单逆变桥同步双频感应加热电源的研究

第4 7卷第 1 O期2 0 1 3年 1 0月

电力电子技术P o we r El e c t r o n i c s

Vo 1 . 4 7,No . 1 0

0c t o b e r 2 01 3

单逆变桥同步双频感应加热电源的研究何婷，周伟松，赵前哲( 1 .清华大学，核能与新能源技术研究院，北京 1 0 0 0 8 4;2 .华北电力大学，北京 1 0 2 2 0 6 ) 摘要：加热齿轮等表面凹凸复杂的金属工件时，采用同步双频感应加热电源有淬火均匀、加热效率高等优势。 研究了单逆变桥和复合谐振电路构成的同步双频感应加热电源，分析同步双频感应加热电源的电路结构 .对电路元件参数进行了理论计算，并利用 P S C A D软件进行仿真研究，在仿真中进一步设计了同步双频频率跟踪反馈电路，使逆变桥稳定工作在负载电路的中频和高频谐振频率上。采用 MP S系列 M O S F E T高频感应加热电源搭建实验平台，对开环电路进行实验，其结果验证了单逆变桥同步双频感应电源结构和参数的正确性。 关键词：感应加热电源；同步双频：频率跟踪中图分类号： T N 8 6 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0— 1 0 0 X ( 2 0 1 3 ) 1 0— 0 0 8 4— 0 3

Re s e a r c h o n Si mu l t a ne o us Dua l - f r e qu e n c y I nd uc t i o n He a t i ng Po we r Su ppl y Ba s e d o n Si ng l e I nv e r t e r Br i d g e

H E T i n g ,Z H O U We i— s o n g ,Z H A O Q i a n— z h e( 1 . I n s t i t u t e o fNu c l e a r a n d N e w E n e r g y T e c h n o l o y, g T s i n g h u a U n i v e r s i t y,B e j i i n g 1 0 0 0 8 4,C h i n a )Ab s t r a c t: S i mu l t a n e o u s d u a l - f r e q u e n c y i n d u c t i o n h e ti a n g p o w e r s u p p l y h a s a d v a n t a g e s i n h e ti a n g g e a r a n d o

t h e r s u r f a c e b u mp c o mp l e x me t a l wo r k p i e c e wh i c h a l e u n i f o r m s u r f a c e h a r d e n i n g, h i g h e r h e a t i n g e ic f i e n c y a n d S O o n . A d u a l - f r e q u e n c y i n d u c t i o n h e a t i n g p o we r s u p p l y wi t h a s i n g l e i n v e te r r b i r d g e a n d a c o mp o s i t e r e s o n a n t c i r c u i t a r e i n t r o - d u c e d . T h e c i r c u i t s t r u c t u r e o f d u a l - f r e q u e n c y i n d u c t i o n h e a i t n g p o w e r s u p p l y i s a n ly a z e d, a n d t h e c i r c u i t p a r a me t e r s a r e c lc a u l a t e d i n t h e o r y, t h e n s i mu l a t i o n i s ma d e b y P S CAD. A f u r t h e r d e s i g n i n s i mu l a t i o n a b o u t s i mu l t a n e o u s d u a l - f r e q u e n c y f r e q u e n c y t r a c k i n g￣e d b a c k c i r c u i t e n a b l e s t h e q u i c k l y s t a b l e w o r k i n g o n me d i u m f r e q u e n c y a n d h i g h f r e— q u e n c y r e s o n a n c e p o i n t s . h e T e x p e ime r n t a l p l a t f o m r i s d o n e b y u s i n g MOS F E T h i g h f r e q u e n c y i n d u c t i o n h e a t i n g p o w e r s u p p l y . h e T e x p e ime r n t o f o p e n l o o p c i r c u i t i s d o n e b y MOS F ET h i g h

f r e q u e n c y i n d u c t i o n h e a t i n g p o we r s u p p l y a n d t h e r e s u l t s p r o v e t h a t he t t o p o l o g i e s a n d p a r a me t e r s o f t h i s b i r d g e a r e c o r r e c t . Ke y wo r d s: i n d u c t i o n h e ti a n g p o w e r s u p p l y;s i mu l t a n e o u s d u l— a f r e q u e n c y;￣e q u e n c y t r a c k i n g

1 引言将柱状金属工件放在流过交流的感应线圈中。由于电磁感应的作用 .在金属工件中会产生与线圈电流方向相反的涡流。同时由于集肤效应的影响，金属在焦耳热作用下自身表面发热升温 .从而达到金属工件淬火的目的。感应电流在金属中

中频电流用于加热工件凹部 .高频电流用于加热工件凸出的边缘部分 .使得这类工件表面能够均匀受热，从而达到工件强度高、耐磨性好和使用寿命长的要求[ 2 J。

2电路拓扑结构2 . 1 电路拓扑结构的选择

分布不均匀，电流在径向从外到内按指数函数的

方式减小。由文献[ 1]中简化计算电流分布带宽度的公式可知，电流频率越高，电流分布带宽度越小，集肤效应越明显。但在加热形状复杂不规则的工件 (例如齿轮 )时，单一频率的电流无法满足其表

