南昌大学硕士学位论文 的平方根成反比，因此它可以通过改变频率来控制。就是说，对于工件的加热厚度可以方便 的通过调节电源频率加以控制，频率越高，工作的透热厚度就越薄，这种特性在金属热处理 中得到了广泛的应用，如淬火、热处理等。i s l 1 1 2 感应加热的特点和用途 自工业上开始应用感应加热电源以来，在这期间，无论是感应加热的理论还是感应加 热的装置都得到了很大的发展。感应加热的应用领域亦随之扩大，其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 2 1 ： ( 1 )加热温度高，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，效率高，从金属内部即从到金属的电流透入深度层开始加热的， 这样就很大程度的节省了热传导时间，因此集热速度快，被加热物的表面氧化 少； ( 4 ) 温度容易控制，产品质量稳定，省能； ( 5 ) 可以局部加热，工件加热均匀，产品质量好，节能； ( 6 ) 容易实现自动控制，对于感应加热装置可频繁的启停，控制温度的精度高，温 差可达到0 0 1 + 0 0 1 ； ( 7 ) 节能环保，对大气及周围环境无污染( 热、灰尘等) ，作业占地面积少，生产效 率高； ( 8 ) 能加热形状复杂的工件； ( 9 )工件容易加热均匀，产品质量好。 在应用领域方面，感应加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，己成为冶金、 国防、机械加工等部门及铸锻和船舶、飞机汽车制造业等不可缺少的一部分。此外，感应加 热已经或不断地进入到人们的家庭生活中，例如电磁炉、热水器等都可以采用感应加热方式 来实现。 1 2 感应加热技术的发展与现状 1 2 1 感应加热技术的发展过程 法拉第1 8 3 1 年发现的电磁感应现象，就是感应加热技术的基础。在近一百年的时间里， 电磁感应原理被广泛应用于电动机、发电机、变压器和射频通讯装置中，而在这些设备中电 路和磁路的热效应均被看作是有害的副效应。直到十九世纪末，f o u c a u l t ，h e a v i s i d e 以及 t h o m s o n 等人对涡流理论和能量由线圈向铁芯传输的原理进行了系统的研究后，才逐步建立 了感应加热的理论基础。同时人们也开始意识到电磁感应中涡流效应的应用价值。 4 南昌大学硕士学位论文 随着人们对感应加热现象认识的不断加深，2 0 世纪初法国、意大利和瑞典等国开始研 究使用感应加热技术。1 9 1 6 年，美国的j r w y a t t 发明了“潜沟式有心感应炉，也即现在广 泛使用的有心炉的原形1 2 j 。1 9 2 1 年，美国人e e n o r t h r u p 又发明了无心感应炉，并尝试将 已经问世的中频发电机组用于向感应加热负载供电。随着感应加热技术理论的逐步系统化， 实践应用也有很大的进展，此时正在广播通讯领域迅速推广的电子三极管也被引进到感应加 热技术中。二次世界大战之后，由于能源紧张，以感应炉取代低效率的燃料炉取得了明显的 节能效果；随着工业化进程的加快，人们的环保意识的不断提高，因此世界各国都在大力发 展感应加热技术以取代污染严重、劳动条件差、自动化程度低的燃料炉，这一系列因素促进 了感应加热技术的迅速发展，感应加热设备的应用数量地不断增长，应用范围的不断扩大。 五十年代末出现的晶闸管引起了感应加热技术以至整个电力电子学的一场革命。晶闸 管在电力电子学中的应用具有划时代的意义，它标志着以固态半导体器件为核心的现代电力 电子学的开始。因此晶闸管出现后，欧洲各国先后开始研制晶闸管中频装置，1 9 6 6 年瑞士、 西德都研制成功晶闸管中频装置。到七十年代后期，晶闸管中频装置己逐渐取代了中频发 电机组，成为中频感应加热领域的主导产品。 到了八十年代，随着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， 促使电力电子技术向更高频率的应用领域发展。在超音频范围内( 2 0 1 0 0 k h z ) ，开发数百 千瓦的感应加热电源已不困难。在高频范围内( 1 0 0 k h z ) ，日本采用s i t 的系列化高频感 应加热电源八十年代末已经达到4 0 0 k w 饵0 0 k h z 的水平，而采用m o s f e t 的感应加热电源 的容量也可达到1 2 0 k w - 3 0 0 k h z 的水平。 