（检测技术与自动化装置专业论文）高频串并联谐振感应加热电源的研究.pdf

夕# 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。 论文作者签名： 罗吩伤 2 0 1 0 辱毛a 谚b 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，并提供耳录检索与阅览服务： 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。 请选择发布时阅： 叼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) 论文作者签名2 罗唧鸡导师签名：竹训2 0 1 0 年易月乃日 高频串并联谐振感应加热电源的研究 摘要 感应加热技术是二十世纪初才开始应用于工业领域，由于它具有 加热速度快、安全性高、产品质量好、几乎无环境污染等许多优点， 而得到迅速的发展。另一方面，随着半导体元件制作技术的进步，逆 变器上的功率开关能够工作在更高频率的范围，使得高频感应加热装 置具备了轻、薄、短、小、效率高的特色。 本实验研究设计了一台额定功率为5 k w ，开关频率为17 5 k h z 的串并联谐振高频感应加热电源实验装置，由于工件在加热过程中， 其本身的电气特性会随之改变，致使感应加热电源谐振频率会随着加 热时温度变化而变动，所以利用变频控制技术来使驱动频率跟踪谐振 频率，使系统在运转时的效率保持最佳状态。由于功率器件都工作在 零电压软开关状态，降低了功率器件的开关损失、开关应力及电磁干 扰。 最后，完成了实验样机主电路、控制电路、i g b t 缓冲电路、驱 动电路、采样和保护电路的设计、制作，并给出实验样机满载时照片； 试验装置经调试运行稳定。 关键词：感应加热串并联谐振逆变器频率跟踪 r e s e a b s t r a c t s i n c et h ee a r l yt w e n t i e t hc e n t u r y ，i n d u c t i o nh e a t i n gh a v eb e e nw i d e l yu s e da n d r a p i d l yd e v e l o p e di nt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n sb e c a u s eo ft h e i rd i s t i n c t i v ea d v a n t a g e s s u c ha sh i 曲- s p e e dh e a t i n g ，s a f e t y ，h i g hp r o d u c t sq u a l i t y ，c l e a n l i n e s s ，a n de t c 。i n a d d i t i o nt ot h i s ，谢mt r e m e n d o u sa d v a n c ei nt h el a t e s tp o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s p e r m i t i n gs w i t c h e so fi n v e r t e r st oo p e r a t eu n d e rh i g hf r e q u e n c i e s ，t h ei n d u c t i o n h e a t i n gs y s t e m sh a v eb e c o m el i g h t e r , c o m p a c t e r , a n dm o r ee f f i c i e n c e t h em a i np u r p o s eo ft h i ss t u d yi st oi n v e s t i g a t ea n dd e s i g na5 k w17 5 k h zl l c r e s o n a n th i 曲f r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gs y s t e m i ni n d u c t i o nh e a t i n ga p p l i c a t i o n s ， b e c a u s et h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew o r k p i e c e sw i l lc h a n g ei nt h ep r o c e s s i n g ， t h ec i r c m tr e s o n a n tf r e q u e n c ym u s