（电机与电器专业论文）高频感应加热电压型逆变器功率控制研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t m 9 2 4 5 u d c ：6 2 1 3 d i s s e r t a t i o nf o r t h ed o c t o r a ld e g r e ei ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho np o w e rc o n t r o lo ft h eh i g h - f r e q u e n c y i n d u c t i o nh e a t i n gv o l t a g e - - f e di n v e r t e r c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： v i c es u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： s c h o o l ： d a t eo fd e f e ! n c e ： d e g r e e c o n f e r r i n g i n s t i t u t i o n ： z h a n gz h i j u a n p r o f l ih e m i n g a s s o p r o f p e n gy o n g l o n g d o c t o ro f p h i l o s o p h y e l e c t r i cm a c h i n e sa n de l e c t r i c a la p p a r a t u s s c h o o lo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g a p r i l 2 0 1 0 n o r t h c h i n ae l e c t r i cp o w e ru n i v e r s i t y j 。0 “ 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文高频感应加热电压型逆变器功 率控制研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡 献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 期：兰竺：! ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：窈趁盗 日期：塑鱼：生苎! 导师签名： 日期： c o o 牛；0 j 7震。氨j 华北电力大学博士学位论文摘要 中文摘要 感应加热电源以其高效、无污染、控制灵活、加热速度快等诸多优点，在工业 热处理领域中得到广泛应用。在对不同工件进行加热时，必须根据负载的变化，对 感应加热电源的输出功率进行灵活控制，以满足工件的加热工艺要求。针对目前高 频感应加热电源中逆变器功率调节方式，本文对高频感应加热电压型逆变器的相移 控制、脉冲密度控制以及通过负载匹配进行功率控制等方法进行了深入研究，论文 完成的主要工作和取得的创新性成果如下： 1 提出了一种相移控制多相l l c 电压型逆变器的并联方法。通过控制各相逆 变器间的相移来控制各个并联的电压型逆变器的输出功率，同时利用l l c 谐振电路 特点，采用多个l l c 电压型逆变器并联的形式提高电源容量。应用基波稳态分析法， 推导出了相移控制下各相逆变器输出电流、输出功率、负载电流和效率的计算公式。 设计了相移0 3 6 0 。的控制电路，并进行了仿真和实验验证。 2 研究了l c c l 负载匹配电路的拓扑结构、输出功率、输出电流比和电压比，提 出了一种利用l c c l 负载匹配进行功率控制的方法，并进行了仿真和实验验证。研究 结果表明，l c c l 电路不仅具有c c l 负载匹配电路电流变换的特性，而且通过串联电容 的改变可以控制逆变器的输出功率。 3 提出了一种改进型均匀脉冲密度控制方法。分析了品质因数对负载电流的 影响以及品质因数与最小脉冲密度的理论关系。与均匀脉冲密度控制l c 串联负载 谐振电路相比，该方法可以使控制脉冲分布更加均匀，降低负载电流波动性；在深 度功率控制时，也能够实现对负载谐振频率的可靠跟踪，提高了谐振逆变器的功率 控制精度。 4 研制了高频感应加热电源试验系统。针对以上各种控制方法，采用不同负 载形式，进行了试验研究。验证了理论推导的正确性和方法的可行性。 