态高频感应加热设备逆变器研究

固态高频感应加热设备逆变器研究

  　感应加热设备电源在金属热处理工业中有很广泛的应用,从透热、熔炼、铸造、轧钢到淬火、回火、退火、焊接、烘干一直到一些特殊的应用如容器封口和光纤拉晶等,对国民经济发展有很大的推动作用。可以完成绝大多数工业热处理的要求。目前对感应加热电源的研究尤其是对高频开关电源的研究日益受到重视。

　　但由于国内对高频感应加热设备电源研究起步较晚,技术相对落后,多采用真空电子管电路结构,效率较低,对电力资源利用不高。为了改善高频感应加热电源整体性能,本文将LLC谐振结构应用在感应加热电源中,以应用全控功率器件为基础,对工作在高频状态下的LLC谐振回路电源的特性和LLC谐振逆变器并联系统进行了深入的分析和研究。

　　文章简单介绍国内外感应加热设备的发展现状和感应加热中几个重要概念,并从感应加热电源的拓扑、调功方式和如何扩容等几方面介绍了国内外感应加热电源的研究现状和发展方向。根据目前国内外高频感应加热电源发展中存在的问题,提出采用的LLC谐振拓扑,利用比较成熟的电力电子技术和锁相环控制设计完成高频感应加热电源。

　　在简要分析LC谐振回路的特性基础上,对LLC谐振回路的特性进行了深入的理论分析和实验研究。文章根据感应加热负载的特性和等效电路出发,以达到输出最大功率为目标,分别分析了输出电流和输出电压、输出电流和负载电流、输出电压和电容电压之间关系的幅频特性和相位特性。通过分析可知,在最大功率点处,输出电流和负载电流的比值和两个电感比值有关,因此可以通过改变电感的比值来改变电流的传输比。同时给出了输出功率的近似结果。通过仔细考虑电压型逆变器和谐振拓扑的特性,给出了LLC拓扑中各个参数选择的原则,根据分析结果选择输出电压和电容电压的相位角作为锁相控制的控制变量。

　　根据LLC谐振回路的特性,当处理一类特殊的品质因数Q值较低负载时,逆变器的输出电压电流相位角很大,增加电源开关损耗,严重影响高频电源的正常工作。因此文章引入了一种改进的LLC谐振回路,通过加入附加电感调整负载品质因数,用来降低输出电流电压相位角。理论分析和仿真结果表明这一方案可以在不改变输出功率和谐振频率的前提下很好地降低输出电流电压相位角。

　　为了提高高频固态感应加热设备电源的功率和冗余性,通过借鉴UPS中的并联技术和LLC谐振回路本身特性,考虑将LLC谐振回路应用在并联电压型逆变器中。为了减小高频电源的器件开关损耗,逆变器采用锁相技术使其工作在谐振频率,逆变控制不调节功率,因此LLC并联电源进行开环控制。文章通过对直流电压不同,输出电压相位不同和串联的电感不同等三种状态下的环流情况进行理论分析,得出开环控制并联电源抑制环流的能力较强。实验结果验证理论分析的正确性,另一方面为下一步设计和研究固态高频并联感应加热设备电源提供了依据。