【正文】 金屬熱處理中，工藝要求工件的透入深度要在一定的范圍之內(nèi)。感應(yīng)加熱技術(shù)從誕生至今，經(jīng)過近百年的發(fā)展，取得了令人矚目的成果。20世紀(jì)50年代以前，感應(yīng)加熱電源主要有：工頻感應(yīng)熔煉爐、電磁倍頻器、中頻發(fā)電機(jī)組和電子管振蕩式高頻電源，我們稱為傳統(tǒng)電源。隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用場(chǎng)合的要求，感應(yīng)加熱電源主要有以下幾種發(fā)展趨勢(shì)：1）智能化控制。具有計(jì)算機(jī)接口、遠(yuǎn)程控制、故障自診斷等控制性能的感應(yīng)加熱電源正成為下一代發(fā)展目標(biāo)。由于感應(yīng)加熱電源一般功率都很大，目前對(duì)它的功率因數(shù)、諧波污染指標(biāo)還沒有嚴(yán)格要求，但隨著對(duì)整個(gè)電網(wǎng)無功及諧波污染要求的提高，具有高功率因數(shù)低諧波污染的電源必將成為發(fā)展趨勢(shì)。由于感應(yīng)加熱電源多用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)行工況比較復(fù)雜，因此電源逆變器與負(fù)載之間的配置方式將直接影響到電源運(yùn)行的可靠性和效率。2 電磁感應(yīng)加熱裝置的結(jié)構(gòu)電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)方框圖與電路結(jié)構(gòu)圖分別如圖21所示。 圖21 感應(yīng)加熱裝置主電路結(jié)構(gòu)框圖 Induction heating device block diagram of main circuit感應(yīng)加熱裝置各單元的功能簡(jiǎn)述如下:1）交流電源:單相220V市電；2）整流濾波:將交流電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓源；3）輸入電感:供應(yīng)近似穩(wěn)定的直流電流源與升壓的功用；4）逆變電路:DC/AC，提供可調(diào)變頻的交流電流；5）隔離驅(qū)動(dòng):進(jìn)行開關(guān)的高頻隔離驅(qū)動(dòng)工作；6）控制電路:驅(qū)動(dòng)功率器件開關(guān)的信號(hào)；7）諧振電容:與加熱負(fù)載形成RLC等效串聯(lián)或并聯(lián)諧振電路。感應(yīng)加熱的負(fù)載是感應(yīng)線圈和被加熱工件，其可等效為一個(gè)電感和電阻串聯(lián)，負(fù)載呈感性。隨著對(duì)工件的加熱，負(fù)載的固有特性會(huì)隨著溫度的升高而發(fā)生變化，尤其是在居里點(diǎn)附近，其電阻率和導(dǎo)磁率都會(huì)發(fā)生較大的改變，感應(yīng)加熱電源逆變器功率開關(guān)器件的工作頻率應(yīng)跟隨負(fù)載固有頻率的變化而變化，因此感應(yīng)加熱電源必須有很好的鎖相和頻率跟蹤能力[5][6]。根據(jù)逆變器的不同，其相應(yīng)采用的濾波環(huán)節(jié)也不同。 諧振電路基礎(chǔ)知識(shí)1）串聯(lián)諧振如圖22所示，電感L、電容C和電阻R就構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，如果將內(nèi)阻為零的電源加到此電路中，則在電路中將流過電流，即圖22 串聯(lián)諧振電路 Circuit of series resonant （21） 其模為： （22）式中 Z—串聯(lián)電路的總阻抗； X—串聯(lián)電路的總電抗。此時(shí)加在各原件上的電壓分別是： （24） （25） （26） 從式（2l）可知，電路中電流的最大值出現(xiàn)在，即時(shí)，有： （27） （28） （29） （210） 電工學(xué)中定義串聯(lián)諧振回路品質(zhì)因數(shù)： （211） 此時(shí)，即，稱的狀態(tài)為串聯(lián)諧振，由式（28）、（29）和（210）可知，諧振時(shí)外電源的電壓才全部加在電阻上，此時(shí)電感L上的電壓和電容C上的電壓在量值上完全相等而且方向相反，電壓的量值是輸入電壓值的Q倍。