（电力电子与电力传动专业论文）新型zctpwm软斩波调功的感应加热电源研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a d e rb r i e f l yi n t r o d u c e dt h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ed e v e l o p m e n tn e n do fi n d u c t i o n h e a t i n gt e c h n o l o g y i ti n t r o d u c e dt h et w om a i nt o p o l o g i e st h a ta r eo f t e nu s e di ni n d u c t i o n h e a t i n gp o w e rs u p p l y ，a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s ew a sm a d eb e t w e e nt h ec u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r a n dt h ev o l t a g es o u r c ei n v e r t e r a n da n a l y z e dp o w e rr e g u l a t i n gm e t h o d so fi n d u c t i o nh e a t i n g p o w e rs u p p l yt o o i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tp o w e rr e g u l a t i o ni nt h ec o m m u t a t es i d ei nt h v o ro f e n h a n c i n gt h ef r e q u e n c ya n dp o w e rl e v e lo fh i g h f r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y w ec h o s eu n c o n t r o l l e dr e c t i f y i n gc i r c u i ta n db u c kc h o p p e r i n gp o w e rr e g u l a t i o nm e t h o da s t h es u b j e c ti n v e s t i g a t e d a st h ec o n v e n t i o n a lh a r dc h o p p e rh a st h ed i s a d v a n t a g eo fh i 曲l o s s ， w ep u tf o r w a r dah o v e lz e r o - c u r r e n t - t r a n s i t i o n - p u l s ew i d t hm o d u l a t e dt e c h n o l o g yw h i c h u s e di ns e r i e sr e s o n a n ti n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u r c e i ti n t r o d u c e dt h es t r u c t u r eo ft h i sn o v e l c h o p p e r , a n dg o ti 协w o r k i n gp r i n c i p l eb ys i m u l a t i o nm e t h o d a tl a s ti tg o tt h ec o n c l u s i o nt h a t l h i sh o v e js o f tc h o p p e ri ss u i t a b l ef o rh i 曲p o w e ta n dh i g j lf r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r s u p p l y w h a t sm o r e 。i ta n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo ft h ei n v e r t e r , d e s i g n e dt h ed e a d t i m e a n ds o t h ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rc a nw o r ka p p r o x i m a t i v e l yi nu n i n tp o w e rf a c t o r a ni n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yw h i c hu s e dt h en o v e lz c t - p w ms o f tc h o p p e rw a s d e s i g n e di nt h ef i f t hc