感應(yīng)及加熱電源的設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)能把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，干電池能把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。發(fā)電機(jī)、電池本身并不帶電，它的兩極分別有正負(fù)電荷，由正負(fù)電荷產(chǎn)生電壓(電流是電荷在電壓的作用下定向移動(dòng)而形成的)，電荷導(dǎo)體里本來就有，要產(chǎn)生電流只需要加上電壓即可，當(dāng)電池兩極接上導(dǎo)體時(shí)為了產(chǎn)生電流而把正負(fù)電荷釋放出去，當(dāng)電荷散盡時(shí)，也就荷盡流(壓)消了。干電池等叫做電源。通過變壓器和整流器，把交流電變成直流電的裝置叫做整流電源。能提供信號(hào)的電子設(shè)備叫做信號(hào)源。晶體三極管能把前面送來的信號(hào)加以放大，又把放大了的信號(hào)傳送到后面的電路中去。晶體三極管對(duì)后面的電路來說，也可以看做是信號(hào)源。整流電源、信號(hào)源有時(shí)也叫做電源。

電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，也稱電源供應(yīng)器，它提供計(jì)算機(jī)中所有部件所需要的電能。電源功率的大小，電流和電壓是否穩(wěn)定，將直接影響計(jì)算機(jī)的工作性能和使用壽命。

計(jì)算機(jī)電源是一種安裝在主機(jī)箱內(nèi)的封閉式獨(dú)立部件，它的作用是將交流電通過一個(gè)開關(guān)電源變壓器換為5V，-5V，+12V，-12V，+3.3V等穩(wěn)定的直流電，以供應(yīng)主機(jī)箱內(nèi)系統(tǒng)版，軟盤，硬盤驅(qū)動(dòng)及各種適配器擴(kuò)展卡等系統(tǒng)部件使用。通俗來講就是，一個(gè)電源壞了，另一個(gè)備份電源代替其供電?？梢酝ㄟ^為節(jié)點(diǎn)和磁盤提供電池后援來增強(qiáng)硬件的可用性。HP支持的不間斷電源(UPS)，如HP PowerTrust，可提防瞬間掉電。磁盤與供電電路的連接方式應(yīng)使鏡像副本分別連接到不同的電源上。根磁盤與其相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)由同一電源電路供電。特別是，群集鎖磁盤（當(dāng)重組群集時(shí)用作仲裁器）應(yīng)該有冗余電源，或者，它能由群集中節(jié)點(diǎn)之外的電源供電。您的HP代表可提供關(guān)于群集的電源、磁盤和LAN硬件布局方面的詳細(xì)信息。目前許多磁盤陣列和其他架裝系統(tǒng)含有多個(gè)電源輸入，它們應(yīng)部署為設(shè)備上的不同電源輸入連接到帶有兩個(gè)或三個(gè)電源輸入的獨(dú)立電路設(shè)備上，這樣，一般情況下，只要出現(xiàn)故障的電路不超過一個(gè)，系統(tǒng)就能繼續(xù)正常運(yùn)行。因此，如果群集中的所有硬件有2個(gè)或3個(gè)摘要：感應(yīng)加熱電源在金屬熔煉、鑄造、鍛造、透熱、淬火、彎管、燒結(jié)、表面熱處理、銅焊以及晶體生長等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，由于感應(yīng)加熱電源的加熱特點(diǎn)，超音頻、大功率是感應(yīng)加熱電源領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。詳細(xì)介紹了所設(shè)計(jì)的感應(yīng)加熱電源，給出了實(shí)現(xiàn)的方法和實(shí)驗(yàn)電路，并對(duì)此方法進(jìn)行了仿真。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案具有一定的可行性。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱；串聯(lián)諧振；數(shù)字鎖相環(huán)

引言

感應(yīng)加熱電源發(fā)展至今在中、低頻段已經(jīng)比較成熟，雖然新型大功率電力電子器件已取代傳統(tǒng)的晶閘管，但仍然存在不少問題，比如負(fù)載匹配、頻率跟蹤、高頻化的實(shí)現(xiàn)，高功率因數(shù)和低諧波，大容量帶來的器件的串聯(lián)均壓與并聯(lián)均流問題等。電力電子器件本身的發(fā)展對(duì)這些問題的解決起著很大的作用，同時(shí)，從控制方面也有待人們?nèi)パ芯亢桶l(fā)現(xiàn)新的方法和思路。

本文對(duì)10kHz/150kW中頻感應(yīng)加熱電源的主電路和控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用單片機(jī)控制和IGBT器件取代原有的模擬控制和晶閘管器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)老裝備的更新改造；推出主電路的參數(shù)計(jì)算公式，建立了系統(tǒng)的等效電路，負(fù)載的等效模型并分析了控制電路的結(jié)構(gòu)和原理。

1主電路的設(shè)計(jì)

所研制的10kHz/150 kW單相半橋串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源樣機(jī)的主電路結(jié)構(gòu)如圖l所示。為了減小逆變功率開關(guān)的開關(guān)損耗，逆變器的工作頻率大于其諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點(diǎn)附近的輸出功率最大，當(dāng)提高逆變器工作頻率時(shí)，負(fù)載等效阻抗增高，輸出功率減小，輸出功率因數(shù)很低，而且逆變器主開關(guān)管工作在硬開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，效率低。該電源采用串聯(lián)諧振式全橋Dc/AC逆變電路，以IGBT為主開關(guān)器件，由電流調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)組成雙閉環(huán)的PWM直流斬波器進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，用頻率跟蹤電路控制逆變器的工作頻率，使逆變器始終工作于諧振狀態(tài)，逆變器輸出功率因數(shù)接近于l，而且IGBT能始終工作在準(zhǔn)零電流開關(guān)狀態(tài)，整機(jī)工作效率較高。

