串联型高频感应加热装置的动态负载匹配(转)
串联式感应加热电源课程设计(word文档良心出品)
串联式感应加热电源设计1绪论感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化等优点，广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。
1.1 感应加热的工作原理感应加热原理为产生交变的电流，从而产生交变的磁场，在利用交变磁场来产生涡流达到加热的效果。
如图1.1：图1.1 感应电流图示当交变电流通入感应圈时，感应圈内就会产生交变磁通，使感应圈内的工件受到电磁感应电势e 。
设工件的等效匝数为2 N 。
则感应电势：e=−N2d∅公式（1-1）dt如果磁通是交变得，设∅=∅m ωt，则=−N2∅Mωcosωt公式（1-2）e=−N2d∅dt有效值为：E=4.44fN2∅M公式（1-3）感应电势E 在工件中产生感应电流使工件内部开始加热，其焦耳热为：公式（1-4）式中：I 2 ——感应电流有效值（安），R——工件电阻（欧），t——时间（秒）。
这就是感应加热的原理。
感应加热与其它的加热方式，如燃气加热，电阻炉加热等不同，它把电能直接送工件内部变成热能，将工件加热。
而其他的加热方式是先加热工件表面，然后把热再传导加热内部。
金属中产生的功率为：公式（1-5）感应电势和发热功率不仅与频率和磁场强弱有关，而且与工件的截面大小、截面形状等有关，还与工件本身的导电、导磁特性等有关。
在感应加热设备中存在着三个效应——集肤效应、近邻效应和圆环效应。
透入深度△由下式确定：公式（1-6）式中: ρ——工件电阻率（Ω•m ）, μ。
——真空磁导率4π×10(H/m). μ——工件磁导率(H/m ), μ——工件相对磁导率，ω——角频率(rad/s )，f ——频率(HZ)。
将μ。
和π的数值代入，即可得公式:公式（1-7）从上式可以看出,当材料电阻率、相对磁导率给定后,透入深度△仅与频率f 平方根成反比,此工件的加热厚度可以方便的通过调节频率来加以控制。
串联谐振感应加热电源逆变器负载状态分析
串联谐振感应加热电源逆变器负载状态分析
串联谐振型的感应加热电源在实际工作过程中，其工作状态是由逆变器的工作频率和负载设计而决定的，共有四个常见的负载状态。
为了帮助工程师更加全面的了解其运行负载状态，本文将会从该种类型的加热电源负载设计入手，为工程师解析其四个负载状态的具体工作情况。
在这里我们以最基础的串联谐振加热电源为例，进行负载状态分析。
在整机保持正常工作的过程中，当处于小感性换流模式下时，串联谐振的加热电源逆变器工作频率会略高于谐振负载的固有谐振频率，即负载电流IH滞后于负载电压一个电角度φ，换流过程中各元件的电压、电流波形如下图所示。
从下图中我们可以看到，其中的参数tdead=t3-to为触发脉冲的死区时间，t4为负载电流的换向时刻。
触发脉冲的死区时间，t4为负载电流的换向时刻。
小感性状态下换流模式电压、电流波形图
接下来我们将会就串联谐振型DC-DC转换器的四个负载工作状态展开简要的分析。
其感性负载状态换流过程如下图所示：
图为感性负载状态换流过程
首先我们来看状态1，此时t在结束状态1的运行之后，逆变器进入状态2，此时t0在结束状态2的运行之后，谐振逆变器进入状态3，此时t2在结束状态3的运行之后，加热电源的谐振逆变器进入状态4，此时t>t4，谐振逆变器工作状态如上图中的图（d）所示。
从上图中我们可以看到，在t4时刻负载电流开始换向，二极管D2、D4截止，S2、S4开始流过负载电流。
由于换流是发生在同桥臂的快恢复二极管和开关器件之间，所以二极管没有反。
高频感应加热设备安装使用说明书
高频感应加热设备安装使用说明书设备型号:特别注意事项:1. 确保通洁净水冷却，冷却进水水温不要超过45?，否则会导致机器容易损坏。
2. 请首先确认您所购买的设备型号、附加功能及配套情况;3. 安装前请仔细阅读本说明书～安装后请妥善保存本说明书～4. 感应圈的设计，要求保持感应圈电感在合适范围。
请使用我公司配制的感应圈，如果自制，请向本公司咨询，以免感应圈参数不当，影响加热效率，或引起设备损坏;5. 确保通洁净水冷却，冷却进水水温不要超过40?，否则会导致机器容易损坏。
6. 任何连接、安装必须保证在设备电源关闭的情况下进行，以防触电;7. 设备的维护必须由经过专业训练的人员进行，以防触电;8. 本产品属我公司自有知道产权，受法律保护，任何未经许可的仿制、测绘、拆卸造成设备的损坏，本公司一律不予以维修，并将保留追究其侵权行为的权利。
警告标志:此标记用于说明那些如果操作不当可能导致人身伤亡的内容;此标记用于说明那些如果操作不当可能导致人身伤害内容。
主要技术参数:型号最大输出功率输入电压范围输出振荡频率加热电流负载持续率冷却水要求设备结构主-分机连接电缆长度主机体积分机体积主机重量分机重量加热时间保温时间普通面板功能指示灯A( 电源指示灯:合上控制电源开关，此灯亮表示有电;B( 工作指示灯:正常加热时，此灯闪烁，同时蜂史鸣器“嘀、嘀、嘀”响，约每秒一次，当设备出现故障时，此灯和蜂鸣器响声也不正常，可作为判断设备故障的依据;C( 输出过压指示灯:空;D( 欠水指示灯:电源内安装有一个水压开关，当冷却水的压力低于0.2MPa时，设备会自动停止工作，欠水指示灯亮，并发出持续蜂鸣声，增加水压力，报警自动消除，欠水指示灯亮，当出现欠水时，可用下列方法尝试解除欠水报警，先将出水堵住，使冷却水的水压增加使压力开关吸合，然后再将出水恢复，当水压不太低时，用此方法可维持工作，但当水压太低时，此方法无效，必须改进冷却水，请参考附录A:感应加热设备安装维护指南;E( 过流指示灯:此灯亮表示设备的功率调节和变频调节回路出现电流过大现象，设备自动停止工作并发出持续蜂鸣声;关机再开可消除报警，若再启动每次都报警，则可能是设备故障，请参考故障指南;F( 短路指示灯:此灯亮并报警时，可能是调压IGBT模块损坏，或是短路传感器损坏，请咨询我公司修理;G( 输入过压指示灯:设备允许最高输入电压为245V，当输入电压超过245V时，设备会自动停止工作，过压指示灯亮，并发出持续蜂鸣声，当输入电压低于245V时，报警自动解除，过压指示灯熄灭;H( 过热指示灯:设备内功率器件散热器上和其它主要发热器件上都安装有55?温度开关，当这些器件的温度高于55?时，设备会自动停止工作，过热指示灯亮，并发出持续蜂鸣声;增加水流量，降低冷却水的水温，使这些器件温度低于55?时，报警自动解除，过流指示灯熄灭;I( 频率不适指示灯:当设备振荡工作频率低于100KHz或高于500KHz时，此灯亮;设备将继续工作，但输出功率会自动衰减以保护设备不被损坏;可以通过以下方法调整:(1)若频率过低，可减少感应圈的匝数，或减小感应圈的直径;(2)若频率过高，可增加感应圈的匝数，或增大感应圈的直径来降低频率;J( 频率指示灯:此灯亮表示当前显示的是振荡频率，单位KHz; K( 电流指示灯:此灯亮表示当前数显表显示值是输出振荡电流(A);L( 电压指示灯:此灯亮表示当前数显表显示值是逆变电压(V); M( 功率指示灯:此灯亮表示当前显示的是输出振荡功率，单位KW;按钮A( 启动按钮:按一下此按钮，设备开始加热;当使用脚踏开关操作时，此按钮不起作用;B( 停止按钮:按一下此按钮，设备停止加热;C( 频率按钮:设备工作时，按住此按钮不放，数显表显示当前振荡频率的大小，此时，频率指示灯亮;D( 电流按钮:设备工作时，按住此按钮不放，数显表显示当前设备输出电流的大小(A)，此时，电流指示灯亮; E( 电压按钮:设备工作时，按住此按钮不放，数显表显示当前设备逆变电压的大小(V)，此时，电压指示灯亮;F( 功率按钮:设备工作时，按住此按钮不放，数显表显示当前设备输出功率的大小(KW)，此时，功率指示灯亮; 恒流/恒功率选择开关:此面板为中、高频通用面板，当用于中频电源时，为恒压/恒功率工作模式;当用于高频电源时，为恒流/恒功率工作模式;1、高频电源的恒流/恒功率选择:(1) 当选择恒流控制时，数显表常规显示输出电流值的大小，电流指示灯亮，工作时，用面板功率调节旋钮调节设定电流值，设备将力图保持实际输出电流与设定相同，且保持稳定; (2) 当选择恒功率控制时，数显表常规显示输出功率的大小，功率指示灯亮，工作时，用面板功率调节旋钮设定功率值，设备将力图保持袦输出功率与设定相同，且保持稳定; (3) 那就常规使用恒流状态;连续加热场合建议选择恒功率状态; 有关恒流/恒功率的特殊说明:(1) 恒流或恒功率是否能保持，还受很多因素影响，如:加热材料引起的负载变化，感应器匹配情况，设定值的大小等，很多情况下，恒流或恒功率无法达到，都属正常现象; (2) 设备工作在恒定输出功率控制状态时，无论工件冷态或热态、磁性或非磁性、网压波动等条件变化，设备都力图保持输出功率恒定不变;但如果设备的功率调节旋钮调在最大位置，恒功率根本没有自动调整的功率空间，恒功率也是不能实现的;数显表:显示频率/电流/电压/功率值。
