[碩士論文精品]并聯(lián)諧振高頻逆變電源的研究.pdf

摘要 摘要 本文以高頻感應(yīng)加熱逆變電源為研究對象，以i g b t 為開關(guān)器件，采用并聯(lián)型諧振 逆變拓?fù)?，完? 0 k h z 4 0 k w 并聯(lián)型高頻感應(yīng)加熱逆變電源的設(shè)計(jì)。 文中回顧了感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展史，介紹了相關(guān)的基本知識，同時(shí)對電力電子器件 的發(fā)展以及感應(yīng)加熱電源的發(fā)展?fàn)顩r做了總結(jié)。描述了并聯(lián)諧振逆變器的調(diào)功方法。分 析了感應(yīng)加熱電源常用的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并聯(lián)型諧振逆變器的工作原理。 通過對并聯(lián)型諧振逆變器各種工作狀態(tài)的分析，得出其必須工作在容性近諧振狀態(tài) 下才是安全可靠的結(jié)論。通過采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了逆變器工作頻率的自動跟蹤和容性 逆變角度的控制，提出了一種他激轉(zhuǎn)自激方法。設(shè)計(jì)了適用于并聯(lián)諧振型逆變器的i g b t 驅(qū)動與保護(hù)電路。給出了整流控制電路，逆變控制策略及電路，i g b t 驅(qū)動電路，過壓過 流保護(hù)電路。 關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱；并聯(lián)諧振；重疊時(shí)間：i g b t 驅(qū)動；保護(hù)電路 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e do nh i 曲f i e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y ：a d o p t i n g p a r a l l e lr e s o n a n tt o p o l o g y ；a2 0 k h z 4 0 k ws u p p l yh a sb e e nd e s i g n e dw h i c hu s e sp o w e ri g b t a si t ss w i t c h i n gd e v i c e s i ti n t r o d u c e dt h eh i s t o r y 鋤dt h eb a s i ck n o w l e d 固eo fi n d u c t i o nh e a t i n gt e c h n o l o g y ，a i l dt h e d e v e l o p m e n to fp o w e rd e v i c e sa n dt h ei n d u c t i o nh e a t i n g t e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e d 鵲w e l l c o m p a r e st h et 、v ob a s i cr e s o n a n tt o p o l o g i e s 鋤dt h ep a r a n e lo n e i sm a i n l yf 0 c u s e d i t sb a s i c p e r l 白鋤i n gp r i n c i p l e t h l 0 u g l lt h ea n a l y s i so fd i f f e r e n to p e r a t i n gs t a t e s ， i ti sp o i n t e do u tt h a tac a p a c i t i v e q u a s i r e s o n a n ts t a t ei sas a f ba n de 伍c i e n tw o r k i n gc o n d i t i o nf o rap a r a l l e li n v e r t e r as t a r t i n g m e t h o di sb r o u 2 h tf o n v a r dw h i c hs w i t c ht h es t a n i n g6 o ms 印a r a t ee x c i t i n gt os e l f e x c i t i n g s u c c e s s 內(nèi)l l y ；p l l ( p h a s el o c kl o o p ) t e c h n o l o g yi se m p l o y e dt or e a i i z et h e 舶q u e n c y 仃a c i n g a n dc o n s t a j l tp h a s ea n g l ec o n t r o l ：i g b td r i v i n ga n dp r o t e c t i v ec i r c u i ts u i t a b l ef 0 r p a r a l l e li n v e r t e ri sd e v e l o p e d ，w h i c hs u c c e s s m l l ys o l v et h ep r o b l e mo f t i m ec o m p e n s a t i n ga n d o v e r l a p p i n gr e g u l a t i o nf o rt h e “v i n gs i 印a l s i t g i v e st h ep o w e rs u p p l yd e s i 薩w h i c h i n c l u d e sr e c t i 6 e ra n di n v e n e rc o n t r o l ，i g b td r i v e r 嬲w e l la sp r o t e c t i o nc i r c u i t k e y w o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ；p a r a l l e lr e s o n a n c e ；o v e r - l a pt i m e ； i g b td r i v i n g ； p r o t e c t i o nc i r c u i t i l 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是各人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取 得的研究成果盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文 中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含本人為獲得江南 大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料與我一同工作的同志 對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示謝意 簽名：翻 日 期： 二oo 八年三月十二日 蘭一 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解江南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定： 江南大學(xué)有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件爭磁盤，允 許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫 進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文， 并且拳人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致 保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。 