圖1中：L。為感應(yīng)線圈折算到高頻變壓器初級(jí)的等效電感；

Co為串聯(lián)諧振電容；

R0為負(fù)載及線路的等效電阻。

由于采用了負(fù)載諧振技術(shù)，為保證主開關(guān)管工作于ZCS狀態(tài)，輸出功率的調(diào)節(jié)只能依靠改變逆變橋的供電電壓來實(shí)現(xiàn)。本電源的功率調(diào)節(jié)由三相不可控橋式整流電路、PWM直流斬波電路、功率控制電路等部分組成，由電流調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)組成雙閉環(huán)功率控制電路，具有調(diào)壓范圍寬，輸出穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

2控制電路結(jié)構(gòu)

2.1控制電路結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的10kH/150 kW感應(yīng)加熱器的控制電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2功率IGBT驅(qū)動(dòng)電路

本次沒計(jì)采用富士電機(jī)公司EXB系列EXB841集成化驅(qū)動(dòng)線路。EXB841是高速型(最大40kHz運(yùn)行)，采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號(hào)隔離，因此能用于交流380V的動(dòng)力設(shè)備上。IGBT通常只能承受10μs的短路電流，所以必須有快速保護(hù)電路。EXB系列驅(qū)動(dòng)器內(nèi)設(shè)有電流保護(hù)電路，根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與集電極之間的關(guān)系檢測過電流。其驅(qū)動(dòng)線路如圖3所示．

通常EXB841在過流時(shí)檢測IGBT(在門極導(dǎo)通時(shí))集-射極間的電壓，當(dāng)該電壓超過6V時(shí)，延遲10μs則判斷為過流。但在實(shí)踐中，當(dāng)IGBT集-射極間電壓為6V時(shí)，其往往已損壞，因此集電極至EXB84l的腳6串聯(lián)一個(gè)3 V穩(wěn)壓管，使EXB841檢測值由6V降低為3 V。這一改進(jìn)明顯增加了EXB84l對(duì)過流判斷的靈敏性，使線路不僅能正常地驅(qū)動(dòng)元件，而且在過流時(shí)能更有效地保護(hù)元件。

2.3過流和過壓的保護(hù)電路

IGBT的抗過流能力較弱，因此線路設(shè)計(jì)須考慮保護(hù)：主要有兩種方法：①EXB84l過流保護(hù)，但這種方式風(fēng)險(xiǎn)較大；②在電抗器和逆變橋輸入之間串一個(gè)電流傳感器，當(dāng)其輸出值超過預(yù)定值時(shí)，．方面封鎖PWM斬波脈沖，另一方面封鎖逆變脈沖。

換流過程中的電壓毛刺會(huì)引起電路產(chǎn)生過電壓，這種現(xiàn)象主要靠增加阻容吸收來克服，須注意：逆變回路二極管上也需要加阻容吸收，如圖4所示。

還有鎖相電路設(shè)計(jì)等，這里不再累述。

3整流控制電路

電路分成兩個(gè)部分，一是由DS80C320經(jīng)與反饋量計(jì)算的輸出脈寬調(diào)制PWM脈沖，一是經(jīng)光電隔離后驅(qū)動(dòng)IGBT柵極觸發(fā)電路。

驅(qū)動(dòng)波形和斬波波形如圖5～圖8所示。

4實(shí)驗(yàn)波形和結(jié)果分析

4.1工作頻率等于諧振頻率的波形

工作頻率等于諧振頻率的波形如圖9～圖15所示。

4.2工作頻率大于諧振頻率(感性)的波形

工作頻率大于諧振頻率的波形如圖16所示。

4.3結(jié)果分析和討論

由實(shí)驗(yàn)波形可以看出，系統(tǒng)在諧振工作狀態(tài)波形較好；在工作頻率遠(yuǎn)離諧振頻率時(shí)，波形發(fā)生畸變。頻率跟蹤較快，跟蹤周期范圍是10～24μs，這個(gè)跟蹤范圍對(duì)負(fù)載來說是足夠的，因?yàn)樵诩訜徇^程中，負(fù)載的阻抗變化不會(huì)太顯著。

5結(jié)語

本文介紹了所設(shè)計(jì)制作的10 kHz/150 kW感應(yīng)加熱電源樣機(jī)，在經(jīng)改造后的設(shè)備上做了部分實(shí)驗(yàn)，獲取了實(shí)際的數(shù)據(jù)和波形。具體有以下結(jié)論：

(1)采用主電路及控制電路經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)：

(2)保護(hù)手段經(jīng)實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)證明可行；

(3)鎖相控制電路能跟蹤由于負(fù)載變化引起的諧振頻率的變化，從而最佳地控制加熱的過程。

本實(shí)驗(yàn)中制作的鎖相電路能很好地跟蹤諧振頻率做跟蹤范圍是10～24μs，這個(gè)跟蹤范闈對(duì)負(fù)載來說是足夠的，在加熱過程中，負(fù)載的阻抗變化不會(huì)太顯著。電源輸入，則要求至少有三個(gè)獨(dú)立的電路，以確保群集的電路設(shè)計(jì)中沒有單點(diǎn)故障。