一種新型感應(yīng)加熱電源調(diào)功方式的研究與計(jì)算機(jī)仿真

1 前 言

感應(yīng)加熱電源是一種AC/DC/AC變換裝置，它是利用電磁感應(yīng)原理對(duì)工件進(jìn)行加熱的。由于感應(yīng)加熱具有加熱速度快、熱效率高、加熱均勻及易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在鑄造熔煉、鍛造毛坯加熱、鋼管彎曲、金屬表面熱處理、焊接、粉末冶金等行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。由于加熱工藝的需要，我們有必要對(duì)逆變器的輸出功率加以控制。本文在對(duì)現(xiàn)有各種感應(yīng)加熱裝置功率控制方式比較的基礎(chǔ)上，提出一種新型的、較優(yōu)的功率控制方式。

2幾種調(diào)功方式的比較

由于感應(yīng)加熱過(guò)程中負(fù)載等效參數(shù)隨溫度而變化和加熱工藝的需要，感應(yīng)加熱電源應(yīng)對(duì)負(fù)載進(jìn)行頻率跟蹤和功率調(diào)節(jié)。電流型逆變器一般是通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓的大小調(diào)節(jié)功率。對(duì)電壓型逆變器，由于可關(guān)斷器件的發(fā)展，已有多種不同的調(diào)功方式。

2.1 直流調(diào)功方式

直流調(diào)功方式一種是采用輸入可控整流來(lái)調(diào)節(jié)功率，另一種是斬波調(diào)壓方式(不控整流加DC/DC變換器)，通過(guò)調(diào)節(jié)DC/DC變換器的輸出電壓來(lái)調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱電源的輸出功率。直流調(diào)功可以大范圍調(diào)節(jié)功率，而且功率調(diào)節(jié)的線性比較好。但是必須在逆變橋前級(jí)加可控電路，而且在需要加入功率因數(shù)校正的時(shí)候，直流調(diào)功較難實(shí)現(xiàn)。

2.2 逆變調(diào)功方式

逆變調(diào)功可以分為3類：

頻率調(diào)制(PFM) 頻率調(diào)制的方法就是調(diào)節(jié)逆變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率，從而改變輸出阻抗來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。這種調(diào)功方式比較常用，優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)方法比較簡(jiǎn)單，而且較容易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。但是，功率調(diào)節(jié)線性不好，而且調(diào)節(jié)范圍不大。

脈沖密度調(diào)制(PDM) PDM就是通過(guò)控制脈沖密度，從而控制輸出平均功率，來(lái)達(dá)到控制功率的目的。這種控制方法較容易實(shí)現(xiàn)，但是由于是間斷加熱，所以加熱效果不好。

脈沖寬度調(diào)制(PWM) PWM通過(guò)調(diào)節(jié)逆變開(kāi)關(guān)管的一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率。這種方法等同普通開(kāi)關(guān)電源的調(diào)制方法，調(diào)節(jié)線性好，范圍大，但是不容易實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。

文獻(xiàn)[1，2]都是基于傳統(tǒng)移相PWM調(diào)功，即同一橋臂的上下開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)，使兩原來(lái)同相的兩個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)錯(cuò)開(kāi)一個(gè)相位角，通過(guò)對(duì)錯(cuò)開(kāi)相位角的控制即可達(dá)到輸出功率控制的目的。為了防止電壓源直流導(dǎo)通，需在驅(qū)動(dòng)脈沖之間加入死區(qū)。這樣就存在一種矛盾：電容緩沖效果與移相臂ZVS/ZCV軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)之間的矛盾。因此這種軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)僅在一定工作范圍內(nèi)可行。否則將會(huì)出現(xiàn)并聯(lián)電容還未放電結(jié)束另路開(kāi)關(guān)就開(kāi)通的現(xiàn)象，導(dǎo)致瞬間的電流尖峰和較大的開(kāi)通損耗。這樣就限制了緩沖電容的加大，所以傳統(tǒng)移相調(diào)功僅適于中小功率感應(yīng)加熱電源。為了在功率大范圍調(diào)節(jié)時(shí)仍能保持軟開(kāi)關(guān)條件，必須外加輔助緩沖支路如文獻(xiàn)[3]，這樣子主回路結(jié)構(gòu)就較復(fù)雜。