同步双频感应加热要求中频和高频的电流同时流过线圈。一种双逆变桥结构用高频电源串

联谐振产生高频电流，用中频电源并联谐振产生中频电流，最后并联叠加到线圈上，达到同步双

频加热的目的 f 3]。基于该结构，某研究院已成功搭建样机。验证了其结构和参数的正确性。但实际工程应用中，该结构需要较多元器件，体积大、

面同时被均匀加热的要求。而双频同步感应加热电 源能够有效解决这个问题，中频电流 ( O . 5~ 1 0 k H z )和高频电流 ( 1 0 0 k Hz以上 )同时流过感应线圈，定稿日期：2 0 1 3— 0 7— 0 2

不便使用。 另一种单逆变桥结构如图 1所示，由单逆变桥和复合谐振电路构成问，采用正弦脉宽调￥ J 1 ( S P WM) 算法进行驱动，使逆变产生的电流含有中频和高

作者简介：何婷 ( 1 9 8 7一),女，云南曲靖人，硕士研究生，研究方向为电气工程技术。 8 4

单逆变桥同步双频感应加热电源的研究

频两种频率分量。当电路工作在复合谐振电路的谐振点时，中频和高频的电流幅值均最大，通过感应线圈能均匀高效地对工件进行加热淬火。该结构更能满足工程化要求，这里对其进行了深入研究。

V D l辛 V D 5本 l p u 1 V s捐 D 2 V D 6vD7盍

鲎 L I C I i m

l p u l S

VD4立 VDs

图1 I司步双频感应加热电源F i g . 1 S i mu l t a n e o u s d u a l - f r e q u e n c y i n d u c t i o n h e a i t n g p o w e r s u p p l y

图3 P S C A D中主电路仿真电路图F i g .3 Ma i n c i r c u i t s i mu l a t i o n d i a g r a m b y P S C AD

2 . 2 电路谐振频率计算

图 1中的负载电路可等效为如图 2所示的谐振电路，其中感应线圈和齿轮等效到变压器初级后，等效为电感和电阻 R串联。

图 4驱动信号产生电路图Fi g .4 Dr i v i n g s i g n a l c i r c u i t

图 2双频感应加热电源谐振电路●

依据理论计算，主电路各元器件参数： L = 3 1 9 . 7 H, C 1=1 . 2 F, C 2= 0 . 0 3 6 I x F,等效负载参数： L 2= 2 4 . 3 t x H, R= 0 . 8 n,隔离变压器变比为 7: 6, 输入端直流电压为 2 0 0 V。电路仿真结果如图 5所示。

F i g .2 Th e p o we r s u p p l y r e s o n a n c e c i r c u i t

‰

v

电路的输入端阻抗为：

+ R( 1 ) Z( ( c J )= j w 4 L 1 L 2 C 1 C 2一 w 2 L 1 C广o J 2 L 2 C 2 - w C l L 2+

1w 3 L 1 C 1 C 2一 C厂w C 2

双频感应加热是通过电流作用的，应使电路阻抗最小，电流最大，谐振时取虚部为零，则有：[ w 4 L 1 L 2 C 1 C 2 - o ) 2 L l u C- l w 2 L 2 C 2 - w C 1 L 2+ 1

【 w 2= ( L 1 C l+ 2 C 2+ C 1 2±、 v/△)/ ( 2 L 1 L 2 c 1 C 2 )式中：△= (￡ 1 C 1一 L 2 C 2+ C l L 2 ) + 4 L 2 2 C 1 C 2。

考虑到中频和高频的频率范围，在选择元件时，取 C 》C 2, L >￡ 。L , C 2与其他元件参数相比都较小，因此根据实际情况忽略取值较小的项，p US

( a )通过￡ 1 C1支路的中频电流

p US

p US

l

p U

S

得到中频谐振角频率和高频谐振角频率的表达1 e 1 e 2 e 2 e

p

P

式分别为： ∞ 1= I l X/ C, ( L,+ L 2 ), c I J 2: x/ ( L 1+ L 2 )[ ( L I L 2 C 2 ) ( 3 )t f} s

( b )通过支路的高频电流

( c )通过感应线圈的电流

3 同步双频感应加热电源仿真3 . 1开环电路仿真

图 5电路仿真结果F i g .5 Ci r c u i t s i mu l a t i o n r e s u l t s

用仿真软件 P S C A D对电路进行仿真，主电路如图 3所示。逆变桥由 4组开关器件组成 H桥， 在 V 桥臂中，二极管 V D 与开关器件串联， V D

3 . 2频率跟踪电路仿真

在实际加热过程中 .齿轮与线圈的耦合电感和电阻是变化的值 .因此电路的固有频率也是变

为反并联快恢复二极管。如果无 V D , VD , V 的体二极管的反向恢复时间长， v的反向恢复损耗大。驱动电路以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，通过自然采样法得到 P WM波 .并设置一定的死区时间后作为驱动信号 p u l s e l ( p u l s e l P )

