，，

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004;2.西門(mén)子有限公司蘇州分公司，安徽 安慶 215000)

1 引言

工業(yè)加熱是現(xiàn)代工業(yè)加工技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域。在很多產(chǎn)品的形成過(guò)程中，都需要經(jīng)過(guò)加熱這道工序。感應(yīng)加熱是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，利用工件中渦流產(chǎn)生的熱量對(duì)工件進(jìn)行加熱的。由于感應(yīng)加熱效率高，速度快，可控性好，易于實(shí)現(xiàn)高溫和局部加熱，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，已在熔煉、鑄造、彎管、熱鍛、焊接和表面熱處理等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。本文就是針對(duì)這一情況，來(lái)探求一種簡(jiǎn)單高效的中小功率感應(yīng)加熱電源控制方法。

在逆變器的選擇上，大功率的感應(yīng)加熱電源一般采取全橋的結(jié)構(gòu)，有電壓型逆變器和電流型逆變器兩種拓?fù)?，根?jù)負(fù)載的不同可以分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。并聯(lián)逆變的功率調(diào)節(jié)方式比較單一，一般是改變直流測(cè)電源電壓，改變功率因數(shù)角雖然也可調(diào)節(jié)功率，但所允許范圍不大,并且并聯(lián)諧振的啟動(dòng)問(wèn)題比較困難，啟動(dòng)失敗率較高，同時(shí)并聯(lián)諧振對(duì)感應(yīng)器與逆變器輸出之間的距離和引線電感要求很高，特別是槽路電容器與感應(yīng)圈之間的接線距離，否則功率輸出和效率都會(huì)大大降低。串聯(lián)諧振由于不需要附加的啟動(dòng)電路，起動(dòng)較容易，適合頻繁啟動(dòng)場(chǎng)合，且對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求不高，在感應(yīng)器與逆變輸出距離較遠(yuǎn)，引線電感較大時(shí)候，只會(huì)改變諧振頻率工作點(diǎn)，而不會(huì)對(duì)效率有太大的影響。所以本課題選擇電壓型逆變器，電壓型逆變器中的二極管只需要流過(guò)續(xù)流電流，相對(duì)而言功率小很多，可以將寄生電感合并到感應(yīng)線圈的電感上，對(duì)系統(tǒng)正常工作影響不大?？紤]到器件的非理想特性，上下橋臂驅(qū)動(dòng)脈沖間都留有開(kāi)通死區(qū)以避免直通短路，通常使逆變器工作在弱感性的狀態(tài)。

2 串聯(lián)諧振電路分析

2.1 串聯(lián)感應(yīng)逆變器與并聯(lián)感應(yīng)逆變器的分析和比較

通常在選擇電路結(jié)構(gòu)的時(shí)候，往往都是在具體分析它們特性的基礎(chǔ)上，比較各自優(yōu)缺點(diǎn)以后，經(jīng)過(guò)折中考慮，選擇最優(yōu)的方案，如圖1和圖2所示，分別是串聯(lián)感應(yīng)逆變器和并聯(lián)感應(yīng)逆變器。下面具體分析對(duì)比各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 串聯(lián)感應(yīng)逆變器

圖2 并聯(lián)感應(yīng)逆變器

串聯(lián)感應(yīng)逆變器通常需要電壓源供電，經(jīng)過(guò)整流器整流后，并聯(lián)一個(gè)電容，由于電容的數(shù)值比較大，所以可以近似認(rèn)為輸出的是一個(gè)數(shù)值恒定的電壓信號(hào)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的通斷得到一個(gè)交變的方波電壓信號(hào)，其值根據(jù)輸入端的電壓值，頻率取決于開(kāi)關(guān)管的工作頻率。

并聯(lián)感應(yīng)逆變器通常需要電壓源供電，經(jīng)過(guò)整流器整流后，在主電路上串上一個(gè)電感，由于電感的數(shù)值比較大，通常認(rèn)為輸出的電流波是一個(gè)數(shù)值不變的電流信號(hào)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和閉合，感應(yīng)加熱負(fù)載兩端得到一個(gè)交變的電流信號(hào)，其值取決于輸入端的電流大小，頻率同樣取決于開(kāi)關(guān)管的工作頻率。

