【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 根據(jù)不同的值，有不同的頻率特性曲線，通過分析可以知道，只有在諧振點(diǎn)附近，電壓的輸出幅值才比較大，其他的頻率上電壓輸出的幅值很小。稱這種特性為電路的選擇性。它反映了對(duì)非諧振頻率的輸入信號(hào)的抑制能力。并且值越大，頻率特性曲線越尖銳，說明值越大，電路的選擇性越好。 并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振電路如圖25所示。電源假設(shè)內(nèi)阻為零。電路的工作狀況將隨頻率的變動(dòng)而變動(dòng)。首先分析輸入導(dǎo)納隨頻率變換的特性： （）圖25 并聯(lián)諧振電路 Parallel resonant circuit并聯(lián)諧振發(fā)生的條件為：[，即此時(shí)，電路的電壓與電流同相位。 通過上式可以得到諧振時(shí)的角頻率和頻率分別為： （） （）該頻率為電路的固有頻率。并聯(lián)諧振時(shí)，輸入導(dǎo)納為最小。 （）此時(shí)輸入阻抗最大，在諧振時(shí)，輸出電壓達(dá)到最大值。并聯(lián)諧振時(shí)，有 （） （）式中的為并聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù) （）如果，則諧振時(shí)在電感和電容中會(huì)出現(xiàn)過電流，大小為電流源有效值的倍，但從兩端看進(jìn)去的等效導(dǎo)納等于零，也就是阻抗無(wú)窮大，相當(dāng)于開路。電流諧振時(shí)的向量圖如圖26所示。圖26 并聯(lián)諧振時(shí)的電流向量圖 Vector diagram of current of Parallel resonance諧振時(shí)電感的無(wú)功功率諧振時(shí)電容的無(wú)功功率所以，表明在諧振時(shí)，電感的磁場(chǎng)能量和電容的能量彼此相互交換。通過整理可以得到： （）這時(shí)必須滿足，即當(dāng)時(shí)，才是正數(shù)，才可以發(fā)生諧振。反之，電路不會(huì)發(fā)生諧振。 逆變器結(jié)構(gòu)分析逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路。直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。下面分別對(duì)這兩種電路進(jìn)行介紹。 串聯(lián)諧振式電壓型逆變器無(wú)功補(bǔ)償電容器與感應(yīng)線圈串聯(lián)的逆變器稱為串聯(lián)逆變器。其電路原理圖如圖27所示。圖27電壓型全橋逆變電路 Voltage source full bridge inverter電壓型逆變器主要有如下特點(diǎn)[7]：，或并聯(lián)有大電容相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。，交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。而交流側(cè)輸出電流波形和相位會(huì)因?yàn)樨?fù)載阻抗情況的不同而不同。，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各橋臂必須并聯(lián)反向二極管。由前面對(duì)串聯(lián)諧振回路的分析可知，對(duì)于不同的頻率，電路可能會(huì)有三種不同的工作狀態(tài)。具體如圖28所示。圖28串聯(lián)諧振逆變器的工作波形 Waves of series resonant inverter圖28所示的方波時(shí)電壓波形，這是由于直流電壓源的作用。正弦波是理想的電流波形。從圖28(a)中可以看出，電壓和電流相位一致，這是工作在諧振狀態(tài)，這時(shí)系統(tǒng)的工作頻率為諧振頻率，負(fù)載等效阻抗為電阻。逆變器一般工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，功率因數(shù)近似等于1。圖28(b)是電流超前電壓，逆變器工作在容性狀態(tài)。圖28(c)是電流滯后電壓，逆變器上作在感性狀態(tài)。其中反向二極管的作用是為了在開關(guān)管關(guān)斷期間，能夠?qū)ω?fù)載電路起到續(xù)流的作用；也就是說在關(guān)斷期間，反向二極管與負(fù)載電路形成通路。串連型逆變器是恒電壓供電，有可能由于開關(guān)管的開通關(guān)斷順序不符合要求，造成同一橋臂的直通現(xiàn)象，從而使同橋臂兩開關(guān)管出現(xiàn)過流，損壞開關(guān)器件。為了防止同一相上下兩開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源的短路，要采取“先關(guān)斷后開通”的方法。即先給應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開通信號(hào)，即在兩者之間留一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短要視器件的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快，所留的死區(qū)時(shí)間就可以越短。