h a p t e r , t h ep o w e ro fw h i c ha r el o k ww i t ht h ef r e q u e n c y5 0k h zf o r t h ec h o p p e ra n d2 0k h zf o rt h ei n v e r t e r t h es p e c i a ld s pc h i po ft m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 at h a t p r o d u c e db yt ic o m p a n yi su s e d 船m a i nc o n t r o l l e ro ft h ep o w e tt os i m p l i d e dt h es y s t e m t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ep o w e ta r ed e s i g n e d t h ee x o e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t t h i sn o v e ls o f tc h o p p e r i n gp o w e rr e g u l a t i o ni n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yr e a c h e dt h e c h o p p e ra n dt h ei n v e r t e rw o r k i n gi ns o f ts w i t c h i n gs t a t e sw h i c hi m p r o v e dt h ee f f i e n c yo ft h e w h o l ep o w e rs u p p l y i tg a v et h ew h o l eb l u ep r i n to ft h es y s t e m t h eb u c kc h o p p e rf u n c t i o n a i b l o c kd i a g r a m ，t h ei n v e r t e rc o n t r o lb l o c k d r i v e r i n gc i r c u i ta n dp r o t e c t i v ec i r c u i la n dt h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s a tl a s t ，as i m p l es u m m i n g u pa b o u tt h et o p i cw a sm a d e k e y w 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 t ，p o w e rc o n t r o l ，p l l ，i n v e r t e r i i 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。尽我所知，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已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它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。 签名：焦垒丑日期：伊序 月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学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，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，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 日期：妒7 年3 月e t 第一章绪论 第一章绪论 1 1感应加热原理及其特点 感应加热是根据电磁感应原理，利用涡流对置于交变磁场中的工件进行加热。其工 作原理如图1 1 所示。电流通过线圈产生交变的磁场，当磁场内磁力线通过待加热金属 工件时，交变的磁力线穿透金属工件形成回路，故在其横截面内产生感应电流，此电流 称为涡流，可使待加热工件局部瞬时迅速发热，进而达到工业加热的目的。 夕1 感应线圈 金属工件 图1 - 1 感应加热示意图 基本电磁定律： 法拉第定律：p ：掣 ( 1 1 ) a t 安培定律：j h d l = n i ( 1 2 ) 其中：伊= b d s ，b = 1 a r u o h ( 1 3 ) 采用国际单位制，感应电动势e 的单位为v ，磁通妒的单位为、b ，磁场强度h 的 单位为a i m ，磁感应强度b 的单位为t ( 特斯拉) 。 以上定律基本阐述了电磁感应的基本性质。 当感应线圈上通过上述交变电流f 时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通，交 变磁通妒是按j f 弦规律变化的，则有 妒= m 。s i n g o t( 1 4 ) 式1 4 中中。