將兩個(gè)逆變器進(jìn)行比較：

(1)串聯(lián)感應(yīng)逆變器不需要串聯(lián)一個(gè)笨重的大電感來(lái)濾波，相比之下大大減輕了電路本身的重量；

(2)在串聯(lián)感應(yīng)逆變器中換流，開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷之前電流已經(jīng)逐漸減小到零，屬于自然關(guān)斷，開(kāi)關(guān)損耗小，且關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管受的反壓時(shí)間長(zhǎng)，能夠更快速的關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，進(jìn)一步減小開(kāi)關(guān)損耗。在并聯(lián)感應(yīng)逆變器中換流，電流是被迫降低至零，此外還要加一段反壓，所以關(guān)斷時(shí)間很長(zhǎng)，損耗大；

(3)同時(shí)還帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題，串聯(lián)感應(yīng)逆變器中的二極管僅需起到續(xù)流作用，可以采用自身帶有的反并聯(lián)二極管，而并聯(lián)感應(yīng)逆變器需要耐高壓大電流的快速恢復(fù)性二極管，成本高；

(4)串聯(lián)感應(yīng)逆變器需要一個(gè)耐高壓小電流電容補(bǔ)償，可以通過(guò)電容串聯(lián)的方式來(lái)提高耐壓值，但是并聯(lián)感應(yīng)逆變器需要大電流電容，市場(chǎng)上很難買(mǎi)到；

(5)串聯(lián)感應(yīng)逆變電路有電壓高、電流小的特點(diǎn)，并聯(lián)感應(yīng)逆變電路有電壓小，電流高的特點(diǎn)，所以并聯(lián)感應(yīng)逆變器對(duì)引線的距離有很高的要求，特別是在高頻場(chǎng)合下，引線電感甚至?xí)淖冋麄€(gè)電路的結(jié)構(gòu)，大大影響輸出的功率和效率，且主電路的大電感需要預(yù)充電，只能工作在自激方式，啟動(dòng)時(shí)就要求工作在諧振點(diǎn)附近，容易出現(xiàn)啟動(dòng)失敗的現(xiàn)象，相比之下串聯(lián)感應(yīng)逆變器更適合應(yīng)用于高頻場(chǎng)合下；

(6)并聯(lián)感應(yīng)逆變器在短路和直通的情況下保護(hù)起來(lái)比較容易，串聯(lián)感應(yīng)加熱逆變器保護(hù)起來(lái)比較困難。

綜合考慮電路設(shè)計(jì)難度、成本、規(guī)模、重量以及效率的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)采用串聯(lián)感應(yīng)全橋逆變的電路結(jié)構(gòu)。

2.2 串聯(lián)負(fù)載諧振槽路

如圖3所示，電感L、電容C和電阻R組成串聯(lián)負(fù)載諧振槽路，感應(yīng)加熱逆變器將平滑的電壓逆變成一個(gè)脈沖方波，其值由輸入電壓決定，為Ud。

圖3 串聯(lián)負(fù)載諧振槽路

在高頻應(yīng)用場(chǎng)合下，串聯(lián)感應(yīng)全橋逆變電路的負(fù)載阻抗隨著工作頻率 不斷變化，其負(fù)載總阻抗為：

(1)

(2)

電感上的電壓：

(3)

電路的品質(zhì)因數(shù)：

(4)

由式(2)～(4)可以看出，當(dāng)電路工作諧振點(diǎn)或諧振點(diǎn)附近時(shí)，加在電感L和電容C上的電壓值是感應(yīng)逆變電路輸出電壓Ud的Q倍，所以在選擇補(bǔ)償電容時(shí)要注意耐壓方面的要求。

(5)

此時(shí)電流獲得最大值，輸出功率最大，ω0稱(chēng)為諧振角頻率，f0稱(chēng)為諧振點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)采集負(fù)載上電流來(lái)判斷電路是否工作在諧振點(diǎn)上。

負(fù)載阻抗的幅頻特性|Z(ω)|、相頻特性θ(ω)以及負(fù)載槽路輸出功率P(ω)的變化情況如圖4所示。

圖4 負(fù)載特性曲線

從圖4可以看出，當(dāng)ω<ω0，θ(ω)<0，負(fù)載槽路顯容性；當(dāng)ω>ω0，θ(ω)>0，負(fù)載槽路顯感性。電壓電流相角θ(ω)保持單調(diào)增長(zhǎng)，負(fù)載槽路阻抗幅值Z(ω)先減小后增大，負(fù)載輸出總功率P(ω)則與Z(ω)正好相反，先增大后減小。值得注意的是：在諧振角頻率ω0這一點(diǎn)，能同時(shí)達(dá)到阻抗幅值最小，電壓電流相角為0，輸出功率最大，這正是本設(shè)計(jì)迫切需要的。由于P(ω)及Z(ω)的曲線不是單調(diào)的，且將電源頻率限制在諧振點(diǎn)很難做到，所以衍生出將電路限制在弱容區(qū)或者弱感區(qū)的功率控制策略。