另外由于分布電感和電容的影響，會(huì)產(chǎn)生高壓，有可能對(duì)器件造成破壞，所以每個(gè)開關(guān)管上要并聯(lián)阻容吸收元件，這是很重要的。 并聯(lián)諧振式電流型逆變器直流電源為電流源的逆變電路稱為電流型逆變電路[8]。實(shí)際上理想直流電流源并不多見，一般是在逆變電路直流側(cè)串聯(lián)一個(gè)大電感，因?yàn)榇箅姼兄械碾娏髅}動(dòng)很小，因此可近似看成直流電流源。將補(bǔ)償無(wú)功功率的電容器與負(fù)載并聯(lián)使用，就構(gòu)成了并聯(lián)逆變器。其電路原理圖如圖29所示。圖29 電流型全橋逆變器 Current source full bridge inverter電流型逆變器主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)[9]：，相當(dāng)于電流源。直流側(cè)電流基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。，并不強(qiáng)行改變電流的方向，因此交流側(cè)輸出電流為矩形波，并且與負(fù)載阻抗角無(wú)關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位則因負(fù)載阻抗情況的不同而變化。，直流側(cè)電感起緩沖無(wú)功功率的作用。因?yàn)榉答仧o(wú)功能量時(shí)直流電流并不反向，因此不必像電壓型逆變電路那樣給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。由前面對(duì)并聯(lián)諧振回路的分析可知，對(duì)于不同的頻率，電路可能會(huì)有三種不同的工作狀態(tài)。具體如圖210所示。圖210 并聯(lián)諧振逆變器的工作波形 Waves of parallel resonance inverter圖210(a)為并聯(lián)型諧振逆變電路處于諧振狀態(tài)，此時(shí)在串聯(lián)的大電感的作用下，電流是方波，電壓波形是正弦波。在諧振狀態(tài)下，系統(tǒng)的諧振頻率是，負(fù)載等效阻抗為電阻。逆變器一般工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，功率因數(shù)近似等于1。圖210(b)為并聯(lián)型諧振逆變電路處于感性狀態(tài)。圖210(c)為并聯(lián)型諧振逆變電路處于容性狀態(tài)。并聯(lián)型逆變器是以恒電流供電，有可能由于開關(guān)管的開通關(guān)斷順序不合適，造成同一橋臂同時(shí)關(guān)斷的現(xiàn)象，造成直流電源的開路，從而破壞電路的結(jié)構(gòu)，燒壞器件。為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時(shí)關(guān)斷而引起直流側(cè)電源的開路，要采取“先開通后關(guān)斷”的方法。即先給應(yīng)開通的器件開通信號(hào)，待其開通后留一定的時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)關(guān)斷的器件發(fā)出關(guān)斷信號(hào)，即在兩者之間留一個(gè)短暫的重疊時(shí)間。重疊時(shí)間的長(zhǎng)短要視器件的開關(guān)速度而定，器件的開關(guān)速度越快，所留的重疊時(shí)間就可以越短。由于IGBT內(nèi)部封裝了反并聯(lián)二極管，因此不能承受反壓，所以串聯(lián)四個(gè)二極管。另外由于分布電感和電容的影響，會(huì)產(chǎn)生高壓，有可能對(duì)器件造成破壞，所以同串聯(lián)型諧振回路一樣每個(gè)開關(guān)管上要并聯(lián)阻容吸收元件。 電壓型逆變器和電流型逆變器的比較與選擇經(jīng)過上面對(duì)兩種諧振負(fù)載及電壓型逆變器和電流型逆變器的分析，下面對(duì)不同的諧振負(fù)載形式及其相應(yīng)的逆變器結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，如下所述：，因此，在開關(guān)管的開通和關(guān)斷過程中要注意同橋臂上下兩個(gè)開關(guān)管出現(xiàn)同時(shí)導(dǎo)通的情況，會(huì)造成電壓源的短路。這樣在進(jìn)行控制的時(shí)候就要注意必須確保同一對(duì)橋臂必須遵守先關(guān)斷在導(dǎo)通的原則。也就是說一定要保留一定量的死區(qū)時(shí)間。并聯(lián)型諧振逆變器是電流源供電，這是通過串聯(lián)一個(gè)大電感來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于電流的突然變化會(huì)使得電感產(chǎn)生很大的感應(yīng)電勢(shì)，因此應(yīng)該盡量避免電流產(chǎn)生大的波動(dòng)，這就要求開關(guān)管在換流期間必須遵循先開通后關(guān)斷的原則，也就是說要保留一定的重疊時(shí)間的存在。，因此相當(dāng)于一個(gè)恒壓源，在串聯(lián)回路中，輸出電壓波形近似于矩形波，而電流波形近似于正弦波。并聯(lián)型諧振逆變器由于串聯(lián)大電感，因此相當(dāng)于一個(gè)恒流源，在并聯(lián)回路中，輸出電流波形近似于矩形波，而電壓波形近似于正弦波。