【正文】 ，因而熱效率高，升溫速度快，容易實(shí)現(xiàn)整體均勻加熱或局部加熱（包括表面加熱）。感應(yīng)加熱是利用交流電建立交變磁場(chǎng)產(chǎn)生渦流對(duì)金屬工件進(jìn)行感應(yīng)加熱的?；竟ぷ髟砣鐖D1所示，圖中A為感應(yīng)線圈（也稱負(fù)載線圈），B為被加熱的金屬工件。若線圈A中通以交流電流i1，則在線圈A內(nèi)產(chǎn)生隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)，置于交變磁場(chǎng)中的被加熱工件B要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2，形成渦流i2，這些渦流使金屬工件發(fā)熱，消耗電能。由上可知，感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加熱的金屬工件，然后在金屬內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，感?yīng)線圈與被加熱金屬不直接電接觸，能量是通過(guò)電磁感應(yīng)傳遞的。 B A 圖1 感應(yīng)加熱基本原理由電磁感應(yīng)定律可知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： 　　　　　 （21）設(shè)磁通對(duì)時(shí)間t按正弦規(guī)律變化，即＝則＝－ ＝ ＝　　 （22）其中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值為：＝＝2為了要使金屬工件加熱到一定的溫度，必須要求金屬工件內(nèi)有足夠大的渦流，亦即要求金屬工件內(nèi)有較大的電動(dòng)勢(shì)，從式（22）可知，要增大有如下兩種途徑：（1）增大線圈A中的電流。增大即增大金屬工件中的交變磁通的最大值。（2）增大線圈中電流的頻率。因?yàn)榻饘俟ぜ械母袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)正比于磁通變化率，所以的頻率越高，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大。近代感應(yīng)加熱廣泛采用中頻及高頻電源的原因就在于此，也是成為感應(yīng)加熱電源研究的方向和追求的必然。 基本結(jié)構(gòu)隨著電力電子學(xué)及功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)不斷的完善，已形成一種固定的AC/DC/AC變換形式，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。一般由整流器、濾波器、逆變器及一些控制和保護(hù)電路組成。三相整流器濾波器逆變器負(fù)載整流器控制電路逆變器控制電路圖2 感應(yīng)加熱電源的基本結(jié)構(gòu) 整流電路的分類整流電路是電力電子電路中最早出現(xiàn)的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，?yīng)用十分廣泛，電路形式各種各樣；按組成的器件可分為不可控、半控和全控三種，按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路，按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路，按變壓器二次側(cè)電流的方向是單相或雙相，又分為半波電路和全波電路；實(shí)用電路是上述的組合結(jié)構(gòu)。整流電路的實(shí)質(zhì)就是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。 整流電路的選擇半波整流：變壓器的次級(jí)繞組與負(fù)載相接，中間串聯(lián)一個(gè)整流二極管，就是半波整流。利用二極管的單向?qū)щ娦裕挥邪雮€(gè)周期內(nèi)有電流流過(guò)負(fù)載，另半個(gè)周期被二管所阻，沒(méi)有電流。這種電路，變壓器中有直流分量流過(guò)，降低了變壓器的效率；整流電流的脈動(dòng)成分太大，對(duì)濾波電路的要求高。只適用于小電流整流電路。全波整流：一是變壓器與半流整流電路相同，但用四個(gè)二極管組成橋式電路，將次級(jí)線圈的正、負(fù)半周都用起來(lái)；二是變壓器的次級(jí)繞組圈數(shù)加倍，中間抽頭，實(shí)際上由兩個(gè)次級(jí)線圈構(gòu)成。中間抽頭接負(fù)載一端，另兩個(gè)端子各串聯(lián)一個(gè)二極管后接負(fù)載的另一端。經(jīng)常使用的整流電源電路是效率高的全波整流電源電路，僅用電容器作為濾波電路的電路有中心抽頭式和橋式?，F(xiàn)在裝有4個(gè)整流二極管的橋式整流器能夠很便宜買(mǎi)到，而且變壓器的使用效率也高，所以幾乎都為橋式整流電路。橋式整流屬于全波整流，三相整流只有全波整流，沒(méi)有半波整流。三相全波整流也只有橋式整流。 所以在此設(shè)計(jì)中選用了三相橋式全控整流電路。 三相橋式全控整流電路整流電路采用三相全控橋式整流電路，其作用為將從三相電網(wǎng)輸入的50Hz電壓整流成脈動(dòng)的直流電壓。三相橋式整流電路圖如圖3所示。圖3 三相橋式全控整流電路晶閘管AB、BC、CA接成共陰極，晶閘管AC、BA、CB接成共陽(yáng)極，并與變壓器和負(fù)荷分別構(gòu)成兩個(gè)三相半波可控整流電路，兩個(gè)三相半波可控整流電路串聯(lián)就構(gòu)成三相橋式全控整流電路，如圖4所示。