（电力电子与电力传动专业论文）500kwigbt并联谐振感应加热电源研制.pdf

西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：t h er e s e a r c ho f5 0 0 k wl g b tp a r a l l e lr e s o n a n t i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yd e v i c e 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 ：p e n gw u s u p e r v i s o r ：p r o f s h o u z h il i s i g n a t u r e ：皑 s i g n a t u r e ：坐必 a b s t r a c t t h i st h e s i si sar e s e a r c hp r o j e c tc o o p e r a t e dw i t hs h a a n x im e it a ie l e c t r i c a lc o m p a n y i n t e r i o r l y , i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya n dh i g hf 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 i n gh a sd o n e m a n yr e s e a r c h e s ，b u tt h e r eh a sf e wr i p em a n u f a c t u r ea n di n d u s t r i a lb a c k g r o u n d i nc o n c l u s i o n ， i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yi nc h i n ai si n f e r i o rt oe x t e r n a lm a n u f a c t u r ea ta l lp o i n t s i nt h i st h e s i s ，p a r a l l e lr e s o n a n ti n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r s u p p l yi sm a i n l yd i s c u s s e d i g b t w a sa d o p t e di nm a i nc i r c u i t t h et h e o r yo fi n d u c t i o nh e a t i n ga n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fp a r a l l e l r e s o n a n tl o a dw e r ea n a l y z e d t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nd i r e c tc u r r e n tp o w e rr e g u l a t i o na n d i n v e r s i o np o w e rr e g u l a t i o nw e r ec o m p a r e d t h ep o w e r r e g u l a t i o no ft h r e e p h a s ef u l l b r i d g e c o n t r o l l e dr e c t i f i e rw a ss e l e c t e df i n a l l y m e a n w h i l e ，t h es i g n i f i c a n c eo f s u p e r p o s i t i o nt i m ew a s d e s c r i b e d i nt h i st h e s i s ，t h ec l o s el o o ps i m u l i n km o d e lo f1 0 k h z 5 0 0 k wp a r a l l e lr e s o n a n t i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l ys y s t e mw a se s t a b l i s h e da n dt h ew a v e f o r mo fd i r e c tc u r r e n t p o w e rr e g u l a t i o n ，p p la n di n v e r t e rs t a r t u pw e r ea