（电力电子与电力传动专业论文）固态感应加热电源的高频化技术研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 为了降低功率器件损耗，提高电源的频率，本文在分析和对比并联和串联逆变器优 缺点的基础上，选择了串联谐振型逆变器，提出采用分时控制方法实现m o s f e t 固态 感应加热电源的高频化技术。m o s f e t 器件具有开关速度快等优点，更加适合做高频电 源，同时分析了m o s f e t 的开通和关断过程，并通过理论计算得出了m o s f e t 器件在 分时和并行两种方式下的损耗。此外，本文对串联谐振型逆变器采用二分时和三分时控 制方法进行了仿真分析和试验，结果验证了器件损耗在分时控制模式下比并行控制的要 低。在此基础上，进行了设计研究，得出的主要成果是：( 1 ) 设计了二分时和三分时的 硬件电路，并对其进行了调试；( 2 ) 设计了二分时3 k w 8 0 0 k h zm o s f e t 感应加热电源 样机，并给出调试结果，对设计和调试经验进行了总结。 关键词：高频，感应加热，分时控制，串联谐振 a bs t r a c t i no r d e rt or e d u c et h el o s s e so fd e v i c e s ，a n de n h a n c et h ef r e q u e n c yo fp o w e rs u p p l y , t h i s p a p e rc h o o s e ss e r i e sr e s o n a n c el o a da n d u s e sm o s f e tb a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n b e t w e e nt h ep a r a l l e lc o n n e c t i o na n di ns e r i e s ，a n da d v a n c et h et e c h n i q u eo fu s i n g t i m e - s h a r i n gc o n t r o lm e t h o dt or e a l i z et h em o s f e ts o l i d s t a t eh i g l lf r e q u e n c yi n d u c t i o n h e a t i n gs u p p ly b e c a u s es o m em e r i t ss u c ha st h eh i g h e rs p e e do fs w i t c h ，m o s f e ta d a p t st o d oa sh i 。g hf r e q u e n c yp o w e rm u c hm o r e 。a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h et u r no na n d o f fo fm o s f e t , a n dg e t st h el o s s e so ft h em o s f e td e v i c ei nt i m e s h a r i n ga n dp a r a l l e l s e p a r a t e l yb yt h et h e o r yc o m p u t i n g b e s i d e s ，t h i sp a p e rd o e ss i m u l a t i o na n a l y s i sa n dt e s t e so n t h er e s o n a n c es w i t c h i n gd e v i c e si ns e r i e si nt h et w ot i m e - - s h a r i n ga n dt h r e et i m e - s h a r i n g c o n t r o lm e t h o d ss e p a r a t e l y t h er e s u l t sp r o v et h el o s s e so fd e v i c e si nt i m e - s h a r i n gl o w e rt h a n i np a r a l l e lc o n t r 0 1 b a s e do ni t ，t h i sp a p e rd o e sd e s i g na n dr e s e a r c h ，w h o s em a i nr e s u l t sa s f o l l o w i n g ：( 1 ) d e s i g n e dt h et w ot i m e - s h a r i n ga n dt h et h r e et i m e s h a r i n gh a r d w a r ec i r c u i t ，a n d d i dt h ed e b u g g i n g ；( 2 ) d e s i g n e dt h es a m p l em a c h i n eo ft w ot i m e s h a r i n g3 