簽名： 鱟i 導(dǎo)師簽名： 趁維 日 期：二o o 八年三月十二日 第一章緒論 第一章緒論 1 1 感應(yīng)加熱的概況 感應(yīng)加熱技術(shù)是一種先進(jìn)的加熱技術(shù)，它具有傳統(tǒng)加熱方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)因而在 國民經(jīng)濟(jì)和社會生活中獲得了廣泛的應(yīng)用。此項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容之一就是感應(yīng)加熱電源 的研制，電源的性能價(jià)格比直接決定了其獲得應(yīng)用的速度與廣度，隨著電力電子器件制 造技術(shù)及其控制技術(shù)的逐步成熟，以電力半導(dǎo)體器件為主要元件的固態(tài)電源的制造成本 j 下在迅速下降，不斷提升其性能水平是這種新技術(shù)獲得最大限度推廣的重要條件。1 8 3 1 年m i h c a e l f a r d a y 發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律說明，在一個(gè)電路圍繞的區(qū)域內(nèi)存在交變磁場時(shí)， 電路兩端就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。此定 律是今天感應(yīng)加熱在工業(yè)加熱方面具體應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。利用感應(yīng)渦流的熱效應(yīng)進(jìn)行加 熱稱為感應(yīng)加熱。1 8 6 8 年f o u c u a t l 提出的渦流理論，以及h a e v i s i d e 提出的鐵芯中電流 的感生論述了能量由繞組向鐵芯傳輸?shù)膯栴}，使感應(yīng)加熱的應(yīng)用成為可能?，F(xiàn)代感應(yīng)加 熱的主要依據(jù)是電磁感應(yīng)、集肽效應(yīng)和熱傳導(dǎo)三項(xiàng)基本理論。1 8 9 0 年瑞典技術(shù)人員發(fā)明 了第一臺有芯熔煉感應(yīng)爐，1 9 1 6 年美國人發(fā)明了閉槽有芯爐，從此感應(yīng)加熱技術(shù)逐漸進(jìn) 入實(shí)用化階段。1 9 2 1 年無心感應(yīng)爐在美國出現(xiàn)，采用火花式中頻電源，后來出現(xiàn)中頻機(jī) 組電源和現(xiàn)代的晶閘管變頻電源。1 9 2 7 年開始采用中頻無芯爐煉鋼，期間逐漸采用電子 三極管構(gòu)成的高頻電子振蕩器進(jìn)行焊管、淬火等工藝。五十年代末晶閘管的出現(xiàn)在電力 電子學(xué)有著十分重要的意義，1 9 5 6 年瑞士、西德研制成功晶閘管中頻裝置，從此打破了 中頻發(fā)電機(jī)組在中頻無心感應(yīng)爐中的壟斷地位。自八十年代開始，一系列新型自關(guān)斷器 件如：m o s f e t 、i g b t 、s i t 、m c t 等的出現(xiàn)，使電力電子技術(shù)向更高頻率的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)軍。 可以預(yù)見，隨著高頻電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，當(dāng)功率器件的技術(shù)、容量和價(jià)格能夠和 高頻電子管電源相比時(shí)，電力半導(dǎo)體加熱電源必將全面取代電子管振蕩器。 感應(yīng)加熱是利用處在交變磁場中的導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗，作用于金屬本體 而引起的熱效應(yīng)，可在極短的時(shí)間產(chǎn)生大量的熱能，來對金屬表面或整體進(jìn)行加熱。 它與傳統(tǒng)的加熱設(shè)備相比具有諸多優(yōu)點(diǎn)： 加熱溫度高，速度快、溫度容易控制，而且是非接觸式加熱； 加熱效率高，節(jié)能，整機(jī)效率可以達(dá)到9 0 左右； 加熱速度快，被加熱物的表面氧化少； 溫度容易控制，容易實(shí)現(xiàn)自動控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定； 能加熱形狀復(fù)雜的工件；工件容易加熱均勻，產(chǎn)品質(zhì)量好。 機(jī)械運(yùn)動、噪聲小、負(fù)載匹配容易、可以根據(jù)負(fù)載特性改變頻率： 啟動停止方便，頻率能夠自動跟蹤以保證最佳的運(yùn)行狀態(tài)。 鑒于以上眾多優(yōu)點(diǎn)，感應(yīng)加熱電源已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)，如：在鍛造方面，可對鋼材 和鈦、鎳等稀有金屬進(jìn)行加工預(yù)熱；在熱處理方面，為了加強(qiáng)工件的硬度和韌性，應(yīng)用 感應(yīng)加熱可對鋼材進(jìn)行透熱、表面淬火、穿透淬火、回火：在熔煉方面，通常用感應(yīng)加 熱的方法來熔化優(yōu)質(zhì)鋼和有色金屬；在焊接固壓方面，可把金屬片涂料抹在金屬表面， 江南人學(xué)在職人員。學(xué)何論文 然后利用感應(yīng)加熱使其熔化鍍涂并固化，有些汽車部件的連接也需感應(yīng)加熱電源；在燒 結(jié)方面，使用感應(yīng)加熱能在石墨曲頸瓶或感應(yīng)器中對炭化物加熱到2 5 5 0 的高溫【i 】。感 應(yīng)加熱技術(shù)對國民經(jīng)濟(jì)起很大的推動作用。此外小功率感應(yīng)加熱電源也已逐漸進(jìn)入到家 用生活中，現(xiàn)階段的熱水器、微波爐等都有感應(yīng)加熱產(chǎn)品問世。 1 2 感應(yīng)加熱技術(shù)基本原理 感應(yīng)加熱的基本原理可以用電磁感應(yīng)定理和焦耳一楞次定理來描述：電磁感應(yīng)定理可 以描述為：當(dāng)穿過任何閉合回路所限制的面的磁通量隨時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，在回路上就會 產(chǎn)生感應(yīng)電勢e ，如圖l l 所示將一金屬導(dǎo)體外面套上一個(gè)匝數(shù)為n l 的線圈，當(dāng)交變電流 i l 通入感應(yīng)圈時(shí)，感應(yīng)圈內(nèi)就會產(chǎn)生交變磁通巾使感應(yīng)圈中的工件受到電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感 應(yīng)電勢e 。