感应加热电源的调功率方法

感应加热电源的调功率方法
田志明 侯西伦
摘要：本文论述了感应加热电源常见的几种功率大小调节的方法，从原理到电路的实现上
进行了较详细的分析。

关键词：感应加热 中频电源 功率调节
1. 前言
感应加热在现代工业加热中已得到广泛的应用，感应加热电源的一般电路组成为AC-DC-AC ，见图1所示。

与之相匹配的负载有熔炼炉、透热炉、淬火炉等。

这些负载是变化的，这就需要感应加热电源输出到负载上的功率也需要进行大小的调节。

如何调节功率大小，这与负载主电路的（见图2）形式和被加热金属料的要求有关，下面对此进行分别讨论。

图1 感应加热电源及负载组成框图及典型波形
图2 感应加热电源常见负载谐振电路
(a) 并联电路 (b) 串联电路 (c)串并联电路 (d)串并联升压电路
2. 整流部分调功方法
众所周之，大功率感应加热电源有很大一部分电路采用三相晶闸管组成全桥或半桥整流电路。

对于全桥晶闸管电路，输出的直流电压有：
αcos 35.12U U d =
整流输出功率为：
d d I U P =
这里U d 是整流后的直流电压，I d是直流电流，P为直流功率，cosα为整流部分的功率因数，改变功率因素α可改变直流功率。

调整整流控制脉冲电路的α角可改变输出功率。

晶闸管全桥整流电路中控制α角变化的电路较多，早期有分立元件，KJ004（KC004）专用集成电路，TC785，TC787等专用电路，也有用单片机控制的，下面用一种目前正在工业现场运行的成熟产品的数字化控制α角触发电路说明其工作原理。

图3是西安产的中频电源控制电路中整流触发角α控制线路框图。

图4给出了具体电路。

图3 数字化调节整流相位角电路框图
图4 数字化调节整流相位角实际电路图
工作原理：三相同步来之于三相输入工频电压的取样信号，用来复位数字计数器，脉冲宽度调节电路是对前面形成的触发脉冲定宽窄。

末级驱动电路的功能是放大，隔离，组成双脉冲信号等。

压控振荡器（V/f）是用PI调节器的输出电压V K的高低控制频率大小的变化，
故障电路是在电源出现故障时把脉冲输出相位拉到逆变（有源逆变）状态，或封锁整流脉冲的输出。

这里特别要详细的分析数字触发脉冲产生的机理。

其特征是用计数（时钟频率脉冲）的办法来实现α角度（相位）的移相。

由控制电压V K的大小来改变V/f压控震荡器的频率脉冲大小，V K升高，f增大，V K降低，f减小，把这种f信号输入到固定的（量数为256）计数器，从复位脉冲后开始技术，计数器计数到256个脉冲时输出一个进位脉冲。

因为计数256个脉冲需要一定的时间，f频率高，计数到256各脉冲需要的时间短，进位脉冲发出早，即延时短，α角小；反之，f频率低，计数到256个脉冲需要的时间长，进位脉冲发出的进位脉冲相对晚，即延时长，α角大。

计数器开始计数时刻是同步信号控制的复位信号取消，即α=0o时开始计数。

设计时根据V K的最大电压和最小电压值，定时对应V/f的最高频率f H和最低频率f L。

如V K最低电压对应的V/f的低频率f L=25kHz，则计数到256个脉冲所需要的时间是：（1/25000）x 256=10.2ms，相当于工频的180o电角度。

实际上计数器的同步
复位计数清零位置在同步电压（线电压）的30o处，这相当于三相全控桥式整流电路的β=30o
位置，从清零同步脉冲起，延时 6.6ms产生的输出脉冲，接近于三相桥式整流电路晶闸管α=150o的位置。

如果使V K调到最高电压，V/f的频率为最高，即f H=153.6kHz，计数到256个脉冲所需的时间是：（1/153600）x 256=1.6ms，相当与工频的30o电角度，接近于三相桥式整流电路某一晶闸管α=0o 的位置。

控制V K电压在最高、低电位间变化，即控制了f H与f L的频率变化，也就是控制了某一晶闸管的脉冲触发角α在0o与150o之间变化，最终控制了直流电压变化，实际为电源的输出功率变化。

这样的控制，有相同的三套，每相一套，在一个周期中会产生6个相位差60o的触发脉冲。

这种数字式脉冲移相控制电路优点是工作十分稳定，有很强的抗干扰能力。

3.直流部分调功方法
直流部分调功常用直流斩波方法调节功率。

见图5.这种调功的方法为：电路结构一般是整流部分由二极管组成不控整流，使得电网侧功率因数很高，在逆变和整流器之间的直流部分加一个Buck电路形式，可控功率器件K由IGBT和阻容网络缓冲电路，二极管VD7和滤波器L2组成了降压或直流斩波电路，通过改变加在K控制极脉冲的占空比来调节加到逆变上直流电压，达到调节功率的目的。