关键词：感应加热，电压型逆变器，l c c l 谐振电路，相移控制，均匀脉冲密度控制 徭 ， t ， j j仉，馥，- 一一 华北电力大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ea r e a so fi n d u s t r i a lh e a t i n g o na c c o u n to fi t sa d v a n t a g e s ，s u c ha sh i 【曲e f f i c i e n c y , 1 1 0p o l l u t i o n , f l e x i b l ec o n t r o la n df a s t h e a t i n gs p e e d t os a t i s f yt h ed i f f e r e n tr e q u i r e m e n t sf o rh e a t i n gv a r i o u sw o r k - p i e c e s ，t h e o u t p u tp o w e ro fa ni n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l ym u s tb er e g u l a t e da n dc o n t r o l l e df l e x i b l y a c c o r d i n gt ot h el o a dc h a n g i n g f o c u s i n g o nt h ee x i s t i n gp o w e rr e g u l a t i o nm o d e so fi n d u c t i o n h e a t i n gp o w e rs u p p l yi n v e r t e r , t h i sp a p e rm a k e sa ni n t e n s i v er e s e a r c ho np o w e r c o n t r o lf o rt h e v o l t a g e f e di n v e r t e ro 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 yu s i n gt h ep h a s es h i f t c o n t r o l ，p u l s ed e n s i t ym o d ec o n t r o l ，a n dt h r o u g h l o a dm a t c h i n g t h em a i nw o r k sa n d i n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 ak i n do fp h a s es h i f tc o n t r o lm u l t i p h a s el l cv o l t a g e f e di n v e r t e rp a r a l l e lm e t h o di s p r o p o s e d t h eo u t p u tp o w e ro ft h ep a r a l l e li n v e r t e r si s m o d u l a t e db yc o n t r o l l i n gt h ep h a s e s h i f tb e t w e e nm u l t i i n v e r t e r s ，a n dt h ei n v e r t e rc a p a c i t yi se n h a n c e db yt h ep a r a l l e lc o n n e c t i o n o fm u l t i p h a s el l cv o l t a g e f e dr e s o n a n ti n v e r t e r s t h ee q u a t i o n so fe a c hp h a s ei n v e r t e r o u t p u tc u r r e n t , o u t p u tp o w e r , l o a dc u r r e n ta n de f f i c i e n c ya r ed e r i v e du s i n gt h ea n a l y s i so f f u n d a m e n t a ls t e a d ys t a t e a0 - 3 6 0 0p h a s es h i f tc o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e d i na d d i t i o n , t h e s i m u l a t i o na n dp r o t o t y p ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u ta n dv e r i f i e d 2 t h et o p o l o g y ，o u t p u tp o w e r , o u t p u tc u r r e n tr a t i