（电力电子与电力传动专业论文）超音频感应加热电源的研究.pdf

1 1 1 1 1 1 1 1 1 眦 y 17 3 8 6 3 2 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 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。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：弓俑试、 沙p 年歹月f 罗日 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： 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； 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，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： ， 仞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：孙试导师签名：陟圳妒，口年月巧日 超音频感应加热电源的研究 摘要 感应加热技术以其优越的性能在国民经济的各行各业中得到了广泛的 应用，本文针对中小功率的应用场合，以串联谐振作为电路拓扑结构，研 制了一台3 0 k h z j 2 k w 的超音频感应加热电源样机。 论文首先简要介绍了感应加热技术的基础知识、发展历程和现阶段的 研究热点。在对比分析了串联谐振和并联谐振优缺点的基础上，采用串联 谐振的电路结构并对其阻抗特性、换流方式、调功方式进行了具体分析， 确定了感性换流方式、脉冲频率调制( p f m ) 为本文的方案。 对p f m 调功原理进行了详细探讨，采用把逆变器限制在弱感性准谐振 状态的限相策略，通过采样逆变器输出电流来实现功率的闭环调节，从而 构成了本文两个单闭环的控制系统，并就限相策略的具体实现进行了阐述。 在理论分析的基础上，完成了主电路、驱动电路参数的计算和器件的选型， 重点介绍了功率变压器的设计，设计了以锁相环h e f 4 0 4 6 b 为核心、包括 调功电路、电流调节器、相位限制电路的控制电路，最后简单介绍了保护 电路。 根据计算的参数完成了实验样机的研制，实验调试结果表明：四个开 关管均实现了零电压开通( z v s ) ，有效地减少了开关损耗，电流调节器功 率闭环正常工作，限相环节亦可把逆变器很好地限制在弱感性的准谐振状 态，实验达到了预期的效果。 关键词：感应加热串联谐振限相策略锁相环电流调节器 r e s e a r c ho ns u p e r - a u d i o - f r e q u e n c y i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y a b s t r a c t i n d u c t i o nh e a t i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di na l lw a l k so fl i f ei n t h en a t i o n a le c o n o m yw i t hi t ss u p e r i o rp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , w i t has e r i e s r e s o n a n tc i r c u i t t o p o l o g y , a 30 k h z j 2 k w s u p e r - a u d i o 一1 j r e q u e n c y i n d u c t i o n h e a t i n gp o w e rs u p p l yp r o t o t y p ei sd e v e l o p e df o r s m a l la n dm e d i u mp o w e r a p p l i c a t i o n s f i r s t l y , t h eb a s i c so fi n d u c t i o nh e a t i n gt e c h n o l o g y , d e v e l o p m e n tp r o c e s s a n dt h er e s e a r c hf o c u sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d b a s e do nt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i s o ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e r i e sr e s o n a n c ea n dp a r a l l e lr e s o n a n c e ， t h es e r i e sr e s o n a n tc k c u ks t r u c t u r ei sa d o p t e d ，a n di t si m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ， c o n v e r t e rm o d ea n dp o w e ra d j u s t m e n ta r ea n a l y z e di nd e t a i l s w i t c h i n ga t i n d u c t i v es t a t ea n dp u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ( p f m ) f o rp o w e ra d j u s t m e n ta r e d e t e r m i n e da st h ep r o j e c to ft h i sp a p e r s e c o n d l y t h ep r i n c i p l eo fp f mp o w e ra d j u s t m e n ti sd i s c u s s e di nd e t a i l a p h a s e - l i m i t e ds t r a t e g y i s a d o p t e dt o l i m i tt h ei n v e r t e ra tw e a k - i n d u c t i v e q u a s i r e s o n a n ts t a t e ，a n dt h eo u t p u tc u r r e n to f t h ei n v e r t e ri ss a m p l e dt oa c h i e v e c l o s e d l o o pp o w e ra d j u s t m e n t ，w h i c hc o n s t i t u t e t h et w os i n g l e c l o s e d l o o p c o n t r o ls y s t e m so ft h i sp a p e r t h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o no fp h a s e l i m i t e d s t r a t e g yi sd e s c r i b e d b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，p a r a m e t e rc a l c u l a t i o na n d d e v i c es e l e c t i o no fm a i nc i r c u i ta n dd r i v ec i r c u i ta r ec o m p l e t e d ，f o c u s i n go nt h e d e s i g no fp o w e rt r a n s f o r m e r t h ec o n t r o l c i r c u i tm a d eu pt h ec o r eb y p h a s e l o c k e dl o o ph e f 4 0 4 6 bi sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ep o w e ra d ju s t m e n t c i r c u i t ，c u r r e n tr e g u l a t o r , p h a s e l i m i t e dc i r c u i t f i n a l l yt h ep r o t e c t i o nc i r c u i ti s j u s ti n t r o d u c e db f i e f l y a ne x p e r i m e n t a l p r o t o t y p e i s c o m p l e t e da c c o r d i n g t ot h ec a l c u l a t e d p a r a m e t e r s t h ed e b u g g i n gr e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a t