k w 8 0 0 k h z m o s f e ti n d u c t i o nh e a t i n gs u p p l y , a n dg i v e nt h er e s u l to fd e b u g # n g ，a n ds u m m a r i z e dt h e e x p e r i e n c eo ft h ed e s i g na n d t h ed e b u g # n gi nt h ee n d u h e ( p o w e r e l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e r s ) d i r e c t e db yp r o f p e n gy o n g l o n g k e y w o r d s ：h i g hf r e q u e n c y ；i n d u c t i o nh e a t i n g ；t i m e s h a r i n gc o n t r o l ；s e r i e sr e s o n a n c e 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文固态感应加热电源的高频化技术 研究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：纷日期：岁移7 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：导师签名： e l期：幽三!日 期： 弘 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 感应加热电源的特点及应用 感应加热是通过电磁感应【1 】来传递能量，利用工件中产生的涡流对工件进行加 热的一种加热技术。现在感应加热技术已广泛应用于国民经济的各个领域，如表1 1 ， 从工业上开始应用感应加热电源以来，已经过去1 0 0 多年，在这期间感应加热的理 论和感应加热装置都有很大的发展，感应加热的应用领域亦随之扩大，其应用范围 越来越广。究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点： ( 1 ) 热温度高，而且是非接触式加热； ( 2 ) 加热效率高，可以节能； ( 3 ) 加热速度快，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。 表1 - 1 感应加热电源的应用领域 应用部门主要用途 黑色、有色金属的冶炼和保( 升) 温；金属材料的热处理； 冶金冷坩埚熔炼、区域熔炼、悬浮熔炼等制取超纯材料；锻造、 挤压、轧制等型材生产的透热：焊管生产的焊缝。 黑色和有色金属零件的铸造和精密铸造金属的熔炼；机器零 件的淬火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火和正火 机械制造等热处理的加热；化学热处理的感应加热；压力加工( 锻、 挤、轧等) 前的透热，特别是模锻、精锻等；钎焊：对焊； 硬质合金的熔焊；金属涂层及其他场合的加热烘干；热装配 等。 轻工罐头封口加热、合成纤维生产中间接加热等 石油、化学反应釜等容器加热、输油管道焊接缝现场退火，输油管 化工路的保温等 电子电子管生产中的真空除气时的加热等 工件容易积热均匀，产品质量好。在应用领域方面，感应加热可用于金属熔炼、 华北电力大学硕士学位论文 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、船舶、 飞机汽车制造业等不可缺少的能源。此外，感应加热已经开始不断地进入到人们的 家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水器等都可以用感应加热作为能源1 2 训。 1 2 感应加热电源的国内外发展状况及发展趋势 1 2 1 感应加热电源的国内外发展状况 固态感应加热电源的发展与电力半导体器件和控制理论的发展密切相关。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，而5 0 年代末晶闸管的出现 则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。在5 0 年代前，感应加 热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中频发电机组和电子管振荡器式高 频电源。晶闸管的出现引起了感应加热电源技术以致整个电力电子学的一场革命， 感应加热电源及应用从此得到了飞速发展1 5 i 。 至今，在中频( 1 5 0 h z - 1 0 k h z ) 范围内，晶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。国外装置的最大容量已达数十兆瓦，国内也 已形成2 0 0 h z 8 0 0 0 h z 、功率为1 0 0 k w 3 0 0 0 k w 的系列产品，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、表面淬火等热处理工艺，但国 产中频感应加热电源目前几乎都采用并联谐振型逆变结构。