圖4 三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路的輸出電壓為三相半波可控電路的兩倍三相橋式全控整流電路的輸出電壓為： （31）式中：——輸出直流電壓平均值； ——電網(wǎng)相電壓； ——觸發(fā)移相角。當(dāng)=0時(shí)，對(duì)于共陰極組的晶閘管依次觸發(fā)陰極電位最高的晶閘管，對(duì)于陰極組的晶閘管組依次觸發(fā)陰極電位最低的晶閘管，使晶閘管導(dǎo)通。把一個(gè)周期平均分為6段，如圖5所示。 圖5 不同的輸出波形在AB段內(nèi)，a相電壓最高，電流從變壓器a相繞組流出，經(jīng)過(guò)AB負(fù)荷和BA（在此段內(nèi)，b相電壓最低，共陽(yáng)極組的晶閘管BA正處于導(dǎo)通狀態(tài)），回到變壓器b相繞組。a相繞組內(nèi)的電流為正，b相繞組內(nèi)的電流為負(fù)。負(fù)荷電壓Ud=Uab。在AC段內(nèi)，a相電壓仍然最高，晶閘管AB繼續(xù)導(dǎo)通，電流從a相繞組流出，經(jīng)過(guò)AB負(fù)荷和CB。晶閘管BA承受反向電壓而關(guān)斷，所以電流回到c相繞組。b相繞組內(nèi)的電流為正，c相繞組內(nèi)的電流為負(fù)。負(fù)荷電壓Ud=Uac。在AB和AC段內(nèi)，由于負(fù)荷的電感量較大，流過(guò)AB的電流也保持不變。在BC段內(nèi)，b相電壓最高，晶閘管BC因得到觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通，由于b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電位，所以晶閘管AB因承受反向電壓而關(guān)斷。電流從b相繞組流出。在這一段內(nèi)，c相電壓仍然最低，晶閘管CB繼續(xù)導(dǎo)通。負(fù)荷電壓Ud=Ubc。在BA段內(nèi)，BC和AC導(dǎo)通，Ud=Uba。在CA段內(nèi)，AC和CA導(dǎo)通，Ud=Uca。在CB段內(nèi)，CA和BA導(dǎo)通，Ud=Ucb。 上面圖5是不同時(shí)的輸出電壓波形給出了在感性負(fù)載電流非斷續(xù)的狀態(tài)下，不同角下的輸出電壓的波形，其中的狀態(tài)稱為整流橋的逆變工作狀態(tài)，其實(shí)質(zhì)是負(fù)載向電網(wǎng)反饋能量。(1)二極管電壓額定值；二極管的耐壓可按式(32)確定，根據(jù)電網(wǎng)電壓，考慮到其峰值、電壓波動(dòng)等因素。，安全系數(shù)=。 （32）由于交流側(cè)電壓為380V，代入上式，可得： （33）(2)確定電流額定值I：整流二極管的電流額定值是根據(jù)其結(jié)溫而確定的，可按式(34)來(lái)確定： （34）式中：——沖擊電流值；——安全系數(shù)，取=2；將上式變形為：A （35）需要說(shuō)明的是，由于有的存在，在開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，可以使其占空比很小，這樣幾乎沒(méi)有沖擊電流，所以實(shí)際上二極管的耐流可以更小。（3）的選取；的耐壓和耐流與整流二極管是相同等級(jí)的。由于頻率較高，所以要選擇GTR、MOSFET、IGBT等工作頻率較高的自關(guān)斷器件。（4）電力電容的計(jì)算；因?yàn)槭?個(gè)脈動(dòng)整流波動(dòng)，50Hz電網(wǎng)輸入。周期為20ms，所以每個(gè)波動(dòng)的時(shí)間為20/64ms，根據(jù)公式(36)可以得到： （36）式中，取I=，t=4ms，=600V ,得到：C=可以選取3000μF/400V的電容4個(gè)串聯(lián)，這樣實(shí)際的容量為750μF，耐壓為1600V。 控制電路系統(tǒng)的概述敢應(yīng)加熱對(duì)其電源提出了一定的技術(shù)要求，感應(yīng)加熱電源的控制系統(tǒng)就是根據(jù)這些要求來(lái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的。在生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)不同的工藝，中頻電源不僅要輸出各種不同的功率，而且還需要在各種擾動(dòng)下維持和調(diào)整各種指標(biāo)。例如鍛坯加熱時(shí)，為保證工件的出口溫度，電源必須具有電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力，以適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)的影響。另外，在感應(yīng)加熱系統(tǒng)出現(xiàn)故障情況下，電路中會(huì)出現(xiàn)過(guò)電流和過(guò)電壓，控制系統(tǒng)中保護(hù)部分應(yīng)該負(fù)責(zé)故障的處理。因此，與其他自動(dòng)裝置一樣，中頻電源必須具備相應(yīng)的控制功能，才能有可靠的工作和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。隨著加熱工業(yè)的發(fā)展和新產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝的變化，對(duì)感應(yīng)加熱電源的控制系統(tǒng)功能的要求也更加的多樣化和智能化。 