为交变磁通的最大值，则可得到感应电动势为： e = n o ，( o c o s o m ( 1 5 ) 式1 5 中n 是线圈匝数。因此感应电动势的有效值为： e ：2 z g i n o 一；4 4 4 n f o 、z ( 1 6 ) 式1 6 中f 为交变电流的频率。在金属导体横截面内产生的涡流，值与感应电动势和涡 流回路的阻抗z 相关 ，= 三= 1 兰 ( 1 7 ) z r 2 + x j 其中： r ：涡流回路等效的电阻( q ) x ，：涡流回路等效的感抗( q ) 江南大学硕l ：学位论文 感应加热通过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。感应线圈与被加热工件并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的，故感应加热属 于非接触式工件加热，其产生焦耳热的功率为： p ：0 2 4 1 r 2 r ：4 7 3 。n 2 f 2 0 2 r ( 1 8 ) 。 r 。+ 工 其中： p ：涡流作用在加热工件上所产生的热量( w ) ，：电流有效值( a ) 由式1 8 可以看出，当负载固定时，发热功率与频率的高低和磁场的强弱有关。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。 集肤效应： 如图1 2 所示，当交变的磁场通过导体的时候，导体中会产生涡流，从而导致电流 向导体表面扩散，也就是说导体表面的电流密度会大于导体中心的电流密度。这也就无 形中减少了导体的导电截面，从而增加了导体交流电阻，损耗增大。 磁通o ( t 圉1 - 2 涡流产生示意图 在常温下可用以下公式来计算集肤深度： 盯：5 0 3 0f 旦 ( 1 9 ) 、ur l 其中： p ：导体材料的电阻率( q c m ) ，：导体材料的相对磁导率 厂：感应涡流的频率( h z ) 由式1 9 可以看出，当导体材料的电阻率p 和相对磁导率“，确定后，其透入深度j 仅与频率的平方根成反比，因此它可以通过改变频率来控制，频率越高，工作的透热厚 度就越小；反之，透热厚度就越大。 感应加热有以下优点： ( 1 ) 非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触； ( 2 ) 加热效率高，速度快，可以减小表面氧化现象： ( 3 ) 加工精度高，温度容易控制，产品质量稳定； ( 4 ) 可实现局部加热： ( 1 5 ) 可实现自动化控制； 第一章绪论 ( 6 ) 占地面积小，热辐射，噪声和灰尘少； ( 7 ) 容易实现自动控制，省力。 鉴于其具有以上诸多优点，因此在工业领域有着广泛的应用。目前，感应加热己 广泛应用于金属熔炼、透热、和焊接等过程已经成为冶金、国防、机械加工等部门及 铸、锻和船舶、飞机、汽车制造等部可缺少的设备。此外感应加热也己经或不断地进入 到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水器等。 1 2 感应加热电源的发展概况 感应加热电源是感应加热的关键设备之一，感应加热电源的发展和电力电子学及电 力半导体器件的发展密切相关。 在变频器控制中，应用最多的功率器件有m o s f e t 、i g b t 以及智能模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) ，后面二种集g t r 的低饱和电压特性和m o s f e t 的高频开关特性 于一体，是目前变频器最广泛使用的主流功率器件。i g b t 集射电压v c e 可 3 v ，频率可达 到1 0 0 k h z ，内含的集射极日j 超高速二极管反向恢复时间可达1 5 0 n s ，1 9 9 2 年前后开始在 通用变频器中得到广泛应用。其发展的方向是损耗更低，开关速度更快、电压更高，容量 更大( 3 3 k v 、1 2 0 0 a ) ，目前采用沟道型栅极技术、非穿通技术等方法大幅度降低了 集电极一发射极之间的饱和电压 v c e ( s a t ) 的第四代i g b t 也已问世。 第四代i g b t 的应用使变频器的性能有了很大的提高。其一是i g b t 开关器件发热减 少，将曾占主回路发热5 0 一7 0 的器件发热降低了3 0 。其二是高载波控制，使输出 电流波形有明显改善：其三是开关频率提高，使之超过人耳的感受范围，即实现了变频 器运行的静音化；其四是驱动功率减少，体积趋于更小。 而i p m 的投入应用比i g b t 约晚二年，由于i p m 包含了1 g b t 芯片及外围的驱动和保 护电路。甚至还有的把光耦也集成于一体，因此是种更为好用的集成型功率器件，目前， 在模块额定由流1 0 一6 0 0 a 范围内，通用变频器均有采用i p m 的趋问，其优点是： ( 1 ) 开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单。 ( 2 ) 内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功率芯片给 予足够的保护，故障率大大降低。 ( 3 ) 由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电压， 门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得到控制。 ( 4 ) 保护功能较为丰富，如电流保护、电压保护、温度保护一应俱全，随着技术的 进步，保护功能将进一步r 臻完善。 ( 5 ) i p m 的售价已逐渐接近i g b t 而计人采用i p m 后的开关电源容量、驱动功率容 量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素后在许多场合其性价比已高过i g b t ，有 很好的经济性。 伴随着电力电子器件的发展，感应加热电源也在不断发展中。2 0 世纪5 0 年代末， 半导体硅晶闸管( s c r ) 的出现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，引起了感应加热电源技术以致整个电力电子学领域的一场革命。在中频 ( 1 5 0 h z 一2 k h z ) 范围内，晶闸管感应加热装置逐步取代了传统的中频发电机组和电磁倍频 器。但它存在着效率低、工作频率范围窄、可靠性差等缺点，难以满足不同工艺、不同 负载的要求。尤其是在高频( 1 0 k h z 以上) 范围内，由于晶闸管本身开关特性等参数的限 制，给电源的研制带来了很大的技术难度。 8 0 年代中期，西欧国家就研制出了用功率场效应管( m o s f e t ) 作开关管的高频电源， 其频率为2 0 0k j - i z 左右，功率可达数千瓦。如今，美国的英达公司采用m o s f e t 已经 实现了2 0 0 k w 8 0 0 z 的感应加热电源产品。法国的e f d 公司采用i g b t 器件，利用 多重复合电流技术研制成功了6 0 0 k w 3 0 0 k h z 的感应加热电源。 江南大学硕1 ：学位论文 应用于高频电源的另一功率器件为静电感应晶体管( s i t ) ，具有大电流、高耐压、大 电流的输出功率和高的工作频率。1 。在同本，己开发出了用s i t 作为开关元件，其参数 达1 0 0 0 k w 2 0 0 k h z ，4 0 0 k w 4 0 0 k h z 的高频感应加热电源。 在2 0 世纪8 0 年代末，我国约有2 0 万台6 0 _ - 2 0 0 k w 的高频设备，现在用晶闸管中 频感应加热装置已完全取代了中频发电机。今天，河北保定三伊天星电气有限公司制造 出以m o s e f t 为主要功率器件的2 0 0 k w l o o 2 5 0 k h z 、以i g b t 为主要功率器件的 8 0 0 k w ，1 肌5 0 k h z 的全固态感应加热电源，代表了国内的最高发展水平。无锡江南大学 电气自动化研究所正在积极研发的i k w 1 m h zm o s f e t 感应加热电源装置，研制成功 后将达到国家先进水平。 1 3感应加热电源的发展趋势 感应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此当前功率器件在性能 上的不断完善，使得感应加热电源的发展趋势呈现出以下几方面的特点： ( 1 ) 大功率、高频率 电力半导体器件的大容量与其使用频率有着极密切的关系。早期的晶闸管和晶体管 由于受到容量与频率互相制约的影响，不能同时获得大功率、高频率的效果。随着新型 器件的发展，如m o s f e t ，i g b t ，m c t 等，未来的感应加热电源必将朝着大功率和高频 率两者相统一的方向发展，在这方面仍有许多基础应用技术需要进一步探讨“1 。 ( 2 ) 低损耗、高功率因数 新型功率器件的通态电阻很小，通态压降小，所以在高频工作条件下，损耗主要表 现在基极或门极驱动电路的损耗及器件的开关损耗上。随着功率器件的发展，再加上驱 动电路的不断完善和优化，使得整个装置的损耗明显降低。另外，由于感应加热电源一 般功率部很大，随着整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数的电源将是 今后的发展趋势。目前谐振技术的引入，一方面降低了电源中开关器件的开通和关断损 耗，同时利用锁相技术将逆变器的工作频率锁定在槽路固有的谐振频率内，使得该电源 能始终运行在负载功率因数接近为l 的状态。 ( 3 ) 智能化、复合化 智能化指的是功率半导体集成电路本身，包括过电压、欠电压、过电流、过热等检 测与保护功能。复合化指的是在一个功率模块内除了1 个或多个功率器件芯片外，还包 括相同数量的二极管等，在较小功率模块内也出现了保护电路与功率器件集成一体的电 路( i p m ) 。因此，采用智能化与复合化的集成电路将使元器件数量减少，自动组装降低 了成本，电路本身具有诊断与保护等功能而提高了可靠性。随着感应加热生产线自动化 控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加热电源正：朝着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。 ( 4 ) 应用范围扩大化 采用感应加热方法对锻造钢坯透热，节水节电，无污染；铸造熔炼方面可以实现普通 钢、特种钢、非铁金属材料的精细熔炼，同时可提高效率、无污染、金属成份可控；感 应钎焊效率高，对被焊母材无损伤，适用于精度高、批量大的工件和体积大、难移动的 母材局部钎焊及各类会属管材的焊接；各类零部件的表面热处理大量采用感应加热方 法：钢塑材料制造、铝塑薄膜加工以及食品工业、医药工业的封口工艺也大量地采用感 应加热的方式。 ( 5 ) 数字化控制 电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字控制 是一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。 4 第章绪论 但是过去数字控制在感应加热中用得较少。近两年来电源的高性能全数字控制芯 片已经开发，费用也已降到比较合理的水平，欧美已有多家公司开发并制造出开关变换 器的数字控制芯片及软件。 全数字控制的优点是：数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片价格 也更低廉：对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测也更精确；可以实现快 速，灵活的控制设计。 1 4选题的研究内容及意义 一、主要研究内容 本文提出一种改进型z c t p i l l 软斩波调功的串联谐振式高频感应加热电源，提出了 系统的总体设计方案，利用高速t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 控制芯片设计了系统的主电路和控 制电路，并在此基础上进行实验，得出了实验结果。具体主要有以下几方面内容： ( 1 ) 对比分析了几种常见的感应加热电源的拓扑结构，得出了它们各自的优缺点，进 而提出一种新型的拓扑，并采用专业仿真软件对新型拓扑进行了研究； ( 2 ) 本文通过对高频感应加热电源的功率调节问题进行了分析，采用不控整流加斩波 调压作为电源输出功率控制的方法，将感应加热电源的功率控制问题转换为b u c k 变换 器的控制问题，给出了功率控制方案； ( 3 ) 针对系统参数具有非恒定性，随时间，环境及自身温度的变化而变化的特性，设 计了基于c d 4 0 4 6 的锁相环电路，指出了其局限性，并研究并设计了基于d s p 的数字锁 相环技术，实现对负载频率的跟踪控制； ( 4 ) 设计并制作基于d s p 的硬件控制平台，包括了采样电路、故障保护电路、驱动等 外围电路； 二、课题研究的意义 目前国内串联谐振感应加热电源在中小功率领域已经有了长足的发展，随着频率和 功率的提高，感应加热电源的研制又遇到很多有待解决的问题，例如如何改善开关器件 在高频下的开关环境，使得逆变器在现有器件的条件下提高工作频率；如何提高整机容 量，使其朝着高频率、大功率的方向发展：针对整流桥输出功率的调节方式，晶闸管整 流调功方式使得电网侧功率因数很低，对电网造成很大谐波干扰，限制了其在大功率场 合的使用：斩波调功方式大部分还是采用的硬斩波电路形式，斩波功率器件损耗巨大， 限制了电源功率和频率的提高。如何达到集高效率、高功率因数等优点于一身，是感应 加热电源亟待解决的问题。 传统的感应加热电源控制多采用模拟电路的方式，电路结构复杂而且随着环境的变 化，电路的可靠性明显降低；模拟电路还存在元器件老化、系统升级改造困难等缺点。 随着信息技术的发展，高速数字信号处理芯片( d s p 。d i g i t a ls i g n a lp r o c e n s o r ) 的出现，使得数字化控制在史广阔电气控制领域应用中提供了可能性，也成为主要发展 趋势之一。有了高速数字处理芯片的支持，采用数字化的控制策略不仅可以较好的解决 模拟控制中的有关问题，而且还增加了模拟控制中较难实现的一些控制功能，其主要优 点有：控制灵活，系统升一级方便，只是修改相应的控制算法，而不必对硬件电路加以 很大的改动。数字控制系统的控制方案体现在控制程序上，一旦相关硬件资源得到合理 性配置，只需通过修改控制软件或指令，就可以提高原有系统的控制性能；控制系统可 靠性提高，易于标准化。 国内的感应加热电源还没实现全数字化控制，电源的核心控制部分( 功率控制、频 率跟踪) 仍然采用模拟电路来实现。因此加强本课题的研究，解决基于d s p 的软件锁相 环及装置的微机化具有重要实用价值。 江南人学硕t 学位论文 第二章感应加热电源原理、结构及分析 2 1感应加热电源逆变器工作原理 感应加热装置的感应器支路可以等效成一个电阻和一个电感串联或并联的形式“1 ， 等效的电感、电阻是感应器和负载耦合作用的结果，其值受感应器与负载耦合程度的影 响。等效感应器支路是一个感性负载，功率因数很低，需加入电容器进行无功补偿，补 偿电容器与感应线圈的连接方式有串联和并联两种形式，从而形成两种基本的谐振电 路：串连谐振电路、并联谐振电路。为了提高效率和保证逆变器安全运行，感应加热电 源一般工作在准谐振状态，串联谐振电路和并联谐振电路的特性，见表2 1 。 表2 一l 串联谐振电路和并联谐振电路特性 类别串联谐振电路并联谐振电路 电路拓扑clr 圳l 。 广p 1 阻抗频率特性 z v ， z 爪i ， 谐振等效阻抗 z d = rz d = l r c 谐振类型电压谐振 电流谐振 u 一只 6 第一二章感应加热i 乜源原理、结构j 分析 其模为：i = 1 ： ( 2 2 ) r2 + x 2 式中z 是串联电路的谐振阻抗，x 是串联电路的总电抗。 m 母出去= 后 c 国o o 亿s ， = 7 = 二谐振角频率 、，l l 此时，加在各元件上的电压分别是： e ：上，：上墨( 2 4 ) 。