n a l y z e d b a s e do nt h e s et h e o r i e s ，t h e c o n t r o l l e ro fi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yi sd e s i g n e db a s e do nd s pt m s 3 2 0 f 2 8 12 t h ef u l l d i g i t a lc o n t r o lo ft h ec l o s el o o ps y s t e mo fp o w e rr e g u l a t i o n ，p l ls y s t e m ，s u p e r p o s i t i o nt i m e a n di n v e r t e rs t a r t u pw e r es t u d i e dp r i m a r i l y o v e r v o l t a g e p r o t e c t i v ec i r c u i t ，o v e r - c u r r e n t p r o t e c t i v ec i r c u i t ，s a m p l i n gc i r c u i ta n dd e t e c t i n gc i r c u i tw a sd e s i g n e d e s p e c i a l l y , t h e s u p p r e s s a n tc i r c u i t h a sg i v e na n dd o n es o m es i m u l a t i o n t h i ss i m u l a t i o nc a n p r o v ei t s c o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t y , s op o w e rs u p p l ya n di g b tc a n o p e r a t er e l i a b l y f i n a l l y , c o n t r o l l e r h a db e e na d j u s t e dw i t hm a i nc i r c u i te s t a b l i s h e db yc o m p a n y i tc a n p r o v et h a tt h e s ec o n t r o l s c h e m e sa r ec o r r e c ta n df e a s i b l e k e yw o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ；p a r a l l e lr e s o n a t i o n ；d s p ；i g b t 2 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 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。与我一同工作的同志对本文所研究的工 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。 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 论文作者签名：遗墨亟2 噼弓月弓 日 学位论文使用授权声明 本人节b 蜀钓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：盛亟：导师签名：榔2 璐年3 月3f 日 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如：加热 效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化，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 课题背景 本课题是针对陕西美泰电气有限公司的一个开发研究项目。在国内，中频大功率感应 加热电源虽然有许多研究，但是在控制方式上与选取的功率元件上却有不同，特别是针对 d s p 控制与选取i g b t 作为功率元件的相关文献较少。数字化控制将是一种趋势，而i g b t 控制灵活，驱动简单，从而将逐步取代晶闸管，g t o 等元件。 在控制方法上，由于传统的感应加热电源控制系统采用分立元件构成，存在零漂和老 化等缺点，而随着数字集成芯片、单片机、d s p 、f p g a 等的出现，使得感应加热电源数 字化控制成为了一种趋势1 1 1 t z l l 3 1 。采用感应加热电源的数字化控制，不仅实现了一些较难 的、复杂的模拟控制，并且为先进的控制算法在控制系统中的应用提供了可能d 1 。