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        感應加熱電源常見調(diào)功方式的探討

        2013-12-31 00:00:00任瑋
        電子世界 2013年20期

        【摘要】隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,感應加熱技術(shù)也迅速發(fā)展。尤其是數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,使感應加熱電源的調(diào)功技術(shù)有了新突破。本文主要對感應加熱電源常見的幾種調(diào)功方式進行比較,并對各種方案的優(yōu)缺點及適用場合進行了分析。

        【關(guān)鍵詞】感應加熱技術(shù);電源;調(diào)功方式

        1.引言

        感應加熱技術(shù)主要是利用電磁感應原理來對工件進行加熱,它采用的是非接觸式加熱方式。由于感應加熱過程中,能量的傳遞是以電磁波的形式進行的,所以受外界的干擾小,能量的擴散少,大大提高了能量的利用,提高了加熱的效率,使感應加熱在釬焊行業(yè)、淬火行業(yè)、退火行業(yè)、金屬熔煉熱處理、機械制造、輕工及電子類的加工等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。感應加熱電源在實際應用中需要根據(jù)負載等效參數(shù)隨溫度的變化和加熱工藝的需要,隨時對感應加熱電源輸出功率的進行調(diào)節(jié),所以選擇合適的調(diào)功方式對于感應加熱電源來說非常重要。

        2.感應加熱電源常見的調(diào)功方式

        目前,感應加熱電源的功率調(diào)節(jié)方式可分為兩大類:直流調(diào)功和逆變調(diào)功兩大類。直流調(diào)功是對逆變器直流側(cè)的輸入電壓進行調(diào)節(jié),達到調(diào)節(jié)感應加熱電源的輸出功率的目的。直流調(diào)功主要有晶閘管相控整流調(diào)壓調(diào)功和直流斬波調(diào)壓調(diào)功兩大類。逆變調(diào)功是指通過對逆變器開關(guān)管的控制,來實現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。逆變調(diào)功常用移相脈沖寬度調(diào)制(PS-PWM)調(diào)功,脈沖頻率調(diào)制(PFM)調(diào)功,脈沖密度(PDM)調(diào)功等方式。

        3.各種調(diào)功方式的特點和適用場合

        (1)晶閘管相控整流調(diào)壓調(diào)功

        晶閘管相控整流技術(shù)是指通過調(diào)節(jié)晶閘管的導通角,使其輸出電壓值連續(xù)可調(diào),實現(xiàn)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié),在感應加熱系統(tǒng)中,一般采用三相橋式相控整流電路,如圖1-1所示。這種調(diào)功方式已經(jīng)比較成熟,成本較低。但是,晶閘管相控整流調(diào)壓電路在控制角較大的情況下,輸入功率因數(shù)很低,輸入電流波形為尖峰脈沖,諧波含量很高,對電網(wǎng)形成了較大的污染。而且晶閘管整流調(diào)壓電路的EMI非常大,對周邊的電氣設備以及自身的控制電路將產(chǎn)生較大干擾。因此,晶閘管相控整流電路一般應用在早期的感應加熱系統(tǒng)中。

        圖1-1 三相晶閘管相控整流電路圖

        圖1-2 采用直流斬波調(diào)壓調(diào)功方案感應加熱電源主電路

        (2)直流斬波調(diào)壓調(diào)功

        直流斬波調(diào)壓調(diào)功是指在直流母線側(cè)采用降壓斬波電路,通過改變占空比D的大小來調(diào)節(jié)直流輸出電壓Ud,實現(xiàn)對輸出功率的調(diào)節(jié)。圖1-2所示為采用直流斬波調(diào)壓調(diào)功的感應加熱電源的主電路。

        從圖1-2中可以看出,該調(diào)功方式采用二極管不可控整流電路,和以前的晶閘管相控整流電路相比提高了電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù),減小了對電網(wǎng)的污染。但是Buck電路中的功率開關(guān)器件在接通和斷開時,在其器件上同時存在電壓和電流,損耗比較大,所以不適于應用在高頻及大容量系統(tǒng)中。此外,由于感應加熱電源需要增加額外的斬波電路及其相應的控制回路,使得感應加熱電源成本提高。

        (3)脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)功

        采用脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)功方式的感應加熱電源主電路如圖1-3所示,其是通過調(diào)節(jié)逆變電路上開關(guān)管的一個周期內(nèi)導通時間即改變其輸出方波的占空比從而改變輸出功率。這種方法等同普通開關(guān)電源的調(diào)制方法,調(diào)節(jié)線性好,范圍大,但是不容易實現(xiàn)軟開關(guān)。