設(shè)工件的等效匝數(shù)為n 2 ， 夕t 弋 屬工件 圖卜l 感應(yīng)加熱的工作原理 f i g 1 1t h ep r i n c i p l eo fi n d u c t i o nh e a ti n g 則感應(yīng)電勢e n 2 警 如果磁通是交變的，設(shè)= 。s i n 緲t 則 e n 2 警一n 2 m 緲t e 的有效值為e = 4 4 4 f n 2 m 感應(yīng)電勢e 在工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流1 2 ，1 2 使工件內(nèi)部開始加熱， 達(dá)式為：o = o 2 4 i ：r t ( 1 2 ) ( 1 - 3 ) 其焦耳楞次定理的表 ( 1 4 ) 9 一導(dǎo)體所消耗的功率轉(zhuǎn)變成的熱量q i 廣通過導(dǎo)體的電流強(qiáng)度 r 導(dǎo)體的電阻 t 電流通過導(dǎo)體的時(shí)問 p = e i c o s = 4 4 4 f n 2 m i c o s ( 1 5 ) 感應(yīng)電勢和發(fā)熱功率不僅與頻率和磁場強(qiáng)弱有關(guān)，而且與工件的截面大小、截面形狀等 有關(guān)，還與工件本身的導(dǎo)電、導(dǎo)磁等特性有關(guān)。 2 第一章緒論 在感應(yīng)加熱設(shè)備存在著三個(gè)效應(yīng)：集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。 集膚效應(yīng)：當(dāng)交流電通過導(dǎo)體時(shí)，沿導(dǎo)體截面上的電流分布是不均勻的。最大電流 密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表面層，這種電流集聚的現(xiàn)象。交變磁場在導(dǎo)體中感應(yīng)出的電流辦稱 為渦流。工件中產(chǎn)生的渦流由于集膚效應(yīng)，沿橫截面由表面至中心按指數(shù)規(guī)律衰減，工 程上規(guī)定：當(dāng)渦流強(qiáng)度從表面向中心降低到其數(shù)值等于最大渦流強(qiáng)度的0 3 6 8 ，該處到表 面的距離5 稱為電流透入深度。出于渦流所產(chǎn)生的能量與渦流的平方成乎比，因此由表 面至芯片部熱量下降速度要比渦流下降速度快得多，可以認(rèn)為熱量( 8 5 9 0 ) 集中在厚 度為6 的薄層中。 透入深度6 由下式確定： 艿= 5 0 3 0( 1 ，6 ) 式中，p ：金屬材料的電阻率； p ，：金屬材料的相對磁導(dǎo)率； 廠：高頻交變電流的頻率。 由式( 1 6 ) 可以看出，當(dāng)材料的電阻率p 、相對磁導(dǎo)率m 確定以后，透入深度6 僅與 頻率f 的平方根成反比，此工件的加熱厚度可以方便的通過改變頻率來加以控制。頻率越 高，工件的加熱厚度就越薄，這種特性在金屬表面熱處理中得到了廣泛的應(yīng)用。 感應(yīng)加熱另外涉及到兩個(gè)重要的電磁現(xiàn)象：鄰近效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。所謂鄰近效應(yīng)指的 是兩根通有交流電流的導(dǎo)體靠得很近時(shí)，在相互影響下，電流要做重新分布。鄰近效應(yīng) 的電流密度分布不僅取決于導(dǎo)體本身的磁場，而且與鄰近導(dǎo)體磁場的總作用有關(guān)。圓環(huán) 效應(yīng)指的是，將交流電流通過圓環(huán)形線圈時(shí)，最大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)。感 應(yīng)電爐就是綜合利用這幾種效應(yīng)的設(shè)備。感應(yīng)線圈兩端加上交流電壓，線圈和工件上產(chǎn) 生的電流方向相反，當(dāng)二者相互靠攏時(shí)，線圈和工件表現(xiàn)為鄰近效應(yīng)，結(jié)果，線圈電流 集聚在內(nèi)側(cè)表面，工件電流集聚在外表面。這時(shí)，線圈本身表現(xiàn)為圓環(huán)效應(yīng)，而工件本 身表現(xiàn)為集膚效應(yīng)。 1 3 感應(yīng)加熱電源的研究與發(fā)展 1 3 1 感應(yīng)加熱用電力電子器件的發(fā)展 經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展與應(yīng)用，感應(yīng)加熱技術(shù)取得了不斷的進(jìn)步，以至于整個(gè)電力電子 學(xué)的產(chǎn)業(yè)地位也逐步提高。而固態(tài)感應(yīng)加熱技術(shù)的核心就是：固態(tài)功率器件。固態(tài)功率器 件實(shí)際上就是以半導(dǎo)體材料構(gòu)成的功率開關(guān)【2 1 。在其發(fā)展過程中，始終如的追求目標(biāo)就 是使固態(tài)器件不斷接近理想開關(guān)的特性： 通態(tài)電阻為零，通態(tài)電流無窮大； 斷態(tài)電阻無窮大，阻斷電壓無限高： 開關(guān)過程無延時(shí)，開關(guān)控制無損耗。 因此固態(tài)器件發(fā)展的過程，就是不斷提高其頻率特性和容量，不斷降低器件的驅(qū)動 損耗、通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。 3 江南人學(xué)往職人員學(xué)位論文 目前應(yīng)用于功率變換裝置的固態(tài)功率器件種類很多，各有優(yōu)缺。按照門( 柵) 極的控制 特性一般分為兩類：半控型器件和全控型器件i 孔。 半控型器件是指第一代固態(tài)器件晶閘管及其派生產(chǎn)品，因晶閘管門極只能控制開通， 而不能控制關(guān)斷，所以稱為半控型。1 9 5 7 年，美國研制出世界上第一只普通的( 4 0 0 h z 以 下) 反向阻斷型可控硅，后稱晶閘管s ( c r ) 。經(jīng)過6 0 年代的工藝完善和應(yīng)用開發(fā)，到了 7 0 年代，晶閘管己形成從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品。在這期問，世界各國還 研制出一系列的派生器件，如不對稱晶閘( a s c r ) 、逆導(dǎo)晶閘管( r c t ) 、門極輔助關(guān)斷晶 閘管( g a l r r ) 、光控晶閘管( l t s c r ) 等等。在感應(yīng)加熱電源中頻領(lǐng)域( 1 0 h l ( z 以下) ，晶閘管 仍將是最佳的器件，主要表現(xiàn)在：通態(tài)壓降很低( 典型值1 i v ) ，通念損耗很小；借助于負(fù)載 諧振實(shí)現(xiàn)換相關(guān)斷，而無須強(qiáng)迫換流電路；單機(jī)大容量是其它器件無法競爭的；頻率特性得 到了充分應(yīng)用。由晶閘管及其派生器件所構(gòu)成的各種電力電子裝置在工業(yè)應(yīng)用中主要解 決了傳統(tǒng)的電能變換裝置中所存在的能耗大和裝置笨重的問題，因此電能的利用率大大 地提高了，同時(shí)也使工業(yè)噪聲得到一定程度的控制。