本文就 是利用d s p1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 来进行数字化控制。 1 2 感应加热电源技术国内外现状与发展趋势 1 2 1 感应加热电源技术国内外现状 感应加热电源频率可分为三个等级：5 0 0 h z 以下为低频，1 1 0 k h z 为中频，2 0 1 0 0 k h z 为超音频，1 0 0 k h z 以上为高频。中频多用晶闸管但也有用i g b t ，迄今国外晶闸管中频感 应加热电源的最大容量己达上兆瓦级别，而国内也有2 0 0 h z 到8 k h z 、功率为1 0 0 到 3 0 0 0 k w 的生产能力； 2 0 世纪8 0 年代初，出现了全控器件。1 9 9 3 年西班牙报道了3 0 6 0 0 k w 5 0 - 1 0 0 k w 的 感应加热电源，1 9 9 4 年日本采用i g b t 研制了1 2 0 0 k w 5 0 k h z 的并联型感应加热电源h 1 ， 从9 0 年代初国内开始采用i g b t 研制超音频电源，浙江大学研制开发的5 0 k w 5 0 k h z l g b t 超音频电源已经通过浙江省技术鉴定1 ，2 0 0 3 年浙江大学三伊公司研制成功了 1 0 0 k w 1 0 0 k h z 的i g b t 固体电源；日本某些公司在8 0 年代末还采用s i t 研制的电源水平 达到1 0 0 k w 2 0 0 k h z ，4 0 0 k w 4 0 0 k h z “11 7 1 ，国内1 9 9 6 年天津高频设备厂和天津大学联 合研制开发出7 5 k w 2 0 0 k h z 的s i t 感应加热电源 e l i 比利时i n d m c t o e l p h i a c 公司生产的 电流型m o s f e t 感应加热电源可达1 0 0 0 k w 1 5 6 0 0 k h z d 1r i o | ，美国、西班牙和德国采用 西安理工大学硕士学位论文 m o s f e t 的电流型感应加热电源制造水平分别达6 0 0 k w 4 0 0 k h z ，4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z ，目 前国外最大容量已达几十兆瓦，国内浙江大学在9 0 年代研制成功了 2 0 k w | 3 0 0 k h z m o s f e t 高频电源。国内目前m o s f e t 电源制造水平为4 0 0 k w 俗0 0 k h z 。 我国感应加热电源半导体化是从晶闸管中频电源研制开始的。经过近3 0 年的发展， 迄今为止，用晶闸管中频电源代替中频机组的目标己基本实现，而i g b t 的迅速普及应用， 但由于起步较晚和各方面条件限制，其研制水平和国外还有较大差距，需要对其进行更深 入的研究。 1 2 2 感应加热电源技术发展趋势 a 、功率半导体器件的大容量化、高频化将带动感应加热电源的大容量化和高频化1 目前，感应加热电源在中频频段主要采用晶闸管或i g b t ，超音频频段主要采用i g b t ， 而高频频段，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 电源。感应加热电源 谐振逆变器中采用的功率器件利于实现软开关，但是，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、屏蔽等均有许多特殊要求，尤其是高频电源。因 此，实现感应加热电源高频化和大容量化仍有许多应用基础技术需进一步探讨。 b 、感应加热电源控制的数字化 随着感应加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 正向数字化控制方向发展。特别是近年来随着d s p 技术的发展，使得感应加热电源的全 数字化控制成为现实 3 1 0 c 、随着对整个电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数低谐波污染电源也将成 为今后发展的一个方向 由于感应加热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 。 d 、负载匹配 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是一有机的整 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压器要求漏抗很小，如 何实现匹配变压器的高输入效率，从磁性材料选择到绕组结构的设计已成为一个重要课 题，另外，从电路拓扑上负载结构以三个无源元件代替原来的二个无源元件以取消匹配变 压器，实现高效、低成本匹配。 2 1 绪论 1 3 本课题的主要目的和任务 本课题主要以并联谐振型感应加热电源为研究对象，分析了整流侧调功控制方法，采 用了三相全控整流感应加热电源调压调功控制方式，并通过对全控整流控制方法的功率调 节方式和电路的工作过程进行详细分析，建立了s i m u l i n k 仿真模型。