（电力电子与电力传动专业论文）基于uc3879的高频感应加热电源的设计.pdf

西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：b a s eo nu c 3 8 7 9h i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n g p o w e rs o u r c e sd e s i g n m a j o r = p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e n a m e = f e n g x u e s u p e r v i s o r = p r o f gu a n g z e n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： i nt h i sp a p e r , t h es 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 p p l yw a sm a i n l yd i s c u s s e d b y a n a l y z i n gi t sl o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n dp o w e rr e g u l a t i o ns c h e m e ，a ni n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r s u p p l ys t r u c t u r ew i t l lu n c o n t r o l l e dr e c t i f i e ra n dp h a s e - s h i f tp w mp o w e rr e g u l a t i o ns t r a t e g yw a s s e l e c t e d ，i nw h i c ht h ei n d u c t i v ep h a s e s h i f tp w mp o w e rr e g u l a t i o nm e t h o da n di t sa p p l i c a t i o n i nm o s f e tp o w e rs u p p l yw a sp a r t i c u l a r l ys t u d i e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp h a s e s h i f tp w m c o n t r o lm e t h o da n di t sf u l lb r i d g es o f ts w i t c hr e a l i z a t i o nw a sl u e u b r a t e d i nt h em e a n t i m e ， a i m i n ga tt h ec o m p l i c a t e dt i m e v a r i a n tp a r a m e t e ra n dn o n - l i n e a rs t r u c t u r eo ft h ei n d u c t i o n h e a t i n gp o w e rs u p p l y , t h ec l o s el o o ps i m u l i n km o d e lo fp h a s e - s h i f tp w m i n d u c t i o nh e a t i n g p o w e rs u p p l yw a se s t a b l i s h e d u n d e rm a t a l b s i m u l i n ke n v i r o n m e n t , a n dt h e s y s t e m s i m u l a t i o nr e s e a r c hw a si m p l e m e n t e dw i t ht h ee s t a b l i s h e dm o d e l i nt h e o r yo nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i s ，d e s i g n2 0 0w 10 0 k h zs e n t i m e n t a li n d u c t i o n h e a t i n gp h a s e - s h i f t i n g c i r c u i ta n dt h em a i np o w e rc o n t r o l c i r c u i t b yt h el e a r n i n ga n d u n d e r s t a n d i n go ft h ef u l lb r i d g es o f t s w i t c h i n gc o n t r o l l e ru c 3 8 7 