高頻感應加熱電源分析

張皓然　侯超

【摘 要】隨著感應加熱電源的問世，其憑借著高效、節(jié)能以及污染低等優(yōu)勢在工業(yè)熱處理等方面具有的巨大優(yōu)勢，很快就應用到經濟生產的各個領域中來。我國作為能源使用大國，加強對于感應加熱電源的研究，尤其是對于高頻感應加熱電源的研究有著非常重要的意義。本文從高頻感應加熱電源的拓撲結構出發(fā)，并詳細探析了高頻感應加熱電源的功率控制以及控制系統(tǒng)設計的問題。

【關鍵詞】高頻感應加熱電源；拓撲結構；功率控制

0 引言

高頻感應加熱電源技術目前對金屬材料加熱效率最高、速度最快，且低耗環(huán)保。它已經廣泛應用于各行各業(yè)對金屬材料的熱加工、熱處理、熱裝配及焊接、熔煉等工藝中。它不但可以對工件整體加熱，還能對工件局部的針對性加熱；可實現工件的深層透熱，也可只對其表面、表層集中加熱；不但可對金屬材料直接加熱[1]，也可對非金屬材料進行間接式加熱等方面。所以，可以說感應加熱技術必將在各行各業(yè)中應用越來越廣泛，因此了解高頻感應加熱電源的拓撲結構，探析高頻感應加熱電源的功率控制以及控制系統(tǒng)設計等問題以提升高頻感應加熱電源技術就有著重要的現實意義。

1 高頻感應加熱電源的拓撲結構

高頻感應加熱電源隨著電力電子技術以及器件的不斷發(fā)展逐步完善，其基本上已經形成了一定的固定拓撲模式，即交流-直流-交流的整個變換過程，在這一過程中其通過輸出一定的頻率的電壓電流，以達到加熱工件的目的從整流電路、濾波電路以及逆變電路三個層面來分析高頻感應加熱電源的拓撲結構[2]，具體有以下兩點：

1.1 感應加熱電源整流電路和濾波電路

一般而言整流電路是將交流的電信號轉變?yōu)橹绷麟姷男盘?，其具體可以分為不可控的整流電路、半可控整流電路以及全控的整流電路三類，基于整流電路在輸出信號的過程中因為逆變電路的輸入，因此在預設整流電路的過程中需要滿足選擇合適的濾波電路、具有必要的保護電路和根據負載的變化三個要求。另一方面，對于高頻感應加熱電源平滑濾波電路，在這一選擇過程中需要保持逆變器工作狀態(tài)的穩(wěn)定，所以需要對粗糙的直流電信號進行加工處理，而對于平滑濾波器其工作原理是可以阻擋交流信號，卻可以允許直流信號的通過，這一過程中就會大大的減少信號中所包含的交流成分，最終達到減少脈動的目的[3]。

1.2 逆變電路

逆變器作為感應加熱電源的核心的組成部分，其最主要的組成部件就是逆變橋和諧振回路這兩個部分，在傳統(tǒng)意義上逆變器分為兩類即電壓型逆變橋和電流型逆變橋，作為感應加熱電源的主體電路之一，對于電源功率的調節(jié)是其最重要的功能，所以要加強對感應加熱電源的研究最主要的研究方面還是要放在對于逆變器功能的不斷提升上面，而且因為并聯諧振逆變器和串聯諧振逆變器都有著不同適用的場合，所以在選擇電源系統(tǒng)的過程中需要根據所要側重的因素進行必要的選擇。

2 高頻感應加熱電源的功率控制

高頻感應加熱電源的功率控制所包含的內容和層面很多，本文主要從功率調節(jié)的方式以及逆變器控制的原理及其分析兩個方面的來論述，具體有以下兩點：

2.1 高頻感應加熱電源功率調節(jié)的方式

通常在串聯諧振式高頻感應加熱電源的功率調節(jié)方面可以分為直流側功率調節(jié)以及交流側功率調節(jié)，這兩種功率調節(jié)都是通過調節(jié)逆變器的輸入端來進行工作的，其主要要的調節(jié)方式有直流側功率調節(jié)，這種調節(jié)方式可以使整機的效率以及可靠性提高，降低開關變化的損耗。但是其對于開關器件的選擇有著較高的要求；其次，逆變側功率調節(jié)，這種調節(jié)方式會隨著溫度的變化發(fā)生變化，繼而影響工件的加工，并且隨著移相角逐漸增加使得逆變器輸出功率值變小[4]。