3新型調(diào)功方式

主回路選用軟開(kāi)關(guān)工作方式，前面已提到傳統(tǒng)相移軟開(kāi)關(guān)方式功率調(diào)節(jié)范圍窄，本文設(shè)計(jì)的新型調(diào)功方式可滿足大中小感應(yīng)加熱電源。T1T4為超前臂，T2T3為滯后臂，T1T2T3T4選用大功率IGBT管。C1C2為超前臂并聯(lián)電容。圖1示出一種新型的電壓型橋式逆變器的主電路，圖2示出當(dāng)電路工作于諧振狀態(tài)時(shí)控制開(kāi)關(guān)信號(hào)及逆變器負(fù)載電流與電壓波形。下面分析主電路在一個(gè)工作周期內(nèi)的工作原理。這種新型逆變器是通過(guò)調(diào)節(jié)超前臂的脈寬來(lái)調(diào)節(jié)功率的。

工作原理：

(1)t0～t1，T1T3導(dǎo)通，負(fù)載電流為正方向，沿回路：V+→Tl→C→R→L→T3→V一流通。負(fù)載電壓為+V。

(2)t1時(shí)刻，T1關(guān)斷。t1～t2，電流給電容C1充電，電容C4放電。由于電容C1的存在，所以T1為零電壓關(guān)斷。

當(dāng)電容電壓充電到V+時(shí)，電流為負(fù)載環(huán)流，沿回路：T3→D4→C→R→L→T3流通。負(fù)載電壓為零。

(3)t2時(shí)刻，T3關(guān)斷，由于T3關(guān)斷時(shí)，負(fù)載環(huán)流至電流很小，所以T3接近零電流關(guān)斷。t2～t3，電流續(xù)流，沿回路：V一→D4→C→R→L→D2→V+流通。負(fù)載電壓為一V。

(4)t3時(shí)刻，T2T4零電壓開(kāi)通，電流流向過(guò)程與以上3步是對(duì)稱的。 以上分析可以看出，兩個(gè)橋臂的4個(gè)元件都工作于軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。其中T1T4工作于零電流開(kāi)通零電壓關(guān)斷狀態(tài)，T2T3工作于零電流開(kāi)通零電流關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)超前臂T1(T4)關(guān)斷后，電流對(duì)超前臂并聯(lián)電容C1(G)的充放電時(shí)間是隨著電流的大小改變的。當(dāng)關(guān)斷電流較小時(shí)，電流對(duì)電容的充放電時(shí)間長(zhǎng)，可以滿足另一路橋臂的超前臂T4(T1)開(kāi)通時(shí)，其并聯(lián)電容兩端電壓為零。這樣既解決了傳統(tǒng)移相調(diào)功中存在的矛盾，又簡(jiǎn)化了主電路結(jié)構(gòu)。

利用鎖相環(huán)電路跟蹤負(fù)載電流頻率的變化，保證4個(gè)開(kāi)關(guān)管都在電流過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)。使電路始終工作在弱感性狀態(tài)。

4 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證上述的分析，研制一臺(tái)工作頻率為50 kHz的試驗(yàn)裝置。本文用Matlab對(duì)主回路進(jìn)行仿真。

4.1 逆變器靜態(tài)仿真

(1)逆變器輸出電流、超前臂電壓與超前臂驅(qū)動(dòng)波形。

當(dāng)超前臂關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)管電壓緩慢上升，從而實(shí)現(xiàn)了超前臂零電壓關(guān)斷。

波形由上至下分別為：逆變器輸出電流、滯后臂電壓與滯后臂驅(qū)動(dòng)波形。

當(dāng)滯后臂開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流都接近于零，從而實(shí)現(xiàn)了滯后臂的軟開(kāi)關(guān)。

(3)輸出電流與負(fù)載電壓波形

4.2 逆變器動(dòng)態(tài)仿真

(1)負(fù)載電流與電壓波形

當(dāng)負(fù)載參數(shù)變化時(shí)，負(fù)載回路的諧振頻率也隨之變化，并且負(fù)載電壓的頻率與脈寬也同時(shí)改變。即此種新型逆變器實(shí)現(xiàn)了PFM&PWM控制方式。

(2)四路驅(qū)動(dòng)波形

調(diào)節(jié)輸出功率時(shí)，四路驅(qū)動(dòng)脈寬與頻率都隨之變化。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證提出方法的可行性，設(shè)計(jì)了一臺(tái)40 kW/50 kHz的樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示(圖中上面為輸出電壓波形，下面為負(fù)載電流波形)，電源工作在感性狀態(tài)。

超前臂驅(qū)動(dòng)，超前臂電壓波形，負(fù)載電流波形。

當(dāng)超前臂關(guān)斷時(shí)，其兩端電壓緩慢上升，從而實(shí)現(xiàn)了超前臂的軟開(kāi)關(guān)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種新型的功率調(diào)節(jié)控制策略，這種控制策略性能優(yōu)越，邏輯明了，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行。并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。