高频感应加热电源原理，感应加热电源控制电路

很多朋友对高频感应加热电源原理，感应加热电源控制电路不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

感应加热电源简介感应加热电源中电力电子控制电路的组成呈现出多样化的组成方式。控制方案主要根据感应电源的功率调节方式和加热负载特性要求。控制电路的结构会有所不同。

感应加热电源的功率控制和调节方式一般可分为直流侧功率调节和逆变侧功率调节两种。直流侧调功分为三相全控整流调功和直流斩波调功调功。逆变侧功率调节的控制电路方案可以根据加热过程特点，采用更加灵活的控制方式。常用的包括频率调制（PFM）、相移功率调制（PSM）和脉宽调制恒频功率调制（PWM）。脉冲密度调制（PDM）、调宽加频率调制（PWM+PFM）、脉宽调制加脉冲密度调制（PWM+PDM）等功率调制方式。

感应加热电源对于金属材料来说加热效率最高、速度最快，且消耗低、环保。已广泛应用于各行业金属材料的热加工、热处理、热装配、焊接、冶炼等工艺。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，也叫变频电源；另一部分是完成电磁感应能量转换的感应线圈，称为电感器。

感应加热电源控制电路的基本组成和原理(1)控制方法取决于感应加热电源的不同负载特性和功率调节方法。一般可采用电压反馈控制和电流反馈控制。

1）采用电压控制，目的是保证输出直流母线电压恒定，也就是说施加在感应加热绕组上的端电压恒定。控制样本可以取自直流母线电压或逆变器电感线圈或谐振补偿电容器上的电压。通常使用隔离电压传感器（TV）进行采样。经过计算和比较处理后，控制晶闸管的导通角或逆变器开关管的PWM驱动脉冲的相移或脉宽，以改变向逆变器输出的直流电。直流母线上的电压可能会改变逆变器输出电压的平均值（或有效值），最终由于闭环负反馈的作用，输出电压保持恒定。输入电压的波动对加热电源的输出功率，即对工件的加热温度有很大的影响，并且会直接影响被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。在负载不变的情况下，功率P与电压组别或谐振补偿电容上的电压有关。与u 的平方成正比。即加热温度与电压的平方成正比。如果电压不稳定，加热温度就会不均匀。对于毛坯工件加热淬火要求高温稳定性的场合，必须具备自动稳压功能，否则产品质量将无法保证。

2）采用电流控制，目的是保证输出直流或高频输出电流恒定。控制样本可以取自直流母线电流或逆变器感应加热绕组中的电流。采样一般采用隔离电流传感器（TA）。电流反馈信号控制的对象与电压控制相同。目的是实现输出电流的变化，即输出功率P和加热温度的变化。这是因为P=IUuzuzu，所以可见电压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，保证感应加热电源恒定功率输出。采样信号同时采样电压和电流信号。 PI调节器的输出经过乘法器处理后与给定的功率进行比较，以控制晶闸管的导通角或逆变器驱动脉冲信号的宽度和相移，或使用动态阻抗。通过匹配方法控制电源侧等效阻抗与负载相等，实现恒功率，保证给定功率下加热温度恒定，满足工件加热工艺特性和质量要求。

(2)采用直流侧功率调节方案的感应加热电源的控制电路需要锁相频率自动跟踪系统。没有任何。无论逆变器采用脉宽调制（PwM）控制技术调节功率，还是采用移相（PSM）调节功率，如果逆变侧不进行自动频率调节，都会出现两大问题：逆变器开关功率器件不能很好地工作在软开关状态。开关器件承受较大的电压和电流应力。除了危及设备的安全外，开关损耗也随之增加； 因为逆变器的工作频率与谐振电路的固有谐振频率不同。不相等，逆变电路或开关器件流过较大的无功电流，功率因数下降，无法达到最大功率输出，逆变器效率下降。频率跟踪的目的是保证逆变器的开关频率fs等于谐振电路的固有谐振频率，并且电压和电流相位一致。由于电压和电流之间没有相位差，因此功率因数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，例如： 通过逆变器输出电流检测采样、过零检测、整形等处理成方波信号，控制专用脉冲宽度调制器（PWM）集成电路同步端； 电流信号采样后，经PI调节器整流计算。控制PWM集成电路的频率设定端。常用的功能比较齐全的SG3525PWM集成电路采用模拟控制电路实现频率自动跟踪，使用更加方便。 SG3525的6号端子为频率电阻设定PT端子。改变该端子的电压（或电流）可以改变PWM输出脉冲的频率。将电流采样处理后的方波脉冲加到PWM调制器SG3525的同步端3，可以使PWM输出脉冲的频率与电流的频率同步。

锁相频率自动跟踪控制电路目前比较常用的是专用锁相环集成电路，如通用CD4046、高速锁相环MM74HC4046，以及采用单片机和数字信号处理器的数字锁相频率DSP。跟踪器控制系统等，数字锁相环和模拟锁相处理器DSP数字锁相频率跟踪器控制系统等，数字锁相环和模拟锁相。

(3)负载匹配控制也是感应加热电源的关键控制技术。根据电工原理，当电源的输出阻抗等于负载阻抗时，可以从负载获得最大功率。在感应加热过程中负载阻抗会发生变化。如果不能及时调整电源的输出阻抗以匹配负载阻抗，则无法在负载上获得最大额定输出功率，加热电源的效率也会下降。另外，如果使用同一台感应加热电源来加热不同负载特性的工件，为了操作方便和节省成本，不改变加热电源负载谐振电路的参数或特性阻抗，这是常见的在实际应用中。此时如果针对不同的加热负载及时调整加热电源的输出阻抗与之匹配，对于不同的加热负载也能在负载上获得最大的功率和效率。