1 2 2 感应加热技术现状 感应加热技术从诞生至今，经过了近百年的发展，取得了令人注目的成果，尤其是六 十年代以后，固态电力电子技术的出现与发展，使感应加热技术与现代化生产的许多方面密 切相关，发挥了很大的生产力的作用。因此世界各国十分关注感应加热技术的发展，并投入 相当的经济支持和技术力量。目前，传统感应加热电源与固态感应加热电源取长补短，互补 共存。 1 2 2 1 国外感应加热技术现状1 2 l 目前，在低频感应加热领域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透热或数百吨的食用水保温。预计短期内，以固态器件 构成的低频感应加热电源在功率、价格、可靠性方面还很难与简单可靠的工频感应炉竞争， 虽然其效率、体积和性能均大于工频炉。 在中频( 1 5 0 h z 2 0 k h z ) 范围内，晶闸管感应加热装置已经完全取代了传统的中频发 电机和电磁倍频器，国外的装置容量已经达到数十兆瓦。 5 南昌大学硕士学位论文 在超音频( 2 0 k h z1 0 0 k h z ) 范围内，i g b t 的应用占主导地位。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 电流型感应加热电源，逆变器工作于零点压开关状态，实现了微机 控制。1 9 9 3 年西班牙也报道了3 0 6 0 0 k w 5 0 1 0 0 k h z 的i g b t 电流型感应加热电源【1 1 1 。欧 美地区其他一些国家的系列化超音频感应加热电源的最大容量也达数百千瓦。1 1 4 j 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 领域，国外已从传统的电子管电源过渡到晶体管全固态电源。 以日本为例，其系列化的焊管用电子振荡器的水平为5 1 2 0 0 k 、1 0 0 5 0 0 k h z ，而采用s i t 的固态高频感应加热电源的水平可达4 0 0 l 涮4 0 0 k h z 。欧美各国采用m o s f e t 的高频感应加 热电源的容量也在突飞猛进。例如，西班牙采用m o s f e t 的电流型感应加热电源制造水平 可达6 0 0 k w 4 0 0 k h z ；比利时i n d u c t oe l p h i a c 公司生产的电流型m o s f e t 感应加热电源水平 可达1 m w 1 5 6 0 0 k h z 。1 9 1 1 2 2 2 国内感应加热技术现状 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，浙江大学首先研制成功国内第一台晶闸管中频电源，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，已经形成了5 0 0 8 0 0 h z 1 0 0 5 0 0 0 k w 的系列化产品。但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，因此 在开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 的串联谐振逆变中频电源也是中频领域有待解决的问题。 在超音频领域的研究工作八十年代已经开始。浙江大学采用晶闸管倍频电路研制了 5 0 k w 5 0 k h z 的超音频电源1 4 l ，采用时间分隔电路研制了3 0 k h z 的晶闸管超音频电源。从九 十年代开始，浙江大学开始对i g b t 超音频电源进行研制，1 9 9 6 年研制开发的5 0 k w 5 0 k h z 的i g b t 电流型并联逆变感应加热电源已经通过了浙江省技术鉴定，目前的研制水平为 2 0 0 k w 5 0 k h z 。另外，浙江大学在9 0 年代已经研制成功3 0 k w 3 0 0 k h zm o s f e t 高频感应加 热电源，并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试验中。总体 上来说，国内目前的研制水平与国外的水平相比还有一定的差距。 1 2 2 3 感应加热电源技术的发展趋势i 柏l 感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展密不可分，随着功率器件的大容量 化、高频化发展，必将带动感应加热电源的大容量化、高频化。