電力電子課程論文-高頻感應(yīng)加熱原理及應(yīng)用

1、目錄一背景1二高頻感應(yīng)加熱原理與基本電路結(jié)構(gòu)22.1 高頻感應(yīng)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(bǔ)償電路模型43.2 電路實(shí)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(yīng)加熱電源問(wèn)世以來(lái)，由于其在工業(yè)熱處理等方面的各種優(yōu)點(diǎn)，迅速地應(yīng)用到了國(guó)民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于中國(guó)這樣一個(gè)能源使用大國(guó)，感應(yīng)加熱電源的研究和性能的提高有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。電力電子器件得發(fā)展對(duì)感應(yīng)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(yīng)加熱技術(shù)不斷地提高。本文主要討論高頻感應(yīng)加熱

2、的原理以及電路實(shí)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(shuō)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(yīng)電源實(shí)現(xiàn)的保證。一 背景工業(yè)上開始應(yīng)用感應(yīng)加熱技術(shù)以來(lái)，已有將80多年歷史。在這期間，感應(yīng)加熱理論和感應(yīng)加熱裝置都有很大的發(fā)展。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，感應(yīng)加熱可用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等過(guò)程，己成為冶金、國(guó)防、機(jī)械加工等部門及船舶、飛機(jī)、汽車等制造業(yè)不可缺少的技術(shù)。此外感應(yīng)加熱正不斷的進(jìn)入人們的家庭生活中，例如電磁爐等都是依靠感應(yīng)加熱原理工作的。感應(yīng)加熱電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是高頻化、大容量化、智能化和綠色化。目前的高頻感應(yīng)加熱電源頻率在幾百千赫左右，技術(shù)比較成熟。

3、感應(yīng)加熱的應(yīng)用領(lǐng)域以及應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，究其原因，要是感應(yīng)加熱具有如下一些特點(diǎn)：（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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(fù)雜的工件，工件容易加熱均勻；在我國(guó)，感應(yīng)加熱是伴隨著汽車工業(yè)和拖拉機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),是目前常用的最有效的熱處理工藝。它具有下列多種應(yīng)用：表面淬火、透熱淬火、回火和消除應(yīng)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(yīng)用。二 高頻感應(yīng)加熱原理與基本電路結(jié)構(gòu)2.1 高頻感應(yīng)加熱原理當(dāng)導(dǎo)體中通過(guò)交變電流時(shí)，導(dǎo)體周圍形成交變磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱直接與電流強(qiáng)度成正比。如果將材料放在高頻磁場(chǎng)內(nèi)，剛磁力線同樣會(huì)切割材料，在材料中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(yīng)渦流的熱效應(yīng)進(jìn)行加熱，叫感應(yīng)加熱。感應(yīng)加熱是電熱應(yīng)用的一種較好形式,它是利用電磁感應(yīng)的原理將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。?jiàn)圖2-1，當(dāng)交變電流流入感應(yīng)圈時(shí)，感應(yīng)圈內(nèi)便產(chǎn)生交變磁通，使置于感應(yīng)圈中的工件受到電磁感應(yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e。圖2-1

5、 感應(yīng)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(yīng)出足夠大的電勢(shì)E。由于感應(yīng)電勢(shì)E與磁通、頻率成正比，為了獲得必須的感應(yīng)電勢(shì)，可以通過(guò)提高電源頻率來(lái)獲得。同樣的發(fā)熱效果，頻率越高，所需的磁通及感應(yīng)圈中的電流就可以減小，所以近來(lái)的感應(yīng)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(guò)金屬的也就越大，于是感應(yīng)電勢(shì)E及金屬內(nèi)感應(yīng)得到的功率也就越大。2.2 基本電路結(jié)構(gòu)感應(yīng)加熱電源由主電路和控制及保護(hù)電路兩大塊組成。主電路由整流器、濾波器、逆變器和負(fù)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(fù)

