（电气工程专业论文）10khz150kw中频感应加热电源的研究.pdf

沈阳工业人学硕：学位沦文 t h er e s e a r c ho n10 k h z 15 0 k w m i d - f r e q u e n c yh i g h p o w e r i n d u c t i o nh e a t e r a b s t r a c t m i d f r e q u e n c yh i g h - p o w e ri n d u c t i o nh e a t e r i sa p p l i e dw i d e l yi ni n d u s , ，s u c ha s r e f i n i n g ， c a s t i l 增，f o r g i n g ，d i a t h e r m y , q u e n c h i n g , w i n d i n g - p i p e ，s i n t e r i n g ，t h e m l o l i z e ，b r a z i n ga n dc r y s t a l g r o w t ha n ds oo h m e a n w h i l e ，w i t h t h e s p e c i a lh e a t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，r e s e a r c h i n g a n d d e v e l o p i n gt h ei n d u c t i o nh e a t e r , w h i c hc a l lo p e r a t ea b o v es o n i cf r e q u e n c ya n dh i g hp o w e r b e c o m e st h eo n eo f t h ef o c u so f r e s e a r c hw o r ki nt h i sf i e l d t h i sd i s s e r t a t i o ns t r e s s e so nt h e d e s i g n o ft h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i tf o r 1 0 k h z 1 5 0 k wi n d u c t i o n h e a t i n ga p p l i c a t i o n 1 1 1 eo l di n d u c t i o nh e a t e r , w i t ha na n a l o g ym e t h o d a n ds i l i c o nc o n t r o lt m i tw a sr e n o v a t e d b ym e a n so fm c u d s 8 0 c 3 2 0a n di g b td e v i c e s 1 1 1 e f o r m u l a et oc a l c u l a t ep a r a m e t e r so f m a i nc i r c u i ta r ed e r i v e d ，t h e e q n i v a l e mc i r c n i to f t h es y s t e m a n dt h ee q u i v a l e n tm o d e lo ft h el o a de s t a b l i s h e d ，t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h ec o n t r o l c i r c u i ta n a l y z e di nd e t a i lh e r e b a s e do nt h e r e q u e s to f t i e q u e n c yt r a c i n gf o rt h ev o l t a g es o u r c e d i n d u c t i o n h e a t i n gs u p p l ya n o v e lp h a s e s h i f ts t r a t e g yi sp r o p o s e di nt h e p a p e r d e s c r i b e s a 2 k i n do fp w mp f mh y b r i dc o n t r o lm e t h