oa n do u t p u tv o l t a g er a t i oo fl c c l l o a dm a t c h i n gc i r c u i ta r ee x p l o r e d ，ak i n do fp o w e rc o n t r o la p p r o a c he m p l o y i n gl c c ll o a d m a t c h i n gi sp r o p o s e da n dt h es i m u l a t i o na n dp r o t o t y p ee x p e r i m e n t sa r ev e r i f i e d t h er e s u l t s p r e s e n t e dt h a tt h el c c lc i r c u i t n o to n l yh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec i r c u i tc u r r e n t t r a n s f o r m a t i o no fc c ll o a dm a t c h i n gc i r c u i t ，b u ta l s oc a nr e g u l a t et h ei n v e r t e r so u t p u tp o w e r b yc h a n g i n gt h es e r i e sc a p a c i t o r 3 a ni m p r o v e ds y m m e t r i c a lp u l s ed e n s i t yc o n t r o la p p r o a c hi sp r o p o s e d t h ei m p a c to f q u a l i t yf a c t o rt ol o a dc u r r e n ta n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nq u a l i t yf a c t o ra n dt h em i n i m u m p u l s ed e n s i t ya r ea n a l y z e d c o m p a r e dw i t l ls y m m e t r i c a lp u l s ed e n s i t yc o n t r o la p p r o a c hf o r l cs e r i e sl o a dr e s o n a n tc i r c u i t ，u s i n gt h i sm e t h o dc a nm a k et h ec o n t r o lp u l s ed i s t r i b u t em o r e e v e n l ya n dr e d u c et h ef l u c t u a t i o no ft h el o a dc u r r e n t ，i m p l e m e n tr e l i a b l el o a dr e s o n a n t f r e q u e n c yt r a c k i n g ，a n di m p r o v et h er e s o n a n ti n v e r t e rp r e c i s i o no fp o w e rc o n t r o lw h e nt h e v o l t a g e f e di n v e r t e ri si nt h ec o n d i t i o no fd e e pp o w e rc o n t r 0 1 4 h i 曲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 yt e s ts y s t e m i se s t a b l i s h e d t h e t 兰i ! 皇垄奎堂堕主堂垡笙壅塑墨 一 e x p e m e n t sw e r ea c c o m p l i s h e du s i n gt h e a b o v em e n t i 。n e dc 。n t r o lm d s 觚dd i 砌哪 l o a df o m s t h ec o e c t n e s so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ea p p r o a c h e s 躺 v a l i d a t e d k e yw 。r d s ：砌u c t i 。nh e a t i n g ，v 。l t a g e - f e di n v e r t e r ，l c c l r e s 。