9 ，an o v e lp h a s e s h i f t i n gt h e l o c k - i ni n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs h i f t - p h a s ep o w e rc o n t r o lm e t h o d ，t h a ti sp h a s e l o c k e dl o o p b a s e do nu c 3 8 7 9d e s i g nc i r c u i ta n dt h es h i f t p h a s ep o w e rc i r c u i tm a t c h i n gp r o g r a m d e s i g n a n dr e p e a ti t ss h o c ke x c i t o ns w e e ps w i t c h e df r o mt h es t a r t ，g r e a t l yi m p r o v i n gt h es u c c e s sr a t e o ft h es t a r t u pp o w e r a tt h es a m et i m eb u i l da2 0 0w 10 0 k h zp h a s e s h i f t i n gi n d u c t i o nh e a t i n g p o w e re x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，c o m p l e t e dac l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h ec o r r e c t n e s so ft h i st h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o n t r o lt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o g r a m k e yw 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 c e ；p s - p w m ；u c 3 8 7 9 ；p l l 独创性，声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明 本人所呈交的学位论文是我 ， 一 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。+ j 与我一同工作的同志对本文所研究的工 一 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 l 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 本 论文作者签名 ，i i 芝棒；月羔孓+ 日 学位论文使用授权声明 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，。即：1 ) ：已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布，( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 。( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名： 导师签名：强五。8 车1 3 月2 s 自 1 绪论 1 绪论 感应加热技术是一种先进的加热技术，它具有传统加热方法所不具备的优点因而在国 民经济和社会生活中获得了广泛的应用。此项技术的核心内容之一就是感应加热电源的研 制，电源的性能价格比直接决定了其获得应用的速度与广度，随着电力电子器件制造技术 及其装置控制技术的逐步成熟，以电力半导体器件为主要元件的固态电源的制造成本正在 迅速下降，不断提升其性能水平是这种新技术获得最大限度推广的重要条件。 1 1 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n 1 ： ( 1 ) j n 熟温度高，而且是非接触式加热； ( 2 ) 加热效率高，可以节能； ( 3 ) j n 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，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 ) 作业占地面积少，生产效率高； ( 9 ) 能加热形状复杂的工件； ( 1 0 ) t 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，已成为冶 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 感应加热基本原理 感应加热是利用电磁感应现象将电能转化为热能。