t h ef o u r s w i t c h e sc a na l la c h i e v ez e r ov o l t a g es w i t c h i n g ( z v s ) ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l y r e d u c et h e s w i t c h i n g l o s s t h ec u r r e n t r e g u l a t o r f o r c l o s e d l o o pp o w e r l t a d j u s t m e n t c a nw o r kn o r m a l l y , a n dt h ei n v e r t e rc a nb ew e l ll i m i t e da t w e a k i n d u c t i v e q u a s i r e s o n a n t s t a t e b y t h e p h a s e l i m i t e d c i r c u i t t h e e x p e r i m e n th a sa c h i e v e dt h ee x p e c t e dr e s u l t s 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 h a s e - l i m i t e ds t r a t e g y ； p h a s e - l o c k e dl o o p ；c u r r e n tr e g u l a t o r i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录 第一章绪论1 1 1 感应加热技术的基础知识1 1 1 1 感应加热的机理l 1 1 2 透入深度与工作频率。2 1 1 3 感应加热的特点与应用4 1 2 感应加热技术的发展与国内外研究状况4 1 2 1 电力电子器件的发展。4 1 2 2 感应加热技术国内外研究状况。5 1 3 现阶段感应加热技术的研究热点及存在的问题6 1 4 本文课题的主要工作8 第二章感应加热电源拓扑结构与方案的确定9 2 1 负载阻抗特性与谐振槽路。9 2 2 串联谐振电路特性分析。1 1 2 3 串联谐振逆变器的换流分析1 4 2 3 1 容性换流15 2 3 2 感性换流l6 2 3 3 两种换流状态的分析与开关管的选择1 7 2 4 功率调节方式与方案选择17 2 4 1 直流侧调功1 7 2 4 2 逆变侧调功18 2 4 3 本课题调功方案的选择1 8 2 5 本章小结1 9 第三章p f m 调功原理与闭环控制系统2 0 3 1p f m 调功原理具体分析。2 0 3 2 功率闭环控制系统。2 1 3 3 限相策略的分析2 1 3 3 1 异或门鉴相原理2 2 3 3 2 限相策略的实现2 3 i v 3 4 本章小结2 5 第四章p f m 感应加热电源的设计_ 2 6 4 1p f m 感应加热电源整体电路结构2 6 4 2p f m 感应加热电源主电路参数设计2 7 4 2 1 整流侧参数选择2 7 4 2 2 功率开关器件选择2 8 4 2 3 吸收电路的设计2 9 4 2 4 谐振槽路参数的设计3 0 4 2 5 感应线圈的设计3l 4 2 6 匹配变压器的设计3 2 4 2 7 电流互感器的设计3 4 4 3 驱动电路的设计3 5 4 4 控制电路的设计：3 7 4 4 1p f m 调功电路3 7 4 4 2 死区形成电路4 l 4 4 3 滞后9 0 0 电路。4 2 4 4 4 相位限制电路4 3 4 4 5 电流调节器4 4 4 5 保护电路的设计4 6 4 6 本章小结4 6 第五章实验结果与分析4 7 5 1 实验结果4 7 5 2 本章小结5 3 第六章总结与展望5 4 参考文献5 5 附录5 7 药c谢。5 9 在学期间发表的学术论文与研究成果。6 0 v 广西大学硕士学位论文超音频感应加热电源的研究 第一章绪论 1 1 感应加热技术的基础知识 1 1 1 感应加热的机理 交替变化的电流i 通过感应线圈( 加热线圈) 会产生交替变化的磁场，处于感应线 圈内的金属工件在交替变化磁场切割的作用下产生感应电动势，由于工件的电阻较小， 由此而产生的感应电流( 涡流) 就会变得很大，使工件在短时间内产生较大的热量而使 温度迅速升高，从而达到快速加热的目的，这便是现代感应加热技术的基本原理，其理 论基础是m i c h a e lf a r a d a y 提出的法拉第电磁感应定律【l 】和基于电流热效应的焦耳一楞次 定律，工作原理如图1 1 所示。 