o df o rv o l t a g ef e ds e r i e sr e s o n a n c ei n d u c t i v e h e a t i n ga n dp r o v i d e s a i l e x p e r i m e n t a lc i r c u i t t b j sm e t h o d h a st h ea d v a n t a g e so fw i d ea r e a o f p o w e rm o d u l a t i o na n dl i t t l ec h a n g eo ff r e q u e n c y i ta d a p t st ot h ei n d u c t i v eh e a t i n go f m e d i a mp o w e ra n ds u p p l yf r e q u e n c y am e t h o df o ri m p l e m e n t a t i o nt h e d i g i t a lp h a s e l o c k e d l o o p ( d p l l ) a p p l i e dt o i n d u c t i o n h e a t i n gp o w e rs i m p l y i s p u t f o r w a r di nt h e p a p e r t h ep r o c e s so fi m p l e m e n t i n gt h i sm e t h o du s i n gd s p i sp r e s e n t e da l s o t h ef r e q u e n c y t r a c k i n gm e t h o db a s e do nd p l l p h a s ec o m p e n s a t i o nm e t h o da n ds t a r t i n go f t 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 a r e a n a l y z e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t sv e r i f yt h ec o l t e c t l l e s so f t h i sm e t h o d t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sn e w w a y s w i t ht h e p r o b l e m s l i k el l i 曲f r e q u e n c yo p e r a t i o n , n o l o a d m a t c h i n gt r a n s f o r m e r b yu s i n gs i m u l i n k 4 ，p r o d u c to f m a t l a b t h es i n m l a t i o nm o d e lo f t h ef r e q u e n c yi n d u c t i o n h e a t e rw h o s e p o w e ra d j u s t e db yb u c k c i r c u i ti ss e tu pa n dr e s u l t so f g e n e r a lc o n t r o ls t r a t e g ya r e p r e s e n t e d a sw e l la sm u l t i p l e f r e q u e n c yc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：i n d u c t i o n h e a t i n g ，s e r i e sr e s o n a n c e ，h y b r i dc o n t r o l ，d i g i t a lp h a s el o c k e dl o o p ( d p l l ) 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：导师签名： 一日期： 沈辫 | 业人学坝1 学位论文 l 感应加热电源的应用和研究 1 1 基本工作原理 感应加热是根据电磁感应原理，利用f ：件中涡流广：生的热量对工件进行加热的。