感應加熱電源常見調功方式的探討

【摘要】隨著電力電子技術的發展，感應加熱技術也迅速發展。尤其是數字技術的發展，使感應加熱電源的調功技術有了新突破。本文主要對感應加熱電源常見的幾種調功方式進行比較，并對各種方案的優缺點及適用場合進行了分析。

【關鍵詞】感應加熱技術；電源；調功方式

1.引言

感應加熱技術主要是利用電磁感應原理來對工件進行加熱，它采用的是非接觸式加熱方式。由于感應加熱過程中，能量的傳遞是以電磁波的形式進行的，所以受外界的干擾小，能量的擴散少，大大提高了能量的利用，提高了加熱的效率，使感應加熱在釬焊行業、淬火行業、退火行業、金屬熔煉熱處理、機械制造、輕工及電子類的加工等現代工業生產中得到了廣泛的應用。感應加熱電源在實際應用中需要根據負載等效參數隨溫度的變化和加熱工藝的需要，隨時對感應加熱電源輸出功率的進行調節，所以選擇合適的調功方式對于感應加熱電源來說非常重要。

2.感應加熱電源常見的調功方式

目前，感應加熱電源的功率調節方式可分為兩大類：直流調功和逆變調功兩大類。直流調功是對逆變器直流側的輸入電壓進行調節，達到調節感應加熱電源的輸出功率的目的。直流調功主要有晶閘管相控整流調壓調功和直流斬波調壓調功兩大類。逆變調功是指通過對逆變器開關管的控制，來實現輸出功率的調節。逆變調功常用移相脈沖寬度調制（PS-PWM）調功，脈沖頻率調制（PFM）調功，脈沖密度（PDM）調功等方式。

3.各種調功方式的特點和適用場合

（1）晶閘管相控整流調壓調功

晶閘管相控整流技術是指通過調節晶閘管的導通角，使其輸出電壓值連續可調，實現系統的功率調節，在感應加熱系統中，一般采用三相橋式相控整流電路，如圖1-1所示。這種調功方式已經比較成熟，成本較低。但是，晶閘管相控整流調壓電路在控制角較大的情況下，輸入功率因數很低，輸入電流波形為尖峰脈沖，諧波含量很高，對電網形成了較大的污染。而且晶閘管整流調壓電路的EMI非常大，對周邊的電氣設備以及自身的控制電路將產生較大干擾。因此，晶閘管相控整流電路一般應用在早期的感應加熱系統中。

圖1-1 三相晶閘管相控整流電路圖

圖1-2 采用直流斬波調壓調功方案感應加熱電源主電路

（2）直流斬波調壓調功

直流斬波調壓調功是指在直流母線側采用降壓斬波電路，通過改變占空比D的大小來調節直流輸出電壓Ud，實現對輸出功率的調節。圖1-2所示為采用直流斬波調壓調功的感應加熱電源的主電路。

從圖1-2中可以看出，該調功方式采用二極管不可控整流電路，和以前的晶閘管相控整流電路相比提高了電網側功率因數，減小了對電網的污染。但是Buck電路中的功率開關器件在接通和斷開時，在其器件上同時存在電壓和電流，損耗比較大，所以不適于應用在高頻及大容量系統中。此外，由于感應加熱電源需要增加額外的斬波電路及其相應的控制回路，使得感應加熱電源成本提高。

（3）脈寬調制（PWM）調功

采用脈寬調制（PWM）調功方式的感應加熱電源主電路如圖1-3所示，其是通過調節逆變電路上開關管的一個周期內導通時間即改變其輸出方波的占空比從而改變輸出功率。這種方法等同普通開關電源的調制方法，調節線性好，范圍大，但是不容易實現軟開關。

圖1-3 采用脈寬調制（PWM）調功方案的

感應加熱電源主電路

（4）移相脈沖寬度調制（PS-PWM）調功

移相脈沖寬度調制（PS-PWM）調功電路是通過改變電角度Φ調節輸出電壓，從而調節輸出功率。這種調功方式是控制主電路中逆變器四個開關器件VT1～VT4驅動脈沖來實現的，如圖1-4所示。VT1，VT3不同時導通，VT1先導通，VT3后導通，兩者相差電角度Φ，VT4，VT2分別滯后于VT1，VT3180O。通過調節電角度Φ。實現功率的連續調節，并有較寬的功率調節范圍，并且開關器件損耗小。但是輕載時，電角度增大，輸出電壓脈沖寬度變小，輸出電流變成近似三角波，諧波成分嚴重。還有正常工作時，該電路需要通過鎖相電路使逆變器工作在諧振狀態，實現頻率跟蹤有一定難度，容易發生失鎖的現象。

圖1-4 PSPWM控制時觸發脈沖波形

（5）脈沖頻率調制（PFM）調功

脈沖頻率調制方式的原理是通過改變逆變器輸出的角頻率，進而調節負載的等效輸出阻抗的大小來實現輸出功率的調節。當負載阻抗的R、L和C保持不變時，負載阻抗和逆變器的開關頻率f有關，圖1-5為串聯諧振電路的負載頻率特性。

圖1-5 串聯諧振電路的負載頻率特性

由圖1-5可以看出：當時，逆變器工作在串聯諧振狀態，輸出功率最大；當頻率低于或者高于諧振頻率時，逆變器負載的等效阻抗變大，輸出功率變小。PFM調功電路控制簡單，易于調節，但是PFM調功方式中開關管工作在硬開關狀態，損耗較大，功率因數低，效率低，所以不適應于高頻的感應加熱電源。

（6）PDM調功

PDM調功方式的主電路與移相脈沖寬度調制（PS-PWM）調功方式的主電路相似，基本工作模式如圖-6所示。VT1、VT3和VT2、VT4輪流驅動導通若干周期后，再封鎖VT1、VT2柵極驅動信號若干周期，同時分別驅動VT3、VD4和VT4、VD3輪流導通，形成輸出電流i的續流回路，以保證電路諧振工作。

圖1-6 PDM控制方式原理圖

PDM調功方式的優點是輸出頻率基本不變。可以實現功率開關器件的軟開關，開關損耗小，功率因數接近于1，易于實現數字化控制，所以比較適合于高頻感應加熱電源的應用，但PDM調功方式屬于有級調功，輸出電流的波動比較大，尤其在輕載的情況下，將出現電流斷續的情況，并且鎖相有一定的難度。

從以上對各種常見的調功方式的分析，我們可以發現，每種調功方式都有自己的優缺點，現在人們對各種調功方式進行改進，得到了很多新的調功方法，比如脈沖密度-移相（PDM-PSM）復合調制調功、復合脈沖密度（CPDM）調功等等。根據感應加熱電源負載的實際情況，我們選擇最適合的調功方式。

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本文為江蘇省現代教育技術研究2012年重點課題《現代信息技術與五年制高職電子類課程整合的實踐研究》成果之一。

作者簡介：任瑋（1976—），女，大學本科，畢業于江南大學通信控制工程學院，工學碩士，講師，現供職于江蘇聯合職業技術學院無錫機電分院自動化工程系，研究方向：電氣控制。