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[導讀]1.引言:感應加熱技術具有加熱溫度高、加熱效率高、速度快、加熱溫度容易控制、易于實現(xiàn)機械化、自動化、無空氣污染等優(yōu)點,現(xiàn)在感應加熱電源已廣泛用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等工業(yè)過程。根據(jù)功率調(diào)節(jié)量的不

1.引言:

感應加熱技術具有加熱溫度高、加熱效率高、速度快、加熱溫度容易控制、易于實現(xiàn)機械化、自動化、無空氣污染等優(yōu)點,現(xiàn)在感應加熱電源已廣泛用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等工業(yè)過程。

根據(jù)功率調(diào)節(jié)量的不同感應加熱電源有多種調(diào)功方式,調(diào)頻調(diào)功是通過改變逆變器工作頻率從而改變負載輸出阻抗以達到調(diào)節(jié)輸出功率的目的[1]。這種調(diào)功方式控制比較簡單,可以對電路的工作頻率進行直接控制,而且能對功率連續(xù)調(diào)整。本文正是基于調(diào)頻調(diào)功這種方式,由PWM控制芯片SG3525控制實現(xiàn)的加熱電源。

2.主電路拓撲結構和控制原理:

2.1 主電路結構:

本文設計的感應加熱電源為串聯(lián)諧振式全橋IGBT逆變電源,其逆變主電路結構如圖1所示。輸入采用三相AC/DC不控整流,輸出采用負載串聯(lián)諧振式全橋DC/AC逆變電路。整流輸出的電壓經(jīng)高壓大電容C1濾波,逆變器主開關器件Q1、Q2、Q3、Q4為IGBT,D1、D2、D3、D4為反并聯(lián)二極管。

圖1   主電路結構圖

2.2控制原理

調(diào)頻控制的原理就是:通過改變逆變器開關頻率來改變輸出阻抗以達到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。串聯(lián)諧振等效電路圖如圖2所示。

圖2  負載等效電路圖

負載等效阻抗為Z=1/jωC +jωL+R ;則|Z|= = ,其中f=1/(2π)諧振頻率。f=f0時,負載等效阻抗最小,|Z|=R,此時功率輸出最大;f >f0時,負載呈感性,且頻率越大感抗越大,功率減??;f<f0時,負載呈容性,且頻率越小容抗越大,功率減小[2]。。圖3為負載功率隨頻率變化的曲線(圖中f0為負載諧振頻率;f為負載工作頻率;P0為負載諧振狀態(tài)下的功率;P為負載工作時的功率。

圖3  負載功率雖負載工作頻率變化的曲線

3 控制電路設計

3.1 SG3525簡介

SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片。其輸出驅(qū)動為推拉輸出形式,增加了驅(qū)動能力;內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器;有過流保護功能;頻率可調(diào),同時能限制最大占空比[3]。

3.2控制電路設計

控制電路原理框圖如圖4所示,控制電路采用負載電流閉環(huán)控制。正常工作時,負載電流跟蹤電流給定值,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電壓信號,該電壓信號控制3525改變驅(qū)動頻率從而改變負載電流頻率,使負載電流跟蹤電流給定。為了防止開關器件換流開通時造成較大的尖峰電流,控制逆變器開關工作頻率略大于負載固有諧振頻率,為此在控制電路中還增加了相位限制電路,以保證加熱電源工作在弱感性狀態(tài)。

圖4  控制電路原理圖

3.2.1電源的啟動

電源穩(wěn)態(tài)運行時的狀態(tài)和啟動時是不同的,在電路剛啟動時,希望負載的工作功率從小到大逐漸增大,這樣就需要軟啟動[4]。軟啟動的實現(xiàn)是通過緩慢調(diào)整負載工作頻率來實現(xiàn)的,具體電路如圖5所示。

圖5 電源啟動電路圖

3525形成的控制脈沖信號頻率f由下式?jīng)Q定:f=1/ CT*(0.7*RT+3*RD) ;式中CT是5腳上的連接電容, RT是6腳上的連接電阻,RD 是5腳和7腳之間的連接電阻。通過改變6號腳的電流大小,實際上就等效于改變RT的大小,由公式可知, 這樣就也就調(diào)節(jié)了SG3525輸出的控制信號頻率。

如圖5所示,當三極管T導通時,電容C接地,這時6號腳電流最大,輸出的控制信號頻率最高,功率最??;當T由導通變?yōu)榻刂習r,電容C開始充電,流經(jīng)6號腳的電流開始減小,頻率降低,輸出功率開始增大,這樣就實現(xiàn)了電源的啟動。

3.2.2 相位限制

圖6為相位限制電路,3525輸出的兩路電壓驅(qū)動信號與電流反饋信號進行相位比較,當提前檢測到負載電流超前負載電壓時,輸出同步信號送3525的3號腳,這時強制使驅(qū)動脈沖關斷,從而保證負載工作在弱感性狀態(tài)。

3.2.3  PI調(diào)節(jié)電路

控制電路是以負載電流作為反饋量的,通過改變電流給定值可以改變負載電流,從而實

圖6  相位限制電路

現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。當負載電流小于電流給定時,PI調(diào)節(jié)電路輸出電壓增加,3525的6號腳電流減小,頻率減小,功率增大,負載電流增大;反之,當負載電流大于電流給定時,PI調(diào)節(jié)電路輸出電壓減小,3525的6號腳電流增大,頻率提高,功率減小,負載電流減小。圖7為PI調(diào)節(jié)電路

圖7  PI調(diào)節(jié)電路

4.實驗結果

基于以上理論分析和控制電路的設計,設計了一臺50KHZ/30KW的感應加熱電源實驗樣機。圖8a為Q1(Q4)的驅(qū)動電壓和輸出電流波形,圖8b為Q2(Q3)的驅(qū)動電壓和輸出電流波形。從圖中可知輸出電流為標準正弦波,且保持連續(xù),同時兩路驅(qū)動脈沖信號超前負載電流,表明實測結果與理論設計的要求相符合。

a.  輸出電流和Q 1(Q4)驅(qū)動電壓波形       b.  輸出電流和Q2(Q3)驅(qū)動電壓波形

圖8 負載工作在52K時的波形圖

6.結論:

實驗表明,利用SG3525設計的調(diào)頻控制的感應加熱電源電路結構簡單,工作可靠,輸出電流波形好。根據(jù)SG3525的特點設計的啟動電路和PI調(diào)節(jié)電路設計新穎,能夠?qū)崿F(xiàn)加熱電源的可靠啟動和負載功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。

參考文獻:

[1]戚宗剛, 柳鵬, 陳輝明. 感應加熱調(diào)功方式探討[J]. 金屬熱處理, 2003,28(7) .

[2]戚宗剛 .串聯(lián)感應加熱電源技術研究[C ]. 浙江大學碩士學位論文 ,2004, 22頁.

[3]李愛文, 張承慧. 現(xiàn)代逆變技術及其應用[M]. 北京:科學出版社, 2000.

[4]毛鴻, 吳兆麟, 侯振程. 感應加熱電源無相差頻率跟蹤控制電路[J].電力電子技術, 1998,2.

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