目前i n t 鋤e t 上可以查到的高壓大電 流晶閘管有p o w e r e x 推出的用于高壓交流開關(guān)和靜止無功發(fā)生器用的1 2 0 0 0 v 1 5 0 0 a 的晶閘管l 鍆。 全控型器件是指二十世紀(jì)七十年代后期相繼出現(xiàn)的各種自關(guān)斷器件，主要有g(shù) t o 、 g t r 、m o s f e t 、i g b t 、s i t 、s i t h 、m c t 等等。自1 9 4 8 年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了第 一只晶體管以來，經(jīng)過2 0 多年的努力，到了7 0 年代，用于電力變化的晶體管( g t r ) 已進(jìn) 入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，由于g t r 具有自關(guān)斷能力且開關(guān)速度可達(dá)2 0 k h z ，在p w m 技術(shù)中一 度得到了廣泛的應(yīng)用，并促使裝置性能進(jìn)一步提高和傳統(tǒng)直流電源裝置的革新，出現(xiàn)了 所謂的“2 0 千周革命”，但因功率晶體管存在二次擊穿、不易并聯(lián)以及開關(guān)頻率仍然偏低 等問題，它的應(yīng)用受到了限制【5 】。 7 0 年代后期，電力半導(dǎo)體器件在高頻化進(jìn)程中一個(gè)標(biāo)志性器件，功率場效應(yīng)晶體管 ( p o w e r 】m o s f e t ) 開始進(jìn)入實(shí)用階段。進(jìn)入8 0 年代，人們又在降低器件的導(dǎo)通電阻、消除 寄生效應(yīng)、擴(kuò)大電壓和電流容量以及驅(qū)動電路集成化等方面進(jìn)行了大量的研究，取得了 很大的進(jìn)展。功率場效應(yīng)管中應(yīng)用最廣的是電流垂直流動結(jié)構(gòu)的器件( v d m o s ) 。它具有 工作頻率高( 幾十千赫至數(shù)百千赫，低壓管可達(dá)兆赫) 、開關(guān)損耗小、安全工作區(qū)寬( 不存 在二次擊穿問題) 、漏極電流為負(fù)溫度特性( 易并聯(lián)) 、輸入阻抗高等優(yōu)點(diǎn)，是一種場控型 自關(guān)斷器件，為目前電力電子技術(shù)賴以發(fā)展的主要器件之一。1 0 0 1 0 0 0 v 的v d m o s 已 商品化，研制水平達(dá)2 5 0 1 0 0 0 v ，其電流的容量還有繼續(xù)增大的趨勢。盡管v d m o s 器 件的開關(guān)速度非?？?，但其導(dǎo)通電阻與功率成正比，這就限制了它在高壓大功率領(lǐng)域的 應(yīng)用。 8 0 年代電力電子器件較為引人注目的成就之一就是開發(fā)出雙極型復(fù)合器件。研制復(fù) 合器件的主要目的是實(shí)現(xiàn)器件的高壓、大電流參數(shù)同動態(tài)參數(shù)之間的最合理的折中，使 其兼有m o s 器件和雙極型器件的突出優(yōu)點(diǎn)，從而產(chǎn)生出較為理想的高頻、高壓和大電流 器件。目前最有發(fā)展前途的復(fù)合器件是絕緣柵雙極型晶體管 i g b t ( i n s u l a t e g a t e b i p o l 酬【n l a s i s t o r ) 和m o s 柵控晶閘管m c t ( m o sc o n t r o l l e dt h y r i s t o r ) 。i g b t 4 第一章緒論 于1 9 8 2 年在美國率先研制出樣品，1 9 8 5 年丌始投產(chǎn)。目i ；i 最高電壓己達(dá)4 5 0 0 v ，最大電 流可為1 8 0 0 a 。m c t 是8 0 年代后期出現(xiàn)的另一種比較理想的器件，目前研制水平為 3 0 0 a ，2 0 0 0 v ，10 0 0 lo o o v ，最高電壓達(dá)3 0 0 0 v 。 8 0 年代期問發(fā)展起來的靜電感應(yīng)晶體管s i t ( s t a t ci n d u c t i o n 脅s i s t o r ) 和靜電感應(yīng)晶閘 管s i t h ( s t a t i ci n d u c t i nt h 蜘s t o r ) 是利用門極電場強(qiáng)度改變空間電荷區(qū)寬度來開閉電流通道 的原理研制成的器件。 本文研究的并聯(lián)諧振高頻逆變電源，所采用的功率器件是絕緣柵雙極型晶體管 i g b t 。 1 3 2 國外感應(yīng)加熱電源發(fā)展現(xiàn)狀 低頻感應(yīng)加熱的特點(diǎn)是透熱深度深、工件徑向溫差小，熱應(yīng)力小，熱處理工件變形 小，比較適合大型工件的整體透熱、大容量爐的熔煉和保溫。目前，在低頻感應(yīng)加熱場 合普遍采用傳統(tǒng)的工頻感應(yīng)爐。國外的工頻感應(yīng)加熱裝置可達(dá)數(shù)百兆瓦，用于數(shù)十噸的 大型工件的透熱或數(shù)百噸的鋼水保溫。預(yù)計(jì)短期內(nèi)，以固態(tài)器件構(gòu)成的低頻感應(yīng)加熱電 源在功率容量、價(jià)格和可靠性方面還難以與簡單的工頻感應(yīng)爐競爭，雖然其效率、體積 和性能均優(yōu)于工頻爐。 在1 5 0 1 0 k h z 中頻范圍內(nèi)，晶閘管感應(yīng)加熱裝置己完全取代了傳統(tǒng)的中頻發(fā)電機(jī)組 和電磁倍頻器，國外的裝置容量已達(dá)數(shù)十兆瓦。 在高頻范圍內(nèi)，早期基本是空白，晶閘管出現(xiàn)以后，一度曾采用晶閘管以時(shí)間分割 電路和倍頻電路構(gòu)成。八十年代開始，隨著一系列新型功率器件的相繼出現(xiàn)，以這些新 型器件( 主要有g(shù) t o 、g t r 、m c t 、i g b t 、b s i t 和s t i h ) 構(gòu)成的結(jié)構(gòu)簡單的全橋型超音 頻固態(tài)感應(yīng)加熱電源逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位，其中以i g b t 應(yīng)用最為普遍，這是因i g b t 使 用起來方便可靠，很受電路設(shè)計(jì)者的歡迎。1 9 9 4 年日本采用i g b t 研制出了 1 2 0 0 k w 5 0 k h z 的電流型感應(yīng)加熱電源，逆變器工作于零電壓開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)控 制：西班牙在1 9 9 3 年也已報(bào)道了3 0 k w 6 0 0 k w ，5 0 1 0 0 k h z 電流型并聯(lián)逆變加熱電 源，歐、美地區(qū)的其他一些國家如英國、法國、瑞士等國的系列化感應(yīng)加熱電源目前最 大容量也達(dá)數(shù)百千瓦。在l o o k h z 以上高頻頻率領(lǐng)域，國外目前正處于從傳統(tǒng)的電子管振 蕩器向固態(tài)電源的過渡階段。以日本為例其系列化的電子管振蕩器的水平為5 1 2 0 0 k w 1 0 0 5 0 0 k h z ，麗其采用s t i 的固態(tài)高頻感應(yīng)加熱電源的水平可達(dá)4 0 0 k w 似0 0 k h z ，并且 在1 9 8 7 年就已開始研制1 2 0 0 k w 2 0 0 k h z 的s i t 電源。