2.2 逆變器控制原理及其分析

在各類控制過程中，常規(guī)的PID控制器技術逐漸的成熟并被廣泛的應用，但是我們須知在一些參數變化復雜的時候，這就會對精確的模型難以確定，所以常規(guī)的PID參數整定是比較困難的，所以在對于逆變器控制的過程中需要增加控制構成結構的簡單化、環(huán)境適應增強化、并且需要具備更加好的魯棒性?；谶@些需求，因為每一種算法都不會是完美的，必定有著很大的失誤和缺陷，加上增量式的PID在控制算法的過程中自身也是有著很大缺陷的，就像是靜態(tài)的誤差進而積分階段的效應等，所以需要在選擇控制算法時根據實際的控制對象合理科學的選擇計算方法[5]。

3 高頻感應加熱電源控制系統(tǒng)設計

基于上述高頻感應加熱電源的拓撲結構以及高頻感應加熱電源的功率控制的分析，下面是筆者結合自身的工作實踐提出的關于高頻感應加熱電源控制系統(tǒng)設計的一些意見，主要從控制系統(tǒng)硬件設計和軟件設計兩個方面來論述：

3.1 控制系統(tǒng)硬件設計

在進行高頻感應加熱電源控制系統(tǒng)硬件設計過程中需要基于整流器以及逆變器兩個方面，選擇適合的電路的類型，以設計合適的硬件電路，在選擇器件參數的過程中需要對整流電路以及逆變電路的控制方式進行系統(tǒng)的分析[6]，并且將這些電路有機的整合起來，在設計驅動保護電路時需要做到工作的有序，并且可以使電路精簡，成本節(jié)約，并且為電路的有效運行提供必要的保障[7]。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設計

在整個電源控制系統(tǒng)的程序中主要包括主程序、逆變器驅動脈沖生成程序等，這些程序就是構成控制系統(tǒng)的軟件部分，在這些軟件的啟動過程中，需要主電路通電，整流器率先啟動工作，并且可以輸出穩(wěn)定的直流電壓[8]，而在激起逆變器的過程中需要保證流過負載的電流足夠大，同時需要電壓電流的閉環(huán)控來穩(wěn)點逆變器的輸出量，以最終實現電源功率調節(jié)的目的。

4 結束語

綜上所述，高頻感應加熱電源在工業(yè)生產的過程中有著不可忽視的作用，加強對其研究，提高其技術水平有著很大作用。本文從感應加熱電源整流電路和濾波電路和逆變電路兩個方面詳細討論了高頻感應加熱電源的拓撲結構的問題，在結和高頻感應加熱電源的功率控制闡述了對于高頻感應加熱電源控制系統(tǒng)設計需要注意和確定的方面，以期促進高頻感應加熱電源技術的發(fā)展。

【參考文獻】

[1]陳維，李敏遠.IR2110的功能及其在高頻感應加熱電源中的應用[J].常德師范學院學報：自然科學版，2010（01）.

[2]劉慶豐，王華民，冷朝霞，劉丁.基于多電平逆變器的高頻感應加熱電源若干問題的研究[J].電工技術學報，2014（06）.

[3]王正仕，樓珍麗，陳輝明.兆赫級超高頻感應加熱電源電路的分析與研究[J].中國電機工程學報，2013（19）.

[4]董淑惠，李亞斌，田豐.時間分割式IGBT高頻感應加熱電源的研究[J].電力科學與工程，2012（04）.

[5]李華柏，段樹華.大功率高頻感應加熱電源IGBT擴容研究[J].輕工科技，2012（10）.

[6]李華柏.基于SG3525的高頻感應加熱電源的研究與設計[J].河南科學，2013（11）.

[7]徐良芝.基于CD4046鎖相環(huán)200KHZ的高頻感應加熱電源頻率跟蹤的研究[J].電子世界，2011（09）.

[8]付光杰，張微微，牟海維.基于模糊RBF網絡高頻感應加熱電源控制的研究[J].化工自動化及儀表，2014（04）.

[責任編輯：鄧麗麗]