高频感应加热原理、电路及应用电力电子
电力电子的发展趋势
可再生能源
随着可再生能源的快速发展，电 力电子技术在太阳能、风能等领 域的应用日益广泛。
电动汽车
电力电子技术在电动汽车中发挥 关键作用，推动交通领域向清洁 能源转型。
智能电网
电力电子技术在智能电网中的应 用，可以实现能源的高效利用和 智能管理。
电力电子的应用领域ຫໍສະໝຸດ 1电力调节2
对电能进行调节和控制，保证电力系统
的稳定运行。
3
能源转换
将电能转换为其他形式的能量，如电机 驱动、光伏发电等。
电能存储
利用电力电子技术实现电能的高效储存 和释放，如电池、超级电容器等。
电力电子在高频感应加热中的 应用
电力电子技术在高频感应加热中扮演重要角色，通过控制电路参数和频率， 实现对加热过程的精确控制，提高加热效率和质量。
医疗领域
用于高频电磁热治疗，如消融肿瘤、止血等。
热处理
在金属材料的热处理过程中，实现对组织结构 的控制和性能的提升。
家用电器
如电磁炉、电热水器等家用电器中广泛应用高 频感应加热技术。
电力电子概述
电力电子是研究将电能与其他形式的能量进行互相转换的学科，涵盖了电力 变换、调节、控制等技术，广泛应用于能源领域。
高频感应加热电路
1
功率电子变流器
将交流电源输出的电能转换为高频交流电能，用于高频感应加热。
2
匹配电容电路
通过匹配电容使功率变流器与感应线圈的电感相互补偿，提高电路效率。
3
感应线圈
产生高频交变磁场，使被加热物体内部产生涡流。
高频感应加热的应用
工业加热
用于金属锻造、焊接、淬火等工业加热应用， 具有快速、高效的优势。
高频感应加热过程的负载电气特性分析
《工业加热》第37卷2008年第2期56高频感应加热属于直接加热方式，高频电源在加热线圈上，其周围会产生一交变的磁场，磁性或非磁性的加工物件由于电磁感应，将在不同深度产生感应电流，而使加工物体的温度升高。
感应加热具有加热时间短，效率高，便于控制温度，保证加热质量，改善劳动条件，易于组合自动化生产，因此在金属热处理、焊接及冶金工业中得到越来越广泛的应用。
在感应加热的设计中，系统的频率、功率、加工物高频感应加热过程的负载电气特性分析焦俊生（铜陵学院电气工程系，安徽铜陵244000）摘要：高频感应加热系统由于它的独特优点，已广泛应用于工业生产中。
介绍了高频感应加热电源系统的特点，分析了感应加热的集肤效应特性，给出它的电感性负载阻抗理论模型，最后实验验证了在不同温度下，负载的电感与电阻随温度变化趋势，证实了理论分析结论。
关键词：感应加热；高频；负载中图分类号：TM924.5文献标志码：A文章编号：1002-1639(2008)02-0056-03Analysis of Load Electrical Characteristics for Induction Heating Systems of High FrequencyJIAO Jun-sheng（Tongling College ，Electrical Engineering Dept.，Tongling244000，China ）Abstract:Induction heating systems of high frequency have been widely used and rapidly developed in the industrial applications because of their distinctive advantages.Characteristics of power system were introduced in induction heating with high frequency.Features of skin effect were analyzed about induction heating system.Theory model of impedance was put forward with inductive load.And finally,experimental results at different temperature show that the change trend varied with it for value of inductance and resistance and the conclusion is correct.Key words:induction heating ；high frequency ；load收稿日期：2007-10-15；修回日期：2007-12-29作者简介：焦俊生（1968—），男，工学硕士，讲师，研究方向为电力电子的应用技术.（上接第49页）心中频感应炉无磁性期感应加热的一些规律性：吸收力弱，加热慢且电热效率＝0.157。
串联谐振感应加热电源原理
串联谐振感应加热电源原理感应加热技术由于其诸多优点，正在被越来越广泛地应用于现代化工业生产中，促进了生产力的巨大提升，因此国际社会都在越来越关注感应加热技术的发展，并且投入了大量的技术研究力量。
感应加热（如电磁炉），是利用高频电流在线圈作用下产生的高频磁场，当金属材料处于这种高频磁场时会产生涡流。
涡流与金属内的电阻相作用而产生热。
这就是感应加热的原量。
涡流存在于交变磁场中的金属材料这中。
你可以把金属材料想像成无数闭合的导体。
闭合导体在磁通量变化时会产生感应电流，这是物理常识。
感应加热电源具有污染小、效率高、加热快速、控制方便、生产安全等多方面的优点，在黑色金属热处理领域中被广泛应用。
基于感应加热电源的以上优点，感应加热热处理工艺正在被引入到有色金属热处理工业生产中去，但是又由于有色金属通常磁导率低不易被感应加热，所以在电源的设计方面又会出现一些问题。
感应加热基本原理感应加热原理是以焦耳定律和法拉第电磁感应定律为基础的。
放置于时变磁场中的导体，在法拉第电磁感应定律作用下，导体内将产生感应电动势，导体自由电子开始做定向运动产生感应电流，具有电阻性的导体通过感应电流后会产生热能而使其自身发热，根据焦耳定律可得：W 为导体产生热量，单位焦耳（J）；I 为导体流过有效电流强度，单位安培（A）；R 为导体电阻值，单位欧姆（Ω）；t 为电流流过导体时长，单位秒（s）。
根据法拉第电磁感应定律描述，当导体回路所包含截面区域内的磁通量发生变化，就会在导体闭合回路中产生感应电动势，进而产生感应电流，感应电动势可用公式表示为e 为导体闭合回路产生的感应电动势，单位伏特（V）；N 为导体绕组匝数，无单位量纲；∮为导体闭合回路截面的磁通量，单位为韦伯（Wb）；t 为时间，单位秒（s）。
当感应加热电源设备的感应线圈中通过交变电流1i 时，在线圈内会产生交变磁场。
