【正文】 GBT 綜合了MOS 和雙極晶體管的優(yōu)點，具有通態(tài) 壓降低，開關(guān)速度快，易驅(qū)動等優(yōu)點，自 1988 5 年解決了擎住問題后，大功率高速 IGBT 己成為眾多加熱電源的首選器件，頻率高達 100kHz,功率高達 MW級電源已可實現(xiàn)?？煽毓璩霈F(xiàn)后，一代又一代的電力半導(dǎo)體器件 先后問世，性能不斷改善，高耐壓和高耐流，低損耗、高頻率使得感應(yīng)加熱電源的性能和實用性得到了體現(xiàn)。可以說，感應(yīng)加熱電源的發(fā)展是諸多學(xué)科和綜合技術(shù)共同決定的。 串聯(lián)逆變器輸出可等效為低阻抗的電壓源。感應(yīng)加熱電源諧振逆變器可實現(xiàn)軟開關(guān)，但由于通常功率較大，對功率器件，無 源器件，電纜，布線，接地屏蔽等均有很多特殊要求，尤其是高頻電源。另外 ，從電路拓撲上負載結(jié)構(gòu)以三個無源元件代替原來的二個無源元件，以代替匹配變壓器實現(xiàn)高效，低成本隔離匹配。但隨著減少電網(wǎng)無功及諧波污染要求的提高，具有高功率因數(shù) (采用大功率三相功率因數(shù)校正技術(shù) )及低諧波污染電源必將成為今后發(fā)展趨勢。在這一領(lǐng)域，對感應(yīng)加熱電源的可靠性和可控性要求更高。感應(yīng)加熱的物體必須是導(dǎo)體，感應(yīng)加熱能在被加熱物體內(nèi)部直接生熱，因而熱效率高，升溫速度快，容易實現(xiàn)整體均勻加熱或局部加熱（包括表面加熱）。由上可知，感應(yīng)加熱是靠感應(yīng)線圈把電能傳遞給要加 7 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，能量是通過電磁感應(yīng)傳遞的。因為金屬工件中的感應(yīng)電動勢 2e 正比于磁通變化率，所以 1i 的頻率越高，感應(yīng)電動勢 2e 就越大。 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；實用電路是上述的組合結(jié)構(gòu)。這種電路，變壓器中有直流分量流過，降低了變壓器的效率；整流電流的脈動成分太大，對濾波電路的要求高。 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。 所以在此設(shè)計中選用了三相橋式全控整流電路。 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： 4 cosdUU ?? （ 31） 10 式中： dU —— 輸出直流電壓平均值； oU —— 電網(wǎng)相電壓； ? —— 觸發(fā)移相角。 a相繞組內(nèi)的電流為正， b相繞組內(nèi)的電流為負。 b相繞組內(nèi)的電流為正， c相繞組內(nèi)的電流為負。電流從 b相繞組流出。 在 CA 段內(nèi)， AC 和 CA導(dǎo)通， Ud=Uca。取波動系數(shù)為 ，安全系數(shù) ? =。 （ 4）電力電容的計算；因為是 6 個脈動整流波動， 50Hz 電網(wǎng)輸入。例如鍛坯加熱時，為保證工件的出口溫度，電源必須具有電壓自動調(diào)節(jié)的能力，以適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動的影響。 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，保護電路等，如圖 6所示。也就是說，整流側(cè)和逆變側(cè)是協(xié)調(diào)工作的。其中，驅(qū)動電路所產(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。以此信號作為反饋，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 0f ，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。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點附近負載等效阻抗最低，如圖 7所示，電流最大，因而輸出功率也最大。逆變電路的工作頻率 f 的大小由所需的功率要求決定。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 (Q Q4)。為了減小逆變管的開關(guān)損耗，逆變器的工作頻率大于其諧振頻率。對于整流電路、逆變電路必須在各種擾動下維持系統(tǒng)各參量 (如電流、輸出電壓等 )不偏離其設(shè)定值。 （ 4）中頻加熱電源的負載頻率必須要實現(xiàn)自動跟蹤功能。