感應加熱技術主電路拓撲結構及控制原理解析方案

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、易于實現機械化、自動化、無空氣污染等優(yōu)點，現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。

根據功率調節(jié)量的不同感應加熱電源有多種調功方式，調頻調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節(jié)輸出功率的目的[1]。這種調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)調整。本文正是基于調頻調功這種方式，由PWM控制芯片SG3525控制實現的加熱電源。

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，輸出采用負載串聯諧振式全橋DC/AC逆變電路。整流輸出的電壓經高壓大電容C1濾波，逆變器主開關器件Q1、Q2、Q3、Q4為IGBT,D1、D2、D3、D4為反并聯二極管。

圖1 主電路結構圖

2.2控制原理

調頻控制的原理就是：通過改變逆變器開關頻率來改變輸出阻抗以達到調節(jié)輸出功率的目的。串聯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

圖3 負載功率雖負載工作頻率變化的曲線

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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。其輸出驅動為推拉輸出形式，增加了驅動能力；內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，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，經過PI調節(jié)器產生電壓信號，該電壓信號控制3525改變驅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]。軟啟動的實現是通過緩慢調整負載工作頻率來實現的，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由下式決定：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

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現功率調節(jié)。當負載電流小于電流給定時，PI調節(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調節(jié)電路

圖7 PI調節(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）的驅動電壓和輸出電流波形，圖8b為Q2（Q3）的驅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）驅動電壓波形 b. 輸出電流和Q2（Q3）驅動電壓波形

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SG3525的特點設計的啟動電路和PI調節(jié)電路設計新穎，能夠實現加熱電源的可靠啟動和負載功率的連續(xù)調節(jié)。