感 应加热法的基本工作原理如图1 1 所示，电源向感应线圈通入交变电流i ，而产生一定 频率的交变磁通西，如式( 1 1 ) ；交变磁通驴在置于感应圈内的工件中产生感应电势 e 2 如式( 1 2 ) 及感应电流2 ：i 使得工件发热，产生发热功率p 。按这个原理进行的加 热叫感应加热，磁通西随时间t 按正弦规律变化，即： 金属l 一件 在工件中产生的感应电势 图1 1 感应加热基本原理 日譬中ms h l c o t 感应电势由 电流0 e 2 = 一s i n ( 阳2 ) ( 1 2 ) 感应电势的幅值为e e m = 口h0 9 = 2 m # m - 厂，为了提高感应加热的效率，要求e e m 尽可 能人。埔大电源通入感应线圈的电流i ，或者提高电源的频率厂都能使得e 2 m 增加。从 上述原理个难看出，在一定范围内： n 1 提高电源通入感应圈的电流i 。 ( 2 ) 提高电源的频率厂。 成为感应加热电源研究的方向和追求的必然。 沈mr 业人学坝卜学位论文 1 2 感应加热电源的特点和应用 感应加热是根据电磁感应原理，利用工件中涡流产生的热量对工件进行加热的。由 于感应加热效率高，速度快，可控性好，易于实现高温和局部加热，易于实现机械化和 自动化等优点，已在熔炼，铸造，弯管，热锻，焊接和表面热处理等行业得到广泛的应 用。在国外，感应加热技术己h 趋成熟口j 。在铸造方面，正在迅速发展双联熔炼二i ： 艺，即利用中频炉保温改性，进行球墨铁或合金钢的精密浇铸；在锻造方面，利用感应 加热实现快速透热热锻，其材料利用率可达8 5 ，锻件表面光洁度可小于5 0 t m ；在焊 接，淬火方面，圜外一方面致力于丌发大功率令固态高频电源，一方面致力丁开发高度 自动化的热处理成套处理系统。我幽铸件用量大，而铸造行业仍以冲天炉熔炼为主，温 度及成分波动大，废品率高。目前，我国较好的铸造_ k 废品率也在6 一1 5 间，而一 般铸造厂的废品率高达3 0 。随着我国电力供应的改善，环保要求的提高，发展和扩 大感应加热的规模，在大型企业推广双联熔炼： 艺，改造我国铸造行业足符合我国煤炭 资源丰富特点的一条有效途径吼这项改造工程不但涉及到保温炉的设计制造，双联熔 炼【：艺的最佳化控制系统设计，还涉及到大功率中频感应加热电源等【4 】。同样地，在锻 造，焊接，淬火热处理方面全面推广国外先进技术，改造我国传统产业是必然趋势。 近年来在某些高新技术的研究开发中也使用了感应加热。 ：述这些先进技术的推广 和发展均与感应加热电源技术的研究和发展密切相关。 1 3 感应加热电源的发展阶段 f 1 1 在5 0 年化前，感应加热电源主要有： 频感应熔炼炉，电磁倍频器，巾频发电 机组和电子管振荡器式高频电源。5 0 年代末可控硅的出现则标志着固态半导体器件为 核，t s , 的现代电力电子学的开始。硅晶闸管的出现推动了感应加热电源及应用的飞速发 展。至今，在中频( 5 0 0 h z 1 0 k h z ) 范围内，品闸管中频感应加热装置已完全取代了 传统的中频发电机组和电磁倍频器。在高频范围内由于晶闸管本身开关特性等参数的 限制，给研制该频段的电源带来了很大的技术难度，它必须通过改变电路拓扑结构才有 叮能实现。 ( 2 ) 7 0 年代末到8 0 年代初，现代半导体微机集成加1 技术与功率半导体技术的结 合，为丌发新型功率半导体器件提供了条件，相继出现了一大批全控型电力电子半导体 沈阳t 业人学预 。学位沦文 器件，极大地推动了电力电子学发展，为固态超音频，高频电源的研制提供了! 轻实的基 础i 引。 ( 3 ) 1 9 8 3 年i g b t 的问世进一步推动了感应加热电源的发展。i g b t 综合了m o s 和 双极晶体管的优点，具有通态压降低，丌关速度快，易驱动等优点，自1 9 8 8 年解决了 擎住问题后，大功率高速i g b t 已成为众多加热电源的首选器件，频率高达1 0 0 k h z ，功 率高达m w 级电源已可实现1 6 】。 ( 4 ) 在超高频( 1 0 0 k h z 以上) 频段，长期以来由电予管振荡式变换器产生。8 0 年 代兴起由大功率半导体开关器件为元件的逆变式高频感应加热电源。 1 4 国内外发展现状 在中频范围内，国外装置的最大容量已达到数十兆瓦。在高频( 1 0 0 k h z 以卜) 频 段内，目前国外正处于从传统的电子管电源向晶体管化全固态电源的过渡阶段，以模块 化，大容量化m o s f e t 、i g b t 功率器件为主。表1 i 列出了各国的发展水平。