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基于LLC的梯度加热电源研究

2013-07-05耿程飞张永亮

电源技术 2013年11期
关键词:温升并联谐振

赵 飞, 耿程飞, 张永亮

(中国矿业大学信电学院,江苏 徐州 221116)

基于LLC的梯度加热电源研究

赵 飞, 耿程飞, 张永亮

(中国矿业大学信电学院,江苏 徐州 221116)

指出了传统的LC串联型和并联型谐振拓扑存在的不足,提出了一种新型LLC型拓扑结构,并对该拓扑结构进行了详细分析。LLC型拓扑结构具有电流变换功能,可以省掉负载谐振变压器,实现负载匹配。同时针对金属工件在挤压过程中摩擦生热,导致前端温度升高的问题,提出了采用多逆变器并联,各区独立控制的方法。该方法可以单独控制每区的温度,从而实现金属工件的横向梯度加热。实验结果表明,该套控制系统温升曲线平滑,能够实现工件的等温挤压,满足生产需求。

感应加热;LLC拓扑结构;谐振;梯度加热

电磁感应加热是一项将电能转化为热能的加热技术,其最大的特点是非接触式直接加热,最大的优势是工件加热速度快、效率高,温度易于控制,加热过程中不会混入金属杂质,工人劳动条件好等[1-2]。随着行业对金属型材的工艺、质量、稳定性等方面的要求不断提高,金属工件温挤压成为了行业新要求。在挤压机挤压工件的过程中,挤压容室内的压力非常大,工件与磨具的相对运动,会产生大量的摩擦热,从而使工件前段温度升高,如果在挤压过程中工件横向温度不同,挤出型材的机械性能与力学特性较差。

为了实现在金属工件挤压过程中横向温度一致,工件在送入挤压机之前横向温度需要形成梯度。传统的油炉、天然气炉、电阻炉等,不仅加热效率低,而且能耗大,温度控制不精确,难以实现金属工件的横向梯度加热。为此本文提出了一种基于LLC的新型多逆变器并联拓扑结构,每区逆变器独立控制,温度独立调节,从而实现了金属工件的横向梯度加热。

1 原理与设计

1.1 感应加热电源的结构

感应加热电源一般由整流器、滤波器、逆变器、谐振回路、负载、控制系统组成,如图1所示。

图1 感应加热电源结构

根据谐振回路中补偿电容与负载线圈连接方式的不同,感应加热谐振拓扑主要有LC串联型和LC并联型两种,如图2所示,(a)为LC串联型,(b)为LC并联型[3-5]。LC串联型谐振拓扑的输出电压为方波,负载电流为正弦波;LC并联型谐振拓扑的输出电流为方波,负载电压为正弦波。

LC串联型拓扑,虽然结构简单,控制相对容易,但是电压源供电,浪涌电流大,无短路保护能力,负载匹配方法较少;LC并联型拓扑,电流冲击小,具有短路保护能力,但是功率器件需要承受反压,可靠性差。为此,本系统采用如图3所示的

2 实验结果

本文设计了基于LLC型拓扑结构的工频感应梯度加热控制系统。实验参数为:三相进线电压为660 V,所采用的IGBT型号为infineon公司的FZ600R17KE3,DSP选用TI公司的TMS320F2812,L1=3m L,L2=0.7m L,C=13 000μF。

图5所示为逆变器输出电压与电流波形。逆变器输出电压与电流完全同相,说明此时电感与电容完全谐振,功率因数接近于1,加热效率最高。

图5 逆变器输出波形

图6所示为不同区的谐振电流波形,采用相同的触发信号,能够得到相位相同的谐振电流,电流大小分别为1 465和1 456 A。谐振电流相位相同,说明了不同区之间的电磁变化方向一致,有效地避免了不同感应加热线圈之间的环流问题。不同区之间的电流大小单独控制,从而可以单独控制每一区的温度,实现金属工件的横向梯度加热。

图6 不同区的谐振电流波形

图7为通过热电偶测得的工件加热温升曲线,实线为工件表面温度,虚线为工件芯部温度。从图中可以看出,温度上升平滑,没有出现较大的波动。工件加热温度设定为540℃,大约经过20m in,工件芯表温度达到一致,并维持在540℃,整个系统控制精确稳定,完全能够满足生产的需要。

图7 温升曲线图

3 结论

实现金属工件的等温挤压是保证金属机械性能和组织结构稳定的关键技术,本文采用LLC谐振电路作为负载拓扑,以多逆变器并联结构实现了工频感应炉的梯度加热,并且有效地实现了感应加热的大容量化。该套控制系统不仅温升曲线平滑稳定,而且温度控制精确,误差较小,加热效率较高,相对于传统的开关式控制感应炉,可以节约30%的电能。目前该系统已在某轻合金公司成功投入运行。

[1] 付正博.感应加热与节能[M].北京:机械工业出版社,2008.

[2] 徐应年.感应加热电源负载感应器模型与恒频调功研究[D].武汉:华中科技大学,2009.

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[4] 张智娟.高频感应加热电压型逆变器功率控制研究[D].保定:华北电力大学,2010.

[5] 李宏,崔立国,王崇武.基于DSP的大功率感应加热电源设计[J].电力电子技术,2008,42(7):43-45.

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[7] 高又春,吴玉香.一种改进的LLC电路在交流电源中的应用研究[J].电测与仪表,2010,47(7):56-59.

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Study on gradientheating powerbased on LLC

ZHAO Fei,GENG Cheng-fei,ZHANG Yong-liang
(China University of M ining and Technology,Xuzhou Jiangsu 221116,China)

The shortcomings of the traditional LC series and parallel resonant topology were pointed out,a new type LLC topology structure was put forward,and the topology structure was analyzed.LLC type topology structure has the current transform function and can realize the load match without load resonant transformer.The temperature of the front-end metal workpiece will rise because of friction heat in the extrusion processes.Therefore,a kind of the inverter parallel and the independent control method was put forward. The method could individually control the temperature of each district in order to achieve the transverse gradient heating of the metal workpiece. The experimental results show that the heating curves of this control system is smooth and it can realize the isothermal extrusion,and meet the production requirements.

induction heating;LLC resonant topology;gradient heating;resonance

TM 924

A

1002-087 X(2013)11-2044-03

2013-04-05

赵飞(1986—),男,江苏省人,硕士研究生,主要研究方向为大功率电磁感应加热控制。

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