一種感應(yīng)加熱電源的設(shè)計(jì)

0 引言
感應(yīng)加熱電源發(fā)展至今在中、低頻段已經(jīng)比較成熟，雖然新型大功率電力電子器件已取代傳統(tǒng)的晶閘管，但仍然存在不少問(wèn)題，比如負(fù)載匹配、頻率跟蹤、高頻化的實(shí)現(xiàn)，高功率因數(shù)和低諧波，大容量帶來(lái)的器件的串聯(lián)均壓與并聯(lián)均流問(wèn)題等。電力電子器件本身的發(fā)展對(duì)這些問(wèn)題的解決起著很大的作用，同時(shí)，從控制方面也有待人們?nèi)パ芯亢桶l(fā)現(xiàn)新的方法和思路。
本文對(duì)10kHz/150kW中頻感應(yīng)加熱電源的主電路和控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)控制和IGBT器件取代原有的模擬控制和晶閘管器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)老裝備的更新改造；推出主電路的參數(shù)計(jì)算公式，建立了系統(tǒng)的等效電路，負(fù)載的等效模型并分析了控制電路的結(jié)構(gòu)和原理。

1 主電路的設(shè)計(jì)
所研制的10kHz/150 kW單相半橋串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源樣機(jī)的主電路結(jié)構(gòu)如圖l所示。為了減小逆變功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗，逆變器的工作頻率大于其諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點(diǎn)附近的輸出功率最大，當(dāng)提高逆變器工作頻率時(shí)，負(fù)載等效阻抗增高，輸出功率減小，輸出功率因數(shù)很低，而且逆變器主開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，效率低。該電源采用串聯(lián)諧振式全橋Dc/AC逆變電路，以IGBT為主開(kāi)關(guān)器件，由電流調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)組成雙閉環(huán)的PWM直流斬波器進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，用頻率跟蹤電路控制逆變器的工作頻率，使逆變器始終工作于諧振狀態(tài)，逆變器輸出功率因數(shù)接近于l，而且IGBT能始終工作在準(zhǔn)零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)，整機(jī)工作效率較高。

圖1中：L。為感應(yīng)線圈折算到高頻變壓器初級(jí)的等效電感；
Co為串聯(lián)諧振電容；
R0為負(fù)載及線路的等效電阻。
由于采用了負(fù)載諧振技術(shù)，為保證主開(kāi)關(guān)管工作于ZCS狀態(tài)，輸出功率的調(diào)節(jié)只能依靠改變逆變橋的供電電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。本電源的功率調(diào)節(jié)由三相不可控橋式整流電路、PWM直流斬波電路、功率控制電路等部分組成，由電流調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)組成雙閉環(huán)功率控制電路，具有調(diào)壓范圍寬，輸出穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

2 控制電路結(jié)構(gòu)
2.1 控制電路結(jié)構(gòu)
所設(shè)計(jì)的10kH/150 kW感應(yīng)加熱器的控制電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路
本次沒(méi)計(jì)采用富士電機(jī)公司EXB系列EXB841集成化驅(qū)動(dòng)線路。EXB841是高速型(最大40kHz運(yùn)行)，采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號(hào)隔離，因此能用于交流380V的動(dòng)力設(shè)備上。IGBT通常只能承受10μs的短路電流，所以必須有快速保護(hù)電路。EXB系列驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)有電流保護(hù)電路，根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與集電極之間的關(guān)系檢測(cè)過(guò)電流。其驅(qū)動(dòng)線路如圖3所示．

通常EXB841在過(guò)流時(shí)檢測(cè)IGBT(在門(mén)極導(dǎo)通時(shí))集-射極間的電壓，當(dāng)該電壓超過(guò)6V時(shí)，延遲10 μs則判斷為過(guò)流。但在實(shí)踐中，當(dāng)IGBT集-射極間電壓為6V時(shí)，其往往已損壞，因此集電極至EXB84l的腳6串聯(lián)一個(gè)3 V穩(wěn)壓管，使EXB841檢測(cè)值由6V降低為3 V。這一改進(jìn)明顯增加了 EXB84l對(duì)過(guò)流判斷的靈敏性，使線路不僅能正常地驅(qū)動(dòng)元件，而且在過(guò)流時(shí)能更有效地保護(hù)元件。
2.3 過(guò)流和過(guò)壓的保護(hù)電路
IGBT的抗過(guò)流能力較弱，因此線路設(shè)計(jì)須考慮保護(hù)：主要有兩種方法：①EXB84l過(guò)流保護(hù)，但這種方式風(fēng)險(xiǎn)較大；②在電抗器和逆變橋輸入之間串一個(gè)電流傳感器，當(dāng)其輸出值超過(guò)預(yù)定值時(shí)，．方面封鎖PWM斬波脈沖，另一方面封鎖逆變脈沖。
換流過(guò)程中的電壓毛刺會(huì)引起電路產(chǎn)生過(guò)電壓，這種現(xiàn)象主要靠增加阻容吸收來(lái)克服，須注意：逆變回路二極管上也需要加阻容吸收，如圖4所示。

還有鎖相電路設(shè)計(jì)等，這里不再累述。

3 整流控制電路
電路分成兩個(gè)部分，一是由DS80C320經(jīng)與反饋量計(jì)算的輸出脈寬調(diào)制PWM脈沖，一是經(jīng)光電隔離后驅(qū)動(dòng)IGBT柵極觸發(fā)電路。
驅(qū)動(dòng)波形和斬波波形如圖5～圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)波形和結(jié)果分析
4.1 工作頻率等于諧振頻率的波形
工作頻率等于諧振頻率的波形如圖9～圖15所示。

4.2 工作頻率大于諧振頻率(感性)的波形
工作頻率大于諧振頻率的波形如圖16所示。

4.3 結(jié)果分析和討論
由實(shí)驗(yàn)波形可以看出，系統(tǒng)在諧振工作狀態(tài)波形較好；在工作頻率遠(yuǎn)離諧振頻率時(shí)，波形發(fā)生畸變。頻率跟蹤較快，跟蹤周期范圍是10～24 μs，這個(gè)跟蹤范圍對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)是足夠的，因?yàn)樵诩訜徇^(guò)程中，負(fù)載的阻抗變化不會(huì)太顯著。

5 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了所設(shè)計(jì)制作的10 kHz/150 kW感應(yīng)加熱電源樣機(jī)，在經(jīng)改造后的設(shè)備上做了部分實(shí)驗(yàn)，獲取了實(shí)際的數(shù)據(jù)和波形。具體有以下結(jié)論：
(1)采用主電路及控制電路經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)：
(2)保護(hù)手段經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)證明可行；
(3)鎖相控制電路能跟蹤由于負(fù)載變化引起的諧振頻率的變化，從而最佳地控制加熱的過(guò)程。
本實(shí)驗(yàn)中制作的鎖相電路能很好地跟蹤諧振頻率做跟蹤范圍是10～24μs，這個(gè)跟蹤范闈對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)是足夠的，在加熱過(guò)程中，負(fù)載的阻抗變化不會(huì)太顯著。