两班 表1 1 各国感应加热电源的发展水平 牙采用m o s f e t 的电流型感应加热电源制造水平达6 0 0 k w 4 0 0 k h z 。日本_ 主= 要以s i t 为 主，电源水平在8 0 年代末达到了t 0 0 0 k w 2 0 0 k h z ，4 0 0 k w 4 0 0 k h z 【，j 。 在中频范围内，国内已形成2 0 0 h z - 1 0 0 0 0 h z ，功率为1 0 0 k w - 3 0 0 0 k w 系列产品， 可以配备5 t 以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热，表面淬火等 热处理t 艺，尤其在废旧钢铁熔化及铸造上已经得到了普遍的应用。在高频( 1 0 0 k h z 以上) 频段内，国内浙江大学在9 0 年代研制成2 0 k w 3 0 0 k h zm o s f e t 商频电源，已被 沈| 5 门1 业人学颂 ：学位论文 成功应用于小型刀具的表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核试验中，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 zs i t 感应加热电源 8 】。总的米说，与国外 的水平相差很大。 1 5 影响感应加热电源发展的主要因素 ( 1 ) 感应加热电源的发展与电力电子器件的发展密切相关，而电力电子器件的发展又 是与半争俸微机集成加工技术与功率半导体技术分不开的。可控硅出现后，一代又一代 的电力半导体器件先后问世，性能不断改善，高耐压和高耐流，低损耗、高频率使得感 应加热电源的性能和实用性得到了体现。 f 2 ) r 狂片机、微型计算机技术和集成芯片技术的发展使得对感应加热电源的复杂控 制成为可能，体积和重量明显减小，功率 i ；：1 素提高了，功率控制调节方便、准确。 ( 3 ) 感应加热电源的发展离不开材料学的进步如磁性材料学。同时，一些相关的技 术如磁通集中器，感应线圈的材料和设计，绝缘技术，故障诊断技术和远程控制、智能 化技术等等也都影响其发展f 8 j 。可以说，感应加热电源的发展是诸多学科和综合技术共 同决定的。 1 6 感应加热电源的发展趋势 ( 1 ) 从电路的角度，感应加热电源的人容量化技术分两类：一是器件的串并联：二 是多台电源的串并联。在器件的串并联方式中，必须处理好串联器件的均压问题和并联 器件均流问题，由于器件制造工艺和参数的离散性，限制了器件的串并联数目，日装置 的可靠性和串并联数目成反比。多台电源的串并联技术是在器件串并联技术基础| 二迸一 步大容量化的有效手段，借助于可靠的电源串并联技术，在单机容量适当的情况下，可 简单地通过串并联运行方式得到大容量装置，每台单机只是装置的一个单元( 或一个 模块) 。 串联逆变器输出可等效为一低阻抗的电压源。当两电压源并联时，相互间的幅值， 相位和频率不同或波动时将导致很大的环流，以致逆变器件的电流产生严重不均。因 此，串联逆变器存在并机扩容困难；而对并联逆变器，逆变器输入端的直流大，电抗器 沈mt 业人学坝 学位论文 可充当各并联器之间的电流缓冲环节，使得输入端的a c d c 或d c d c 环节有足够的时 间来纠l f 直流电流的偏型9 1 0 j ，达到多机并联扩容。 ( 2 ) 目前，感应加热电源在中频段主要采用晶闸管，超音频段主要是i g b t ，而高频 段，随着m o s f e t 和i g b t 性能小断改进，s i t 将失去存在价值【】“。感应加热电源谐 振逆变器可实现软丌关，但由于通常功率较大，对功率器件，无源器件，电缆，卸线， 接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是高频电源【l “。因此，实现感应加热电源高频化 仍有许多应用基础技术需进一步探讨。 f 3 ) 感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它与钢铁，冶金和金 属热处理行业具有十分密切的联系，它的负载对象各式各样，而电源逆变器与负载足一 有机的整体，负载直接影响到电源的运行效率和可靠性。对焊接，表面热处理等负载， 一般采用匹配变压器连接电源和负载感应器，对高频，超音频电源用的匹配变t 一器要求 漏抗很小，如何实现匹配变压器的效率【1 2 1 ，从磁性材料选择到绕组的设计已成为一重 要课题 ”1 。另外，从电路拓扑上负载结构以二个无源元件代替原来的= 个无源元件，以 代替匹配变压器实现高效，低成本隔离匹配。 ( 4 ) 随着感应热处理生产线自动化程度及对电源高可靠性要求提高，感应加热电源 f 向智能化控制方向发展。具有计算机智能接 】、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嗣”j 。 ( 5 由于感应加热用电源一般功率都很大，目酊对它的功率因数，谐波污染指标还 没有具体要求【l s l 。但随着减少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) 及低谐波污染电源必将成为今后发展趋势。 f 6 ) 当今高新技术飞速发展，新搴孝料、新工艺不断涌现，感应加热是个重要的研 发f r i l l ：it 1 手段。因此，感应加热电源是某些高新技术研发中心不可缺少的装备。可以肯 定的说，随着科学技术的发展，感应加热电源在高新技术领域会有更广泛的应用”6 】。在 这领域，对感应加热电源的可靠性和可控性要求更高。如何设计制造大功率超高频、 高性能的感应加热电源，是电力电子科技工作者的重要课题。 1 7 课题的来源及意义 沈阳t 、l k 人学坝l 。学位论文 根据辽阳化纤公司机修厂目前生产多种。非标急需备件的实际需要，原有1 5 0 k w 2 5 k h z 中频加热设备已小能满足生产各种非标备件的要求。例如：在弯头的生产：中根据不 同材质的管材特点，为了提高产品的质量和减少废品，不同的材质采用不i 刊的工作频 率。根据生产实际经验，工作频率为1 0k h z 基本可以满足生产的实际需求。 如果1 0k h z 工作频率在原2 5k h z 中频加热设备上进行技术改造实现，这样不 但满足了生产的实际需要，减少了购置中频加热设备的投资，而且对中频加热设备 的技术改造及产品设讨+ 具有实际意义。 1 8 论文的目的和内容 论文的目的旨在设计制作1 0 k h z 1 5 0 k w 中频感应加热电源，研究其控制方法，并 对1 0 k h 1 5 0 k w 的高频感应加热电源样机进行实验分析，为以后研制大功率超音频感 应加热电源打下基础。 本论文的内容主要包括以下5 个韶分： ( 1 ) 分析感应加热电源的工作原理，对各阶段的工作模式进行描述，建立系统的等 效电路，负载的等效模型：分析控制电路的结构和原理。 ( 2 ) 分析感应加热电源的调功方法，并对几种方法进行了综合评价。 ( 3 1 描述了感应加热电源主电路的设计要点，推出主电路参数计算公式：对控制电 路进行设计和考虑。 ( 4 ) 设计并制作1 0 k h z j l 5 0 k wi g b t 斩波调功感应加热电源样机并测得波形。对整 流侧斩波控制、逆变侧锁相控制、桥臂开关器件的驱动电路都作了详细说明。 ( 5 ) 建立1 0 k h z 1 5 0 k w 的仿真模型并进行仿真分析，以便指导实际设计工作。 洗mt 业人学硕十。掌位论文 2 感应加热电源的结构及工作原理 2 1 感应加热电源的基本结构 随着电力电子学及功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，已形成一种固定的a c d c a c 变换形式，基本结构如图2 1 所示。 般由整流 器、滤波器、逆变器及一些控制和保护电路组成。存后文对各个部分将进行说明讲解。 根据逆变器的特点，感应加热逆变电源义分为串联谐振和并联谐振两种：串联谐振型电 门i 源逆变器和并联谐振型电流源逆变器”“。其主电路结构及工作波形如图2 2 所示。由 图2 1 感应加热电源的基本结构框图 于并联谐振型的感应加热电源易于实现保护，因此，并联谐振型电流源逆变器更优于串 联谐振型电压源逆变器。然而，在采用ig bt 的电流源逆变器中，由于存在一个一i 可 lj 一 l 1 n n 一 ，。，晶闸管便能可靠关断。由以上分析 可见，苷逆变电路工作在容性情况下，则可以利用自身负载电压关断退出导! 通的晶闸 管，即可以采用负载换流方式，不需要设置独立的换流电路，t 电路就简化了f l 。若 i g b t 感应加热电源采用容性方式，在臂问换流过程中，将会流过很大的开通电流，使 r 作条件恶化。为了避免产生这种现象，所以让电路工作在感性下。 2 3 控制电路的结构与原理 控制电路包括整流控制电路、逆变控制电路，保护电路等( 如图2 4 ) 。 图2 4 感应加热电源控制电路框图 霈2 u c 沈mt 业人学颂t 学位论文 整流控制电路的任务是根据各种输入信号( 给定，反馈，故障等) 综合情况发出宽 度合适的脉冲，以便输出合适的直流电压。