负载阻抗匹配常用的方法是在加热电源与负载之间采用匹配变压器，通过调节变压器的变化来达到使电源侧等效阻抗与负载阻抗相等的目的。其次，可以采用电子电路控制方法来实现负载阻抗匹配。例如：通过调整逆变开关管驱动信号的脉冲密度，调整电源侧的等效阻抗，以匹配负载阻抗；通过调节逆变开关管驱动信号脉冲的相移，来调节电源侧的等效阻抗。将其与负载阻抗相匹配。匹配阻抗实际上意味着匹配功率，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不可避免的故障。因此，热敏电源和其他电子设备一样，也可能会出现偶发的故障：为了保证电源在电气性能参数和技术指标符合要求的情况下，满足使用要求，为了确保电源在恶劣环境和突发故障下正常运行。为了保证供电装置的安全可靠，必须设计多重故障保护功能电路。一旦发生故障，供电装置安全可靠。必须设计多重故障保护电路才能起作用，使电源自动进入保护工作状态，或自动关机停止工作。或自动修正参数，使其在正常合理的工况下运行。应该说，在感应加热电源的众多质量指标中，安全可靠是首要原则。

感应加热电源保护及控制功能电路应包括哪些内容？ 1）过流检测和保护。这包括输入电流和逆变器输出电流的过流检测和保护。

当发生过流时，保护控制电路应及时修正参数，使电源工作在限流状态，保证电源工作在额定输入或输出电流范围内。只有在发生严重过流或短路故障时，才能采取停机保护措施。

2）输入电压过压、欠压保护。输入电压过高或过低，对加热电源造成的主要危害有：

功率器件所承受的电压或电流应力将超过正常额定值，导致器件损坏的可能性。而且，当输入电压过低时，控制电路的工作直流电压超过最低电压，或者即使不超过最低电压，也会导致控制电路工作不稳定，导致加热电源不工作。故障。

高频感应加热电源触发控制电路的电路结构和原理如图1所示。在不考虑触发、驱动隔离电路和开关器件等延迟的情况下，不需要相位补偿。因此，VCO引脚3.输出的三角波要经过构成相位补偿电路的比较器进行过零比较，形成方波信号。方波前沿与ua形成的方波前沿锁相，实现无相位差的频率跟踪；这样，三角波和ua正弦波就保持固定的相位关系，同相且无相位差。然后将三角波分别与正负直流电压U1和U2进行比较，得到两个具有重叠区域的触发脉冲uo1和uo2。 uo1和uo2与ua同相，没有实现相位差频率跟踪。图2显示了各点的波形和相位关系。从上述原理可以看出，在不考虑电路延迟的情况下，逆变器的脉冲触发使输出电流io和ua之间的相位差为零，从而实现零电压开关（ZVS）。由于实际电路中存在延时，为了使逆变器io和ua之间的相位差为零，必须采取相位补偿措施。

频率跟踪锁相环电路设计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。它可以保证两个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，只需连接少量外部元件即可产生并同时输出高精度方波、三角波和正弦波；通过选择不同的外接电阻或电容，可以获得0.001Hz至300kHz范围内任意频率的信号。由于芯片通过内部恒流源直接对外部定时电容充放电形成三角波，通过缓冲电路输出，使三角波具有较高的输出频率且不失真。图3 显示了使用图1 原理设计的参考电路。

A2组成反求和运算电路进行电平转换，调整电路参数使输出在要求的范围内，并根据PD2的两个输入方波前的相位关系变化，自动调节VCO的振荡频率从而达到无相位差锁相频率跟踪的目的。

相位补偿的实现是基于第2节的分析。忽略电路延迟，为了使逆变器io和ua之间的相位差为零，应使并联谐振逆变器中的开关器件过零时刻ua换向。然而，在实际电路中，从ua的采样比较到开关器件的切换，每个电路链路都需要时间。这会导致逆变器的io滞后ua一个相位角，使得逆变器实际上工作在感性负载状态。一方面，io和ua之间的相位差导致开关器件在高电压下开关，也降低了电源的功率因数，影响功率输出。特别是在高频下，电路的延迟会使其无法正常工作。为此，在实际电路中必须引入相位补偿环节。

将模拟三角波和直流电压U3引入PLL环路，通过同相电压比较器产生滞后三角波方波。方波输入到鉴相器PD2引脚3，其前沿通过同相过零比较与ua进行比较。方波前沿锁相，无相位差，使三角波超前ua T 时间。由于两个触发脉冲是通过三角波分别与U1和U2比较形成的，因此两个触发脉冲超前ua一个T相位补偿时间。由于三角波的幅值不变化，所以产生的T不随ua的幅值变化而变化，克服了ua通过比较器产生的T随ua的幅值变化的问题。

相位补偿电路原理如图3所示。通过调节RP2可以改变T的大小，最大T为1/4周期时间。对应不同的T值，电源可分别工作在感性、容性和近谐振状态。图4所示为相位补偿原理及其波形。

重叠区（死区）脉冲的产生以及重叠区的产生如图2所示。三角波与U1比较产生uo1，与U2比较产生uo2。通过调节U1和U2的大小可以改变脉冲宽度。由于三角波的幅值保持不变，当U1和U2确定时，产生的脉冲宽度对应的电角度保持不变，即脉冲的占空比不会随着工作频率的变化而变化，实现自动脉宽调制功能。

应用于串联谐振逆变器时，以谐振电流（ir正弦波）作为反馈信号，将uo1和uo2反相，得到两个带死区的触发脉冲。

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