涡流感应线圈加热工件 图i i 感应加热原理 f i g 1 - 1t h ep r i n c i p l eo fi n d u c t i o nh e a t i n g 如图1 1 所示，根据电磁感应原理，交变的电流f 流进匝的感应线圈，会在线圈 的内部产生同样频率的交变磁通咖，在加热的金属工件上感应出电动势e ，其大小为： e ：一丝( 1 1 ) 班 当输入的电流按照正弦变化时，式( 1 1 ) 可表示为： p=一r掣=一堂单唑=一mc。scot(1-2)at a t 由此得出有效值为： e ：百n 妒c o ：哗：4 4 4 f n 妒( 1 - 3 ) 22 广西大学硕士掌位论文 超音频感应加热电源的研究 此感应电动势口会使工件内部产生感应电流( 涡流) 而使得工件发热，涡流越大， 由此产生的热量也就越大，加热效果越显著。由于涡流的大小与感应电动势e 的大小成 正比，增大感应电动势便可提高加热效果。由式( 1 3 ) 可以看出，感应电动势e 的大小与 交变电流的频率厂、线圈的匝数以及交变磁通咖有关。提高流入感应线圈交变电流的 工作频率、增加线圈的匝数和提高交变电流的大小( 交变磁通西也就越大) 均可提高加 热效果。在感应器( 感应线圈) 制作定型后，就只能通过改变电流的大小和频率来提高 加热效果了。虽然两种方法都可以达到同样的效果，但是提高频率在达到同样效果的同 时还可以减小流入感应线圈的电流，进而减小感应线圈上自身的发热损耗( 铜损) ，从 而提高设备的加热效率。此外，加热效果还与金属工件的材质、形状，环境的温度，感 应线圈的形状，线圈与金属工件的耦合程度等因素有关。对于钢、锡、钨这类相对磁导 率高的金属，加热速度就比较快，而对于纯铜、黄铜、铝这类相对磁导率低的金属则需 要更长的加热时间。 1 1 2 透入深度与工作频率 上面提到提高工作频率可以提高加热效果，但是频率也不是可以无限提高的，对于 感应加热想要有一个全面的理解，有必要对导体中高频电流分布不均匀现象加以认识。 导体中流过的电流会在导体周围产生磁场，对于直流电而言，其所产生的磁场是固 定不变的，不会对导体内部电流的分布情况造成影响，然而当流过的是交流电的时候， 其所产生的磁场是交替变化的，从而会引起导体内部电流的不均匀分布。最大电流密度 出现在导体表面，并由表面向中心呈指数规律衰减，而且电流频率越高，电流集中在表 面的程度就越明显，这种电流趋向于集中在导体表面的现象称为集肤效应f 2 】。在工程上， 一般规定当导体中电流密度衰减到其表面电流密度的1 e ( 也即0 3 6 8 ) 时，此处与表面 之间的距离称为电流的透入深度，记作6 ，而且大体上可以认为导体中电流就集中在6 内，其所产生的焦耳热也集中在这个深度内【3 1 。高频下，电流透入深度可由如下式子表 示： o 刮赤硼3 括 ( 1 川 式中， 6 ：电流透入深度，m ： p ：导体材料的电阻率，q m ； 心：真空磁导率，4 n ：x l o 。7 h m ； 以：导体材料的相对磁导率； 厂：电流频率，勉。 表1 1 列出了常见金属在不同频率下的电流透入深度。 2 广西大学硕士学位论文超音频感应加热电源的研究 表1 1 常见金属在不同频率下的电流透入深度( - g 位：m m ) t a b l el 一1c u r r e n tp e n e t r a t i o nd e p t h so f c o m m o nm e t a l sa td i f f e r e n tf r e q u e n c i e s ( u n i t ：m m ) 材料钢纯铜黄铜铝 2 02 02 02 0 温度( ) 1 0 0 08 5 08 0 05 0 0 4 2 1 9 3 l 1 8 51 2 3 5 0 h z 7 8 22 2 53 0 62 1 1 0 8 6 52 1 44 1 62 8 1 1 k i - i z 1 7 6 5 2 96 8 6 4 7 2 频0 2 7 50 6 6 71 3 20 8 8 6 率 l o k h z 5 5 11 5 82 1 71 4 9 0 0 8 6 50 2 1 4o 4 1 60 2 8 1 1 0 0 k h z 1 7 60 5 2 90 6 8 60 4 7 2 0 0 2 7 50 0 6 6 70 1 3 2 0 0 8 8 6 1 m h z 0 5 5 10 1 5 8o 2 1 70 1 4 9 从式( 1 4 ) 中可以看出，电流透入深度6 与电流频率厂成反比，电流频率越高，透入 深度越小，电流越集中在导体表面，热量越集中在导体表面。所以电流工作频率的选取 还需要根据所需要加热工件的性质，对于较大工件的透热加热，比如圆柱形的金属工件， 考虑到加热的均匀性，电流透入深度与工件直径的比值不能过小，也即电流频率不能过 高，否则表面的温度不能及时传递到工件中心而造成局部过热，反而影响加热效果；而 对于某些金属热处理的应用，比如淬火、表面热处理等，只需用把热量集中于工件的表 面，需要较高的工作频率以达到较小的透入深度，电流工作频率的适当提高有助于这些 工艺的实现。