tb ec h a n g e di na c c o r d a n c e h e n c e ，t h ev a r i a b l e f r e q u e n c yc o n t r o lt e c h n i q u ei su s e df o rt r a c k i n gt h er e s o n a n tf r e q u e n c yt ok e e pt h e s y s t e mo p e r a t i n ga tt h eo p t i m a lc o n d i t i o n b yu s i n gz e r o - v o l t a g e s w i t c h e dt e c h n i q u e ， t h i s s y s t e mc a nr e d u c es w i t c h i n gl o s s ，c o m p o n e n ts t r e s s ，a n de l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c eo f p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c eo u t p u tw a v e f o r m sa r em e a s u r e da n da n a l y z e d ，t h ep h o t o o ft h ep o w e rs y s t e ma r ea l s og i v e n k e yw o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ；l l cr e s o n a n ti n v e r t e r ；f r e q u e n c yt r a c k i n g h 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 感应加热技术的基本原理1 1 1 1 集肤效应与透入深度2 1 1 2 特点与用途3 1 2 感应加热电源的研究现状及发展趋势4 1 3 电力电子元器件的选择5 1 4 本文的主要工作内容5 第二章感应加热电源的结构及原理分析6 2 1 逆变器与谐振负载电路的原理分析6 2 1 1 串联谐振逆变器的原理分析8 2 1 2 并联谐振逆变器的原理分析1 2 2 1 3 串并联谐振逆变器的原理分析1 3 2 2 电压型谐振逆变器的调功方法1 9 2 2 1 直流侧调功1 9 2 2 2 逆变侧调功2 0 2 3 本章小结21 第三章系统硬件结构与实现2 2 3 1 概述2 2 3 2 主电路2 2 3 2 1 整流电路设计2 2 3 2 2 滤波电路设计2 4 3 2 3 逆变电路设计2 5 4 3l l c 负载谐振电路设计2 8 i i i 3 3 1 负载各参数值计算2 8 4 3 2 匹配电感和谐振电容设计2 9 3 3 3 加热线圈的设计3 0 3 4 控制电路设计3 1 3 4 1 频率跟踪锁相电路设计3 2 3 4 2 死区时间电路设计3 6 3 4 3 功率调节电路设计。3 9 3 4 4 驱动电路设计4 3 3 4 5 保护电路设计4 4 3 5 本章小结4 5 第四章实验波形与结果分析4 7 4 1 实验装置4 7 4 2 实验结果及分析4 8 4 2 本章小结5 3 结论5 4 参考文献5 5 致谢5 9 在学期间发表的学术论文与研究成果6 0 广西大学硕士掌位论文 高频串并联谐振感应加热电源的研究 第一章绪论 1 1 感应加热技术的基本原理 当两个相邻的线圈之一通以交变电流，而另一线圈闭合，则闭合线圈中就 会产生电流，这就是m i e h a e lf a r a d a y 发现的电磁感应现象【l 】【2 1 ，其本质是闭合线 圈中的磁通变化会感生出感应电流。其后f o u c u a t l l 3 1 ，h e v 2 l s i i d e 【4 】等人系统的对 导体的涡流理论及能量传递原理进行了研究，奠定了感应加热技术的理论基础。 根据法拉第电磁感应定理和楞次定律，感应加热原理如图1 1 所示，当线圈 通以交变的电流，一个交变的磁场就会产生于线圈内部，从而就会在置于该交 变磁场内的导体上产生感应电动势，导体内的自由电子将在感生电压的作用下 按照同一方向作定向迁移形成电流，即涡流。导体的涡流越大，导体发热就越 显著。 涡流环 感应线圈 金属工件 图1 l 感应加热不意图 f i g 1 - 1t h ei n d u c t i o nh e a t i n g 匝数为n l 线圈通入交变电流f 后，在感应线圈围成的圆柱区域中就会产生交 变磁通西，置于其中的金属工件中就会产生感应电动势e 。