中頻感應(yīng)加熱電源的設(shè)計(jì)

王見(jiàn)樂(lè)

本文旨在設(shè)計(jì)一2.5kHz/250 KW可控硅中頻感應(yīng)加熱電源，介紹其整流電路逆變電路以及控制、保護(hù)電路。整流電路采用三相橋式全控整流電路，逆變電路采用電壓型串聯(lián)諧振電路，控制策略選用雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，保護(hù)采用電流、電壓保護(hù)。

1 加熱電源基本主電路結(jié)構(gòu)

感應(yīng)加熱是依據(jù)電磁感應(yīng)的原理，利用導(dǎo)體處于交變的電磁場(chǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流（渦流）所形成的熱效應(yīng)使導(dǎo)體自身發(fā)熱。因此加熱的效率高、速度快和可控性好，所以容易實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱，應(yīng)用范圍較廣。感應(yīng)加熱電源根據(jù)加熱工藝的要求，采用不同的頻率，本文采用中頻（60-10000Hz）加熱電源，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。是由濾波器、整流器、逆變器和一些控制、保護(hù)電路組成的。

感應(yīng)加熱電源三項(xiàng)整流器采用六脈動(dòng)的晶閘管整流。逆變器用電壓型逆變電路，主要考慮，使用IGBT的電流源的逆變器中，有換相電感的存在，會(huì)使逆變器產(chǎn)生浪涌電壓，從而使器件的開(kāi)關(guān)損耗相對(duì)增加，甚至可能會(huì)引起功率器件的擊穿，且負(fù)載采用串聯(lián)諧振式。雖然并聯(lián)諧振式負(fù)載，保護(hù)容易實(shí)現(xiàn)，但在中高頻設(shè)備中，由于并聯(lián)諧振需要加附加啟動(dòng)電路，同時(shí)串聯(lián)諧振的感應(yīng)加熱線圈離逆變電源較遠(yuǎn)，對(duì)輸出功率的影響較小，綜合考慮，采用串聯(lián)諧振式負(fù)載。

在感應(yīng)加熱中，逆變器的電壓源一般是由大電容加整流器構(gòu)成的。由于電容值比較大，因此近似認(rèn)為逆變器的輸入端的電壓固定不變。交替開(kāi)通和關(guān)斷逆變器上的可控器件便可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電壓，電壓的幅值是由逆變器輸入端的電壓值決定的，而頻率是由器件的開(kāi)關(guān)頻率決定的。對(duì)于串聯(lián)諧振電路，由于工作在諧振頻率的附近，會(huì)使振蕩電路對(duì)于基波具有最小的阻抗，因此負(fù)載電流i近似為正弦波。為避免逆變器上、下橋臂間的直通，換流時(shí)遵循先關(guān)斷后導(dǎo)通的原則，在關(guān)斷和導(dǎo)通之間必須留有足夠的死區(qū)時(shí)間。

濾波器采用Ⅱ型濾波器。兩個(gè)性能完全相同的電解電容串聯(lián)，來(lái)減小單個(gè)電容承受的電壓，且用兩個(gè)大小相等的電阻并在電容兩端，對(duì)兩電容起均壓的作用。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制電路包括整流控制、逆變控制、保護(hù)電路等電路。整流控制電路的任務(wù)就是依據(jù)各種輸入信號(hào)（給定、故障等）的綜合情況發(fā)出寬度適中的脈沖，便于能輸出合適的直流電壓。整流控制電路包括同步電源電壓電路、觸發(fā)信號(hào)電路、電流檢測(cè)電路、濾波電路、比較控制電路、相位移動(dòng)控制電路等；逆變電路包括鎖相環(huán)電路、電壓檢測(cè)電路、濾波電路、啟動(dòng)移位控制電路、開(kāi)通、關(guān)斷信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、死區(qū)形成電路。在串聯(lián)諧振型中必須存在的便是死區(qū)形成電路，有的集成驅(qū)動(dòng)模塊中包含有其單元，再次設(shè)計(jì)時(shí)就可以省略掉；有的雖然含有延遲的環(huán)節(jié)，但是時(shí)間很短，需要另外加延遲。控制策略決定的是驅(qū)動(dòng)電路所產(chǎn)生的脈沖的次序和占空比，采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。硬件主要是由集成驅(qū)動(dòng)模塊和一些外圍的電路組成，也有是純模擬的電路搭成，還可以是數(shù)字、模擬電路共同合成。跟蹤負(fù)載的諧振頻率是鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)的，從而達(dá)到控制逆變電路的工作頻率。采樣電壓一般是取自負(fù)載與電容兩端，這是因?yàn)殡娙輰?duì)高次諧波的阻抗較小，其端電壓的高次諧波的分量最小，基波的分量最大。以這個(gè)信號(hào)來(lái)作為反饋，就能夠有效地降低高次諧波的干擾，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地跟蹤諧振頻率f0，再加上合適的偏置電路，就可以使工作頻率稍微高于諧振頻率。保護(hù)電路的主要任務(wù)就是防止過(guò)電流、短路保護(hù)。

3 保護(hù)電路

保護(hù)電路有過(guò)流保護(hù)，過(guò)壓及緩沖電路保護(hù)等。

由于電力電子器件承受過(guò)流能力較差，因此，采用過(guò)流保護(hù)。過(guò)流保護(hù)采用快速熔斷器、快速直流開(kāi)關(guān)和電子電路來(lái)實(shí)。過(guò)壓及緩沖電路保護(hù)是用阻容元件的吸收和消耗產(chǎn)生過(guò)壓的能量，或者是選用非線性的元件限制過(guò)壓的幅度和用電子電路來(lái)實(shí)施等一些抑制過(guò)壓的保護(hù)，對(duì)于啟動(dòng)電流的限制，通過(guò)加電抗器的方式實(shí)現(xiàn)。

4 總結(jié)

本文對(duì)2.5kHz/250KW可控硅中頻感應(yīng)加熱電源的整流電路以及控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其中，整流電路采用三相橋式全控整流電路，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使電源易于推廣；控制策略選用雙閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，改善了信號(hào)遲滯的缺點(diǎn)；逆變電路采用電壓型逆變，使控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單，且容易實(shí)現(xiàn)控制，必要時(shí)可采取PWM控制技術(shù)。

（作者單位：湖北文理學(xué)院）