化的。所以对同步双频感应加热电源进行频率跟踪控制可保证电源正常稳定工作，具有重要意义。 频率跟踪电路的结构如图 6

所示 .用电流互感器将流入感应线圈的电流采样出来。分别通过

低通和高通滤波器得到分离的中频电流信号和高频电流信号。图 3中逆变后的电压高频分量的8 5

和 p u l s e 2 ( p u l s e 2 P),如图 4所示。

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相位与反向三角波一致，取反向三角波整形后信号为电压的高频信号， 中频分量的相位与正弦波一致，取正弦波整形后信号为电压的中频信号。

定在 1 7 7 . 3 1 k H z,如图 7 b所示，与理论计算的 7 . 8 3 k H z及 1 7 6 . 5 1 k Hz相符。电路工作在谐振点上，电路的电压与感应线圈中电流无相位差 .通过感应线圈上的电流幅值最大，如图 7 c所示，仿真结果验证了电路设计的可行性。

4开环硬件实验结果

丽咧习雁骂一雨丽一

利用已有的 MP S系列 MO S F E T高频感应加热电源搭建实验平台。对中等大小的齿轮工件进行加热 .各元件参数与开环仿真参数基本一致 .较小功率下逆变桥输出电流波形如图 8所示。该电流波形含有中频和高频两种频率分量。中频频率

为8 . 7 k H z,高频频率为 1 7 4 . 6 k H z。负载电路工作中频电流信号和中频电压信号经过鉴相器( P D)得到中频电压与中频电流之间的相位差，再

在谐振点附近，中频电流和高频电流幅值均最大 . 实验结果与理论计算及仿真分析基本一致。

经低通滤波器 ( L P F )得到电平信号。当电压相位超前于电流相位时， L P F输出正电平：当电压相位

滞后于电流相位时， L P F输出负电平，反馈到正弦波的频率输入端，调整正弦波的频率。首先给正弦波一个初始的频率，一定延时后，接通反馈，这时正弦波的频率是通过反馈调整后的新频率。同样，高频信号的电压电流相位差反馈到三角波的频率输入端。通过反馈引入频率跟踪调节，能够使电路快速响应 .稳定工

作到谐振点上。图 7示出频率跟踪仿真结果。图 8逆变桥输出电流实验波形F i g .8 Ex p e r i me n t a l wa v e f o r ms o f i n v e r t e r o u t p u t c u r r e n t

5 结论推导了单逆变桥同步双频感应加热电源拓扑结构的谐振角频率。同时利用 P S C A D软件构建了仿真模型 .并依据理论参数搭建了开环实验电路，

其结果与理论推导及仿真分析相吻合，表明了电路结构的可行性，验证了理论计算的正确性。同时

在仿真中。进一步设计了同步双频频率跟踪反馈

} i {

电路 .使负载电路可稳定工作在其中频和高频谐振点附近。对今后频率跟踪闭环电路的搭建起到良好的指导作用。

t| s

t{

参考文献【 1] 潘天明.现代感应加热装置【 M] .北京：冶金工业出版社. 1 9 9 6 .

( b )高频变化过程

( c )感应线圈上通过的电流

图 7频率跟踪仿真结果F i g . 7 F r e q u e n c y t r a c k i n g s i mu l a t i o n r e s u l t s

【 2] 张

珀，马柏辉 .齿轮齿廓淬火与同步双频感应技术[ J】 .

金属热处理， 2 0 1 0, 3 5 ( 6 ): 1 2 7— 1 2 9 .

为了清楚验证频率跟踪的效果，给定三角波初始频率为 2 k H z,正弦波初始频率为 1 k H z,在延时 0 . 0 0 1 s后接通频率跟踪，正弦波频率被快速调节到中频谐振频率，稳定在 7 . 8 3 k H z,如图 7 a

【 3】王娅琦，周伟松，赵前哲 .同步双频感应加热电源的研

究[ J] .电力电子技术， 2 0 1 3, 4 7 ( 1 ): 1 8— 2 0 .【 4] V E s t e v e, J P a r d o, J J o r d a n, e t 1. a H i g h P o w e r R e s o n a n t

I n v e r t e r Wi t h S i m u l t a n e o u s D u l— a f r e q u e n c y O u t p u t[ A] . I E—E E P E S C’ o 5[ c] . 2 0 0 5: 1 2 7 8 - 1 2 8 1 .

所示 .三角波频率被快速

调节到高频谐振频率，稳8 6