同时针对感应加热 电源这个具有复杂的参数时变性，结构非线性的控制对象，进行了系统闭环控制的仿真研 究，在此基础上，设计了1 0 k h z 5 0 0 k w 并联谐振型感应加热电源的控制电路、检测电路 以及保护电路。特别是控制电路，主要设计基于d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) i 拘感应加热电源三相 整流数字触发、数字锁相、逆变启动以及重叠时间的调整。主电路以及驱动电路则和公司 合作完成。 本课题的主要任务： ( 1 ) 简要分析感应加热的原理，分析比较了两种感应加热电源的拓扑的优缺点和工作 原理，同时也比较了逆变调功和整流调功的优缺点，重点分析了三相全控整流调功方式和 调功特性。描述了重叠时间对逆变器的影响。 ( 2 ) 计算分析了整流侧和逆变侧的必要参数以及并联谐振槽路的参数。 ( 3 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立了1 0 k h z ，5 0 0 k w 并联谐振型感应加热系统的仿 真模型，对部分仿真波形进行了重点分析并得出结论。 ( 4 ) 研究设计了基于d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的感应加热电源全数字化启动、锁相、闭环 调功的控制系统以及整流侧晶闸管触发和相序判断。 ( 5 ) 设计了过压过流保护电路( 特别是过压保护) 以及外围采样电路、检测电路。 最后对实验结果进行分析。 3 西安理工大学硕士学位论文 2 感应加热电源方案选择 2 1感应加热的基本原理 感应加热是通过电磁感应原理即利用涡流对被加热对象进行加热的。其原理分析如图 2 - 1 所示。当感应线圈通入一个正弦交变电流f ，根据电磁感应定律在金属物体中产生按 照右手螺旋定则方向的磁通量“ 1 3 l 。 心蠛疆 疆物体 图2 - 1 感应加热原理图 f i g 2 - 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 如上图所示，当通入交变电流f = ls i nc o t ( 为分析方便，令f 为正弦电流，因为任意 交变电流都可通过傅立叶分析变为有限个正弦波叠加) 时，根据麦克斯韦电磁方程( 忽略边 缘效应) 有： 妒：比n - s i( 2 1 ) f 可知当处于磁导率恒定介质中磁通量与电流f 波形形状相同，即= 哦s i n t o t ，根据感 生电势p ；一盟有： d f e = ，z 叱t o c o s 耐( 2 2 ) 感生电势有效值e = 4 4 4 f 叱，感生电势的方向是绕圆心呈径向分布。从上述分析可知当 金属放入有交变电流通入的感应炉内时，将在金属内部感应电势e ，且由于金属内部电阻 引起电流i ，在金属内部产生功率尸。由于在加热过程中，随着温度升高，电磁物理过程 将变得非常复杂。由于存在金属磁导率、金属电阻r ，被加热金属形状以及边缘效应的 影响，故不能严格保证功率和输入电流频率、磁通的函数关系，只能大致给出变化趋势， 认为增大频率和磁通时，输出功率会增大。但是由于线圈内部磁场的建立几乎是瞬时的， 相对于常规加热方式其加热速度有很大的优势。因此尽管理论分析非常复杂，采用感应加 热替代常规加热方式进行金属热处理己经是一种趋势，当然，诸如设备复杂、成本高等问 题仍需要通过技术的逐步完善来普及感应加热电源的应用。 4 2 感应加热电源的结构 2 2 两种逆变器的拓扑结构 感应加热的负载即感应线圈可以看作一个变压器，其原边为感应线圈，副边为被加热 工件，如此就成了一个副边短路的特殊变压器。一般可以将感应加热工件和感应线圈用图 2 2 所示的电路等效，其中和尺分别为等效电抗和电阻，则其等效阻抗为z = r + j w l 。 广r 1 厂 i 。，一 图2 2 负载等效电路 f i g 2 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fl o a d 由此可以得知负载的功率因数： c o s9 = 了2 = = = = = = = = 。 尺2 + ( 以) 2 假设负载感应线圈中流过电流为，则其有功功率： 置= 1 2 r 无功功率为： q = 1 2 础 负载的品质因数为： q ；堕；丝；土 一 只rw r c 由此可以得知，品质因数q 与功率因数间关系为： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) c 0 s 驴4 丽1 ( 2 7 ) 一般的感应加热负载，其w l r ，即q 值比较大，因此功率因数很低，熔炼、透热、及 淬火等应用场合中的感应加热电源的功率因数一般为0 0 5 - - 一0 。5 。