电流频率的选择一般遵循以下几个原贝l j t 4 ： ( 1 ) 大型工件电流频率的选择首要考虑的是透入式加热。电流透入深度大于工件 的尺寸时称为透入式加热，热能是由感应涡流产生的，反之称为热传导加热，电流透入 深度以外的区域靠热量传导。相比于热传导加热，透入式加热无论在温度分布均匀程度、 生产效率、热效率等方面都较为优异。对于圆柱形的工件，工件直径与透入深度的比值 在0 5 时的电流频率为最佳频率。 ( 2 ) 电流频率的选择其次要考虑的原则是感应器的电效率要高。在生产实践中， 工件的直径与电流透入深度的比值设定在4 ：1 左右时感应器的电效率较高。 ( 3 ) 电流频率的选择再次要考虑的是电流的频率必须有个下限，不能过低。电流 频率过低，就需要给感应线圈通以极大的电流才能达到加热效果，那么感应线圈上的热 量将会很大，需要更大的水冷装置，也容易损坏感应器。 ( 4 ) 此外，电流频率的选择还应当考虑到噪声、感应线圈相互间的电磁作用力以 及系统功率因数。在相同功率等级下，电流频率的提高有助于减弱感应器上相互间的电 磁作用力、振动以及噪声；但电流频率的增加会使得系统的功率因数降低。 3 广西大掌硕士掌位论文超音频感应加热电源的研究 1 1 3 感应加热的特点与应用 感应加热技术是一门多学科交叉的技术，从1 0 0 多年前的诞生发展到现在，取得了 令人瞩目的成就，以其无比优越的特点超越了常见的炉火加热、电热丝加热、微波加热、 远红外加热，广泛应用于现代工业的各个领域，成为推动国民经济快速发展不可或缺的 一部分。表1 2 和表1 3 分别列出了感应加热技术的优点5 l 及其应用领域【4 一。 表t 2 感应加热技术的优点 t a b l ei - 2t h ea d v a n t a g e so fi n d u c t i o nh e a t i n g 指标优点 加热方式非接触加热，感应器与被加热物体不接触，可实现局部加热 加热效率 可实现快速加热，加热时间可在数秒内完成 污染指数 采取电力作为能源，不像燃烧煤、油对环境污染严重，符合环保要求 加热温度加热温度高，并可实现精确控制，产品质量有保证 自动化程度引入自动控制和计算机技术可实现远程控制，自动化程度高 表1 3 感应加热技术的应用 t a b l e1 - 3t h ea p p l i c a t i o no fi n d u c t i o nh e a t i n g 应用部门典型用途 汽车制造业汽车零部件的淬火，主要代表有曲轴、凸轮轴、半轴、传动器轴等 冶金部门金属的熔炼、冶炼、提纯；金属材料的热处理；粉末金属烧结：焊管焊接 机器零件的淬火、退火、表面热处理，锻、轧、挤等压力加工，热装配，零件 机械加工 铸造、成型 输油管管道加热，石油工业用抽油杆、接箍部分的淬火；罐头容器封口，光纤 石油、轻工 一 拉晶 电子、线缆行业电子管制造中抽真空时的加热：线缆过塑前的预热 铁路、建筑行业钢轨淬火，机车零件淬火；预应力钢筋淬火、焊缝退火 普通家庭电磁炉、电磁热水器 1 2 感应加热技术的发展与国内外研究状况 1 2 1 电力电子器件的发展 现代电力电子技术的基础是电力电子器件的制造技术，没有电力电子器件，也就没 有电力电子技术。作为电力电子技术领域较为重要的感应加热技术，其发展历程也是与 电力电子器件的制造技术息息相关的，电力电子器件的每一次变革，都会推动电力电子 技术的飞速发展，也必然引起感应加热技术的巨大变革。因而要了解感应加热技术的发 展历程，也有必要对电力电子器件的发展加以认识。表1 4 以时间为纲对电力电子器件 的发展历程作了简单的归纳【7 1 。 4 广西大掌硕士掌位论文超音频感应加热电源的研究 表1 4 电力电子器件 亿山l el - 4p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s 时间器件特点 标志着电力电子技术的诞生，为半控型器件，所能承受的电压和 1 9 5 7 年晶闸管( s c r )电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，但由于不能自关断， 使得应用受到限制。后来出现门极可关断的晶闸管( g t o ) 。 1 9 世纪7 0 年电力晶体管中小功率范围内取代晶闸管，全控型器件：能承受高压大电流， 代 ( g t r ) 饱和压降低；但开关速度低，电流型驱动，且存在二次击穿问题。 1 9 世纪7 0 年 电力场效应管为全控型器件，目前为止仍然是高频段首选的电力电子器件；开 ( p o w e r 关速度较快，驱动功率较小，工作频率高，且不存在二次击穿问 代后期 m o s f e t ) 题；缺点是电压电流容量小，导通电阻大，适合用于小功率场合。 