2）并聯(lián)諧振如圖23所示，將電阻R和電感L串聯(lián)后與電容C并聯(lián)就構(gòu)成了并聯(lián)諧振電路，同理將內(nèi)阻為零的電源加到此電路中，則在電路中將流過電流，即：圖23 并聯(lián)諧振電路圖 Circuit of parallel resonant （212） （213） （214） 因此并聯(lián)電路的總阻抗為： （215） 電路發(fā)生諧振時(shí)，式（214）的虛數(shù)項(xiàng)應(yīng)為零，即： （216） 此時(shí)諧振角頻率為： （217） 諧振時(shí)，R對(duì)角頻率的影響極小，可以忽略，則有：，頻率表示為，并聯(lián)諧振時(shí)的諧振頻率和串聯(lián)諧振時(shí)差不多，可以認(rèn)為它們相等。 電壓型串聯(lián)逆變器和電流型并聯(lián)逆變器的分析比較1）負(fù)載串聯(lián)諧振型逆變器串聯(lián)諧振型逆變器的電路結(jié)構(gòu)如圖24所示。工作時(shí)，輪流觸發(fā)VT1,4和VT2,3且使其開關(guān)頻率與負(fù)載的固有頻率相等，LC諧振槽路發(fā)生諧振，輸出正弦波電流。圖25 串聯(lián)諧振式電壓型逆變器工作原理圖 Principle picture of work of the series resonantvoltage inverter 在理想狀態(tài)下，當(dāng)時(shí)，觸發(fā)VT1,4，電流從電源正端－VT1－R－C－VT4－電源負(fù)端流通。到時(shí)刻，電流降到零，電容C上的電壓極性為左負(fù)右正。在實(shí)際應(yīng)用中，上、下橋臂MOSFET必須遵守先關(guān)斷后開通的原則，一般留有死區(qū)時(shí)間，快速二極管D1D4在MOSFET關(guān)斷時(shí)，為負(fù)載振蕩電流提供續(xù)流回路，在期間，輸出側(cè)能量通過其回饋給電源。圖26 并聯(lián)諧振式逆變器電路結(jié)構(gòu)圖 Structure diagram of parallel resonant inverter circuit 其中，是整流器輸出的脈動(dòng)直流電壓，是平波電抗器，C是補(bǔ)償電容，其與感應(yīng)加熱線圈并聯(lián)；L和R是感應(yīng)加熱線圈的等效電感和電阻。由于的作用，為平滑的直流。圖27 并聯(lián)諧振式逆變器工作原理圖 Principle picture of work of the parallel resonant inverter 此時(shí)負(fù)載回路對(duì)輸出的高頻矩形波電流中的高次諧波電流呈現(xiàn)低阻抗，對(duì)其基波電流呈現(xiàn)高阻抗，因而使輸出電壓接近正弦波。從電路原理可知電壓型串聯(lián)逆變器和電流型并聯(lián)逆變器在各種變量的波形、電路的拓?fù)?、還有電路的特性等方面都存在著對(duì)偶關(guān)系，下面對(duì)兩種逆變器的主要差別進(jìn)行比較，見表21所示：表21 電壓型逆變器和電流型逆變器的對(duì)比 Comparison of voltage inverter and current inverter電壓型逆變器電流型逆變器輸入端并聯(lián)電容，等效為電壓源輸入端串聯(lián)電感，等效為電流源負(fù)載為R、L、C串聯(lián)諧振電路負(fù)載為R及L、C并聯(lián)諧振電路輸入端電壓為恒定直流輸入端電流為恒定直流輸出電壓為方波輸出電壓為正弦波輸出電流為正弦波輸出電流為方波負(fù)載阻抗頻率特性為串聯(lián)諧振特性，因此不宜空載負(fù)載阻抗頻率特性為并聯(lián)諧振特性，因此可以空載逆變失敗，浪涌電流大，保護(hù)困難逆變失敗電流受大電抗限制，保護(hù)容易逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，可采用不控整流逆變器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，控制較復(fù)雜，需采用可控整流功率器件不需要承受反向電壓功率器件需要承受反壓，高速大容量二極管選擇困難理解和掌握上表中的對(duì)偶關(guān)系有助于分析和比較兩種逆變電路的工作原理，串聯(lián)諧振型逆變器和并聯(lián)型諧振逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路波形的對(duì)偶關(guān)系使之具有相互對(duì)偶的優(yōu)缺點(diǎn)，兩種逆變電路在具有一定的局限性的同時(shí)又都有各自適宜的應(yīng)用場(chǎng)合和范圍，因此在設(shè)計(jì)中需多角度對(duì)逆變電路形式進(jìn)行權(quán)衡和選擇。