，由于并聯(lián)型諧振逆變器在直流電源段加了一個(gè)大的濾波電感，從而使得電流不能夠發(fā)生突變，因此即使逆變器發(fā)生了短路，短路電流在濾波電感的作用下也會(huì)得到抑制，這樣電路元器件的保護(hù)就比較容易。串聯(lián)型諧振逆變器的短路保護(hù)比較困難，由于電源兩端并聯(lián)了大電容，因此在逆變器短路時(shí)，電壓不能突變，但是電流的瞬間值卻很大。因此必須特別注意對(duì)電路元器件的短路保護(hù)。，采用自關(guān)斷器件時(shí)，需對(duì)每個(gè)橋臂的開關(guān)管串連同容量的快恢復(fù)二極管予以保護(hù)；串聯(lián)逆變器工作時(shí)，開關(guān)管受的反壓小，大小僅僅是開關(guān)管反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通壓降。，需對(duì)濾波大電感預(yù)充電，故控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。并聯(lián)諧振逆變器在起動(dòng)前必須預(yù)先測(cè)定負(fù)載固有頻率，然后將觸發(fā)信號(hào)頻率調(diào)整到與其近似相等，才能起動(dòng)。這一缺點(diǎn)限制了并聯(lián)諧振逆變器用于頻繁起動(dòng)的場(chǎng)合。串聯(lián)諧振逆變器起動(dòng)比較簡(jiǎn)單?？勺约ひ部伤て饎?dòng)。它激啟動(dòng)時(shí)若它激頻率與負(fù)載諧振頻率相差較大時(shí)，就會(huì)使無(wú)功電流增大，效率變低，輸出有功功率減小，器件發(fā)熱較嚴(yán)重。根據(jù)以上分析比較，從感應(yīng)加熱電源的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮，又由于該種電源需要頻繁啟動(dòng)，擬初步?jīng)Q定采用串聯(lián)諧振負(fù)載、電壓型逆變器的設(shè)計(jì)。 感應(yīng)加熱電源的調(diào)功方式感應(yīng)加熱電源是通過電磁感應(yīng)原理，利用工件的表面的集膚效應(yīng)，對(duì)工件進(jìn)行淬火以及金屬焊接等處理。由于工件的特性以及要求加熱溫度的不同，對(duì)感應(yīng)加熱設(shè)備的輸出功率要求也不同，因此要研究電源的功率調(diào)節(jié)方法，對(duì)于電流型逆變器，一般采用直接調(diào)節(jié)直流測(cè)電壓的方法進(jìn)行調(diào)功。對(duì)于電壓型逆變器，常用的調(diào)功方式包括[10]：調(diào)壓(PAM)調(diào)功、脈沖頻率(PFM)調(diào)功、脈沖密度(PDM)調(diào)功、脈沖寬度(PWM)調(diào)功、以及輸入功率調(diào)功。 調(diào)壓調(diào)功(PAM)調(diào)壓調(diào)功就是通過控制直流側(cè)的電壓的大小來(lái)調(diào)整負(fù)載的功率。調(diào)整整流電路輸出電壓一般通過兩種方式：一是通過全控整流器件，組成全控整流電路，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)角度來(lái)改變輸入電壓的大小，從而達(dá)到改變輸出功率的目的。另外一種是通過不控整流電路，先將三相電轉(zhuǎn)變成直流電路，再通過直流斬波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入電壓的調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱電源一般通過全控整流電路來(lái)進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，這種方法實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，控制方便，缺點(diǎn)是效率低下，并且由于采用控制導(dǎo)通角的方式，反應(yīng)比較慢，動(dòng)態(tài)效果不好。隨著電力電子技術(shù)中全控器件的發(fā)展，越來(lái)越多的感應(yīng)加熱電源采用直流斬波的方式進(jìn)行調(diào)功。這種調(diào)功方式動(dòng)態(tài)相應(yīng)好，但是由于斬波器件一般工作在大電流，大電壓的狀態(tài)下，因此對(duì)器件要求很高，同時(shí)器件的開關(guān)損耗相對(duì)較高。 脈沖頻率(PFM)調(diào)功由前面的分析可以知道，在、確定的情況下，負(fù)載的阻抗是隨著頻率的變化而變化的，因此如果改變脈沖的頻率，那么在電壓一定的情況下，功率會(huì)隨著負(fù)載阻抗的變化而發(fā)生變化。這種方法最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是在直流部分不用采用斬波或者全控整流電路，因此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，節(jié)約了成本。串聯(lián)負(fù)載的等效阻抗為： （）則 （）將角頻率變換為頻率。 Relation curve of series resonant freTuency and load從圖中可以看出，在串聯(lián)諧振頻率處，負(fù)載的等效阻抗最小，因此負(fù)載的輸出功率最大。然后頻率過高或者過低都使得功率降低。由于在直流側(cè)采用不控整流，因此開關(guān)管在通斷時(shí)承受的尖峰電壓很高。