感應(yīng)加熱電源常見調(diào)功方式的探討

【摘要】隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，感應(yīng)加熱技術(shù)也迅速發(fā)展。尤其是數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，使感應(yīng)加熱電源的調(diào)功技術(shù)有了新突破。本文主要對感應(yīng)加熱電源常見的幾種調(diào)功方式進(jìn)行比較，并對各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】感應(yīng)加熱技術(shù)；電源；調(diào)功方式

1.引言

感應(yīng)加熱技術(shù)主要是利用電磁感應(yīng)原理來對工件進(jìn)行加熱，它采用的是非接觸式加熱方式。由于感應(yīng)加熱過程中，能量的傳遞是以電磁波的形式進(jìn)行的，所以受外界的干擾小，能量的擴(kuò)散少，大大提高了能量的利用，提高了加熱的效率，使感應(yīng)加熱在釬焊行業(yè)、淬火行業(yè)、退火行業(yè)、金屬熔煉熱處理、機(jī)械制造、輕工及電子類的加工等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。感應(yīng)加熱電源在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)負(fù)載等效參數(shù)隨溫度的變化和加熱工藝的需要，隨時(shí)對感應(yīng)加熱電源輸出功率的進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以選擇合適的調(diào)功方式對于感應(yīng)加熱電源來說非常重要。

2.感應(yīng)加熱電源常見的調(diào)功方式

目前，感應(yīng)加熱電源的功率調(diào)節(jié)方式可分為兩大類：直流調(diào)功和逆變調(diào)功兩大類。直流調(diào)功是對逆變器直流側(cè)的輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱電源的輸出功率的目的。直流調(diào)功主要有晶閘管相控整流調(diào)壓調(diào)功和直流斬波調(diào)壓調(diào)功兩大類。逆變調(diào)功是指通過對逆變器開關(guān)管的控制，來實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。逆變調(diào)功常用移相脈沖寬度調(diào)制（PS-PWM）調(diào)功，脈沖頻率調(diào)制（PFM）調(diào)功，脈沖密度（PDM）調(diào)功等方式。

3.各種調(diào)功方式的特點(diǎn)和適用場合

（1）晶閘管相控整流調(diào)壓調(diào)功

晶閘管相控整流技術(shù)是指通過調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，使其輸出電壓值連續(xù)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)，在感應(yīng)加熱系統(tǒng)中，一般采用三相橋式相控整流電路，如圖1-1所示。這種調(diào)功方式已經(jīng)比較成熟，成本較低。但是，晶閘管相控整流調(diào)壓電路在控制角較大的情況下，輸入功率因數(shù)很低，輸入電流波形為尖峰脈沖，諧波含量很高，對電網(wǎng)形成了較大的污染。而且晶閘管整流調(diào)壓電路的EMI非常大，對周邊的電氣設(shè)備以及自身的控制電路將產(chǎn)生較大干擾。因此，晶閘管相控整流電路一般應(yīng)用在早期的感應(yīng)加熱系統(tǒng)中。

圖1-1 三相晶閘管相控整流電路圖

圖1-2 采用直流斬波調(diào)壓調(diào)功方案感應(yīng)加熱電源主電路

（2）直流斬波調(diào)壓調(diào)功

直流斬波調(diào)壓調(diào)功是指在直流母線側(cè)采用降壓斬波電路，通過改變占空比D的大小來調(diào)節(jié)直流輸出電壓Ud，實(shí)現(xiàn)對輸出功率的調(diào)節(jié)。圖1-2所示為采用直流斬波調(diào)壓調(diào)功的感應(yīng)加熱電源的主電路。

從圖1-2中可以看出，該調(diào)功方式采用二極管不可控整流電路，和以前的晶閘管相控整流電路相比提高了電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，減小了對電網(wǎng)的污染。但是Buck電路中的功率開關(guān)器件在接通和斷開時(shí)，在其器件上同時(shí)存在電壓和電流，損耗比較大，所以不適于應(yīng)用在高頻及大容量系統(tǒng)中。此外，由于感應(yīng)加熱電源需要增加額外的斬波電路及其相應(yīng)的控制回路，使得感應(yīng)加熱電源成本提高。

（3）脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)功

采用脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)功方式的感應(yīng)加熱電源主電路如圖1-3所示，其是通過調(diào)節(jié)逆變電路上開關(guān)管的一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間即改變其輸出方波的占空比從而改變輸出功率。這種方法等同普通開關(guān)電源的調(diào)制方法，調(diào)節(jié)線性好，范圍大，但是不容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。