y 0 2 cj o j cz 色= j e j l l = 弦导 ( 2 5 ) 从式2 2 可知，电路中电流的最大值出现在x ：0 ，即r o = 五。，= r 的时候，此时 厶：旦：墨 ( 2 6 ) 如月 乓= i o r = e ( 2 7 ) = 去妄叫去叫缈 汜s ， 其中，q 为电路的品质因数 d ：型：l _( 2 9 ) 。 r o ) o c r 固定l 、c 和r 值不变，使外电源的频率由0 到一变化，则电路中的电流、电压和 阻抗的变化如图2 2 所示。 图2 - 2 串联谐振负载特性 图2 2 中的这些曲线称为谐振曲线。当= o 时，相当于直流电流，因受到电容的 阻挡，电路中的电流为0 ，全部电压加在电容上。当逐渐增大时，容抗x c 逐渐减小， 而感抗x i 逐渐增大，但在谐振前( x l ，电路呈容性，电流i 随缈 的增大而增加。当电路达到谐振时，电流i 达到极大值，这时x c = x l ，u c = u ，c o s j = l ，电路呈阻性。继续增加珊，则因x c x l 使电流下降，电路呈感性。当趋向于一 时，感抗完全阻止电流通过，i = 0 ，电压全部加在电感上。从图中可以看出，e l 和e c 江南大学硕j 二学位论文 的极大值都偏离了谐振点，那是因为谐振时尽管i 达到了极大值，而x c ( 或x l ) 并非 最大值，而在缈偏离c o o 一点点，虽然i 略小但x c ( 或x t ) 相应的大得多，因此，e c ( 或 e l ) 反而达到极大值。更详细的分析表明： c o ( u2c o o n h 2 o ) o 如果让l 、c 和r 也发生变化，情况会发生如下变化： 令电路中的阻抗为z ，则 z = 电路中电流的幅值为： ，= ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 所以可以将式2 1 2 改写为式2 1 3 ： ( 2 1 3 ) a k k 2 1 3 可知，电路中各参数发生变化时对，( 珊) 的影响全体现在q 值上，将上式中三l 1 0 为纵坐标，旦为横坐标，便绘出如图2 - 3 所示的曲线，就是在几种q 值下谐振曲线变 化情况，q 值越大，谐振曲线就越尖，电路选择信号的性能就越好，故q 被称为回路的 品质因数。 图2 - 3 串联谐振负载q 值不同时的谐振曲线 2 1 2 并联谐振负载分析 图2 4 是将电阻r 和电感l 串联后与电容c 并联的电路，如将内阻为零的电源 e = s i n c a t 加到此电路中，则在电路中将流过电流： ， ee 。2 云2 r + j o ) 廖孱 直效有的流电中路电时振旨为 ez、jk ， 、 中 = 式 ，一厶 第一二章感应加热电源原理、结构f j 分析 t c = 皂2 觚 m 小志+ ，觚= 坐笔警型 亿 j 土 z ：墨： 竺：! 墨： ( 2 1 5 ) 2 了2 x + j o 。( o ；e c + r c - l ) 忆 ：珊：上一j r 2 ( 2 1 6 ) 1 6 ) 钏2 、面一i “ 一般的，谐振时r 2 e “1 l c ，所以根号下后一项对角频率的影响极小，可以忽 4 、历 f o2 丽 厶2 一r e 2 雨r e = 譬e ( 2 1 7 ) 阻抗z o = i e = 面l = 9 2 月 式中q = 堡r 旦= 瓦b ，同样称为品质因数，这时支路电流为： 厶= 云e = 而e = e ( 譬讽c 汜 江南大学硕l 学位论文 ll = e f c ：导：j 咐c e z f 其模为： = i o 砸im 0 1 0 = 凹= t e c r g _ = q i o ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 从式2 1 9 和2 2 0 中可以看出，当输入电流很小时，各支路的电流却很大，为电源输入 电流的q 倍。因此，常称此谐振为电流谐振。 如果电流的频率是可变的，则并联电路中各参量与频率的关系将如图2 - 5 所示，图 中x 为z 中的电抗，当r 很小可以忽略时，则有： x ：互互： x l + x c z 0 他 =! ( 2 2 1 ) 溅 l ( 0 矗， i 严 图2 5 并联谐振式负载阻抗特性 2 1 3 逆变器结构分析 感应加热电源逆变部分有电压型和电流型两种结构形式，电压型逆变器采用的是串 联谐振式负载，其特点是当负载发生谐振时输出电流最大，负载功率最高：电流型逆变 器采用的是并联谐振式负载，其特点是当负载达到谐振时输出电压最大，负载功率最高。 电流型逆变器由于在输入端加一个比较大的电感，从而造成系统体积较大，成本较高， 而电压型逆变器则由于其控制方便灵活而得到广泛的应用。下面分别是电压型逆变器和 电流型逆变器的结构。 根据负载谐振形式的不同，可以将感应加热电源逆变器分为串联谐振式逆变器和并 联谐振式逆变器两种逆变结构。图2 6 和图2 7 分别给出了两种逆变器的拓扑结构”1 。 串联谐振式逆变器( v s i ) 的输入端并接有大电容，逆变器将直流电压变换为交流电 压，因此也称为电压源型逆变器v s i ( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ) ：电流型逆变器的输入 端串接有大电感，形成平稳的直流电流，逆变器将输入的直流电流变换为交流电流输出， 1 0 第一二章感应加热电源原理、结构与分析 因此也称为电流型逆变器c s i ( c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r ) 。