單橋“寄生中頻”雙頻感應加熱電源的研究

（鄭州大學信息工程學院，河南 鄭州 450000）

感應加熱是利用電磁感應現(xiàn)象，在時變的磁場中產生渦流，從而對導電體進行加熱。感應加熱技術廣泛應用于焊接、熱處理、黑金屬熔煉等傳統(tǒng)工業(yè)領域，具有加熱效率高、加熱速度快、污染小、噪聲低等優(yōu)點。由于趨膚效應[1]的存在，在交變電流通過導體時，由于感應作用引起導體截面上電流分布不均勻，愈近導體表面電流密度越大。也就是在導體內部高頻率的電流會趨于導體表面。例如齒輪這種需要長期運轉的零件，它的表面磨損度很高，因此對與齒輪的表面特性要求很高[2]。采用單一頻率的電源進行加熱很難加熱均勻，故引入了雙頻感應加熱技術，采用高頻和中頻同時對齒根和齒尖進行加熱，使得齒輪硬度更大，耐磨性更高[3-4]。

目前同步雙頻感應加熱技術有兩種，分別為雙逆變橋同步雙頻感應加熱技術和SPWM控制的單逆變橋同步雙頻感應加熱技術，本文所研究的是一種新型單逆變橋“寄生中頻”雙頻感應加熱技術。

1 寄生中頻產生原理

1.1 電路拓撲結構

同步雙頻感應加熱是高頻電流和中頻電流同時加在負載上，因此負載電路應有兩個諧振點使得負載工作在高頻和中頻諧振狀態(tài)，此時中頻和高頻的電流值最大，加熱效果最好。其電路有雙逆變橋和單逆變橋兩種拓撲結構。本文所研究的新型同步雙頻感應電源的中頻電流不是由電源驅動產生的，而是由類似于一種“寄生”的方式生成的，即電源驅動產生高頻電流，中頻電流“寄生”于高頻電流。故選用單逆變橋電源結構，電路拓撲如圖1[5]所示，由整流濾波電路、逆變電路和負載復合諧振電路組成。同時單逆變橋對比雙逆變橋結構具有結構簡單、體積小、應用價值高等優(yōu)點[6]。

圖1 單逆變橋電路拓撲結構Fig.1 Single inverter bridge circuit topology

將圖1負載電路等效為圖2所示，負載部分感應線圈與工件可等效為電感L2和電阻R的串聯(lián)。

圖2 負載等效電路Fig.2 Load equivalent circuit

電路的總阻抗為

為使加熱電流最大，阻抗應為最小，取虛部為零，則有：

考慮到中頻和高頻的取值相差很大，為了得到較明顯的雙頻，選擇元件時取 L1>L2，C1?C2，忽略較小的項，化簡約分后得：

式中：ω1為中頻諧振角頻率；ω2為高頻諧振角頻率。

1.2 雙頻產生原理

在高頻逆變器中，采用電流過零點同步頻率跟蹤方式，即在電流過零點處采集信號，給出一個同步脈沖，反饋給控制芯片，使該逆變脈沖結束，開始反向逆變脈沖。為便于分析，將復雜的逆變電路進一步等效為高頻支路和中頻支路并聯(lián)的形式，諧振頻率分別為ω1和ω2（所有電量參數(shù)高頻采用下標1，中頻采用下標2）?？傠娏鱥（i=i1+i2）采樣后作為反饋信號。逆變電路示意圖如圖3所示。

圖3 逆變電路示意圖Fig.3 Inverter circuit schematic

圖4為電流與驅動脈沖寬度的關系。由圖4中曲線可知，高頻電源啟動后，由于干擾作用，高頻電流波形會上下移動。假設其是一個正向的干擾，會導致高頻電流波形向上變化，此時高頻電流的過零點發(fā)生改變，使得正負驅動脈沖的寬度不對稱，從而在一個高頻周期內產生一個直流電壓，經電阻轉化為直流電流，使得在下一個高頻周期內高頻電流繼續(xù)向上偏移。此時正負脈沖寬度差值越來越大，形成正反饋，由于存在負載選頻網絡，高頻電流波形不會一直上移，而是包絡為正弦波且頻率與負載中頻諧振頻率相同的雙頻電流。