感应加热电源主要用于工业快速，均匀加 热，特点是随着加热过程的进行，负载不断变化，负载的固有谐振频率变化，功率因数 变化。这些变化取决于负载的电气特性如导电性、渗透性、耦合系数和几何性质如形状 等等：同时，不同的负载需要的功率大小也不司，这样必须对逆变器的输出功率和频率 都做相应的调整 2 0 l 。也就是说，整流侧和逆变侧是协调工作的。在本课题中采用的是由 整流侧调箝功率，逆变侧进行频率跟踪方案f 2 ”。整流桥的控制一般用典型的不可控整流 ( 在不要求移相调节直流侧电压时) 或可控整流( 需要调节直流侧电压时) ，具体用哪 一种取决于控制策略。 逆变控制电路包括开关器件的驱动电路，死区形成电路，锁相环电路。其中，驱动 电路所产生的脉冲的次序和占空比由控制策略决定，硬件主要是由集成驱动模块及其一 些外围电路组成，也有用纯模拟电路搭成的，还可以是数字与模拟电路共同合成。死区 形成电路在串联谐振型中足必不可少的，有的集成驱动模块中含有该单元，在设计时就 可以省略；有的虽然含有一定的延迟环节，但时间太短( o hl o o n s ) ，需要另加延迟。 锁相环电路的目的是跟踪负载的谐振频窜，从而控制逆变电路的工作频率，这就是所谓 的锁相控制。一般采样电压取自负载电容两端，这是由于电容对高次谐波的阻抗小，其 端电压的高次谐波分量最小，基波分量最大。以此信号作为反馈，可有效降低高次谐波 的干扰，使系统能稳定地跟踪谐振频率厂，再加上适当的偏置电路，可以使得工作频率 略高于谐振频率。保护电路主要是防止过电流，短路保护。 2 4 调功控制策略 感应加热主要用于工业快速、均匀加热。特点是随着加热过程的进行，负载不 断变化，谐振频率变化，功率因数变化，质量因素变化，这样必须对逆变器的输出 功率和频率都做相应的调整。功率调节方式有三种：一是改变功率因数；二二是改变 直流电压：三是调频来调节输出功率2 舶。 2 4 1 改变功率因数调功 沈阳1 = 业人学顺l 学位论文 通过改变：f 作频率来改变功率凶数。通常，为减小器件开关损耗，工作频率应 大于谐振频率。若逆变器的工作电压不变，则在偕振点附近负载等效阻抗最低( o n 图 2 5 ) ，电流最大，因而输出功率也最大。 z 可 厂百_ 厂万 。 百 厂百1 。 图2 5 等效阻抗的频率特性图2 6 移相控制开关动作 当提高工作频率时阻抗也随之增大，电流减小，功率因数也减小，斟此输出功 率随之减小。由此可见，逆变器的输出功率可由工作频率来调节，特别当负载刚路 q 值较高时调节更灵敏。因此，直流端可为三相不控整流电源。逆变电路的工作频 率厂的大小由所需的功率要求决定。这种调功方法速度快2 ，整流电路简单。但是 当所需功率很小时，会让系统工作在，”重失谐的状态，无功损耗大。 2 ，4 。2 整流侧斩波调功 整流侧斩波调功的日的是改变直流端电压，调节输出到负载的能量，本文中采用的 就是这种方法。根据负载所需功率要求，通过斩波器的占空比来调节。在稳态运行过程 中，实时从谐振回路中反馈电流的变化，从而了解负载的变化，通过与基准值比较获得 占空比的大小硎。此方法控制简单方便，h 工作频率与谐振频率可以同步，功率因数 高，无功损耗小。 2 4 3 移相控制调功 移相调功是通过移相控制，即每个桥臂的两个f ：关管1 8 0 。互补导通，两个桥臂的导 通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小调节负载电压的宽度，从而调节 输出功率( 如图2 6 ) 。根据脉冲的作用先后可把桥臂分为超前臂( q 1 、q 3 ) 和滞后 沈阳工、大学硕 一学位论文 臂( q 2 、q 4 ) 。移相凋功时电路仍工作在谐振状态实现负载电压摹波分量j 负载电流 同相。在两桥臂丌关器件都关断时，由反并联二极管续流。 2 4 4 调频的方式来调节输出功率 目d 口扃频感应热处理电源采用桥式逆变电路，通过调频的方式来调节输出功率。为 了减小逆变管的丌关损耗，逆变器的工作频率大于其谐振频率。若逆变器的工作电压不 变则在谐振点附近的输出功率最大，当提高逆变器：e 作频率时，负载等效阻抗增高，输出 功率成小，输出功率因数很低，而且逆变器主开关管工作在硬开关状态，开关损耗大，效 率低。高频感应热处理逆变电源采用串联谐振式全桥d c a c 逆变电路，以i g b t 为主丌 关器件，由电流调节和功率调节组成双闭环的w p m 直流斩波器进行功率调节，用频率跟 踪电路控制逆变器的工作频率，使逆变器始终r 作二f 谐振状念，逆变器输出功率因数接近 丁1 ，而且i g b t 能始终工作在准零咆流丌关状态，整机工作效率较高。 