而导体工件处于交变磁场中，可将工件看作为单匝线圈，根据法拉第电磁感应定律，在导体工件上会产生一个交变感应电动势，进而产生感应电流2i 。
高频感应加热设备原理
高频感应加热设备原理
高频感应加热设备是一种利用高频电磁场产生感应电流并通过电阻加热物体的装置。
它基于法拉第电磁感应定律，通过通过高频交流电产生的磁场穿透到工件中，使其表面产生涡流。
涡流在物体内部逐渐衰减，产生电阻热效应将工件加热。
具体来说，高频感应加热设备由三个主要组件构成：高频电源、感应加热线圈和工件。
首先，高频电源产生高频交流电，通常在工频的基础上经过变频调整至数十千赫兹至数兆赫兹的高频率。
这样的高频电源能够产生较强的磁场，用于穿透到感应加热线圈中。
感应加热线圈由大量绕组构成，通过高频电源提供的高频电流，形成变动的磁场。
由于线圈中的导线通电，会产生环绕绕组的磁场，而且这个磁场随着电流的改变而频繁翻转。
当感应加热线圈靠近工件时，线圈中的磁场会穿透到工件内部。
根据法拉第电磁感应定律，工件内部会产生感应电流。
这些感应电流会通过电阻加热效应，使工件本身发热。
感应加热的效果取决于多个因素，包括线圈的形状、材料、电流频率和工件的导电性等。
通过调整这些参数，可以实现对不同材料的加热。
高频感应加热设备主要应用于金属加热、熔化、热处理、焊接
和铸造等领域。
由于其高效、均匀、灵活的加热特性，越来越多的行业开始采用这种加热方法来提高生产效率和产品质量。
高频感应加热的原理
高频感应加热的原理及设备一、高频感应加热的原理感应加热是利用导体在高频磁场作用下产生的感应电流（涡流损耗）以及导体内磁场的作用（磁滞损耗）引起导体自身发热而进行加热的。
【当金属导体处在一个高频交变电场中，根据法拉第电磁感应定律，将在金属导体内产生感应电动势，由于导体的电阻很小，从而产生强大的感应电流。
由焦耳—楞次定律可知，交变磁场将使导体中电流趋向导体表面流通，引起集肤效应，舜间电流的密度与频率成正比，频率越高，感应电流密度集中于导体的表面，即集肤效应就越严重，有效的导电面积减少，电阻增大，从而使导体迅速升温】【高频感应加热的原理：导体有电流通过时，在其周围就同时产生磁场，高频电流流向被绕制成环状或其它形状的电感线圈（通常是用紫铜管制作）。
由此在线圈内产生极性瞬间变化的强磁束，将被加热的金属物质放置在感应线圈内，磁束就会贯通整个被加热物质，在被加热物质内部与加热电流相反的方向产生很大的涡流，由于被加热金属物质的电阻产生焦耳热，使金属物质自身的温度迅速上升，从而完成对金属工件的加热】二、感应加热系统的构成感应加热系统由高频电源(高频发生器)、导线、变压器、感应器组成。
其工作步骤是①由高频电源把普通电源（220v/50hz）变成高压高频低电流输出，（其频率的高低根据加热对象而定，就其包材而言，一般频率应在480kHZ左右。
）②通过变压器把高压、高频低电流变成低压高频大电流。
③感应器通过低压高频大电流后在感应器周围形成较强的高频磁场。
一般电流越大，磁场强度越高。
全晶体管高频感应加热设备1、高频感应加热设备现状高频感应加热设备在我省已得到广泛应用，设各频率范围在200-450 kHz,高频功率最大可达400 kW。
我省的高频感应加热设备主要应用于金属热处理、’淬火、透热、熔炼、钎焊、直缝钢管焊接、电真空器件去气加热、半导体材料炼制、塑料热合、烘烤和提纯等。
现在我省使用的高频感应加热设备都是以大功率真空管（发射电子管）为核心构成单级自激振荡器，把高压直流电能量转换成高频交流电能量，它们的电子管板极转换效率一般在 75环左右，设备的整机总效率一般在50绒以下，水和电能的消耗非常大。
串联谐振中频感应加热设备
串联谐振中频感应加热设备KGPS串联双供电、多供电中频设备（一拖二、一拖三或一拖四）是目前国际上技术最先进的中频感应加热设备，即使用一台双供电或多供电中频电源同时向两台或两台以上炉体供应电能，达到熔炼、保温或加热的目的，与普通并联中频设备一样，串联设备可应用于淬火、熔炼、透热等领域。
在设备的额定的功率范围内，可以任意的以任何比例向两个负载分配功率。
用于熔炼的一拖二设备，由于可同时进行熔炼和保温，所以可保证连续供应钢液的需要，设备具有较高的利用率。
图1-1一、串联谐振中频电源采用的整流器：图1-2采用可控硅全控整流桥，作用是把交流电能转换成直流电能，在串联谐振电源中，整流晶闸管在任何情况下工作始终是处于完全开放工作状态，所以保证了直流电压输出平稳，不会降低功率因数和增加谐波含量。
一般在功率较大时，可以采用双桥（12脉波）或四桥（24脉波）整流方式，抵消高次谐波。
二、串联谐振中频电源采用的逆变器：图1-3串联谐振也就是串联逆变，其标志是利用负载电路串联谐振的原理工作的逆变器。
串联逆变器工作时像并联逆变器一样，轮流触发可控硅使得负载得到中频电流。
在串联逆变电路中，负载流过的电流等于逆变输出电流，电流相对较小，基本上都是有功电流，而负载电压等于逆变的输出电压乘以品质因数Q，这就相当于在高压线路远距离传输的道理一样，因此线路损耗小，逆变电效率较高，可以达到96%左右，同时100%的电流流过负载线圈和逆变器。
串联谐振中频设备是靠控制逆变器的频率来调整输出功率，所以，频率的极小调整将带动功率的极大变化，因此设备的可以始终工作在稳定的状态。
三、串联双供电中频电源系统的优势：1.仅需一套高压线路及进线变压器，实现两台炉体同时工作；一台用于熔炼，一台用于保温；两台炉体之间功率可任意分配，温度易于控制，温控精度高，操作方便，故障率低。
2.串联双供电电源采用全控整流，但不靠调节整流器电压的高低来调整设备功率的大小，整流器工作时会完全处于全开放状态，因此设备的功率因数较高，产生的谐波含量在国家标准规定以内。
高频LLC负载匹配感应加热电源的研究
（ １ ２ ）
仿 真波 形 图如（ １ ） ～（ ３ ） 所 示： （ １ ） 输 出功率 Ｐ 与频率 珀勺 关 系图 （ 见 图１ ） 由图１ 可 知 ，在 逆 变 器 频 率 工 作 点ｆ ０ （ １ ０ ０ ＫＨ Ｚ ） 处输 出功 率 最 大 ，最 大为Ｐ ０ ＝ ５ Ｋ Ｗ。 ｆ ２ ） 电压 Ｕ ０ 与 电流ｉ Ｏ 的波 形 图 （ 见 图２ ） 从 图２ 可 以看 出Ｌ Ｌ Ｃ负载 工作 于 小感 性 状态 ，相位 角 约２ ５ 。接 近 由式（ ８ １ 计 算 的理论 值２ ６ ． ５ 。。
真 ，验证 了此 方法 有效 可行 。
【 关键词 】高频；感应加热电源；Ｌ Ｌ Ｃ 载；Ｄ Ｐ Ｌ Ｌ 控制策略 ｉ Ｈ
ｖ ｏ， ｏ
０ 引言
感应 加 热 电源 负载 呈现 阻感 特 性 ，Ｑ一般 较 高 。为提 高效 率 ， 输 出 额 定功 率 ，需 对 负载 进 行 匹配 。Ｌ Ｌ Ｃ负载 匹配 能实 现 电流变 换 ，可 替代变 压 器 匹配 ，有 利 于 电源 小 型化 ，经济 方便 ，功 率 因数 高，适 合高 频的感 应加 热场 合Ⅲ。
Ｅ Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ Ｒ ＯＮｌ Ｃ Ｓ Ｗ ＯＲ Ｌ Ｄ・
黼
高频Ｌ Ｌ Ｃ 负载匹配感应加热 电源 的研究
辽宁工业大学电子与信息工程学院 张 晴 孟丽囡 王慧宁
【 摘要 】高频化使感应加热电源对 负载要求更 高。变压器匹配效率低，体积大。本文采 Ｌ Ｌ Ｃ负载 匹配 ，体积 小，适合高频加热的场合。但 Ｌ Ｌ Ｃ负载参数 的确 定较 为困 难 。因此 分析 其特 性后 ，提 出了一种 Ｌ Ｌ Ｃ 参数 估 计的 方 法 ，此 方 法可 降低 损耗 。采 用ＤＰ Ｌ Ｌ 控帮 】 策略 ，对 电路 仿
串联谐振模式下介质阻挡放电动态负载及工作特性研究
损 电容 。气 隙击 穿 前 ， 效 于 介质 电容 和 气 隙 电容 等
的 串联 ， 而在气 隙击 穿 后 ， 隙 电压 近 似 为 恒定 ， 气 等 效 于介 质 电容及 一 个稳 压二 极管 的 串联 。图 １中 ］
