中頻感應加熱電源的設計

文/王見樂

中頻感應加熱電源的設計

文/王見樂

本文旨在設計一2.5kHz/250 KW可控硅中頻感應加熱電源，介紹其整流電路逆變電路以及控制、保護電路。整流電路采用三相橋式全控整流電路，逆變電路采用電壓型串聯諧振電路，控制策略選用雙閉環反饋控制系統，保護采用電流、電壓保護。

1 加熱電源基本主電路結構

感應加熱是依據電磁感應的原理，利用導體處于交變的電磁場中產生的感應電流（渦流）所形成的熱效應使導體自身發熱。因此加熱的效率高、速度快和可控性好，所以容易實現高溫和局部加熱，應用范圍較廣。感應加熱電源根據加熱工藝的要求，采用不同的頻率，本文采用中頻（60-10000Hz）加熱電源，其電路拓撲結構如圖1。是由濾波器、整流器、逆變器和一些控制、保護電路組成的。

圖1 感應加熱電源的基本結構框圖

感應加熱電源三項整流器采用六脈動的晶閘管整流。逆變器用電壓型逆變電路，主要考慮，使用IGBT的電流源的逆變器中，有換相電感的存在，會使逆變器產生浪涌電壓，從而使器件的開關損耗相對增加，甚至可能會引起功率器件的擊穿，且負載采用串聯諧振式。雖然并聯諧振式負載，保護容易實現，但在中高頻設備中，由于并聯諧振需要加附加啟動電路，同時串聯諧振的感應加熱線圈離逆變電源較遠，對輸出功率的影響較小，綜合考慮，采用串聯諧振式負載。

在感應加熱中，逆變器的電壓源一般是由大電容加整流器構成的。由于電容值比較大，因此近似認為逆變器的輸入端的電壓固定不變。交替開通和關斷逆變器上的可控器件便可以在逆變器的輸出端獲得交變的方波電壓，電壓的幅值是由逆變器輸入端的電壓值決定的，而頻率是由器件的開關頻率決定的。對于串聯諧振電路，由于工作在諧振頻率的附近，會使振蕩電路對于基波具有最小的阻抗，因此負載電流i近似為正弦波。為避免逆變器上、下橋臂間的直通，換流時遵循先關斷后導通的原則，在關斷和導通之間必須留有足夠的死區時間。

濾波器采用Ⅱ型濾波器。兩個性能完全相同的電解電容串聯，來減小單個電容承受的電壓，且用兩個大小相等的電阻并在電容兩端，對兩電容起均壓的作用。

2 控制系統設計

控制電路包括整流控制、逆變控制、保護電路等電路。整流控制電路的任務就是依據各種輸入信號（給定、故障等）的綜合情況發出寬度適中的脈沖，便于能輸出合適的直流電壓。整流控制電路包括同步電源電壓電路、觸發信號電路、電流檢測電路、濾波電路、比較控制電路、相位移動控制電路等；逆變電路包括鎖相環電路、電壓檢測電路、濾波電路、啟動移位控制電路、開通、關斷信號驅動電路、死區形成電路。在串聯諧振型中必須存在的便是死區形成電路，有的集成驅動模塊中包含有其單元，再次設計時就可以省略掉；有的雖然含有延遲的環節，但是時間很短，需要另外加延遲?？刂撇呗詻Q定的是驅動電路所產生的脈沖的次序和占空比，采用雙閉環控制系統。硬件主要是由集成驅動模塊和一些外圍的電路組成，也有是純模擬的電路搭成，還可以是數字、模擬電路共同合成。跟蹤負載的諧振頻率是鎖相環實現的，從而達到控制逆變電路的工作頻率。采樣電壓一般是取自負載與電容兩端，這是因為電容對高次諧波的阻抗較小，其端電壓的高次諧波的分量最小，基波的分量最大。以這個信號來作為反饋，就能夠有效地降低高次諧波的干擾，使系統能夠穩定地跟蹤諧振頻率f0，再加上合適的偏置電路，就可以使工作頻率稍微高于諧振頻率。保護電路的主要任務就是防止過電流、短路保護。

3 保護電路

保護電路有過流保護，過壓及緩沖電路保護等。

由于電力電子器件承受過流能力較差，因此，采用過流保護。過流保護采用快速熔斷器、快速直流開關和電子電路來實。過壓及緩沖電路保護是用阻容元件的吸收和消耗產生過壓的能量，或者是選用非線性的元件限制過壓的幅度和用電子電路來實施等一些抑制過壓的保護，對于啟動電流的限制，通過加電抗器的方式實現。

4 總結

本文對2.5kHz/250KW可控硅中頻感應加熱電源的整流電路以及控制電路進行了設計。其中，整流電路采用三相橋式全控整流電路，其電路結構簡單，使電源易于推廣；控制策略選用雙閉環反饋控制系統，改善了信號遲滯的缺點；逆變電路采用電壓型逆變，使控制電路相對簡單，且容易實現控制，必要時可采取PWM控制技術。

（作者單位：湖北文理學院）