n a n tc i r c u i t ，p h a s es h i f t c o n t r o l ，s y m m e t r i c a lp u l s ed e n s i t yc o n t r o l u 一 1 中文摘要 英文摘要 第一章引言 1 i 课题研究 i i 1 课题 1 i 2 课题研究的意义4 1 2 国内外感应加热电源的发展现状5 1 2 1 国外感应加热电源的发展现状5 1 2 2 国内感应加热电源的发展现状6 1 3 高频感应加热电源研究热点7 1 3 1 负载谐振拓扑结构7 i 3 2 控制技术9 1 3 3 功率控制方式1 1 i 4 论文的主要研究工作1 6 。 第二章相移控制多相l l c 电压型逆变器并联研究1 8 ： 2 1l l c 谐振电路分析1 8 2 1 1l l c 谐振电路拓扑结构1 8 2 1 2l l c 谐振电路特性2 2 2 1 3l l c 谐振电路与l c 串联谐振电路的关系2 5 2 2 多相l l c 电压型逆变器并联研究2 6 2 2 1 多相l l c 电压型逆变器并联拓扑结构2 6 2 2 2 多相l l c 电压型逆变器并联阻抗分析2 8 2 3 相移控制多相l l c 电压型逆变器并联电气性能分析3 1 2 3 1 各相逆变器输出电流3 1 2 3 2 各相逆变器输出功率3 5 2 3 3 负载电流分析3 7 2 3 4 效率分析3 7 2 4 相移控制两相l l c 电压型逆变器并联仿真3 9 2 5 本章小节4 1 第三章l c c l 电压型逆变器研究4 3 i 华北电力大学博士学位论文目录 3 1c c l 谐振电路特性4 3 3 1 1c c l 谐振电路拓扑结构4 3 3 1 2c c l 谐振电路电气性能分析4 4 3 1 3c c l 谐振电路参数设计4 9 3 2l c c l 电压型逆变器研究5 1 3 2 1l c c l 谐振电路拓扑结构5 1 3 2 2l c c l 谐振电路电气性能分析5 3 3 2 3l c c l 谐振电路参数设计与仿真5 6 3 3c c l 谐振电路和l c c l 谐振电路比较5 8 3 4 本章小结5 9 第四章l l c 电压型逆变器的p d m 控制研究6 0 4 1 传统p d m 功率控制原理6 0 4 2 改进型p d m 控制原理与换流过程6 3 4 2 1 改进型p d m 控制原理6 3 4 2 2 改进型p d m 换流过程6 6 4 3 改进型p d m 控制l l c 电压型逆变器电流分析7 1 4 3 1 负载电流分析7 1 4 3 2 电容电流分析7 6 4 4 本章小结7 6 第五章高频感应加热电压型逆变器试验研究7 7 5 1f p g a 简介7 7 5 2 状态机简介和控制脉冲的产生7 8 5 2 1 状态机简介7 8 5 2 2 控制脉冲的产生7 9 5 3 控制电路设计8 1 5 3 1 相移控制电路设计8 1 5 3 2 锁相电路设计8 3 5 3 3 改进型p d m 闭环控制电路设计8 4 5 4 样机试验8 5 5 4 1 两相并联l l c 电压型逆变器试验8 5 5 4 2l c c l 电压型逆变器试验8 9 i i 华北皇垄盔堂竖主堂垡迨銮旦茎 一 5 4 3l l c 电压型逆变器的p d m 控制试验9 1 5 5 本章小结9 3 第六章全文总结和工作展望- - - 。鹕 6 1 全文总结9 4 6 2 工作展望9 5 参考文献- - - - - 致谢- 1 0 4 个人简历、在学期间参加的科研工作及学术论文发表- - - 1 0 5 i b _i， ，毋 ，- b 搿。 华北电力大学博士学位论文 第一章引言 近一个世纪以来，电感应加热由于具有加热效率高、升温快、可控性好、易于 实现机械化、自动化等优点，越来越广泛的应用于熔炼、透热、淬火、弯管、焊接、 加热等工业领域，已成为冶金、国防、机械加工、铸、锻和船舶、飞机制造业等不 可缺少的加热技术，取得了明显的经济效益和社会效益【。 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 课题研究的背景 1 ) 感应加热基本原理 感应加热的理论基础来自法拉第电磁感应定律：处于交变磁场内的导体会感应 出电动势，电路闭合成回路时则产生感应电流。感应加热正是利用了感应电流即涡 流对工件进行加热的，其原理如图i - i 所示2 1 。 交流电 图i - i 感应加热原理 一个金属工件置于通有交流电流的线圈内，导体工件内部会产生感应电势e ， 若交变电流以正弦规律变化，则产生的感应电势可表示为： e = 一所a ) c o s o g t ( 卜1 ) 感应电势的有效值为： e ：型警“4 4 n f 。 2 ” ( 1 - 2 ) 式中是感应线圈匝数，为供电电源交变电流的频率，缈为电源工作角频率， 。为磁通的振幅值【3 1 。 