设工件的等效匝数为 n 2 ，则有麦克斯韦电磁方程【5 】： 弘一2 鲁( 1 - 1 ) 设输入的电流是正弦波，则得到相应的交变磁通为9 = 9 肘s i n c o t ，有： 广西大掌硕士掌位论文高频串并联谐振感应加热电源的研究 e = 一2 警= 一2 9 肘s 耐 则感应电动势的有效值为： e = 丁2 万f n 2 r p m = 4 4 4 f n 2 9 m 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 - 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) 其中：q 一工件的发热量，j ； 卜工件电流有效值，a ； r 负载等效电阻，q ； 卜导电时间，s 。 由上面的工件感应电动势和工件发热量的计算式子可知，感应电动势及发 热功率与线圈内交变磁通的频率和磁感应强度有关，感应线圈通过的电流有效 值越大，电流的频率越高，线圈内的磁通量也就越大，则工件中的感应涡流也 越大，感应电流的增大使工件发热效果得到增强，加热速度增快。总之，在感 应加热的装置中有二种不同的能量转换，来自电源供应器的电能被转换成磁场 的能量，之后被导电性的工作物件所吸收，变成热能使工件温度上升。 1 1 1 集肤效应与透入深度 工作导体在加热线圈所产生的交变磁场内，感应的涡流并非均匀分布在工 件各剖面层上流动，而是愈往加工物件表面，电流密度愈强，而且加热线圈的 电流频率愈高，涡流愈往表层集中程度愈明显，这种现象即是集肤效应。集肤 效应使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。以金属圆 柱导体为例，定义电流透入深度6 为涡流密度降至表面电流密度的1 e ( 1 l p 3 6 8 ) 处的深度： 。 1 6 2 瓦 硎3 3 岳 其中：6 电流透入深度，c 朋； p 金属的电阻率，t 2 * c m ； p ，金属的相对磁导率； 2 ( 1 - 5 ) 广西大学硕士掌位论文 高频串并联谐振感应加热电源e v a a ；3 t - - q e ，工件电流频率，h z 。 从上式可知，当工件导体材料给定，则公式中电阻率p 和相对磁导率t ，取 定值，工件透入深度仅与交变电流频率的平方根成反比，且在电流透入深度6 范 围内吸收的功率，为金属圆柱吸收总功率的8 6 5 。 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 热的应用领域和范围也越来越广。这主要是因为感应加热具有以下特点： ( 1 ) 精确温度控n - 利用感应涡流在加工物件内部或表面流动，相比外部直 接加热，温度控制更加精确。 ( 2 ) 3 n 热过程迅速：加热器的电源设备可提供高功率密度的电流，在加工物 件上产生较大的涡流，因此可快速的完成加热要求，除了大型工件，一般几分 钟内即可完成加热工作。 ( 3 ) 满足局部加热：通过选择不同形状的加热线圈及不同频率电流的供给， 可准确的满足局部加热工作，这是直接加热较难达成的。 ( 4 ) 不受环境限制：感应加热将电能转换成热能，不需介质，因此即使在真 空中或任何环境条件下，都可以工作。 ( 5 ) 污染指数降低：感应加热的来源为干净的电力，不像以石油或燃煤为来 源的直接加热有烟毒污染及灰尘危害，因此感应加热对工作环境的污染相当少。 ( 6 ) 工作效率提高：感应加热的热能产生于工件内部；而直接加热来自外界 环境的传递，部份能量将散失在空气中；因此感应加热因功率损失较小、工作 效率较高。 ( 7 ) 适当功率控制：直接加热多为开环系统，无适当的功率控制系统，但感 应加热都是闭环系统，除了可采用频率控制外，也可采用功率控制。 ( 8 ) 经济效益增加：可减少成本支出，提高经济效益外，因为利用感应加热 电源执行热处理工作，同时可减少相关附属装备及电源装置的体积大小，从而 减少厂房面积需求与操作人员数量，因此其经济效益增加。 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。 3 广西大学硕士学位论文高频串并联谐振感应加热电源的研究 1 2 感应加热电源的研究现状及发展趋势 在十九世纪末，感应加热技术仅是以6 0 h z 的频率应用于熔炼中。到了1 9 2 2 年，才使用马达一发电机组将频率提高到9 6 0 h z 。而工作频率的提升，使得感应 加热技术开始应用于金属材料的表面硬化处理。2 0 世纪6 0 年代末期，由于半导 体技术的发展，马达一发电机组终于被以s c r 为电子开关元件的固态型逆变器所 取代。目前，以功率m o s f e t 为开关元件的逆变器其开关频率已可达数百k h z ， 不过m h z 级以上的感应加热电源，仍然是以电子真空管开关器件为主。 