在金 属的导体外面套上一个匝数为n l 的线圈，如图1 1 所示，当 交变电流i l 通入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通， 使感应圈中的工件受到电磁感应而产生感应电势p 。设工件的 等效匝数为n 2 2 1 。 则感应电势： e = 一2 警 ( 1 1 ) 图1 1 感应加热二理 如果磁通是交变的，设；ms i n 研，则： f 追1 - 11 1 1 ep n c l 印1 e0 f i n d u c t i 。n h e 砒i n g 西安理工大学硕士学位论文 口：一2 掌：一n 2 。旧彩c o s c o t ( 1 2 ) “l 有效值为： e = 4 4 4 f n 2 m ( 1 3 ) 感应电势e 在工件中产生感应电流厶使工件内部开始加热，其焦耳热为： q = 0 2 4 i ；r t( 1 4 ) 式中：厶一感应电流有效值( 安) ，尺工件电阻( 欧) ，卜时间( 秒) 。 这就是感应加热的原理。感应加热与其它的加热方式，如燃气加热、电阻炉加热 等不同，它把电能直接送到工件内部变成热能将工件加热，而其他的加热方式是先加 热工件表面，然后把热再传导加热内部。 金属中产生的功率为： p = e 1 c o s = 4 4 4 f n 2 m i c o s c d ( 1 5 ) 感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面大小、截面 形状等有关，还与工件本身的导电、导磁特性等有关。 在感应加热设备中存在着三个效应一集肤效应、邻近效应和圆环效应2 1 。 集肤效应：当交流电通过导体时，沿导体截面上的电流分布是不均匀的，最大电 流密度出现在导体的表面层，这种电流集聚的现象称为集肤效应。 邻近效应：当两根通有交流电的导体很近时，在互相影响下，两导体中的电流要 重新分布。当两导体的电流是反方向时，最大电流密度出现在两导体内侧；当两根导 体流的电流是同方向时，最大电流密度出现在两导体外侧，这种现象称为邻近效应。 圆环效应：若将交流电通过圆环形线圈时，最大电流密度出现在线圈导体的内侧， 这种现象称为圆环效应。 感应加热电源就是综合利用这三种效应的设备。在感应线圈中置以金属工件，感应线 圈两端加上交流电压，产生交流电流，在工件中产生感应电流i ：。此两电流方向相反， 情况与两根平行母线流过方向相反的电流相似。当电流和感应电流f ：相互靠拢时，线圈 和工件表现出邻近效应，结果，电流f 1 集聚在线圈的内侧表面，电流i ：聚集在工件的外表 面。这时线圈本身表现为圆环效应，而工件本身表现为集肤效应。 交变磁场在导体中感应出的电流亦称为涡流。工件中产生的涡流由于集肤效应，沿横 截面由表面至中心按指数规律衰减，工程上规定，当涡流强度从表面向内层降低到其数值 等于最大涡流强度的l i e ( 即3 6 8 ) ，该处到表面的距离称为电流透入深度。由于涡 流所产生的热量与涡流的平方成正比，因此由表面至芯部热量下降速度要比涡流下降速度 快的多，可以认为热量( 8 5 - 9 0 ) 集中在厚度为的薄层中。透入深度由下式确定： 厶= 0 2 p | 弘= 心p | 兀“q p r f ( m m )q 6 式中：p 一工件电阻率( q 所) ，几一真空磁导率，4 7 r 1 0 ( h i m ) ，一工件磁 2 l 绪论 导率( h m ) ，t 广工件相对磁导率，国一角频率( r a d s ) ，厂上频率( h z ) 。 将风和万的数值代入，即可得公式： a = 5 0 3 0 0 4 p u ，f ( m m ) ( 1 7 ) 从上式可以看出，当材料电阻率、相对磁导率给定后，透入深度仅与频率厂平方 根成反比，此工件的加热厚度可以方便的通过调节频率来加以控制。频率越高，工件的加 热厚度就越薄。这种性质在工业金属热处理方面获得了广泛的应用。 1 3 感应加热电源技术发展现状与趋势， 1 3 一感应加热电源技术发展现状 感应电源按频率范围可分为以下等级阳1 ：5 0 0 h z 以下为低频，l 1o k h z 为中频； 2 0 k h z 以上为超音频和高频。感应加热电源发展与电力电子器件的发展密切相关。1 9 7 0 年浙大研制成功国内第一台1 0 0 k w 1 0 k h z 晶闸管中频电源以来，国产k g p s 系列中频 电源已覆盖了中频机组的全部型号h 1 。在超音频电源方面，日本在1 9 8 6 年就利用s i t h 研制出1 0 0 k w 6 0 k h z 的超音频电源，此后日本和西班牙又在1 9 9 1 相继研制出 5 0 0 k w 5 0 k h z 和2 0 0 k w 5 0 k h z 的i g b t 超音频电源强1 。国内在超音频领域与国外还 有一定差距，但发展很快，1 9 9 5 年浙大研制出5 0 k w 5 0 k h z 的i g b t 超音频电源，北 京有色金属研究总院和本溪高频电源设备厂在1 9 9 6 年联合研制出1 0 0 k w 2 0 k h z 的 i g b t 电源。