1 9 世纪8 0 年 绝缘栅极双极 结合了m o s f e t 和g t r 的优点，全控型器件，是现代电力电子技 型晶体管 术的主导器件；开关速度高，具有较大的电压电流容量，通态压 代后期降低，为电压型驱动；不足是开关速度不够m o s f e t 快，电流容 ( i g b t ) 量又不如s c r 。 此外，其他一些新型电力电子器件，例如m o s 控制晶闸管( m c t ) 、静电感应晶 体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 、集成门极换流晶闸管( i g c t ) 。自从2 0 世纪 8 0 年代中后期开始，电力电子器件正向着功率模块与功率集成电路的方向发展，将很多 个电力电子器件封装在一起做成一个模块，这对缩小整个装置体积，降低成本，提高可 靠性很有帮助；应用于高频还可极大减小引线电感，避免引线过长所带来的电压尖峰。 1 2 2 感应加热技术国内外研究状况 交t 感应加热从其诞生开始就在世界各国得以迅猛发展。最初的是工频感应炉，晶闸管 出现以后，在欧洲各国的努力下，感应加热开始由低频走向中频( 1 5 0 h z 1 0 k h z ) ，于 1 9 6 6 年由西德、瑞士成功研制了晶闸管中频装置【8 】；并在其后m o s f e t 、i g b t 等全控 型器件的推动下，逐步向超音频( 1 0 k h z l o o k h z ) 、高频( 1 0 0 k h z ) 大功率方向迅猛 发展。得益于资金和技术的优势，国外的感应加热制造商，特别是欧美和日本的公司， 他们的感应加热电源产品基本上代表了当今世界感应加热的最高水平，如表1 5 所示。 表1 5 世界各国感应加热发展水平 t a b l e1 5t h eg l o b a ld e v e l o p m e n to fi n d u c t i o nh e a t i n g 国家制造商频率功率器件 美国 i n d u c t o h e a t l 9 110 0 “ z 一8 0 0 i ( i z2 5 k w 一8 m wm o s f e t 5 k h z - - 4 8 5 k h zl k 、15 0 k wi g b t 、m o s f e t 美国 a m e f i t h e r r n p o 6 0 m h z4 k wm o s f e t 美国t h e r m a t o o l t l 1 1 l5 0 k h z 8 0 0 k h z5 0 k ， 2 m wm o s f e t 德国 e f d 1 2 13 0 0 l ( h z 一5 m h z1 2 0 k w l m wm o s f e t 比利时i n d u c t oe l p h i a c l l 3 il5 k h z 石0 0 l ( h z1 m wi g b t 、m o s f e t 日本 兴业【1 4 】 2 0 0 l ( h z - 一4 0 0 k h z3 0 0 k w 1m ws i t 5 广西大掌硕士学位论文超音频感应加热电源的研究 相比于国外而言，国内感应加热的发展则落后得多，不过在国家大力发展感应加热 技术的号召下，通过高校、研究院、企业的不断努力，也取得了不错的进展。有通过厂 家自身研究的，如株洲南方的几十千赫兹数百千瓦i g b t 串联谐振感应加热装置，北京 机电研究学院制作的五百千瓦i g b t 并联谐振感应加热装置【1 5 1 ，辽宁电子设备厂生产的 八十千瓦s i t 高频感应加热设备，天津高频设备厂研产的七十五千瓦s i t 高频感应加热 设备【1 6 】。有通过高校与研究院、企业合作研制的，如山东大学与奥太电气公司合作研制 的2 0 k h z 8 0 k h z 3 0 k wi g b t 数字化感应加热电源【f 7 1 ，天津大学与天津天高公司合作的 并联谐振固态高频i g b t 电源【1 8 】，华北电力大学替杭州电缆厂研制的3 0 k h z 1 0 0 k w 用 于1 1 0 k v 电缆生产的铜导体预热器【1 9 1 ，保定三伊天星协助华北电力大学研究的用于负 载匹配分析的系统【2 0 】，西安理工大学为上海宝钢实现关键部件国产化的富士公司产品 8 0 k h z 3 2 0 0 k w 感应加热电源【2 1 1 ，西安理工大学为美泰电气公司研究开发的 1 0 0 k h z 2 0 k wi g b t 感应加热电源【2 2 j ，广东恒新科技与哈尔滨理工大学合作研制的无线 控制感应加热电源四】，三伊电子协助浙江大学调试的用于双桥并联投切的感应加热电源 洲，华南理工大学为某包装厂家生产的5 0 0 k h z 2 k w 半桥型感应加热包装袋封1 2 1 机电源 嵋引，郑州大学为无锡天力公司生产制造的链销淬火用的1 m h z 5 k w 高频感应加热电源 睇o j ；企业与高校联手，有助于集资金和理论研究于一体，对提高感应加热研究水平、缩 短投入实际生产的周期是极其有效的，也是值得提倡的方式。