为了充分利用电源容量， 我们需要提高电源功率因数，在感应加热电源中都是用电容器来补偿无功功率，如此整个 负载回路就变成了由感应线圈等效负载和补偿电容器构成的谐振回路，根据补偿电容器与 负载及感应线圈的连接方式的不同，感应加热电源的逆变器可以分为电压型串联逆变器和 电流型并联逆变器两种典型的结构形式。 2 2 1 电流型并联全桥逆变器 其电路原理如图2 - 3 所示： 5 西安理工大学硕士学位论文 图2 - 3 电流型并联全桥逆变器 f i g 2 - 3c u r r e n ts o u r c ep a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e r 根据负载槽路电压电流相位关系的不同并联逆变器可能工作于三种状态下：谐振、 感性和容性状态n ，如图2 4 所示。 7 n 旷n & 么 7 夺历 ，尊世1 尸尸孓 _ 妒k 纠 v ( a ) 谐振 ( b ) 容性 ( c ) 感性 图2 - 4 并联谐振逆变器的工作波形 f i g 2 - 4t h ew a v e f o r mo fp a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e r 并联谐振式逆变器利用电路的并联谐振原理，其谐振频率为c o ； ，谐振状态o 1 , a - - ( 下时其等效阻抗为z 。l r c 。并联负载电路的总电流i o = c r 玑。l ，电感及电容上电流 为i l i c = a i o 。q 为并联负载电路的品质因数，q = c o o l r = l c o o c r 。负载发生并联谐 振时阻抗十分大，此时若用电压源对其供电则谐振附近电流较小，因此并联谐振逆变器需 要用电流源供电，则在逆变器前端的整流环节一般不用大电容滤波而是改用大的电感器滤 波，如原理图中l 所示，此时整流环节即相当于一个恒流源。在逆变器工作于准谐振状 态时，负载并联谐振回路对于负载电流中接近谐振频率的基波呈高阻抗，而对高次谐波呈 低阻抗，谐波分量电压被衰减，负载两端电压为近似正弦波，电流为近似方波。并联谐振 式逆变器由恒流源供电，为了防止直流电源开路，逆变器上下桥臂的主开关器件不能同时 关断，电路换流过程中必须遵循先开通后关断的原则，使得有一定时间内所有开关器件都 是导通的，此段时间称作电路的重叠时间。由于直流电流源采用大电感滤波，大电感能够 抑制短路电流的上升，所以一般不必考虑直流电源短路的问题。由于i g b t 内部封装有反 并联二极管，所以i g b t 不能承受反向电压，因此在每个桥臂中要为每个主开关器件串联 一同等量的电力二极管以承受换流后相应桥臂要承受的反压，如图2 3 中所示二极管 d 1 】d 1 4 。 6 2 感应加热电源的结构 2 2 2 电压型串联全桥逆变器 其电路原理如图2 5 所示： v t lv t 3 v t 5 l f 一 fz zz a c lc 2 b vl v c c d - 一 z - 一 f zz 图2 - 5 串联谐振逆变器原理图 f i g 2 - 5s e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r 根据负载槽路电压电流相位关系的不同串联逆变器可能工作于三种工作状态下：谐 振、感性和容性状态跚，如图2 6 所示。 7 n 旷n 么 一7 帚历一 q 心。 尸司尸 ，k 纠 、 ( a ) 谐振( b ) 感性( c ) 容性 图2 - 6 串联谐振逆变器的工作波形 f i g 2 - 6t h ew a v e f o r mo fs e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r 串联谐振型逆变器利用电路串联谐振的原理，系统的谐振频率c o o ；1 乙c ，逆变器 工作于谐振状态下时，其等效阻抗为z = r ，串联负载电路的电流为r = u 。，感应线o r 圈和谐振电容器上电压为- - u c = a 玑。，其中q 为串联负载电路的品质因数， q t o o l r 一1 w o c r 。实际应用中一般负载电阻值都比较小，负载电路对前端电源呈低阻 抗，要求由电压源对其供电，因此在逆变器前端整流环节要求并接大的滤波电容器c ， 当e 足够大时就可以认为逆变器的直流电源即系统整流环节是一恒压源。电路中与主开 关器件反并联的二极管d i - 一d 4 是为了在主开关器件关断期间给负载谐振电路提供电流 通路，使主开关器件不受换流电容器上高电压的影响，一般i g b t 器件内部封装有此反并 联二极管。逆变器一般工作于准谐振频率上，负载功率因数可近似为1 ，输出负载电压为 近似方波，电流为近似正弦波。串联逆变器是恒压源供电，为了防止逆变器的同一桥臂的 上下开关管同时导通造成直流电压源短路，在电路换流过程中应遵循先关断后开通的原 则，在一定时间内所有的开关器件都处于关断状态，此段时间称为电路的死区时间，一般 为2 s 左右。在i g b t 器件关断时，由于电路杂散电感和分布电感的存在，会有感生尖峰 7 西安理工大学硕士学位论文 电压的产生，此尖峰电压对开关器件是一很大的威胁，可能损坏器件，因此实际电路中需 要为开关器件并联阻容吸收电路以构成保护电路。 