歐美各國采用m o s f e t 的高頻感 應(yīng)加熱電源的容量正在突飛猛進(jìn)，例如西班牙采用m o s f e t 的電流型感應(yīng)加熱電源的制 造水平可達(dá)6 0 0 k w 2 0 0 k h z ，德國的電子管高頻電源水平約為l1 0 0 k w ，而其在1 9 8 9 年 研制的電流型m o s f e t 感應(yīng)加熱電源的容量己達(dá)4 8 0 k w 5 0 2 0 0 k h z ，比利時(shí)的i n d u c t o e l p h i a c 公司生產(chǎn)的電流型m o s f e t 感應(yīng)加熱電源的水平可達(dá)1 m 、w 1 5 6 0 0 l m z 。 1 3 3 國內(nèi)感應(yīng)加熱電源發(fā)展現(xiàn)狀 我國感應(yīng)加熱技術(shù)從5 0 年代開始就被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。6 0 年代末 開始研制晶閘管中頻電源。到目前已經(jīng)形成了一定范圍的系列化產(chǎn)品，并開拓了 5 江南人學(xué)在職人員學(xué)位論文 較為廣闊的應(yīng)用市場。 在中頻領(lǐng)域，晶閘管中頻電源裝置基本上取代了旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)，國產(chǎn)中頻電源大多采 用并聯(lián)諧振逆變器結(jié)構(gòu)，在丌發(fā)更大容量的并聯(lián)逆變中頻感應(yīng)加熱電源的同時(shí)，盡快研 制出結(jié)構(gòu)簡單，易于頻繁啟動的串聯(lián)諧振逆變電源。 對高頻領(lǐng)域的研究工作八十年代己經(jīng)開始。浙江大學(xué)于1 9 9 6 年研制出2 0 k w 3 0 0 k h z m o s f e t 高頻感應(yīng)加熱電源，己被成功應(yīng)用于小型刀具的表面熱處理和飛機(jī)渦輪葉片的 熱應(yīng)力考核試驗(yàn)中。s i t 電源國內(nèi)已經(jīng)生產(chǎn)多年，可達(dá)3 0 0 k w 2 0 0l ( h z 3 0 0l ( h z 。1 9 9 6 年天津高頻設(shè)備廠和天津大學(xué)聯(lián)合研制開發(fā)出7 5k w 2 0 0l ( h z 的靜電感應(yīng)晶體管( s i t ) 感應(yīng)加熱電源。同年，浙江大學(xué)5 0 k 、w 5 0 k h z ，i g b t 電流型并聯(lián)逆變感應(yīng)加熱電源通過 鑒定。2 0 0 3 年浙江大學(xué)三伊公司研制成功1 0 0 k w l o ok h z 的i g b t 固體電源。國內(nèi)近來 有許多手提式m o s f e t 高頻感應(yīng)加熱電源上市，最大功率達(dá)到4 0k w ，頻率在1 0 0k h z 2 0 0 l ( h z 。總的來說，近年來國內(nèi)在感應(yīng)加熱電源研究方面有了較大發(fā)展，但與國外的水 平仍有相當(dāng)大的距離。 1 4 高頻感應(yīng)加熱電源的發(fā)展方向 今后，高頻感應(yīng)加熱電源的發(fā)展趨勢主要有以下幾個(gè)方面： 第一：大功率、高頻率。隨著半導(dǎo)體功率器件m o s f e t 、i g b t 、m c t 、i g c t 等的 發(fā)展，將來高頻感應(yīng)加熱電源必將朝著大功率和高頻率相統(tǒng)一的方向發(fā)展。 第二：低損耗、高功率因數(shù)。隨著功率器件的發(fā)展，再加上驅(qū)動電路的不斷完善和 優(yōu)化，使得整個(gè)裝置的損耗明顯降低。隨著對電網(wǎng)無功要求的提高，具有高功率因數(shù)的 電源是今后的發(fā)展趨勢【6 】。 第三：智能化、復(fù)合化。隨著感應(yīng)加熱生產(chǎn)線自動化控制程度及對電源可靠性要求 的提高，高頻感應(yīng)加熱電源正向自動化控制方向發(fā)展，具有計(jì)算機(jī)智能接口的全數(shù)字化 高頻感應(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。 第四：大容量化。從電路的角度來考慮感應(yīng)加熱電源的大容量化，可將大容量化技 術(shù)分為二大類：一類是器件的串、并聯(lián)，另一類是多臺電源的串、并聯(lián)：在器件的串、 并聯(lián)方式中，必須認(rèn)真處理串聯(lián)器件的均壓問題和并聯(lián)器件的均流問題，由于器件制造 工藝和參數(shù)的離散性、限制了器件的串、并聯(lián)數(shù)目，且串、并聯(lián)數(shù)越多，裝置的可靠性 越差：多臺電源的串、并聯(lián)技術(shù)是在器件串、并聯(lián)技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步大容量化的有效手 段，借助于可靠的電源串、并聯(lián)技術(shù)，在單機(jī)容量適當(dāng)?shù)那闆r下，可簡單地通過串、并 聯(lián)運(yùn)行方式得到大容量裝置，每臺單機(jī)只是裝置的一個(gè)單元或一個(gè)模塊。 1 5 論文的主要工作 本論文研究的高頻逆變電源即應(yīng)用于感應(yīng)加熱技術(shù)。在對感應(yīng)加熱電源電路拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)、槽路諧振特性和頻率自動跟蹤的分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于i g b t 的并聯(lián)諧振高頻 逆變電源的控制方法，重點(diǎn)完成驅(qū)動電路、頻率跟蹤電路、功率調(diào)節(jié)電路以及保護(hù)電路 等的設(shè)計(jì)。主要工作包括幾下幾個(gè)方面： 1 、對感應(yīng)加熱電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率調(diào)節(jié)，負(fù)載槽路諧振特性，逆變器的工作狀態(tài)，頻率 6 第擎緒淪 球蹤等辦進(jìn)i r 技術(shù)分析，并確定了并聯(lián)諧振高頻逆變i u 源的實(shí)現(xiàn)辦案。 2 、設(shè)汁了仰k w 2 0 k l zi 乜流型并聯(lián)諧振高頻逆變r(jià) 乜源生i 乜踏結(jié)構(gòu)，滅：橄拋負(fù)載特性要求， 進(jìn)行主要器件參數(shù)的計(jì)算及挺號選擇。運(yùn)用p c i ) i c e 仿真軟件對主電路進(jìn)行仿真。 3 、運(yùn)用p l 調(diào)節(jié)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)p w m 直流斬波功率調(diào)節(jié)電路提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。 