感应加热电源的调频调功研究

2016-11-03范文涛

科技视界 2016年18期

关键词：输出功率

范文涛

【摘要】针对感应加热电源的调功关键问题，本文设计了一种基于调频调功理论的感应加热电源调功理论。通过大量的仿真实验，实验结果表明，本文所设计的调功电路能都达到调节输出功率的目的。

【关键词】感应加热；调频调功；调功电路；输出功率

0 引言

感应加热由于具有加热效率高、升温快、可控性好等诸多有点，目前广泛应用于熔炼、透热、淬火、弯管、焊接和加热等工业生产领域，已成为冶金、国防、机械加工、锻造和船舶、飞机制造业等不可缺少的加热技术，取得了明显的经济效益和社会效益[1-3]。

随着电力电子技术和开关器件的发展，感应加热电源正朝着高频化、轻量化和数字化的方向发展；随着大量整流设备的引入，电网的谐波污染问题越来越严重，对感应加热电压的需求提出了更高的要求。感应加热的电源和加热负载作为一个有机整体，每一种负载具有其独特的负载匹配结构。当感应加热电源与负载不匹配时，其电源的利用效率和可靠性都会降低。合适的负载匹配可以提高感应加热电源的利用率和减小电源损耗。

感应加热电源输出功率控制电路是整个控制电路中的核心电路，根据调功的位置，可将逆变器输出功率的控制方式分为：直流侧控制和逆变侧控制。

直流侧控制可以通过调节晶闸管整流器的移相角来控制输出直流电压的大小，从而达到控制逆变侧输出功率的目的；也可以在整流系统和逆变系统之间加入一个斩波调功环节，斩波调功利用buck变换拓扑，通过控制功率开关器件的占空比，来调节逆变系统的输入电压，从而控制逆变侧的输出功率。直流侧调功是通过调节逆变侧的输入电压来对逆变系统输出功率进行调节，为了达到低损耗和最大输出功率，此方法需要对负载侧进行精确锁相。

逆变侧调功可分为：调频调功（PFM）、移相调功和脉冲宽度调功（PDM）。脉冲宽度调功（PDM）是通过改变脉冲密度来实现对逆变器输出功率的调功，此方法适用于负载较大的应用场合，在小功率开环控制也有一定的应用，特别是家用电磁炉中。调频调功（PFM）是利用负载的频率特性，通过调节逆变器的输出频率来实现对逆变器输出功率的调节[4-5]。

本文采用逆变侧调频调功的方式，来对感应加热电源的输出功率进行调节和研究。

1 调频调功理论

逆变器的负载电路可以等效成由电阻、电感和电容组成的串联等效电路，其电路结构如图1所示。其中，L为负载的串联等效电感，R为负载的串联等效电阻，C为串联等效电容。

整个负载网络在s域的阻抗为：

令s=jω，在频域（ω）内，可得负载网络的阻抗为：

当输入电压的有效值（U）一定时，其电阻上消耗的功率为：

为了获得在电阻R消耗最大的功率，必须使阻抗Z的绝对值最小。当Z（jω）的虚部为零时，此时阻抗|Z|取得最小值。令：

式中，ω0为整个负载等效电路的谐振频率，当电路工作在此频率时，负载阻抗|Z|获得最小值，逆变器输出最大的有功功率。

电路工作在谐振频率ω0时，令电阻R上消耗的功率为P0，则电阻R上消耗的功率P随工作频率ω的变化曲线如图2所示。

2 仿真电路搭建

本设计基于SG3525搭建实验仿真平台，其如图3所示。

3 仿真结果