感应加热电源控制电路

　　感应加热电源简介

　　感应加热电源中电力电子控制电路的构成，显现出多样化组成方式，其控制方案主要是根据感应电源调功方式、加热负载特性要求等不同，控制电路的结构会有所不同。

　　感应加热电源的功率控制调节方式总体上可分为直流侧调功和逆变侧调功两种。直流侧调功又分为三相全控整流器调功和直流斩波器调压调功。逆变侧调功的控制电路方案根据加热工艺特性要求，可以采用的控制方式更灵活，常用的有调频功（PFM）、移相调功（PSM）、脉宽调制恒频调功（PWM）、脉冲密度调制调功（PDM）、调宽调制加调频调功（PWM+PFM）、脉宽调制加脉冲密度调制调功（PWM+PDM）等各种调功方式。

　　感应加热电源对金属材料加热效率最高、速度最快，且低耗环保。它已经广泛应用于各行各业对金属材料的热加工、热处理、热装配及焊接、熔炼等工艺中。感应加热电源由两部分组成，一部分是提供能量的交流电源，也称变频电源；另一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈，称感应器。

　　感应加热电源控制电路的基本组成和原则

　　（1）控制方式根据感应加热电源负载特性不同，调功方法不同，通常可采用电压反馈控制、电流反馈控制。

　　1）采用电压控制，其目的是保证输出直流母线电压恒定，也就是说加在感应加热绕组的端电压恒定。控制采样可以取自直流母线电压或逆变器电感绕组或谐振补偿电容上的电压。取样一般采用隔离式电压传感器（TV），经道算、比较处理，控制品闸管的导通角或逆变器开关管PWM驱动脉冲的相移或脉宽，达到改变直流输出到逆变器直流母线上的电压或改变逆变器输出电压的平均值（或有效值），最终因闭环负反馈的作用维持输出电压恒定。输人电压的波动，对加热电源的输出功率也就是对工件的加热温度产生较大影响，将直接影响到加热工件的产品工艺质量要求。

　　加热电源的输出功率为P=u2/Z，在负载不变的条件下，功率P与电压组或谐振补偿电容上的电压。u的平方成正比。也就是说，加热温度与电压的平方成正比。如果电压不稳定，加热温度就不均匀，对于毛坯工件加热、淬火要求温度稳定性较高的场合，必须要有自动稳压功能，否则产品质單得不到保证。

　　2）采用电流控制，其目的是保证输出直流或高频输出电流恒定。控制采样可取自直流母线电流或逆变器感应加热绕组中的电流。取样一般采用隔离式电流传感器感（TA），电流反馈信号控制的对象同电压控制，目的是达到输出电流的变化，也就是输出功率P的变化、加热温度的变化。这是因为P=IUuzuzu，因此可以看出，电压U或负载阻抗Z的变化，会引起电流I的变化，即功率或加热温度的变化。

　　3）采用功率控制，其目的是为了保证感应加热电源的恒功率输出。采样信号同时取样电压和电流信号，经乘法器处理后，经PI调节器输出与功率给定相比较，控制晶闸管的导通角或逆变器驱动脉冲信号的宽度、相移，或采用动态阻抗匹配法控制电源侧的等效阻抗与负载相等，达到功率的恒定，保证加热温度在给定的功率下恒定，满足工件加热工艺特性和质量要求。

　　（2）采用直流侧调月i调功方案的感应加热电源，其控制电路需要有锁相频率自动跟踪系统。无。论是逆变器采用脉宽调制（PwM）控制技本调功，还是采用移相（PSM）调功等，如果逆变侧不进行频率自动照際，会出现两大问题：①逆变器的开关功率器件不能很好地工作在软开关状态，开关器件承受的电压和电流应力大，除了危及器件安全外，开关损耗也增大;②因为逆变器工作频率与谐振电路的固有谐振频率不相等，逆变器回路或者说开关器件中流过较大的无功电流，而且功率因数下降，达不到最大功率输出，逆变器的效率降。频率跟踪的目的是保证逆变器的开关频率fs与谐振电路固有谐振频率of相等，电压和电流在相位上保持一致。因为电压和电流无相位差，使功率因数cos=1，获得最大功率输出。

