感應(yīng)加熱電源控制系統(tǒng)的數(shù)字化研究

摘要：感應(yīng)加熱電源由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)而在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。文章首先介紹了感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，并綜述了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，闡述了感應(yīng)加熱電源的控制數(shù)字化問題的必要性。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱電源；控制系統(tǒng)；數(shù)字化；CPLD/FPGA；可編程邏輯器件 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TN86 文章編號：1009-2374（2015）18-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.014

1 概述

感應(yīng)加熱技術(shù)是較為先進(jìn)的一種技術(shù)，它相比傳統(tǒng)加熱方法有獨(dú)特的優(yōu)越性，這項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容之一就是感應(yīng)加熱電源的開發(fā)。感應(yīng)加熱電源自從應(yīng)用于工業(yè)上以來已歷經(jīng)90多年了，在這段時間里感應(yīng)加熱裝置及有關(guān)感應(yīng)加熱理論都有了巨大的進(jìn)步，這些都是由感應(yīng)加熱技術(shù)自身的優(yōu)勢決定的：（1）產(chǎn)生的焦耳熱多，加熱過程無接觸損耗；（2）效率高且有益于節(jié)能，符合節(jié)約能源的時代要求；（3）速度快，金屬工件老化程度減小，精度提高；（4）溫度調(diào)制簡便，產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)化；（5）裝置的自動控制增強(qiáng)，勞動成本降低；（6）符合環(huán)保的要求，作業(yè)過程不會造成環(huán)境污染；（7）工序精細(xì)，能很好地完成各種工藝要求。

現(xiàn)在，傳統(tǒng)的工頻感應(yīng)爐主要應(yīng)用于低頻感應(yīng)加熱場所，在國外，工頻感應(yīng)加熱裝置達(dá)到百兆瓦，主要應(yīng)用于鋼水保溫或大型工件的透熱。我們可以預(yù)測，在較短時間內(nèi)以固態(tài)器件構(gòu)成的低頻感應(yīng)加熱電源在價格、可靠性及功率容量方面還無法和低級的工頻感應(yīng)爐相媲美，即便是它的性能、效率和體積上勝過工頻爐。

在中頻范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的電磁倍頻器和中頻發(fā)電機(jī)組已完全被晶閘管感應(yīng)加熱裝置所取代，在國外晶閘管感應(yīng)加熱裝置已達(dá)數(shù)十兆瓦。

在超音頻范圍內(nèi)，自從有了晶閘管后，以晶閘管倍頻電路和時間分割電路構(gòu)成的超音頻電源開始大量使用。在20世紀(jì)80年代初，新型功率器問世，占據(jù)主導(dǎo)地位的主要是以IGBT、BSIT、GTR、MCT、SITH和GTO構(gòu)成的結(jié)構(gòu)簡單的全橋型超音頻固態(tài)感應(yīng)加熱電源，其中以IGBT應(yīng)用最為普遍。

在高頻領(lǐng)域，能很好地把傳統(tǒng)的電子管電源過渡到晶體管全固態(tài)電源的有：日本在1987年開發(fā)出了1200kW/200kHz的SIT電源；比利時Inducto Elphiac公司生產(chǎn)的電流型MOSFET感應(yīng)加熱電源水平可達(dá)1MW/15～600kHz；美國Induetorheat公司已經(jīng)推出2MW/400kHz的MOSFET高頻感應(yīng)加熱電源。

2 國內(nèi)現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代初，在我國工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中感應(yīng)加熱技術(shù)就被廣泛使用，晶閘管中頻電源在10年后開始研制，截至現(xiàn)在已有系列化產(chǎn)品出現(xiàn)，市場應(yīng)用前景更為廣闊。

在中頻（150Hz～10kHz）范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)基本上被晶閘管中頻電源裝置所取代，國內(nèi)生產(chǎn)的中頻電源在結(jié)構(gòu)上采用并聯(lián)諧振逆變器式，所以研制出結(jié)構(gòu)簡單、利于多次啟動的串聯(lián)諧振逆變中頻電源還需要我們的努力。

在超音頻（10kHz～100kHz）范圍內(nèi)，我國從20世紀(jì)80年代已經(jīng)開始，浙大研制了50kW/50kHz的超音頻電源。90年代初，國內(nèi)采用IGBT研制超音頻電源。目前，浙江大學(xué)已開發(fā)出了I00kW/250kHz的電流型感應(yīng)加熱電源，且在電壓型電源方面也取得了長足的發(fā)展，如50kW/200kHz的產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)驗(yàn)通過。

在高頻（100kHz以上）領(lǐng)域，SIT器件很少使用，卻大量使用電子管。在20世紀(jì)90年代浙大研制出并投入使用了20kW/300kHz的MOSFET高頻電源；21世紀(jì)初江南大學(xué)研制出1kW/2MHz的MOSFET超高頻電源樣機(jī)；天津大學(xué)和天津高頻設(shè)備廠共同研制出75kW/200kHz的SIT感應(yīng)加熱電源。

