電力電子課程論文-高頻感應加熱原理及應用

1、目錄一背景1二高頻感應加熱原理與基本電路結(jié)構(gòu)22.1 高頻感應加熱原理22.2基本電路結(jié)構(gòu)3三諧振逆變器電路43.1 諧振補償電路模型43.2 電路實現(xiàn)6四功率調(diào)節(jié)方式104.1 脈沖密度調(diào)制（PDM）104.2 脈沖寬度調(diào)節(jié)（PWM）114.3 脈沖頻率調(diào)節(jié)（PFM）12五總結(jié)13摘要：自從感應加熱電源問世以來，由于其在工業(yè)熱處理等方面的各種優(yōu)點，迅速地應用到了國民生產(chǎn)的各個領域。對于中國這樣一個能源使用大國，感應加熱電源的研究和性能的提高有著極其重要的現(xiàn)實意義。電力電子器件得發(fā)展對感應加熱技術(shù)的發(fā)展有著至關(guān)重要的影響,隨著電力電子器件得發(fā)展，感應加熱技術(shù)不斷地提高。本文主要討論高頻感應加熱

2、的原理以及電路實現(xiàn)，主要分析了諧振逆變器的電路結(jié)構(gòu)、工作頻率以及調(diào)功方式，說明了合理的電路結(jié)構(gòu)、電子器件的工作狀態(tài)以及控制方式是感應電源實現(xiàn)的保證。一 背景工業(yè)上開始應用感應加熱技術(shù)以來，已有將80多年歷史。在這期間，感應加熱理論和感應加熱裝置都有很大的發(fā)展。在應用領域方面，感應加熱可用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等過程，己成為冶金、國防、機械加工等部門及船舶、飛機、汽車等制造業(yè)不可缺少的技術(shù)。此外感應加熱正不斷的進入人們的家庭生活中，例如電磁爐等都是依靠感應加熱原理工作的。感應加熱電源技術(shù)的發(fā)展趨勢是高頻化、大容量化、智能化和綠色化。目前的高頻感應加熱電源頻率在幾百千赫左右，技術(shù)比較成熟。

3、感應加熱的應用領域以及應用范圍越來越廣，究其原因，要是感應加熱具有如下一些特點：（1）加熱溫度高，而且是非接觸式加熱；（2）加熱效率高節(jié)能；（3）加熱速度快被加熱物的表面氧化少；（4）溫度容易控制產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；（5）可以局部加熱，容易實現(xiàn)自動控制；（6）作業(yè)環(huán)境好，作業(yè)占地少，環(huán)保；（7）能加熱形狀復雜的工件，工件容易加熱均勻；在我國，感應加熱是伴隨著汽車工業(yè)和拖拉機工業(yè)的誕生而起步的。它具有加熱效率高、速度快、可控性好且易于實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點,是目前常用的最有效的熱處理工藝。它具有下列多種應用：表面淬火、透熱淬火、回火和消除應力(低溫)、退火和正火(高溫)、焊縫退火、粉末金屬燒結(jié)等，已

4、在熔煉、鑄造、彎管、熱鍛、焊接和表面熱處理等行業(yè)得到廣泛應用。二 高頻感應加熱原理與基本電路結(jié)構(gòu)2.1 高頻感應加熱原理當導體中通過交變電流時，導體周圍形成交變磁場，磁場的強弱直接與電流強度成正比。如果將材料放在高頻磁場內(nèi)，剛磁力線同樣會切割材料，在材料中產(chǎn)生感應電動勢，從而產(chǎn)生渦流。渦流也是高頻電流，同樣具有高頻電流的一些性質(zhì)，由于材料具有電阻，結(jié)果使材料發(fā)熱。利用感應渦流的熱效應進行加熱，叫感應加熱。感應加熱是電熱應用的一種較好形式,它是利用電磁感應的原理將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。見圖2-1，當交變電流流入感應圈時，感應圈內(nèi)便產(chǎn)生交變磁通，使置于感應圈中的工件受到電磁感應而產(chǎn)生感應電勢e。圖2-1

5、 感應加熱示意圖如果磁通呈正弦變化，即，則其有效值為為了使金屬能加熱到一定溫度，在金屬內(nèi)必須有足夠大的電流，為此在金屬內(nèi)必須感應出足夠大的電勢E。由于感應電勢E與磁通、頻率成正比，為了獲得必須的感應電勢，可以通過提高電源頻率來獲得。同樣的發(fā)熱效果，頻率越高，所需的磁通及感應圈中的電流就可以減小，所以近來的感應加熱廣泛采用中高頻電源。另外，金屬截面越大，那么在同樣的磁通密度下，通過金屬的也就越大，于是感應電勢E及金屬內(nèi)感應得到的功率也就越大。2.2 基本電路結(jié)構(gòu)感應加熱電源由主電路和控制及保護電路兩大塊組成。主電路由整流器、濾波器、逆變器和負載電路組成。其中整流濾波發(fā)展較為成熟，通常是逆變器、負