还有的是高校自行研制的， 国内的众多高校，如清华大学、浙江大学、山东大学等都对感应加热技术进行了大量的 研究，也取得了不错的理论研究成果，其中江南大学研制的2 m h z 1 k we 类双m o s f e t 管高频感应加热电源的样机则代表了国内超高频感应加热的研究成果【2 7 】。 1 3 现阶段感应加热技术的研究热点及存在的问题 在国内外的共同努力下，感应加热从低频走向了高频、从小功率走向了大功率，随 着电力电子技术的发展和自动控制水平的提高，感应加热的研究领域也在不断地更新拓 宽，目前的研究热点集中在调功方式与控制方法、负载匹配与扩容技术、高频化与电磁 干扰( e m i ) 、感应线圈磁集中器等方面。 在调功方式与控制方法方面，除了常规的相控调功、移相调功之外，具有“绿色能 源”之称的三相电流型p w m 整流器的兴起 2 8 - - 3 0 ，使得低谐波、高功率因数成为了可能； 模糊控制器【3 l 】( f u z z yc o n t r o l l e r ) 的使用可以不依赖系统精确计算得出的数学模型而实 现闭环功率调节，使得输出功率可以不受电网电压波动影响并能随负载参数变化而自动 调整；复合脉冲密度调制( c p d m ) 的控制策略【3 2 】亦具有谐波小、输出功率因数接近1 的优点；采用负载自适应的移相p w m 控制策略【3 3 1 可以在较小的移相范围内实现输出功 率的连续调节，并始终使得开关器件处于软开关，有效地降低了器件的开关损耗；不对 称占空比( a s y m m e t r i c a ld u t yc y c l e ) 调制方案【蚓可以降低开关频率，减少开关损耗，提 6 广西大掌硕士掌位论文超音频感应加热电源的研究 高效率，这在中小功率低q 值的负载应用中是极其有效的；这些新型和优异的调功方式 和控制方法使得感应加热技术不断趋于完善和多样化，可针对不同的功率等级和应用场 合采取不同的控制方法。 感应加热的负载匹配一直是感应加热领域备受关注的话题，感应加热的负载一般都 是阻抗比较小的，为了在额定电压下实现额定的功率输出，提高设备的效率，就必须实 现负载的合理匹配，常常采取电磁耦合匹配和静电耦合匹配的方式。电磁耦合匹配，也 就是变压器匹配，对于高频大功率场合，磁芯上的损耗会变得非常大，变压器的设计成 为非常棘手的问题，也是现阶段变压器匹配不易突破的一个难点。静电耦合匹配则是在 常规l c 的基础上通过增加电感、电容的方法以实现负载阻抗匹配。目前研究较为热门 的是三阶元件的组合方式，常见的是l l c 结构【3 5 , 3 6 1 和c c l 结构【3 刀，即通过在常规l c 并联的基础上串联一个电感或者一个电容以代替变压器实现阻抗匹配，这样就可避免变 压器在高频下带来的诸多不利影响，是目前高频化较为优秀的负载匹配方案。但是这种 匹配方案有一个明显的缺点，那就是无法实现电气隔离，必须在工频交流侧增加工频隔 离变压器以达到安全要求，这样在大功率场合需要配备的工频变压器就会变得很大，这 就限制了应用范围。但是对于不需要电气隔离的高频大功率应用场合，l l c 结构的匹配 方式比较适合多台并联来实现扩容技术【3 8 】，而且用于实现阻抗匹配的电感_ 般都比较 小，可以采用空心电感来代替，进一步减少了高频化所带来的磁芯损耗，是未来超高频 超大功率感应加热电源较为理想的选择。 感应加热工作于高频下，原来不需要注意的一些寄生参数，例如直流母线的引线电 感、开关器件之间的布线电感、开关器件的寄生电容等会变得不容忽视。高频化直接带 来的是开关损耗的增加和功率器件的应力过大，过高的d d t 在引线电感作用下会引起 电压尖峰从而可能对器件造成损坏、过高的d u d t 不利于器件的开关轨迹，高频化的另 一个不利因素就是会使本来电磁干扰( e m i ) 就较为严重的电力电子装置所产生的e m i 加剧，达不到电磁兼容( e m c ) 的要求。如何分析和处理高频化所带来的影响和减少 e m i 是高频感应加热研究的热点，也是难点。目前扩频控制应用于感应加热降低e m i 已经取得了一些成效【3 9 】，但是还需要广大研究人员的深入研究。 感应线圈( 感应器) 在近年来也取得了不错的突破，特别是磁场集中器( m a g n e t i c f l u xc o n c e n t r a t o r s ) 的研制【加4 l 】，也就是在感应器上镶嵌导磁体，能聚集磁力线于工件， 集中能量实现精确加热，从而大大提高了感应器的加热效率，特别是对铜、铝这类相对 磁导率较低的金属，磁场集中器将有极大的用武之地。