在高频这一频段可供选择的全控型器件只有静电感应晶体管( s i t h ) 和 功率场效应晶体管( m o s f e t ) ，前者是日本研制的3 k w - 2 0 0 k w ，2 0 k h z - 3 0 0 k h z 系 列高频电源，后者由欧美采用m o s f e t 研制成功输出频率为2 0 0 - - 一3 0 0 k h z ，输出功率 为1 0 0 - - 4 0 0 k w 的高频电源。与国外相比，国内半导体高频电源存在较大差距，铁岭 高频设备厂1 9 9 3 年研制成功8 0 k w 1 5 0 k h z 的s i t 高频电源，但由于s i t 很少进入国 际流通渠道，整机价格偏高，并没有投入商业运行。现在，电力电子应用国家工程中 心设计研制出了5 5 0 k w 1 0 0 “o o k h z 高频m o s f e t 逆变电源。上海宝钢1 4 2 0 冷轧 生产线于1 9 9 8 年引进了日本富士公司的7 1 - 8 0 k i - i z ，3 2 0 0 k w 高频感应加热电源，是 目前世界上投入运行的最为先进的感应加热电源拍1 。 总体说来，国内在感应加热电源的设计开发和产品化方面虽有发展，但远不能适 应我国工业发展的要求，对于应用范围越来越广泛的高频感应加热电源领域的研究尤 为薄弱，处于刚刚起步阶段。 1 3 2 感应加热电源技术发展趋势 感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展密切相关，随着功率器件的大容量 化、高频化带动感应加热电源的大容量化和高频化1 7 1 。 ( 1 ) 高频化、大容量化 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 西安理工大学硕士学位论文 频频段，由于s i t 存在高导通损耗等缺陷，主要发展m o s f e t 高频感应加热电源，因此 研究适合高频感应加热电源的调功控制方式，使感应加热电源朝着大容量化和高频化两者 相统一的方向发展，在这方面仍有许多应用基础技术需要进一步探讨8 。 ( 2 ) 感应加热电源控制的数字化、智能化 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 向数字化、智能化控制方向发展。尤其近年来随着数字信号处理器( d s p ) 技术的发展，使 感应加热电源的全数字控制成为现实，也使得一些先进的控制策略及控制算法应用于感应 加热电源的控制成为可能伯1 。 ( 3 ) 应用范围扩大化 钎焊及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采用感应加热方法，总之随着感应加热电 源的发展，其应用范围将越来越广泛。 ( 4 ) 高功率因数、低谐波电源 由于感应加热用电源一般功率都很大，因此对它的功率因数、谐波污染还没有严格 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( 采用大功率三相 功率因数校正技术) 低谐波无污染电源必将成为今后发展趋势。目前通过谐振技术降低器 件的开关损耗，同时采用频率跟踪技术使负载功率因数接近于1 。 1 4 本课题的意义、目的和任务 1 4 1 本课题的意义 中小功率的感应加热电源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，效费比较低。本文的立题就是为了针对这 种情况，试图找到一种区别以往的更简单实用的中小功率感应加热电源控制方法。 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。 4 1 绪论 1 4 2 本课题的目的和任务 本课题主要以串联谐振型高频感应加热电源为研究对象，研究其逆变调功控制方 法，重点研究感性移相式p w m 感应加热电源调功控制方式，并通过对感性移相式p w m 控 制方法的功率调节方式和电路的工作过程进行详细分析，建立移相式感应加热电源 s i m u l i n k 仿真模型。在理论分析的基础上，设计搭建1 0 0 k h z 2 0 0 w 感性移相式感应加热电 源主电路及控制电路，同时研究移相谐振全桥软开关控制器u c 3 8 7 9 应用于感性移相p w m 感应加热电源的可行性及实现方法，并设计感应加热电源锁相移相闭环控制系统。 本课题主要任务如下： ( 1 ) 分析比较感应加热电源拓扑及串联谐振感应加热电源调功方式，重点分析过零锁 相感性移相式p w m 控制方法的功率调节方式和调功特性。 ( 2 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立移相式感应加热电源系统仿真模型，进行系统 闭环控制仿真研究。 ( 3 ) 设计移相式感应加热电源的主电路及控制电路，通过对移相谐振全桥软开关控制 器u c 3 8 7 9 的了解和应用，设计一种简单易实现的移相式感应加热电源锁相移相闭环调功 控制方案。 ( 4 ) 搭建1 0 0 k h z 2 0 0 w 感性移相式感应加热电源系统实验平台，对本文所提出控制 方案进行实验验证，并对实验结果进行分析。 