2 2 3 两种逆变器的比较 具体如下表所示n 盯： 表2 1 串联谐振电路与并联谐振电路的特性对比 t a b 2 1t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ns e r i e sr e s o n a n tc i r c u i ta n dp a r a l l e lr e s o n a n tc i r c u i t 变量波形的对偶性 串联型逆变器 并联型逆变器 入端电压为直流 入端电流为直流 ： 当工作在负载谐振频率时，入端电当工作在负载谐振频率时，入端电 流为全波整流波形 压为全波整流波形 输出电压为方波 输出电流为方波 输出电流为正弦波 输出电压为正弦波 电路拓扑的对偶性 串联型逆变器 并联型逆变器 入端并联电容e ( 等效电压源) 入端串联电感乙( 等效电流源) 负载为r ，l ，c 串联谐振电路负载为r ，l ，c 并联谐振电路 逆变开关为单向耐压，双向载流逆变开关为双向耐压，单向载流 串联型逆变器并联型逆变器 负载阻抗频率特性为串联谐振特负载阻抗频率特性为并联谐振特 性，因此不宣空载 性，因此可以空载 短路及直通保护困难 短路及直通保护容易 逆变器及负载开路保护容易逆变器及负载开路保护困难 综合以上几点的对比情况，我们可以看两种拓扑结构各有优缺点，目前对于串联谐振 高频感应加热电源已有大量的研究，并联谐振中频、大功率的感应加热电源虽然也有研究， 但是在控制方式上与选取的功率元件上却有不同，特别是针对d s p 控制与选取i g b t 作 为功率元件的相关文献较少。所以，这里我们针对并联谐振逆变器的问题作一些分析研究。 2 3 并联谐振槽路分析 图2 7 是将电阻尺和电感l 串联后与c 并联的电路，如将内阻为零的电源 e = e 村s i nm t 加到此电路中，则在电路中流过电流 t t l ： 8 2 感应加热电源的结构 r 萝 c ： = l j ii 图2 - 7 开联谐振电路 f i g 2 7p a r a l l e lr e s o n a n tc i r c u i t ，；呈。 垒 。 z lr + c o l i ct 圭咖c e 因此，并联谐振电路的总阻抗为： ，= 丘+ t 一上r + j w l + _ 栅一盟等笋型应 2 = 芋= 而面瓦r 2 + f 6 0 2 而l 2 ， r + f ( 2 c 。+ 尺2 c l ) 电路发生谐振时，上式中虚部为零，即： 0 7 2 p c 2 + r 2 c l ；o 因此谐振时的角频率为： 。 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 一般的，谐振时可r 2 瓦1 ，所以根号下后一项对角频率的影响很小，可以忽略，所 以谐振频率可约为： 如用频率表示则为： 谐振时电源输入电流为： 吃8 = 石矗 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 9 西安理工大学硕士学位论文 谐振时阻抗为： _ 赤缸一r e 孚 ( 2 1 6 ) z o 一芋= 去= a 2 r ( 2 1 7 ) 式中，q = 警一瓦瓦1 ，这里q 成为品质因数。这时各个支路的电流及其模分别为： 丘。旦；上；左擘一，哦c ) ( 2 1 8 ) l z 工r + j o ) l 、 。 、 i l e；i 、再面一i q a ( 2 1 9 ) i c = 二c 。j e a o c e ( 2 2 0 ) 丘一a ) o c e e 厶c r q ；纵 ( 2 2 1 ) 由以上各式可知，谐振时各支路的电流为电源输入电流的q 倍，所以也可称为电流谐 振。 2 4 并联谐振逆变器的工作原理 如图2 - 3 所示的并联型逆变器，假设其负载固有谐振频率为f o ，由于逆变器的工作频 率由功率器件的开关频率决定，因此逆变器可以有以下三种工作状态n ： ( 1 ) 逆变器工作频率厂 厶 假设功率开关器件以及正向串联快恢复二极管运行于理想状态，每个桥臂引线电感为 。，下面分情况加以讨论。 ( 1 ) 逆变器工作频率， 五 逆变器工作频率小于负载固有谐振频率时，负载呈现感性状态，逆变器的输出电流落 后于输出电压。 