4 、進(jìn)行了一種鎖相環(huán)逆變器頻率跟蹤電路的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)在加熱過程中負(fù)載參數(shù)變化時(shí) 對諧振工作頻率的自動跟蹤，使得逆變器工作在容性近諧振狀態(tài)，從而保證逆變器的運(yùn) 行安全。 5 、分析了逆變器中主丌關(guān)器件i g b t 對驅(qū)動及保護(hù)電路的要求，完成了基于e x b 8 4 l 的 i g b t 驅(qū)動及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，保證了功率丌關(guān)器件工作的安全性。 7 江南人學(xué)在職人員學(xué)位論文 第二章感應(yīng)加熱電源的方案分析 2 1 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 感應(yīng)加熱的負(fù)載即感應(yīng)線圈可以看作一個(gè)變壓器，其原邊為感應(yīng)線圈，副邊為被加 熱工件，如此就成了一個(gè)副邊短路的特殊變壓器。一般可以將感應(yīng)加熱工件和感應(yīng)線圈 用圖2 1 所示的電路等效，其中l(wèi) 和r 分別為等效電抗和電阻，則其等效阻抗為z = r 勺l 。 l r 廠y y n 口 ： 圖2 1 負(fù)載等效電路 可以計(jì)算負(fù)載的功率因數(shù)： 尺 螂艫面麗 ( 2 1 ) 設(shè)負(fù)載線圈中流過電流為i ，則負(fù)載線圈有功功率：凡= ，尺 ( 2 2 ) 無功功率：驍= ，2 礎(chǔ) ( 2 3 ) 負(fù)載的品質(zhì)因數(shù)為： q = 魯= 警= 五b ( 2 4 ) 由此推得品質(zhì)因數(shù)與功率因數(shù)的關(guān)系：c o s 妒= - 7 每 ( 2 - 5 ) ： 1 + q 2 感應(yīng)加熱負(fù)載，一般其l r ，即q 值比較大，因此功率因數(shù)很低，由參考文獻(xiàn) 提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，熔煉、透熱、及淬火等應(yīng)用場合中的感應(yīng)加熱電源的功率因數(shù)一般為 o 0 5 一o 5 。為了充分利用電源容量，我們需要提高電源功率因數(shù)，在感應(yīng)加熱電源中都 是用電容器來補(bǔ)償無功功率，如此整個(gè)負(fù)載回路就變成了由感應(yīng)線圈等效負(fù)載和補(bǔ)償電 容器構(gòu)成的諧振回路，根據(jù)補(bǔ)償電容器與負(fù)載及感應(yīng)線圈的連接方式的不同，感應(yīng)加熱 電源的逆變器可以分為電壓型串聯(lián)逆變器和電流型并聯(lián)逆變器兩種典型的結(jié)構(gòu)形式r 刀( 如 圖2 2 ，圖2 - 3 ) 串聯(lián)諧振型逆變器利用電路串聯(lián)諧振的原理，系統(tǒng)的諧振頻率= l c ，逆變 器工作于諧振狀態(tài)下時(shí)，其等效阻抗為z = r ，實(shí)際應(yīng)用中一般負(fù)載電阻值都比較小，負(fù) 載電路對前端電源呈低阻抗，要求由電壓源對其供電，因此在逆變器前端整流環(huán)節(jié)要求 并接大的濾波電容器c ( 如圖2 2 ) ，當(dāng)c 足夠大時(shí)就可以認(rèn)為逆變器的直流電源即系統(tǒng)整 流環(huán)節(jié)是一恒壓源。電路中與主開關(guān)器件反并聯(lián)的二極管是為了在主開關(guān)器件關(guān)斷期間 給負(fù)載諧振電路提供電流通路，使主開關(guān)器件不受換流電容器上高電壓的影響，一般 i g b t 器件內(nèi)部封裝有此反并聯(lián)二極管。逆變器一般工作于準(zhǔn)諧振頻率上，負(fù)載功率因數(shù) 可近似為l ，輸出負(fù)載電壓為近似方波，電流為近似正弦波。串聯(lián)逆變器是恒壓源供電， 8 第一二章感戍加熱電源的方案分析 為了防止逆變器的同一橋臂的上下開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通造成直流電源短路，在電路換流過 圖2 2串聯(lián)諧振逆變器 f i g 2 2s e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r 圖2 3 并聯(lián)諧振逆變器 f i g 2 3p a r a li e lr e s o n a n ti n v e r t e r 程中應(yīng)遵循先關(guān)斷后開通的原則，在一定時(shí)間內(nèi)所有的開關(guān)器件都處于關(guān)斷狀態(tài)，此段 時(shí)間稱為電路的死區(qū)時(shí)間，一般為2 p s 左右。在i g b t 器件關(guān)斷時(shí)，由于電路雜散電感 和分布電感的存在，會有感生尖峰電壓的產(chǎn)生，此尖峰電壓對開關(guān)器件是一很大的威脅， 可能損壞器件，因此實(shí)際電路中需要為開關(guān)器件并聯(lián)阻容吸收電路以構(gòu)成保護(hù)電路【8 1 。 - 。_ _ _ - _ - _ 一 并聯(lián)諧振式逆變器利用電路的并聯(lián)諧振原理，其諧振頻率為= l c ，諧振 狀下時(shí)其等效阻抗為弘。很c 。負(fù)載發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)阻抗十分大，此時(shí)若用電壓源對其 供電則諧振附近電流較小，因此并聯(lián)諧振逆變器要用電流源供電，則在逆變器前端的整 流環(huán)節(jié)不要大電容濾波而是改用大的電感器濾波如圖中k 所示，此時(shí)整流環(huán)節(jié)即相當(dāng) 于一恒流源。在逆變器工作于準(zhǔn)諧振狀態(tài)時(shí)負(fù)載并聯(lián)諧振回路對于負(fù)載電流中接近諧振 頻率的基波呈高阻抗，而對高次諧波呈低抗，諧波分量電壓被衰減，負(fù)載兩端電壓為近 似正弦波，電流為近似方波【9 】。并聯(lián)諧振式變器由恒流源供電，為了防止直流電源開路， 逆變器上下橋臂的主開關(guān)器件不能同時(shí)關(guān)斷電路換流過程中必須遵循先開通后關(guān)斷的 原則，使得有一定時(shí)間內(nèi)所有開關(guān)器件都是導(dǎo)的，此段時(shí)間稱作電路的重疊時(shí)問。由于 直流電流源采用大電感濾波，大電感能夠抑制電路電流的上升，所以一般不必考慮直流 電源短路的問題【m 】。由于i g b t 內(nèi)部封裝有反并聯(lián)極管，所以i g b t 不能承受反向電壓， 因此在每個(gè)橋臂中要為每個(gè)主開關(guān)器件串聯(lián)一同容量的電力二極管以承受換流后相應(yīng) 橋臂要承受的反壓，如圖2 3 中所示二極管d 1 d 4 。 從電路原理來看，電壓型逆變器和電流型逆變器在各種變量的波形、電路的拓?fù)?、還 有電路的特性等方面都存在著對偶關(guān)系，下面以列表l 一1 形式加以特征對比。從圖中的比較 可以看出，串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種電路各有優(yōu)缺點(diǎn)。