沈阳t 业人学硕七学位沦文 3 感应加热电源的设计与参数计算 3 1 主电路设计 3 1 1 相控整流调压方式的缺点 相擦式低频整流电路是传统的直流端调压方式，它采用半控型元件作为功率开关， 用丰h 控方式实现调压、电源换流。这种电路的优点是主电路结构简单，控制方便。山于 使用较早，技术也很成熟，因而得到广泛应用。但也存在以下问题： ( 1 ) 深控下网侧功率因数降低；由定义，整流电路网侧功率因数 为： a ：= a c o s # ( 3 1 ) 式中：一整流电路入端电流波形畸变因数 庐，一网侧基波电压和电流的相位差 整流电路网侧功率因数与基波功率因数c o s # 。有关。由相控式整流电路分析可知， 在输出电流为连续并忽略换流过程影响的条件下，有： c o s # 5 ，= c o s o f ( 3 2 ) 式中：d 一整流电路滞后控制角。 上式( 3 2 ) 表明，网侧功率因数将随口而变化，在深控下，直流输出电压很低， 口很大，相应网侧功率因数很低。这意味着在输出有功功率降低的同时，整流电路每 相由电网吸取的感性基波无功功率却相应增大 2 4 1 。 ( 2 ) 由电网电流包含高次谐波所产生不良影响。高次谐波电流的存在，使电路产 生畸变功率d ，从f 面增加了电路的无功功率q 。因为电路中各种功率可分别表达为： 基波无功功率q 。= s ，s i n # ， ( 3 3 ) 基波视在功率一= u 。= 只2 + 9 l 2 ( 3 4 ) 总视在功率s = u i = u f 印+ ，：2 + + ，。2 ( 3 5 ) 畸变功率d = u l ，。2 + ，：2 + + ，。2 ( 3 6 ) 将式( 3 6 ) 、( 3 4 ) 代入( 3 5 ) ，有： s ：府：拓万：而：阿 ( 3 7 ) 式巾： q 一电路总无功功率 只摹波有功功率，只= p q = q ，2 + d 2 ( 3 8 ) 式( 3 8 ) 表明，由于畸变功率d 的存在，总无功功率增加，电流谐波含量越高， 增加量也越大。此外，谐波电流流经电网时，还会使阀间其他电磁性负载温升增高，影 响出力【2 5 】：也会通过辐射和感应等方式对其他设备和整流电路自身的控制电路产生干 扰。 ( 3 ) 由换流引起的电网电压波形畸变：相控整流电路可采用电源换流方式，无需 设置独立关断电路。因此，主电路结构简单。同时，由于采用k 述换流方式，导致叠流 期中电网电压畸变，后果不仅是整流电路自身性能受到不良影响，而且也降低了电网质 量，产生电网干扰，对同一接入点的网间其他用电设备带来不良影响。 3 1 2 整流电路的理想状态 a c d c 图3 1a c d c 变换电路的框图 我们希望整流电路的理想状态是这样的： ( 1 ) 网侧电压电流均为无畸变肛弦波，若入端电压为 “2 u s i n c o t( 3 9 ) 沈h 1r 业凡学硕1 学位论文 其中：6 0 一电网角频率。 则应有： i = f m s i n o ) t ( 3 1 0 ) ( 2 ) 网侧功率因数 = 1 ，这相当丁入端电平无畸变无相移，电网对整流电路只提 供有功功率； ( 3 ) 负载端电压“。= c o n s l ( 电压型) 或输出电流= c o n s l ( 电流型) ； ( 4 ) 能实现快速调节； ( 5 ) 有再生能力。 为实现上述要求，依靠传统的f c l 路，采用半控型元件、电源换流、低频开关方式和 相控方式是无法达到的。 3 1 3 接近理想的整流电路 我们以单相整流电路为例，假设电路内部无损耗。茸先我们根据能量平衡原则2 “， 按图3 1 所示物理量符号，有： “i = “。屯= u 。i 。 ( 3 1 1 ) 即输出电流f 。可表达为： t 户等 将( 3 9 和( 3 1 0 ) 代入上式，得 和訾s i n 2 耐= 1 0 - i o c o s 2 舻l ： 式中 。訾 i 。22 i 。c o s 2 0 9 t 上式表明，为了实现电压型整流电路的理想状态，输出电流为 含直流分量，。外尚包含二次谐波f 。，冈此出端功率瞬时值为： p o = “。= u 。厶( 1 一c o s 2 c a t ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 1 ( 3 1 4 ) 脉动波。其中除包 ( 3 】5 ) 沈 ；| = j r 业赶学坝j ：学位论文 平均功率 。导h 拈 ( 3 1 6 ) 电路模型如图3 2 ( a ) 所示。