西安理工大学硕士学位论文 2 感应加热电源结构拓扑及控制方案 随着电力电子学及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 形成了一种固定的a c d c a c 变换形式，采用逆变调功的感应加热电源的基本结构如图 2 1 所示。包括整流环节( a c d c ) 、滤波器、逆变器( d c a c ) 、负载槽路和控制保护电路 组成。工作时，三相或单相的工频交流电经整流器整流并经滤波器滤波后成为平滑的直流 电，送入逆变器中，逆变器采用电力半导体器件作为开关器件，把直流变为所需频率的交 流电供给负载。感应加热电源的负载是感应线圈，可等效为电阻和电感的串联，因此功率 因数很低，为了提高功率因数，常采用联接电容器法以补偿无功功率。 图2 - 1 感应加热电源基本结构图 f i g 2 - 1t h et o p o l o g i c a lf u n d a m e n t a lo ft h ei 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 主电路拓扑结构分析 2 1 1t 串并联谐振逆变器分析 j 感应加热电源逆变电路根据补偿电容和感应加热线圈连接方式的不同可分为两种形 式：并联谐振式( 电流型) 逆变器和串联谐振式( 电压型) 逆变器。由m o s f e t 构成的电压型 串联谐振逆变器和电流型并联谐振逆变器的电路拓扑分别如图2 2 和2 3 所示1 1 0 。 a 串联谐振逆变器分析 图2 2 电压型串联谐振逆变器 f i g 2 2v o l t a g es o u r s es e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r 如图2 2 所示，以补偿电容和感应圈串联后作为逆变桥的负载，为串联谐振逆变器。 图中c 为补偿电容，r 、l 为包含负载在内的负载等值电阻和电感。串联谐振逆变器通常 需电压源供电，在感应加热中，电压源通常由整流器加一个大电容构成。由于电容值较大， 可以近似认为逆变器输入端电压固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在 逆变器的输出端得到交变的方波电压，其电压幅值取决于逆变器的输入端电压值，频率取 6 2 感应加热电源结构拓扑及方案研究 决于器件的开关频率。同时串联逆变器根据负载槽路电压电流相位关系可能工作于三种工 作状态下：谐振、感性和容性状态。 在串联逆变器中，为了避免开关器件因c d 的短路电流而损坏，在开关器件换流过程 中，上、下桥臂m o s f e t 必须遵守先关断后开通原则，即应留有死区时间f ，。 b 并联谐振逆变器分析 d 4 图2 3 电流型并联谐振逆变器 f i g 2 - 3c u r r e n ts o u r s ep a e m l lr e s o n a n ti n v e r t e r 如图2 3 所示，把补偿电容和负载线圈( l 和r ) 并联作为逆变桥的负载的逆变器，称 为并联谐振式逆变器。并联逆变器中的直流电源中串联了大电感l d ，因而负载电流是恒 定的，不受负载阻抗变化的影响。当负载功率因数不是1 时，负载的无功电压分量便会加 在开关器件上，为了避免m o s f e t 承受反向电压而损坏，必须用快速二极管与m o s f e t 串联。即使是采用m o s f e t 模块，由于其内部已有反并联快速二极管，m o s f e t 也不会 承受反电压，该串联快速二极管仍不能取消，否则便会因其反向电压造成的环流使器件过 电流损坏。根据负载槽路电压电流相位关系并联逆变器可能工作于三种工作状态下：谐振、 感性和容性状态。 由于大电感l d 的存在，为保持电流连续，在换流过程中，上、下桥臂m o s f e t 必 须遵守先开通后关断的原则，即应有一段重叠时间t ，。该换流重叠时间的长短与逆变器输 出配线电感密切相关，电感越大，时间就越长。 2 1 2 串并联谐振逆变器比较 串联谐振逆变器和并联谐振逆变器的差别，源于它们所用的振荡电路不同，前者是用 l 、r 和c 串联，后者是l 、r 和c 并联，由两种逆变器拓扑、电路特性及波形上分析， 两种电路具有对偶的性质，其各自的特点和区别为： ( 1 ) 并联逆变器的开关管承受反压比较大，采用自关断器件时，需对每个桥臂的开关 管串连同容量的快恢复二极管予以保护， 一 串联逆变器工作时，开关管受的反压小，大小仅仅是开关管反并联二极管的导通压降。 ( 2 ) 并联逆变器对槽路布线的要求较高。在实际应用中，从逆变器的输出端到负载电 路会有一段距离，这段引线存在着一定的电感。对于高频电源，由于它们对电路的分布参 数非常敏感，这段引线可能会改变电路的结构，影响逆变器的工作。 7 西安理工大学硕士学位论文 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影响负载回路中电感 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高频。 ( 3 ) 并联谐振逆变器的负载电路对电源呈现高阻抗，由电流源供电，而电流源通常是 由大电感来完成的。