１ 电源 工 作 原 理 及 Ｄ Ｄ负 载 等 效 电路 Ｂ
为获得 ＤＢ Ｄ装 置 正常 工作 所需 要 的交变 高压 ， 可 采用 已在 感应 加热 中广为应 用 的 串联或 并联 谐振
赵 卫 东 ， 忆昔 ，王 军 ，冉冬 立 ，郑 荣耀 蔡
（ 苏 大 学 汽 车 与 交 通 工 程 学 院 ，江 苏 镇 江 江 ２２１） １０ ３
摘 要 ：分析 了采 用 串联 谐 振 中频 逆 变 高 压 电 源供 电的 介 质 阻挡 放 电 装 置 的 工 作 原 理 及 其 负载 输 入 电压 的频 率 特 性 ， 对 其 动 态 负载 及 工 作 特 性 进 行 了试 验 研 究 。结 果 表 明 ： 并 负载 的 介 质 等 效 电容 随 着 放 电功 率 的 增 加 而 增 大 ，
气 隙等 效 电容 则 随放 电 功 率 的 增 加 而 减 小 ， 隙及 介 质 等 效 电 容 的 串联 值 随 放 电 功 率 的 变 化 较 小 ； 述 系 统 在 负 气 上
载 气 隙击 穿前 后 存 在 两 个 不 同的 谐 振 频 率 ， 系统 工 作 在 气 隙击 穿 前 的谐 振 频 率 放 电 最 易 启 动 ， 电 源 频 率接 近 气 而 隙 击 穿 后 的 回路 谐 振 频 率 时 有 利 于 系统 放 电功 率 的提 高 ， 介 质 阻挡 放 电 型低 温 等 离子 体 反 应 器 的 设 计 及 改 进 提 为
供 了理 论 及 试 验 依 据 。
动态负载匹配电路
（19）中华人民共和国国家知识产权局
（12）发明专利申请
（10）申请公布号
CN104852476A
（43）申请公布日 2015.08.19（21）申请号CN201510304173.7
（22）申请日2015.05.28
（71）申请人天津工业大学
地址300387 天津市西青区宾水西道399号
（72）发明人李阳;何亚伟;杨庆新;张献;薛明;张雅希;杨晓博
（74）专利代理机构
代理人
（51）Int.CI
权利要求说明书说明书幅图
（54）发明名称
动态负载匹配电路
（57）摘要
本发明是一种应用于移动机器人无线供电
的动态负载匹配电路的设计，针对移动机器人无
线供电要求，考虑负载变化范围和速度，电路拓
扑结构采用“广义π+Γ网络”，即固定结构的
π网络和由L电感组、C1电容组、C2电容组3
个可调网络组成一个可通过电容电感投切实现的
π网络与Γ网络可相互转换、参数任意可调的
匹配网络。
该系统结构简单，可靠性高，具有巨
大的应用前景。
法律状态
法律状态公告日法律状态信息法律状态
2015-08-19公开公开
2015-08-19公开公开
2016-09-21实质审查的生效实质审查的生效
2016-09-21实质审查的生效实质审查的生效
2019-11-29发明专利申请公布后的驳回发明专利申请公布后的驳回
权利要求说明书动态负载匹配电路的权利要求说明书内容是....请下载后查看
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感应加热过程调频锁相-移相调功复合控制
!计算机测量与控制!"#"$!$%!&"!!"#$%&'()'*+%('#',&-!",&(".!#%,&!#收稿日期 "#""%%",$!修回日期"#""%""'%基金项目 国家自然科学基金面上项目!'%'*$#*%"$辽宁省教育厅科学技术研究重点攻关项目!B E "#%)##%"$"#"#年度辽宁省高等学校创新人才项目%作者简介 于占东!%)*'"&男&吉林德惠人&工学博士&教授&主要从事电力电子技术*复杂系统控制和鲁棒控制等方向的研究%引用格式 于占东&王千旗&陈!勇&等!感应加热过程调频锁相5移相调功复合控制'+(!计算机测量与控制&"#"$&$%!&")%,&%($&%*(!文章编号 %'*%,()& "#"$ #&#%,&#'!!-./ %#!%'("' 0!1234!%%5,*'" 67!"#"$!#&!#"$!!中图分类号 8c "*$;$!!文献标识码 :感应加热过程调频锁相5移相调功复合控制于占东 王千旗 陈!勇 付!莹!渤海大学控制科学与工程学院&辽宁锦州!%"%#%$"摘要 串联谐振感应加热过程包括调频锁相和移相调功两个控制环节&二者具有较强的非线性和耦合性$在分析逆变频率*输出功率同锁相角*移相角关系的基础上&提出了基于频率分离原理的调频锁相5移相调功复合控制方案&将锁相5调功过程分解为快5慢子系统&并对两个过程分别设计了具有鲁棒稳定性的锁相控制器和移相控制器&解决了感应加热电源的调频锁相5移相调功环节的协调控制问题$将调频锁相5移相调功复合控制方案应用于额定功率"#3Y &输出电流,#:的超音频串联谐振感应电源中&验证了该控制方案在确保逆变过程开关器件安全可靠的同时&提高了功率输出的效率$在保证了调功灵活性的同时&又实现了电源的阻抗自匹配%关键词 感应加热$调频锁相$移相调功$频率分离$鲁棒稳定性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引言感应加热利用电磁感应原理&使材料的内部形成涡流&产生焦耳热&由于其具有加热效率高*速度快*可控性好的特点&被广泛应用于工业生产'%"(%感应加热要求控制系统自动根据槽路参数及物料变化调整逆变频率&使其处于准谐振状态&确保系统具有较高的功率因数'$(%该过程属于感应加热频率跟踪控制范畴&其实质是调频锁相控制&即通过锁相闭环&确保逆变系统电压电流的相位差不受槽路参数和物态变化的影响%其外在表现是)逆变系统能够对槽路谐振频率的变化进行自动跟踪%感应电源还需根据加热工艺要求&调整输出电流&进而方便前级温控系统灵活操控加热功率',(%对于全桥逆变电路&调功过程可通过移相控制实现&即通过改变逆变电压波形的移相角&进而调整逆变电压有效值&实现电流反馈&确保系统以期望功率稳定运行%调频锁相和移相调功两个过程相互影响&密切相关'((%一方面调频锁相过程改变了逆变频率&从而使感应加热的渗透深度发生变化&改变槽路谐振状态&进而影响感应加热输出功率$另一方面&移相调功过程改变了逆变电压上升沿的相位&使逆变电压基波分量和逆变电流相位差发生改变&进而造成了锁相角的变化%因此&有必要设计调频5移相复合控制方案&协调感应加热控制过程%文献'$&'*(研究了感应加热电源频率跟踪技术&!投稿网址 V V V!0Q 01O T3\!1I M Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第&期于占东&等)感应加热过程调频锁相5""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""移相调功复合控制#%,)!#采用基于<-,#,'的锁相环!c B B "技术&实现了逆变电源系统对谐振槽路的频率跟踪&但没有涉及功率调整*负载匹配相关问题的分析%文献',(和文献'&(分别从c -R U c [R 复合功率控制角度&以及阻抗匹配角度&讨论感应加热电源调功问题&但对调功过程中的频率跟踪问题讨论较少%文献'((提出了基于直流母线电流极性平均值的频率跟踪及功率控制方法&该方法通过周期性使移相角为零&实现频率跟踪&利用在频率跟踪完成的情况下&调整移相角实现功率控制%该方法可以实现完全谐振&但是没有考虑谐振软开关对臂内换流时间的要求%文献')(针对并联谐振型感应加热系统&仅从算法设计角度&提出了一种:@X /[和c /-复合控制器&对感应加热过程和电气特性分析较少%文献'%#(从计算机控制角度&给出了基于系统集成单片机的感应加热谐振频率跟踪控制方案%本文针对感应加热调频锁相5移相调功过程&提出了频率分离控制的方案&将系统分解为快5慢子系统&针对快变化的调频锁相过程&设计了数字锁相控制器&针对慢变化的移相调功过程&设计了电流环调节器&控制器设计过程充分考虑系统的相互耦合和不确定因素对系统的影响&保证了系统的鲁棒稳定性%对感应加热调频5移相过程进行了实验研究&验证了该方案的有效性和可行性%=!