这与直流升压型电路很相似，只是为了适应电源“。的 交变性质，崩v o - 一v d 4 组成的单相仝桥电路代替。 ，o 。 v d 2 i 0 2 i 屯 王2 剖cd丽 - z 睡 = r1 ， c 2 = v d 4v i ) 3 z王2 v s b 、 a ) 二+ 立；- c ) m 图3 2 接近理想整流的模型电路 a ) n 删l g nb ) 等效电路c ) n r 处丁二断态等效电路d ) 4 f v md 4 导通( v d ，d 3 阻断) 等效电路 ( 1 ) 开关状态分析：全控型：元件采用斩控式，其斩波频率：_ 远高于电网频率 六，当处于通态时，其端压“。= o ，不控桥入端电流f ，= 0 ，v d l v d 4 处于断态，直 沈阳i 业大学硕l 学位论文 流输m 电压= u 。，负载中能量由支撑电容c j 维持，此时开关等效电路如图( b ) 。图中 v s 视为理想二极管。 当r 处丁断态，电源电压“。 o 时，有v d in 3 导通，“。= u 。= u 。i ，= j 。= i 。等 效电路如图( c ) 所示。 肖t 处于断态，电源电压“， 0 时，有v m i m 导通( v d id 3 阻断) ， “，= 一“。= 一u 。，i ，= i 。= 一i 。，等效电路如图 ) 所示。 当f 处于交替通断电源电压交替换向时，根据上述丌关状态，“，为： f + u 。( 一1 ，崂。，吃) “，= 0 ( f ，一眨) i 一 ，。( 吩，暖) ( 3 1 7 ) “。是一个以l ，为基本重复频率的单极性调制交变方波。方波幅值为u 。其大小取决 于t 的占窄比。毒( t 是k 导通持续期) o ( 2 ) 输出电流分析：l 。的端压“，为 对基波分量有 ( 3 1 8 ) u = ，砒。，= u 一u “ ( 3 1 9 ) 在考虑。之后，“。与“。不再同相，或者说，“，滞后于“。一个角度1 l r ，而角v 可 表达为： 矽= n r c t g 1 c o l _ , f l , = a r c t g 一 式巾，。和u 。是电网相电流和电压的方均根值，r 。为交流等效电阻。 根据电路无内耗的假定有： k s l i v = “，i ，= u 9 i ， ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 沈阳t 业人学硕t 。学位论文 i = 1 n m s i n c o t “，= u ，。s i n ( c o t 一妒) f 。：盟：丝- s l n i ( g o t - g t ) s i n 酬 。 u 。u 。1 1 7 = 等【c o s - c o s ( z 肼训 kc 。s y i1 一c o s ( 2 6 r t - t y ) l l c o s j 式中：k = 警 又 i 。= i i ，l入端电流f ，为： 。s 2 j ，。s o i n 删( ) ( f 0 f d ，) i ( 畔) ( f x 。时，j o 为欠补偿，当c x 0 3 。反之，u 。( f ) 为负，则2 梆) r o t 砖伽+ 1 ) 为o i + 1 ) - 弱( 一+ 2 ) 图4 6d p l l 原理说明 计数器0 在同步信号作用下，记录同步信号的周期与相位，周期记为丁w 廿) 。计数器1 相当于压控振荡器，其频率相位修f 后的锁相环实际输出信号的周期为h 力) 。在n 个周 期内计算出疋力) ，供第n + 1 个周期启动计数器1 。将目( 月) 定义为本周期的相位差，口( 7 ) 实际上是启动定时器t o ( 力+ 1 ) 与启动定时器及力) 的时间差。如果双) 滞后于t o ( 力+ 1 ) ， 则目( n ) 为负反之，则为正。于是有： 砸n ) = t ( 一1 ) 十目( 正) 一目( 刀一1 )( 4 7 ) 集成锁相环的调节包括频率修正和相位修正。在d p l l 中，将频率和相位分别加以 修正。引入按频率修正的变量t ( 门) ，在不考虑滤波作用时，将其修正为丁( 力声t o ( 力) 。引入r c 低通滤波器，将7 城力) 作为滤波器的输入，将r ( 力) 作为滤波器的输出，可 以写出离散化的表达式： 丁( n ) = a t ( 月一1 ) + o - a ) r o ( 刀) ( 4 8 ) 式中一滤波参数乒= r 仃s + r ) ， o a i 其中7 s 采样周期 r 时间常数，r = r c 在d p l l 算式中，仅考虑频率修正是不