因此，在研究和开发更 大容量的并联逆变中频电源的同时，研制结构简单、易于频繁起动的串联逆变中频 电源是国内中频感应加热装置领域有待解决的问题1 6 j 。 在超音频( 1 0 k h z - - 1 0 0 k h z ) 频段内，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可 能实现，国内在7 0 年代开始研制晶闸管倍频式感应加热电源，后于8 0 年代末又采用 改进型倍频逆变电路研制成功了5 0 k w 5 0 k h z 晶闸管超音频电源。但由于倍频电路的 双谐振回路耦合使负载呈强非线性，时变的被加热负载参数与谐振回路参数匹配与 调试较复杂等原因，而没有得到很好的推广应用。1 9 8 3 年美国g e 公司发明了新的很 有前途的功率器件一i g b t ，它综合了m o s 管与双极型晶体管的优点，具有通态损耗 小、开关速度快、单管容量大等优点。自1 9 8 8 年解决了i g b t 器件的挚住效应问题后 ( 由寄生n p n 晶体管引起) ，大功率高速i g b t 已成为众多感应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 级电源也可实现。如1 9 9 4 年，日本采用i g b t 研制出了 1 2 0 0 k w 巧0 k h z 电流型并联逆变感应加热电源；西班牙在1 9 9 3 年也已报道了3 0 k w - 6 0 0 k w 5 0 - 1 0 0 k h z 电流型并联逆变感应加热电源；欧、美国家如英国、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 频段。目前国外以i g b t 为开关器件的主要生产商如e f d 公司代表该领域的最高研发 2 华北电力大学硕士学位论文 生产水平。国内部分院校和企业在9 0 年代初开始对i g b t 超音频电源进行研制，目前 制造水平为1 0 0 0 k w 5 0 k h z ，与国外的水平仍有相当大的距离1 7 1 们。 采用高压大容量i g b t 器件制作的感应加热电源不仅成本较低、结构简洁，而且 其控制和驱动也大为简化。但是，由于i g b t 器件开关速度的限制，当频率大于1 0 0 k h z 时采用常规的电路结构和控制技术较难实现。目前大功率高频i g b t 电源的研究方向 是采用多桥分时控制( 欧洲e f d 公司) 或采用倍频电路1 1 1 l 。 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 频段，感应加热电源正处在从传统的电子管电源向全固 态电源的过渡阶段，目前采用的开关器件主要以模块化、大容量化m o s f e t 功率器 件为主。西班牙采用m o s f e t 的电流型感应加热电源制造水平达到6 0 0 k w 4 0 0 k h z ， 德国在1 9 8 9 年研制的电流型m o s f e t 感应加热电源水平达4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z ，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 感应加热电源水平可达1 0 0 0 k w 1 5 6 0 0 k h z ，美国t h c r m a t o o lc o r p 公司的并联型感应加热电源则达到8 0 0 k w 1 0 0 - - - 8 0 0 k h z 。应用于高频电源的另一功率器件为静电感应晶体管( s i t ) ，主要以日本为 主，电源水平在8 0 年代末达到了1 0 0 0 k w 2 0 0 k h z ，1 0 0 k w 4 0 0 k h z ，s i t 器件的开关速 度比m o s f e t 慢，同时它存在很大的通态损耗，随着m o s f e t 、i g b t 性能不断改进， s i t 将逐渐失去它存在的价值。国内目前m o s f e t 固态高频电源制造水平约为 4 0 0 k w 5 0 0 k h z ，与国外的研发水平有一定的差距。由于m o s 管的单管电压和电流容 量较小，当制作高频大功率电源时不得不采用多管并联、多桥并联结构，这就对感 应加热电源器件的布局工艺提出了苛刻的要求。同时，电源的驱动电路和保护电路 也变得非常复杂，电源的制作和维护也比较困难【l 玉1 5 l 。 1 2 2 感应加热电源的发展趋势 固态感应加热电源技术的发展与功率半导体器件的发展和现代控制技术的发 展密切相关，其发展趋势主要有以下几个方面： 1 ) 高功率因数、低谐波 由于感应加热电源一般功率都很大，传统的晶闸管相控整流器会对电网造成严 重的谐波污染。随着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p w m 整流器将会得到越来越广泛的应用，“绿色” 感应加热电源必将成为今后的发展方向【1 6 l 。 2 ) 高频化 目前工业加热领域对高频感应加热电源的需求很大，但是由于目前电力电子器 件制造水平的限制，固态高频感应加热电源在高频段还难以完全替代电子管电源。 