圖1-3 采用脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)功方案的

感應(yīng)加熱電源主電路

（4）移相脈沖寬度調(diào)制（PS-PWM）調(diào)功

移相脈沖寬度調(diào)制（PS-PWM）調(diào)功電路是通過改變電角度Φ調(diào)節(jié)輸出電壓，從而調(diào)節(jié)輸出功率。這種調(diào)功方式是控制主電路中逆變器四個(gè)開關(guān)器件VT1～VT4驅(qū)動脈沖來實(shí)現(xiàn)的，如圖1-4所示。VT1，VT3不同時(shí)導(dǎo)通，VT1先導(dǎo)通，VT3后導(dǎo)通，兩者相差電角度Φ，VT4，VT2分別滯后于VT1，VT3180O。通過調(diào)節(jié)電角度Φ。實(shí)現(xiàn)功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，并有較寬的功率調(diào)節(jié)范圍，并且開關(guān)器件損耗小。但是輕載時(shí)，電角度增大，輸出電壓脈沖寬度變小，輸出電流變成近似三角波，諧波成分嚴(yán)重。還有正常工作時(shí)，該電路需要通過鎖相電路使逆變器工作在諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤有一定難度，容易發(fā)生失鎖的現(xiàn)象。

圖1-4 PSPWM控制時(shí)觸發(fā)脈沖波形

（5）脈沖頻率調(diào)制（PFM）調(diào)功

脈沖頻率調(diào)制方式的原理是通過改變逆變器輸出的角頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)負(fù)載的等效輸出阻抗的大小來實(shí)現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)載阻抗的R、L和C保持不變時(shí)，負(fù)載阻抗和逆變器的開關(guān)頻率f有關(guān)，圖1-5為串聯(lián)諧振電路的負(fù)載頻率特性。

圖1-5 串聯(lián)諧振電路的負(fù)載頻率特性

由圖1-5可以看出：當(dāng)時(shí)，逆變器工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，輸出功率最大；當(dāng)頻率低于或者高于諧振頻率時(shí)，逆變器負(fù)載的等效阻抗變大，輸出功率變小。PFM調(diào)功電路控制簡單，易于調(diào)節(jié)，但是PFM調(diào)功方式中開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，損耗較大，功率因數(shù)低，效率低，所以不適應(yīng)于高頻的感應(yīng)加熱電源。

（6）PDM調(diào)功

PDM調(diào)功方式的主電路與移相脈沖寬度調(diào)制（PS-PWM）調(diào)功方式的主電路相似，基本工作模式如圖-6所示。VT1、VT3和VT2、VT4輪流驅(qū)動導(dǎo)通若干周期后，再封鎖VT1、VT2柵極驅(qū)動信號若干周期，同時(shí)分別驅(qū)動VT3、VD4和VT4、VD3輪流導(dǎo)通，形成輸出電流i的續(xù)流回路，以保證電路諧振工作。

圖1-6 PDM控制方式原理圖

PDM調(diào)功方式的優(yōu)點(diǎn)是輸出頻率基本不變?？梢詫?shí)現(xiàn)功率開關(guān)器件的軟開關(guān)，開關(guān)損耗小，功率因數(shù)接近于1，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，所以比較適合于高頻感應(yīng)加熱電源的應(yīng)用，但PDM調(diào)功方式屬于有級調(diào)功，輸出電流的波動比較大，尤其在輕載的情況下，將出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況，并且鎖相有一定的難度。

從以上對各種常見的調(diào)功方式的分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，每種調(diào)功方式都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)在人們對各種調(diào)功方式進(jìn)行改進(jìn)，得到了很多新的調(diào)功方法，比如脈沖密度-移相（PDM-PSM）復(fù)合調(diào)制調(diào)功、復(fù)合脈沖密度（CPDM）調(diào)功等等。根據(jù)感應(yīng)加熱電源負(fù)載的實(shí)際情況，我們選擇最適合的調(diào)功方式。

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本文為江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究2012年重點(diǎn)課題《現(xiàn)代信息技術(shù)與五年制高職電子類課程整合的實(shí)踐研究》成果之一。

作者簡介：任瑋（1976—），女，大學(xué)本科，畢業(yè)于江南大學(xué)通信控制工程學(xué)院，工學(xué)碩士，講師，現(xiàn)供職于江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無錫機(jī)電分院自動化工程系，研究方向：電氣控制。