感应电势e 在工件中产生感应电流，由于电阻的存在，当电流流过导体时， 会引起导体发热，其焦耳热为： 第一章引言 q = 0 2 4 1 2 r t f ，1 一 式中，q ：电流通过电阻产生的热量( j ) ； i ：电流有效值( a ) ； 尺：金属工件的等效电阻( q ) ； ，：金属工件的通电时间( s ) 。 根据文献 2 4 可知，感应电势和发热量与磁场强度和频率有关。为了使工件 热到所需的温度，通过增大感应线圈中流过的电流以加大工件中产生的涡流是 种途径，另外提高电流的频率以加大感应电势是另一种途径。 在感应加热的导体中，电流分布是不均匀的。图1 - 1 所示的工件，当通以交流 时，沿工件截面上的电流分布是不均匀的，越靠近表面，感应电流越大，且最大 流密度出现在导体的表面层。越到工件内部，感应电流越小，功率密度越低，这 电流集聚的现象称为集肤效应【2 5 1 。 当高频感应电流流过金属工件时会产生集肤效应，金属工件中的电流密度由表 向中心逐步减小，并成指数规律下降。当工件表面深度超过一定值后，电流密度 得很小。因此工程上认为，当金属电流密度由表面向中心衰减到数值等于表面电 密度的0 3 6 8 倍时，该处到表面的距离称为电流穿透深度。并认为感应电流在 金属工件中产生的热量，大部分集中在电流穿透深度内【2 1 。 透入深度表达式为： = 上一 ( 卜4 ) v7 c l o p ，f 式中p ：电阻率( q c m ) p o ：真空导磁率，4 刀x l o 。9 ( h c m ) h ：相对导磁率 ：频率( 月2 ) ：透入深度( c m ) 。 将的数值代入上式，得出常用的计算公式： = 5 0 3 0 专) ( 1 _ 5 ) 可见，透入深度与电流频率厂成反比，电流频率越高，集肤效应越显著，工 件表面温度越快速升高，满足金属表面淬火等热处理工艺的要求。 另外，被加热金属工件放入感应器中，工件和感应器之间还会产生邻近效应【6 1 和圆环效应【7 1 。无论哪一种都是由于导体中产生自感电动势迫使电流发生重新分配 2 j囊疆囊。， 华北电力大学博士学位论文 的结果【集肤效应和邻近效应在加热工艺决定电源的工作频率时起主要的指导意 义，圆环效应用来指导感应线圈的设计【引。总之，感应加热电源就是综合利用这三 种效应的设备。 大多数情况下，感应加热中金属工件属于各种型号的钢、铸铁等铁磁物质，而 工件的电阻率户和相对导磁率所随温度的变化呈非线性。电阻率p 随温度的升高逐 渐上升，相对导磁率从随温度的上升先是缓慢下降，当温度上升到居里点( 7 0 0 - 8 0 0 ) 后，迅速下降为l 【2 1 。由式( 1 - 5 ) 可见，电阻率p 和相对导磁率从的变化， 给计算透入深度和感应加热电源控制系统的设计都带来困难。由于在熔炼和透热等 加热过程中，工件从开始加热到达到居里点温度所需时间很短，感应加热设备大部 分时间工作在过居里点以后，而且往往在加热快结束时，提供最大功率以得到最后 的温度。因此采用整个工件温度超过居里点情况的“热态一进行设计计算，工程上 简单适用【2 l 。 2 ) 感应加热电源的发展史和发展趋势 感应加热电源的发展与电力电子学及电力半导体器件的发展密切相关。本世纪 初玻璃管汞弧整流器的发明标志着电力电子学的起源。2 0 世纪5 0 年代末，半导体硅 晶闸管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 应加热电源技术以至整个电力电子学领域的一场革命，同时感应加热电源及应用得 到了飞速发展。由于以半导体电力电子器件为基础的固态电力电子装置具有一系列 的优点，因此晶闸管发明后，欧美各国先后开始研制以晶闸管为开关器件的中频 ( 1 5 0 h z - 2 k h z ) 电源 g a o l 。到7 0 年末8 0 年代初，通过现代半导体集成技术与功率半 导体技术相结合，开发出了一系列电力电子器件如功率场效应晶体管( m o s f e t ) 、 可关断晶闸管( g t o ) 、特大功率晶体管( g t r ) 、绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 、 静电感应晶体管( s i t ) 等，使得感应加热领域向着高频化发展。 随着电力电子技术的迅速发展，高频感应加热电源的性价比会越来越高。感应 加热技术也逐步应用到现代化工业的许多方面，如熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接、 表面热处理等领域，已成为冶金、国防机械加工等部门中不可缺少的一部分，对工 业生产和国民经济起着很大的推动作用。 感应加热电源技术的发展和功率半导体器件的发展密切相关。随着功率半导体 器件的大容量化和高频化，使得感应加热电源朝着大容量化、高频化、智能化等方 向发展。 高频化 晶闸管在感应加热的中频段得到了广泛的应用，i g b t 在感应加热的超音频段得 到了广泛的发展和应用，而m o s f e t 、s i t 以其特有的优势和软开关技术的发展则使 3 第一章引言 感应加热电源的高频化成为可能。