另外，固态高频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、 3 华北电力大学硕士学位论文 接地、屏蔽以及驱动电路均有许多特殊要求。因此，实现感应加热电源的高频化仍 有许多技术问题需进一步研究【1 7 l 。 3 ) 大容量化 在电力电子器件的制造水平尚未有本质突破的情况下，感应加热电源的大容量 化只能从电路的拓扑结构和控制方法上寻找解决方案。多台电源的串、并联技术是 在器件串、并联技术基础上进一步实现电源装置大容量化的最有效手段。但是，器 件的串、并联必须妥善解决器件的均压和均流的问题，这对器件的筛选、缓冲电路 以及电源的布局布线要求非常严格。由于m o s 管的单管电压和电流容量较小，当 制作高频大功率电源时不得不采用多管并联、多桥并联结构，对感应加热电源的工 艺布局要求很高。同时，电源的驱动电路和保护电路也变得非常复杂，电源的维护 也比较困难【1 8 j 。 4 ) 数字化、智能化控制 随着感应加热电源自动化控制程度以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。采用高性价比的数字化控制电路不仅可以充 分发挥微处理器的实时数据处理能力，而且可以克服模拟控制电路元件易老化、温 度漂移、对电磁噪声敏感等缺点，还可以实现电源工作状态的实时监测和控制，确 保电源的高效稳定运行。此外，具有计算机智能接口、远程控制、故障自动诊断等 功能的感应加热电源也将成为下一个发展目标。 5 ) 负载匹配 由于感应加热电源多应用于工业现场，其运行工况比较复杂，它的负载对象各 式各样，而电源逆变器与负载是一个有机的整体，它们之间的配置方式将直接影响 到电源的功率利用系数。 1 3 感应加热电源高频化技术的国内外研究动态 目前，国内外感应加热电源的研究都是朝着大功率，高频化的方向发展，用于 实现高频的电路有d 类、e 类、倍频式电路、分时控制电路，以下是对这些高频电 路的介绍。 文献1 1 9 - 2 4 l 提出小功率超高频c l a s s d 电路在射频电源中有较长的应用历史，也 适合于高频加热工作。该类电路最大的特点就是功率管工作在开关状态，d 类功放 的设计原理是：当功率管流过电流时，管子上的电压很小，甚至趋近于零；当电流 截至时，管子上的电压达到很大，这样，在任一时刻内，电流与电压的乘积都很小， 甚至趋于零，因此功率管的耗散功率就很小，甚至趋于零。 感应加热电源中使用d 类拓扑的很少，文献1 2 5 l 写的是用于可变负载与可变频率 4 华北电力大学硕士学位论文 的1 m h z 的d 类谐振逆变器，其驱动也运用了正弦e 类谐振驱动方法，该谐振驱动中 的匹配电阻消耗了较大的功率。由于直流电压源不能短路直通，因此双管d 类谐振 逆变器必须设置死区时间，这一点对于应用在超高频的逆变器来说是一个缺陷，并 且其短路保护较困难。 文献【2 3 】【2 4 】【2 6 - 2 9 l 提出了一种小功率高频的e 类d c a c 超高频谐振变换器。全桥 式谐振变换器总是有四只功率开关管组成，半桥式谐振变换器也要用两只功率开关 管，而e 类则采用单管工作。 国内外对e 类谐振电路在射频电源中的分析设计已经做了大量的研究工作，其 中文献【8 j 用e 类双管拓扑研制成功的2 m h z l k w 的超高频感应加热电源，采用双管交 替工作的目的是提高频率以及减小单管容量。c l a s s e 谐振电路要保持高效率工作， 负载网络的瞬变响应必须满足下列两个条件：( 1 ) 功率管截止时，输出端电压必 须延迟到功率管开关断开后才开始上升；( 2 ) 功率管饱和导通时，集电极电压及 其对时间的导数必须都为零( 假定功率管饱和压降为零) 。虽然c l a s s e 电路拓扑非 常适合在超高频领域中使用，甚至射频领域，并且开关损耗小，但由于其负载适应 能力差，在负载参数变化范围较大的感应加热中应用有很大的局限性。 文献【3 0 0 1 l 提出倍频式高频电源采用大功率自关断功率器件i g b t ，负载频率是 开关管工作频率的二倍，间接拓宽了i g b t 的使用频率；功率管工作在零电流开关 状态，理论上可实现零开关损耗；同时采用死区控制策略后，可实现负载阻抗调节。 由于倍频式i g b t 高频感应加热电源主电路存在两个槽路，根据换流槽路频率 f l 和负载槽路频率f h 的比值s = f a f l 的不同，电路可分为三种状态：( 1 ) 临界状态 s = l ：( 2 ) 重态s l ；( 3 ) 断态s l 。通过对三种工作状态的比较，临界状态是理想 工作状态，功率元件具有最好的电流、电压利用率，但实际上电路不可能一直稳定 在临界状态；重态时由于逆变桥内部存在环流，增加恶劣元件的电流容量，还增大 电流的上升率，因此电路不适合在此种状态下工作；而断态情况下，不但没有破坏 电路的软开关特性，而且还可以通过改变电流断续时间来控制逆变电路的功率输 出。当电路工作在断续状态下时，i g b t 和二极管都具有软开关环境，器件的开关 损耗几乎为零，使得在大功率下更容易实现高频化，输出频率可达到2 5 0 k h z ，但是 这种电路的缺点是输出功率调节范围窄，输出功率小其供电电源的功率因数就越 低，启动困难，抗负载冲击的能力差。 