因此在逆变器发生故障短路时，由于大电感作用而限制电流增大，比 较容易实现保护。 串联谐振逆变器的负载电路对电源呈现低阻抗，由电压源供电，电压源通常由大电容 来实现。因此在逆变器发生故障短路时，由于电容电压不能突变，因此瞬间电流会很大， 可能会损坏器件，需外部的保护来切断驱动信号使器件关断。 ( 4 ) 并联谐振逆变器对负载电路的补偿电容的耐压要求不高，只要达到逆变器的输入 直流电压即可。 串联谐振逆变器对负载电路的补偿电容的耐压要求很高，通常电容两端的电压为逆变 器直流输入端电压的q 倍，而通常q 值都在3 以上，为了降低电容电压，通常需在串联 谐振逆变器的输出端接入高频变压器来降低电容电压耐压要求。 ( 5 ) 并联谐振逆变器的起动比较困难，需对滤波大电感预充电，故控制系统相对复杂。 并联谐振逆变器在起动前必须预先测定负载固有频率，然后将触发信号频率调整到与其近 似相等，才能起动。这一缺点限制了并联谐振逆变器用于频繁起动的场合。 串联谐振逆变器起动比较简单。可自激也可它激起动。它激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。 综合比较并联逆变器和串联逆变器的优缺点，考虑到该课题要实现10 0 k h z 2 0 0 w 高 频感应加热电源，故主电路拓扑采用串联谐振逆变器 t l l 。 2 2 串联谐振电路负载特性分析 图2 4 串联谐振电路负载等效电路 f i g 2 - 4e q u i v a l e n tc i r c i u to ft h es e r i e sr e s o n a n tl o a d 电压型串联谐振逆变器的结构如图2 2 所示，其串联谐振负载的等效电路如图2 4 所 示 1 2 1 。其中r 一等效负载回路电阻，c 一等效负载回路谐振电容，工一等效负载回路谐 振电感，u 聃、l 分别为输入电压和负载电流的有效值，串联谐振电路的负载阻抗z 为： 11 z = r + j 2 n f l 一二一= r + j ( r o l 一二) ( 2 1 ) j 2 2 0 r c r o c 、7 其中厂为负载工作频率，即逆变器的开关频率，缈为负载的工作角频率，串联谐振 8 2 感应加热电源结构拓扑及方案研究 电路得功率因数c o s # 为： c 0 s 归面赢赢 q 2 r 2 + ( 础一1 & 疋) 2 、。 当负载处在串联谐振状态时，即电路谐振时，输a e g 压, 观和负载电流o 同相位，即： 础一一1 ：0 ( 2 3 ) c o c 、7 因此负载谐振角频率c o o 和谐振角频率无分别为： 哝2 赢丘= 三忑1 ( 2 4 ) 谐振时输入阻抗z = r ，谐振时电流，o 为，。= u 胁r ，谐振时电路的功率因数c o s 矽= 1 ， 电容c 上的电压有效值和电感l 上的电压有效值分别为： 卟去l = 卷叫卅r 呲= 半 ( 2 5 ) 谐振时电路的输出功率为： 只玎州静2 肚譬= 扣咖 ( 2 6 ) 上式中q 为负载谐振品质因数： q = 警= 硒1 r c = 批c = 垡r = 壶 ( 2 7 )一 r2 识rv缈r c 。7 由此可知，串联谐振电路工作在谐振状态时，阻抗为纯阻抗，电源提供的功率全部为 有功功率，谐振电感的电压超前电流9 0 。，补偿电容电压滞后电流9 0 。，均为输入电压的 q 倍。由以上的分析可得其频率变化时阻抗的幅值特性和相角特性分别为： 粤= 扛虿而瓦砑= a r c t g q ( f f o l d ( 2 8 ) 负载电流的频率特性可用下式表示： 卜街2 警南2 丽意暑希 亿9 ， 忙雨2 i 雨2 而冢万雳丽 侣，) 由式( 2 8 ) 可得出串联谐振感应加热电源负载阻抗在不同的q 值时幅频特性和负载阻 抗的相频特性分别如图2 - 5 中的( a ) 、( b ) 所示。 从负载阻抗的幅频特性可以看出，当= 工时：负载阻抗最小l z i = r ，妒= 0 ；当f 工 时：负载呈感性，频率越大感抗越大；当f 无时：负载呈容性，频率越小，容抗越大。 由阻抗的相频特性可见，当q 值较大时，负载谐振频率的变化可引起负载阻抗和相位急 剧变化，很小的偏频就可以实现功率调节，然而q 较大时，对谐振补偿电容的耐压要求 较高，当q 值较小时，负载谐振频率的变化对负载阻抗和相角的影响比较平缓。 9 西安理工大学硕士学位论文 ( a ) 阻抗幅频特性( b ) 阻抗相频特性 图2 5 串联谐振电路负载频率特性 f i g 2 - 5f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co fs e r i e sr e s o n a n tc i r c u i t 2 3 串联谐振感应加热电源调功控制方案分析 在感应加热过程中，由于负载等效参数会随温度而变化以及加热工艺的需要，感应加 热电源应具有对负载功率调节功能。根据电压型逆变器功率调节方式的不同，系统的调功 方式总体上可分为直流调功和逆变调功两种。 2 3 1 直流调功 直流调功也叫调压调功( p a m ) ，它是通过调节整流电路输出电压的大小来调整负载功 率，负载通过锁相保证工作在谐振或者接近谐振的工作频率处。