將負(fù)載的模|Z(ω)|做如下變換：

(6)

那么n次諧波下負(fù)載槽路總阻抗幅值為：

(7)

在分析式(7)中，n次諧波下的阻抗幅值可近似為呈n2的速度增長(zhǎng)，電流可近似為呈n2的速度下降，可以認(rèn)為3次以上諧波下的電流忽略不計(jì)，尤其在品質(zhì)因素Q值也很大的情況下。當(dāng)感應(yīng)加熱電源發(fā)生諧振時(shí)，負(fù)載槽路顯純電阻特性，可以認(rèn)為負(fù)載槽路輸出的電流為基波頻率下的正弦電流。值得注意的是：Q值不能無(wú)限大。因?yàn)樯鲜龅姆治霰砻麟姼须娙莸碾妷号cQ值呈正比，需要考慮到耐壓的要求，且過(guò)大的Q值會(huì)造成電源功率輸出不穩(wěn)的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)折中考慮，將Q值設(shè)在4。

2.3 串聯(lián)諧振逆變器的換流方式分析

電路結(jié)構(gòu)中，逆變器是由VT1、VT2、VT3、VT4四個(gè)開(kāi)關(guān)管組成的全橋電路，在開(kāi)關(guān)管的柵源極間加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，逆變器就能正常工作。開(kāi)關(guān)管VT1、VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是相同的，開(kāi)關(guān)管VT2、VT3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是相同的，并且兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的方波信號(hào)。由圖1可知，串聯(lián)諧振逆變電路有三個(gè)工作狀態(tài)，分別是容性、諧振和感性。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，很難控制電路工作在諧振狀態(tài)下，只能控制其在諧振附近區(qū)域。下面對(duì)兩種工作狀態(tài)(容性和感性)進(jìn)行分析比較。

逆變器工作在容性狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)先進(jìn)行工作，由于是容性狀態(tài)，電流超前電壓，開(kāi)關(guān)管先進(jìn)入換流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，后由自身反并聯(lián)二極管進(jìn)行續(xù)流，當(dāng)對(duì)角管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)臨時(shí)，電路電流從二極管換流到對(duì)角管上，進(jìn)行管間換流。

逆變器工作在感性狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)先進(jìn)行工作，由于是感性狀態(tài)，電壓超前電流，開(kāi)關(guān)管先進(jìn)入換流狀態(tài)，后由對(duì)角管的反并聯(lián)二極管進(jìn)行續(xù)流，當(dāng)對(duì)角管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)臨時(shí)，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，電路電流從自身的二極管換流到開(kāi)關(guān)管上，進(jìn)行管內(nèi)換流。

通過(guò)上面對(duì)逆變器工作在容性狀態(tài)和感性狀態(tài)分析可知，開(kāi)關(guān)管在容性狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管在感性狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。對(duì)于逆變器工作在容性狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管是通過(guò)自身的反并聯(lián)二極管進(jìn)行續(xù)流工作，而對(duì)角開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)，電流是從另外兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的反并聯(lián)二極管換流過(guò)來(lái)的，屬于管間換流，這種換流容易造成上下管的直通的危險(xiǎn)。對(duì)于逆變器工作在感性狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管的換流都是自然換流，關(guān)斷損耗低。

綜上所述，應(yīng)控制逆變器工作在感性狀態(tài)下，為了提高輸出功率，應(yīng)控制逆變器工作在諧振附近，所以，控制逆變工作在弱感性的準(zhǔn)諧振狀態(tài)。