從以上現(xiàn)狀來看，國外與國內(nèi)感應(yīng)加熱電源的水平還存在著差距。

3 感應(yīng)加熱電源控制系統(tǒng)的初期缺陷

感應(yīng)加熱逆變電源最初控制電路是模擬電路，我們知道模擬電路本身有著很多缺點(diǎn)：（1）模擬控制電路主要是電路板和分立元件，就會造成系統(tǒng)的可靠性下降，硬件成本偏高；（2）存在人工調(diào)試器件，比如可調(diào)電位器，就會造成系統(tǒng)的一致性下降，生產(chǎn)效率降低；（3）電路存在熱漂移問題和元器件的老化問題，這都會使感應(yīng)加熱電源輸出能力降低；（4）只有對控制系統(tǒng)做更換，產(chǎn)品才能升級換代，如此一來對硬件系統(tǒng)的改進(jìn)是必不可少的。

4 可編程邏輯器件在感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用

自20世紀(jì)90年代后，隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，CPLD/FPGA的應(yīng)用范圍越來越大，和ASIC比較，CPLD/FPGA有開發(fā)成本低、開發(fā)周期短、無風(fēng)險、靈活等優(yōu)點(diǎn)；和DSP處理器芯片比較，處理速度更快。所以CPLD/FPGA更適合電力電子技術(shù)的應(yīng)用，比如實(shí)時處理要求較高，在速度上與硬連線方式幾乎相同，而且它相比硬連線方式有更多的優(yōu)點(diǎn)：體積小、開發(fā)成本低、設(shè)計靈活、集成度

高等。

目前SOPC技術(shù)走在了電子工程技術(shù)的最前端，其目的將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)（數(shù)字通訊系統(tǒng)、嵌入式處理器系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、存儲電路以及普通數(shù)字系統(tǒng)、硬件協(xié)處理器或加速器系統(tǒng)等）在大規(guī)模FPGA的單片系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，讓設(shè)計的電路系統(tǒng)在可靠性、性能指標(biāo)、規(guī)模、體積、上市周期、功耗、硬件升級、產(chǎn)品維護(hù)及開發(fā)成本等多方面都更完善，所以在電力電子技術(shù)的控制中應(yīng)用CPLD/FPGA，就可以較好地滿足功率開關(guān)器件高速開關(guān)控制的要求，也可以使電力電子裝置對選用的控制器在速度、成本、設(shè)計的靈活性等方面的高要求得到較大的滿足，而感應(yīng)加熱電源作為一種電力電子系統(tǒng)亦可吸收利用此技術(shù)，以提高自身的性能。

從國內(nèi)外感應(yīng)加熱電源的頻段分布結(jié)構(gòu)可以看出，對10～100kHz這一頻段，由于SCR工作頻率低，體積大而無法適應(yīng)市場需要，近年來，特別是步入21世紀(jì)以來，隨著新型電力電子器件IGBT（絕緣柵場效應(yīng)管）的出現(xiàn)和不斷完善，使它成為10～100kHz這一空白頻段的最佳器件，它被廣泛應(yīng)用于熔煉、焊接、熱處理、鍛造等加熱加工領(lǐng)域，具有良好的發(fā)展前景?，F(xiàn)在剛研制出來的以IGBT為功率開關(guān)器件的超音頻電源，其控制性能還很不理想，然而在國內(nèi)對此頻段的感應(yīng)加熱電源的需求量又特別大，為此怎樣去提高固態(tài)超音頻感應(yīng)加熱電源的控制水平是當(dāng)務(wù)之急。

在超音頻（10～100kHz）數(shù)字化控制中，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和EDA技術(shù)的高速發(fā)展，可編程片上系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)這樣一種設(shè)計理念日益廣泛應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)的設(shè)計中，基于這樣的技術(shù)發(fā)展背景，推出了大規(guī)模可編程邏輯器件CPLD/FPGA，更進(jìn)一步推動感應(yīng)加熱電源數(shù)字化控制進(jìn)程的步伐，它能很好地滿足電源裝置對選用的控制器在速度、成本、設(shè)計的靈活性等方面越來越高的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘天明.現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[2] 戚宗剛.串聯(lián)感應(yīng)加熱電源技術(shù)的研究[D].浙江大學(xué)，2003.

[3] 潘天明.工頻和中頻感應(yīng)爐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1983.

[4] 錢照明，陳輝明，呂征宇.電力電子器件的最新發(fā)展[J].電氣時代，2001，（5）.

[5] 李現(xiàn)兵，師宇杰，王廣州，等.淺談現(xiàn)代電力電子器件的發(fā)展[J].電力電子，2005，3（3）.

作者簡介：宋召玲（1976-），女，山東濟(jì)寧人，濟(jì)寧技師學(xué)院講師，碩士。

（責(zé)任編輯：周 瓊）