常用的直流调功的方法有 两种，一种是采用三相不控整流加斩波调压调功，另一种是采用三相全控桥整流调压调功。 a 直流斩波调压调功 图2 - 6 不控整流加斩波调功主电路图 f i g 2 - 6 m a i nc i r c i u to f f u l lc o n t r o l l e dr e e t i f e rp o w e rm o d u l a t i o n 图2 - 6 是不控整流加斩波调功的主电路图。斩波调压方式主要采用不控整流加d c d c 变换来改变整流输出电压值。这种方式具有网侧功率因数高，电压动态响应快，保护容易 等优点。但是由于直流变换环节的加入，电源的整机效率和可靠性将会降低。 1 0 2 感应加热电源结构拓扑及方案研究 b 三相全控整流调压调功 图2 - 6 全控整流调功主电路图 f i g 2 7m a i nc i r c i u to ff u l lc o n t r o l l e dr e c t i f e rp o w e rm o d u l a t i o n 图2 - 7 是相控整流调压调功的主电路图，相控整流方式采用可控( 或半控) 器件进行可 控整流，通过调节晶闸管导通角的不同而得到幅值大小变化的直流输出电压供给逆变环 节，从而改变逆变器输出功率。三相桥式全控整流电路的输出电压为： u d = 2 3 4 u 2 c o s o f _ ( 2 1 0 ) 式中u d 输出直流电压平均值 u 2 电网相电压 口触发移相角 这种方式电路简单成熟，控制方便。主要缺点是在深控下网侧功率因数低，动态响 应慢，换流过程中电流容易出现畸变。 2 3 2 逆变调功 逆变调功是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。常见的逆变调功方法主要有脉冲密度调制 ( p d m ) 、脉冲频率调制法( p f l v 0 和脉冲宽度调制法( p w m ) 等 l 4 i 。 a 脉冲密度调制法( e d m ) p d m 调制方法是通过控制脉冲密度，实际上就是控制向负载馈送能量的时间来控制 输出功率。其控制原理图如图2 7 所示。 k 八八八八八厂、厂、。 vvvvvvv 7 厂 厂 厂 广 厂 厂、 uu _ 一_ _ u 叫7 l 厂、厂、八厂、厂、厂。 vvvv vvv 7 厂 厂 n。 uuuu m + _ 一7 l 、1 ( a ) n 个调功单位全部工作( b ) n 个调功单位全部工作 图2 - 8 p d m 控制原理图 f i g 2 8t h e o r yd i a g r a mo fp d mc o n t r o l 这种控制方法的基本思路是：假设在某时段内总共有n 个功率输出单位，在其m 个 西安理工大学硕士学位论文 功率输出单位里逆变器向负载输出功率；而剩下的( n m ) 个单位内逆变器不工作，负载能 量以自然振荡的形式逐渐衰减。从而通过改变脉冲密度就可以改变输出功率。 p d m 方法的主要优点是：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，比较适合于开环工作场合。 p d m 方法的主要缺点是：逆变器输出电压的频率不完全等于负载的自然谐振频率， 而在要功率闭环的场合中，工作稳定性较差。由一于每次从自然衰减振荡状态恢复到输出 功率状态时要重新锁定工作频率，这时系统可能会失控。因此在功率闭环场合，工作的稳 定性不好。p d m 方法的另一个缺点就是功率调节不理想，呈有级调功方式。 b 脉冲频率调制法( p f m ) 脉冲频率调制方法是通过改变逆变器的工作频率，从而改变负载输出阻抗即改变负载 的功率因数角，从而达到调节输出功率的目的。 由2 2 节的分析可知，串联谐振负载阻抗功率因数角随着逆变器的工作频率f 的变化 而变化。所以改变逆变器的工作频率可改变负载的功率因数角矽，而通过调节负载的功率 因数角可调节输出功率。p f m 工作方式下的输出功率可用下式来表示： 纠笼) 丽4 u m ) c 0 啦等c o s 2 ( 2 1 1 ) = a r c t g q 瓦c o c 缈o o ) ( 2 1 2 ) p f m 方式最大优点是简化了设备，降低了成本，调频部分实现起来较方便，该方法 的主要缺点：是工作频率在功率调节过程中不断变化，导致集肤深度也随之而改变，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的影响，这在要求严 格的应用场合中是不允许的。但是由于p f m 控制方法实现起来非常简单，在以下情况中 可以考虑使用它：1 ) 如果负载对工作频率范围没有严格限制，相位差可以存在而不必处 于近谐振工作状态，可以采用p f m 方法；2 ) 如果负载的q 值较高，或者功率调节范围 不是很大，则较小的频率偏差就可以达到调功的要求。 c 脉冲宽度调制法( p w m ) 该方法通常采用不控整流桥和电容为逆变桥提供稳定的自流输入电压，网侧功率因数 比调压控制高。