劉淑榮，龐 偉，高 紅

（1.長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院；2.配電自動(dòng)化吉林省高校工程研究中心；3.吉林東光精密機(jī)械廠，長(zhǎng)春130012）

0 引言

感應(yīng)加熱技術(shù)是一種新型的加熱技術(shù)，它利用電磁感應(yīng)原理傳遞能量，利用被加熱工件中感應(yīng)的渦流實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)體或工件進(jìn)行加熱的目的。與其他加熱技術(shù)相比，具有熱效率高、環(huán)保節(jié)能、干凈衛(wèi)生、污染小等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在家電、淬火、焊接等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

本文介紹以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的H橋串聯(lián)諧振型感應(yīng)加熱電源的基本原理，并利用Matlab軟件建立仿真模型及給出仿真結(jié)果。

1 感應(yīng)加熱工作原理［1－2］

在線圈中通入交變的電流會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，進(jìn)而引發(fā)集膚效應(yīng)。當(dāng)交變的磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體的時(shí)候，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生渦流，由于集膚效應(yīng)，渦流在導(dǎo)體中的分布密度是不均勻的，導(dǎo)體表面的渦流最大，愈深入導(dǎo)體內(nèi)部渦流越小。感應(yīng)加熱技術(shù)就是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理、集膚效應(yīng)和熱傳導(dǎo)3項(xiàng)基本理論，利用交變磁場(chǎng)中通過(guò)的導(dǎo)體切割磁場(chǎng)產(chǎn)生渦流，再利用導(dǎo)體自身的電阻發(fā)熱引起熱效應(yīng)，在極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱能，以此來(lái)對(duì)導(dǎo)體進(jìn)行加熱。由于感應(yīng)加熱過(guò)程主要是依靠電流感應(yīng)透熱及熱傳導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)，所以其可在很短的時(shí)間內(nèi)將導(dǎo)體加熱到預(yù)期的深度和溫度，從根本上解決了電熱片、電熱圈等電阻式熱傳導(dǎo)方式加熱的效率低下的問(wèn)題。

2 串聯(lián)型感應(yīng)加熱電源結(jié)構(gòu)框圖

感應(yīng)加熱電源的基本結(jié)構(gòu)［3－4］由整流電路、濾波電路、逆變電路、控制電路、負(fù)載等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 感應(yīng)加熱電源結(jié)構(gòu)框圖

在感應(yīng)加熱裝置中，通常都是電能通過(guò)感應(yīng)線圈傳遞給負(fù)載，它與負(fù)載一起構(gòu)成逆變器的等效負(fù)載。一般的高中頻感應(yīng)加熱負(fù)載，功率因數(shù)都很低。為了提高功率因數(shù)，通常采用電容器來(lái)補(bǔ)償無(wú)功功率。根據(jù)補(bǔ)償電容和感應(yīng)線圈及負(fù)載的連接方式，可以將逆變器分為并聯(lián)型諧振逆變器和串聯(lián)型諧振逆變器兩種。

并聯(lián)型諧振逆變器的電容與負(fù)載并聯(lián)使用，其直流側(cè)串聯(lián)有大電感，相當(dāng)于電流源。并聯(lián)諧振逆變器對(duì)補(bǔ)償電容的耐壓要求不高，只要達(dá)到負(fù)載兩端正弦電壓的峰值即可，但是起動(dòng)比較困難，啟動(dòng)時(shí)間也比較長(zhǎng)，需要對(duì)濾波大電感進(jìn)行預(yù)充電，故控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜。

串聯(lián)型諧振逆變器采用電容與負(fù)載串聯(lián)的形式，其直流側(cè)為電壓源，或者并有大電容，相當(dāng)于電壓源。相比于并聯(lián)諧振逆變器，它的起動(dòng)比較簡(jiǎn)單，可以自激也可以它激工作，適用于頻繁起動(dòng)工作的場(chǎng)所。本文選擇串聯(lián)型諧振逆變器進(jìn)行研究。

3 串聯(lián)型IGBT感應(yīng)加熱電源Matlab仿真模型

圖2是串聯(lián)型IGBT感應(yīng)加熱電源Matlab仿真模型。

圖2 串聯(lián)型IGBT感應(yīng)加熱電源Matlab仿真模型

3.1 斬波電路參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算［5］

系統(tǒng)中斬波電路采用降壓變換器（buck），其參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