　　锁相频率自动跟踪控制电路可以采用模拟电路来实现，比如：①通过逆变器输出电流检测取样，过零检测、整形等处理为方波信号，去控制专用脉宽调制器（PWM）集成电路的同步端;②电流信号取样后经整流、PI调节器运算后。去控制PWM集成电路的频率设置端。常用功能较全的SG3525PWM集成电路，采用模拟控制电路实现频率自动跟踪，使用起来就比较方便。SG3525的6端是频率电阻设置PT端，改变该端的电压（或电流）就能改变PWM输出脉冲的频率。将电流取样后处理的方波脉冲，加至PWM调制器SG3525的同步端3脚，就可使PWM输出脉冲的频率同步于电流的频率。

　　锁相频率自动跟踪控制电路，目前较为普遍的采用专用锁相环集成电路，如通用型CD4046、高速型锁相环MM74HC4046，还有运用单片机、数字信号处理器DSP的数字相位锁定频率跟踪器控制系统等，数字锁相环与模拟锁相处理器DSP的数字相位锁定频率跟踪器控制系统等，数字锁相环与模拟锁相。

　　（3）负载匹配控制也是感应加热电源的一项关键控制技术。根据电工学原理，当电源的输出阻抗与负载阻抗相等时，负载上可以获得最大功率。感应加热过程中负载阻抗会发生变化，如果电源的输出阻抗不能及时调整达到与负载阻抗匹配，则负载上就不可能获得最大额定输出功率，加热电源的效率就会下降。另外，如果利用同一台感应加热电源，加热负载特性不同的工件，而为了操作方便及节约成本，又不变更加热电源负载谐振电路的参数或特征阻抗，这在实际应用中是常有的事。如果此时针对不同的加热负载，适时调整加热电源的输出阻抗，达到与之匹配的日的，对于不同的加热负载，同样可以在负载上获得最大功率和最大效率。

　　负载阻抗匹配通常使用的方法是在加热电源与负载之间使用匹配变压器，调整变压器的变化，达到电源侧等效阻抗与负载阻抗相等的目的，其次可以运用电子电路控制方法，实现负载阻抗匹配。例如：通过调整逆变器开关管驱动信号的脉冲密度调节电源侧的等效阻抗，使之与负载阻抗匹配；通过调整逆变器开关管驱动信号脉冲的相移调节电源侧的等效阻抗，使之与负载阻抗匹配。匹配阻抗，实际上就是匹配功率，使电源达到最大效率。

　　（4）感应加热电源的控制系统还应包括必然性的失效故障。因此，感热电源和其他电子设备一样，也会发生偶发性資：的条件下，为使电源在电气性能参数、技术指标满足使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下，保障电源装置安全可靠，必须设计多种故障保护功能电路，一旦发生故障电源装置安全可靠，必须设计多种故障保护电路产生作用，使电源自动进入保护工作状态，或者是自动关机而停止工作，或者是自动修正参数使其进入一个正常、合理的工作状态下运行，应该说感应加热电源的诸多质量指标中，安全性、可靠性是首要原则。

　　感应加热电源保护控制功能电路应该包括什么？

　　1）过电流检测与保护。其中包括输人电流和逆变器输出电流的过电流检测与保护c出现

　　过电流时保护控制电路应及时修正参数，使电源工作在限流状态，保证电源在额定输人或输出电流之内运行。只有在严重过电流或短路故障时，可采取关机保护措施。

　　2）输入电压过电压与欠电压保护。输入电压过高或过低，对加热电源造成的危害主要表现

　　在功率器件所承受的电压或电流应力，会超出正常的额定值，造成器件损坏的可能。而且当输人电压过低时，控制电路因工作直流电压超出最低电压或既使不超出，也会引起控制电路工作不稳定，造成加热电源出现故障。