另外由于負(fù)載的限制，不能采用大范圍的頻率調(diào)節(jié)。因此只能適用于值較高并且要求頻率變化范圍不大的場(chǎng)合。另外由于頻率不斷的變化，會(huì)影響工件的集膚深度，從而影響工件的質(zhì)量。 脈沖密度(PDM)調(diào)功脈沖密度調(diào)功就是通過控制開關(guān)器件中的脈沖個(gè)數(shù)，從而控制逆變回路的工作狀態(tài)，達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。實(shí)際上就是控制輸入功率的時(shí)間。比如在總共個(gè)諧振周期內(nèi)，有個(gè)周期向負(fù)載輸出功率，其余個(gè)周期不輸出功率，其負(fù)載的功率以自然振蕩的方式衰減。這樣輸出脈沖的密度為共。從而將脈沖密度與輸出功率聯(lián)系起來(lái)。這種控制方式的負(fù)載不是一直工作在諧振狀態(tài)下的，在個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載是以自然頻率衰減的，有脈沖的時(shí)候要重新鎖定頻率，工作穩(wěn)定性差。同時(shí)功率調(diào)節(jié)特性不好，為有級(jí)調(diào)功方式。因此這種方式不常用。 脈沖寬度(PWM)調(diào)功PWM調(diào)制法實(shí)際上是通過控制開關(guān)管的開關(guān)時(shí)間，改變輸出脈沖的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的調(diào)節(jié)。一種方式為非移相調(diào)功的PWM，同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)的，斜對(duì)角的兩個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)是同時(shí)開通與關(guān)斷的。這類逆變器輸出電壓為方波，并且正負(fù)半波各占半個(gè)周期，這時(shí)如果改變占空比，則電壓波形就會(huì)發(fā)生變化，從而使得功率可以調(diào)節(jié)。如果在控制電路中設(shè)法使原來(lái)同相的兩個(gè)橋臂開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)錯(cuò)開一個(gè)相位角，使得負(fù)載輸出的正負(fù)電壓在交替過程中插入一段零電壓區(qū)，這樣就改變了輸出電壓的有效值，最終調(diào)節(jié)了輸出頻率，這種調(diào)功方式被稱為移相調(diào)功[11]。目前一般逆變器的移相調(diào)功的工作頻率是固定的，不需要考慮負(fù)載在不同工作頻率下的特性。而在感應(yīng)加熱電源中的移相PWM要求工作頻率必須能跟蹤負(fù)載的諧振頻率。所以這種調(diào)節(jié)方式在移相調(diào)功的同時(shí)，還應(yīng)用了負(fù)載頻率跟蹤技術(shù)，使電流過零信號(hào)與基準(zhǔn)橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步，通過調(diào)節(jié)逆變橋移相臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)與定相臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的移相角，使得負(fù)載輸出的正負(fù)交替電壓之間插入一個(gè)零電壓區(qū)來(lái)改變輸出電壓脈寬，從而調(diào)節(jié)基波電壓的幅值，實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。這種控制方案在負(fù)載頻率跟蹤時(shí)會(huì)改變電路的工作頻率，此時(shí)的頻率跟蹤移相PWM控制實(shí)際上是一種PFMPWM混合功率調(diào)節(jié)方案。在這種控制方案下電路中的功率開關(guān)器件易實(shí)現(xiàn)ZVS或ZCS軟開關(guān)，可以減少器件開關(guān)損耗，克服了整流調(diào)功和PFM調(diào)功的缺點(diǎn)，該方法功率調(diào)節(jié)范圍寬、速度快、功率因數(shù)高、負(fù)載適應(yīng)性好，是目前一種較好的控制方案。而根據(jù)輸出電壓和輸出電流的相位關(guān)系有三種移相PWM調(diào)功方式[12]：(a) 容性移相PWM調(diào)功方式：輸出電壓相位滯后輸出電流。(b) 感性移相PWM調(diào)功方式：輸出電壓相位超前輸出電流。(c) 諧振移相PWM調(diào)功方式：輸出電壓相位與輸出電流同相位。以下對(duì)上述三種移相PWM調(diào)功控制方式特點(diǎn)及基本原理分別進(jìn)行分析如下：(1) 容性移相PWM調(diào)功方式如前所述，容性工作狀態(tài)即輸出電壓滯后于輸出電流，這種調(diào)功方式為保持定相臂驅(qū)動(dòng)脈沖前沿與電流相位的固定關(guān)系，當(dāng)移相臂滯后定向臂角時(shí)，逆變器的開關(guān)頻率始終低于負(fù)載諧振頻率，電路工作在容性狀態(tài)下，輸出電壓相位滯后輸出電流，在這種方式下，反并聯(lián)二極管DD2不導(dǎo)通，但DD4是在大電流下?lián)Q流到TT3，二極管關(guān)斷時(shí)有較大反向恢復(fù)電流。開關(guān)器件Tl、T2各導(dǎo)通，在零電流條件下開通和關(guān)斷，