在大功率的場合下，采用并聯(lián)諧振逆 變器配置無疑更具優(yōu)勢，原因如下： ( 1 ) 逆變器輸出諧振電流大 串聯(lián)諧振壓的諧振電壓為輸出電壓的q 倍，負(fù)載變壓器及諧振電容的耐受電壓要求很高； 9 江南人學(xué)在職人員學(xué)位論文 串聯(lián)諧振逆變器 并聯(lián)諧振逆變器 切換丌關(guān)的電流流向 雙向性 單相性 電壓阻隔能力單相性 雙向性 輸出電壓方波 正弦波 輸出電流j 下弦波方波 反并聯(lián)二極管需需 串聯(lián)快恢復(fù)二極管不需需 線圈基頻電壓逆變器產(chǎn)生的電壓乘以品逆變器產(chǎn)生的電壓 質(zhì)因數(shù)q 流過線圈上的基頻電逆變器產(chǎn)生的電流逆變器產(chǎn)生的電流乘以品質(zhì) 流 因數(shù)q 構(gòu)造簡單較復(fù)雜 短路承受能力 差 佳 關(guān)斷時(shí)間容忍度較差較佳 表卜l 串、并聯(lián)諧振比較 t a b 1 一ls e r i e sa n dp a r a l l e lr e s o n a n tc o m p a r i s o n 而對于并聯(lián)諧振變換，由于諧振電流為輸出電流的q 倍，可以在負(fù)載側(cè)獲得比較大的電 流。 ( 2 ) 在工件上建立交變電流的速度快 因?yàn)椴⒙?lián)諧振逆變器采用電流源供電，直接在負(fù)載上產(chǎn)生交變電流，而串聯(lián)諧振 逆變器是現(xiàn)在負(fù)載上加上交變電壓，通過負(fù)載諧振產(chǎn)生正弦電流需要一定的建立時(shí)間。 ( 3 ) 過流保護(hù)容易 并聯(lián)諧振逆變器的負(fù)載電路對電源呈現(xiàn)高阻抗，由電流源供電，而電流源通常是由 大電感來完成的。因此在逆變器發(fā)生故障短路時(shí)，由于大電感的限流作用，比較容易實(shí) 現(xiàn)保護(hù)。串聯(lián)諧振逆變器的負(fù)載電路對電源呈現(xiàn)低阻抗，由電壓源供電，電壓源通常由 大電容來實(shí)現(xiàn)。因此在逆變器發(fā)生故障短路時(shí)，由于電容電壓不能突變，因此瞬間電流 會很大，可能會損壞器件，需外部的保護(hù)來切斷驅(qū)動信號使器件關(guān)斷。 ( 4 ) 負(fù)載適應(yīng)性好，負(fù)載匹配方式靈活 負(fù)載匹配載阻抗匹配就是為了使電源輸出額定功率，而采取的使負(fù)載阻抗等于電源 額定阻抗的方法和措施。對于熱處理行業(yè)的大部分負(fù)載來說，感應(yīng)加熱電源設(shè)備須經(jīng)過 負(fù)載阻抗匹配后才能j 下常工作。電源與負(fù)載不匹配時(shí)，為保證不損壞電源設(shè)備，只能降 額運(yùn)行，降低了電源利用率，適當(dāng)?shù)钠ヅ淇梢允闺娫慈β蔬\(yùn)行，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)， l o 第二章感戍加熱電源的方案分析 減少故障。在實(shí)際中，很少有負(fù)載阻抗恰好等于電源額定阻抗的情況，負(fù)載匹配是感應(yīng) 加熱裝置安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，是感應(yīng)加熱電源負(fù)載側(cè)設(shè)計(jì)的重要 內(nèi)容。 并聯(lián)諧振電路等效阻抗z d = 弧c ，改變等效電路中的電容、電感、電阻的值都能改 變阻抗，這一特性使并聯(lián)諧振電路的阻抗匹配更加靈活。串聯(lián)諧振電路的特性決定改 變等效電容和電感值不能改變諧振狀態(tài)的等效阻抗，靜電耦合負(fù)載阻抗匹配方案中很難 適用于串聯(lián)諧振電路，串聯(lián)諧振電路一般采用匹配變壓器進(jìn)行負(fù)載匹配。并聯(lián)諧振電路 可用靜電耦合和電磁耦合進(jìn)行負(fù)載阻抗匹配，匹配方法靈活，對負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)。 ( 5 ) 通過采用全控型器件，啟動性能可以媲美串聯(lián)諧振逆變器，關(guān)斷時(shí)問很短，不 存在換相失敗問題1 1 2 l ，對諧振電路屬性沒有嚴(yán)格要求，電壓上升率d 礦出低，設(shè)備的故 障率低。 ( 6 ) 管子利用率高，使用成本低。電流源并聯(lián)諧振逆變器在所有的感應(yīng)加熱逆變 器中的每千瓦成本最低 綜合上面各方面因素，本文對負(fù)載匹配選用并聯(lián)諧振匹配的形式，并采用電流型逆 變器作為所設(shè)計(jì)感應(yīng)加熱電源的逆變環(huán)節(jié)。 2 2 并聯(lián)諧振逆變器負(fù)載及諧振槽路特性 補(bǔ)償電容與感應(yīng)線圈并聯(lián)后作為電流型并聯(lián)諧振逆變器的負(fù)載，因此可將該負(fù)載等 效為電阻r 和l 串聯(lián)后與c 并聯(lián)的電路，如圖2 4 所示。整個(gè)感應(yīng)加熱電源等效為一個(gè)交流 電源e = 乜s i n 國f ，且假設(shè)其內(nèi)阻為零，則流過感應(yīng)線圈和補(bǔ)償電容的電流 ， 三 r 圖2 4 并聯(lián)諧振負(fù)載 f i g 2 4 p a r a ll e lr e s o n a n tl o a d = 手= 志 z i n 叫l(wèi) i c ：導(dǎo)：j 鈔c 釜 z 、 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 一 江南人學(xué)在職人員學(xué)位論文 i _ 二= 二二二二= = 二一一 ，。一， ；一尺+ 歸( 彩2 f c + 月2 c 一三) ； 卜+ l = 旦錈競儼e 并聯(lián)諧振電路的總阻抗為： z 爭坐譬籌幽 l 瓜l 逆變器工作在諧振狀態(tài)下時(shí)，其負(fù)載阻抗的虛數(shù)項(xiàng)為零 玉0 c + 辯c l ：o 因此諧振時(shí)的逆變器的角頻率為： ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 對于( 2 一l1 ) 有 叩壓 ( 2 1 2 ) 進(jìn)一步分析可知，隨著電阻r 的增大，諧振頻率將減小直至為零，所以為了獲得 合適的諧振頻率點(diǎn)，r 值選擇盡可能的小。將諧振角頻率用頻率來表示，則逆變器諧振 工作頻率為： 。蔬 ( 2 - 1 3 ) 將式( 2 2 3 代入式( 2 - 2 - 1 ) ，即得到逆變器工作在諧振狀態(tài)時(shí)感應(yīng)加熱電源輸出到負(fù)載的 蛾 = 乏蔫三= 譬三 弦 負(fù)載諧振阻抗z 0 ：半：去：q z r ( 2 1 5 ) ” 尺cr 1 其中q = 警= 瓦b 為負(fù)載品質(zhì)因數(shù)。 這時(shí)感應(yīng)線圈和補(bǔ)償電容中的電流為 = 妻= 志= 云( 譬一m 像 o f = = 覷c e( 2 。1 7 ) z 其模分別為： i c = e = 警q = q l ， i l - = e 阿咄廂嘁 j 2 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 第二章感戍加熱電源的方窠分析 由式( 2 9 ) ，( 2 1 3 ) ，( 2 1 4 ) 可知，當(dāng)逆變器工作在諧振狀態(tài)時(shí)，感應(yīng)加熱電 輸入負(fù)載的電流不大，但感應(yīng)線圈和補(bǔ)償電容上的電流卻很大，是電源輸入電流的q 倍， 其中q 值的大小由感應(yīng)線圈和加熱負(fù)載本身的特性決定。 