近年来，国内外针对感应加热技术的研究主要分成两个方向，一方面是以 逆变器为重心，研究串联谐振与并联谐振在感应加热电源系统中应用的各自特 点及注意事项；另一方面重点则是放在加热线圈及加热工件间能量转移与功率 消耗，这部份主要是以有限元分析法模拟来探讨；另外也一直在高频率、大功 率、高可靠性的感应加热电源系统中做更进一步的研究。由于使用中、高频电 流来做金属热处理或其他材料加工呈现急剧的增加，其应用范围如：表面硬化、 铜钎焊接及熔化等。 在早期，因为感应加热电源系统频率与效率难以提升，所以相当多的研究 焦点集中在能够提供大功率，高开关频率的逆变器上面。但是，随着电路中开 关频率的提高，开关元件在变换时产生的开关损耗问题会更加严重，这样除了 造成效率的降低及散热问题之外，还会因为变切换动作的非理想现象而产生电 压、电流突波，或是产生过大的电压、电流变化率，而使开关上的应力增加， 甚至成为电磁干扰的来源。上述种种由高频操作所带来的问题，使得高频电路 的设计变得更加困难，因此就兴起了软开关技术的研究，所谓软开关技术泛指 减少开关过程中电压与电流重叠的方法，例如：在开关截止前，先使流经其中 的电流为零，这就是所谓的零电流开关；在开关导通前，先使开关管两端的电 压为零，这就是所谓的零电压开关。软开关除了能降低切换过程中之能量损失 外，因其切换时电压与电流变化率较为缓和，故亦可减轻电路产生的电磁干扰 问题。随着半导体工业在生产及制造技术上的快速进步，有许多低价位、高运 算功能的微处理器问世。数字控制技术拥有价格低、修改弹性大、所需元件少 且可靠性高、及程序保密性好等优点，已渐渐取代传统的模拟控制技术。再加 上电力电子技术发展迅速，新型固态半导体元件的出现，不但加热频率可大大 提高，且效率亦可提升至9 0 以上。 4 7 1 频串并联谐振感应加热电源的研究 1 3 电力电子元器件的选择 目前所能得到的开关器件中，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的开关器件。由于功率m o s f e t 的内部寄生二极管 反向恢复性能较差，高频中实际常常另加快恢复二极管使用，而且大功率设备 需要大量的开关器件并联使用，可靠性和效率降低。而i g b t 器件容量远高于 m o s f e t ，并且不存在寄生二极管问题，适合大功率应用。但是i g b t 的开关损 耗，尤其是拖尾电流在高频开关工作状态下引起的关断损耗很大，限制其工作 频率的提高。结合这两种开关器件的特性，为了更好配合本实验8 组半桥级联串 并联谐振逆变器的工作状态，以及减小电路功率损耗，提高电路的效率，i g b t 比较合适作为本实验样机的开关器件【1 3 1 4 1 。 1 4 本文的主要工作内容 本文研究设计了一台应用于导线镀膜的高频串并联谐振感应加热电源实验 样机，开关频率为1 7 5 k h z ，输出功率为5 k w 。主要研究内容包括： ( 1 ) 分别对串联、并联、串并联谐振逆变器的负载模型进行详细计算，分析 它们达到最大功率点所具有特性；对电压型和电流型逆变器进行了比较分析， 确定采用电压型逆变电源；同时对电路相应的功率调节原理进行分析，得到频 率跟踪与调频调功相结合的高频逆变控制方式。 ( 2 ) 在理论分析的基础上，设计并搭建了1 7 5 k h z 5 k w 串并联谐振感应加热电 源试验样机的各部分硬件电路，包括锁相调功控制电路，整流滤波电路、主逆 变电路、死区电路、保护电路、l l c 负载谐振电路等。 ( 3 ) 在额定功率下对整个感应加热电源系统进行测试，观察并截取电路关键 部分的波形，包括开关管驱动、电压电流、负载电压电流等波形，观察到开关 管零电压开通，频率跟踪相位锁定的典型波形等。通过电路波形的观察，验证 理论分析的正确性。 高频串并联谐振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，电力半导体式感应加热装置的出现，使感 应加热装置无论从外观还是内在的电路结构都更加简单和单一化，无论其频率 高低，功率大小，都有相似的外观和几乎完全相同的电路结构，且电路也更加 简单。不同频率半导体感应加热装置的主要区别，只是在所用开关器件不同， 以及由此带来的开关器件的驱动电路、缓冲电路和保护方面的差别。感应加热 电源主要结构如图2 1 所示，一般由整流器、滤波器、逆变器及其控制和保护电 路组成。工作时，三相或两相工频电流经整流，滤波后，成为平滑直流送到逆 变器。逆变器采用电力半导体器件作为电子开关，它将直流电转变成较高频率 的电流供给由感应线圈与被加热工件一起构成的等效负载。 