文献1 3 2 l 提出的利用i g b t 器件，采用分时控制来提高感应加热电源的功率，但 是由于i g b t 器件自身特性的限制，用双桥采用分时控制，让其交替工作，使感应 加热电源的输出频率只能达到3 0 0 k h z ，但是其中各种杂散参数造成电路的结构非常 复杂，而利用m o s f e t 达到更高的频率则会更加容易，无论从体积和电路的复杂度 上都会降低，因此利用i g b t 达到更高频率的感应加热电源，在技术的观点来看与 s 华北电力大学硕士学位论文 理想的方案还有很大的差距。 1 4 课题研究的背景意义和本文完成的工作 1 4 1 课题研究的背景意义 全固态高频感应加热电源有着显著的优点：启动方便，控制灵活，效率高，体 积小，使用简单及维护成本低。感应加热电源的高频化是由逆变器的工作频率决定 的，逆变器的工作频率随负载要求而定，而半导体功率器件工作频率越高，单位时 间内的开关损耗越大，器件使用寿命下降，电源可靠性、安全性就会降低。随着 感应加热电源频率的提高，器件的损耗也在增加，因此在冷却条件一定的情况下， 器件可能因温度过高而损坏。如果采用适当的控制方法，这些问题就能迎刃而解。 电源的控制方式有两种：并行控制和分时控制。若采用并行控制实现电源高频 化，一方面由于功率器件开关频率的限制，使电源频率提高有限；另一方面在电源 输出一定的功率的前提下，可采取降额使用，以降低器件的功率损耗，来进一步实 现电源高频化，然而，这样做会导致一些问题的发生，如：电源的成本提高，体积 增大，会造成不必要的浪费。当采用分时控制实现电源高频化：如果是n 个桥并联 分时工作，则桥的工作频率可以降到f 小。这样在降低功率器件损耗的同时也提高 了效率，并且使电源的结构简洁、控制简单；此外，在更高开关频率器件的基础上， 能使感应加热电源的频率做得更高，满足更多应用场合的需要，这是十分有意义的。 综合考虑以上问题，本课题拟采用分时控制方案，实现固态感应加热电源的高 频化。 1 4 2 本文完成的工作 本文对如何实现m o s f e t 串联谐振型逆变电源高频技术进行研究，着重研究分 时控制电路的设计和实现方法，并研制3 k w 8 0 0 k h zm o s f e t 串联谐振型感应加热 电源样机，对m o s f e t 感应加热电源的高频技术进行理论和技术方面的研究和探 讨，主要工作内容如下： 1 通过分析串联和并联谐振型逆变器的结构特点，选择研制m o s f e t 串联谐振 逆变器的电路形式。分析串联谐振逆变器的工作过程，确定逆变器的工作状态。 2 对实现固态感应加热电源高频化的分时控制方法进行分析，对二分时和三分 时控制电路进行理论分析和仿真分析。 3 对二分时和三分时控制电路进行硬件设计，并将其调试出来。 4 设计、制作二分时3 k 、w 8 0 0 k h zm o s f e t 感应加热电源样机，并进行调试， 对实验结果进行分析、总结。 6 华北电力入学硕士学位论文 第二章感应加热的基本原理及电源的拓扑结构 2 1 感应加热的基本原理 2 1 1 电磁感应和感应加热 m i c h a e lf a r a d y 与1 8 3 1 年建立的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存 在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产生电流。这个定 律就是当代感应加热的理论基础。 图2 一l 感应加热的原理图 如图2 1 所示，当感应线圈上通以交变的电流0 时，线圈内部会产生相同频率的 交变磁通，交变磁通又会在金属工件中产生感应电势e 。根据m a x w e l l 电磁方 程式，感应电动势的大小为： p ：一坐 ( 2 1 ) d t 式中n 是线圈匝数，假如矽是按正弦规律变化的，则有： = 。s i nc o t ( 2 2 ) 那么可得到感应电动势为： e = 一n o 。c o c o s c o t ( 2 - 3 ) 因此感应电动势的有效值为： e ：型警：4 4 4 n f o 。 ( 2 - 4 ) v 二 由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在金 属内部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传 递的。另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流以及涡流引 起发热的原理是相同的，不同的是在一般电气设备中涡流是有害的，而感应加热却 是利用涡流进行加热的。这样，感应电势在工件中产生感应电流( 涡流) f ，使工件加 7 华北电力大学硕士学位论文 热。其焦耳热为 q = 1 2 r t 式中，q ：电流通过电阻产生的热量( j ) ：电流有教值( a ) ( 2 5 曰：工件的等效电阻( n ) ： 由式( 2 - 4 ，2 - 5 ) 可以看出，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。 感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流 可以使工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大， 从而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡流的大小还与金属的截面大小、截 面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关。 