當(dāng)感應(yīng)加熱電源輸出電流頻率變化，且忽略負(fù)載電阻影響時(shí)，可以得到并聯(lián)負(fù)載 電路的電抗 x 三 x 的頻率特性圖如2 6 所示， ：立 協(xié)2 。) 旦一g 國 j 。 穢 國ri 一 i ：糊 圖2 6 并聯(lián)諧振電路阻抗x 的頻率特性 f i g 2 6f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co f p a r a l l e lr e s o n a n tc i r c u i ti m p e d a n c ex 由該圖可看出： l 、并聯(lián)諧振電路的諧振頻率點(diǎn)由l 和c 的大小來確定，在實(shí)際應(yīng)用中，l 和r 的值是 由加工工件( 負(fù)載) 所決定的，所以往往通過并聯(lián)電容c 來改變整個(gè)負(fù)載的諧振頻率點(diǎn)。 2 、隨著頻率向諧振頻率點(diǎn)靠攏，負(fù)載阻抗增大，電流降低，在諧振頻率點(diǎn)，電源輸出 的電流可達(dá)到最小，對于電源來說是有利的。根據(jù)并聯(lián)電路的品質(zhì)因素q ：竺迕：上， 只 鍛 電路的r 往往很小，q 值較高，此時(shí)雖然逆變電源的輸出電流很小，但是流過電容c 和電感l(wèi) 的電流仍然會很大。 3 、 電路頻率偏離諧振點(diǎn)越遠(yuǎn)，電路的阻抗z ( 欲) 就越小，而且當(dāng)q 值這個(gè)變化更 加明顯，也就是說，q 值越大，z 在諧振頻率點(diǎn)附近的變化也越大。 4 、當(dāng)逆變器工作頻率大于諧振頻率( f 壇) 時(shí)，負(fù)載表現(xiàn)為容性；當(dāng)逆變器工作頻率小 于諧振頻率( f f o ，逆變器工作頻率高于負(fù)載固有諧振頻率時(shí)，負(fù)載呈現(xiàn)容性 1 4 第一二章感癍加熱電源的方案分析 狀態(tài)，逆變器輸出電壓相位滯后于輸出電流。 在這種狀態(tài)下其工作過程如下：當(dāng)某一時(shí)刻開關(guān)器件v t l 、v t 3 導(dǎo)通時(shí)，直流電流 i d 經(jīng)開關(guān)v t l 一負(fù)載一開關(guān)、廠r 3 形成回路，負(fù)載電流為正向，此時(shí)，v t 2 、v t 4 都處 于關(guān)斷狀態(tài)，由于電壓落后于電流，二極管v d 2 、v d 4 承受反壓，當(dāng)負(fù)載電壓過零變 為正向后，二極管v d 2 、v d 4 導(dǎo)通，v t 2 、v t 4 承受正向正弦電壓：當(dāng)負(fù)載正向電壓還 未過零時(shí)，在v t 2 、v t 4 上加導(dǎo)通脈沖，在負(fù)載電壓作用下與v t l 、v t 3 發(fā)生換流：當(dāng) 換流結(jié)束后，在v t l 、v t 3 上加關(guān)斷脈沖，v t l 、v t 3 在小電流下關(guān)斷：當(dāng)v t l 、v t 3 關(guān) 斷以后，電流i d 經(jīng)v t 2 一負(fù)載一v t 4 形成回路，電流為負(fù)向，此時(shí)電壓仍為正向，則 二極管v d l 、v d 3 承受反壓：當(dāng)負(fù)載電壓過零變?yōu)樨?fù)向電壓時(shí)，二極管v d l 、v d 3 導(dǎo)通， v t l 、v t 3 承受正向正弦波電壓，當(dāng)負(fù)載負(fù)向電壓還未過零時(shí)，在v t l 、v t 3 上加導(dǎo)通 脈沖，同樣在負(fù)載電壓的作用下與v t 2 、v t 4 發(fā)生換流，換流結(jié)束后將v t 2 、v t 4 關(guān) 斷，其過程與前半周期相似。這樣就完成了一個(gè)周期的工作，該過程中各，點(diǎn)的波形如圖 2 9 所示。 其中i o 為負(fù)載電流，u o 為負(fù)載電壓，u a 為逆變器輸入電壓。 l 廠 廣 。 i jul 八八川 u 弋 趴廠廠噸八八 f 一 圖2 7f = f o 時(shí)逆變器各點(diǎn)波形 f i g 2 7 t h e 霄a v eo f i n v e r t e rp o i n t sw h e nf = f o t t t l i 廣廠 。 u一l 弋；八八| vvk 、八八入八r nnyn 、f 7 t t t 圖2 8 f f d 時(shí)逆變器各點(diǎn)波形 f i g 2 9 t h ew a v eo f i n v e r t e rp o i n tsw h e n 珍f o t t t 由以上分析可知對于自關(guān)斷器件組成的并聯(lián)型逆變器容性工作狀態(tài)是一種良好的工 1 5 江南人學(xué)在職人員學(xué)位論文 作狀態(tài)在實(shí)際運(yùn)行中也是可靠的當(dāng)然容性相角即超前角小要適當(dāng)過小的容性相角可能 會因?yàn)閾Q流電壓太小換流時(shí)間太短不能實(shí)現(xiàn)橋臂問的完全換流負(fù)載電壓就已反向可靠 換流只能靠強(qiáng)制關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)過大的容性相角會使負(fù)載功率因數(shù)降低在一定的輸入直流 電壓的情況下使得功率丌關(guān)及負(fù)載電容的電壓容量提高，所以并聯(lián)諧振逆變電源工作于 弱容性狀態(tài)較好【1 6 1 。 2 4 并聯(lián)諧振逆變器的調(diào)功方法 由于在感應(yīng)加熱過程中，負(fù)載等效參數(shù)隨溫度變化以及加工工藝的需要，電源應(yīng)對 負(fù)載進(jìn)行功率調(diào)節(jié)【r 7 1 。并聯(lián)諧振逆變器的調(diào)功方法可分為兩類：直流調(diào)功和逆變調(diào)功。 一、直流調(diào)功 直流調(diào)功可以大范圍調(diào)節(jié)功率，而且功率調(diào)節(jié)的線性比較好。但是必須在逆變橋前 級加可控電路。在實(shí)際應(yīng)用中，通過調(diào)節(jié)d c d c 變換器的輸出電壓來調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱電 源的輸出功率。也有采用輸入可控整流來調(diào)節(jié)功率，常見的直流電壓的調(diào)節(jié)有幾種方法： 1 三相p w m 整流技術(shù) 三相p w m 整流技術(shù)可以使功率因數(shù)得到有效的提高，但由于高頻p w m 同樣使交 流側(cè)的高次諧波含量大，目前使用軟開關(guān)技術(shù)的三相p w m 整流技術(shù)正在研究階段，并 不成熟。而且使用的全控型功率器件過多，價(jià)格上面不具優(yōu)勢。所以目前一般很少應(yīng)用。 2 三相晶閘管可控整流 三相晶閘管可控整流的特點(diǎn)是電路簡單，成本低，但負(fù)載電壓的諧波分量大，輸入 功率因數(shù)低，電流諧波成分大，對電網(wǎng)污染嚴(yán)重，如果形成電壓反饋閉環(huán)，動態(tài)響