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 2 1 逆变器与谐振负载电路的原理分析 感应加热电源的负载一般由感应线圈和置于其所产生磁场中的加热工件构 成，负载回路的等效简化如图2 2 所示，首先回路可以看成一个副边匝数为一的 变压器 1 0 , 1 5 , 1 6 1 ，其次将变压器主副边的感抗、漏感抗、串联电阻等效为变压器的 计算模型，最终简化为由电阻r 和电感l 组成的串联电路，其等效阻抗可写成 z = r + 肛厄。 6 广西大学硕士学位论文高频串并联谐振感应加热电源的研究 kl l n ：i k 通b 一| l 圆 l r 图2 - 2 负载等效电路 f i g 2 2c o i le q u i v a l e n tc i r c u i t 则计算感应线圈等效电路功率因数为： r 锄= 丽 仁1 ) 尺2 + ( 三) z 、。叫 负载感应圈电流有效值为i 时，其有功功率为： 艺=12r(2-2) 无功功率为： q=12col(2-3) 负载的品质因数为： q = 鲁= 警 ( 2 - 4 ) 品质因数q 与功率因数c o s r p 间关系为： 1 印= 而歹( 2 - 5 ) 通常感应加热电源的负载等效回路国三 r ，h p q 值比较大，负载回路功率 因数很低，需要用电容器来进行无功功率补偿。根据补偿电容器与负载等效回 路的连接方式，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。 7 广西大掌硕士掌位论文高频串并联谐振感应加热电源的研究 精 【划固j 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 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 串联谐振逆变电路如图2 。3 所示，直流侧并联了大容量的电解电容，可看作 恒压源供电，因此，串联谐振逆变器也称电压型逆变器。串联谐振逆变电路负 载等效回路如图2 5 所示，电感l 、电容c 和电阻r 组成串联谐振电路。由于逆变 桥输出端电压为一定频率方波电压，经过傅立叶变换为基波和多次谐波分量信 号的电压；所以我们分析此负载回路的正弦稳态响应，即可知串联谐振逆变器 的谐振特性。设电路中电压为e = e s i n r o t ，则在电路有电流i ，即： t ee 卢三2 丽 k ”l - o “) zr + x r i e 川= 4 r 2 + x 2 ( 2 - 7 ) 其中：k 电路总阻抗；x _ 一电路总电抗。 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 x = 置一心= 础一面1 = 躲一剖 其中= 击为谐振角频率，则电路固有谐振频率为： 8 广西大掌硕士掌位论文高频串并联谐振感应加热电源的研究 厶22 c o 石o = 丽1 ( 2 9 ) 此时，加在各元件上的电压分别是： e r2i r ( 2 1 0 ) = 去k 赤生一j q e c cr ( 2 - 1 1 ) 。j 。问。 p 7 e l = j o u = j o l e _ r = j q e 1 2 ) 从( 式2 7 ) 可知，当电抗x = 0 时，电路中电流达到最大值，即z x 柏= r 时 e 一2 一r ( 2 - 1 3 ) 式中q 称为谐振电路的品质因数 q 型r = 去c r r 抬c 。 。 v 、 由式2 1 0 可知，谐振时外电源的电压e 全部加在电阻上，外电源电压和流过 电路的电流同相，因此电路的功率因数c o s r p 号1 ，即： c o s 妒2j 2 ( 2 1 5 ) q 值对谐振回路的能量传递具有重要影响。在谐振回路中r 是耗能元件( 它包 含着介质损耗、线圈铁芯的磁滞损耗和涡流损耗) ，它把电磁能转化为热。电容 和电感是储能元件，它们时而把电、磁能储存起来，时而放出，彼此交换能量， 而不消耗。在一个周期内，电阻元件中损耗的能量为= 1 2 r t 谐振电路中电 感和电容元件中储存的总能量为 = 寺三f 2 ( f ) + 寺仇2 ( f ) ( 2 1 6 ) 设i ( t ) = l c o s c o t ，则 嘶) = 去c o s 卜舟玉c o c s i n f ( 2 1 7 ) 所以 9 广西大学硕士学位论文高频串并联谐振感应加热电源的研究 = 丢l 2 ( l c o s 2c o t + s i n 2 0 上式表明，在一般情况下，是随时间作用期变化的量， 路与外界交换无功功率。但在谐振状态下 1 拈= 面 从而使 = 三1 以2c o s 国f + s i n 2 耐) = 丢2 = 2 ( 2 - 1 8 ) 也就是说谐振电 ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) 这时不再随时间变化，即振荡电路不再与外界交换无功功率。= l 1 2 就是谐振状态下稳定地储存在电路中的电、磁能。