（1）主開關(guān)管使用IGBT，開關(guān)頻率Ts為50Hz（可調(diào)）。

（2）輸入為三相全控橋輸出V1，輸出V2根據(jù)占空比可調(diào)，設(shè)計(jì)中假設(shè)V2數(shù)值是V1的一半，可確定占空比Dc＝50%，紋波電壓為輸出電壓的0.2%，負(fù)載電阻R取2Ω。

目的基因Flagellin-3M2e由蘇州金唯智生物科技有限公司合成，并構(gòu)建于表達(dá)載體pET28a相應(yīng)位置（EcoRI-XhoI），鼠傷寒沙門菌鞭毛蛋白基因?yàn)镕ljB（GenBank：JQ965932.1）。

（3）Buck電路參數(shù)L的選擇：

這個(gè)Lc值是電感電流連續(xù)與否的臨界值，當(dāng)L＞Lc時(shí)，電感電流連續(xù)。

實(shí)際電感值L可選為臨界電感值Lc的1.2倍。設(shè)計(jì)中的L可選擇為12×10－2H。

（4）根據(jù)紋波電壓的要求計(jì)算電容值C：

3.2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

三相交流電源：110V，50Hz，相位各差120°。

（1）整流電路：晶閘管參數(shù)設(shè)置：Resistance Ron 0.001Ω；Forward voltage 0.8V；觸發(fā)角0°～60°可調(diào)；觸發(fā)脈沖參數(shù)50Hz，脈寬10°。

（2）斬波電路：IGBT參數(shù)默認(rèn)；觸發(fā)脈沖參數(shù)幅值0.5，周期0.02s，脈寬50%，相位延遲0°；L、C、R參數(shù)選擇按斬波電路參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行選擇及微調(diào)。

（3）逆變電路：采用電壓串聯(lián)諧振型單相方波全橋逆變電路。IGBT參數(shù)設(shè)置：Resistance Ron 0.001Ω，F(xiàn)orward voltage 1V；觸發(fā)脈沖參數(shù)設(shè)置：P1：周期0.02s，相相位延遲0s；P2：周期0.02s，相相位延遲0.01s；P3：周期0.02s，相相位延遲0.01s；P4：周期0.02s，相相位延遲0s。

其中，改變觸發(fā)脈沖的周期和相位延遲可改變輸出電壓的頻率。

3.3 仿真結(jié)果

系統(tǒng)仿真波形輸出如圖3～6。從波形可見，當(dāng)輸入為50Hz交流電時(shí)，逆變電路的輸出電壓是交變的方波，其頻率可以通過(guò)改變逆變電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率來(lái)調(diào)節(jié)，其幅值可通過(guò)改變斬波電路的脈寬進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 三相交流電源波形

圖4 整流及斬波電路輸出波形

圖5 逆變電路觸發(fā)脈沖波形

圖6 逆變電路輸出電壓及電流波形

3.4 參數(shù)的測(cè)量

（1）三相全控橋整流電路理論輸出：

實(shí)際測(cè)量值157.3V，與理論相差0.35V。

（2）斬波電路理論輸出：

實(shí)際測(cè)量值78.27V，與理論相差0.56V。

（3）逆變電路理論輸出：

逆變電路輸出為交變方波，其輸出電壓的基波峰值為：

實(shí)際測(cè)量值100.3V，與理論相差0.05V。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用Matlab建立了串聯(lián)型IGBT感應(yīng)加熱電源的仿真模型。電路仿真波形分析及數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果表明，該電路在整流電路、斬波電路及逆變電路的主要測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)值接近理論數(shù)值，仿真波形輸出正確，為電磁感應(yīng)加熱電源的進(jìn)一步研究、設(shè)計(jì)以及完善打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］潘天明.現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

［2］趙長(zhǎng)漢，姜士林.感應(yīng)加熱電源原理與應(yīng)用［M］.天津：天津科技翻譯出版公司，1993.

［3］嚴(yán)桂，賈存良，黃文芳.基于 Matlab超音頻感應(yīng)加熱熱水器的仿真與研究［J］.船電技術(shù)，2006（4）：58－60.

［4］宏燁，沈陳.30kW／50kHz IGBT并聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源［J］.電力電子技術(shù)，1995（2）：3－5.

［5］林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的 Matlab仿真［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2009.