圖4 電流分量與脈沖寬度的關系Fig.4 Current component and pulse width

設電流過零點對應的角度為β，高頻電流為i1，干擾電流為i2，則有：

式中：i1m為高頻電流取樣值的峰值。

由控制脈沖的正負寬度不同所產生的中頻電壓為

式中：VDC為驅動脈沖的幅值。

為方便使用線性系統(tǒng)理論，將式（5）作線性化處理。在i1的過零點處作切線i，則有：

令i=0，則有：

將式（9）代入式（7），得到：

設Q?1，高頻電壓V1取逆變脈沖的基波分量，V1隨β的變化而變化，即

式（11）說明了在一個中頻周期內V1隨β的變化規(guī)律，求得β在半個中頻周期內的平均值ˉ如下式所示：

式中：i2m為中頻電流取樣值的峰值。

由式（11）和式（12）得到電壓的平均值為

在半個中頻周期內V2的平均值為

用平均值計算系統(tǒng)參數(shù)如下：

考慮低頻通道的環(huán)路增益如圖5所示。

圖5 低頻通道環(huán)路增益Fig.5 Low frequency channel loop gain

在正弦波振蕩電路中起振條件為AF>1，同理，只有滿足環(huán)路增益大于1，且在負載回路中設有中頻選頻網絡才能輸出穩(wěn)定的雙頻波形。

令環(huán)路增益G1G1H>1

式（18）為產生穩(wěn)定雙頻的條件。

1.3 過零點頻率跟蹤電路

頻率跟蹤是整個電路的關鍵，只有頻率跟蹤上，才能保證高頻電源工作在諧振點，從而采集過零點信號，反饋給控制芯片后輸出不同脈寬的信號，產生雙頻。過零點頻率跟蹤電路如圖6所示。

圖6 過零點頻率跟蹤電路Fig.6 Zero-crossing frequency tracking circuit

電路工作原理為：電流互感器采集回路電流，經全橋整流后轉化為半波信號，經R1轉化為電壓信號后輸入比較器的同向端。比較器的反向端是分壓之后略大于零的電壓信號，比較器比較后輸出一組窄方波信號，經或非門脈沖整形電路后產生窄脈沖輸入到SG3525的3腳同步端，從而輸出與電流頻率相同的驅動脈沖。

2 仿真電路分析

本實驗采用Saber軟件進行仿真，Saber是一款適合開關電源仿真的軟件，內含所需的SG2525控制芯片以及IR2110驅動芯片。本次仿真設計的高頻頻率為200 kHz，中頻頻率為10 kHz，主電路元件參數(shù)為 L1=187 μH，C1=1.2 μF，C2=0.029 5 μF，等效負載L2=24.3 μH，R=0.8 Ω，電路仿真結果如圖7所示。

圖7 電路仿真結果Fig.7 Circuit simulation results

從仿真結果可以看出，負載電流波形為穩(wěn)定的雙頻，且頻率與設定值基本一致。

3 硬件實驗結果

本實驗設計并制作了一款高頻感應加熱電源，變壓器變比為14∶1，用來實現(xiàn)電氣隔離與阻抗匹配。根據已有的加熱負載線圈和齒輪計算并選取合適的諧振電容與電感。經測量等效負載參數(shù)L2約為25 μH，R約為0.8 Ω，取諧振元件參數(shù) L1=180 μH，C1=1 μF，C2=0.03 μF，用示波器測量電流互感器采樣的變壓器次級反饋電流。

負載采樣電流的波形如圖8所示，從圖8中可以看到高頻頻率約為180 kHz，中頻頻率約為8 kHz。

圖8 負載采樣電流波形Fig.8 Load sampling current waveforms

4 結論

本文推導計算了單逆變橋雙頻的復合諧振電路的諧振頻率，提出了一種新的“寄生中頻”雙頻的產生方法，詳細分析了產生原理并通過仿真實驗對比理論分析驗證了此新型方法的可行性，為今后雙頻感應加熱開創(chuàng)了先河。其中如何控制中頻和高頻的電流頻率關系使得齒輪的加熱效果更好是此后研究的關鍵。