中頻感應加熱電源的研究

高康

【摘 要】 電磁感應原理與渦流現象的提出與發現使得加熱技術得到了飛速發展。根據輸出頻率的不同可分為低、中，高三種形式。其中中頻感應電源被廣泛應用于熔煉、焊接、淬火等行業。因此對中頻感應加熱電源的研究還是有必要的。

【關鍵詞】 中頻感應 加熱電源 原理

一、中頻感應加熱電源的發展現狀

早在 19 世紀末期，瑞典的科學研究人員就發明了世界上第一臺感應熔煉爐（開槽式有芯爐），美國人不甘落后于1916年發明了世界上第一臺閉槽式有芯爐。從那時開始，感應加熱不再停留在理論研究。而是開始進入了社會實踐階段。終于在 1927 年，英國電爐公司（EFCO）邁開了將中頻感應加熱應用到工業實際中的第一步，在謝爾德安裝了第一臺中頻感應加熱爐。從那以后，大量的感應加熱裝置得到了平穩快速的發展。

20 世紀中后期，半導體器件迎來了它的春天。半導體器件在那短短的一段時間內快速發展。半導體器件的發展同時也帶動了感應加熱電源的發展。1957 年以后感應加熱技術開始了它的新紀元。瑞士和西德于1966年將晶閘管作為功率元件應用到感應加熱設備中去。到了上個世紀 80 年代，電力電子元器件可謂是蓬勃發展，先后研制出了GTO、IGBT、MOSFET、MCT、SIT等器件。這些新器件的研制與試驗成功，讓感應加熱設備對電力電子功率器件的選擇從以前的單一，變成了多種選擇。

相對于國外而言，我國對于感應加熱電源裝置的研究相對較晚。并且我國的第一臺感應加熱裝置并非我國自主研發的。而是在1956年從當時的蘇聯進口來的，應用在汽車制造業上。但是后期我國也開始了自己的中頻電源的研究，最終浙江大學在20世紀70年代采用晶閘管研制出了我國的第一臺中頻電源，這就結束了我國的中頻電源進口的時代，預示著我國能夠自主研發中頻電源，開啟了我國研究中頻感應加熱裝置的先河。

二、感應加熱電源結構及原理

（一）感應加熱電源結構

如圖 2.1 的結構框圖所示，本次設計是將工頻的三相交流電經過整流器將其改變為直流電，而后再通過逆變技術再回到交流電。因為電網提供的電是工頻的電，與負載所需電源是不匹配的，只能夠先將其通過整流技術變成直流電，而后再通過逆變電路轉換為交流電，在此就可以通過控制逆變電路的元器件的導通與關斷，來提高交流電的頻率。設計完成主電路后，為了滿足各電路之間的相互聯系，開始設計控制電路，控制電路依據輸出電源頻率反饋給頻率跟蹤器的結果，來實現對驅動電路與保護電路的控制，從而保證輸出電源的頻率符合現場的負載需求，同時保證相關電路能夠正常工作，各元器件不會因為某些突發情況而被燒毀，保證了電路的可靠性。

（二）整流電路原理。目前直接更改電網中交流電源的頻率是很難的。即交-交變頻的實現程度相對而言還是很難的。通常是采用交-直-交的變頻方式。電網中給的電壓頻率是恒定的，中國的電網頻率為50Hz，是由發電機的轉速決定的。如果說改變電網中交流電的頻率，最簡單的方式就是通過改變發電機的轉速，發電機的轉速越快，電網中的頻率就越高。顯然這種方法是不可行的。民用電的基數仍然是很大的。交-直-交的變頻方式，是將電網中的交流電壓通過整流與濾波電路進行處理后變成直流電壓，然后將所得到的直流電壓通過逆變電路再變成交流電壓，此時可以通過改變逆變電路中的電力電子元器件的開關頻率來實現對頻率的控制。所以為了獲得高頻的輸出電壓首先要對電網中的電壓就行整流。

因為中頻感應加熱電源中的整流只是為了獲得一個直流電壓，對所得到的電壓波形要求并不是很高。因此整流電路選用三相不控整流電路。既然是三相不控整流電路，所以電力電子元件選用的是不可控的功率二極管。為了實現全橋控制， 功率二極管的個數應該是6只。功率二極管的整流原理，是利用二極管的單向導電性來實現的。當功率二極管的陽極電位高于陰極電位時，功率二極管就導通， 反之則關斷。通過這種整流方式對電網產生的污染基本可以忽略，并且不控整流產生的諧波電壓與電流相較于半控型與全控型的整流電路要少很多。基于上述的優點，現代感應加熱電源中的整流環節大多采用三相不控整流電路。

（三）逆變電路分析。逆變電路是感應加熱電源的關鍵。因為輸出電源的頻率就是通過改變逆變電路中各元器件的通斷頻率決定的。因為本次設計的是中頻感應加熱電源，因此在選擇電力電子元器件時一定要充分考慮它的開關頻率。通過對其他的電力電子元器件的仔細研究發現IGBT的總體性能還是比較好的，盡管它的功率等級小于晶閘管，且開關頻率小于MOS管。但是 IGBT 的開關頻率是能夠滿足中頻感應電源的設計要求的。因此最終選擇IGBT 作為本次設計逆變電路中的電力電子元器件。

確定了逆變電路所使用的元器件后，根據逆變電路的結構不同，可以劃分為并聯諧振式逆變電路與串聯諧振式逆變電路。接下來的工作就是通過對比，選擇合適的逆變器的拓撲結構。

（四）感應加熱負載槽路分析。這里所指的理想狀態下的LC 諧振電路，是將電路中的各種元器件都看作是理想狀態，不考慮其他的因素。即在電路在上電后不會有其他任何附加損耗。如果電路中有一個直流電源在進行供電時，電路則會在它本身所固有頻率下永遠地自由振蕩。如圖2.2所示。

結 論

隨著人們的環保意識的增加，傳統的火煤加熱的形式已經被淘汰了。人們迫切需要一種新形式的加熱模式。感應加熱電源應運而生。由于本人對加熱電源方面知識認知的較少，難免在設計時有一些不合理的地方，希望以后步入工作崗位后能夠在實踐中去發現并改正不合理的地方。

【參考文獻】

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