串聯(lián)諧振式中頻感應(yīng)加熱電源的研究與設(shè)計(jì)

李 昂，王今朝，鄧雅心

（1.陜西理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，陜西 漢中 723001；2.國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，青海 西寧 810000）

0 引 言

冬天溫度過低容易導(dǎo)致儲(chǔ)油罐中的原油凝固，不便于運(yùn)輸和油水分離。因此需要給油罐加熱，使原油溫度保持在50 ℃左右，此時(shí)的粘稠度最好。傳統(tǒng)的加熱方式有電加熱棒加熱、電加熱膜維溫加熱以及蒸汽加熱等。其中，電加熱棒體積小且易操作，電加熱膜維溫加熱和蒸汽加熱相較于電加熱棒加熱面積大且加熱時(shí)間短。但這些方法都是采用工頻電源進(jìn)行直接或間接加熱，普遍存在加熱效率低、電耗大以及工作狀態(tài)單一等缺點(diǎn)[1,2]。而中頻電源（頻率為0.4～30 kHz）具有效率高和耗能小等特點(diǎn)，能很好解決上述問題。按照逆變電路結(jié)構(gòu)的不同，中頻電源可分為串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振以及復(fù)合諧振3種類型。文獻(xiàn)[3]中使用頻率為2 000 Hz的復(fù)合諧振中頻電源對(duì)油罐入口加熱。根據(jù)出油量的不同，每天比工頻電源節(jié)約電能500～1 000 kW·h，加熱時(shí)間也大大縮短。此外，該電源可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)，降低損耗，但不適合于頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合。冬天室外環(huán)境惡劣，針對(duì)企業(yè)用戶油罐加熱的具體要求，本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低以及可頻繁啟動(dòng)的串聯(lián)諧振式中頻感應(yīng)加熱電源，以滿足冬天室外油罐的加熱需求。

1 中頻加熱原理

中頻電源工作頻率為0.4～30 kHz，加熱原理是感應(yīng)加熱。當(dāng)電源輸出頻率較高的交流電流過感應(yīng)線圈時(shí)，形成交變磁場(chǎng)，感應(yīng)出電壓，在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流，進(jìn)而產(chǎn)生熱量，實(shí)現(xiàn)加熱的目的。設(shè)感應(yīng)線圈匝數(shù)為N，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

其幅值為Em=Nφmω=2πNφmf，有效值為。交變電路頻率大小決定了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小。當(dāng)交流電頻率越高時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越強(qiáng)，集膚效應(yīng)就越明顯。穿透深度公式為：

式中，ρ為導(dǎo)體電阻率；f為交流電頻率；μ為相對(duì)磁導(dǎo)率。由公式可知，頻率越高，穿透深度越小[4]。

2 設(shè)計(jì)方案

3種類型中頻電源的特性對(duì)比如表1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本文采用20 kHz的串聯(lián)諧振式電路，電源功率為20 kW，功率因數(shù)cosφ=0.9，效率達(dá)90%以上，圖1為系統(tǒng)總體框圖。工頻交流電經(jīng)三相不控整流電路變?yōu)橹绷麟姡瑸V波后再經(jīng)串聯(lián)諧振逆變電路使其變?yōu)轭l率20 kHz的交流電。輸出電流和電壓經(jīng)采樣電路進(jìn)入DSP，通過PI算法得到反饋量，進(jìn)而控制輸出功率和頻率。

表1 3種類型中頻電源的特性對(duì)比

2.1 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 整流電路參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.2 逆變電路參數(shù)設(shè)計(jì)

電路諧振頻率為20 kHz，通頻帶可取為4 kHz。品質(zhì)因數(shù)，功率因數(shù)cosφ=0.9，逆變電路輸入電壓為540 V，則輸出電壓UVT=0.816Ud≈440 V，輸出電流為：

考慮到安全裕量，IGBT參數(shù)選取150 A/1 500 V。

發(fā)生諧振時(shí)，電路中電感兩端電壓與電容兩端電壓幅值相等，方向相反。當(dāng)Q=5時(shí)，UL=UC=QUVT≈2 200 V，此時(shí)電感感抗等于電容容抗，可得：

2.2 電源系統(tǒng)控制方案

電源系統(tǒng)控制方案主要包括輸出功率控制和頻率控制兩部分。電源系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

2.2.1 輸出功率控制

為了能夠?qū)崿F(xiàn)恒定輸出功率，提高工作效率，需要采樣輸出電流和電壓。經(jīng)DSP的AD轉(zhuǎn)換計(jì)算出系統(tǒng)的反饋功率，將其與設(shè)定功率進(jìn)行比較，得到差值后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，從而得到新的功率控制量，最后將其轉(zhuǎn)換為逆變器的移相角度，輸出恒定功率。

