中頻感應(yīng)加熱電源的研究

高康

【摘 要】 電磁感應(yīng)原理與渦流現(xiàn)象的提出與發(fā)現(xiàn)使得加熱技術(shù)得到了飛速發(fā)展。根據(jù)輸出頻率的不同可分為低、中，高三種形式。其中中頻感應(yīng)電源被廣泛應(yīng)用于熔煉、焊接、淬火等行業(yè)。因此對中頻感應(yīng)加熱電源的研究還是有必要的。

【關(guān)鍵詞】 中頻感應(yīng) 加熱電源 原理

一、中頻感應(yīng)加熱電源的發(fā)展現(xiàn)狀

早在 19 世紀(jì)末期，瑞典的科學(xué)研究人員就發(fā)明了世界上第一臺(tái)感應(yīng)熔煉爐（開槽式有芯爐），美國人不甘落后于1916年發(fā)明了世界上第一臺(tái)閉槽式有芯爐。從那時(shí)開始，感應(yīng)加熱不再停留在理論研究。而是開始進(jìn)入了社會(huì)實(shí)踐階段。終于在 1927 年，英國電爐公司（EFCO）邁開了將中頻感應(yīng)加熱應(yīng)用到工業(yè)實(shí)際中的第一步，在謝爾德安裝了第一臺(tái)中頻感應(yīng)加熱爐。從那以后，大量的感應(yīng)加熱裝置得到了平穩(wěn)快速的發(fā)展。

20 世紀(jì)中后期，半導(dǎo)體器件迎來了它的春天。半導(dǎo)體器件在那短短的一段時(shí)間內(nèi)快速發(fā)展。半導(dǎo)體器件的發(fā)展同時(shí)也帶動(dòng)了感應(yīng)加熱電源的發(fā)展。1957 年以后感應(yīng)加熱技術(shù)開始了它的新紀(jì)元。瑞士和西德于1966年將晶閘管作為功率元件應(yīng)用到感應(yīng)加熱設(shè)備中去。到了上個(gè)世紀(jì) 80 年代，電力電子元器件可謂是蓬勃發(fā)展，先后研制出了GTO、IGBT、MOSFET、MCT、SIT等器件。這些新器件的研制與試驗(yàn)成功，讓感應(yīng)加熱設(shè)備對電力電子功率器件的選擇從以前的單一，變成了多種選擇。

相對于國外而言，我國對于感應(yīng)加熱電源裝置的研究相對較晚。并且我國的第一臺(tái)感應(yīng)加熱裝置并非我國自主研發(fā)的。而是在1956年從當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)進(jìn)口來的，應(yīng)用在汽車制造業(yè)上。但是后期我國也開始了自己的中頻電源的研究，最終浙江大學(xué)在20世紀(jì)70年代采用晶閘管研制出了我國的第一臺(tái)中頻電源，這就結(jié)束了我國的中頻電源進(jìn)口的時(shí)代，預(yù)示著我國能夠自主研發(fā)中頻電源，開啟了我國研究中頻感應(yīng)加熱裝置的先河。

二、感應(yīng)加熱電源結(jié)構(gòu)及原理

（一）感應(yīng)加熱電源結(jié)構(gòu)

如圖 2.1 的結(jié)構(gòu)框圖所示，本次設(shè)計(jì)是將工頻的三相交流電經(jīng)過整流器將其改變?yōu)橹绷麟姡笤偻ㄟ^逆變技術(shù)再回到交流電。因?yàn)殡娋W(wǎng)提供的電是工頻的電，與負(fù)載所需電源是不匹配的，只能夠先將其通過整流技術(shù)變成直流電，而后再通過逆變電路轉(zhuǎn)換為交流電，在此就可以通過控制逆變電路的元器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，來提高交流電的頻率。設(shè)計(jì)完成主電路后，為了滿足各電路之間的相互聯(lián)系，開始設(shè)計(jì)控制電路，控制電路依據(jù)輸出電源頻率反饋給頻率跟蹤器的結(jié)果，來實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)電路與保護(hù)電路的控制，從而保證輸出電源的頻率符合現(xiàn)場的負(fù)載需求，同時(shí)保證相關(guān)電路能夠正常工作，各元器件不會(huì)因?yàn)槟承┩话l(fā)情況而被燒毀，保證了電路的可靠性。