但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、屏蔽以及驱动电路均有许多特殊要求，因此目前有很 多研究人员致力于此方面的研究【1 1 , 1 2 1 。 大容量化 为适应市场的需求，大功率、高频率逆变式电源已经引起越来越多人的关注， 研制和生产大容量的逆变式电源是目前许多科研人员的研究热点。以现有的大功率 器件水平，如果要实现更大功率的电源，只能通过改变电路的结构来寻找解决方案。 目前，常用通过器件的串、并联实现或者通过多台电源系统的串、并联来实现【”】。 但是，器件的均压均流问题是器件串、并联需妥善解决的问题；多台电源系统串、 并联若采用高频变压器合成技术，需解决高频变压器的体积、成本、效率、磁饱和 等问题。 高功率因数、低谐波 随着感应加热电源容量的不断提高，采用传统晶闸管相控技术的整流器对电网 造成严重的谐波污染，并使网侧功率因数降低。目前电网对用户的功率因数和谐波 污染指标的要求越来越严格，具有单位功率因数、低谐波污染的脉冲宽度调制 ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 整流器将会得到越来越广泛的应用，高效、低 污染的“绿色”感应加热电源必将成为今后的主流产品。 智能化、数字化 为适应高质量、高性能和加热工艺的市场需求，愈来愈多的研究人员开始研究、 生产智能控制的感应加热电源，其中包括了波形控制和模糊控制技术、人工神经网 络技术、自动跟踪技术等等。具有计算机智能接口、远程控制、故障智能诊断等控 制性能的感应加热电源正成为下一代的发展目标【1 4 , 1 5 1 。 负载匹配 感应加热电源多应用于工业现场，它的负载对象各式各样。电源逆变器和负载 是一个有机的整体，由于加热电源的负载各式各样，当二者不匹配时，会降低电源 的利用率和可靠性。通过进行合适的负载匹配能够有效的提高感应加热电源的利用 率以及减小逆变器的开关损耗。因此，负载匹配逐渐成为目前感应加热电源研究的 一个热点课题【1 6 】。 1 1 2 课题研究的意义 高频感应加热电源在一些有特殊要求的特种钢加工、管材加工、晶体加工、超 导体加工等方面都有很广泛的应用【10 1 。感应加热电源在对工件进行加热时，需要使 加热装置的输出功率能够在一定范围内可调，从而对工件的加热温度进行控制。而 构成高频感应加热电源的整流、逆变、谐振槽路三大部分中，对逆变器的控制以及 4 华北电力大学博士学位论文 谐振负载形式的选择，是整个电源功率控制的关键之一，对电源的正常安全稳定运 行起着非常重要的作用。 随着感应加热电源应用范围的不断扩大，对大容量加热电源的需求越来越大， 这对研究提高加热电源的容量提出了挑战。目前感应加热电源中提高容量的方法 有：采用逆变器功率器件多管并联、逆变器并联且负载侧用高频变压器合成功率、 多管并联结合逆变器并联高频变压器功率合成。由于当前市场上适用于高频领域的 全控型器件的单只管子电压电流额定容量都较小，且受器件分布参数差异影响和制 作工艺的限制，单个逆变桥不可能并联许多器件；通过负载侧高频变压器合成，使 得设备变得庞大复杂、成本增加、变压器漏感不仅影响逆变电源的开通关断过程， 而且还会对电源工作状态造成磁通突变、直通现象等影响，因此这些方法的使用均 不同程度地受到了限制。研究不仅能提高电源容量，而且能控制输出功率的新的高 频感应加热电源控制方法和拓扑结构越来越迫切，具有重要的理论和工程实用价 值。 固态高频感应加热电源的控制技术正逐渐向数字化方向发展，均匀脉冲密度控 制逆变器具有输出频率基本不变，开关损耗相对较小，易于实现数字化控制的优势。 但是由于传统的均匀脉冲密度控制比较适宜重载及品质因数较大场合，在轻载时电 流容易断续，而使其应用受到限制。因此研究如何进一步改进均匀控制脉冲，能够 使负载电流波动性降低，轻载时负载电流不易断续，以及提高功率控制精度是非常 必要的。 通过负载谐振电路拓扑结构的改变，使逆变器开关损耗减小，有效提高感应加 热电源的输出功率，这也是逆变器功率控制的一种方法。近年来负载匹配方法的研 究主要集中在采用三阶无源元件构成的静电耦合方式，而对其它静电耦合方式的研 究较少，因此研究新的负载谐振电路形式，可为分析感应加热电源负载匹配开拓新的 分析思路。 固态高频感应加热电源因其绿色、节能、高效率，在工业应用中有着广泛的应 用领域和很大的市场需求量。为进一步提高感应加热电源的容量，改进其控制精度， 提高其数字化程度，研究逆变器的各种功率控制方法是非常重要和有意义的。 1 2 国内外感应加热电源的发展现状 1 2 1 国外感应加热电源的发展现状 由于感应加热电源的诸多优点，大量的工程技术人员对其进行了相关研究。 1 8 9 0 年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉可槽式有芯炉，1 9 1 6 年美国人发 明了闭槽有芯炉，从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。