感應(yīng)加熱電源簡介

感應(yīng)加熱電源中電力電子控制電路的構(gòu)成，顯現(xiàn)出多樣化組成方式，其控制方案主要是根據(jù)感應(yīng)電源調(diào)功方式、加熱負載特性要求等不同，控制電路的結(jié)構(gòu)會有所不同。

感應(yīng)加熱電源的功率控制調(diào)節(jié)方式總體上可分為直流側(cè)調(diào)功和逆變側(cè)調(diào)功兩種。直流側(cè)調(diào)功又分為三相全控整流器調(diào)功和直流斬波器調(diào)壓調(diào)功。逆變側(cè)調(diào)功的控制電路方案根據(jù)加熱工藝特性要求，可以采用的控制方式更靈活，常用的有調(diào)頻功（pFM）、移相調(diào)功（pSM）、脈寬調(diào)制恒頻調(diào)功（pWM）、脈沖密度調(diào)制調(diào)功（pDM）、調(diào)寬調(diào)制加調(diào)頻調(diào)功（pWM+pFM）、脈寬調(diào)制加脈沖密度調(diào)制調(diào)功（pWM+pDM）等各種調(diào)功方式。

感應(yīng)加熱電源對金屬材料加熱效率最高、速度最快，且低耗環(huán)保。它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)對金屬材料的熱加工、熱處理、熱裝配及焊接、熔煉等工藝中。感應(yīng)加熱電源由兩部分組成，一部分是提供能量的交流電源，也稱變頻電源；另一部分是完成電磁感應(yīng)能量轉(zhuǎn)換的感應(yīng)線圈，稱感應(yīng)器。

感應(yīng)加熱電源控制電路的基本組成和原則

（1）控制方式根據(jù)感應(yīng)加熱電源負載特性不同，調(diào)功方法不同，通常可采用電壓反饋控制、電流反饋控制。

1）采用電壓控制，其目的是保證輸出直流母線電壓恒定，也就是說加在感應(yīng)加熱繞組的端電壓恒定。控制采樣可以取自直流母線電壓或逆變器電感繞組或諧振補償電容上的電壓。取樣一般采用隔離式電壓傳感器（TV），經(jīng)道算、比較處理，控制品閘管的導(dǎo)通角或逆變器開關(guān)管pWM驅(qū)動脈沖的相移或脈寬，達到改變直流輸出到逆變器直流母線上的電壓或改變逆變器輸出電壓的平均值（或有效值），最終因閉環(huán)負反饋的作用維持輸出電壓恒定。輸人電壓的波動，對加熱電源的輸出功率也就是對工件的加熱溫度產(chǎn)生較大影響，將直接影響到加熱工件的產(chǎn)品工藝質(zhì)量要求。

加熱電源的輸出功率為p=u2/Z，在負載不變的條件下，功率p與電壓組或諧振補償電容上的電壓。u的平方成正比。也就是說，加熱溫度與電壓的平方成正比。如果電壓不穩(wěn)定，加熱溫度就不均勻，對于毛坯工件加熱、淬火要求溫度穩(wěn)定性較高的場合，必須要有自動穩(wěn)壓功能，否則產(chǎn)品質(zhì)單得不到保證。

2）采用電流控制，其目的是保證輸出直流或高頻輸出電流恒定。控制采樣可取自直流母線電流或逆變器感應(yīng)加熱繞組中的電流。取樣一般采用隔離式電流傳感器感（TA），電流反饋信號控制的對象同電壓控制，目的是達到輸出電流的變化，也就是輸出功率p的變化、加熱溫度的變化。這是因為p=IUuzuzu，因此可以看出，電壓U或負載阻抗Z的變化，會引起電流I的變化，即功率或加熱溫度的變化。

3）采用功率控制，其目的是為了保證感應(yīng)加熱電源的恒功率輸出。采樣信號同時取樣電壓和電流信號，經(jīng)乘法器處理后，經(jīng)pI調(diào)節(jié)器輸出與功率給定相比較，控制晶閘管的導(dǎo)通角或逆變器驅(qū)動脈沖信號的寬度、相移，或采用動態(tài)阻抗匹配法控制電源側(cè)的等效阻抗與負載相等，達到功率的恒定，保證加熱溫度在給定的功率下恒定，滿足工件加熱工藝特性和質(zhì)量要求。

（2）采用直流側(cè)調(diào)月i調(diào)功方案的感應(yīng)加熱電源，其控制電路需要有鎖相頻率自動跟蹤系統(tǒng)。無。論是逆變器采用脈寬調(diào)制（pwM）控制技本調(diào)功，還是采用移相（pSM）調(diào)功等，如果逆變側(cè)不進行頻率自動照際，會出現(xiàn)兩大問題：①逆變器的開關(guān)功率器件不能很好地工作在軟開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)器件承受的電壓和電流應(yīng)力大，除了危及器件安全外，開關(guān)損耗也增大;②因為逆變器工作頻率與諧振電路的固有諧振頻率不相等，逆變器回路或者說開關(guān)器件中流過較大的無功電流，而且功率因數(shù)下降，達不到最大功率輸出，逆變器的效率降。頻率跟蹤的目的是保證逆變器的開關(guān)頻率fs與諧振電路固有諧振頻率of相等，電壓和電流在相位上保持一致。因為電壓和電流無相位差，使功率因數(shù)cos?=1，獲得最大功率輸出。