　　高频感应加热电源的触发控制电路

　　电路构成及原理

　　如图1所示，在不考虑触发、驱动隔离电路和开关器件的时延等延时情况下，无需进行相位补偿，所以，对VCO的脚3输出的三角波应由构成相位补偿电路的比较器进行过零比较，形成方波信号。该方波的前沿与ua形成的方波前沿进行锁相，实现无相差频率跟踪；由此，使三角波与ua正弦波保持同相，且无相位差的固定相位关系。三角波再分别与正、负直流电压U1和U2进行比较，得到具有重叠区的两路触发脉冲uo1和uo2，uo1和uo2与ua同相位，且实现了无相差频率跟踪。图2示出各点波形及相位关系。由上述原理可知，在不考虑电路延时情况下，脉冲对逆变器的触发使其输出电流io与ua相位差为零，从而实现了零电压开关（ZVS）。由于实际电路都存在时延，为了使逆变器的io与ua相位差为零，必须采取相位补偿措施。

　　频率跟踪PLL电路的设计

　　CD4046芯片的PD2是鉴频鉴相器，对输入方波信号的占空比没有特殊要求，能保证两路输入信号的前沿严格同步且相位差为零。采用精密波形发生器ICL8038作为VCO，只需连接少量的外部元件就能产生，并同时输出高精度的方波、三角波和正弦波；选择不同的外部电阻或电容，可得到0.001Hz～300kHz范围内任何频率的信号。由于该芯片是通过内部恒流源直接对外部定时电容进行充、放电形成三角波的，因此经缓冲电路输出，使得三角波具有更高的输出频率而不失真。图3示出采用图1原理设计的参考电路。

　　A2构成反相求和运算电路进行电平变换，调整电路参数使其输出在要求的变化范围内，并根据PD2两路输入方波前沿的相位关系而变化，自动调整VCO的振动频率，使其达到无相差锁相频率跟踪的目的。

　　相位补偿的实现

　　按照第二节的分析，在忽略电路时延的条件下，为了使逆变器的io与ua相位差为零，应使并联谐振逆变器中的开关器件在ua过零时刻换流。但在实际电路中从ua的采样比较到开关器件的开关，各电路环节都需要时间，这将引起逆变器的io滞后ua一个相角度，使得逆变器实际工作在感性负载状态。io与ua的相位差一方面是开关器件在高电压下开关，同时使电源的功率因数下降，影响功率输出。特别是在高频情况下，电路的时延将会使其不能正常工作。为此，必须在实际电路中引入相位补偿环节。

　　将模拟量三角波和直流电压U3引入到PLL环路中，通过同相电压比较器产生一滞后三角波的方波，该方波输入给鉴相器PD2脚3，其前沿与ua经同相过零比较产生的方波前沿进行无相差锁相，从而使得三角波超前ua一个ΔT时间。由于两路触发脉冲是由该三角波分别与U1，U2比较所形成的，所以两路触发脉冲超前了ua一个ΔT相位补偿时间。因为三角波的幅值不变，所以产生的ΔT也不随ua的幅值而改变，克服了由ua通过比较器产生的ΔT随ua的幅值而改变的不足。

　　相位补偿电路原理见图3。调节RP2即可改变ΔT的大小，ΔT最大为1/4个周期时间。对应不同的ΔT值，电源可分别工作在感性、容性和近谐振状态。图4示出相位补偿原理及其波形。

　　重叠区（死区）的产生

　　脉冲及重叠区的产生见图2。三角波与U1比较产生uo1，与U2比较产生uo2，调节U1和U2的大小就能改变脉冲宽度。因三角波的幅值不变，当U1和U2确定后，所产生的脉宽对应的电角度不变，即脉冲的占空比不会随工作频率的变化而改变，实现了自动脉宽调制功能。

　　应用在串联谐振逆变器时，取谐振电流（ir正弦波）作为反馈信号，将uo1，uo2取反就得到了两路具有死区的触发脉冲。