作为一种新型优异的感应器，磁 场集中器也越来越受到关注，目前还存在种类少、工艺复杂、成本高、频率适应性窄等 缺点，仍有待进一步的研究开发。 7 l 膏 厂西大掌硕士掌位论文 超- h 频感应加热电源的研究 1 4 本文课题的主要工作 本文针对中小功率的应用场合，以串联谐振感应加热电源作为论文的研究对象，在 比较分析了感应加热功率调节的各种调功方式的基础上采用了频率调制( p f m ) 的调功 方式，也即扫频调功，并采取相位限制的控制策略，研制了一台3 0 k h z 2 k w 的超音频 感应加热电源。论文在分析串联谐振工作原理以及负载阻抗特性的基础上，详细展开了 基于锁相环4 0 4 6 的p f m 调功方案以及相位限制电路的设计原理，对主电路和控制电路 参数进行具体计算，采用单面感光板自制了驱动电路和控制电路，并制作了实验样机， 最后给出了样机实验波形与实验结果分析。具体内容作如下安排： 第一章简要介绍了感应加热技术的特点、应用、发展以及国内外的研究现状，并就 现阶段研究的热点问题进行了归纳，最后引出本文课题的主要工作。 第二章对比分析了串联谐振和并联谐振的优缺点，确定串联谐振为本文课题的电路 拓扑结构，并就串联谐振的电路特性、换流情况、调功方式进行了详细的分析，敲定了 本文的具体方案。 第三章对p f m 调功方式进行了深入的分析，为了确保逆变器工作在弱感性状态而 采取限相策略，确立了本文的控制系统方案，并就限相策略的实现方式进行了理论探讨。 第四章为p f m 感应加热电源的硬件设计。详细介绍了主电路的各个参数计算和器 件选型，重点介绍了功率变压器的设计，采用分立元件自行设计了驱动电路，选择性地 介绍控制电路的设计，并简要分析了保护电路。 第五章为实验部分。采用单面感光板自制了驱动板和控制板，并搭建了实验样机。 通过实验调试，观察测量了关键点的电压电流波形，样机工作正常、稳定，实验达到了 预期的效果。 第六章为全文工作总结，指出不足以及展望下一步要进行的工作。 8 广西大学硕士学位论文超音频感应加热电源的研究 第二章感应加热电源拓扑结构与方案的确定 感应加热发展到今天，已经演绎出各式各样的拓扑结构，从单管、双管到经典的全 桥拓扑结构，每种结构拓扑都有着各自的特点与应用范围，但所有结构的最终目的都是 要在负载( 感应线圈与工件) 上输送高频大电流以达到快速加热的目的。各种结构拓扑 所组成的感应加热电源装置的常见结构框图如图2 1 所示。 图2 1 感应加热电源结构框图 f i g 2 - 1t h es t r u c t u r eo fi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y 其工作原理大致如下：市电经过整流装置( 可控整流或不可控整流) 与大电容滤波 变成直流电后给逆变器供电，经过逆变器再转变成高频的交流电输送给负载，本质上属 于a c d c - a c 组合变流电路。负载由感应器( 感应线圈) 与金属工件组成。 2 1 负载阻抗特性与谐振槽路 由感应线圈与工件构成的感应加热电源负载实际上是一个特殊的空心变压器，其原 边为感应线圈，副边为金属工件，且是单匝短路的，模型如图2 2 所示：厶为原边线圈 ( 感应线圈) 电感，墨为电阻；厶为副边线圈( 工件) 电感，恐为电阻；m 为互感。 m r 1 r 2 日 图2 2 负载变压器模型 f i g 2 - 2l o a dt r a n s f o r m e rm o d e l 9 广西大掌硕士掌位论文超音频感应加热电源的研究 为了方便分析，一般可以把负载等效为一个电感l 和一个电阻r 串联的简单电路形 式，如图2 3 所示。 ，m 古 图2 3 负载等效电路 f i g 2 - 3l o a de q u i v a l e n tc i r c u i t 负载阻抗特性为： z ( c o ) = c o l + r ( 2 1 ) 负载功率因数为： c o s t p = 丽r ( 2 - 2 ) 、代十p l j 对于中高频感应加热电源来说，其负载一般存在国三r ，也即会造成功率因数 c o s a p 较低，需要电源提供较大的无功能量。为了较有效地利用电源容量，必须提高功 率因数。一般都是采用增加补偿电容的方式来实现，根据补偿电容与感应线圈连接方式 的不同，可分为串联补偿和并联补偿，也就形成了两种基本的谐振电路形式：电压型串 联谐振电路和电流型并联谐振电路，而且中小功率场合的逆变器基本都是采取经典的全 桥逆变电路，如图2 4 和图2 5 所示。 图2 4 串联谐振逆变器 f i g 2 - 4s e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r 1 0 v d 4 g - 西大学司e 士掌位论文 超音频感应加热电源的研究 图2 5 并联谐振逆变器 f i g 2