6、載阻抗匹配及控制電路的發(fā)展水平限制著感應加熱電源的發(fā)展?；倦娐方Y(jié)構(gòu)如下所示：圖2-2 感應加熱電源基本電路結(jié)構(gòu)根據(jù)調(diào)功方式的不同，又可以分為整流器調(diào)功、不控整流加斬波器、逆變器調(diào)功三種結(jié)構(gòu)。在實際中應用較多的是逆變器調(diào)功結(jié)構(gòu)。如圖2-3所示：圖2-3 高頻感應加熱電源逆變器調(diào)功結(jié)構(gòu)三 諧振逆變器電路3.1 諧振補償電路模型高頻感應加熱電源的負載可以等效成一個電阻和一個電感串聯(lián)或并聯(lián)的形式。等效的電感、電阻是感應器和負載耦合的結(jié)果，其值受耦合程度的影響。這種負載都是功率因素很低的感性負載；為了提高功率因數(shù)，一般采用增加補償電容的方法來提高。一般有并聯(lián)補償和串聯(lián)補償兩種方式，從而形成兩種基本的諧

7、振電路：并聯(lián)諧振電路、串聯(lián)諧振電路。為了提高效率和保證逆變器安全運行，固態(tài)感應加熱電源一般工作在準諧振狀態(tài)。串聯(lián)諧振電路以及并聯(lián)諧振電路的特性見圖3-1：圖3-1串、并聯(lián)諧振電路的特點并聯(lián)諧振電路并聯(lián)型電路諧振時電源的電流全部加在等效電阻上，電感和補償電容上的電流是輸入電流的Q倍，常把此諧振稱作電流型諧振。而補償電容和感應器上的電壓為逆變器輸出電壓。并聯(lián)諧振電路必須用電流源供電，電流源由整流器和大電感構(gòu)成。如果并聯(lián)型逆變器的上、下橋臂同時斷開，則積蓄在大電感中的能量將無處排放，會嚴重損害功率器件。因此需在上下橋臂的驅(qū)動信號中加入“重疊時間”。在這個時間內(nèi)，雖然橋臂處于短路狀態(tài)，但由于電感的“通

8、直隔交”特性，電流不會突變，只要換流足夠快，就不會對功率器件造成危害。由于直流電流源采用大電感濾波，大電感能夠抑制短路電流的上升，所以有利于過流保護。由于 IGBT 內(nèi)部封裝有反并聯(lián)二極管，所以 IGBT 不能承受反向電壓，因此要為每個主開關(guān)器件串聯(lián)一個同等容量的電力二極管以承受換流后相應橋臂要承受的反壓。電路中每個主開關(guān)器件都并聯(lián)有阻容網(wǎng)絡構(gòu)成的保護電路。串聯(lián)諧振電路串聯(lián)型電路諧振時電源電壓都加在負載等效電阻上，電源供給負載的全都是有功功率。電感和電容上的電壓大小相等，而且等于逆變器母線電壓的Q倍，但方向相反，常稱此諧振為電壓型諧振。而流過補償電容和感應器上的電流為逆變器輸出電流。串聯(lián)型電源

9、的濾波器是通過大電容實現(xiàn)的，逆變器的供電電壓不變。如果同一橋臂出現(xiàn)短路，由此產(chǎn)生的短路電流會對功率器件造成嚴重損壞。因此串聯(lián)逆變器中，同一橋臂的功率管換流時一定遵循“先斷后通”的原則，即在上下橋臂的驅(qū)動脈沖之間加入“死區(qū)時間”。在這段“死區(qū)時間”里，為了確保無功電流的續(xù)流，必須在功率管的兩端反并聯(lián)一個快恢復二極管（或者由寄生二極管實現(xiàn)）。與并聯(lián)諧振電路相比，串聯(lián)諧振電路具有以下優(yōu)勢：（1）關(guān)斷時間短，換流時開關(guān)管自然關(guān)斷（零電流關(guān)斷）；（2）啟動較簡單、適用于頻繁啟動場合、對驅(qū)動脈沖要求較低；（3）感應器與逆變電源可以相距較遠，負載分布電感對輸出功率影響較小；（4）對二極管反向恢復速度要求較低