6、載阻抗匹配及控制電路的發(fā)展水平限制著感應(yīng)加熱電源的發(fā)展?；倦娐方Y(jié)構(gòu)如下所示：圖2-2 感應(yīng)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(shí)際中應(yīng)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(yīng)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(bǔ)償電路模型高頻感應(yīng)加熱電源的負(fù)載可以等效成一個(gè)電阻和一個(gè)電感串聯(lián)或并聯(lián)的形式。等效的電感、電阻是感應(yīng)器和負(fù)載耦合的結(jié)果，其值受耦合程度的影響。這種負(fù)載都是功率因素很低的感性負(fù)載；為了提高功率因數(shù)，一般采用增加補(bǔ)償電容的方法來(lái)提高。一般有并聯(lián)補(bǔ)償和串聯(lián)補(bǔ)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(yùn)行，固態(tài)感應(yīng)加熱電源一般工作在準(zhǔn)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(jiàn)圖3-1：圖3-1串、并聯(lián)諧振電路的特點(diǎn)并聯(lián)諧振電路并聯(lián)型電路諧振時(shí)電源的電流全部加在等效電阻上，電感和補(bǔ)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(bǔ)償電容和感應(yīng)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(shí)斷開，則積蓄在大電感中的能量將無(wú)處排放，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害功率器件。因此需在上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)中加入“重疊時(shí)間”。在這個(gè)時(shí)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(huì)突變，只要換流足夠快，就不會(huì)對(duì)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(guò)流保護(hù)。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(gè)主開關(guān)器件串聯(lián)一個(gè)同等容量的電力二極管以承受換流后相應(yīng)橋臂要承受的反壓。電路中每個(gè)主開關(guān)器件都并聯(lián)有阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的保護(hù)電路。串聯(lián)諧振電路串聯(lián)型電路諧振時(shí)電源電壓都加在負(fù)載等效電阻上，電源供給負(fù)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(guò)補(bǔ)償電容和感應(yīng)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(guò)大電容實(shí)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(huì)對(duì)功率器件造成嚴(yán)重?fù)p壞。因此串聯(lián)逆變器中，同一橋臂的功率管換流時(shí)一定遵循“先斷后通”的原則，即在上下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間加入“死區(qū)時(shí)間”。在這段“死區(qū)時(shí)間”里，為了確保無(wú)功電流的續(xù)流，必須在功率管的兩端反并聯(lián)一個(gè)快恢復(fù)二極管（或者由寄生二極管實(shí)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(shì)：（1）關(guān)斷時(shí)間短，換流時(shí)開關(guān)管自然關(guān)斷（零電流關(guān)斷）；（2）啟動(dòng)較簡(jiǎn)單、適用于頻繁啟動(dòng)場(chǎng)合、對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖要求較低；（3）感應(yīng)器與逆變電源可以相距較遠(yuǎn)，負(fù)載分布電感對(duì)輸出功率影響較??；（4）對(duì)二極管反向恢復(fù)速度要求較低

10、。因此在實(shí)際應(yīng)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(jiàn)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)部分，本文主要討論兩個(gè)問(wèn)題：諧振電路的工作頻率以及換流過(guò)程。諧振逆變電路工作頻率圖3-4 容性負(fù)載輸出波形（左），感性負(fù)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(duì)于基波具有最小阻抗，所以負(fù)載電流近似正弦波，同時(shí)，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(dǎo)通的原則，在關(guān)斷與導(dǎo)通之間必須留有足

11、夠的死區(qū)時(shí)間。圖3-4給出容性負(fù)載和感性負(fù)載的輸出波形。當(dāng)串聯(lián)諧振逆變器工作在容性負(fù)載狀態(tài)時(shí)，輸出電流的相位超前于電壓相位，因此在負(fù)載電壓仍為正時(shí)，電流先過(guò)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(fù)特性，使得在換流時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)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(fù)電流迅速下降至零時(shí)，會(huì)在與MOSFET串聯(lián)的寄生電感中產(chǎn)生大的感生電勢(shì)，而使MOSFET受到很高的電壓尖峰的沖擊。當(dāng)串聯(lián)諧振型逆變器工作在感性負(fù)載時(shí)，輸出電流的相位滯后于電壓相位。其換流過(guò)程是這樣進(jìn)行的，當(dāng)上(下)橋臂的MOSFE

12、T關(guān)斷后，負(fù)載電流換至下(上)橋臂的反并聯(lián)的二極管中，在滯后一個(gè)死區(qū)時(shí)間后，下(上)橋臂的MOSFET加上開通脈沖等待電流自然過(guò)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(shí)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(shí)電流尚未過(guò)零，此時(shí)仍存在一定的關(guān)斷損耗，但是由于MOSFET關(guān)斷時(shí)間很短，預(yù)留的死區(qū)時(shí)間不長(zhǎng)，并且因?yàn)樗绤^(qū)而必須的功率因數(shù)角并不大，所以適當(dāng)?shù)乜刂颇孀兤鞯墓ぷ黝l率，使之略高于負(fù)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(shí)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(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞较拢_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(guò)程帶緩沖電容的串聯(lián)諧振電路換流過(guò)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(guò)程狀態(tài)（a）：換相前，導(dǎo)通，設(shè)負(fù)載電流方向?yàn)?；此時(shí)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(shí)關(guān)斷，負(fù)載電流以向C1及C4充電,同時(shí)C2及C3放電，如圖3-5(b)所示，當(dāng)C1及C4電壓達(dá)到，此時(shí)C2及C3放電到零，進(jìn)入