串聯(lián)諧振型逆變器不能為諧振電流提供通路，需在逆變橋臂增加續(xù)流二極管以提供續(xù)流通路，故功率器件不需要承受反壓。2）串聯(lián)諧振型逆變器對(duì)負(fù)載電路布線電感要求較低，而并聯(lián)諧振型逆變器對(duì)負(fù)載電路的布線要求相對(duì)較高。3）串聯(lián)逆變器是恒壓源供電，為避免逆變器的上、下橋臂開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通，造成電源短路，換流時(shí)，必須保證先關(guān)斷、后開通。并聯(lián)逆變器是恒流源供電，為避免濾波電抗上產(chǎn)生大的感生電勢(shì)，電流必須連續(xù)。這時(shí)，雖然逆變橋臂直通，由于足夠大，也不會(huì)造成直流電源短路，但換流時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)使系統(tǒng)效率降低，因而需要縮短換流時(shí)間。而串聯(lián)諧振電路屬于電壓諧振，諧振電容電壓為諧振電壓，在要求提供無功能量一定時(shí)，電容成本相對(duì)較低，可有效降低電源成本。另外由于電壓型逆變器可以利用逆變調(diào)功，不必像電流型逆變器那樣必須采用可控整流或直流斬波，可見采用電壓型逆變器的感應(yīng)加熱裝置在整體結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)潔。根據(jù)以上分析，本文設(shè)計(jì)一個(gè)串聯(lián)諧振式逆變電路,每個(gè)橋臂上與開關(guān)功率管反并聯(lián)的二極管在換流時(shí)起作用。L和R分別為負(fù)載中的電感和等效電阻。調(diào)節(jié)電容器C可改變負(fù)載功率因數(shù)，調(diào)節(jié)輸出功率。如果在后半周觸發(fā)另一組開關(guān)功率管，則可實(shí)現(xiàn)直流電流到交流電流轉(zhuǎn)變。由于dv/dt引起的電流持續(xù)時(shí)間短、占空比小，實(shí)際流過電容器的有效值電流與峰值電流相比很小，在這種狀態(tài)下電容器受到的最大沖擊是峰值電流。但是實(shí)際的電容器為了做得體積小、成本低，實(shí)際的電極不得不做得盡可能的薄，這樣電極的導(dǎo)電面積非常小，自然可以承受的電流就有限。這樣的工作狀態(tài)要求電容器具有很大dv/dt承受能力，所以在電流比較大的應(yīng)用場(chǎng)合，緩沖電容器通常選用聚丙烯電容器。但是，電力變換器方面的需求，并沒有通過雙極型功率晶體管和功率MOSFET得到完全的滿足。而功率MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，但是存在著不能得到高耐壓、大容量元件等的缺陷。 AC/DC整流器件選取輸入交流電壓為0～220V，輸出最大功率為=3KW，因此電路的直流電壓為: =220=310V （224）根據(jù)最大輸出功率，因此整流器輸出功率如下: === （225）因此，整流器的輸出電流為: === （226）～,選用25A/600V橋式整流器。前兩種電感主要用于各種濾波器，工作在交流條件。由于它工作在直流條件，整流濾波電感(扼流圈)的設(shè)計(jì)，受到直流磁化的影響，不得不考慮直流磁化對(duì)電感的影響。因此，選擇什么樣的材料作磁芯。由于鐵粉心的飽和磁通密度高，直流磁化影響較小，費(fèi)用低，是一種理想材料。就是說要求磁芯的直流磁化力影響較小，即具有某種恒磁導(dǎo)特性。恒磁導(dǎo)特性，亦可稱為恒電感特性，是指電感在一定的直流磁化力范圍內(nèi)其電感量不低于初始電感量的一半。