10、。因此在實際應用中，多采用串聯(lián)型的電路結(jié)構(gòu)。兩者電路結(jié)構(gòu)見圖3-2：圖3-2 串聯(lián)型（上）和并聯(lián)型（下）諧振電路結(jié)構(gòu)3.2 電路實現(xiàn)簡化后的帶電容緩沖的串聯(lián)型諧振逆變電路結(jié)構(gòu)圖3-3所示：圖3-3 簡化后帶電容緩沖的串聯(lián)諧振逆變電路結(jié)構(gòu)在電路實現(xiàn)部分，本文主要討論兩個問題：諧振電路的工作頻率以及換流過程。諧振逆變電路工作頻率圖3-4 容性負載輸出波形（左），感性負載輸出波形（右）串聯(lián)諧振型逆變器的輸出電壓為近似方波，由于電路工作在諧振頻率附近，使振蕩電路對于基波具有最小阻抗，所以負載電流近似正弦波，同時，為避免逆變器上、下橋臂間的直通，換流必須遵循先關(guān)斷后導通的原則，在關(guān)斷與導通之間必須留有足

11、夠的死區(qū)時間。圖3-4給出容性負載和感性負載的輸出波形。當串聯(lián)諧振逆變器工作在容性負載狀態(tài)時，輸出電流的相位超前于電壓相位，因此在負載電壓仍為正時，電流先過零，上、下橋臂間的換流則從上(下)橋臂的二極管換至下(上)橋臂的MOSFE。由于MOSFE寄生的反并聯(lián)極管具有慢的反向恢復特性，使得在換流時會產(chǎn)生較大的反向恢復電流,而使器件產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗,而且在二極管反向恢復電流迅速下降至零時，會在與MOSFET串聯(lián)的寄生電感中產(chǎn)生大的感生電勢，而使MOSFET受到很高的電壓尖峰的沖擊。當串聯(lián)諧振型逆變器工作在感性負載時，輸出電流的相位滯后于電壓相位。其換流過程是這樣進行的，當上(下)橋臂的MOSFE

12、T關(guān)斷后，負載電流換至下(上)橋臂的反并聯(lián)的二極管中，在滯后一個死區(qū)時間后，下(上)橋臂的MOSFET加上開通脈沖等待電流自然過零后從二極管換至同橋臂的MOSFET。由于MOSFET中的電流是從零開始上升的，因而基本實現(xiàn)了零電流開通，其開關(guān)損耗很小，另一方面，MOSFET關(guān)斷時電流尚未過零，此時仍存在一定的關(guān)斷損耗，但是由于MOSFET關(guān)斷時間很短，預留的死區(qū)時間不長，并且因為死區(qū)而必須的功率因數(shù)角并不大，所以適當?shù)乜刂颇孀兤鞯墓ぷ黝l率，使之略高于負載電路的諧振頻率，就可以使上(下)橋臂的MOSFET向下(上)橋臂的反并聯(lián)的二極管換流，其間的瞬時電流很小，即MOSFE丁關(guān)斷和反并聯(lián)二極管開通是

13、在小電流下發(fā)生的，這樣也限制了器件的關(guān)斷損耗。從上述分析可以知道，串聯(lián)諧振型逆變器在適當?shù)墓ぷ鞣绞较?，開關(guān)損耗很小，因而可以在較高的工作頻率下工作。諧振逆變電路換流過程帶緩沖電容的串聯(lián)諧振電路換流過程如圖3-5所示：（a）S1、S4關(guān)斷前的狀態(tài) （b）換向中的狀態(tài)（c）換向后D2、D3續(xù)流狀態(tài) （d）載電流變向后狀態(tài)圖3-5 換流過程狀態(tài)（a）：換相前，導通，設負載電流方向為0；此時電容C1及C4上的電壓為零。C2及C3上的電壓為，如圖3-5（a）所示。狀態(tài)（b）：此時關(guān)斷，負載電流以向C1及C4充電,同時C2及C3放電，如圖3-5(b)所示，當C1及C4電壓達到，此時C2及C3放電到零，進入

14、下一狀態(tài)。狀態(tài)（c）：在換向過程中，待C1及C4上的電壓達到，C2及C3上的電壓下降為零時，而負載電流仍未過零，則會通過內(nèi)部反并聯(lián)二極管D2及D3續(xù)流，如圖3-5(c)所示。狀態(tài)（d）：負載電流過零后，S2及S3導通，進入下半周期工作狀態(tài)。如圖3-5(d)所示。上述為前半個周期電路換流工作過程，后半個周期換流過程與前半個周期相似。換向前后電壓、電流波形示意圖見圖3-6。圖3-6 換向前后電壓、電流波形示意圖四 功率調(diào)節(jié)方式如前述，高頻感應加熱電路多采用逆變器調(diào)功方式來控制電路輸出功率，而逆變器調(diào)功方式常見的有以下幾種：脈沖密度調(diào)制（PDM）、脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）。4.