由于Buck电路中的功率器件工作在硬开关状态下，开关损耗较大，在高频和大容量电源中使用这种方法调功率较少。

图5 直流斩波调功电源主电路
4.逆变部分调功方法
逆变侧调功，主要对逆变器通过改变逆变环节功率器件开通、关断的控制，来改变逆变器输出电压的参数，从而实现对输出到负载上功率大小的调节。

通常有脉冲频率调制法（PFM）、脉冲密度调制法（PDM）和脉冲宽度调制法（PWM）几种。

采用逆变部分调功方案时就可以在直流侧采用不控整流二极管，简化了整流控制电路，提高了系统整体网侧功
率因数，同时逆变侧功率调节的响应速度比采用直流侧调节要快。

这里主要分析PFM 调功方法。

脉冲频率调制法（PFM ）就是通过改变逆变器的工作频率，从而改变负载的阻抗来达到调节输出功率的目的。

如：串联谐振式逆变器的负载等效电路如图6。

图6 串联谐振逆变器的负载等效电路
由电路分析可得负载的等效阻抗为：
L j R C
j Z ωω++=
1 则 2222)212()1(fC
fL R C L R Z ππωω-+=-+= 由上式可知，串联谐振负载的等效阻抗随着逆变器工作频率f 的变化而不断变化，等效阻抗f 的变化情况如下图7所示，在输出电压恒定的情况下，逆变器工作频率偏离负载谐振频率越大，则等效阻抗就越大，逆变器输出功率越小。

图7 串联谐振负载的频率阻抗特性 由图7可知，逆变器若工作于谐振频率f=f 0时，负载等效阻抗最小，逆变器输出功率最大，将工作频率调高或降低都能减少输出功率。

一般用晶闸管组成的串联逆变器，负载工作于容性状态，工作频率f 从低频率向f 0调节，可增大输出功率。

反之，从f 0向低频率调节，可减小输出功率。

一般用全控功率开关器件组成的串联逆变器，需要负载电路工作于感性状态，因此，减少功率时，将逆变的开关频率往高于谐振频率f 0方向调节，要增加功率时，将工作频率f 从高于f 0的方向向f 0方向减少频率。

下面是逆变部分调功（由晶闸管组成逆变器）的实际控制线路。

见图8、图9。

图8 串联逆变调功控制电路框图
图9 串联逆变调功控制实际电路简图
该控制电路的主要工作原理：由负载上通过电流互感器CT，采得槽路谐振波电流信号，通过波整形，加到IC1，IC1输出两路信号，上一路到IC2-1死区延迟电路，下一路送到IC3-1 计数器（模为512计数），作为计数的复位清零信号。

计数脉冲是这样产生的：由V K的直流电压控制压控振荡器（4046）的9脚，从4脚输出相应的时钟信号，分别加到两个计数器的输入端，清零信号到后，计数器开始脉冲计数。

计够512个脉冲后，计数器发出一个进位脉冲，输出到IC4，同时也要有555死区延迟信号到后，加到R-S锁存器电路，通过该电路形成两个相位相反的两路脉冲，在输出脉冲控制端允许的情况下，加到隔离，功放驱动电路，去驱动晶闸管开通。

改变V K的电压高低，可改变V/f的频率时钟脉冲高低，从而改变512计数器输出脉冲的频率高低，这个脉冲加到逆变电路，改变了加在负载上的工作频率f，从而改变了负载等
效电路阻抗。

如果这个频率越接近f0，功率越大；反之这个工作频率f越小于f0，功率越小，这就是上面图9实际电路调功的原理。

5.结论
本文从三个方面，即整流电路部分，直流电路部分和逆变电路部分，分别论述了感应加热电源的调功原理和实现方法，给出了两种工程中实用的调功控制线路，对其原理进行了分析，对有关设计、维修人员有直接的参考作用。

参考文献
[1] 西安某公司设计生产的并联KGPS电源使用说明书。

[2] 苏州某公司设计生产的串联KGPS电源使用说明书。

[3] 田志明，胡彩娥，《现代工业感应加热变频电源与感应炉》（待出版）。

作者：
1、田志明：（参考其它简介）。

2、侯西伦：（1962～），硕士研究生学历，高级工程师，陕西电源学会感应加热电源专委会
副主任，西安启功电气有限公司总经理，曾长期从事航空电子技术研究和军队院校该专用教学工作；现主要从事感应加热电源，软启动器，变频器等电力电子方面的产品开发。