其发展趋势大致可以概括为 如下几个方面： 1 高频化7 】 目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管，超音频频段主要采用i g b t ，而高频 频段，由于s i t 存在高导通损耗等缺陷，国际上主要发展m o s f e t 电源。感应加热电源谐振 6 南昌大学硕士学位论文 逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，感应加热电源通常功率较大，对功率器件、 无源器件、电缆、布线、接地、屏蔽等均有许多特殊要求，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，特别是新型高频大功率器件( 如m c t 、 i g c t 及s i c 功率器件等) 的问世将进一步促进高频感应加热电源的发展。 2 大容量化1 8 】 从电路的角度来考虑感应加热电源的大容量化，可将大容量技术分为两大类：一类是器 件的串、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。感应加 热电源逆变器主要有并联逆变器和串联逆变器。串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压 源，当二电压源并联时，相互间的幅值、相位和频率不通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 器输入端的支流大电抗器可充当各并联器之间电流缓冲环节，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。晶体管化超音频、高 频电源多采用并联逆变器结构，并联逆变器易于模块化、大容量化是其中的一个主要原因。 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有机的整体， 负载直接影响到电源的运行效率和可靠性口对焊接、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j l t d , ，如何实现匹 配变压器的高能输入效率，从磁性材料选择到绕组结构的设计己成为一个重要课题，另外， 从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的两个无源元件以取消匹配变压器，实现高 效、低成本隔离匹配。 4 成套装置及智能化控制1 0 l 随着感应热处理生产线自动化控制程度及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。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 高功率因素，低谐波电源1 8 i 由于感应加热用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严格 要求，但随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数( 采用大功率三项功 率因数校正技术) 低谐波污染电源必将成为今后发展的趋势。 7 南昌大学硕士学位论文 1 3 选题的意义和本文的主要内容 选题的意义： 中小功率的感应加热电源( 夕0 千瓦) 在工业生产中有着很广泛的应用，如透热、淬火、 贵金属熔炼等。目前，这一功率档次的感应加热电源多为并联谐振电源。并联谐振电源由电 流源供电，因而平波电抗器不可缺少，同时这种电源的功率调节是通过调节晶闸管三相全桥 整流电路的移相触发角、从而调节输出电压来实现的，这种电源耗用大量铜材、钢材，入端 功率因数较低、谐波较大，效率比较低。 负载串联的感应加热电源由电压源供电，其电压源可分为可控整流、不控整流两大类。 可控整流电源的电压调节方式有相控整流调压、斩波调压两种。相控整流调压谐波较大，对 电网的污染严重，斩波调压电路则比较复杂，且两者成本都比较高。不控整流电路由二极管 全桥整流电路供电，电容器滤波，电路结构简单，实现容易，成本较低。采用全控型开关器 件组成的串联谐振逆变感应加热电源的电压源由不控整流提供，采用逆变调功的方法实现功 率调节，电路结构及控制都比较简单，是中小功率感应加热的理想控制方式。 