中频感应加热电源的设计

文/王见乐

中频感应加热电源的设计

文/王见乐

本文旨在设计一2.5kHz/250 KW可控硅中频感应加热电源，介绍其整流电路逆变电路以及控制、保护电路。整流电路采用三相桥式全控整流电路，逆变电路采用电压型串联谐振电路，控制策略选用双闭环反馈控制系统，保护采用电流、电压保护。

1 加热电源基本主电路结构

感应加热是依据电磁感应的原理，利用导体处于交变的电磁场中产生的感应电流（涡流）所形成的热效应使导体自身发热。因此加热的效率高、速度快和可控性好，所以容易实现高温和局部加热，应用范围较广。感应加热电源根据加热工艺的要求，采用不同的频率，本文采用中频（60-10000Hz）加热电源，其电路拓扑结构如图1。是由滤波器、整流器、逆变器和一些控制、保护电路组成的。

图1 感应加热电源的基本结构框图

感应加热电源三项整流器采用六脉动的晶闸管整流。逆变器用电压型逆变电路，主要考虑，使用IGBT的电流源的逆变器中，有换相电感的存在，会使逆变器产生浪涌电压，从而使器件的开关损耗相对增加，甚至可能会引起功率器件的击穿，且负载采用串联谐振式。虽然并联谐振式负载，保护容易实现，但在中高频设备中，由于并联谐振需要加附加启动电路，同时串联谐振的感应加热线圈离逆变电源较远，对输出功率的影响较小，综合考虑，采用串联谐振式负载。

在感应加热中，逆变器的电压源一般是由大电容加整流器构成的。由于电容值比较大，因此近似认为逆变器的输入端的电压固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件便可以在逆变器的输出端获得交变的方波电压，电压的幅值是由逆变器输入端的电压值决定的，而频率是由器件的开关频率决定的。对于串联谐振电路，由于工作在谐振频率的附近，会使振荡电路对于基波具有最小的阻抗，因此负载电流i近似为正弦波。为避免逆变器上、下桥臂间的直通，换流时遵循先关断后导通的原则，在关断和导通之间必须留有足够的死区时间。

滤波器采用Ⅱ型滤波器。两个性能完全相同的电解电容串联，来减小单个电容承受的电压，且用两个大小相等的电阻并在电容两端，对两电容起均压的作用。

2 控制系统设计

控制电路包括整流控制、逆变控制、保护电路等电路。整流控制电路的任务就是依据各种输入信号（给定、故障等）的综合情况发出宽度适中的脉冲，便于能输出合适的直流电压。整流控制电路包括同步电源电压电路、触发信号电路、电流检测电路、滤波电路、比较控制电路、相位移动控制电路等；逆变电路包括锁相环电路、电压检测电路、滤波电路、启动移位控制电路、开通、关断信号驱动电路、死区形成电路。在串联谐振型中必须存在的便是死区形成电路，有的集成驱动模块中包含有其单元，再次设计时就可以省略掉；有的虽然含有延迟的环节，但是时间很短，需要另外加延迟。控制策略决定的是驱动电路所产生的脉冲的次序和占空比，采用双闭环控制系统。硬件主要是由集成驱动模块和一些外围的电路组成，也有是纯模拟的电路搭成，还可以是数字、模拟电路共同合成。跟踪负载的谐振频率是锁相环实现的，从而达到控制逆变电路的工作频率。采样电压一般是取自负载与电容两端，这是因为电容对高次谐波的阻抗较小，其端电压的高次谐波的分量最小，基波的分量最大。以这个信号来作为反馈，就能够有效地降低高次谐波的干扰，使系统能够稳定地跟踪谐振频率f0，再加上合适的偏置电路，就可以使工作频率稍微高于谐振频率。保护电路的主要任务就是防止过电流、短路保护。

3 保护电路

保护电路有过流保护，过压及缓冲电路保护等。

由于电力电子器件承受过流能力较差，因此，采用过流保护。过流保护采用快速熔断器、快速直流开关和电子电路来实。过压及缓冲电路保护是用阻容元件的吸收和消耗产生过压的能量，或者是选用非线性的元件限制过压的幅度和用电子电路来实施等一些抑制过压的保护，对于启动电流的限制，通过加电抗器的方式实现。

4 总结

本文对2.5kHz/250KW可控硅中频感应加热电源的整流电路以及控制电路进行了设计。其中，整流电路采用三相桥式全控整流电路，其电路结构简单，使电源易于推广；控制策略选用双闭环反馈控制系统，改善了信号迟滞的缺点；逆变电路采用电压型逆变，使控制电路相对简单，且容易实现控制，必要时可采取PWM控制技术。

（作者单位：湖北文理学院）