21 2 电磁感应的三个效应 ( 1 ) 集肤效应：直流电流流经导体时，电流在导体截面上是均匀分布的，但交 流电流流经导体时，电流沿导体截面上的分布是不均匀的，最大电流密度出现在导 体的表面层。这种电流积聚于表面的现象就叫做集肤效应。 凶为当交变电流通过导体时，在导电体的外部和内部都建立了交变的磁场，由 于导体表面部分交链的磁力线比导体内部所交链的磁力线要少的多，于是导体中心 部分的自感电势或者中心部分的电感和阻抗大于表面部分的电感和阻抗，由于电流 总是沿着阻抗最小的路径流动，所以电流就积聚到了导体表面。 y l , 一，f ， a ，盯，j 盯，r ，一 圈2 - 2 临近效应 电流频率越高，集肤效应就越明显。同样当导体处于交变的电磁场中也就是 说处于感应圈中，由于感应圈的中间产生交变的电磁场，使工件中产生的涡流为交 变电流，它沿截面的分布也是积聚在表面层。 ( 2 ) 邻近效应：相邻两导体通以交流电流时，在相互影响下导体中的电流要 重新排布，当两电流流向相同时，电流被排于导体外侧当流向相反时。电流被排于 导体内侧。图2 - 2 为邻近效应示意固。 这是由于假如在任何瞬间两平行的导体中的电流流向相同时，在导体之间山电 流所建立的磁场方向相反，总的磁场强度减少，而两导体外侧的磁场却增强了。显 华北电力大学硕士学位论文 然导体内侧比外侧交链较多的磁通，因而导体内侧的电流和阻抗较外侧为大，所以 导体内侧电流密度较外侧为小。同理，当两平行导体中的电流方向相反时，导体外 侧的电流密度较内侧为小。 ( 3 ) 圆环效应：如果将交流电流通过圆环形螺管线圈时，则最大电流密度出现 在线圈导体的内侧，这就叫做圆环效应。导体的径向厚度与圆环直径之比越大，这 种现象就越显著。因为通常磁力线在环内集中，在环外分散，一部分磁力线穿过导 体本身，因此导体的外侧比内侧交链较多的磁通，这样导体外侧的电感和阻抗较内 侧为大，电流向内侧积聚。如果将材料放在高频磁场内( 例如放到通有高频电流曲线 圈内部_ ) ，则磁力线同样会切割材料，在材料中产生感应电动势，从而产生涡流。涡 流也是高频电流，同样具有高频电流的一些性质。由于材料具有电阻，结果使材料 发热，利用感应涡流的热效应进行加热，叫感应加热。 2 1 3 电流的透入深度 透入深度的定义是由电磁场的集肤效应而来的。电流密度在工件中的分布是从 表面向里面衰减，其衰减大致呈指数规律变化。工程上通常是这样规定的，当导体 电流密度由表面回里面衰减到数值等于表面电流密度的0 3 6 8 倍时，该处到表面的距 离6 称为电流透入深度。因此可以认为交流电流在导体中产生的热量大部分集中在 电流透入深度6 内。 透入深度6 可用下式来表示： 广一 6 ；5 0 3 0 j l ( 2 6 ) 弘r f 式中：p ：导体材料的电阻率( q c m ) ； l u ，：导体材料的相对磁导率； 厂：电流频率( h z ) 。 分析一下式( 2 - 6 ) ，当材料的电阻率p ，相对磁导率以，确定以后，透入深度6 仅与频率的平方根成反比，因此它可以通过改变频率来控制。频率越高，工作的透 热厚度就越薄，这种特性在金属热处理中得到了广泛的应用，如淬火、热处理等。 2 2 感应加热电源的电路结构 感应加热电源系统般有5 部分组成：整流器( a c d c ) 、滤波器( f i l t e r ) 、逆 变器( d c a c ) 、负载谐振回路( r e s o n a n tt a n k ) 、保护控制环节( c o n t r o l a n d p r o t e c t ) ，如图2 3 所示。整流器部分主要采用三相整流电路，包括晶闸管相控和 二极管不控整流器，功率器件一般采用大容量的晶闸管；而滤波器则根据逆变部分 9 华北电力大学硕士学位论文 谐振槽路的不同分别采用平波电抗器和l c 结构的滤波器；逆变器部分则主要有两种 常见的结构，即本章要讨论的电压型和电流型拓扑结构，而在某些场合也出现一些 特殊结构，如并联时间分割电路、串联时间分割电路、倍频电路等；负载谐振槽路 主要是有感应器和补偿电容组成，根据二者不同的连接方式，有串联谐振和并联谐 振槽路；控制及保护主要是有调功、频率跟踪、锁相环、过流、过压、过温等部分 组成，目前大部分产品中的控制及保护单元都是由分立元件组成，但国外也有数字 化产品出现。 鼢u bw b 协咖坼鼢降r 胁怖 图2 3 感应加热电源框图 2 2 1 串联、并联谐振逆变器的拓扑结构及优缺点 高频感应加热电源的负载可以等效成一个电阻和一个电感串联或并联的形式。 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。这种负载 都是功率因数很低的感性负载，为了提高功率因数，一般通过增加补偿电容来实现。 因为有并联补偿和串联补偿两种方式，从而形成两种基本的谐振电路：并联谐振电 路、串联谐振电路。为了提高效率和保证逆变器安全运行，固态感应加热电源一般 工作在准谐振状态。串联谐振电路工作在小感性状态而并联谐振电路工作在小容性 状态1 2 & 2 9 1 。 