控制電路的結(jié)構(gòu)與原理控制電路包括整流控制電路、逆變控制電路，保護(hù)電路等，如圖6所示。 逆變觸發(fā)電路調(diào)頻電路電壓檢測(cè)電路給定電壓比較放大電路啟動(dòng)控制同步信號(hào)電源變壓器整流觸發(fā)電路電流檢測(cè)電路移制電路濾波逆變負(fù) 載三相全控整流三組工電 源＋整流濾波給定電壓－＋－整流濾波比 較 電路圖6 感應(yīng)加熱電源控制電路整流控制電路的任務(wù)是根據(jù)各種輸入信號(hào)(給定，反饋，故障等)綜合情況發(fā)出寬度合適的脈沖，以便輸出合適的直流電壓。感應(yīng)加熱電源主要用于工業(yè)快速，均勻加熱，特點(diǎn)是隨著加熱過(guò)程的進(jìn)行，負(fù)載不斷變化，負(fù)載的固有諧振頻率變化，功率因數(shù)變化。這些變化取決于負(fù)載的電氣特性如導(dǎo)電性、滲透性、耦合系數(shù)和幾何性質(zhì)如形狀等等；同時(shí)，不同的負(fù)載需要的功率大小也不同，這樣必須對(duì)逆變器的輸出功率和頻率都做相應(yīng)的調(diào)整。也就是說(shuō)，整流側(cè)和逆變側(cè)是協(xié)調(diào)工作的。在本設(shè)計(jì)中采用的是由整流側(cè)調(diào)節(jié)功率，逆變側(cè)進(jìn)行頻率跟蹤方案。整流橋的控制一般用典型的全可控整流(在不要求移相調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓時(shí))或可控整流(需要調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓時(shí))，具體用哪一種取決于控制策略。逆變控制電路包括開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路，死區(qū)形成電路，鎖相環(huán)電路。其中，驅(qū)動(dòng)電路所產(chǎn)生的脈沖的次序和占空比由控制策略決定，硬件主要是由集成驅(qū)動(dòng)模塊及其一些外圍電路組成，也有用純模擬電路搭成的，還可以是數(shù)字與模擬電路共同合成。死區(qū)形成電路在串聯(lián)諧振型中是必不可少的，有的集成驅(qū)動(dòng)模塊中含有該單元，在設(shè)計(jì)時(shí)就可以省略；有的雖然含有一定的延遲環(huán)節(jié)，但時(shí)間太短，需要另加延遲。鎖相環(huán)電路的目的是跟蹤負(fù)載的諧振頻率，從而控制逆變電路的工作頻率，這就是所謂的鎖相控制。一般采樣電壓取自負(fù)載電容兩端，這是由于電容對(duì)高次諧波的阻抗小，其端電壓的高次諧波分量最小，基波分量最大。以此信號(hào)作為反饋，可有效降低高次諧波的干擾，使系統(tǒng)能穩(wěn)定地跟蹤諧振頻率，再加上適當(dāng)?shù)钠秒娐?，可以使得工作頻率略高于諧振頻率。保護(hù)電路主要是防止過(guò)電流，短路保護(hù)。功率調(diào)節(jié)方式有三種：（1）改變功率因數(shù)z通過(guò)改變工作頻率來(lái)改變功率因數(shù)。通常，為減小器件開(kāi)關(guān)損耗，工作頻率應(yīng)大于諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點(diǎn)附近負(fù)載等效阻抗最低，如圖7所示，電流最大，因而輸出功率也最大。 f0 f1 fQ1Q3Q1Q4Q2Q4tt圖7等效阻抗的頻率特性 圖8 移相控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作當(dāng)提高工作頻率時(shí)阻抗也隨之增大，電流減小，功率因數(shù)也減小，因此輸出功率隨之減小。由此可見(jiàn)，逆變器的輸出功率可由工作頻率來(lái)調(diào)節(jié)，特別當(dāng)負(fù)載回路Q值較高時(shí)調(diào)節(jié)更靈敏。因此，直流端可為三相全控整流電源。逆變電路的工作頻率f的大小由所需的功率要求決定。這種調(diào)功方法速度快,整流電路簡(jiǎn)單。但是當(dāng)所需功率很小時(shí)，會(huì)讓系統(tǒng)工作在嚴(yán)重失諧的狀態(tài)，無(wú)功損耗大。（2）改變直流電壓移相調(diào)功是通過(guò)移相控制，即每個(gè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通角相差一個(gè)相位，即移相角，通過(guò)調(diào)節(jié)移相角的大小調(diào)節(jié)負(fù)載電壓的寬度，從而調(diào)節(jié)輸出功率，如圖8所示。根據(jù)脈沖的作用先后可把橋臂分為超前臂(Q1, Q3)和滯后臂(QQ4)。移相調(diào)功時(shí)電路仍工作在諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓基波分量與負(fù)載電流同相。在兩橋臂開(kāi)關(guān)器件都關(guān)斷時(shí)，由反并聯(lián)二極管續(xù)流。（3）調(diào)頻來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率目前，高頻感應(yīng)熱處理電源采用橋式逆變電路，通過(guò)調(diào)頻的方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出功率