串联谐振式中频感应加热电源的研究与设计

李 昂，王今朝，邓雅心

（1.陕西理工大学 电气工程学院，陕西 汉中 723001；2.国网青海省电力公司经济技术研究院，青海 西宁 810000）

0 引 言

冬天温度过低容易导致储油罐中的原油凝固，不便于运输和油水分离。因此需要给油罐加热，使原油温度保持在50 ℃左右，此时的粘稠度最好。传统的加热方式有电加热棒加热、电加热膜维温加热以及蒸汽加热等。其中，电加热棒体积小且易操作，电加热膜维温加热和蒸汽加热相较于电加热棒加热面积大且加热时间短。但这些方法都是采用工频电源进行直接或间接加热，普遍存在加热效率低、电耗大以及工作状态单一等缺点[1,2]。而中频电源（频率为0.4～30 kHz）具有效率高和耗能小等特点，能很好解决上述问题。按照逆变电路结构的不同，中频电源可分为串联谐振、并联谐振以及复合谐振3种类型。文献[3]中使用频率为2 000 Hz的复合谐振中频电源对油罐入口加热。根据出油量的不同，每天比工频电源节约电能500～1 000 kW·h，加热时间也大大缩短。此外，该电源可实现软开关技术，降低损耗，但不适合于频繁启动的场合。冬天室外环境恶劣，针对企业用户油罐加热的具体要求，本文设计了一款结构简单、能耗低以及可频繁启动的串联谐振式中频感应加热电源，以满足冬天室外油罐的加热需求。

1 中频加热原理

中频电源工作频率为0.4～30 kHz，加热原理是感应加热。当电源输出频率较高的交流电流过感应线圈时，形成交变磁场，感应出电压，在金属导体内产生涡流，进而产生热量，实现加热的目的。设感应线圈匝数为N，则感应电动势为：

其幅值为Em=Nφmω=2πNφmf，有效值为。交变电路频率大小决定了感应电动势的大小。当交流电频率越高时，产生的磁场就越强，集肤效应就越明显。穿透深度公式为：

式中，ρ为导体电阻率；f为交流电频率；μ为相对磁导率。由公式可知，频率越高，穿透深度越小[4]。

2 设计方案

3种类型中频电源的特性对比如表1所示。

根据设计要求，本文采用20 kHz的串联谐振式电路，电源功率为20 kW，功率因数cosφ=0.9，效率达90%以上，图1为系统总体框图。工频交流电经三相不控整流电路变为直流电，滤波后再经串联谐振逆变电路使其变为频率20 kHz的交流电。输出电流和电压经采样电路进入DSP，通过PI算法得到反馈量，进而控制输出功率和频率。

表1 3种类型中频电源的特性对比

2.1 电路参数设计

2.1.1 整流电路参数设计

2.1.2 逆变电路参数设计

电路谐振频率为20 kHz，通频带可取为4 kHz。品质因数，功率因数cosφ=0.9，逆变电路输入电压为540 V，则输出电压UVT=0.816Ud≈440 V，输出电流为：

考虑到安全裕量，IGBT参数选取150 A/1 500 V。

发生谐振时，电路中电感两端电压与电容两端电压幅值相等，方向相反。当Q=5时，UL=UC=QUVT≈2 200 V，此时电感感抗等于电容容抗，可得：

2.2 电源系统控制方案

电源系统控制方案主要包括输出功率控制和频率控制两部分。电源系统控制框图如图2所示。

2.2.1 输出功率控制

为了能够实现恒定输出功率，提高工作效率，需要采样输出电流和电压。经DSP的AD转换计算出系统的反馈功率，将其与设定功率进行比较，得到差值后进行PI调节，从而得到新的功率控制量，最后将其转换为逆变器的移相角度，输出恒定功率。

图2 电源系统控制框图

2.2.2 频率控制

输出频率波动会导致加热效果变差。为了使整个系统保持在20 kHz频率附近，可使用电流过零同步技术跟踪频率[5,6]。负载电流经过方波转换电路转为同频率的方波电压，再经过相位补偿计算后送入DSP的ECAP端口。此时，DSP开始计算方波上升沿，电压（电流）过零。当ECAP连续捕捉到两次上升沿时，计算两次上升沿间隔就能得到负载频率。位关系可以分为谐振移相控制、容性移相控制以及感性移相控制3种。

感性移相调功适用于中小功率器件或单极性功率管，会有强制换流过程，可能引起电压尖峰破坏开关器件。谐振移相调功在工作时，所有开关都处于硬开关下，器件的开关损耗很高，所以实际设计中基本不使用。容性移相调功适用于大功率器件或双极性功率管，换流过程平缓，不会引起电流电压尖峰[9]。因此，本文采用容性移相PWM调功。

2.3 功率调节方案

逆变侧功率调节采用移相PWM调制法[7,8]。通过改变输入脉冲的相位改变逆变器的输出基波电压，可以起到调节输出功率的作用。该方法可以利用自然换相点使器件工作在软开关状态，降低损耗。功率调节方案根据移相调功中输出基波电压和输出电流的相

3 移相调功仿真

仿真主电路如图3所示，用540 V直流电压源串联一个电阻代替整流模块。其中，R=11 Ω，L=0.42 mH，C=0.15 μF。

图3 仿真主电路

锁相及移相控制模块如图4所示，逆变脉冲触发信号取负载电流过零时刻为基准信号。电源启动时负载无电流，需用外部它激信号做触发脉冲，经两个周期后转换为自激触发信号。脉冲发生器频率20 kHz。

图4 锁相及移相控制模块

移相角45°、60°以及120°时的波形图分别如图5、图6以及图7所示。电压波形为方波，电流波形为正弦波。

图5 移相角45°波形图

图6 移相角60°波形图

图7 移相角120°波形图

从波形可以看出，随着移相角度的增加，负载电流频率降低，说明系统工作在容性状态。在0.2 s时增加一个感性负载，目的是为了验证负载受扰动后，电源能否继续正常工作。在不同移相角的情况下，负载受扰动后均回到了稳定状态，电流和电压波形均能保持平稳。不同负载的情况下，逆变器工作频率当移相角为0°时最大，接近谐振状态。随着移相角增大，逆变器工作频率不断降低，输出电流幅值降低，说明输出功率随着移相角增大而减小，符合移相调功的特性。容性移相调功方式使电源的频率保持在谐振频率附近，电源效率得到提高，同时避免因频率波动产生的电能损耗[10,11]。

4 结果比较

现有企业使用某型号油罐，长为6 m，直径2.5 m，体积20 m3，装满油重16 t。原油比热容随温度变化的曲线如图8所示。

图8 原油比热容随温度变化曲线

图8中将原油比热容大致分为3段，对应的温度范围分别为0～30 ℃、30～40 ℃以及40～50 ℃，比热容分别取2.4×103J/（kg·K）、2.5×103J/（kg·K）、2.1×103J/（kg·K）。将原油从-5 ℃加热到50 ℃所需能量由公式Q=C油mΔT可得：

又已知1 J=2.778×10-7kW·h，因此总共所需电能为W=588.936 kW·h[12]。

5 结 论

本文设计了一种中频加热电源。其相较于传统加热具有效率高、耗能低以及加热快等优势。在实际运用中频繁启动的场合，采用串联谐振式逆变电路，选择容性移相PWM调功，通过计算并进行Matlab仿真来验证方案的可行性。经研究可知，该方案不仅可以应用在油罐加热，而且经过调整和改善，还可应用于大型器件的表面淬火和深层加热等场合，因此研究中频加热具有一定的参考意义。