        圖1-3 采用脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)功方案的

        感應加熱電源主電路

        (4)移相脈沖寬度調(diào)制(PS-PWM)調(diào)功

        移相脈沖寬度調(diào)制(PS-PWM)調(diào)功電路是通過改變電角度Φ調(diào)節(jié)輸出電壓,從而調(diào)節(jié)輸出功率。這種調(diào)功方式是控制主電路中逆變器四個開關(guān)器件VT1~VT4驅(qū)動脈沖來實現(xiàn)的,如圖1-4所示。VT1,VT3不同時導通,VT1先導通,VT3后導通,兩者相差電角度Φ,VT4,VT2分別滯后于VT1,VT3180O。通過調(diào)節(jié)電角度Φ。實現(xiàn)功率的連續(xù)調(diào)節(jié),并有較寬的功率調(diào)節(jié)范圍,并且開關(guān)器件損耗小。但是輕載時,電角度增大,輸出電壓脈沖寬度變小,輸出電流變成近似三角波,諧波成分嚴重。還有正常工作時,該電路需要通過鎖相電路使逆變器工作在諧振狀態(tài),實現(xiàn)頻率跟蹤有一定難度,容易發(fā)生失鎖的現(xiàn)象。

        圖1-4 PSPWM控制時觸發(fā)脈沖波形

        (5)脈沖頻率調(diào)制(PFM)調(diào)功

        脈沖頻率調(diào)制方式的原理是通過改變逆變器輸出的角頻率,進而調(diào)節(jié)負載的等效輸出阻抗的大小來實現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。當負載阻抗的R、L和C保持不變時,負載阻抗和逆變器的開關(guān)頻率f有關(guān),圖1-5為串聯(lián)諧振電路的負載頻率特性。

        圖1-5 串聯(lián)諧振電路的負載頻率特性

        由圖1-5可以看出:當時,逆變器工作在串聯(lián)諧振狀態(tài),輸出功率最大;當頻率低于或者高于諧振頻率時,逆變器負載的等效阻抗變大,輸出功率變小。PFM調(diào)功電路控制簡單,易于調(diào)節(jié),但是PFM調(diào)功方式中開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài),損耗較大,功率因數(shù)低,效率低,所以不適應于高頻的感應加熱電源。

        (6)PDM調(diào)功

        PDM調(diào)功方式的主電路與移相脈沖寬度調(diào)制(PS-PWM)調(diào)功方式的主電路相似,基本工作模式如圖-6所示。VT1、VT3和VT2、VT4輪流驅(qū)動導通若干周期后,再封鎖VT1、VT2柵極驅(qū)動信號若干周期,同時分別驅(qū)動VT3、VD4和VT4、VD3輪流導通,形成輸出電流i的續(xù)流回路,以保證電路諧振工作。

        圖1-6 PDM控制方式原理圖

        PDM調(diào)功方式的優(yōu)點是輸出頻率基本不變。可以實現(xiàn)功率開關(guān)器件的軟開關(guān),開關(guān)損耗小,功率因數(shù)接近于1,易于實現(xiàn)數(shù)字化控制,所以比較適合于高頻感應加熱電源的應用,但PDM調(diào)功方式屬于有級調(diào)功,輸出電流的波動比較大,尤其在輕載的情況下,將出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況,并且鎖相有一定的難度。

        從以上對各種常見的調(diào)功方式的分析,我們可以發(fā)現(xiàn),每種調(diào)功方式都有自己的優(yōu)缺點,現(xiàn)在人們對各種調(diào)功方式進行改進,得到了很多新的調(diào)功方法,比如脈沖密度-移相(PDM-PSM)復合調(diào)制調(diào)功、復合脈沖密度(CPDM)調(diào)功等等。根據(jù)感應加熱電源負載的實際情況,我們選擇最適合的調(diào)功方式。

        參考文獻

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        本文為江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究2012年重點課題《現(xiàn)代信息技術(shù)與五年制高職電子類課程整合的實踐研究》成果之一。

        作者簡介:任瑋(1976—),女,大學本科,畢業(yè)于江南大學通信控制工程學院,工學碩士,講師,現(xiàn)供職于江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院無錫機電分院自動化工程系,研究方向:電氣控制。

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