金属熔炼、铸造、锻造、透热、淬火、弯管、烧结、表面热处理

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摘要:感应加热电源在金属熔炼、铸造、锻造、透热、淬火、弯管、烧结、表面热处理、 铜焊以及晶体生长等行业得到了广泛的应用。同时,由于感应加热电源的加热特点,超音频、大功率是感应加热电源领域研究的重点之一。详细介绍了所设计的感应 加热电源,给出了实现的方法和实验电路,并对此方法进行了仿真。实验和仿真结果表明该设计方案具有一定的可行性。

关键词:感应加热;串联谐振;数字锁相环;感应加热电源


0 引言
    感应加热电源发展至今在中、低频段已经比较成熟,虽然新型大功率电力电子器件已取代传统的晶闸管,但仍然存在不少问题,比如负载匹配、频率跟踪、高频化的 实现,高功率因数和低谐波,大容量带来的器件的串联均压与并联均流问题等。电力电子器件本身的发展对这些问题的解决起着很大的作用,同时,从控制方面也有 待人们去研究和发现新的方法和思路。
    本文对10kHz/150kW中频感应加热电源的主电路和控制电路进行了设计,采用单片机控制和IGBT器件取代原有的模拟控制和晶闸管器件,实现对老装 备的更新改造;推出主电路的参数计算公式,建立了系统的等效电路,负载的等效模型并分析了控制电路的结构和原理。

 

1 主电路的设计
   
所研制的 10kHz/150 kW单相半桥串联谐振感应加热电源样机的主电路结构如图l所示。为了减小逆变功率开关的开关损耗,逆变器的工作频率大于其谐振频率。若逆变器的工作电压不 变,则在谐振点附近的输出功率最大,当提高逆变器工作频率时,负载等效阻抗增高,输出功率减小,输出功率因数很低,而且逆变器主开关管工作在硬开关状态, 开关损耗大,效率低。该电源采用串联谐振式全桥Dc/AC逆变电路,以IGBT为主开关器件,由电流调节和功率调节组成双闭环的PWM直流斩波器进行功率 调节,用频率跟踪电路控制逆变器的工作频率,使逆变器始终工作于谐振状态,逆变器输出功率因数接近于l,而且IGBT能始终工作在准零电流开关状态,整机 工作效率较高。

    图1中:L。为感应线圈折算到高频变压器初级的等效电感;
    Co为串联谐振电容;
    R0为负载及线路的等效电阻。
    由于采用了负载谐振技术,为保证主开关管工作于ZCS状态,输出功率的调节只能依靠改变逆变桥的供电电压来实现。本电源的功率调节由三相不可控桥式整流电 路、PWM直流斩波电路、功率控制电路等部分组成,由电流调节和功率调节组成双闭环功率控制电路,具有调压范围宽,输出稳定性好等优点。


 

2 控制电路结构
2.1 控制电路结构
   
所设计的10kH/150 kW感应加热器的控制电路结构如图2所示。

2.2 功率IGBT驱动电路
    本次没计采用富士电机公司EXB系列EXB841集成化驱动线路。EXB841是高速型(最大40kHz运行),采用具有高隔离电压的光耦合器作为信号隔 离,因此能用于交流380V的动力设备上。IGBT通常只能承受10μs的短路电流,所以必须有快速保护电路。EXB系列驱动器内设有电流保护电路,根据 驱动信号与集电极之间的关系检测过电流。其驱动线路如图3所示.

    通常EXB841在过流时检测IGBT(在门极导通时)集-射极间的电压,当该电压超过6V时,延迟10 μs则判断为过流。但在实践中,当IGBT集-射极间电压为6V时,其往往已损坏,因此集电极至EXB84l的脚6串联一个3 V稳压管,使EXB841检测值由6V降低为3 V。这一改进明显增加了 EXB84l对过流判断的灵敏性,使线路不仅能正常地驱动元件,而且在过流时能更有效地保护元件。
2.3 过流和过压的保护电路
    IGBT的抗过流能力较弱,因此线路设计须考虑保护:主要有两种方法:①EXB84l过流保护,但这种方式风险较大;②在电抗器和逆变桥输入之间串一个电 流传感器,当其输出值超过预定值时,.方面封锁PWM斩波脉冲,另一方面封锁逆变脉冲。
    换流过程中的电压毛刺会引起电路产生过电压,这种现象主要靠增加阻容吸收来克服,须注意:逆变回路二极管上也需要加阻容吸收,如图4所示。

 

    还有锁相电路设计等,这里不再累述。 


3 整流控制电路
   
电路分成两个部分,一是由DS80C320经与反馈量计算的输出脉宽调制PWM脉冲,一是经光电隔离后驱动IGBT栅极触发电路。
    驱动波形和斩波波形如图5~图8所示。

4 实验波形和结果分析
4.1 工作频率等于谐振频率的波形
   
工作频率等于谐振频率的波形如图9~图15所示。

4.2 工作频率大于谐振频率(感性)的波形
   
工作频率大于谐振频率的波形如图16所示。

4.3 结果分析和讨论
    由实验波形可以看出,系统在谐振工作状态波形较好;在工作频率远离谐振频率时,波形发生畸变。频率跟踪较快,跟踪周期范围是10~24 μs,这个跟踪范围对负载来说是足够的,因为在加热过程中,负载的阻抗变化不会太显著。

 

5 结语
   
本文介绍了所设计制作的10 kHz/150 kW感应加热电源样机,在经改造后的设备上做了部分实验,获取了实际的数据和波形。具体有以下结论:
    (1)采用主电路及控制电路经过实际运行检验:
    (2)保护手段经实际运行检验证明可行;
    (3)锁相控制电路能跟踪由于负载变化引起的谐振频率的变化,从而最佳地控制加热的过程。
    本实验中制作的锁相电路能很好地跟踪谐振频率做跟踪范围是10~24μs,这个跟踪范闱对负载来说是足够的,在加热过程中,负载的阻抗变化不会太显著。

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