本文的主要工作： 1 本文以串联谐振感应加热电源为主要研究对象，对串联谐振感应加热电源的功率调 节方式( 直流母线调压调功法( p a m ) 、脉冲频率调制法( p f m ) 、脉冲密度调制法( p d m ) 、 脉冲宽度调制法( p w m ) ) 进行分析并且通过仿真对它们的优缺点进行了比较，指出了各自 的适用范围，根据本文所控制的对象的特点，选用合适的控制方式。 2 针对中小功率感应加热电源中逆变电路采用的模拟锁相环( p l l ) 所带来的一些缺 点，在分析模拟锁相环的工作原理的基础上，建立仿真模型。根据仿真结果对锁相环当中的 一些参数进行分析。结合分析出来的参数建立基于数字锁相环控制的感应加热电源逆变电路 仿真模型，并通过仿真验证数字锁相环的可行性。 3 利用运算能力更强、运行更稳定的数字信号处理器( d s p ) 对感应加热电源系统进 行全数字化控制。根据前文中建立的数学模型利用数字信号处理器( d s p ) 设计出数字锁相 环( d p l l ) ，分别对该数字化控制系统进行硬件设计和软件设计，通过实验验证该数字化控 制系统的可行性。 8 南昌大学硕士学位论文 第2 章感应加热电源主电路和控制技术分析与比较 2 1 感应加热电源主电路分析 感应加热电源主电路一般由以下几个环节组成： s l ( a ) 整流环节( a c - d c ) ； ( b ) 逆变环节( d c - a c ) ； ( c ) 负载及谐振槽路环节； ( d )控制及保护环节。 图2 1 感应加热原理框图 2 1 1 负载谐振电路分析1 5 1 感应线圈通以交变电流，产生磁场，在工件内感应出电流。它可等效为变压器，线圈为 原边，被加热工件为副边，且其副边为单匝短路的，可以将感应加热电源的负载表示为如图 2 2 所示。当感应圈通入交变电流时，就会产生磁场，由于感应圈与被加热工件之间存在气 隙，一部分磁通会穿过工件，称为主磁通；另一部分磁通没有通过工件，称为漏磁通。漏磁 通的大小是由工件与感应圈的气隙大小决定的。 r 图2 - 2 负载的变压器模型 上图中r 。为初级线圈即感应线圈的电阻，l ，为初级线圈的电感；r 2 为次级线圈即被加热 工件的电阻，l 2 为次级线圈的电感：m 为互感。按变压器的原理可以画出它的等效电路， 如图2 3 所示。 9 南昌大学硕士学位论文 图2 - 3 负载等效电路 在图2 - 3 中x 1 = j c o ( l l - m ) ，为感应线圈的漏磁通引起的感抗； x 滴m ，为主磁通引起的互感抗； x 痢( l 2 m ) ，为工件中涡流引起的漏磁通所导致的漏感抗。 感应加热的负载虽然相当于一个变压器，但它的参数却与普通的变压器有很大不同。由 于工件与感应线圈之间存在一定的间隙，所以原边的漏磁通很多。其次，在加热过程中， x 1 、x 2 、x m 、r 2 的变化都很大。为分析万便，可把图2 2 的电路等效成电阻与电感串联的 形式。其中品质因数 q ：立：堕( 2 - 1 ) p l x s 由( 2 一1 ) 式可见，q 值与等效后的线圈电参数飚，x s 有关，而影响这两个参数的因素包 括感应线圈的电感和电阻，工件的电感和电阻以及外加频率等。通常q 值很低，为了提高 负载电路的功率因数，通常在负载上并联或者串联电容以提高其功率因数。 2 1 1 1 串联谐振电路 为了提高负载电路的功率因数，通过在负载上并联或者串联电容可以提高其功率因数， 电容与负载串联就构成了串联谐振电路，如图2 4 所示。 图2 4 串联谐振电路 由图可知，负载的阻抗为： 1 z = r + j 国l 七_ 二二= r + j xl + j xc = r + j x ( 、2 2 、) ，国l 负载阻抗的模为： ( 2 3 ) 当i m 【z ( j ) 】= 0 时，即础+ 面1 = 。，电路发生谐振，设谐振角频率为。 国。三+ 而1 = 。2 面1 ( 2 - 4 ) 1 0 南昌大学硕士学位论文 由十国o = 2 万o ，故谐振频翠 兀2 未厉 协5 ， 品质因数 q = 坐r 去c r r 括c 协6 ， 一 彩o v 则电感和电容上的电压分别为： 巩= 慨= 警u = j q u ( 2 - 7 ) u c2 - - 雨1 ，= 一去u = 一j o u ( 2 - 8 ) 可见，电路发生串联谐振时外部电源电压全部加在电阻上，电感上f f , j 电压和电容上的电 压大小相等，方向相反，且大小等于外部电压的o 倍，因此我们也常常把串联谐振称为电 压型谐振，o 为谐振电路的品质因数。 