2.4 功率閉環(huán)控制系統(tǒng)分析

功率閉環(huán)控制系統(tǒng)的框圖如圖5所示。

圖5 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

功率閉環(huán)控制系統(tǒng)由相位限制電路和電流調(diào)節(jié)器兩個(gè)相互獨(dú)立的單閉環(huán)控制組成，控制過(guò)程如下：系統(tǒng)采用他激轉(zhuǎn)自激的啟動(dòng)方式，剛開(kāi)機(jī)逆變器從最高頻率往下掃描，輸出功率逐漸增大，負(fù)載電流不斷增大，當(dāng)電流增大到電流給定值時(shí)，在電流PI調(diào)節(jié)器組成的電流單閉環(huán)控制下，使得負(fù)載電流穩(wěn)定在給定值，即使負(fù)載電流出現(xiàn)了擾動(dòng)，在電流閉環(huán)的作用下，最終也能夠穩(wěn)定在給定值，此時(shí)逆變器工作在圖4所示的調(diào)功區(qū)域；當(dāng)電流給定值不斷增加，電流PI調(diào)節(jié)器的作用下逆變器工作頻率也不斷降低，一旦頻率降低到接近諧振頻率而進(jìn)入限相區(qū)域，相位限制電路馬上開(kāi)始起作用，系統(tǒng)從電流單閉環(huán)控制切換到由相位限制電路組成的單閉環(huán)控制，相位限制電路其實(shí)也是一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，在相位限制電路的調(diào)節(jié)下，逆變器被牢牢限制在離諧振頻率很近的弱感性狀態(tài)，無(wú)法落到危險(xiǎn)的容性狀態(tài)；在限相區(qū)域，系統(tǒng)輸出最大功率，電流PI調(diào)節(jié)器已經(jīng)不起作用，即使再增加電流給定值也無(wú)法使輸出功率增加，只有當(dāng)電流給定值降低到剛進(jìn)入限相區(qū)域所對(duì)應(yīng)的數(shù)值以下時(shí)，電流PI調(diào)節(jié)器才重新起作用，系統(tǒng)又回到調(diào)功工作區(qū)域。這樣，就可實(shí)現(xiàn)了功率的全范圍連續(xù)調(diào)節(jié)，并且對(duì)于負(fù)載品質(zhì)因數(shù)Q值較高的場(chǎng)合，較小的頻率變化即可得到較大范圍的功率調(diào)節(jié)，控制方案簡(jiǎn)單有效。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研制出一臺(tái)輸出功率為2kW，工作頻率為30kHz的串聯(lián)感應(yīng)加熱電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。有關(guān)試驗(yàn)波形如圖6所示。 圖6(a)為弱感性狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形和漏源極電壓波形，在驅(qū)動(dòng)電壓上升沿來(lái)臨之前，開(kāi)關(guān)管的漏源極電壓已經(jīng)降為零，實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通，在吸收電容的作用下，管子關(guān)斷時(shí)所產(chǎn)生的電壓尖峰也被很好地抑制顯示開(kāi)關(guān)管為零電壓開(kāi)通;圖6(b)為諧振狀態(tài)下輸出電壓電流波形，逆變器輸出方波電壓峰值為150V下，輸出正弦電流峰值為6A，可得出此時(shí)逆變器的輸出功率為573W，把電壓提高一倍到額定電壓，逆變器的輸出功率提高四倍，變?yōu)?292W，與本文設(shè)計(jì)的2kW的輸出功率接近；在圖6(c)中，控制過(guò)程如下：開(kāi)機(jī)，限相PI調(diào)節(jié)器輸出低電平不激活，他激電路的作用下VCO的輸入電壓不斷下降，逆變器工作頻率慢慢降低，一旦頻率落到諧振點(diǎn)附近，限相PI調(diào)節(jié)器輸出變?yōu)楦唠娖剑瑨哳l結(jié)束，VCO的輸入由限相PI調(diào)節(jié)器的輸出決定；圖6(d)中電流PI調(diào)節(jié)器的控制過(guò)程與限相PI調(diào)節(jié)器類(lèi)似，從兩個(gè)圖中可以看出，兩個(gè)PI的輸出均能穩(wěn)定在某個(gè)值，閉環(huán)工作正常、穩(wěn)定。

4 結(jié)論

針對(duì)中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合，研制了一臺(tái)30kHz/2kW的超音頻感應(yīng)加熱電源。論文對(duì)比分析了串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇了串聯(lián)諧振作為本文的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；針對(duì)在全頻率范圍內(nèi)功率不呈單調(diào)變化的情況，為了配合感性狀態(tài)下的更優(yōu)換流方式，采用了把逆變器限制在弱感性準(zhǔn)諧振狀態(tài)的限相策略，通過(guò)采樣逆變器輸出電流即可實(shí)現(xiàn)功率閉環(huán)控制，從而構(gòu)成了本文的控制系統(tǒng)；通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，四個(gè)功率開(kāi)關(guān)管均實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通，有效減少了開(kāi)關(guān)損耗，而且電流閉環(huán)工作穩(wěn)定，功率連續(xù)可調(diào)，限相環(huán)節(jié)也可以把逆變器牢牢限制在弱感性的準(zhǔn)諧振狀態(tài)，達(dá)到了預(yù)想的控制效果。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果