系统工作过程串联谐振逆变系统的主回路如图%所示%主回路整流部分采用$&#b :<三相不控整流&逆变部分采用全桥逆变电路'%%(%/9P 8半桥模块:!b 8%和b 8""和P !b 8$和b 8,"分别构成逆变的两个桥臂%b -%5,为模块内部反并联续流二极管&+%5,为结间电容%谐振槽路在逆变侧可等效为两个桥臂中点A *J 之间的^B <串联谐振电路%K 为加热系统等效电阻&F 为加热系统等效电感&+为谐振补偿电容%系统的额定输出功率为"#3Y &在逆变频率为%(3C \情况下&线圈物料系统归算到逆变侧的标称值为)K g &;*##&F g ($#;&#!C &谐振补偿电容为)+g#;""!X &耐压值为$###b :<%图%!主回路结构图需要说明的是&系统谐振槽路参数是动态的&随工作频率*加热温度*材料特性的变化而改变%当工作频率大于谐振频率时&槽路负载呈感性&工作频率小于谐振频率时&负载呈容性状态%温度的变化会影响到铁磁材料磁导率&特别是当材料温度大于铁磁材料居里温度时&材料磁导率会急剧降低&槽路的等效阻抗减小%控制器设计需要充分考虑参数摄动对系统稳定性的影响%串联谐振逆变过程如图"所示'%"(%利用处理器的中心对称定时模式&根据逆变频率/&将定时周期设为"<%选取三角波的中点<#g <+"&在<#附近&选取"个比较值<#5$和<#i $%其中&<#i $的值对应A 桥臂开关器件b 8%和b 8"&<#5$的值对应J 桥臂开关器件b 8$和b 8,%为了防止上下桥臂同时导通&设定死区时间1#%b 8%与b 8,的上升沿存在相位差4&称4是逆变系统的移相角%在处理器中改变中心对称定时器的周期设定&可以控制逆变频率/&通过控制$可以改变移相角4%图"!感应加热逆变过程波形由图"可知&谐振槽路电压T :P 为具有4移相角的方波&T :P %为T :P 基波分量的有效值)T :P %6槡""T -<'#1I Q 4!""!%"!!调整移相角4可改变T :P 的有效值&进而控制输出功率%因此选择移相角4作为功率调节的操作量%B :P 为谐振槽路的电流波形&(是B :P 滞后T :P 的相位%串联谐振软开关需要B :P 滞后T :P 一定相位&以满足臂内换流时间要求&确保逆变过程中开关器件安全地切换%由于臂内换流时间较短&所以(的值不宜过大%感应加热过程中&槽路谐振频率随物料状态的变化而改变&因此需要锁相闭环控制以保持(角的稳定&称(为锁相角%如图"可知&在逆变频率/已知的情况下&(可以通过测量b 8%的上升沿与B :P 过零点的时间差获得%系统的功率因数角为T :P %与B :P 的相位差&其稳态值由谐振槽路电压5电流传递函数相频特性决定%如图"可知&功率因数角与#;(倍移相角4之差&即是锁相角()(6H 16A "'/F 7%"'/!"++'(K 74"!""!投稿网址 V V V!0Q 01O T3\!1I M Copyright ©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$%""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#%(#!#!!式!""的第%项是系统功率因数角&/为逆变频率%功率因数角与逆变频率和槽路参数有关%在槽路电感F 发生摄动时&功率因数角及其相对频率变化的增益如图$!"*!W"所示%图$!感应加热系统操作量与被控量的关系当移相角4变化速率较慢时&可通过调整逆变频率/&实现锁相角(的控制%图$!W "表示功率因数角相对于逆变频率/的增益%当频率在%#""(3C \围内&考虑电感F 摄动的情况下&调频控制对象的增益记为)<>(+>/<&其变化范围是"",(S G A+3C \%系统的有功功率可根据槽路的基波电压和槽路电流确定&有)9:P 6"T "-<'"K'1I Q !(M 4"M 1I Q !("("!$"!!对于电压源逆变系统&直流母线电压T -<近似为常数&直流母线电流B -<为)B -<6"T -<'"K '1I Q !(M 4"M 1I Q !("("!,"!!因此&调功过程可通过控制直流母线电流的方式间接实现&具体的操纵量为移相角4%直流母线电流B -<可通过霍尔传感器Z %获取%移相调功过程通常在锁相角(一定的前提下完成%图$!1"*!S "为不同锁相角(条件下&B -<与移相角4的关系%移相控制的相对增益<>B -<+>4<的变化范围是)#;%"#;((:+S G A%!控制系统结构安全高效的感应加热电源&要求控制系统自动根据槽路参数及物态变化调整频率输出&使系统保持在准谐振状态%同时&系统还需根据加热工艺要求&调整电源输出电流&灵活控制功率输出'%$(%两个过程相辅相成&需要协调工作'%,(%因此感应加热控制系统应包括调频锁相和移相调功两个控制环节&具体结构如图,所示%调频锁相控制通过调整系统的逆变频率/&使锁相角(稳定在期望值附近&进而保持谐振槽路在弱感性的准谐振图,!感应加热调频锁相5移相调功控制系统结构状态安全稳定运行%特别是&当槽路参数发生变化&谐振频率发生偏移时&系统逆变频率也要做相应的调整%因此&调频锁相控制的外在表现是逆变系统能够对槽路参数变化带来的谐振频率的改变进行自动跟踪&其具体实现方式是将逆变频率/作为操作量&控制式!""中的锁相角(%移相调功控制是通过调整移相角4&改变槽路电压T :P 的有效值&最终实现调节系统输出功率的目的%对于电压源逆变系统&直流母线电压T -<近似为常数&控制直流母线电流B -<即可等效为控制系统输出功率%移相控制的实现方式是将移相角4作为操作量&对式!,"中的B -<进行电流闭环控制%移相过程采用闭环反馈控制的原因有二)%"负载阻抗自匹配的要求%当负载阻抗较小&工作电流大于设定的额定电流时&系统需要切换为电流源工作模式&移相控制器可使移相角4增加&保证感应电源恒流输出$反之当系统负载阻抗较高&移相控制器可将移相角调节到#&此时系统移相闭环电流控制失效&系统切换为电压源控制模式%因此&在移相闭环控制模式下&感应电源在一定程度上&使系统输出电流保持在额定范围以内&实现了阻抗自匹配%""稳定功率输出的要求%由式!,"可知&直流电流B -<间接体现系统输出功率&引入负反馈后&可以实现系统功率的稳定输出&进而对上级温控单元灵活操控系统加热温度十分有利%感应加热调频*移相控制过程相互影响密切相关&其控制的复杂性主要体现在如下,个方面)%"非线性%由式!""可知&锁相角(与逆变频率/之间存在较强的非线性$由式!,"可知&系统的直流母线电流B -<是移相角4和锁相角(的非线性函数%""参数时变性%在式!""*!,"中&槽路的等效电阻K *等效电感F &与感应加热线圈外形尺寸*线圈匝数*被加热物料外形尺寸*物料的电阻率*相对磁导率*加热频率*温度等因素相关%$"耦合性%由式!""可知&当采用逆变频率/作为操作量控制锁相角(时&会受到移相角4变化的影响$同样&由!,"式可知&移相角4调节B -<电流输出的过程中&会受到锁相角(变化的干扰%,"被忽略的动态过程'%(%'(%由!""可知&锁相角(是!投稿网址 V V V!0Q 01O T3\!1I M Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第&期于占东&等)感应加热过程调频锁相5""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""移相调功复合控制#%(%!#基波功率因数角与#;(倍移相角4的差&功率因数角表征谐振槽路电压基波分量与电流的相位差&属于槽路的相频特性&是稳态参数&因此!""