2 1 1 2 并联谐振电路 将申容与饧载算联的话就形j j l ；：了并联谐振由略由图2 5 所示 并联电路的输入导纳 输入导纳的模为： r l 图2 5 并联谐振电路 】，( j c o o ) = g + 砌。c 一石1 ) = g y ( j c o o ) i = 当i m 【y ( j ) 】= 0 时，电路产生并联谐振 设谐振角频率为c o o 俄三+ 面1 = 。眦。2 去 由y - c o o = 2 矾，故谐振频率 厶2 葫1 厉 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 南昌大学硕士学位论文 品质因数q = 壶c ol g = 竖g g 捱l ( 2 - 1 3 ) 一 。v 则电感和电容上通过的电流分别为： 11 il ( c o o ) = 一j 二= u = 一j i s = 一j q i s(2-14coolc o o l u 1 ，c ( c o 。) = 缈。c u = ，+ _ c o o - c ，s ：缈s ( 2 1 5 ) 可见，电路发生串联谐振时外部电源电流全部加在电阻上，电感上的电流和电容上的电 流大小相等，方向相反，且大小等f # f - 部电流的q 倍，因此我们也常常把并联谐振称为电 流型谐振，p 为谐振电路的品质因数。 2 1 2 电压型逆变器与电流型逆变器的比较分析【6 】 中频电源的主电路有若干种，根据负载谐振回路的不同，一般可分为：并联逆变式中频 电源、串联式和串并联混合式。根据对电路负载的分析，这里主要对感应加热电源的逆变部 分的拓扑结构进行分析对比。 2 1 2 1 电压型逆变器与电流型逆变器的拓扑结构比较1 1 2 】 由自关断器件构成的电压型串联谐振逆变桥和电流型并联谐振逆变桥的电路拓扑分别 如图2 - 6 和2 7 所示。 电 奉 + 晤一 = 刊d t 勺一 电 图2 - 6 串联谐振逆变桥 d 2 d 3 tt一1 lt 2 幸 图2 7 并联谐振逆变桥 从电路原理来看，电压型逆变桥和电流型逆变桥在各种变量的波形、电路的拓扑、还 1 2 南昌大学硕士学位论文 有电路的特性等方面都存在着对偶关系，下面列表加以说明。 表2 _ 1电路拓扑的对偶1 6 i 电压型逆变桥电流型逆变桥 入端并联电容c d ( 等效电压源)入端串联电感l d ( 等效电流源) 负载为r 、l 、c 串联谐振电路负载为r 、l 、c 并联谐振电路 逆变开关为单向耐压，双向载流逆变开关为双向耐压，单向载流 表2 - 2 电压、电流波形的对偶 电压型逆变桥电流型逆变桥 入端电压为恒定直流入端电流为恒定直流 当工作在负载谐振频率时，当工作在负载谐振频率时， 入端电流为正弦半波波形入端电压为正弦半波波形 输出电压为方波输出电流为方波 输出电流为正弦波输出电压为正弦波 表2 - 3电路特性的对偶 电压型逆变桥电流型逆变桥 负载阻抗频率特性为串联谐振特性，因此负载阻抗频率特性为并联谐振特性，因此 不宣空载可以空载 短路及直通保护困难短路及直通保护容易 逆变器及负载开路保护容易逆变器及负载开路保护困难 从上面三个表格可以看出，理解和掌握表2 1 、2 2 两表中的对偶关系有助于分析和 比较两种逆变电路的工作原理，而了解表2 3 中的对偶关系则有助于正确可靠地设计保护 电路。 表2 - 4 串联并联电路的优缺点比较 串联电路并联电路 结构简单结构较复杂 控制相对简单控制较复杂 可采用不控整流采用可控整流 不宜空载，若空载需加空载保护可空载运行 无短路保护能力拓扑本身有短路保护能力 p f m 控制时在某些应用下有限制可始终跟综负载频率变化 需高耐压谐振电容，尤其是q 值较大时没有高压危险 开关器件同时流过有功和无功电流开关器件只流过有功电流 不需平波电感，体积较小需平波电感，体积较大 1 3 南昌大学硕士学位论文 串联谐振电路和并联谐振电路的差别，主要在于它们所用的振荡电路不同，前者是用 r 、l 和c 串联，而后者是用r 、l 和c 并联。为了能更加直观的观察到逆变桥中串联谐振 电路和并联谐振电路中电压波形与电流波形的情况，特在m a t l a b s i m u l i n k 中仿真实现， 波形如图2 - 8 、2 - 9 所示。 t ，v 羲纛 ； ： ，j v 、v 簟一! ，、。