由自关断器件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 拓扑如图2 4 和2 5 所示。 图2 4 串联谐振逆变器图2 - 5 并联谐振逆变器 从电路原理来看，串联谐振逆变器和并联谐振逆变器在各种变量的波形、电路 的拓扑、还有电路的特性等方面都存在着对偶关系，如表2 1 所示。 1 0 凹 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) 电路拓扑的对偶 表2 1 串、并联电路的对偶关系 串联谐振逆变器并联谐振逆变器 采用大电容滤波，恒压源供电采用大电感滤波，恒流源供电 负载为r 、l 、c 串联谐振电路负载为r 、l 、c 并联谐振电路 功率器件需反并联二极管，为谐振电流提功率器件需串连同容量快恢复二极管，承 供通路受谐振电路产生的反向电压 ( b ) 工作特性对偶 串联谐振逆变器并联谐振逆变器 输入电压为直流输入电流为直流 输出电压为矩形波，输出电流近似正弦波输出电流为矩形波，输出电压近似正弦波 一般工作在感性准谐振状态一般工作在容性准谐振状态 电压源供电，逆变器换流需死区时间电流源供电，逆变器换流需重叠时间 ( c ) 保护特性对偶 串联谐振逆变器并联谐振逆变器 负载阻抗频率特性为串联谐振特性，因此 负载阻抗频率特性为并联谐振特性，因此 不宜为短路不宜为开路 短路保护困难开路保护困难 开路保护容易短路保护容易 表2 - 2 串、并联谐振电路的优缺点比较 串联谐振逆变器并联谐振逆变器 电压源供电，浪涌电流大，短路保护困难，电流源供电，电流冲击小，短路保护容易， 开路保护容易 开路保护相对较困难 串联谐振电路负载匹配方法较少 并联谐振电路负载匹配方泫较灵活 串联谐振型逆变器对负载电路拓扑结构要并联谐振逆变器对负载线路寄生参数敏 求较低，负载引线可适当加长感，负载引线不宜过长 功率器件需承受反压，高速大容量二极管 功率器件不需要承受反压 选择困难 调功方式灵活一般采用调节直流电压调功 华北电力大学硕士学位论文 从表2 1 的三个表格可以看出，理解和掌握( a ) 、( b ) 两表中的对偶关系有助于 分析和比较两种逆变电路的工作原理，而了解( c ) 表中的对偶关系则有助于正确可 靠地设计保护电路。表2 2 是串联并联谐振逆变电路的优缺点比较。 基于串联和并联谐振逆变器的优缺点，本文决定采用串联谐振型逆变器设计样 机进行试验。 2 2 2 串联、并联谐振槽路分析 2 2 2 1 串联诣振捂路分析 如图2 - 6 所示，电感l 、电容c 和电阻r 组成串联电路。 e - e s i n a 西加到此电路中将流过电流，即： j 。墨。一 2 r + j x 其模为： ，。赢 f 之串联电路总阻抗： x 串联电路总电抗。 x - 邑一x c 一础一去一考c 罢一詈， 1 。面 a c r a c 若将内阻为零的电源 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) r l 图2 - 6 串联谐振电路 图2 7 并联谐振电路 此时，加在各元件上的电压分别是： 一豫 ( 2 1 1 ) 度杀j 。去量( 2 - 1 2 ) 华北电力大学硕士学位论文 瓦- j c o l i - 比等 ( 2 - 1 3 ) f z 从以上各式可知，电路中电流得最大值出现在x 一0 ，即尺d z “- o ) j r 的时候， 此时： 。万e 一丢 池川 或一r 一童 ( 2 1 5 ) 毫=上墨一，硒e一jqeljojoc r ( 2 1 6 ) 己，= 一一一，一一 l z l o ) h 。c r 五- j 啦丢一j q e 一一毫 ( 2 - 1 7 ) 式中q o , 尺o l 一硒1 ( 2 - 1 8 ) 请注意，上面几个公式中都用了，那是因为当x - - 0 时，l - 1 w c ，即 一o j o 一1 c 。称x = o 的状态为串联谐振，此时的角频率为谐振角频率，用表 示。 谐振时外电源电压左全部加在电阻上。此时电感l 上的电压和电容c 上的压降量 值相等而方向相反，它们的值较电源电压高q 倍。因此，通常又把这种谐振称为电 压谐振，而将q 称为此谐振电路的品质因数。 由式( 2 1 8 ) 可知，谐振时流过电路的电流和外电源电压相同，因此，电路的 功率因数c o s q ；1 。即 尺 c 0 8 驴。i 。 ( 2 1 9 ) 如果固定l 、c 和尺值不变，使外电源频率由零到变化，则电路中的电流、电 压和阻抗的变化曲线如图2 8 所示。图中的这些曲线称为谐振曲线。当- 0 时，相 当于直流电源，因受电容的阻挡，电路中电流，一0 ，全部电压加在电容上。当逐 渐增大时，容抗z 逐渐减小，而感抗x ，逐渐增大，但在谐振前( x ，电路成容性，电流，随增大而增加。当电路达到谐振时，电流，达到 极大值，这时z 1 1z l ，e o s q ，。1 ，电路呈阻性。继续增加，则因鼍 噩使电流下 降，电路呈感性。到呻时，感抗完全阻止电流通过，j 一0 ，电压全部加在电感 l 上。从图可以看出，群和x ，的极大值都偏离谐振点，那是因为谐振时尽管，达 1 3 大值。 图2 8 串联电路中各参 量随变 。氓 化情况 图2 - 9q 值不同时的谐振曲线 ( 2 2 0 ) ( 2 2 2 ) 1 4 华北电力大学硕士学位论文 i c i 罢ll 琶 z 2 j t + l + ，们应坠型丝垒型应 卜l + ，c 。