感應及加熱電源的設計

發(fā)電機能把機械能轉換成電能，干電池能把化學能轉換成電能。發(fā)電機、電池本身并不帶電，它的兩極分別有正負電荷，由正負電荷產(chǎn)生電壓(電流是電荷在電壓的作用下定向移動而形成的)，電荷導體里本來就有，要產(chǎn)生電流只需要加上電壓即可，當電池兩極接上導體時為了產(chǎn)生電流而把正負電荷釋放出去，當電荷散盡時，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。能提供信號的電子設備叫做信號源。晶體三極管能把前面送來的信號加以放大，又把放大了的信號傳送到后面的電路中去。晶體三極管對后面的電路來說，也可以看做是信號源。整流電源、信號源有時也叫做電源。

電源是向電子設備提供功率的裝置，也稱電源供應器，它提供計算機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，將直接影響計算機的工作性能和使用壽命。

計算機電源是一種安裝在主機箱內(nèi)的封閉式獨立部件，它的作用是將交流電通過一個開關電源變壓器換為5V，-5V，+12V，-12V，+3.3V等穩(wěn)定的直流電，以供應主機箱內(nèi)系統(tǒng)版，軟盤，硬盤驅動及各種適配器擴展卡等系統(tǒng)部件使用。通俗來講就是，一個電源壞了，另一個備份電源代替其供電。可以通過為節(jié)點和磁盤提供電池后援來增強硬件的可用性。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使鏡像副本分別連接到不同的電源上。根磁盤與其相應的節(jié)點應由同一電源電路供電。特別是，群集鎖磁盤（當重組群集時用作仲裁器）應該有冗余電源，或者，它能由群集中節(jié)點之外的電源供電。您的HP代表可提供關于群集的電源、磁盤和LAN硬件布局方面的詳細信息。目前許多磁盤陣列和其他架裝系統(tǒng)含有多個電源輸入，它們應部署為設備上的不同電源輸入連接到帶有兩個或三個電源輸入的獨立電路設備上，這樣，一般情況下，只要出現(xiàn)故障的電路不超過一個，系統(tǒng)就能繼續(xù)正常運行。因此，如果群集中的所有硬件有2個或3個摘要：感應加熱電源在金屬熔煉、鑄造、鍛造、透熱、淬火、彎管、燒結、表面熱處理、銅焊以及晶體生長等行業(yè)得到了廣泛的應用。同時，由于感應加熱電源的加熱特點，超音頻、大功率是感應加熱電源領域研究的重點之一。詳細介紹了所設計的感應加熱電源，給出了實現(xiàn)的方法和實驗電路，并對此方法進行了仿真。實驗和仿真結果表明該設計方案具有一定的可行性。

關鍵詞：感應加熱；串聯(lián)諧振；數(shù)字鎖相環(huán)

引言

感應加熱電源發(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，比如負載匹配、頻率跟蹤、高頻化的實現(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)展對這些問題的解決起著很大的作用，同時，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10kHz/150kW中頻感應加熱電源的主電路和控制電路進行了設計，采用單片機控制和IGBT器件取代原有的模擬控制和晶閘管器件，實現(xiàn)對老裝備的更新改造；推出主電路的參數(shù)計算公式，建立了系統(tǒng)的等效電路，負載的等效模型并分析了控制電路的結構和原理。

1主電路的設計

所研制的10kHz/150 kW單相半橋串聯(lián)諧振感應加熱電源樣機的主電路結構如圖l所示。為了減小逆變功率開關的開關損耗，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，則在諧振點附近的輸出功率最大，當提高逆變器工作頻率時，負載等效阻抗增高，輸出功率減小，輸出功率因數(shù)很低，而且逆變器主開關管工作在硬開關狀態(tài)，開關損耗大，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能始終工作在準零電流開關狀態(tài)，整機工作效率較高。

圖1中：L。為感應線圈折算到高頻變壓器初級的等效電感；

Co為串聯(lián)諧振電容；

R0為負載及線路的等效電阻。

由于采用了負載諧振技術，為保證主開關管工作于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。

2控制電路結構

2.1控制電路結構

所設計的10kH/150 kW感應加熱器的控制電路結構如圖2所示。

2.2功率IGBT驅動電路

本次沒計采用富士電機公司EXB系列EXB841集成化驅動線路。EXB841是高速型(最大40kHz運行)，采用具有高隔離電壓的光耦合器作為信號隔離，因此能用于交流380V的動力設備上。IGBT通常只能承受10μs的短路電流，所以必須有快速保護電路。EXB系列驅動器內(nèi)設有電流保護電路，根據(jù)驅動信號與集電極之間的關系檢測過電流。其驅動線路如圖3所示．

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

2.3過流和過壓的保護電路

IGBT的抗過流能力較弱，因此線路設計須考慮保護：主要有兩種方法：①EXB84l過流保護，但這種方式風險較大；②在電抗器和逆變橋輸入之間串一個電流傳感器，當其輸出值超過預定值時，．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。

還有鎖相電路設計等，這里不再累述。

3整流控制電路

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

驅動波形和斬波波形如圖5～圖8所示。

4實驗波形和結果分析

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結果分析和討論

由實驗波形可以看出，系統(tǒng)在諧振工作狀態(tài)波形較好；在工作頻率遠離諧振頻率時，波形發(fā)生畸變。頻率跟蹤較快，跟蹤周期范圍是10～24μs，這個跟蹤范圍對負載來說是足夠的，因為在加熱過程中，負載的阻抗變化不會太顯著。

5結語

本文介紹了所設計制作的10 kHz/150 kW感應加熱電源樣機，在經(jīng)改造后的設備上做了部分實驗，獲取了實際的數(shù)據(jù)和波形。具體有以下結論：

(1)采用主電路及控制電路經(jīng)過實際運行檢驗：

(2)保護手段經(jīng)實際運行檢驗證明可行；

(3)鎖相控制電路能跟蹤由于負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。

本實驗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，這個跟蹤范闈對負載來說是足夠的，在加熱過程中，負載的阻抗變化不會太顯著。電源輸入，則要求至少有三個獨立的電路，以確保群集的電路設計中沒有單點故障。