电压型逆变器的直流输入电 压可以来自整流器，通常为二极管不控整流，亦可来自其他直流电压，如电池。直流电 源若为整流器，通常需要电容c 滤波或l 、c 滤波环节向逆变器供电，逆变器的输出再 通过一个交流滤波器对交流负载供电。其中直流电容器电容量较大，电压稳定，因而构 成一个电压源：而电感的主要作用是限制逆变器直流电源中的高频电流。设置电容器c 是必要的，电感l 则不一定，可以取消电感l 来减小逆变器重量体积，降低成本，但交 流电源的电流波形中则含有大量谐波电流。 厶 图2 - 6电压型逆变器图2 - 7电流型逆变器 ( 1 ) 从电路原理的角度来看，两种电路是完全对偶的。这种对偶性主要表现在以下 几个方面： a 电压、电流波形的对偶： 电压型串联逆变器：入端电压为直流；当工作在负载谐振频率时，输入端电流为全 波整流波形；输出电压为方波：输出电流为正弦波。 电流型并联逆变器：入端电流为直流；当工作在负载谐振频率时，入端电压为全波 整流波形：输出电流为方波；输出电压为正弦波。 b 电路特性的对偶： 电压型串联逆变器：负载阻抗频率特性为串联谐振特性，因此不宜空载；短路及直 通保护困难：逆变器及负载开路保护容易。 电流型并联逆变器：负载阻抗频率特性为并联谐振特性，因此可以空载；短路及直 通保护容易；逆变器及负载开路保护困难。 c 电路拓扑的对偶： 电压型串联逆变器：入端并联电容c d ( 等效电压源) ；负载为r 、l 、c 串联谐振电路； 逆变开关为单向耐压，双向载流。 电流型并联逆变器：入端串联电感l d ( 等效电流源) ；负载为r 、l 、c 并联谐振电路； 逆变开关为双向耐压，单向载流。 ( 2 ) 从设计的角度两种逆变器的比较： 高频感应加热的设计有三个要点：器件，工艺的可实现性和满足工件的加热要求。 高频化的首要前提是器件( 其中包括快速二极管) 具有高速的开关特性。大容量的快速二 极管的反向恢复特性较差、恢复时白j 较长。在高频感应加热电源中，通常是逆变器工作 于感性状态以避免二极管的反向恢复问题。但是二极管的开通也有延时，这是因为载流 子的注入需要一定的时间。因此感性工作状态避免了二极管的反向恢复短路电流，但开 通延时却会导致电压过冲和振荡。在电流型逆变器中，由于二极管和自关断器件是相串 联的，因此在任何状态下，其电流容量必须与自关断器件相当，而在电压型逆变器中， 江南大学顾l ：学位论文 二极管只在输出功率因数角对应时问内通有电流。从理论上讲，当逆变器工作在负载谐 振时，通过二极管的电流为零。因此在同等容量的电源中，电流型逆变器对二极管的容 量要求较大。而容量越大的器件，其开关特性往往越差，从这一点来说，将电压型逆变 器高频化有利于选择高频二极管。 从结构工艺来看，高频电源对分布参数较为敏感，杂散电感和分布电容容易引起电 压过冲和开关过程的高频振荡，电流型逆变器的开关器件要求具有双向耐压的能力，因 此增加了结构设计和安装的工作量以及分布参数。另外由于电压型逆变器可以利用逆变 调功，不必象电流型逆变器那样必须采用可控整流或直流斩波。可见采用电压型逆变器 的感应加热电源在整体结构上更加简洁，有利于高频电源的结构设计。 高频化的主要目的是满足生产工艺的要求，例如工件的表面淬火。将电压型逆变器 高频化，不仅满足生产应用的需要，同时提高了输出调节速度，减小了直流滤波环节的 无功元件( 滤波电感和储能电容) 的容量，相应的减小了元件的体积和重量。但在电流型 逆变器中，由于要借助于直流调功，因此调节速度受到直流调功方式的限制。当采用相 控整流桥来调节功率时，直流滤波电感必须按照逆变直通时的拉逆变保护过程来设计， 不受逆变工作频率的影响，因此滤波电感必须足够大。 高频化相应的带来一些问题，主要有两点：一是频率的提高导致开关损耗的大大增 加；二是高频开关过程的开关应力大，d i d r 和d v d t 高，对器件不利，同时高的d i d t 和d r d r 将引起器件周围寄生电感和电容之间的高频振荡，导致了较大的电磁噪声。 基于以上原因，我们选择采用串联型逆变器来制做高频感应加热电源。 2 2 串联谐振式感应加热电源常用调功方式 串联谐振式感应加热电源的调功方法可分为两类：逆变调功和直流调功。 2 2 1 逆变调功 逆变调功的方法目前主要有：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 _ | v m ) 、脉冲均匀调制( p s m ) 四种。 ( 1 ) 脉冲频率调制法( p f m ) p f m 调频调功感应加热电源主电路如图2 8 所示。 d 1 d 2 b 巧j 【 d l五胀 jlj： jl ； 叫卜叫= = 卜一 爿 口 日 一 c c - 瓦j 【 砬 五g jlj【j【 d 岛见 见 图2 - 8p f m 调频调功感应加热电源主电路 p f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 调频调功是最简单的一种调功方式，通过改 变逆变器工作频率，从而改变负载等效阻抗以达到调节功率输出的目的。 串联感应加热负载的等效阻抗为 1 z = ，国，+ _ 二一+ r ( 2 2 2 ) j c 故 2 第一二章感应加热电源原理、结构0 分析 h = 罔：厢i 习 当逆变器的开关频率f 变化时，负载的功频特性如图2 - 9 。 p p 。 