同时采用负载频率跟踪技术，使电流过零信号与基准桥臂驱动信号同步， 通过调节逆变桥移相桥臂驱动信号与基准桥臂的驱动信号之间的移相角，使得负载输出 的正负交替电压之间插入一个零电压区来改变输出电压脉宽，从而调节基波电压的幅值， 实现功率调节。这种控制方案在负载频率跟踪的同时会改变电路的工作频率，此时的频率 跟踪移相p w m 控制实际上是一种p f m & p w m 混合功率调节方案，只不过在调节过程中 频率变化不大 1 5 1 0 在这种控制方案下电路中的功率开关器件易实现z v s 或z c s 软开关， 减少了开关损耗和电磁干扰，克服了整流调功和p f m 调功的缺点，该方法功率调节范围 宽、速度快、功率因数高、一负载适应性好，是目前一种较好的控制方案。而根据输出电压 1 2 2 感应加热电源结构拓扑及方案研究 基波和输出电流的相位关系有三种移相p w m 调功方式： a 容性移相p w m 调功方式：输出电压基波相位滞后输出电流； b 谐振移相p w m 调功方式：输出电压基波相位与输出电流同相位。 c 感性移相p w m 调功方式：输出电压基波相位超前输出电流； 以下对上述三种移相p w m 调功控制方式特点及基本原理分别进行分析如下： ( 1 ) 容性移相p w m 调功方式 图2 - 9 串联谐振逆变器 f i g 2 9s e r i e sr e s o r l a r l ti n v e r t e r 图2 1 0 容性移相p w m 调功方式 f i g 2 10 c a p t i v ep h a s es h i f tp w m m e t h o d 保持定向臂驱动脉冲前沿与电流相位的固定关系，当移相臂滞后定向臂p 角的时候， 逆变器的开关频率始终低于负载谐振频率，电路工作在容性状态下，如图2 1 0 所示，输 出电压基波相位滞后输出电流，在这种方式下，反并联二极管d 1 ，d 2 不导通，但d 3 ， d 4 是在大电流下换流到q 4 、q 3 ，二极管关断时有较大反向恢复电流。开关器件q l ，q 2 各导通1 8 0 0 ，在零电流条件下开通和关断( z c s ) ，但q 3 ，q 4 在大电流下开通，通过在q 3 ， q 4 桥臂上串联电感可以实现z c s 。 这种方法适合用于有关断尾部电流、关断损耗占主导的双极性器件，如i g b t , s i t ， m c t 等。为了减小二极管反向恢复带来的电压尖峰，应该注意电路布局，减少分布电感。 ( 2 ) 谐振型移相p w m 调功方式 在这种控制方式下，不像其它两种方法一样保持定向臂和负载电流固定的相位关系， 而是采用定向臂和移相臂相对于负载电流相位同时移相p 角，逆变器的开关频率始终等于 负载谐振频率，如图2 - 1 1 所示，输出电压基波相位始终等于输出电流相位，在这种方式 下，q 1 、q 2 管是强迫开通，自然关断，通过在q 1 、q 2 上并联电容可实现z v s 。q 3 、 q 4 管是自然开通，强迫关断，在q 3 、q 4 臂上串联电感可实现z c s 。这种方法的优点是： 逆变器始终工作在负载谐振状态，负载侧功率因数高。其缺点是：在全功率调节范围内实 现所有器件的软开关比较困难，尤其是零电压臂。因此这种方法不适用于较大功率的感应 加热。 ( 3 ) 感性移相p w m 调功方式 1 3 西安理工大学硕士学位论文 图2 - 1 1 谐振型移相p w m 调功方式 f i g 2 11r e s o n a n tp h a s es h i f tc o n t r o lm e t h o d iiil ：? 厂r l l 7 飞洒。4 矿1 r u ： “一陡 t 5 t 6 、，。 图2 1 2 感性移相p w m 调功方式 f i g 2 12i n d u c t i v ep h a s es h i f tc o n t r o lm e t h o d 保持定向臂驱动脉冲前沿与电流相位的固定关系，当移相臂始终超前定向臂角的时 候，逆变器的开关频率始终高于负载谐振频率，电路工作在感性移相状态下，如图2 - 1 2 所示，输出电压基波相位超前输出电流，在这种方式下，反并联二极管d 1 ，d 2 不导通， d 3 ，d 4 均自然过零关断，没有二极管反向恢复所带来的问题。开关器件q 1 ，q 2 各导通 18 0 。，在零电流条件下开通和关断( z c s ) ，但q 3 ，q 4 在大电流下关断，可以通过在q 3 ，q 4 上并联电容即可实现z v s 。 因此这种方法适用于高频电源，以及器件体内反并联二极管反向恢复问题比较严重的 器件，例如m o s f e t 等，可避免二极管反向恢复所带来的电流尖峰和器件的损耗增加。 由于本课题针对1 0 0 k h z 高频感应加热电源的应用，所以采用m o s f e t 为主功率器 件，功率m o s f e t 是单极型器件，关断时没有拖尾现象，关断速度快、损耗小，但存在 反并联= 极管恢复问题，容性及谐振型移相调功方式下均存在反并联二极管的反向恢复问 题，不适合于功率m o s f e t 单极型器件。所以本文采用感性移相p w m 调功控制方式。 2 4 感性移相p w m 调功控制技术分析 2 4 1 感性移相p w m 调功方式分析 由上一节分析可知，当