一種新型感應加熱電源調功方式的研究與計算機仿真

1 前 言

感應加熱電源是一種AC/DC/AC變換裝置，它是利用電磁感應原理對工件進行加熱的。由于感應加熱具有加熱速度快、熱效率高、加熱均勻及易于實現機械化、自動化等優點，在鑄造熔煉、鍛造毛坯加熱、鋼管彎曲、金屬表面熱處理、焊接、粉末冶金等行業中被廣泛應用。由于加熱工藝的需要，我們有必要對逆變器的輸出功率加以控制。本文在對現有各種感應加熱裝置功率控制方式比較的基礎上，提出一種新型的、較優的功率控制方式。

2幾種調功方式的比較

由于感應加熱過程中負載等效參數隨溫度而變化和加熱工藝的需要，感應加熱電源應對負載進行頻率跟蹤和功率調節。電流型逆變器一般是通過調節直流電壓的大小調節功率。對電壓型逆變器，由于可關斷器件的發展，已有多種不同的調功方式。

2.1 直流調功方式

直流調功方式一種是采用輸入可控整流來調節功率，另一種是斬波調壓方式(不控整流加DC/DC變換器)，通過調節DC/DC變換器的輸出電壓來調節感應加熱電源的輸出功率。直流調功可以大范圍調節功率，而且功率調節的線性比較好。但是必須在逆變橋前級加可控電路，而且在需要加入功率因數校正的時候，直流調功較難實現。

2.2 逆變調功方式

逆變調功可以分為3類：

頻率調制(PFM) 頻率調制的方法就是調節逆變開關管的開關頻率，從而改變輸出阻抗來達到調節輸出功率的目的。這種調功方式比較常用，優點是調節方法比較簡單，而且較容易實現軟開關。但是，功率調節線性不好，而且調節范圍不大。

脈沖密度調制(PDM) PDM就是通過控制脈沖密度，從而控制輸出平均功率，來達到控制功率的目的。這種控制方法較容易實現，但是由于是間斷加熱，所以加熱效果不好。

脈沖寬度調制(PWM) PWM通過調節逆變開關管的一個周期內導通時間來調節輸出功率。這種方法等同普通開關電源的調制方法，調節線性好，范圍大，但是不容易實現軟開關。

文獻[1，2]都是基于傳統移相PWM調功，即同一橋臂的上下開關管的驅動脈沖互補，使兩原來同相的兩個橋臂的開關管的驅動信號錯開一個相位角，通過對錯開相位角的控制即可達到輸出功率控制的目的。為了防止電壓源直流導通，需在驅動脈沖之間加入死區。這樣就存在一種矛盾：電容緩沖效果與移相臂ZVS/ZCV軟開關實現之間的矛盾。因此這種軟開關設計僅在一定工作范圍內可行。否則將會出現并聯電容還未放電結束另路開關就開通的現象，導致瞬間的電流尖峰和較大的開通損耗。這樣就限制了緩沖電容的加大，所以傳統移相調功僅適于中小功率感應加熱電源。為了在功率大范圍調節時仍能保持軟開關條件，必須外加輔助緩沖支路如文獻[3]，這樣子主回路結構就較復雜。

3新型調功方式

主回路選用軟開關工作方式，前面已提到傳統相移軟開關方式功率調節范圍窄，本文設計的新型調功方式可滿足大中小感應加熱電源。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示出當電路工作于諧振狀態時控制開關信號及逆變器負載電流與電壓波形。下面分析主電路在一個工作周期內的工作原理。這種新型逆變器是通過調節超前臂的脈寬來調節功率的。

工作原理：

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

(2)t1時刻，T1關斷。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為零電壓關斷。

當電容電壓充電到V+時，電流為負載環流，沿回路：T3→D4→C→R→L→T3流通。負載電壓為零。

(3)t2時刻，T3關斷，由于T3關斷時，負載環流至電流很小，所以T3接近零電流關斷。t2～t3，電流續流，沿回路：V一→D4→C→R→L→D2→V+流通。負載電壓為一V。

(4)t3時刻，T2T4零電壓開通，電流流向過程與以上3步是對稱的。 以上分析可以看出，兩個橋臂的4個元件都工作于軟開關狀態。其中T1T4工作于零電流開通零電壓關斷狀態，T2T3工作于零電流開通零電流關斷狀態。當超前臂T1(T4)關斷后，電流對超前臂并聯電容C1(G)的充放電時間是隨著電流的大小改變的。當關斷電流較小時，電流對電容的充放電時間長，可以滿足另一路橋臂的超前臂T4(T1)開通時，其并聯電容兩端電壓為零。這樣既解決了傳統移相調功中存在的矛盾，又簡化了主電路結構。

利用鎖相環電路跟蹤負載電流頻率的變化，保證4個開關管都在電流過零點觸發。使電路始終工作在弱感性狀態。

4 仿真結果

為了驗證上述的分析，研制一臺工作頻率為50 kHz的試驗裝置。本文用Matlab對主回路進行仿真。

4.1 逆變器靜態仿真

(1)逆變器輸出電流、超前臂電壓與超前臂驅動波形。

當超前臂關斷時，開關管電壓緩慢上升，從而實現了超前臂零電壓關斷。

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動波形。

當滯后臂開通與關斷時，負載電流都接近于零，從而實現了滯后臂的軟開關。

(3)輸出電流與負載電壓波形

4.2 逆變器動態仿真

(1)負載電流與電壓波形

當負載參數變化時，負載回路的諧振頻率也隨之變化，并且負載電壓的頻率與脈寬也同時改變。即此種新型逆變器實現了PFM&PWM控制方式。

(2)四路驅動波形

調節輸出功率時，四路驅動脈寬與頻率都隨之變化。

5 實驗結果

為驗證提出方法的可行性，設計了一臺40 kW/50 kHz的樣機。實驗結果如圖9所示(圖中上面為輸出電壓波形，下面為負載電流波形)，電源工作在感性狀態。

超前臂驅動，超前臂電壓波形，負載電流波形。

當超前臂關斷時，其兩端電壓緩慢上升，從而實現了超前臂的軟開關。

6 結 語

本文提出了一種新型的功率調節控制策略，這種控制策略性能優越，邏輯明了，實現簡單易行。并且進行了實驗驗證。