9 一 叩 o ( 2 2 3 ) 图2 - 9p f m 功频特性曲线 从图2 - 9 中可以看出，负载功率在谐振点频率厶处时是最大的，而偏离这个谐振频 率时，负载功率都会降低。 p f m 调功方式是逆变调功中最简单的，属于频率开环调节。这种调功方式的主要缺 点是工作频率在调功过程中不停变化，导致集肤深度也随之改变。在某些应用场合如表 面淬火等，集肤深度的变化对热处理效果会产生较大影响。在以下情况可以考虑使用： 第一，如果负载对工作频率范围没有限制，可以采用p f m 。 第二，如果负载q 值较高，或功率调节范围不大，则较小的偏频就可以达到调功的 要求。 ( 2 ) 脉冲密度调制法( p d m ) ”。 p d m 的拓扑结构与图2 8 相同。其工作原理见图2 - 1 0 。工作原理是通过控制脉冲密 度，向负载馈送能量的时间比来控制输出功率。简单地说就是以负载的谐振周期作为一 个调功单位。总共1 0 0 个调功单位内，在n 个单位逆变器向负载输出功率：剩下的1 0 0 一n 个单位内逆变器不工作，负载以自然频率逐渐衰减。这样的话输出的脉冲密度为n ， 输出功率跟脉冲密度存在一定的关系。因而调节脉冲密度就可以改变输出功率。 阿。h 厂 厂 广广 uuuuuul _ 飞厂、厂、厂、 厂、厂、“厂、厂、 vvvvvvvvuv r 厂n 几厂1厂1 几n 几几nn厂_ 厂 厂 n 厂1nn 广 厂 r r n 广 nr nn 厂 厂_ 一 图2 - 1 0p d m 控制方式原理图 p d m 方法的缺点是： 第一，逆变器输出功率的频率不完全等于负载自然频率，在功率闭环的场合中工作 稳定性差。n 个周期系统是以一定的开关频率输出功率，另外l o o n 个周期负载以自然 频率衰减振荡的。每次在自然衰减振荡恢复成输出功率状态时要重新锁定频率，这时系 统极可能会失控，因此在功率闭环或温度闭环的场合，工作的稳定性不好。 第二，功率调节特性不理想，呈有级调功特性。 改进型的脉冲密度平均调制法( c p d m ) 可以在较低负载情况下保持电流连续”1 ， 防止由于电流断续而造成逆变器失锁。 江南大学硕i 二学位论文 ( 3 ) 脉冲宽度调制法( p 1 v m ) 一般不采用移相调功的逆变器，同一桥臂的两个开关是互补的，斜对角的两个开关 是同时开通与关断的。这类逆变器输出电压为u 。的方波。如果在控制电路中设法使原 来同相的两个桥臂开关的驱动信号错开一个相位角，使得负载输出电压的交替的j 下负电 压交替过程中插入一段零电压区，这样就改变了输出电压的有效值，最终调节了输出功 率。 目前一般逆变器的移相p w m 方法的工作频率是固定的，不需要考虑负载在不同工作 频率下的特性。而在感应加热电源中的移相p w m 要求工作频率必须能跟踪负载的谐振频 率。这种控制方法通常要求使某一桥臂的驱动脉冲与输出电流的相位保持一致，而另外 一个桥臂的驱动脉冲与输出电流的相位可以调节。 根据1 3 超前还是滞后分为两种p w m 方式：降频式p w m 控制和升频式p _ | v m 在图2 一l l 中，1 3 滞后o 。1 8 0 。可调。在0 。1 8 0 。调节过程中，输出脉宽减小 的同时，将引起输出电压相对于输出电流的相位由超前变为滞后，也就是频率不断降低。 因此这种方式称为降频式p 州控制， 在图2 1 2 中，1 3 超前o 。1 8 0 。可调。在0 。1 8 0 。调节过程中，输出脉宽减小 的同时，将引起输出电压相对于输出电流的相位更加超前，也就是频率不断提高。因此 这种方式称为升频式p w m 控制，其中，t 2 、t 4 为超前桥臂，t l 、t 3 为滞后桥臂。 广 广 广一 卅厂 一 h 厂 一 jj 一 厂 i 厂 厂 一 芮四习风厶一 mim 一 - 1 产丸 五 五 五 瓦 厂illi l i 卜 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i 厂 广一 l 7 厂 r _ 广 一 i 一 厂1 厂厂 c ， 陈d 队防一 心。u 人，0 一 图2 - 1 1 升频式p w m 控制图2 - 1 2 降频式p w m 控制 降频式p w m 和升频式p w m 有共同的特点：在调节输出电压的脉宽的同时也改变了负 载的工作频率。因此也隐含了部分p f m 调功的因素。 ( 4 ) 脉冲均匀调制( p s m ) p s m 功率控制逆变器的基本原理是在负载谐振的基础上根据所需的功率设定自动 调节控制脉冲发出的个数和相位，并通过频率跟踪的方法，当负载参数的变化使负载谐 振频率发生改变时，自动改变逆变器的控制频率和相位，使逆变器始终工作在谐振或准 谐振状态。 2 2 2 直流调功 直流调功通常采用直流斩波或相控整流来改变逆变器的输入直流电压的大小，从而 将逆变器的功率调节转化为对直流电压的调节。 ( 1 ) 直流斩波调功“ 4 第一章感应加热乜源原理、结构与分析 感应加热电源中的直流斩波调功方式的调功原理如图2 - 1 3 所示： 图2 - 13 斩波调功方式原理框图 前端是由六只二极管组成的三相不可控整流器，输出的直流电压，经过电容c l 滤波后送入由开关管t 、续流二极管d 、滤波电感厶和滤波电容c ，组成的斩波器，调节 t 的占空比，逆变器得到的电压就在o 仉之间任意的电压值。这种方式可以获得较高 的功率因数，但是开关管t 是工作在硬开关方式，开关损耗较高，对开关器件的要求比 较高。由于电路中电感的存在，将