（二）整流電路原理。目前直接更改電網(wǎng)中交流電源的頻率是很難的。即交-交變頻的實(shí)現(xiàn)程度相對而言還是很難的。通常是采用交-直-交的變頻方式。電網(wǎng)中給的電壓頻率是恒定的，中國的電網(wǎng)頻率為50Hz，是由發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的。如果說改變電網(wǎng)中交流電的頻率，最簡單的方式就是通過改變發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速越快，電網(wǎng)中的頻率就越高。顯然這種方法是不可行的。民用電的基數(shù)仍然是很大的。交-直-交的變頻方式，是將電網(wǎng)中的交流電壓通過整流與濾波電路進(jìn)行處理后變成直流電壓，然后將所得到的直流電壓通過逆變電路再變成交流電壓，此時(shí)可以通過改變逆變電路中的電力電子元器件的開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)對頻率的控制。所以為了獲得高頻的輸出電壓首先要對電網(wǎng)中的電壓就行整流。

因?yàn)橹蓄l感應(yīng)加熱電源中的整流只是為了獲得一個(gè)直流電壓，對所得到的電壓波形要求并不是很高。因此整流電路選用三相不控整流電路。既然是三相不控整流電路，所以電力電子元件選用的是不可控的功率二極管。為了實(shí)現(xiàn)全橋控制， 功率二極管的個(gè)數(shù)應(yīng)該是6只。功率二極管的整流原理，是利用二極管的單向?qū)щ娦詠韺?shí)現(xiàn)的。當(dāng)功率二極管的陽極電位高于陰極電位時(shí)，功率二極管就導(dǎo)通， 反之則關(guān)斷。通過這種整流方式對電網(wǎng)產(chǎn)生的污染基本可以忽略，并且不控整流產(chǎn)生的諧波電壓與電流相較于半控型與全控型的整流電路要少很多?；谏鲜龅膬?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代感應(yīng)加熱電源中的整流環(huán)節(jié)大多采用三相不控整流電路。

（三）逆變電路分析。逆變電路是感應(yīng)加熱電源的關(guān)鍵。因?yàn)檩敵鲭娫吹念l率就是通過改變逆變電路中各元器件的通斷頻率決定的。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的是中頻感應(yīng)加熱電源，因此在選擇電力電子元器件時(shí)一定要充分考慮它的開關(guān)頻率。通過對其他的電力電子元器件的仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)IGBT的總體性能還是比較好的，盡管它的功率等級(jí)小于晶閘管，且開關(guān)頻率小于MOS管。但是 IGBT 的開關(guān)頻率是能夠滿足中頻感應(yīng)電源的設(shè)計(jì)要求的。因此最終選擇IGBT 作為本次設(shè)計(jì)逆變電路中的電力電子元器件。

確定了逆變電路所使用的元器件后，根據(jù)逆變電路的結(jié)構(gòu)不同，可以劃分為并聯(lián)諧振式逆變電路與串聯(lián)諧振式逆變電路。接下來的工作就是通過對比，選擇合適的逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（四）感應(yīng)加熱負(fù)載槽路分析。這里所指的理想狀態(tài)下的LC 諧振電路，是將電路中的各種元器件都看作是理想狀態(tài)，不考慮其他的因素。即在電路在上電后不會(huì)有其他任何附加損耗。如果電路中有一個(gè)直流電源在進(jìn)行供電時(shí)，電路則會(huì)在它本身所固有頻率下永遠(yuǎn)地自由振蕩。如圖2.2所示。

結(jié) 論

隨著人們的環(huán)保意識(shí)的增加，傳統(tǒng)的火煤加熱的形式已經(jīng)被淘汰了。人們迫切需要一種新形式的加熱模式。感應(yīng)加熱電源應(yīng)運(yùn)而生。由于本人對加熱電源方面知識(shí)認(rèn)知的較少，難免在設(shè)計(jì)時(shí)有一些不合理的地方，希望以后步入工作崗位后能夠在實(shí)踐中去發(fā)現(xiàn)并改正不合理的地方。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 俞勇祥，陳輝明.感應(yīng)加熱電源的發(fā)展[J].金屬熱處理，2000，（8）：28-9.

[2] 潘天明.現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置[M].北京：北京冶金工業(yè)出版社，1996：1-9.

[3] 劉景偉.新時(shí)期數(shù)字信號(hào)處理器的應(yīng)用發(fā)展研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2014，（7）：144.