2 0 世纪5 0 年代前，感 5 第一章引言 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、电子管振荡式 高频电源，这类传统电源一般效率较低、热惯性较大、寿命短、工作频率可调范围 较小，不能满足不同工艺负载的要求。2 0 世纪5 0 年代末，半导体晶闸管的出现， 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，由此引发了感应加热电 源技术以至整个电力电子学领域的一场革命，与此同时感应加热电源及应用也得到 了快速的发展【1 7 】。 在超音频频段( 1 0 k h z - - 一l o o k h z ) ，8 0 年代初研制出的一系列新型全控型电力 半导体器件，如s i t 、m o s f e t 、i g b t 等，其中i g b t 以其优异的特性，在超音频频 段得到了广泛的应用。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。1 9 9 3 年西班牙也研发出了3 0 6 0 0 k w 5 0 l o o k h z 的i g b t 电流型感应加热 电源【l 引。英国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电源目前最大容量已达数 千千瓦，频率覆盖整个超音频频段。 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 领域，感应加热电源处在从传统的电子管电源向全固态 电源过渡阶段。 日本的大容量高频s i t 技术比较先进、成熟，进行了许多s i t 高频感应加热方 面的研究工作。8 0 年代末利用s i t 制作高频电源的水平已经达到7 5 k w 1 3 0 k h z 1 9 】、 1 2 k w l o o k h z 的水平【2 0 l ，9 0 年代达到1 0 0 0 k w 2 0 0 k h z 、3 0 0 k w 4 0 0 k h z 2 1 1 。但由于s i t 的通态压降大、制作工艺复杂及制作成本高等原因使得其推广受到限制，因而市场 容量很小。 现在的高频感应加热发展的主要方向还是以模块化、大容量化的m o s f e t 和i g b t 为主。其中西班牙在1 9 9 2 年采用m o s f e t 的电流型并联谐振逆变电源制造水平达到 6 0 0 k w 2 0 0 k h z 2 2 1 ，德国在1 9 8 9 年研制的电流型m o s f e t 并联谐振型逆变电源水平达 到4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z 2 3 1 ，比利时i n d u c t oe l p h i a c 公司生产的并联型m o s f e t 逆变 电源水平达到1 0 0 0 k w 1 5 - - 一6 0 0 k h z 2 4 1 。美国t h e r m a t o o lc o r p 公司的并联型m o s f e t 感应加热电源则达到8 0 0 k w 1 0 0 8 0 0 k h z 。美国i n d u c t o r h e a t 公司的s t a t i t r o n 型 号m o s f e t 电源达到4 0 0 k h z ，最大功率2 m w 1 2 】。美国a m e r i t h e r m 2 5 】公司的产品功率 从i k w 到1 5 0 k w ，频率从5 k h z 到6 0 m h z 。该公司的n o v as t a r 高频电源达 2 0 k w 4 8 5 k h z ，还可以通过r s - - 4 8 5 等通信协议进行计算机远程控制【1 0 】。 1 2 2 国内感应加热电源的发展现状 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中。6 0 年代末开始 研制晶闸管中频电源。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2 6 1 。 1 9 7 0 年浙大研制成功国内第一台l o o k w l k h z 的感应加热电源。在八十年代， 6 华北电力大学博士学位论文 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，采用时间分割电 路研制了的晶闸管超音频电源1 2 6 。从九十年代开始，国内开始采用i g b t 研发超音 频电源，1 9 9 5 年浙江大学研发完成了3 0 k w 5 0 k h z 的i g b t 超音频电源1 2 。1 9 9 6 年 北京有色金属研究总院和本溪高中频电源设备总厂共同研发完成了l o o k w 2 0 k h z 的 超音频电源产品，是国内较早的超音频感应加热电源产品【2 6 1 。