为了维持振荡，外电路只需 不断地向电路输入有功功率，以补偿的损耗。故有 璺= 百1 2 r t ：丝：丝 ( 2 - 2 1 ) l 1 2 c o o lq 即 q = 2 x 鲁 上式表明，q 值等于谐振电路中储存的能量与每个周期内消耗能量之比的 2 丌倍。q 值越高，就意味着相对于储存的能量来说，电路消耗的能量越少。如 果固定l 、c 和r 值不变，使外电源频率由零到无穷大变化，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。 1 0 广西大学硕士掌位论文 高频串并联谐振感应加热电源的研究 e 图2 - 6 串联电路中各参量随0 3 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 串联谐振式电压型逆变器的直流电源并联了大容量的电容器c ，因而负载 电压是恒定的，不受负载阻抗变化的影响，波形为矩形。当负载功率因数不是 一的时候，负载的无功电流需流过开关器件。为了给无功电流提供通路，i g b t 必须反并联快速二极管，结果i g b t 的驱动就可以不受负载功率因数的限制。电 压型逆变器为了避免开关器件因c 的短路电流而损坏，在开关器件换流过程中， 上、下桥臂i g b t 必须遵守先关断后开通原则，即应留有死区时间。由于负载电 路是采用品质因数为q 的上l c 串联谐振电路，因而加在l 和c 上的电压是逆变器 输出基波电压的q 倍，负载电流则与逆变器的输出电流相同。这样，串联谐振电 路的自身成了电流源。逆变器的输出电压与负载无关，其值等于由c 保持恒定 的电压。因此，由于受已成电流源的负载的影响，在死区时间中，电流会通过i g b t 的反并联二极管继续流通。这种逆变器具有如下特征瞄j ： ( 1 ) 容易投入负载电力。配线电感可以和负载电感相抵，又有c 的作用，因 而即使是低压电路，在谐振频率附近工作，也能注入很大电流。它的这一特征 表明，采用低压开关器件并联，就可构成这种系统，因而实用性强。 ( 2 ) 负载匹配容易。选择开关器件，必须考虑最合适的电流和电压。为了便 于实现负载匹配，逆变器一般都通过匹配变压器输出。可以通过调整匹配变压 器的初次级线因匝比来获得必要的负载电力所需的负载电压以及满足开关器件 的最佳工作电压要求。而在设计时，只要把匹配变压器的漏感简单地加进负载 广西大掌硕士掌位论文高频串并联谐振感应加热电源的研究 电感就可达到目的，设计的自由度大。 级的谐振电容器的一部分或全部抽出， 同时为避免匹配变压器偏磁，可以把次 与匹配变压器的初级线圈串接。 2 1 2 并联谐振逆变器的原理分析 当无功补偿电容并联在负载感应线圈的两侧，即构成并联谐振逆变电路， 它与串联型逆变在电路拓扑上形成对偶的关系。并联谐振逆变器的直流输入端 一般采用大电感滤波，其可看作是一个恒流源【1 0 0 7 】。因此，该电路也称为电流 型逆变器。r l c 并联谐振逆变器的等效电路如图2 7 所示 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 其负载导纳为： y = l 一+ i c o c 1 r + i c o l 。 电路谐振时： 舻丽r b l - - b c , 即丙r 两弧c 则有： 旷三后喇 当i k 丢时，可以得到： 1 国。丽 q = 争= 警= 吉层 1 2 ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) 高频串并联谐振感应加热电源的研究 电流型逆变器的直流侧串联了电感厶，为保持电流连续，在换流过程中， 上、下桥臂i g b t 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配线电感密切相关，电感大，时间就长。由于采 用品质因数为q 的并联谐振电路，因此，流过l 支路和c 支路的电流都等于逆 变器输出基波电流的q 倍。加于负载的电压则与逆变器的输出电压相同、这样， 并联谐振电路的自身就成了电压源。逆变器的输出电流与负载无关，是取决于厶 值的恒定电流。因此，在重叠期间，形成取决于已成为电压源的负荷的电流波 形。 2 1 3 串并联谐振逆变器的原理分析 上述二阶l c 谐振电路由于结构简洁、设计容易，所以在感应加热领域得到 了广泛的应用。一般串联谐振逆变器更有利于工作在高频状状下，由于感应圈 和工件的等效电阻比较小，为了达到阻抗匹配，通常谐振逆变器负载端都需要 接入一个高频变压器，但是大功率高频变压器的体积大、损耗较高，设计制造 相当困难。当采用多个逆变器单元并联输出以提高感应加热电源容量时，匹配 变压器的制造、安装就成为一个比较棘手的问题。