15、1 脈沖密度調(diào)制（PDM）PDM 法是通過控制逆變器向負載輸送能量的時間來調(diào)節(jié)輸出功率，即控制逆變器的脈沖密度。其控制原理圖如圖4-1所示：圖4-1 脈沖密度調(diào)制原理圖PDM 法的控制原理：假定選 個開關(guān)周期，其中的 個周期里逆變器向負載輸出能量；而剩下的( )個周期逆變器則停止向負載饋送能量，負載的能量是通過自然振蕩的形式在回路內(nèi)慢慢衰減。這樣就能通過改變逆變器脈沖密度來改變電源功率。其優(yōu)點是輸出頻率一般保持不變，功率器件的開關(guān)損耗相對較小，數(shù)字化控制容易實現(xiàn)，適合在開環(huán)的場合中應用。缺點是逆變器輸出頻率不完全等于負載固有頻率，系統(tǒng)穩(wěn)定性比較差。率動態(tài)響應不理想，屬于有級的調(diào)功方式。4.2

16、脈沖寬度調(diào)節(jié)（PWM）PWM方法是通過控制逆變器輸出電壓的占空比來改變輸出功率的。其原理是采用頻率跟蹤技術(shù)，使逆變器同一橋臂的上、下功率管的驅(qū)動脈沖正好互補。斜對角的兩個功率管的驅(qū)動信號的相位如果相同，是 PWM 脈沖寬度調(diào)制；如果它們之間錯開一個相位差，就是移相 PWM 調(diào)制。移相PWM調(diào)節(jié)方式控制原理如圖4-2所示：圖4-2 PWM移相調(diào)節(jié)方式控制原理使斜對角的功率管（VT1，VT4 ）和（VT2，VT3）的驅(qū)動脈沖之間相差一個移相角 ，讓（VT1，VT2） 和（VT3，VT4）的驅(qū)動脈沖信號恰好互補，移相角 可以在 0 180之間調(diào)節(jié)。在逆變器的控制電路中通過改變 的大小就可以調(diào)節(jié)逆變器

17、輸出電壓的占空比，從而達到調(diào)節(jié)功率的目的。PWM 控制方案下具有更好的負載適應性，控制電路實現(xiàn)比較容易和功率調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點；缺點是頻率變化較小，功率器件的利用率較低，電磁干擾比較大。4.3 脈沖頻率調(diào)節(jié)（PFM）PFM 法即是一般所說的調(diào)頻調(diào)功，也稱為掃頻調(diào)功。它是逆變器側(cè)調(diào)功模式中最簡單的一種。PFM 是通過改變逆變器的工作頻率，從而改變負載輸出阻抗以實現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出功率的目的。圖4-3為負載功率隨逆變器工作頻率變化的曲線圖（圖中為逆變器功率管的開關(guān)頻率，為負載的諧振頻率。P 為逆變器的輸出功率）。圖4-3 負載功率隨逆變器工作頻率變化的曲線由上圖可知，負載固有頻率不變，改變逆變器開關(guān)頻率即可

18、改變電源的輸出功率。當 1時，逆變器呈感性，開關(guān)頻率越大感抗越大，輸出功率減小。所以在逆變器的輸入電壓恒定時，逆變器的工作頻率越偏離負載諧振頻率，負載的等效阻抗越大，則逆變器的輸出功率越小。PFM 就是利用這一原理來調(diào)節(jié)輸出功率的。PFM 調(diào)功法最大的優(yōu)點是不需調(diào)壓環(huán)節(jié)，整流電路可以使用二極管整流，從而簡化了設備，使成本得到降低；且 PFM 法的控制電路的設計較簡單，調(diào)頻部分實現(xiàn)起來較方便，一般是通過檢測負載電流作為反饋量來構(gòu)成閉環(huán)控制的。PFM調(diào)功方式可以對電源的工作頻率、負載電流和電路的功率因數(shù)直接進行控制；而且輸出功率也可以不斷調(diào)整，根本沒有其他調(diào)功方式中的功率梯級調(diào)節(jié)問題；當負載 Q 值很大時，極小的頻率偏移就可在很大范圍內(nèi)對功率進行調(diào)節(jié)；其缺點是：（1）負載諧振回路的 Q 值較小時，逆變器開關(guān)頻率的變化會使被加熱金屬件的集膚深度也隨之而變化，在表面淬火等場合中，這種變化對熱處理行業(yè)的加熱效果有很大的影響。（2）負載為低阻抗時，逆變器功率器件的開關(guān)損耗較大五總結(jié)本文以高頻感應加熱為主題，主要介紹了高頻感應加熱的原理以及電路實現(xiàn)，在電路實現(xiàn)部分著重討論諧振逆變電路的工作頻率以及換流過程。通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)逆變器的工作狀態(tài)，可以使逆變器在適當?shù)墓ぷ鞣绞较?/p>