“、t u 、：? j = - ： j ；j：； 器j 1。瞧褥ii j = ； i ； ”；： ：! ；ii ； ! i ； ；j i j j - ：二 赫撬羹；i 剪g 籁 ； ： 矗五； - l - ，。j 。一一，。t 图2 8 串联谐振电路电压与电流波形 在仿真波形中我们可以看出，串联谐振电路中加载在负载上的电压波形为方波，通过 负载的电流波形近似为正弦波，两者周期相同，而且相位相同。 f 矿 。照毽 、， ：? ： = 。 ；! ，电瀛? ! j ：j i ?j ：； ； ；： j ， ：i，+ ； ： ： ； ，j ：；：；i ；ij 。j；。；：。一。 0 一。 jj ：；： ： i： ：j ： ? = ：； ： ：! i j： ： ： ?： j ! 。； 。： ：； 。! ：j ：- i 2 霹 。赫。黛融”。# $ 7 鼍 图：2 - 9 并联谐振电路电压与电流波形 而在并联谐振电路中，通过负载的电流波形为方波，加载在负载上的电压波形近似为正 弦波，两者周期相同，而且相位相同。 1 4 南昌大学硕士学位论文 2 1 2 2 并联式中频电源主电路和串联式中频电源主电路比较【1 l 按照逆变电路和负载的不同组合，感应加热电源电路可分为并联变频电路、串联变频 电路、串并联电路、倍频式变频电路和时间分割变频电路等，其中并联变频电路和串联变频 电路是基本电路。下面就这两种基本电路进行简单分析。 r 一一一一一 ，、，、厂、一一一 i 一一 i 卜 i z i i z 么 岛 芦z i【 么么 = 卜i iu 4 ： ：i 么 ： iz么 么 区zs - i l k # l 瓤靴 图2 1 0 并联式中频电源主电路原理图 图2 1 0 是并联式中频电源主电路原理图。图中a 为晶闸管组成的三相桥式不控整流电 路，它将正弦的工频交流电整流成脉动的直流电以，可以调节直流电压来调节负载电流。 图中b 为直流中间电路，它是由一个储能电感组成，它把5 0 h z 工频网络和中频网络隔开， 并把直流电流i d 滤成平滑的波形。图中c 为由四只晶闸管组成的单相桥式逆变电路，它将 直流电流i d 逆变为交流方波中频电流i 。，并将它送入负载电路d 。负载电路d 由感应器和 电容器组成的并联振荡电路对工件进行感应加热。逆变电路输出的中频电流的频率为f 受负 载振荡电路控制，工作在略高于并联振荡电路的振荡频率。中频电流i 。中含有明显的基波和 谐波，接近谐振频率的基波电流通入并联振荡电路时，振荡电路呈现很大的阻抗，比基波频 率高几倍的谐波电流通入并联振荡电路时，振荡电路呈现很小的阻抗，所以方波中频电流i 。 通入并联振荡电路负载时感应器负载电压u 。实际上接近正弦波形。 r ，、，、，、i i l ，yy 、 。i 当是 7i 忒 i ! - - i 、i i ，“ 一i i 碎f 引 l i zzz u d = 。i 5 - ：i 一 一 iz 么 z、r i l 4 l i b i c l i d k 矗t “瓤靴 图2 1 1 串联式中频电源主电路原理图 图2 - l l 是串联式中频电源主电路原理图。图中a 为三相桥式不控桥式整流电路，它将 工频交流电整流成脉动的直流电“西但电压不可调节( 串联逆变电路采用调节中频功率因数 1 5 南昌大学硕士学位论文 的方式调节输出中频电压) 。图中b 为直流中间电路，它由一个滤波电感和滤波储能电容组 成，它把5 0 h z 工频网络和中频网络隔开，由于电容很大，它两端基本上是平滑的直流电压 z ，d ，此电压是在逆变电路c 还没有工作前电容器就储能建立的电压，以便于启动逆变电路。 图中c 为单相桥式串联逆变电路。它将直流电压z ，d 逆变为中频方波电压，并把它加到负 载电路d 。负载电路d 由感应器和电容器组成的串联振荡电路，对工件进行感应加热。逆 变电路输出的中频电流的频率为z 受负载振荡电路控制，工作在略低于串联振荡电路的谐振 频率。中频电压u 。中含有明显的基波和谐波，接近谐振频率的基波电压加到串联振荡电路 时，振荡电路呈高阻抗，比基波频率高几倍的谐波电压加到串联振荡电路时，振荡电路呈现 很小的阻抗，所以方波电压加到串联振荡电路时，感应器负载电流屯实际上接近正弦波。 除了并联谐振和串联谐振两种基本的电路形式以外，人们又设计出许多其它形式的逆变 器，用来提高加热电源的输出频率。这些电路有：改进型并联逆变电路、倍频逆变电路、并 联式时间分割逆变电路、串联式时间分割逆变电路等。