圖2 電源系統(tǒng)控制框圖

2.2.2 頻率控制

輸出頻率波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致加熱效果變差。為了使整個(gè)系統(tǒng)保持在20 kHz頻率附近，可使用電流過零同步技術(shù)跟蹤頻率[5,6]。負(fù)載電流經(jīng)過方波轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)為同頻率的方波電壓，再經(jīng)過相位補(bǔ)償計(jì)算后送入DSP的ECAP端口。此時(shí)，DSP開始計(jì)算方波上升沿，電壓（電流）過零。當(dāng)ECAP連續(xù)捕捉到兩次上升沿時(shí)，計(jì)算兩次上升沿間隔就能得到負(fù)載頻率。位關(guān)系可以分為諧振移相控制、容性移相控制以及感性移相控制3種。

感性移相調(diào)功適用于中小功率器件或單極性功率管，會(huì)有強(qiáng)制換流過程，可能引起電壓尖峰破壞開關(guān)器件。諧振移相調(diào)功在工作時(shí)，所有開關(guān)都處于硬開關(guān)下，器件的開關(guān)損耗很高，所以實(shí)際設(shè)計(jì)中基本不使用。容性移相調(diào)功適用于大功率器件或雙極性功率管，換流過程平緩，不會(huì)引起電流電壓尖峰[9]。因此，本文采用容性移相PWM調(diào)功。

2.3 功率調(diào)節(jié)方案

逆變側(cè)功率調(diào)節(jié)采用移相PWM調(diào)制法[7,8]。通過改變輸入脈沖的相位改變逆變器的輸出基波電壓，可以起到調(diào)節(jié)輸出功率的作用。該方法可以利用自然換相點(diǎn)使器件工作在軟開關(guān)狀態(tài)，降低損耗。功率調(diào)節(jié)方案根據(jù)移相調(diào)功中輸出基波電壓和輸出電流的相

3 移相調(diào)功仿真

仿真主電路如圖3所示，用540 V直流電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻代替整流模塊。其中，R=11 Ω，L=0.42 mH，C=0.15 μF。

圖3 仿真主電路

鎖相及移相控制模塊如圖4所示，逆變脈沖觸發(fā)信號(hào)取負(fù)載電流過零時(shí)刻為基準(zhǔn)信號(hào)。電源啟動(dòng)時(shí)負(fù)載無電流，需用外部它激信號(hào)做觸發(fā)脈沖，經(jīng)兩個(gè)周期后轉(zhuǎn)換為自激觸發(fā)信號(hào)。脈沖發(fā)生器頻率20 kHz。

圖4 鎖相及移相控制模塊

移相角45°、60°以及120°時(shí)的波形圖分別如圖5、圖6以及圖7所示。電壓波形為方波，電流波形為正弦波。

圖5 移相角45°波形圖

圖6 移相角60°波形圖

圖7 移相角120°波形圖

從波形可以看出，隨著移相角度的增加，負(fù)載電流頻率降低，說明系統(tǒng)工作在容性狀態(tài)。在0.2 s時(shí)增加一個(gè)感性負(fù)載，目的是為了驗(yàn)證負(fù)載受擾動(dòng)后，電源能否繼續(xù)正常工作。在不同移相角的情況下，負(fù)載受擾動(dòng)后均回到了穩(wěn)定狀態(tài)，電流和電壓波形均能保持平穩(wěn)。不同負(fù)載的情況下，逆變器工作頻率當(dāng)移相角為0°時(shí)最大，接近諧振狀態(tài)。隨著移相角增大，逆變器工作頻率不斷降低，輸出電流幅值降低，說明輸出功率隨著移相角增大而減小，符合移相調(diào)功的特性。容性移相調(diào)功方式使電源的頻率保持在諧振頻率附近，電源效率得到提高，同時(shí)避免因頻率波動(dòng)產(chǎn)生的電能損耗[10,11]。

4 結(jié)果比較

現(xiàn)有企業(yè)使用某型號(hào)油罐，長為6 m，直徑2.5 m，體積20 m3，裝滿油重16 t。原油比熱容隨溫度變化的曲線如圖8所示。

圖8 原油比熱容隨溫度變化曲線

圖8中將原油比熱容大致分為3段，對(duì)應(yīng)的溫度范圍分別為0～30 ℃、30～40 ℃以及40～50 ℃，比熱容分別取2.4×103J/（kg·K）、2.5×103J/（kg·K）、2.1×103J/（kg·K）。將原油從-5 ℃加熱到50 ℃所需能量由公式Q=C油mΔT可得：

又已知1 J=2.778×10-7kW·h，因此總共所需電能為W=588.936 kW·h[12]。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種中頻加熱電源。其相較于傳統(tǒng)加熱具有效率高、耗能低以及加熱快等優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際運(yùn)用中頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合，采用串聯(lián)諧振式逆變電路，選擇容性移相PWM調(diào)功，通過計(jì)算并進(jìn)行Matlab仿真來驗(yàn)證方案的可行性。經(jīng)研究可知，該方案不僅可以應(yīng)用在油罐加熱，而且經(jīng)過調(diào)整和改善，還可應(yīng)用于大型器件的表面淬火和深層加熱等場(chǎng)合，因此研究中頻加熱具有一定的參考意義。