14、下一狀態(tài)。狀態(tài)（c）：在換向過(guò)程中，待C1及C4上的電壓達(dá)到，C2及C3上的電壓下降為零時(shí)，而負(fù)載電流仍未過(guò)零，則會(huì)通過(guò)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(fù)載電流過(guò)零后，S2及S3導(dǎo)通，進(jìn)入下半周期工作狀態(tài)。如圖3-5(d)所示。上述為前半個(gè)周期電路換流工作過(guò)程，后半個(gè)周期換流過(guò)程與前半個(gè)周期相似。換向前后電壓、電流波形示意圖見(jiàn)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(yīng)加熱電路多采用逆變器調(diào)功方式來(lái)控制電路輸出功率，而逆變器調(diào)功方式常見(jiàn)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(guò)控制逆變器向負(fù)載輸送能量的時(shí)間來(lái)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(gè)開關(guān)周期，其中的 個(gè)周期里逆變器向負(fù)載輸出能量；而剩下的( )個(gè)周期逆變器則停止向負(fù)載饋送能量，負(fù)載的能量是通過(guò)自然振蕩的形式在回路內(nèi)慢慢衰減。這樣就能通過(guò)改變逆變器脈沖密度來(lái)改變電源功率。其優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率一般保持不變，功率器件的開關(guān)損耗相對(duì)較小，數(shù)字化控制容易實(shí)現(xiàn)，適合在開環(huán)的場(chǎng)合中應(yīng)用。缺點(diǎn)是逆變器輸出頻率不完全等于負(fù)載固有頻率，系統(tǒng)穩(wěn)定性比較差。率動(dòng)態(tài)響應(yīng)不理想，屬于有級(jí)的調(diào)功方式。4.2

16、脈沖寬度調(diào)節(jié)（PWM）PWM方法是通過(guò)控制逆變器輸出電壓的占空比來(lái)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(dòng)脈沖正好互補(bǔ)。斜對(duì)角的兩個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位如果相同，是 PWM 脈沖寬度調(diào)制；如果它們之間錯(cuò)開一個(gè)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(duì)角的功率管（VT1，VT4 ）和（VT2，VT3）的驅(qū)動(dòng)脈沖之間相差一個(gè)移相角 ，讓（VT1，VT2） 和（VT3，VT4）的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)恰好互補(bǔ)，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(guò)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(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。PWM 控制方案下具有更好的負(fù)載適應(yīng)性，控制電路實(shí)現(xiàn)比較容易和功率調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)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(shuō)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(jiǎn)單的一種。PFM 是通過(guò)改變逆變器的工作頻率，從而改變負(fù)載輸出阻抗以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出功率的目的。圖4-3為負(fù)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(fù)載的諧振頻率。P 為逆變器的輸出功率）。圖4-3 負(fù)載功率隨逆變器工作頻率變化的曲線由上圖可知，負(fù)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(dāng) 1時(shí)，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(shí)，逆變器的工作頻率越偏離負(fù)載諧振頻率，負(fù)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(lái)調(diào)節(jié)輸出功率的。PFM 調(diào)功法最大的優(yōu)點(diǎn)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(jiǎn)化了設(shè)備，使成本得到降低；且 PFM 法的控制電路的設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單，調(diào)頻部分實(shí)現(xiàn)起來(lái)較方便，一般是通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電流作為反饋量來(lái)構(gòu)成閉環(huán)控制的。PFM調(diào)功方式可以對(duì)電源的工作頻率、負(fù)載電流和電路的功率因數(shù)直接進(jìn)行控制；而且輸出功率也可以不斷調(diào)整，根本沒(méi)有其他調(diào)功方式中的功率梯級(jí)調(diào)節(jié)問(wèn)題；當(dāng)負(fù)載 Q 值很大時(shí)，極小的頻率偏移就可在很大范圍內(nèi)對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)；其缺點(diǎn)是：（1）負(fù)載諧振回路的 Q 值較小時(shí)，逆變器開關(guān)頻率的變化會(huì)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(chǎng)合中，這種變化對(duì)熱處理行業(yè)的加熱效果有很大的影響。（2）負(fù)載為低阻抗時(shí)，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(yīng)加熱為主題，主要介紹了高頻感應(yīng)加熱的原理以及電路實(shí)現(xiàn)，在電路實(shí)現(xiàn)部分著重討論諧振逆變電路的工作頻率以及換流過(guò)程。通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)逆變器的工作狀態(tài)，可以使逆變器在適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣绞较?/p>