目前国内的超音频电 源制造水平为1 0 0 0 k w 5 0 k h z ，与国外的水平相比仍有一定的距离。 在高频电源方面，主要发展的是全控型器件s i t 电源和m o s f e t 电源。通过技 术的引进，国内已有静电感应晶体管电源问世，9 0 年代初辽宁电子设备厂研发成功 8 0 k w 1 5 0 k h z 的s i t 高频感应加热电源i ，1 9 9 6 年天津高频设备厂和天津大学联合 开发出7 5 k w 2 0 0 k h z 的s i t 感应加热电源【2 3 2 9 1 。目前国内生产设备所需的i g b t 、s i t 等器件几乎全部依赖国外进口，这使得国产的i g b t 超音频电源、s i t 高频电源与传 统的电子管式感应加热设备相比，价格上要高出近一半，这在一定程度上，不利于 我国感应加热技术的提高。1 9 9 6 年浙江大学研发2 0 k w 3 0 0 k h z 的m o s f e t 高频电源 样机 3 0 】，2 0 0 2 年江南大学研发出l k w 2 m h z 的m o s f e t 超高频电源样机【3 1 1 ，2 0 0 6 年 华北电力大学研发2 0 0 k w 4 0 0 k h z 固态高频感应加热电源【3 2 1 ，2 0 0 8 年保定三伊天星 电气有限公司已研究出1 2 0 0 k w 2 5 0 k h z 的m o s f e t 高频电源，并投入市场应用，其 容量和频率已与国外先进水平相当，但是在设备的可靠性、成套设备的工艺设计与。 制造水准、控制水平等方面还存在一定的差距。近些年以来，国内外越来越多的科 研人员正致力于进一步改进完善感应加热理论、开拓感应加热技术的应用领域。随 着社会的发展进步和科学技术水平的不断提高，感应加热技术的应用，必将会呈现 出灿烂辉煌的前景。 1 3 高频感应加热电源研究热点 目前在大功率固态高频感应加热电源中，常采用a c d c a c 的电路拓扑结构【。 其中整流器、谐振逆变器、谐振槽路和控制电路是电源中最关键的4 个部分，国内 外学者对感应加热电源的研究也主要集中于这几个方面。 1 3 1 负载谐振拓扑结构 感应加热电源是通过负载感应线圈将能量传递给负载的，负载感应线圈可以等 效成电感和电阻组合的形式。等效的电感、电阻是感应器和负载耦合的结果，其值 受耦合程度的影响。一般把由负载感应线圈等效而成的电感、电阻以及谐振电容构 成的电路称为负载谐振电路1 3 3 , 3 4 】。常用的负载谐振电路有串联谐振电路和并联谐振 电路1 4 1 ，如图卜2 所示。 7 第一章引言 三 ， ( a ) l c 串联谐振电路 ( b ) l c 并联谐振电路 图1 - 2 常用负载谐振电路 图卜2 ( a ) 为l c 串联谐振电路，负载电感三、电阻，和谐振电容c 是串联连接。 于电感串联在谐振电路中，因此需要具有大电容滤波的恒压源型逆变器供电，构 电压型( 串联) 谐振逆变器。从串联谐振电路的等效阻抗可以看出，当工作在谐 频率处时，其输出等效阻抗最小，逆变器输出功率最大，逆变器输出电压电流同 位，逆变器功率器件的开关损耗最小，可以达到较高的开关频率。但实际在电压 逆变器工作时，功率器件需反并联快恢复二极管，为续流电流提供通路。为避免 变器的上、下桥臂功率器件同时导通，造成电源短路，逆变器换流需要一定的死 时间l l j 。为避免二极管反向恢复造成的浪涌电流和电压冲击，应使其工作于小感 性准谐振状态，此时功率器件为零电压开通( z v s ) ，非零电流关断。l c 串联谐振电 路结构简单，参数设计方便，控制原理清晰，但逆变器对负载短路保护相对困难f 3 5 1 。 图卜2 ( b ) 为l c 并联谐振电路，负载电感三、电阻，和谐振电容c 是并联连接。 由于电容并联在谐振电路中，因此需要具有大电感滤波的恒流源供电，构成电流型 ( 并联) 谐振逆变器。根据并联谐振电路的等效阻抗表达式，在谐振频率处，其输 出阻抗最大，逆变器输出功率也最大。电流型逆变器工作时，功率器件需串联同容 量快恢复二极管，承受谐振电路产生的反向电压，为避免滤波电抗上产生大的感生 电势，逆变器换流需要一定的重叠时间【l 】。在逆变器工作时，应使谐振逆变器工作 在容性准谐振状态，此时功率器件为零电流开通( z c s ) ，非零电压关断。l c 并联 谐振回路的结构简单、设计较为方便，可以通过选择合理的并联谐振电容的来实现 逆变器的负载匹配，但是逆变器对负载开路保护相对困难【3 6 , 3 7 1 。 厶 l = c i ， 1 i l c l = 三2 ， ( a ) l c c 串并联 ( b ) l l c 串并联( c ) c c l 串并联( d ) l c c l 串并联 图卜3 三阶和四阶谐振电路 8 j 4 j p 华北电力大学博士学位论文 随着感应加热电源技术的发展，人们对其负载谐振拓扑电路的研究由简单的二 阶电路，逐渐向三阶电路发展，现在较为常用的三阶谐振电路有l c c 串并联谐振电 路和l l c 串并联谐振电路，如图1 3 所示。 图卜