基于LLC的梯度加熱電源研究

趙 飛， 耿程飛， 張永亮

（中國礦業大學信電學院，江蘇 徐州 221116）

基于LLC的梯度加熱電源研究

趙 飛， 耿程飛， 張永亮

（中國礦業大學信電學院，江蘇 徐州 221116）

指出了傳統的LC串聯型和并聯型諧振拓撲存在的不足，提出了一種新型LLC型拓撲結構，并對該拓撲結構進行了詳細分析。LLC型拓撲結構具有電流變換功能，可以省掉負載諧振變壓器，實現負載匹配。同時針對金屬工件在擠壓過程中摩擦生熱，導致前端溫度升高的問題，提出了采用多逆變器并聯，各區獨立控制的方法。該方法可以單獨控制每區的溫度，從而實現金屬工件的橫向梯度加熱。實驗結果表明，該套控制系統溫升曲線平滑，能夠實現工件的等溫擠壓，滿足生產需求。

感應加熱；LLC拓撲結構；諧振；梯度加熱

電磁感應加熱是一項將電能轉化為熱能的加熱技術，其最大的特點是非接觸式直接加熱，最大的優勢是工件加熱速度快、效率高，溫度易于控制，加熱過程中不會混入金屬雜質，工人勞動條件好等[1-2]。隨著行業對金屬型材的工藝、質量、穩定性等方面的要求不斷提高，金屬工件溫擠壓成為了行業新要求。在擠壓機擠壓工件的過程中，擠壓容室內的壓力非常大，工件與磨具的相對運動，會產生大量的摩擦熱，從而使工件前段溫度升高，如果在擠壓過程中工件橫向溫度不同，擠出型材的機械性能與力學特性較差。

為了實現在金屬工件擠壓過程中橫向溫度一致，工件在送入擠壓機之前橫向溫度需要形成梯度。傳統的油爐、天然氣爐、電阻爐等，不僅加熱效率低，而且能耗大，溫度控制不精確，難以實現金屬工件的橫向梯度加熱。為此本文提出了一種基于LLC的新型多逆變器并聯拓撲結構，每區逆變器獨立控制，溫度獨立調節，從而實現了金屬工件的橫向梯度加熱。

1 原理與設計

1.1 感應加熱電源的結構

感應加熱電源一般由整流器、濾波器、逆變器、諧振回路、負載、控制系統組成，如圖1所示。

圖1 感應加熱電源結構

根據諧振回路中補償電容與負載線圈連接方式的不同，感應加熱諧振拓撲主要有LC串聯型和LC并聯型兩種，如圖2所示，（a）為LC串聯型，（b）為LC并聯型[3-5]。LC串聯型諧振拓撲的輸出電壓為方波，負載電流為正弦波；LC并聯型諧振拓撲的輸出電流為方波，負載電壓為正弦波。

LC串聯型拓撲，雖然結構簡單，控制相對容易，但是電壓源供電，浪涌電流大，無短路保護能力，負載匹配方法較少；LC并聯型拓撲，電流沖擊小，具有短路保護能力，但是功率器件需要承受反壓，可靠性差。為此，本系統采用如圖3所示的

2 實驗結果

本文設計了基于LLC型拓撲結構的工頻感應梯度加熱控制系統。實驗參數為：三相進線電壓為660 V，所采用的IGBT型號為infineon公司的FZ600R17KE3，DSP選用TI公司的TMS320F2812，L1=3m L，L2=0.7m L，C=13 000μF。

圖5所示為逆變器輸出電壓與電流波形。逆變器輸出電壓與電流完全同相，說明此時電感與電容完全諧振，功率因數接近于1，加熱效率最高。

圖5 逆變器輸出波形

圖6所示為不同區的諧振電流波形，采用相同的觸發信號，能夠得到相位相同的諧振電流，電流大小分別為1 465和1 456 A。諧振電流相位相同，說明了不同區之間的電磁變化方向一致，有效地避免了不同感應加熱線圈之間的環流問題。不同區之間的電流大小單獨控制，從而可以單獨控制每一區的溫度，實現金屬工件的橫向梯度加熱。

圖6 不同區的諧振電流波形

圖7為通過熱電偶測得的工件加熱溫升曲線，實線為工件表面溫度，虛線為工件芯部溫度。從圖中可以看出，溫度上升平滑，沒有出現較大的波動。工件加熱溫度設定為540℃，大約經過20m in，工件芯表溫度達到一致，并維持在540℃，整個系統控制精確穩定，完全能夠滿足生產的需要。

圖7 溫升曲線圖

3 結論

實現金屬工件的等溫擠壓是保證金屬機械性能和組織結構穩定的關鍵技術，本文采用LLC諧振電路作為負載拓撲，以多逆變器并聯結構實現了工頻感應爐的梯度加熱，并且有效地實現了感應加熱的大容量化。該套控制系統不僅溫升曲線平滑穩定，而且溫度控制精確，誤差較小，加熱效率較高，相對于傳統的開關式控制感應爐，可以節約30%的電能。目前該系統已在某輕合金公司成功投入運行。

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Study on gradientheating powerbased on LLC

ZHAO Fei,GENG Cheng-fei,ZHANG Yong-liang
(China University of M ining and Technology,Xuzhou Jiangsu 221116,China)

The shortcomings of the traditional LC series and parallel resonant topology were pointed out,a new type LLC topology structure was put forward,and the topology structure was analyzed.LLC type topology structure has the current transform function and can realize the load match without load resonant transformer.The temperature of the front-end metal workpiece will rise because of friction heat in the extrusion processes.Therefore,a kind of the inverter parallel and the independent control method was put forward. The method could individually control the temperature of each district in order to achieve the transverse gradient heating of the metal workpiece. The experimental results show that the heating curves of this control system is smooth and it can realize the isothermal extrusion,and meet the production requirements.

induction heating;LLC resonant topology;gradient heating;resonance

TM 924

A

1002-087 X(2013)11-2044-03

2013-04-05

趙飛（1986—），男，江蘇省人，碩士研究生，主要研究方向為大功率電磁感應加熱控制。