仅是锁相过程控制关系的稳态描述%其动态过程由槽路^B <网络传递函数的特征多项式的极点决定&即与^B <网络谐振频率有关%由式!,"可知&系统的直流电流B -<通过系统基波电压有效值T :P %及有功功率9:P 的关系得到%有效值在数学上是均方根的概念%因此&在某种意义上&移相调节电流的动态过程被式!,"忽略%("处理器采样控制时延%采用处理器进行闭环控制时&都存在采样时间延迟%本系统处理器采样时间为"M Q &但是处理器的采样时间因可能被更高优先级事件中断而产生摄动%采样过程的时延也是控制器带宽设计需要考虑的因素%@!控制器设计@>=!频率分离原理根据上节分析可知&感应加热调频锁相5移相调功存在非线性耦合和参数时变&同时建模过程中也忽略了一些动态&因此在设计控制器时&即需考虑被控对象输入5输出增益的非线性关系&又要考虑操作量与控制量之间的耦合$在考虑参数时变性的同时&又要考虑过程动态可以忽略的条件&被控对象可用式!""*!,"进行描述的频率特性方面的要求%此外&还需兼顾控制算法的易实现性'%*(%为降低控制器设计的复杂性&考虑采用频率分离控制原理'%&(&将调频锁相5移相调功过程分解为快5慢子系统&对分解后的子系统再进行鲁棒控制器设计%频率分离控制将多输入多输出耦合系统&按不同时间尺度分解成工作频段相对独立的子系统&在此基础上的控制系统设计问题会得到简化%调频锁相控制使负载保持准谐振状态&是感应加热电源正常工作的前提&因此将调频控制环节设计为快系统$移相调功控制的目的是调整负载阻抗&并获得稳定输出功率%加热工艺对调功过程的响应速率的要求不高&可以将调功过程设计为慢系统%针对快系统设计调频控制器时&慢系统的移相角4在该时间尺度下来不及变化&可视为常数$针对慢系统设计移相控制器时&可认为快系统的调频动态已经结束&系统的逆变频率/以及锁相角(保持不变%依据频率分离原则进行规划后&系统状态的耦合程度明显降低&对象模型及控制器设计都获得很大程度的简化%@>?!不确定性分析频率分离原则下&调频控制对象可近似为具有可变增益的二阶滞后系统)O %!2"69(+9/2"F +M 2K +M %.712!("!!其中)<>(+>/<0!"&,("a %#5$S G A +C \为可变增益&二阶系统参数由^B <网络传递函数的特征多项式决定%槽路电感F 存在!#;("%"倍摄动%系统的滞后与控制器采样时间等因素有关&取1g ""$M Q %移相控制对象也可近似为变增益的二阶滞后系统)O "!2"69B -<+942"F +M 2K +M %.712!'"!!其中)<>B -<+>4<!#;%&#;((":+S G A 为可变增益$二阶系统参数由^B <传递函数的特征多项式决定$电感摄动*采样时间等参数与调频对象相同%考虑对象的摄动具有乘性相对不确定'%'(&可表示为)$'!2"6'O #'!2"7O '!2"(O 7%#'!2"!*"!!其中)O '!2"&'g %&"&分别表示调频控制对象!("和移相控制对象!'"&O #'!2"&'g %&"分别表示调频对象和移相对象的标称模型&标称模型的参数选为K g &;*##&F g ($#;&#!C &+g#;""!X %滞后环节采用二阶c ?S p 近似&滞后时间标称值选1g "M Q %调频增益<>(+>/<的标称值选为,,a %#5$S G A +C \&移相增益<>B -<+>4<标称值选为#;(:+S G A%根据可变增益*槽路参数摄动范围&根据乘性不确定性式!*"&可求出调频控制对象!("及移相控制对象!'"的相对不确定性如图(*'所示%其中&调频*移相控制对象的相对不确定性的界函数分别为)1M %!2"和1M "!2")1M %!2"6#;##"%""2M %#;###$*&)2M %&1M "!2"6#;##$%&$2M %#;###,%&&2M %!&"!!由图(可知&1M %!2"的转折频率分别为)*(C \和,"#C \$由图'可知&1M "!2"转折频率为的(#C \和$&#C \%图(!调频对象的相对不确定性及界函数图'!移相对象的相对不确定性及界函数不确定界函数在鲁棒控制设计中具有非常重要的意义&如果能设计控制器使处于界函数的对象稳定&则该控制器可以使任意处于界函数以内的对象保持稳定&即使该对象!投稿网址 V V V!0Q 01O T3\!1I M Copyright ©博看网. All Rights Reserved.!!计算机测量与控制!第$%""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""卷#%("!#在界函数以内摄动%@>@!鲁棒控制器设计对于调频对象的标称模型O #%!2"&O +%!2"为相应的调频控制器&对于移相对象的标称模型O #"!2"&O +"!2"为相应的移相控制器&系统的鲁棒稳定性条件要求'%)"#(如下)N <'!2"N 6O #'!2"O S '!2"%M O #'!2"O S '!2".%1('!2"&'6%&"!)"式中&<'!2"为相应标称系统的闭环传递函数&1M %和1M "是相应对象不确定性的界函数%式!)"的鲁棒稳定性条件可用图*表示%图中闭环传递函数的幅频特性需要低于1M 25%!2"&才可满足鲁棒稳定性条件&才会保证闭环系统是稳定的%也就是说&考虑系统相对不确定摄动的界函数的前提下&按图*鲁棒稳定性的要求&针对标称对象设计的系统控制器&应用于实际中时&在参数摄动情况下&系统仍是稳定的%图*!鲁棒稳定性分析由式!)"可知&在1M 2!2"N %的频段&有<O #'!2"O 12!2"<O %成立&则式!)"可写成)N F '!2"N 6N O #'!2"O 12!2"N .17%M 2!2"&'6%&"!%#"!!其中)F '!2"为相应系统的开环传递函数%根据鲁棒稳定性原则&在1M 2!2"N %的频段&调频系统的开环传递函数F %!2"的最大奇异值L "!F %!2""要低于相应的不确定性所规定的界限%+1M %&因此调频系统开环的带宽不应高于*(C \&不妨取'#C \%调频对象模型!("为#型系统&根据内模控制设计原则'%'(&调频系统开环传函应至少有一个积分环节&才可以实现对阶跃型输入指令的无稳态误差的跟踪&因此考虑采用c /型控制器)O S %!2"6%8M%4%2!%%"!!调频系统的开环传函O S %!2"O #%!2"&调频系统的剪切频率选为'#C \%同样根据鲁棒稳定性的要求&c /调节器的转折频率应大于1(%!>0"在高频段的转折频率,"#C \&选择c /调节器!%%"的转折频率为)&##C \%因此&调频系统的剪切角频率为)0S %6%4%#(0)!9(+9/"6"'C '#!H ?S +Q "!%""!!可求出)%4%6&$*&&%8%6%;''*%设计移相闭环时&根据内模控制原则&校正控制单元也采用c /调节器%系统带宽除了要考虑鲁棒稳定性原则外&还需考虑频率分离控制原则&即移相系统带宽为调频系统带宽的%+%#"%+(%综合上述因素&选取移相系统的剪切频率为'C \&c /调节器的转折频率选为'##C \!#$&#C \"&有)O S "!2"6%8"M %4"2!%$"!!其中)%4"6'&;(,&%8"6#;#""%在实际应用过程中&需要加热电源调功过程柔性化&以防止功率调整过快对电力电子器件产生电冲击&以及由于升温过快对坩埚造成的热冲击%为此&将移相调功系统设计成二自由度控制模式&即在设计!%$"式串联校正的基础上&还需设计电流指令的前置滤波环节O /!2"&具体结构见图,%移相闭环的电流指令通常由温控仪表输入&温控表自身的时间常数为秒级&因此电流指令滤波时间常数设定为#;(Q&前置滤波器采用%阶惯性环节)O /!2"6%#;(2M %!%%"A !实验结果将调频锁相5移相调功复合控制方案应用于"#3Y 超音频串联谐振感应电源中%电源直流母线额定电流,#:%系统功率器件采用短拖尾型/9P 8模块)X X $##^%"f [,&处理器采用英飞凌e K %',X @%闭环控制的采样时间设置为"M Q %处理器以&M Q 的采样速率对调频5移相过程的逆变频率*锁相角*移相角*直流母线电流等过程数据进行采集&得到复合控制的动态过程如图&")所示%图&!调频锁相动态过程图&为调频锁相控制动态过程%&g #"#;&Q 为电源系统的启动过程)开始阶段&系统的逆变频率J 和移相角)调整到最大&系统调频锁相控制开环&频率跟踪处于他激状态%在&g#;&Q 时&电流指令B $-<设为额定电流的&#d !$":"&同时调频锁相闭环接入&系统频率跟踪处于自激状态&系统的锁相角(设为(m %频率跟踪的过程较快&系统在&g %Q时完成了锁相&而移相控制由于电流指令滤波及移相闭环带宽等原因&响应较慢&在&g"Q 时完成了启动&系统电流达到$":%为进一步验证锁相过程的动态&在&g ';&Q 时&将锁!投稿网址 V V V!0Q 01O T3\!1I M Copyright ©博看网. 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高频感应加热电源自动负载匹配技术应用简析
