感應加熱電源控制系統的數字化研究

摘要：感應加熱電源由于具有諸多優點而在工業中得到了廣泛的應用。文章首先介紹了感應加熱技術的發展動態，并綜述了國內外的研究現狀以及發展趨勢，闡述了感應加熱電源的控制數字化問題的必要性。

關鍵詞：感應加熱電源；控制系統；數字化；CPLD/FPGA；可編程邏輯器件 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN86 文章編號：1009-2374（2015）18-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.014

1 概述

感應加熱技術是較為先進的一種技術，它相比傳統加熱方法有獨特的優越性，這項技術的核心內容之一就是感應加熱電源的開發。感應加熱電源自從應用于工業上以來已歷經90多年了，在這段時間里感應加熱裝置及有關感應加熱理論都有了巨大的進步，這些都是由感應加熱技術自身的優勢決定的：（1）產生的焦耳熱多，加熱過程無接觸損耗；（2）效率高且有益于節能，符合節約能源的時代要求；（3）速度快，金屬工件老化程度減小，精度提高；（4）溫度調制簡便，產品優質化；（5）裝置的自動控制增強，勞動成本降低；（6）符合環保的要求，作業過程不會造成環境污染；（7）工序精細，能很好地完成各種工藝要求。

現在，傳統的工頻感應爐主要應用于低頻感應加熱場所，在國外，工頻感應加熱裝置達到百兆瓦，主要應用于鋼水保溫或大型工件的透熱。我們可以預測，在較短時間內以固態器件構成的低頻感應加熱電源在價格、可靠性及功率容量方面還無法和低級的工頻感應爐相媲美，即便是它的性能、效率和體積上勝過工頻爐。

在中頻范圍內，傳統的電磁倍頻器和中頻發電機組已完全被晶閘管感應加熱裝置所取代，在國外晶閘管感應加熱裝置已達數十兆瓦。

在超音頻范圍內，自從有了晶閘管后，以晶閘管倍頻電路和時間分割電路構成的超音頻電源開始大量使用。在20世紀80年代初，新型功率器問世，占據主導地位的主要是以IGBT、BSIT、GTR、MCT、SITH和GTO構成的結構簡單的全橋型超音頻固態感應加熱電源，其中以IGBT應用最為普遍。

在高頻領域，能很好地把傳統的電子管電源過渡到晶體管全固態電源的有：日本在1987年開發出了1200kW/200kHz的SIT電源；比利時Inducto Elphiac公司生產的電流型MOSFET感應加熱電源水平可達1MW/15～600kHz；美國Induetorheat公司已經推出2MW/400kHz的MOSFET高頻感應加熱電源。

2 國內現狀

20世紀50年代初，在我國工業生產當中感應加熱技術就被廣泛使用，晶閘管中頻電源在10年后開始研制，截至現在已有系列化產品出現，市場應用前景更為廣闊。

在中頻（150Hz～10kHz）范圍內，旋轉發電機基本上被晶閘管中頻電源裝置所取代，國內生產的中頻電源在結構上采用并聯諧振逆變器式，所以研制出結構簡單、利于多次啟動的串聯諧振逆變中頻電源還需要我們的努力。

在超音頻（10kHz～100kHz）范圍內，我國從20世紀80年代已經開始，浙大研制了50kW/50kHz的超音頻電源。90年代初，國內采用IGBT研制超音頻電源。目前，浙江大學已開發出了I00kW/250kHz的電流型感應加熱電源，且在電壓型電源方面也取得了長足的發展，如50kW/200kHz的產品已經實驗通過。

在高頻（100kHz以上）領域，SIT器件很少使用，卻大量使用電子管。在20世紀90年代浙大研制出并投入使用了20kW/300kHz的MOSFET高頻電源；21世紀初江南大學研制出1kW/2MHz的MOSFET超高頻電源樣機；天津大學和天津高頻設備廠共同研制出75kW/200kHz的SIT感應加熱電源。

從以上現狀來看，國外與國內感應加熱電源的水平還存在著差距。

3 感應加熱電源控制系統的初期缺陷

感應加熱逆變電源最初控制電路是模擬電路，我們知道模擬電路本身有著很多缺點：（1）模擬控制電路主要是電路板和分立元件，就會造成系統的可靠性下降，硬件成本偏高；（2）存在人工調試器件，比如可調電位器，就會造成系統的一致性下降，生產效率降低；（3）電路存在熱漂移問題和元器件的老化問題，這都會使感應加熱電源輸出能力降低；（4）只有對控制系統做更換，產品才能升級換代，如此一來對硬件系統的改進是必不可少的。

4 可編程邏輯器件在感應加熱電源中的應用

自20世紀90年代后，隨著EDA技術的發展，CPLD/FPGA的應用范圍越來越大，和ASIC比較，CPLD/FPGA有開發成本低、開發周期短、無風險、靈活等優點；和DSP處理器芯片比較，處理速度更快。所以CPLD/FPGA更適合電力電子技術的應用，比如實時處理要求較高，在速度上與硬連線方式幾乎相同，而且它相比硬連線方式有更多的優點：體積小、開發成本低、設計靈活、集成度

高等。

目前SOPC技術走在了電子工程技術的最前端，其目的將盡可能大而完整的電子系統（數字通訊系統、嵌入式處理器系統、DSP系統、接口系統、存儲電路以及普通數字系統、硬件協處理器或加速器系統等）在大規模FPGA的單片系統中實現，讓設計的電路系統在可靠性、性能指標、規模、體積、上市周期、功耗、硬件升級、產品維護及開發成本等多方面都更完善，所以在電力電子技術的控制中應用CPLD/FPGA，就可以較好地滿足功率開關器件高速開關控制的要求，也可以使電力電子裝置對選用的控制器在速度、成本、設計的靈活性等方面的高要求得到較大的滿足，而感應加熱電源作為一種電力電子系統亦可吸收利用此技術，以提高自身的性能。

從國內外感應加熱電源的頻段分布結構可以看出，對10～100kHz這一頻段，由于SCR工作頻率低，體積大而無法適應市場需要，近年來，特別是步入21世紀以來，隨著新型電力電子器件IGBT（絕緣柵場效應管）的出現和不斷完善，使它成為10～100kHz這一空白頻段的最佳器件，它被廣泛應用于熔煉、焊接、熱處理、鍛造等加熱加工領域，具有良好的發展前景。現在剛研制出來的以IGBT為功率開關器件的超音頻電源，其控制性能還很不理想，然而在國內對此頻段的感應加熱電源的需求量又特別大，為此怎樣去提高固態超音頻感應加熱電源的控制水平是當務之急。

在超音頻（10～100kHz）數字化控制中，隨著大規模集成電路技術和EDA技術的高速發展，可編程片上系統設計技術這樣一種設計理念日益廣泛應用于各種電子系統的設計中，基于這樣的技術發展背景，推出了大規模可編程邏輯器件CPLD/FPGA，更進一步推動感應加熱電源數字化控制進程的步伐，它能很好地滿足電源裝置對選用的控制器在速度、成本、設計的靈活性等方面越來越高的要求。

參考文獻

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作者簡介：宋召玲（1976-），女，山東濟寧人，濟寧技師學院講師，碩士。

（責任編輯：周 瓊）