陳 建

（承德石油高等?？茖W校 電氣與電子系，河北 承德 067000）

1 引言

現(xiàn)階段市場上加熱型設備所用的加熱方式普遍為電熱圈發(fā)熱，通過接觸傳導方式把熱量傳到被加熱體上，存在加熱速度慢、熱傳導損失、無法滿足一些溫度需要較高的場合等缺點。電磁感應加熱技術是利用金屬被加熱體在交變磁場中產生的渦流進行加熱，使得被加熱體快速發(fā)熱，并且可以根據(jù)實際情況在加熱體外部包裹一定的隔熱保溫材料，以減少熱量的散失，從而提高熱效率。該方法具有易實現(xiàn)自動控制、熱效率高、節(jié)電效果顯著等優(yōu)點。

感應加熱電源常用的功率調節(jié)方式有兩種：調壓調功方式和調頻調功方式[1]。本設計中采用調頻調功方式，這種調功方式簡單，可對電路的工作頻率直接調整，連續(xù)調節(jié)功率，不需要調壓環(huán)節(jié)，控制簡單。因此提出了一種單片機S3F9454和SG3525相結合的調頻調功控制方案，既減少了逆變器的開關損耗，又確保了主電路安全可靠的工作。

2 主電路工作原理

圖1 半橋諧振型感應加熱電源主電路

本文所述的電磁感應加熱電源采用半橋串聯(lián)諧振型拓撲結構，主電路如圖1所示。電磁感應加熱電源將220V工頻交流電整流、濾波、逆變成18～30KHz的高頻交流電，通過連接線連接到電磁加熱線圈上，高頻交流電透過保溫材料作用于金屬被加熱體，使金屬自身發(fā)熱。

圖2 開關管S1驅動電壓、負載電流波形

在半橋諧振型感應加熱電源電路中，一個周期可以分為6個工作模態(tài)，由于前一半開關周期和后一半開關周期的電路工作過程完全對稱，所以只分析前一半開關周期中的電路模態(tài)。圖2為逆變電路工作在弱感性狀態(tài)下開關管S1驅動電壓、負載電流的波形。

在IGBT開關管被觸發(fā)前，C2、C3已被充電到1/2Ud。下面進行電路的工作狀態(tài)分析：

第一個開關模態(tài)。t0～t1時段：S1開通，C2經S1向Lr放電，直到t1時刻，C2放電完畢，即Uc2=0，此時流經Lr的電流達到諧振峰值。同時，Ud經Lr向C3充電，Uc3逐漸增大至Ud時，Ud不再繼續(xù)向C3充電。

圖3 (t0～t1)時段主電路導通示意圖

第二個開關模態(tài)。t1～t2時段：Lr向C2開始反向充電，同時也向C3充電，直到t2時刻，iLr將降為零，S1關斷，此時，Uc2＜0，Uc3＞Ud。

圖4 (t1～t2)時段主電路導通示意圖

第三個開關模態(tài)。t2～t3時段：S1關斷，Lr通過D2續(xù)流，直到t3時刻，iLr下降至零，Uc3=1/2Ud。

圖5 (t2～t3)時段主電路導通示意圖

控制S1和S2在電流過零關斷，可實現(xiàn)負載諧振，而這種狀態(tài)是理想的。但在實際工作中，由于負載受環(huán)境變化等眾多因素的影響，負載固有諧振頻率會不斷變化，逆變器容易偏離到容性狀態(tài)，可能會因續(xù)流二極管反向電流的存在而引起上下橋臂的直通，導致開關管的燒毀。因此，逆變器需工作在弱感性狀態(tài)下，才能保證器件的可靠開通與關斷，而且大大減小了開關損耗。

3 控制電路設計

3.1 控制原理

本設計中采用調頻調功方式，其控制原理為：采用IGBT的逆變電路，逆變電路可工作在任何開關頻率情況下，在負載R、L、C一定的情況下，輸出阻抗Z隨逆變電路開關頻率f的變化而變化，輸出功率P也發(fā)生相應變化。當逆變電路的開關頻率等于負載固有諧振頻率時，輸出功率P最大，輸出功率P隨逆變電路的開關頻率f變化的特性如圖6所示。半橋串聯(lián)諧振電路的等效電路如圖7所示。

圖6 輸出功率隨開關頻率變化特性圖

圖7 半橋串聯(lián)諧振電路的等效電路

3.1.1 諧振頻率的計算：

3.1.2 輸出功率的計算：

當發(fā)生串聯(lián)諧振時：

控制電路采用功率閉環(huán)控制，正常工作時，系統(tǒng)能自動按照設定的功率實現(xiàn)恒功率的輸出，通過改變功率設定值來調節(jié)功率的輸出。當實際輸出功率小于功率設定值時，數(shù)字PI調節(jié)器輸出電壓增加，單片機管腳13輸出的PWM脈沖信號的占空比增加，流過SG3525 管腳6的電流減小，SG3525輸出的PWM脈沖信號的頻率減小，功率增大；反之, 當實際輸出功率大于功率設定值時，數(shù)字PI調節(jié)器輸出電壓減小，單片機管腳13輸出的PWM脈沖信號的占空比減小，流過SG3525 管腳6的電流增大，SG3525輸出的PWM脈沖信號的頻率增大，功率減小。故障保護分為電流硬件保護電路和過壓、欠壓、過流、過溫軟件保護。當有過壓、欠壓、過流、過溫故障發(fā)生時，關閉SG3525的PWM脈沖信號輸出?？刂齐娐吩砜驁D如圖8所示。

圖8 控制電路原理框圖

3.2 SG3525變頻控制等效電路

變頻控制電路采用的核心芯片是SG3525，它包括兩路獨立的相位相反的PWM脈沖信號輸出電路，具有外圍電路簡單、頻率可調、驅動電流大和工作穩(wěn)定等優(yōu)點。

圖9 SG3525外圍電路設計

SG3525變頻控制等效電路圖如圖10所示。SG3525的6管腳流出電流的一定范圍內不變，可以看成一個+3.9V的電壓源。

圖10 SG3525變頻控制等效電路圖

由KCL可得：

即：

可得：

鋸齒波周期為：

4 控制軟件設計

三星S3F9454是一款8位CMOS型微控制器，這款單片機向用戶提供了高效快速的CPU處理，有計時/定數(shù)模塊、PWM發(fā)生模塊、多路A/D轉換模塊等?？刂栖浖芍鞒绦?、過壓、過流、過熱保護子程序、電壓、電流采集子程序、功率調整子程序等模塊組成。

5 實驗結果

基于以上理論分析和控制電路的設計，制作了一臺2.5KW的高頻感應加熱電源實驗樣機。主要參數(shù)：諧振電感L為110uH，諧振電容C為0.47uF，經計算諧振頻率

負載電流信號為標準的正弦波，波形連續(xù)，驅動信號波形的頻率fs為22.57KHz，即fs>f0。驅動脈沖信號波形稍稍超前于電流波形，這表明實驗結果與理論相符合。

[1] 戚宗剛,柳鵬,陳輝明.感應加熱調功方式探討[J] .金屬熱處理, 2003,28(7) : 54-57.

[2] 陳輝明,錢照明.感應加熱電源的最新發(fā)展[J] .電工技術學報, 1999，14（增刊）: 50- 53.

[3] 潘天明.現(xiàn)代感應加熱裝置[M] .北京:冶金工業(yè)出版社,1996.45-86.

[4] 毛鴻,侯振程,吳昕.半橋型IGBT移相調功感應加熱電源[J] .工業(yè)加熱,1997:25-27.