基于LLC諧振的鋁型材感應加熱裝置設計

曲延昌

QU Yan-chang

（山東工業職業學院 電氣工程系，淄博 256414）

0 引言

鋁塑共擠的基本工藝是在一定的溫度與壓力下，將融化的PVC樹脂混合料與帶燕尾槽結構的鋁型材骨架擠合成一體，在鋁型材表面包覆一層泡孔均勻、密度合適的微發泡塑料，形成一次擠出成型的門窗建材。由于鋁塑共擠型材具有優良的保溫性能和隔音效果，也具有很好的機械強度和抗蝕性等優點，近幾年，在高檔建筑領域應用越來越多。然而，受生產設備技術水平的限制，目前鋁塑共擠型材的質量仍存在一定問題，最突出的是鋁型材燕尾槽內PVC料填充不足，在楔角處產生空隙，造成這種質量問題的最直接原因是鋁型材骨架在進入擠出機前溫度過低，PVC母料流體在受擠過程中遇冷變硬。根據實地考察，目前各地生產線用的鋁型材加熱有以下兩種方式：1）循環熱風加熱，熱源一般采用強力熱風槍、電熱絲等。進入擠塑機之前，鋁型材經過加熱腔時，在與熱空氣接觸的過程中，整體被加熱。由于燕尾槽的楔角是受熱盲區，以致局部溫度偏低，擠出的型材在燕尾槽的楔角處很容易形成大小不一的空隙，產品質量受到影響。如果簡單地將熱空氣的溫度提高，鋁型材骨架受熱后其機械強度降低，在推進過程中極易發生骨架彎曲，輕則降低產品品質，重則釀成生產事故。2）感應加熱，利用現有的熱處理設備對鋁型材骨架進行加熱，這種適合于鐵質等導磁材料的感應加熱設備對鋁的加熱效果很差，難以獲得滿意的費效比。文中提出的感應加熱設備包括一只特殊結構的加熱器，采用橫向磁通耦合技術，專門適合于對鋁型材加熱。在電路上通過合理的參數搭配，消除了這種線圈的漏感對加熱效果的影響。采用具有零壓開關技術的單相全橋逆變器，降低了功耗。實驗已經證明，這一裝置的加熱效果和經濟性均令人滿意。

感應加熱裝置包括加熱器和電氣控制電路兩大部分。前者需要合理的結構設計，實現電、磁、熱的轉換。后者則是根據介質參數設計出相應的電路，使效率最大化。

1 加熱器結構與參數

根據感應加熱的基本原理，目前，對鐵質等導磁材料的加熱，通常采用縱向磁通耦合技術，即磁感線方向與工件的行進方向是重合的。對非導磁材料的加熱，比如工業上應用廣泛的鋁、銅等，則采用橫向磁通耦合技術對其進行感應加熱，即磁感線方向與工件的行進方向是垂直的[1～3]。

針對鋁型材加熱設計的加熱器包括勵磁線圈和磁路。

1.1 磁路結構

圖1是磁路結構。當線圈通以高頻交變電流i時，會產生圖示參考方向的交變磁通φ，鋁型材的移動方向A與磁通φ方向垂直。

圖1 磁路結構

磁芯構成了主磁路的主要部分。氣隙是鋁型材的通道。磁路中氣隙的存在，導致了線圈的漏感，為保證在一定的氣隙長度上通過盡可能多的磁通，應設法降低磁路磁阻，如加大磁芯的有效面積。

為延長加熱時間，方向A上的長度應優先予以考慮，這樣可獲得較好的加熱效果。

1.2 電氣參數

根據文獻[2]，勵磁線圈與工件間的能量耦合關系可用變壓器模型描述，得出感應加熱的負載模型。

圖2 負載模型及其等效電路

在圖2中，r是勵磁線圈的電阻，Llk是線圈的漏感，Lm是線圈的勵磁電感，T相當于一只變比為n：1的變壓器，Ro是鋁型材的渦流電阻。Req是渦流電阻折合到一次側的等效負載電阻。L'm和R'eq是圖2（b）中Lm和Req的串聯等效電路，顯然有：

如果鋁型材從磁路氣隙中拿出，變壓器T二次側相當于開路，此時測出的電感是漏感與勵磁電感之和，電阻是線圈的內阻。

測量結果如表1所示。

表1 測量結果

運用MATLAB求解：

2 電路結構

2.1 LLC諧振變換器

圖2所示的模型中，Llk是這種加熱器磁路結構所固有的，完全可以看成是磁集成變壓器的一部分。為消除線圈漏感對電磁轉換的影響，采用LLC變換器是最佳選擇。圖3是這種變換器的原理接法，電容Cr與加熱器負載串接[5]。

圖3 LLC諧振變換器

根據文獻[5]，這種變換器有兩種頻率，分別是：

通常情況下，只要工作頻率高于f1，變換器就可以實現零壓開關（ZVS）。綜合考慮變換器功率開關的頻率范圍限制和輸出功率等因素，Cr的容量選為30nF，采用Cr與Llk諧振，變換器阻抗圖如圖4所示，可以明顯看出，諧振點頻率在22.875kHz附近。

圖4 LLC諧振變換器阻抗圖

2.2 主電路結構

整個感應加熱裝置的主電路結構如圖5所示。智能晶閘管DB1負責對直流母線電壓UDC進行調整。VT1～VT4是逆變橋的功率管。Cr是諧振電容，選用的是高耐壓大電流的電熱型薄膜電容。虛線框內的是線圈及負載。逆變橋功率管采用恒頻驅動，通過調整直流母線電壓實現調功。

圖5 主電路結構

3 實驗結果

設計的加熱裝置性能指標如下：直流母線電壓320V～480V（智能晶閘管可調輸出），輸出功率10.2kW（最高）。變換器工作頻率22.95kHz。圖6是逆變橋一只功率管的開關波形，波形（上）是IGBT管的驅動波形，為安全起見，采用負壓偏置。波形（下）是IGBT管C、E兩端的電壓波形。可以明顯看出，IGBT管在零壓下開通、在零壓下關斷，屬于零壓（ZVS）開關，整個逆變橋具有較高的效率。

圖6 功率管開關波形

圖7 是輸入功率比較圖。在同一出口溫度和線速下，本裝置與熱風機對同種型號的型材進行加熱，以便進行比較。從圖中可看出，不論對哪種型號的型材進行加熱，本裝置的輸入功率都小于熱風機的，可以得出這樣的結論：本裝置具有明顯的節電效果。

圖7 輸入功率比較

4 結論

本設計根據工質的特性，通過對磁路進行分析，提出的設計方案，實現了對鋁型材的加熱，體現出了感應加熱的優點，可作為對其他非導磁材料進行感應加熱的參考。對漏感較大磁路的處理，在電路上，根據LLC變換器的基本原理，將外接電容與漏感構成諧振環節，有效地消除了漏感對變換器工作的影響，這一點，對其他設計（如非接觸充電）也有一定的借鑒意義。

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