在这种状态下其工作过程如下：当某一时刻开关t 1 ，t 3 导通时，电流经t 卜负载一t 3 形成正向电流；由于电压超前于电流，此时电压为正向，t 2 ，t 4 关断，承受正向的正弦 电压；当负载电压过零成为负向电压时，负载电流仍然为正向电流，而d 1 2 ，d 1 4 则承受 反压，此时触发t 2 ，t 4 ；经过重叠导通时间后，在t 1 ，t 3 上加关断脉冲，此时负载电 1 0 2 感应加热电源的结构 压仍为负向，t 1 ，乃在大电流状态下被强迫关断，由于过高的d i d t ，将在引线电感上 感应很高的电动势，在i g b t 两端产生尖峰电压，从而引起i g b t 的过压；这时t 2 ，t 4 已经导通，电流将从t 1 ，耶桥臂被强制换流到t 2 t 4 桥臂，较大的d i d t 又会在t 2 ， t 4 上产生一个尖峰电压；换流后，电流经t 2 一负载一t 4 形成负向电流，此时电压为负向 电压，t 1 ，耶承受正向正弦电压；当负载电压过零成为正向电压时，负载电流仍然为负 向电流，则d l l ，d 1 3 承受反压，此时触发t 1 ，t 3 ，情况与前半周期类似；同样的，t 1 ， t 3 与t 2 ，t 4 重叠时间结束将他，t 4 关断时，以及电流从t 2 ，t 4 桥臂强迫换流到t 1 ， t 3 时，也将产生大的感应尖峰电压；因此，为防止功率开关器件因尖峰电压损坏，并联 型逆变器应当避免工作在感性状态。该过程中负载电流、负载电压、直流侧电压波形示意 图如2 8 所示。 u k 缸d ll ll 一 t 八弋、 、 、 l n八入八入 八 、 t 图2 - 8 厂 厶时逆变器各点波形 f i g 2 1 0 f a t h ew a v e f o r mo fi n v e r t e r 2 感应加热电源的结构 2 5 并联谐振逆变器最佳重叠时间的选择 2 5 1 重叠时间位置不同对逆变器性能的影响 图2 1 1 为并联谐振逆变器原理图，与图2 3 略有区别，c 1 、c 2 、c 3 、c 4 为功率i g b t 的输出电容。图中我们规定负载电流正方向为从b 到a ，电压正方向为左负右正。并联 谐振逆变器换流期间上下桥臂必须同时导通，即两路驱动信号之间要留有一定的重叠时 间。以下将分析重叠时间起始时刻与负载电压过零点处于不同相位对逆变器性能的影响 【1 6 】 o 图2 1 1 并联谐振逆变器原理图 f i g 2 11t h ep r i n c i p l ef i g u r eo fp a r a l l e lr e s o n a n ti n v e r t e r a 驱动脉冲在电压过零点处开通，在电压过零之后关断 图2 1 2 中阴影部分即重叠时间，正弦波为槽路电压，矩形脉冲为功率器件驱动信号。 该图表示驱动脉冲在电压过零点处开通，在电压过零之后关断，下面对其作简单分析： 图2 1 2 第一种重叠时间位置 f i g 2 - 1 2t h ef i r s tt y p ep o s i t i o no fs u p e r p o s i t i o nt i m e t 1 ，b 导通，电流方向从a 到b ，u c 2 - - u c 4 = ； t 2 ，t 4 在负载电压过零点即t o 时刻开通，先要经过开通延迟时间，然后t 2 ，t 4 的集射电压开始上升，伴随此过程，c 2 和c a 上的电压丌始下降，c 1 和c 3 上 1 3 西安理工大学硕士学位论文 的电压开始上升。到某一时刻c 1 和c 2 上的电压相同时负载电压己过零即补偿 电容上的电压“为左负右正，此时补偿电容c 通过回路t 2 、d 1 2 、d l l 和t 1 以及回路t 3 、d 1 3 、d 1 4 和t 4 放电，在放电过程中由于快恢复二极管d 1 2 和 d 1 4 有反向恢复电流的产生，所以逆变器输出电流将产生从a 到b 的尖峰电流； 接下来线路杂散电感。释放储能，从而在t 1 ，t 3 上产生尖峰电压； 经过以上过程，c 2 和c 4 继续放电，c 1 和c 3 继续充电，当c 2 和c 4 放电完毕 时t 2 ，t 4 完全导通，t 1 ，t 3 完全关断，至此完成从t 1 ，t 3 到t 2 ，t 4 的换流 过程。 b 驱动脉冲在电压快过零时开通，在电压过零处关断 图2 1 3 第二种重叠时间位置 f i g 2 1 3t h es e c o n dt y p ep o s i t i o no fs u p e r p o s i t i o nt i m e 第二种重叠时间位置如图2 1 3 所示，驱动脉冲在电压快过零时开通，在电压过零点 处关断，分析如下： 还是t 1 ，b 导通，电流方向从a 到b ，= 一玑； t 2 ，t 4 在负载电压过零点即f 0 时刻开通，先要经过关断延迟时间，然后t 2 、t 4 桥臂上的电流开始增加，t 1 、t 3 桥臂上的电流开始减小，伴随此过程，c 2 和 c 4 上的电压开始下降，c 1 和c 3 上的电压开始上升。到某一时刻c 1 和c 2 上的 电压相同时负载电压已过零即补偿电容上的电压为左正右负，所以补偿电容c 通过回路t 1 、d l l 、d 1 2 和t 2 以及回路d 1 4 、t 4 、d 1 3 和t 3 放电，在放电过 程中由于快恢复二极管d 1 2 和d 1 4 有反向恢复电流的产生，所以逆变器输出电 流将产生从b 到a 的尖峰电流； 经过以上过程，c 2 和c 4 继续放电，c 1 和c 3 继续充电，当c 2 和c 4 放电完毕 时t 2 ，t 4 完全导通，t 1 ，t 3 完全关断，至此从t 1 ，t 3 到t 2 ，t 4 的换流完全 结束。 