感應加熱電源的調(diào)功率方法

1、感應加熱電源的調(diào)功率方法田志明侯西倫摘要：本文論述了感應加熱電源常見的幾種功率大小調(diào)節(jié)的方法，從原理到電路的實現(xiàn)上進行了較詳 細的分析。關鍵詞：感應加熱中頻電源功率調(diào)節(jié)1.前言感應加熱在現(xiàn)代工業(yè)加熱中已得到廣泛的應用，感應加熱電源的一般電路組成為AC-DC-AC，見圖1所示。與之相匹配的負載有熔煉爐、透熱爐、淬火爐等。這些負載是變化的，這就 需要感應加熱電源輸出到負載上的功率也需要進行大小的調(diào)節(jié)。如何調(diào)節(jié)功率大小，這與負載主電路的（見圖2）形式和被加熱金屬料的要求有關，下面對此進行分別討論。1負載IA 控制及保護系統(tǒng) VC2應熱源感加電圖1感應加熱電源及負載組成框圖及典型波形圖2感應加熱電源常

2、見負載諧振電路（a）并聯(lián)電路（b）串聯(lián)電路（c）串并聯(lián)電路（d）串并聯(lián)升壓電路應熱源感加電整流部分調(diào)功方法眾所周之，大功率感應加熱電源有很大一部分電路采用三相晶閘管組成全橋或半橋整流電路。對 于全橋晶閘管電路，輸出的直流電壓有：U d T35U2COS :整流輸出功率為：P Id這里是整流后的直流電壓，Id是直流電流，P為直流功率，cos為整流部分的功率因數(shù)，改變功率因素:可改變直流功率。調(diào)整整流控制脈沖電路的：角可改變輸出功率。晶閘管全橋整流電路中控制：-角變化的電路較多，早期有分立元件，KJOO4（ KC004）3是西安產(chǎn)的中頻專用集成電路，TC785, TC787等專用電路，也有用單片機

3、控制的，下面用一種目前正在工 業(yè)現(xiàn)場運行 的成熟產(chǎn)品的數(shù)字化控制：角觸發(fā)電路說明其工作原理。圖電源控制電路中整流觸發(fā)角：控制線路框圖。圖 4給出了具體電路。定脈沖寬度定脈沖寬度故障封鎖信號計數(shù)器-=ChA圖3數(shù)字化調(diào)節(jié)整流相位角電路框圖圖4數(shù)字化調(diào)節(jié)整流相位角實際電路圖工作原理：三相同步來之于三相輸入工頻電壓的取樣信號，用來復位數(shù)字計數(shù)器，脈沖寬度調(diào)節(jié)電路是對前面形成的觸發(fā)脈沖定寬窄。末級驅動電路的功能是放大，隔離，組成雙脈沖信號等。壓控振蕩器（V/f）是用PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓Vk的高低控制頻率大小的變化， 故障電路是在電源出現(xiàn)故障時把脈沖輸出相位拉到逆變（有源逆變）狀態(tài)，或封鎖整流脈沖的輸出

4、。這里特別要詳細的分析數(shù)字觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的機理。其特征是用計數(shù)（時鐘頻率脈沖）的辦法來實現(xiàn)：角度（相位）的移相。由控制電壓Vk的大小來改變V/f壓控震蕩器的頻率脈沖大小，Vk升高，f增大，Vk降低，f減小，把這種f信號輸入到固定的（量數(shù)為256）計數(shù)器， 從復位脈沖后開始技術，計數(shù)器計數(shù)到256個脈沖時輸出一個進位脈沖。因為計數(shù)256個脈沖需要一定的時間，f頻率高，計數(shù)到256各脈沖需要的時間短，進位脈沖發(fā)出早，即延時 短，：角小；反之，？頻率低，計數(shù)到256個脈沖需要的時間長，進位脈沖發(fā)出的進位脈沖相對晚，即 延時長，：-角大。計數(shù)器開始計數(shù)時刻是同步信號控制的復位信號取消，即二0時開始計數(shù)。

5、設計時根據(jù)Vk的最大電壓和最小電壓值，定時對應V/f的最高頻率fH和最低頻率垃。女口 Vk最低電壓對應的V/f的低頻率f25kHz，則計數(shù)到256個脈沖所需要的時 間是：（1/25000） x 256=10.2ms，相當于工頻的180電角度。實際上計數(shù)器的同步復位計數(shù)清零位置在同步電壓（線電壓）的30處，這相當于三相全控橋式整流電路的1 =30位置，從清零同步脈沖起，延時6.6ms產(chǎn)生的輸出脈沖，接近于三相橋式整流電路晶閘管：-=150。的位置。如果使Vk調(diào)到最高電壓，V/f的頻率為最高，即fH=153.6kHz，計數(shù)到256個脈沖 所需的時間是：（1/153600） x 256=1.6ms，

6、相當與工頻的30。電角度，接近于三相橋 式整流電路某 一晶閘管：=0的位置?？刂芕k電壓在最高、低電位間變化，即控制了 5與垃的頻率變化，也就是控 制了某一晶閘管的脈沖觸發(fā)角：在0與150之間變化，最終控制了直流電壓變化，實際為電源的輸出功率變化。這樣的控制，有相同的三套，每相一套，在一個周期 中會產(chǎn)生6個相位差60的觸發(fā)脈沖。這種數(shù)字式脈沖移相控制電路優(yōu)點是工作十分穩(wěn)定，有很強的抗干擾能力。直流部分調(diào)功方法直流部分調(diào)功常用直流斬波方法調(diào)節(jié)功率。見圖5這種調(diào)功的方法為：電路結構一般是整流部分由二極管組成不控整流，使得電網(wǎng)側功率因數(shù)很高，在逆變和整流器之間的直流部 分加一個Buck電路形式，可控