这些逆变电路的结构比单纯的并联谐 振和串联谐振电路复杂的多，控制起来也非常复杂。 综合比较串、并联谐振逆变器的优缺点，又考虑到本课题中的电源频率较高，所以选择 串联逆变器作为研究。 2 2 串联谐振逆变器的常用功率调节方法的分析 在对串联谐振逆变器的常用功率调节方法分析之前，特对串联谐振逆变器的负载进行分 析。 2 2 1 串联谐振逆变器的负载分析【5 】 图2 1 2 是串联谐振逆变桥的基本原理图。它包括直流电压源，开关乃乃和r 、l 、c 串联谐振负载。其中开关乃乃既可以是晶闸管，也可以选用诸如i g b t 、s i t 、m o s f e t 、 s i t h 等具有自关断能力的电力半导体器件。 为： ( a ) 串联谐振逆变器的原理图( b ) 串联谐振负载电路 p - f 图2 - 1 2 串联谐振逆变器原理图及其负载电路 结合图2 1 2 ( b ) ，根据电路原理的知识，可以得到r 、l 、c 串联负载的阻抗频率特性 1 6 南昌大学硕士学位论文 罢= 瓜研 陋峋 = a r c t g q ( f 么f 。一f y f ) ( 2 - l7 ) 石：负载电路固有谐振频率( f o - - 石i 赢) ； q ：负载回路谐振品质因数( q = 半) 。 如果谐振电路的品质因数q 足够高并且工作频率接近负载的谐振频率， 输出电流近 肛m = 亓u o l 址丽丽u o l 丽粕 2 一尺 陋 l z i 2 5 r2 0 i l q _ 7 l l ， q = 1 9 ；j ， _ l l ， ， ， q = 3 一 ， 。 ，一 陟 0 0 51 1 5 2 ( a ) 撬率特性( a ) 阻抗频率特性 ( b ) 相位频率特性 图2 1 3 串联谐振的负载频率特性 另外，输出功率p 。也可表示为： 只= u 0 1 ic o s ( p ( 2 - 1 9 ) 1 7 南昌大学硕士学位论文 这样从式( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) ，可以看出，只要改变逆变器的工作频率或者是改变输出 电压就可以改变输出功率的大小。 另外必须指出，对晶闸管中频电源来说，由于晶闸管是换流关断型的，因此必须有功 率因数角t p 0 ，q 所对应的时间如基本上就是逆变晶闸管电流降到零后，所承受的反压时 间。为使逆变晶闸管可靠关断，f t p 不能太短，必须长于晶闸管的关断时间岛。由此可见， 虽然改变q 角可以改变输出功率p d ，但( p 的最小值却受到晶闸管关断条件的限制。若岛对 应的角度为，则满足晶闸管可靠关断的条件为：( p 。 而如果采用具有自关断能力的电力半导体器件来代替晶闸管作为逆变开关，则q 角不 但可以随意改变，而且逆变器既可工作在输出电流超前输出电压的状态，也可工作在输出电 流滞后输出电压的状态。对于这种类型的电源，其对应的调功方法也较晶闸管中频电源要灵 活。 2 2 2 串联谐振逆变器的常用功率调节方法分析与比较 根据感应加热主电路中各部分电路自身的特点，串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。 ( 1 ) 直流调功：通过调节输入的直流电压的幅值来调节输出功率。 ( 2 ) 逆变调功：通过调节输出电压的频率来调节负载功率因数，或调节输出电压的有效 值的大小( 调节占空比) 来实现功率调节的。 逆变调功的方法目前主要有： 1 脉冲频率调制法( p f m ) 2 脉冲宽度调制法( p w m ) 3 脉冲密度调制法( p d m ) 逆变调功的方法与直流调功的方法相比优点是： 一可以不用可控整流，使控制电路大大简化。 调节输出功率的速度比用可控整流要快。 2 2 2 1 直流母线调压调功方法( p a m ) n 5 1 直流调功方法是通过调节输入直流电压的幅度来调节输出功率的，这时同一桥臂的两个 开关器件的驱动信号互补，斜对角的两个开关是同时开通或关断。这种功率调节方式下，可 实现输出电压和输出电流具有固定的相位关系，器件的软开关比较容易实现。 在后文将提及的相移p w m 方式下，当输出额定功率时，t 1 、t 3 管同时开通关断，t 2 、 t 4 管同时开通关断，开关模式同p a m 方式下是相同的，分析p a m 方式时的电路工作模式 对研究相移p w m 方式下的工作模式具有指导意义。 1 8 南昌大学硕士学