鎖相頻率自動跟蹤控制電路可以采用模擬電路來實現(xiàn)，比如：①通過逆變器輸出電流檢測取樣，過零檢測、整形等處理為方波信號，去控制專用脈寬調(diào)制器（pWM）集成電路的同步端;②電流信號取樣后經(jīng)整流、pI調(diào)節(jié)器運算后。去控制pWM集成電路的頻率設(shè)置端。常用功能較全的SG3525pWM集成電路，采用模擬控制電路實現(xiàn)頻率自動跟蹤，使用起來就比較方便。SG3525的6端是頻率電阻設(shè)置pT端，改變該端的電壓（或電流）就能改變pWM輸出脈沖的頻率。將電流取樣后處理的方波脈沖，加至pWM調(diào)制器SG3525的同步端3腳，就可使pWM輸出脈沖的頻率同步于電流的頻率。

鎖相頻率自動跟蹤控制電路，目前較為普遍的采用專用鎖相環(huán)集成電路，如通用型CD4046、高速型鎖相環(huán)MM74HC4046，還有運用單片機、數(shù)字信號處理器DSp的數(shù)字相位鎖定頻率跟蹤器控制系統(tǒng)等，數(shù)字鎖相環(huán)與模擬鎖相處理器DSp的數(shù)字相位鎖定頻率跟蹤器控制系統(tǒng)等，數(shù)字鎖相環(huán)與模擬鎖相。

（3）負載匹配控制也是感應(yīng)加熱電源的一項關(guān)鍵控制技術(shù)。根據(jù)電工學(xué)原理，當電源的輸出阻抗與負載阻抗相等時，負載上可以獲得最大功率。感應(yīng)加熱過程中負載阻抗會發(fā)生變化，如果電源的輸出阻抗不能及時調(diào)整達到與負載阻抗匹配，則負載上就不可能獲得最大額定輸出功率，加熱電源的效率就會下降。另外，如果利用同一臺感應(yīng)加熱電源，加熱負載特性不同的工件，而為了操作方便及節(jié)約成本，又不變更加熱電源負載諧振電路的參數(shù)或特征阻抗，這在實際應(yīng)用中是常有的事。如果此時針對不同的加熱負載，適時調(diào)整加熱電源的輸出阻抗，達到與之匹配的日的，對于不同的加熱負載，同樣可以在負載上獲得最大功率和最大效率。

負載阻抗匹配通常使用的方法是在加熱電源與負載之間使用匹配變壓器，調(diào)整變壓器的變化，達到電源側(cè)等效阻抗與負載阻抗相等的目的，其次可以運用電子電路控制方法，實現(xiàn)負載阻抗匹配。例如：通過調(diào)整逆變器開關(guān)管驅(qū)動信號的脈沖密度調(diào)節(jié)電源側(cè)的等效阻抗，使之與負載阻抗匹配；通過調(diào)整逆變器開關(guān)管驅(qū)動信號脈沖的相移調(diào)節(jié)電源側(cè)的等效阻抗，使之與負載阻抗匹配。匹配阻抗，實際上就是匹配功率，使電源達到最大效率。

（4）感應(yīng)加熱電源的控制系統(tǒng)還應(yīng)包括必然性的失效故障。因此，感熱電源和其他電子設(shè)備一樣，也會發(fā)生偶發(fā)性資：的條件下，為使電源在電氣性能參數(shù)、技術(shù)指標滿足使用要求的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下，保障電源裝置安全可靠，必須設(shè)計多種故障保護功能電路，一旦發(fā)生故障電源裝置安全可靠，必須設(shè)計多種故障保護電路產(chǎn)生作用，使電源自動進入保護工作狀態(tài)，或者是自動關(guān)機而停止工作，或者是自動修正參數(shù)使其進入一個正常、合理的工作狀態(tài)下運行，應(yīng)該說感應(yīng)加熱電源的諸多質(zhì)量指標中，安全性、可靠性是首要原則。

感應(yīng)加熱電源保護控制功能電路應(yīng)該包括什么？

1）過電流檢測與保護。其中包括輸人電流和逆變器輸出電流的過電流檢測與保護c出現(xiàn)

過電流時保護控制電路應(yīng)及時修正參數(shù)，使電源工作在限流狀態(tài)，保證電源在額定輸人或輸出電流之內(nèi)運行。只有在嚴重過電流或短路故障時，可采取關(guān)機保護措施。

2）輸入電壓過電壓與欠電壓保護。輸入電壓過高或過低，對加熱電源造成的危害主要表現(xiàn)

在功率器件所承受的電壓或電流應(yīng)力，會超出正常的額定值，造成器件損壞的可能。而且當輸人電壓過低時，控制電路因工作直流電壓超出最低電壓或既使不超出，也會引起控制電路工作不穩(wěn)定，造成加熱電源出現(xiàn)故障。

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