7、功率器件K由IGBT和阻容網(wǎng)絡緩沖電路，二極管VD?和濾 波器L2組 成了降壓或直流斬波電路，通過改變加在K控制極脈沖的占空比來調(diào)節(jié)加到逆變上直流電壓，達到調(diào)節(jié)功率的目的。由于Buck電路中的功率器件工作在硬開關狀態(tài)下，開關損耗較大，在高頻和大容量電源中使用這種方法調(diào)功率較少。圖5直流斬波調(diào)功電源主電路逆變部分調(diào)功方法逆變側調(diào)功，主要對逆變器通過改變逆變環(huán)節(jié)功率器件開通、關斷的控制，來改變逆變器輸出電壓的參數(shù)，從而實現(xiàn)對輸出到負載上功率大小的調(diào)節(jié)。通常有脈沖頻率調(diào)制法（PFM ）、脈沖密度調(diào)制法（PDM ）和脈沖寬度調(diào)制法（PWM ）幾種。采用逆變部分調(diào)功方案時就 可以在直流側采用不控整流二極

8、管，簡化了整流控制電路，提高了系統(tǒng)整體網(wǎng)側功率因數(shù)，同時逆變側功率調(diào)節(jié)的響應速度比采用直流側調(diào)節(jié)要快。這里主要分析方法。PFM調(diào)功脈沖頻率調(diào)制法（PFM）就是通過改變逆變器的工作頻率，從而改變負載的阻抗來達到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。如：串聯(lián)諧振式逆變器的負載等效電路如圖6。由電路分析可得負載的等效阻抗為:嚴燭-圭）2R； (2 fL-2fC由上式可知，串聯(lián)諧振負載的等效阻抗隨著逆變器工作頻率 效阻抗f的變化情況如下圖7所示，在輸出電壓恒定的情況下，振 頻率越大，則等效阻抗就越大，逆變器輸出功率越小。f的變化而不斷變化，等 逆變器工作頻率偏離負載諧圖7串聯(lián)諧振負載的頻率阻抗特性由圖7可知，逆變器若工

9、作于諧振頻率f=fo時，負載等效阻抗最小，逆變器輸出功率最大，將工作頻率調(diào)高或降低都能減少輸出功率。一般用晶閘管組成的串聯(lián)逆變器，負載工作于容性狀態(tài)，工作頻率f從低頻率向fo調(diào)節(jié)，可增大輸出功率。反之，從fo向低頻率調(diào)節(jié)，可減小輸出功率。一般用全控功率開關器件組成的串聯(lián)逆變器，需要負載電路工作于感性狀態(tài)，因此，減少功率時，將逆變的開關頻率往高于諧振頻率fo方向調(diào)節(jié)，要增加功率時，將工作頻率f從高于fo的方向向fo方向減少頻率。下面是逆變部分調(diào)功（由晶閘管組成逆變器）的實際控制線路。見圖&圖9。圖8串聯(lián)逆變調(diào)功控制電路框圖圖9串聯(lián)逆變調(diào)功控制實際電路簡圖該控制電路的主要工作原理：由負載上通過電流

10、互感器CT,采得槽路諧振波電流信號， 通過波整形，加到ICJCj輸出兩路信號，上一路到IC&死區(qū)延遲電路，下一路送到IC3-1計數(shù)器（模 為512計數(shù)），作為計數(shù)的復位清零信號。計數(shù)脈沖是這樣產(chǎn)生的：由Vk的直流電壓控制壓控振蕩器（4046）的9腳，從4腳輸出相應的時鐘信號，分別加到兩個計數(shù)器的輸入端，清零信號到后，計數(shù)器開始脈沖計數(shù)。計夠512個脈沖后，計數(shù)器發(fā)出一個進位脈沖，輸出到IC4，同時也要有555死區(qū)延遲信號到后，加到R-S鎖存器電路，通過該電路形成兩個相 位相反的兩路脈沖，在輸出脈沖控制端允許的情況下，加到隔離，功放驅動電路，去驅動晶閘管開 通。改變Vk的電壓高低，可改變V/f的頻率時鐘脈沖高低，從而改變512計數(shù)器輸出脈沖的頻率高低，這個脈沖加到逆變電路，改變了加在負載上的工作頻率從而改變了負載等 效電路阻抗。如果這個頻率越接近 fo,功率越大；反之這個工作頻率f越小于fo,功率越小, 這就是上面圖9實際電路調(diào)功的原理。5.結論本文從三個方面，即整流電路部分，直流電路部分和逆變電路部分，分別論述了感應加 熱電源 的調(diào)功原理和實現(xiàn)方法，給出了兩種工程中實用的調(diào)功控制線路，對其原理進行了分析，對有關設 計、維修人員有直接的參考作用。參考文獻西安某公司設計生產(chǎn)的并聯(lián) KGPS電源使用說明書。蘇州某公司設計生產(chǎn)的串聯(lián) KGPS電源使用