制作濾波電感，選用何種磁芯材料，除了必須注意防止磁芯飽和問題外，還必須考慮到磁芯的恒磁導(dǎo)特性。電容器的主要參數(shù)是選擇使用電容器的基本依據(jù)，電容器的主要參數(shù)如下:1）額定電壓與介電強(qiáng)度電容器兩端可以持續(xù)施加的電壓，一般電容器為直流電壓，專用于交流電的則為交流有效值電壓。如電解電容器的氧化鋁介質(zhì)可以控制的非常精確，～。抑制電源電磁干擾用電容器需要更高的比值，以確保電氣安全。通常交流電容器隨頻率、電壓以及測(cè)量方法的變化而變化，只不過不同規(guī)格的電容器變化程度不一樣而已，除非要求電容量特別精確、溫度特性特別穩(wěn)定，一般電容器的電容量隨頻率的變化低于電容量的容差精度。隨著測(cè)量溫度的下降，電容器會(huì)隨之變化。電容器的容量誤差多以百分?jǐn)?shù)表示。M級(jí):士20%。Z級(jí):士80%/一20%o4）損耗因數(shù)由于漏電流、介質(zhì)吸收、等效串聯(lián)電阻等原因產(chǎn)生的損耗與工作頻率有關(guān)系。介質(zhì)在電場(chǎng)下的極化過程使分子間碰撞而消耗能量，從而產(chǎn)生損耗，因而也造成了介電系數(shù)的降。因此，電解電容器的損耗因數(shù)則以串聯(lián)等效電阻ESR同容抗l/wC之比，有時(shí)也稱損耗角正切(tanδ)表示。損耗因數(shù)標(biāo)志著電容器本身在工作時(shí)的自身損耗的大小，這個(gè)損耗的大小可定義為:在電容器被施加交流電時(shí)，每個(gè)周期電容器產(chǎn)生的損耗與每個(gè)周期電容器存儲(chǔ)的功率之比，即：損耗因數(shù)=5）等效串聯(lián)電阻電容器電極到引出端的電阻，一般箔式電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)比金屬電容器的ESR小，雙金屬化和加重金屬化的ESR比一般金屬化的ESR小，多引出線的ESR比單引出線的ESR小，平面電極板的ESR比粗糙電極板的ESR小，等等。而有的介質(zhì)雖為溫度的上升而減小，如聚丙烯。7）工作溫度范圍任何介質(zhì)都存在工作溫度范圍，過高的溫度會(huì)使介質(zhì)的物理特性發(fā)生變化(如熔化、介電強(qiáng)度下降)和化學(xué)變化(如炭化)而不再滿足電容器介質(zhì)性能的要求。8）漏電流電容器的漏電流主要是介質(zhì)的絕緣電阻不是無限大和介質(zhì)存在的缺陷(雜質(zhì))產(chǎn)生的，不同的介質(zhì)，漏電流不一樣，如鋁電解電容器的漏電流主要是由于氯、鐵、銅離子的存在而產(chǎn)生的對(duì)氧化鋁介質(zhì)的破壞以及微型原電池效應(yīng)造成的。最明顯的是鋁電解電容器，山于鋁電解電容器的負(fù)電極是電解液，當(dāng)電解液干涸后鋁電解電容器的負(fù)電極面積大大縮小，使電容量大大下降，當(dāng)電容器下降到壽命終了值，鋁電解電容器即宣告壽命終了。為了增加電容器的電容量通常將電極軋成金屬箔與絕緣介質(zhì)薄膜一同卷繞成芯子以盡可能減小體積，這樣形成了薄膜電容器。不同的介質(zhì)具有不同的電氣性能，可以根據(jù)不同的應(yīng)用選擇相應(yīng)的介質(zhì)電容器。感應(yīng)加熱線圈電感值與線圈長(zhǎng)度、線圈材料的導(dǎo)磁系數(shù)數(shù)及面積有關(guān)。加熱線圈視為一次測(cè)，加工物件視為二次測(cè)。3 感應(yīng)加熱裝置硬件設(shè)計(jì)整個(gè)裝置主要分為兩大部分：主電路部分和微機(jī)控制部分。微機(jī)控制部分可以設(shè)定加熱時(shí)間長(zhǎng)短、顯示系統(tǒng)狀態(tài)以及發(fā)出加熱命令。電路工作原理如下：在待機(jī)狀態(tài)下，PWM芯片始終輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)施加在四個(gè)開關(guān)管上，而雙向晶閘管TRIAC控制主電路不通電，所以負(fù)載兩端沒有電壓。采樣電路對(duì)負(fù)載電壓進(jìn)行采樣，并反饋到PWM芯片的相應(yīng)引腳。起動(dòng)加熱時(shí)，反饋信號(hào)會(huì)控制芯片輸出的PW