赢+ 栅_ 坚n 茜2 _ 争2 = 2 型e 因此并联电路的总阻抗z 为： er + j o j l r 2 + 2 r 。 j r ( 1 一2 l c ) + j a , c r尺+ j w ( w 2 l 2 c + 尺2 c 一) 电路发生谐振时，式( 2 2 8 ) 的虚数项比为零，即： w 2 l 2 c + r 2 c l 0 因此，谐振时的角频率为： w o2 0 7 。 谐振时，由于槽路中r 很小，对角频率的影响极小，可以忽略，则有： 1 。丽 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 显然，并联谐振的频率和串联谐振频率差不多，实际上可认为它们相等。 从式( 2 - 2 7 ) 可知，谐振时电源输入的电流为： 阻抗 “矗杀n 尺 之。= 丝r 坐：= 土c r q 2 尺 。c _ _ r z( 2 2 9 ) - lz 通常z o 以r d 表示，即： 2 。一去- q 2 尺 ( 2 3 0 ) 式中q ，警a 硒1 ，同样称为品质因数，这时各支路电流为： i l e 之，= 而e 面一应r 漆2 。尺+ 啦 一+ 簖r 其模为： 一j 南m ( 譬嘲c ) ( 2 - 3 1 ) 卜e 跨面ie孵fc2r2 c 2 r 2 , , , 5 咄厢峨( 2 - 3 2 ) 1 5 华北电力大学硕士学位论文 j c 导j o , o c e ( 2 3 3 ) z 其模为： t i c i it o o c e 警q q ，o ( 2 3 4 ) 显然，谐振时由电源输入的电流很小，而各支路的电流却很大，为电源输入电 流的q 倍。因此，称此谐振为电流谐振。在实际高频装置中q 值都大于5 ，一般为5 1 0 之间。 如果电流频率是可变的，则并联电路中个参量与频率的关系将图2 1 0 所示。应 该指出图中x 为2 中的电抗，当r 很小可以忽略时： 三 x 羔墨。声( 2 3 5 ) x l + x c 为方便起见，将谐振时的阻抗关系综述如下： 尺d q 2 尺一上c r ：一击； 鼍一啦一q r ；x c 一以iq r q ； i ni 警e ；i ci i l - q i n 一飘k 夕 埘 t o o l 飞一 7 x l 图2 1 0 并联电路中各参数与频率的关系 2 2 3 串联谐振逆变器工作状态分析 ( 2 3 6 ) 串联谐振型逆变器的输出电压为近似方波，由于电路工作在谐振频率附近，使 振荡电路对于基波具有最小阻抗，所以负载电流，近似正弦波，同时，为避免逆变 1 6 居焉 v互 _z p 日伍 华北电力大学硕士学位论文 器上、下桥臂间的直通，换流必须遵循先关断后导通的原则，在关断与导通之间必 须留有足够的死区时间。图2 1 1 分别示出容性负载和感性负载的输出波形。当串联 谐振逆变器工作在容性负载时，它的波形见图2 1 1 ( b ) ，由图可见，工作在容性负 载状态时，输出电流的相位超前于电压相位，因此在负载电压仍为正时，电流先过 零，上、下桥臂间的换流则从上( 下) 桥臂的二极管换至下( 上) 桥臂的m o s f e t 。由 于m o s f e t 寄生的反并联二极管具有慢的反向恢复特性，使得在换流时会产生较大 的反向恢复电流，而使器件产生较大的开关损耗，而且在二极管反向恢复电流迅速 下降至零时，会在与m o s f e t 串联的寄生电感中产生大的感生电势，而使m o s f e t 受到很高的电压尖峰的冲击。 u ， t i 八 7 ( a ) 感性负载 u ， t l 。 i 趴叭 。7 图2 1 1 逆变器输出波形 + s - 五= i c js 2i l d 坠鱼 一d = i l i d l r r 1 s 、 忑= 净c 3s ， 上j d - ( a ) 蕊= c 2 d 2 击：；= c ， d j + s 娃子c - & 、 一 l us 一 t d 一 ( c ) ( b ) 容性负载 + s i ； 丑c - 叭 嘶 坠鱼 一d = l u d j l c州r 忙f 1 s 4 ； 丑c s ，j ( b ) 图2 1 2 感性负载状态换流过程 1 7 ( d ) 华北电力大学硕士学位论文 ， t ，j ，4 口l b ，cj ，c 一 ，c ，l - | i t ，一一 一一l i ，- 一， u 一、一一一一一 t ，c ，o ， 乜 一一 ，c 之 ， ， o 、( ，i t2t - 图2 1 3 小感性状态下换流模式电压、电流波形图 在小感性换流模式下，逆变器的工作频率略高于谐振负载的固有谐振频率，即 负载电流i f i 滞后于负载电压u h 一个电角度妒，换流过程中各元件的电压、电流波形 简图如图2 1 3 所示，其中t d 。d = t 3 t o 为触发脉冲的死区时间，t 4 为负载电流的换向时 刻。触发脉冲的死区时间，t 4 为负载电流的换向时刻。 1 ) 状态1 ：t t o 此时s l 、s 3 导通，s 2 、s 4 截止，c l 、c 3 的电压为零，c 2 、c 4 的电压为直流桥电压 u d ，续流二极管d 1 、d 2 、d 3 、d 4 都处于截止状态。谐振逆变器工作状态如图2 1 2 ( a ) 所示，图中c 1 、c 2 、c