前者僅限于電源在擾動下不至于失去控制?？煽卣麟娐吩陔娋W(wǎng)電壓為 CU 的條件下把 ? 轉(zhuǎn)換成直流輸出電壓 dU ；經(jīng)過濾波電感 dL 后，逆變器將輸入直流電壓 dU 轉(zhuǎn)換為頻率為 f 的中頻電壓 NU 向負載輸出電能；負載電路將中頻電壓轉(zhuǎn)換成工件溫度 CT ，改變控制信號 OU 即可改變工件溫度 CT 。這樣系統(tǒng)在外界干擾 1d 和 2d 的作用下也能維持輸出逆變觸發(fā)電路 脈沖形成電路 Us a Ud Un f d1 Ud U0 Ut U1 U? 可控 整流 給定 電壓 d2 電壓調(diào)節(jié) 器 Tc 負載電路 電壓反饋電路 整流控制角調(diào)節(jié)器 濾波 電路 逆變 變路 給定 電壓 整流控制角調(diào)節(jié)器 Us a Ud Ud UN TC f U0 d1 負載 電路 可控 整流 逆變 電路 濾波 電路 d2 16 電壓為恒值。 經(jīng)過感應(yīng)加熱的產(chǎn)品最重要的技術(shù)指標就是溫度。由上面的分析可知，調(diào)節(jié)中頻電壓 HU 的值就可達到調(diào)節(jié)鍛件溫度的目的。 17 圖 11 感應(yīng)加熱溫度控制系統(tǒng)實際應(yīng)用中的控制系統(tǒng) 外環(huán)根據(jù)用戶給定的設(shè)定溫度 gT 和反饋的工件溫度 rT 進行 PI 調(diào)節(jié)后設(shè)定給定電壓值 sU ，內(nèi)環(huán)根據(jù) sU 和中頻電壓反饋 rU 經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)后通過整流控制角調(diào)節(jié)器設(shè)定整流的 ? 角，控制中頻電源的輸出功率。 設(shè)計的 ，其中采用電流為內(nèi)環(huán)，電壓為外環(huán)的控制方式，如圖 12所示。并聯(lián)逆變式負載采用頻率自動跟蹤，需要對單相逆變器通斷的控制，來保證負載電路為諧振回路，從而實現(xiàn)負載的功率輸出最大。同時逆變器 電流超前于電壓的角度不能太小，否則晶閘管承受反向電壓的時間太短，就不能可靠地關(guān)斷晶閘管，待負載電壓過零后，管子又將得到正向電壓，造成換向失敗，但引前觸發(fā)角不能太大，它會造成功率因數(shù)下降，輸出電壓值升高。 19 （ 1）恒時間 t 原則，即 加熱過程中始終保持引前觸發(fā)時間為恒值。 （ 2）恒功率因數(shù)原則，其目的是爐子在加熱運行過程中，始終保持引前觸發(fā)角 平為恒定值。一般過電壓是用阻容元件吸收和消耗產(chǎn)生過電壓的能量，或是選用非線性元件限制過電壓的幅度和用電子電路來實施保護等方法來抑制過電壓。它的分斷時間短（ 〈 10ms），允許能量小，分斷能力強（ 1000A）以上）。電阻還能阻止電容與線路分布電感形成的振蕩以及限制當(dāng)開關(guān)器件導(dǎo)通時，由電容放電引起的 di /dt 和浪涌電流。使用中頻感應(yīng)加熱設(shè)備可顯著提高經(jīng)濟效益，并能減輕工人勞動強度、改善生產(chǎn)環(huán)境。 21 致 謝 本論文是在指導(dǎo)老師洪新華教授的精心指導(dǎo)下完成的，他嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、勤勉的工作精神以及開闊的視野，對我產(chǎn)生了深遠的影響。 22 參考文獻 [1] 葉斌 .電力電子應(yīng)用技術(shù)及裝置 [M].北京：中國鐵道出版社， 2021. [2] 趙良炳 .電力電子技術(shù)與近代電源 .中國電源學(xué)會第十屆學(xué)術(shù)年會論文集 [C]， 2021. [3] 全亞杰 .感應(yīng)加熱電源的發(fā)展歷程與動向 [M].2021. [4] 樸興哲 .10KHz/150KW 中頻感應(yīng)加熱電源的研究 .中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全集數(shù)據(jù)庫[C]， 2021. [5] 嚴克寬，張仲超 .電氣工程和電力電子技術(shù) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2021. [6] 金如麟，譚茀娃 .電力電子技術(shù)基礎(chǔ) [M].上海：上海交通大學(xué)出版社， 2021. [7] 黃俊，王兆安 .電力電子變流技術(shù) .北京：機械工業(yè)出版社， 2021. [8] 張智娟，候立群 .電力電子技術(shù)在感應(yīng)加熱電源中的應(yīng)用 [J]. 2021. [9] 陳霞 .感應(yīng)加熱電源啟動方法研究