三阶l l c 串并联谐振电路u 睨4 j 综合了二阶l c 串联和并联电路的优点；由于其具有电流变换能力，通过改变回 路参数可以方便地调整谐振电路的等效阻抗，因此可以取代二阶l c 谐振电路所 必须的高频匹配变压器，不仅提高了效率，而且逆变器的并联也变得相对容易。 l l c 谐振回路的结构如图2 8 所示，l 2 和r 为感应圈及负载工件的等效电 感和等效电阻，c 为谐振电容，l 1 为串联匹配电感。 图2 - 8l l c 谐振电路 f i g 2 - 8l l cr e s o n a n tc i r c u i t 图2 - 8 所示的l l c 谐振电路的阻抗表达式可写为 1 3 广西大学硕士掌位论文高频串并联谐振感应加热电源的研究 z = _ ，厶+ i = 1 _ ，c + j c o l = + r ( 2 2 9 ) = 一r + 弘( 厶+ 而l 2 - r 再2 c - e o 丽2 l 2 2 c p 3 0 ) = 匙+ ( 2 3 1 ) l l c 谐振回路的相频特性和幅频特性如图2 - 9 所示 a b s ( z ( a ) ) 图2 - 9l l c 幅频和相频特性 f i g 2 - 9l l ca m p l i t u d e - p h a s ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e 。假设逆变输出端电压和电流的有效值分别为u 、，逆变输出端负载阻抗 角为妒，则逆变输出端的有功功率为 尸= u l c o s 妒= u 雨u 南 一u 2 r = - - - - 二二- - 一 r j 七x 1 4 ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) 广西大学硕士掌位论文 高频串并联谐振感应加热电源的研究 = 乓( 2 - 3 4 ) r + 等 由于r 恒大于零，由不等式性质彳2 + b 2 2 a b 可知上式分母 足+ 警2 侗= 2 i t l ( 2 - 3 5 ) 显然当鼍= 0 ，分母取得最小值r ，并且足取最小值时，p 取得最大值。 从理论上分析当五= 0 时，负载呈纯阻性，此时电路谐振，谐振频率为方程的 掣! 二丝粤丝粤：+ 刍二墨：g 墨刍：竺：= o ( 2 - 3 6 ) ( 1 - c 0 2 厶c ) 2 + ( 国尺c ) 2( 1 一国2 厶c ) 2 + ( r c ) 2 一壶厨瓦丽 ( 2 - 3 7 ) 鲫= 志厄2 + 2 厶厶蝴2 牡瓶 其中， 九= 厶2 c 2 r 4 + ( 2 厶厶2 c 一4 l , 2 厶c ) 尺2 + 乞4 ( 2 3 9 ) 由于所有的变量都是在正实数范围内有意义，所以分两种情况讨论方程的解： 一 一、当允o 并且( 厶2 + 2 q 吃- r 2 厶c 一万) o 时，方程有两个实数解，代入得 训叽唧= 蔫 脚忆= 南 ( 2 4 1 ) 疵( r ( ) ) = 疋( ) = 鬲丽2 r l , = ( 2 - 4 2 ) 圪戤= ：等弋 ( 2 - 4 3 ) 一r ( c o o ) 、7 1 5 广西大学硕士学位论文 高频串并联谐振感应加热电源的研究 二、当允0 并且f 厶2 + 2 厶厶一r 2 厶c 一九l 0 ，f 厶2 + 2 厶厶一r 2 厶c + 九l 0 时方程有唯一实数解国= c o o ，最大功率和上述情况一样。 三、当允0 或者f 厶1 2 + 2 厶厶一r 2 厶c + al 0 时，方程无实数解，即在全频 域范围内有五 0 ，这由式( 2 3 5 ) 可知，求得置的最小值，即可求得负载端的 最大功率。在此情况下，考虑直接对负载端的最大功率表达式求偏导数，令其 为零，解方程即可求得功率极大值的频率点。同时功率最值也可求得。 a 蚓 0 c o = 0 解得 舻巫一 其中 倪= 后百万可鬲f i 藏丽 上式根号中最后两项 2 厶2 厶尺2 c - 4 l 2 i a 2 r 2 c = 2 班2 i ( 1 目一 为便于分析，令 卢= 皂一小雨l a l 2m 去居心= 去捂 2 巩r 2 c - 4 珥心= 等( - 一 ( 2 - 4 4 ) ( 2 4 5 ) ( 2 - 4 6 ) ( 2 - 4 7 ) ( 2 - 4 8 ) ( 2 - 4 9 ) 当q 工2 3 q 2 即q 埘，上式括号中第二项的绝对值远小于第一项， 因此它俩之差取第一项，则有 2 班r ：c - 4 w 心= 等啦w c ( 乞圳 l l 竺铀 令 。、。，一 n l 惫 一 、，、堑卵 广西大学硕士掌位论文 高频串并联谐振感应加热电源的研究 代入c o o 得 2 , 2 2 + 2 _ , 2 _ 1 一厶尺2 c + ( 厶( 厶+ 厶) + 厶尺2 c ) 2 ( 2 5 1 ) 咖= i 瓦歹一 = 乍 ( 2 5 2 ) 4 i c 、。 