感應加熱電源的調頻調功研究

范文濤

【摘 要】針對感應加熱電源的調功關鍵問題，本文設計了一種基于調頻調功理論的感應加熱電源調功理論。通過大量的仿真實驗，實驗結果表明，本文所設計的調功電路能都達到調節輸出功率的目的。

【關鍵詞】感應加熱；調頻調功；調功電路；輸出功率

0 引言

感應加熱由于具有加熱效率高、升溫快、可控性好等諸多有點，目前廣泛應用于熔煉、透熱、淬火、彎管、焊接和加熱等工業生產領域，已成為冶金、國防、機械加工、鍛造和船舶、飛機制造業等不可缺少的加熱技術，取得了明顯的經濟效益和社會效益[1-3]。

隨著電力電子技術和開關器件的發展，感應加熱電源正朝著高頻化、輕量化和數字化的方向發展；隨著大量整流設備的引入，電網的諧波污染問題越來越嚴重，對感應加熱電壓的需求提出了更高的要求。感應加熱的電源和加熱負載作為一個有機整體，每一種負載具有其獨特的負載匹配結構。當感應加熱電源與負載不匹配時，其電源的利用效率和可靠性都會降低。合適的負載匹配可以提高感應加熱電源的利用率和減小電源損耗。

感應加熱電源輸出功率控制電路是整個控制電路中的核心電路，根據調功的位置，可將逆變器輸出功率的控制方式分為：直流側控制和逆變側控制。

直流側控制可以通過調節晶閘管整流器的移相角來控制輸出直流電壓的大小，從而達到控制逆變側輸出功率的目的；也可以在整流系統和逆變系統之間加入一個斬波調功環節，斬波調功利用buck變換拓撲，通過控制功率開關器件的占空比，來調節逆變系統的輸入電壓，從而控制逆變側的輸出功率。直流側調功是通過調節逆變側的輸入電壓來對逆變系統輸出功率進行調節，為了達到低損耗和最大輸出功率，此方法需要對負載側進行精確鎖相。

逆變側調功可分為：調頻調功（PFM）、移相調功和脈沖寬度調功（PDM）。脈沖寬度調功（PDM）是通過改變脈沖密度來實現對逆變器輸出功率的調功，此方法適用于負載較大的應用場合，在小功率開環控制也有一定的應用，特別是家用電磁爐中。調頻調功（PFM）是利用負載的頻率特性，通過調節逆變器的輸出頻率來實現對逆變器輸出功率的調節[4-5]。

本文采用逆變側調頻調功的方式，來對感應加熱電源的輸出功率進行調節和研究。

1 調頻調功理論

逆變器的負載電路可以等效成由電阻、電感和電容組成的串聯等效電路，其電路結構如圖1所示。其中，L為負載的串聯等效電感，R為負載的串聯等效電阻，C為串聯等效電容。

整個負載網絡在s域的阻抗為：

令s=jω，在頻域（ω）內，可得負載網絡的阻抗為：

當輸入電壓的有效值（U）一定時，其電阻上消耗的功率為：

為了獲得在電阻R消耗最大的功率，必須使阻抗Z的絕對值最小。當Z（jω）的虛部為零時，此時阻抗|Z|取得最小值。令：

式中，ω0為整個負載等效電路的諧振頻率，當電路工作在此頻率時，負載阻抗|Z|獲得最小值，逆變器輸出最大的有功功率。

電路工作在諧振頻率ω0時，令電阻R上消耗的功率為P0，則電阻R上消耗的功率P隨工作頻率ω的變化曲線如圖2所示。

2 仿真電路搭建

本設計基于SG3525搭建實驗仿真平臺，其如圖3所示。

3 仿真結果

通過大量的仿真實驗，得出在電源功率輸出最小和最大時的逆變器輸出側的電流和電壓波形。

從圖4和圖5可以看出，設計的調功電路能很好的控制電源的輸出功率，隨著電源輸出頻率的降低，輸出功率增大。

4 結論

通過對感應加熱電源的調功方式進行研究，本文利用saber仿真平臺對調頻調功進行驗證。得出本文所設計的感應加熱電源能很好地適應負載的變化。

【參考文獻】

[1]全亞杰.感應加熱電源的發展歷程與動向[J].電焊機，2001，31（11）：3-6.

[2]張志遠，陳輝明.感應加熱電源的最新發展[J].機械工人，1999，3：6-7.

[3]熊磊，朱潔.幾種感應加熱調功方式的比較[J].科技廣場，2005：117-119.

[4]張仲超，陳輝明.50k Hz IGBT 超音頻感應加熱電源[J].電力電子技術，1995，29（2）：6-8.

[5]李津福，章亦葵，張立.SIT 高頻大功率諧振逆變器的研究[J].電子學報，1996， 24（5）：92-95.

[責任編輯：王偉平]