高频感应加热电源自动负载匹配技术应用简析
在串联型的高频感应加热电源新产品研发过程中，工程师常常会运用自动负载匹配技术，进行噪音控制和效率提升辅助。
在今天的文章中，我们将会就这种感应加热电源的自动负载匹配技术的实际应用，展开简要分析和介绍，希望能够对各位新人工程师的产品研发和设计工作带来帮助。
在本方案中，我们以平时比较常见的串联型固态高频感应加热电源为例，来展开自动负载匹配技术的简析。
这种高频感应加热电源的主要驱动部分，是一种典型的单相电压型谐振逆变器，其原理图和输出电压、电流波形如下图图1所示。
图1 串联型固态高频电源原理图及工作波形
从上图图1中我们可以看打破，在实际应用过程中，这种串联型固态高频感应加热电源的工作频率取决于谐振槽路的固有谐振频率。
其最佳的工作状态为零电压换流模式（ZVS），可通过定角控制锁相电路来实现。
在这种串联型通态高频感应加热电源的研发过程中，想要实现自动负载匹配，就需要我们合理利用脉宽移相控制技术进行电源功率调节，使其一直保持在最佳的ZVS状态下进行工作。
这种技术结合了PWM和PS的优点，在应用中不仅可以实现负载匹配，而且能够有效电源运行的稳定性和安全性。
对于如图1所示的逆变器结构来说，当不采用脉宽移相时，VQ1、VQ3的触发脉冲完全相同，VQ2、VQ4的也完全相同，两组脉冲在相位上互差1800，逆变器输出电压uH为占空比D=50%的方波。
如果将VQ1，VQ4作为定桥臂，将VQ2，VQ3构成的动态桥臂的触发脉冲后移，这时uH将变为D下图。
高频串联谐振型逆变器的相关参数说明
1.引言串联型固态感应加热电源凭借起动容易、易高频化的优点在高频感应加热领域得到广泛应用。
为保证逆变器安全工作和提高工作效率，串联型逆变器一般工作在感性准谐振状态。
串联谐振逆变器采用传统的锁相环控制，虽然可以实现逆变器的感性工作状态，但负载功率因数角会随着负载大小发生变化，无法实现精确的定角控制。
所谓定角控制是指逆变器运行过程中保持功率因数角恒定，且不受负载参数变化影响，从而确保逆变电源安全、稳定、高效地工作。
本文从定角控制角度对串联型逆变器控制方法进行了研究，提出了一种按负载电流扰动大小实现相位补偿的复合控制方法。
2.锁相环控制方法2.1 锁相环控制方法分析逆变器传统控制方法一般采用锁相环(PLL)电路。
它主要由鉴相器(PD)、压控振荡器(VCO)和外接低通滤波器(LPF)组成。
锁相环是一个相位误差控制系统，它通过比较输入信号(控制信号)和压控振荡器输出信号(被控制信号)之间的相位差来调节其输出频率，从而达到锁相环路输入输出信号同频的目的。
如果鉴相器和滤波参数选择适当，锁相环还可以实现无相差锁频。
串联型逆变器传统控制采用锁相环的目的是利用锁相环频率自动跟踪功能实现对负载电压、电流的频率和相位关系的控制，使逆变器工作在感性准谐振状态。
传统控制系统框图如图1。
串联型逆变器传统控制电路的输入信号一般取代表负载谐振频率、相位的负载电流信号IH。
压控振荡器的输出信号Vf 经过死区形成电路和隔离驱动电路后，通过控制功率开关器件的开通与关断来控制负载电压的频率与相位，使负载电压的频率和相位跟随负载电流的频率和相位变化。
由于电流采样、隔离驱动、逆变功率开关器件的开通与关断都需要时间，导致锁相环输入输出信号的相位关系并不代表负载电压电流的相位关系，需加入相位补偿环节，分析如图2 所示IH为主电路中负载电流波形，IH1为由电流互感器取出的负载电流信号，由于电流互感器原边与副边信号间存在延时△t1，则IH1滞后IH的时间为△t1。
高频感应加热炉操作规程
高频感应加热炉操作规程1主要技术参数2操作规程2.1使用前准备工作2.1.1检查水箱内冷却水是否充足、水质是否干净。
2.1.2检查各接头是否牢固。
2.1.3感应圈固定是否牢固、脚踏开关工作是否灵敏。
2.1.4各电源线、仪表、旋钮等电器元件是否完好。
2.2操作规程2.2.1合上总电源开关，电源指示灯亮绿灯。
2.2.2打开冷却循环水开关，循环水泵开始工作，等待出水口有水流出，按下电源按钮几秒后交流接触器吸合。
2.2.3调整感应圈的位置，将被加热工件放入感应圈中。
2.2.4按下“启动”按钮，工作指示灯闪亮，设备开始工作，对工件进行加热。
2.2.5观察工件加热情况，并调节“加热设定调节旋钮”以改变加热速度。
2.2.6操作方式有“自动/手动”两种控制方式，“手动”用于试验生产，“自动”用于正常生产。
2.2.7选择自动模式：首先把“定时器开关”拨到“启用”位置，按下“定时启动”按钮，即设备按照设定的时间开始对钢箍加热（设定时间为S代表秒、M代表分，H代表小时）；到达设定的时间，设备自动停止加热，即完成一次加热过程。
再踏一下“脚踏开关”，设备重新按设定时间加热。
（如需及时停止时按下“定时停止”按钮即可；选择手动时把“定时器开关”拨到“停止”位置。
）2.2.8选择手动模式：首先按下“启动”按钮，设备开始工作，对钢箍进行加热；其次根据需要待被钢箍加热到一定程度后按下“停止”按钮，设备停止工作；即完成一次加热过程。
2.3关机规程待出水口水温变凉后，关闭外部380V电源，关闭循环水开关。
3维护规程3.1机器内有高压，非专业维修人员严禁私自维修设备。
3.2检修设备时必须落闸上锁，非专业维修电工严禁检修线路。
3.3每班开机前检查设备周围地面是否干燥，特别是操作者作业位置地面。
3.4每班检查压紧螺母是否缺失或松动。
3.5每班循环水管接头处是否密封。
3.6每班检查水源清洁（应目测无杂质、清澈），以免阻塞冷却管道。
3.7每班检查冷却水箱内水位距出水口距离（≤10厘米）。
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１引言
固态感应加热电源已在金属熔炼、透热、淬火、 热处理、焊接等行业得到了广泛应用［１］。所谓负载阻
抗匹配就是为了使电源输出额定功率，即保证器件
在安全电压和安全电流下工作所输出的最大功率，
而采取的使负载阻抗等于电源额定阻抗的措施。若
电源与负载不匹配，即电压达不到额定电压或电流
达不到额定电流时，电源利用率会降低。由于感应加
Ｈｉｇｈ－ｆｒ ｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｌｏａｄ Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ
ＬＩＵ Ｙｏｎｇ－ｆｅｎｇ，ＰＥＮＦ Ｙｏｎｇ－ｌｏｎｇ
（Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅｎ ｆｏｃｕｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙ－ ｓｉｓ ａｎｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｓ ａｎｄ ｃｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｗｉｔｈ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｙ－ ｎａｍｉｃ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ，ａ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｓ ｍａｄｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｄｅｄ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ：ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ；ｃｏｎｔｒｏｌ ／ ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ＨＦ；ｌｏａｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ；ｐｌｕｓｅ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ
３４
６结论
对用于动态负载匹配中的屏蔽脉冲方法进行了 详细的论述分析，并给出了各种实现方法的实验波 形。该动态匹配的方法要求在最初设计匹配变压器 时，就使电源处于重载匹配状态下，这样才可以实现 动态匹配，如果在轻载状态下运行，则不可能实现动 态匹配。与静态匹配相比，该动态匹配方案有一个最 大的优点，即它总是能保证电源处在最优匹配状态 的范围之内，在技术上有较大的优越性。
＋
１ Ｃ
ｉｃｄｔ＋Ｒｉｃ＝ｕＡＢ
（１）
定稿日期： ２００７－ １０－ １６ 作 者 简 介 ： 刘 永 丰 （ １９７９－ ） ， 男 ， 河 北 保 定 人 ， 硕 士 研 究
生， 研究方向为大功率高频感应加热装置的 负载匹配。
τ＝ ２Ｌ ＝ ２Ｑ Ｒ ωｒ
ｉｃ＝ｉＥ（ｔ）ｓｉｎωｔ
（２） （３）
过蔽掉一个周波的
脉冲。在屏蔽脉冲的过程中，应该从脉冲上升沿到来
前发出屏蔽脉冲信号，而不是在任意时刻屏蔽。如果
在任意时刻屏蔽触发脉冲，则会增加器件的开关损
耗，这样对器件不利，会减少器件的使用寿命。
在脉冲屏蔽过程中有两种实现方法。方法①在
方法②的正常导通模式见图 ４ａ，ｂ；接收到屏蔽 脉冲命令时，进入第一种工作模式，见图 ４ｃ，ｄ，经过 一个周波的时间又恢复到正常的导通模式。当再次 接收到屏蔽脉冲信号时，开始进入第二种工作模式， 见图 ４ｅ，ｆ，经过一个周波的时间又恢复到正常工作 模式。当屏蔽脉冲命令到来时第一种工作模式与第 二种工作模式交替进行。方法①将所有的脉冲全部 丢掉，不再补加任何脉冲，该方法控制简单；方法② 全部靠续流二极管给电流提供一个自由通路，虽减 少了管子的开关损耗，但它将屏蔽掉脉冲时刻的能 量返还给了直流电源，给直流侧的滤波电容充电，增 加了滤波电容的负担，同时其电流值会急速衰减。方 法②中丢掉 １ 组脉冲，补充 １ 个脉冲，负载两端的电 位靠续流二极管与导通的 ＭＯＳＦＥＴ 管将电位箝到 同一电位，使负载两端的电位差为零，振荡回路进 入自由阻尼振荡状态。每组管子可轮流导通，每屏 蔽２ 次脉冲，被屏蔽的桥臂轮换 １ 次，即可减少每个 桥臂上管子的开通次数，减少了管子的开关损耗。
第 ４２ 卷第 ３ 期 ２００８ 年 ３ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２， Ｎｏ．３ Ｍａｒｃｈ， ２００８
串联型高频感应加热装置的动态负载匹配
刘永丰， 彭咏龙 （华北电力大学，河北 保定 ０７１００３）
摘 要 ：详细分析了固态高频感应加热装置的动态负载匹配方案；阐述了动态匹配的原理；描述了动态匹配的控制电
参考文献
［１］ 潘天明，现代感应加热装置［Ｍ］．北京：冶金工业出版社， １９９６．
［２］ 吴兆麟，袁俊国，于 非．高频感应加热装置的负载匹配 方法［Ｊ］，电力电子技术，１９９９，３３（４）：２８－ ３２．
［３］ 朱晓荣，彭咏龙，石新春，等．２００ｋＷ／４００ｋＨｚ 固态感应加 热电源［Ｊ］．电力电子技术，２００６，４０（６）：６７－ ６９．
１－ ｅ τ
（４） （５） （６）
式中：Ｉ! 为不丢脉冲时谐振槽路的峰值电流；ＩＥ（０）为丢脉冲时
谐振槽路的最小峰值电流；Ｔ 为丢脉冲的计算周期；Ｔｏｎ 为周
期中没有丢的脉冲所占的时间。
丢脉冲后的等效电阻 Ｒ＝ｕＡＢ ／ｉｃ。
３ 动态负载匹配的控制原理
根据上述原理进行负载的动态匹配。采用脉冲
屏蔽技术，在此过程中不是任意屏蔽掉脉冲，而是通
屏蔽信号到来时，将一个周期中的控制脉冲全部屏
蔽掉，不进行任何脉冲补充，其控制波形见图 １ａ；
方法②在屏蔽信号到来时，将一个周期中的控制脉
冲全部屏蔽掉，再对其进行相应的补充，其控制波形
见图 １ｂ。
３３
第 ４２ 卷第 ３ 期 ２００８ 年 ３ 月
电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
Ｖｏｌ．４２， Ｎｏ．３ Ｍａｒｃｈ， ２００８
４ 电压型电路动态匹配方案分析
感应加热系统的原理如图 ２ 所示。
对于方法①，正常导通模式见图 ３ａ，ｂ，接收到 屏蔽脉冲的命令时，开始进入到方法①的屏蔽脉冲 模式，其工作模式见图 ３ｃ，ｄ。
５ 实验结果
根据上述理论，制作出了一台 １００ ｋＷ，４００ ｋＨｚ 的样机，该样机的最优匹配状态是直流侧 ４００ Ｖ， ２５０ Ａ，等效阻抗值为 Ｒ＝１．６ Ω。在采取丢脉冲控制 时，直流侧是 ２５０ Ｖ，２５０ Ａ，等效阻抗值 Ｒ＝１ Ω，实验 波形见图 ５ａ。采用第一种屏蔽脉冲的方法进行控制 时，每 ８ 组脉冲屏蔽掉 １ 组，此时直流侧是 ４００ Ｖ， ２４０ Ａ，等效阻抗值 Ｒ＝１．６７ Ω，实验波形见图 ５ｂ。由 此可知，该方法完全可以达到动态匹配的效果。
路。重点论述了动态匹配的两种实现方案，分析了它们的优缺点，并分别给出仿真波形。最后根据动态匹配的第一种
方案制作出一台样机进行实验，实验结果完全达到预定效果。
关键词：感应加热；控制 ／ 固态高频；负载匹配；脉冲屏蔽
中图分类号： ＴＭ９２４．５
文献标识码： Ａ
文章编号： １０００－ １００Ｘ（２００８）０３－ ００３３－ ０２
热电源工作在高频状态，故研究感应加热电源的负
载匹配对提高电源效率和安全性有很大的意义［２－ ４］。
在此主要研究了脉冲屏蔽技术在电压型感应加
热装置中的应用，采用闭环控制方法对其进行控制。
同时对两种不同屏蔽方案的利弊进行了比较分析。
２ 动态负载匹配的原理
动态负载匹配靠脉冲屏蔽技术实现，而该技术
主要适用于负载过重的情况。脉冲屏蔽技术调节
式中：ｉｃ 为槽路中的振荡电流；τ为时间常数；Ｑ 为品质因数；
ω为谐振频率；ｉＥ（ｔ）为丢脉冲时谐振槽路的峰值电流。
! " ｉＥ（ｔ）＝Ｉ!
１－
－
ｅ
ｔ τ
－ｔ
＋ＩＥ（０）ｅ τ，当 ｔ＝（０，Ｔｏｎ）
ｔ－ Ｔｏｎ
ｉＥ（ｔ）＝ＩＥ（Ｔｏｎ）ｅ τ ，当 ｔ＝（Ｔｏｎ，Ｔ）
－ Ｔｏｎ
ｉｃ＝Ｉ!
１－
ｅ
－
τ Ｔ
［４］ 张学勤，金天均，陈辉明．基于 ＩＧＢＴ 的 １００ｋＨｚ 高频感应 加热电源研制［Ｊ］．电力电子技术，２００６，４０（４）：７９－ ８０．
负载匹配是通过在正常的逆变工作状态下突然停
掉一组触发脉冲，使槽路电容上储存的能量以槽
路固有的频率自由衰减振荡来实现的。电源在停
掉脉冲的一个周期内不向槽路提供能量，振荡回
路中的电流进入阻尼振荡状态，电源侧的等效阻
抗则会增大。假定采用丢脉冲控制，振荡回路中的
电压为 ｕＡＢ（ｔ）＝ｕ，微分方程为：
Ｌ ｄｉｃ ｄｔ