因此 = 研u 2 r , k 筹 由于负载侧感应圈的q 值很大，通常能满足鱿 1 ，而且通过调整匹配 电感厶的取值也能满足q 弛 1 ，所以第三种情况的更切合实际，以下 的分析都基于此。同时由于置 0 v r o r + ，负载在整个频域都呈感性，在最 大功率点处，感性最弱，负载阻抗角最小。基于以上分析得到串并联谐振电路 在谐振点处各变量之间的关系： 1 在谐振点处的阳抗为 z ( 训= 丽舞= 相位为 一 ( ) = 鹕( z ( ) ) = 鲁 2 考虑负载上电流厶和输入电流厶的关系： | _ 矧1t o a j =1 2i l 1 j c o c 面+ 厶+ 尺+ 尺 r p 1 7 ( 2 5 4 ) ( 2 - 5 5 ) ( 2 5 6 ) ( 2 5 7 ) 广西大掌硕士学位论文高频串并联谐振感应加热电源的研究 容易分析出当= 时，i e ( ) l 有最大值，即 l q ( 国) l = ( 2 5 8 ) 对于高负载品质因数的槽路，上式可以化简为： i 皿( 国) l 卢= 手 ( 2 - 5 9 ) 由式( 2 - 5 8 ) - - - ( 2 5 9 ) 可以看出，串联匹配电感厶起到了一个电流变换的功能， 即通过改变厶和厶比值卢的大小可以改变在最大功率点处的电流比值，即可以 起到负载匹配的作用。因此，l l c 通过加入的电感厶可以改变负载输出电流， 替代在l c 串联谐振中的高频变压器，解决负载匹配问题。 3 考虑输入电压u 和谐振电容电压的关系： i - i ( 圳= 矧=j o , l 2 + r 而厕l p 6 0 ) 当0 9 = c o o 时，l 吼( ) l 有最大值，即 i 风( ) b = 詈( 2 - 6 2 ) 9 ( ) = 鹕( 也( ) ) = 鹕( 一p j ( 1 + f 1 ) q ) ( 2 - 6 3 ) 锄笃( 一j ( 1 + 3 ) e ) = 一要 从式( 2 6 3 ) n - j 以看出，当负载品质因数比较高时，谐振电容的电压滞后槽路输入 电压约9 0 。角。而且，从图2 - 1 0 中看出在比较宽的频段内a r g ( h 。( ) ) 是一个单 调函数，在近似最大功率点国= c o o 处相位角近似为- 9 0 。，可以采用波形变换的 方式实现锁相控制。根据以上特性选择逆变负载输出端电压u 和谐振电容电压 以的相位角作为锁相控制的控制变量。 1 8 g - 西大掌硕士掌位论文高频串并联谐振感应加热电源的研究 图2 1 0 功率和电压、负载阻抗相角的频率特性 图2 - 1 0 国c h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f p o w e ra n dc u r r e n tzp h a s ea n g l e 2 2 电压型谐振逆变器的调功方法 由于负载端工件所需要的发热量由实际需要而定，感应加热电源设定的额 定功率不一定适合特定的功率加热功率要求，所以通常设计的感应加热电源功 率必须可以调节，以满足不同的加热功率需求。电压型谐振逆变器的功率调节 方式主要分为两大类：直流侧调功和逆变侧调功【2 6 】【2 7 1 。 2 2 1 直流侧调功 直流侧功率调节方式是通过调节逆变器输入电压有效值的大小实现对输出 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。 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 1 1 所示，通过调节整 流桥元器件的导通触发角，得到连续可调的整流输出直流电压有效值，逆变器 的输出功率随着直流电压的增大而增大，减小而减小。由于电网侧的功率因数 受到相控整流方式导通触发角的影响很大，因此采用相控整流调节功率时会使 系统网侧功率因数变低，同时电网的谐波危害也很大。此外，采用半控器件还 会使系统功率调节的响应速度变慢。 1 9 广西大掌硕士掌位论文高频串并联谐振感应加热电源的研究 c k i o - 韭l 爿 z 2 c 划匡 a c 2 2 0 v 瓯= 州n t 二 一一卜_ 一 - _c 一r 到兰0 岛业_ j tz 图2 1 l 相控整流调功主电路拓扑 f i g 2 - 11m m n c i r c u i tt o p o l o g ) ，o fp h 撼e - e o n 订o l l e dr e c t i 黟i n gp o w e rm o d e 2 直流斩波调功 图2 1 2 为直流斩波调功的电路原理，即在整流与逆变环节之间加入一级直 流变换器，其本质就是开关电源中的b u c k 电路，改变变换器中功率器件导通占 空比就可以改变输出直流电压，从而调节感应加热电源的输出功率，该模式一 般采用不控整流桥，电网受感应加热电源系统的干扰大大降低，功率因素得到 提高；缺点是需在主电路增加一级