c 驱动脉冲在电压快过零时开通，在电压过零之后关断 第三种重叠时间位置如图2 1 4 所示，驱动脉冲在电压快过零时开通，在电压过 零之后关断，分析如下： 1 4 2 感应加热电源的结构 图2 1 4 第三种重叠时问位置 f i g 2 1 4t h et h i r dt y p ep o s i t i o no fs u p e r p o s i t i o nt i m e ，同第二种情况，即当负载电压未过零时，补偿电容c 通过回路t 1 、d l l 、d 1 2 和t 2 以及回路d 1 4 、t 4 、d 1 3 和t 3 放电，逆变器输出电流将产生从b 到a 的尖峰电流； 经过以上过程，当负载电压过零后即“左负右正时，情况同第一种情况即补偿电 容c 通过回路t 2 、d 1 2 、d l l 和t 1 以及回路t 3 、d 1 3 、d 1 4 和t 4 放电，逆变器输出电 流将产生从a 到b 的尖峰电流。 通过以上分析可以看出，若在c 2 ，c 4 放电结束时，负载电压恰好过零，此时开通 t 2 ，t 4 为最佳时刻。 2 5 2 最佳相角控制 电流源逆变器的最佳相角即如图2 1 5 所示成。，当逆变桥输出电流换流结束的时刻 输出电压恰好过零这种状态对应着的换流角。最佳相角控制就如同在两个换相的i g b t 之 间产生一个自然换相电流，以此抑制浪涌电压，提高效率 1 7 1 t , 令谐振电容电压为： ，。= # 2 v cs i n ( 2 ：r f t 一)( 2 2 2 ) 声= 属 r t q l 童 ，、j 一it。少v _ 。 图2 1 5 最4 - * 相角控制原理 f i g 2 1 5t h ep r i n c i p l eo fb e s tp h a s ea n g l ec o n t r o l 电流换相时逆变器输出电流如下式所示： f 0 = 轰 c o s ( 妒伊酬- ，d ( 2 2 3 ) 1 5 西安理工大学硕士学位论文 式中：厶为换相电感；一，。为f 0 的初始电流。 据式( 2 2 3 ) ，为了抑制浪涌电压，最佳相角成： 风：c o s 一1f1一了2x2aflkid1( 2 2 4 ) p c 将式( 2 2 4 ) 代入式( 2 2 3 ) 中，可得t - 成加厂，式i o l 此时屹= 0 。图2 1 5 为；风时， f 。和，。的波形，并显示了最佳电流换向角。当夕 p o 时，从i 。一i 。到，。一0 ，反向电流持 续流过即将关断的i g b t ，当浪涌电压产生时，即将关断的i g b t 由栅极偏置关断。当 9 0 。的状态称为整流桥的逆变工作状态，其实质是负载向电网反馈能量。由于并联谐 振逆变电路输入要求是直流电流源，而整流器的输出是脉动很大的电压，因此整流器输出 必须有滤波器，这里采用一个电感加两个电解电容作为平滑滤波器，使得只允许直流电流 进入逆变器。实际中，这种滤波器不可能完全阻挡交流成分，而只需到达一定的滤波效果 即可 t 6 1 。 感应加热闭环调功系统仿真模型如图3 3 所示： 图3 - 3 感应加热电源三相全控整流闭环调功系统仿真模型 f i g 3 3t h em o d e lo fc l o s el o o ps y s t e mo fp o w e rr e g u l a t i o n 仿真模块中的功率反馈( f e e d b a c kp o w e r ) 是主电路( 如图3 4 所示) 负载电压电流 有效值经滤波后相乘所得。为了简化模型仿真便于分析，模型中没有设计负载匹配变压器， 所以直接采用了r ，l ，c 并联谐振负载。图3 4 中的r 1 并联电阻是为了模拟负载突变而 设，通过开关b r e a k e r 进行切换。滤波电抗器大约取为3 m h ( 公司给出) 。图3 3 中确定 平滑滤波器l 为2 1 m h ，c 和c 1 均取4 0 0 0 弘f 。 2 1 西安理工大学硕士学位论文 图3 - 4 感应加热电源闭环系统仿真模型 f i g 3 - 4t h em o d e lo fc l o s el o o ps y s t e mo fi n d u c t i o nh e a t i n g 反馈功率要与给定功率( r e f ) 相比较，差值送到p i 调节器进行调节，同时得到了 新的相控角口来调节整流输出电压，从而调整了功率输出。 p i 调节器的传递函数可以表示为： g p ) ；k p ( r s + 1 ) ( 3 2 ) 经过反复调节，确定k p = 0 4 ，f = o 0 0 2 。 整流器控制框图如图3 5 所示 k j 图3 5 整流器控制框图 f i g 3 5t h ef r a m eo fr e c t i f i e rc o n t r o l 3 感应加热电源参数设计及系统仿真 3 3 2 锁相环( p l l ) 原理及其建模分析 由于大多数加工过程中负载线圈都为时变元件，其电参数随时间变化，因而