數(shù)字型感應(yīng)加熱電源方案分享之主電路設(shè)計(jì)

 中頻感應(yīng)加熱電源在目前的工業(yè)制造領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，也是很多工程師和廠家的重點(diǎn)關(guān)注方向之一。在今明兩天的方案分享中，我們將會(huì)通過(guò)一個(gè)系列分享的形式，為大家分享一種全新的中頻感應(yīng)加熱電源設(shè)計(jì)方案。今天要為大家分享的是這種新型感應(yīng)加熱電源的主電路設(shè)計(jì)方案，大家一起來(lái)看看吧。

在本文所設(shè)計(jì)的這種全新的數(shù)字型150kW/10kHz中頻感應(yīng)加熱電源中，其系統(tǒng)主要采用了IGBT橋式逆變器的串聯(lián)諧振式工作模式。在本方案中，我們?cè)谥飨到y(tǒng)中利用了數(shù)字鎖相環(huán)DPLL技術(shù)，不但提高了系統(tǒng)頻率跟蹤的穩(wěn)定性和可靠性，解決了模擬控制中參數(shù)隨溫度漂移的問(wèn)題，而且還具備控制靈活，電路簡(jiǎn)單，高效節(jié)能。

主電路系統(tǒng)

依據(jù)目前的市場(chǎng)需求和中頻感應(yīng)加熱電源的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要，在本方案中，我們所設(shè)計(jì)的感應(yīng)加熱設(shè)備主電路系統(tǒng)中，額定輸出功率P=150kW，輸出頻率10kHz，輸入電壓為三相AC380V。依據(jù)逆變?cè)砗蛡鹘y(tǒng)模擬系統(tǒng)存在的缺欠，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種10kHz/150kW串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源設(shè)備的主電路，這一系統(tǒng)采用電流調(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(diǎn)。

圖1 10kHz/150kW的感應(yīng)加熱電源主電路

在上述要求和設(shè)計(jì)思路下，我們所完成的數(shù)字式中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)，如上圖1所示。從圖1中我們可以看到，在這一主電路系統(tǒng)中，三相AC380V/50Hz經(jīng)進(jìn)線電抗器后加到三相不可控整流橋，輸出的直流電壓Ud經(jīng)電解電容Cd濾波成平直的電壓，通過(guò)直流斬波功率控制電路后，再加到由四個(gè)IGBT和四個(gè)反并聯(lián)二極管組成的單相全橋逆變器。逆變器輸出的電壓U0經(jīng)中頻變壓器T隔離并降壓后送到由補(bǔ)償電容C0和負(fù)載感應(yīng)器組成的串聯(lián)諧振電路的兩端。

在這一基于DSP的數(shù)字式中頻感應(yīng)加熱系統(tǒng)中，我們所設(shè)計(jì)的這一整流電路采用三相不控橋，不需要額外的控制電路與晶閘管相控整流電路相比較，提高了功率因數(shù)，減小了輸入側(cè)的EMI，且其輸出電壓值適中穩(wěn)定。由于采用了負(fù)載諧振技術(shù)，因此為保證主開(kāi)關(guān)管工作于準(zhǔn)零電流狀態(tài)(ZCS)，輸出功率的調(diào)節(jié)只能依靠改變逆變橋的供電電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，即在直流側(cè)采用Buck斬波電路通過(guò)改變占空比D的大小來(lái)調(diào)節(jié)直流輸出電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率的調(diào)節(jié)。在開(kāi)關(guān)管VT0導(dǎo)通期間，二極管D0反偏，輸入提供能量給電感，同時(shí)提供能量給負(fù)載。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感電壓使二極管D5導(dǎo)通，電感中存儲(chǔ)的能量傳送給負(fù)載。采用電感L1和電容Cd0組成低通濾波器可以得到平穩(wěn)的輸出電壓Udo，此方法控制簡(jiǎn)單方便，且工作頻率與諧振頻率可以同步，功率因數(shù)高，無(wú)功損耗小。

在圖1所展示的這一10kHz/150kW的感應(yīng)加熱電源主電路系統(tǒng)中，我們可以非常清晰的看到，該系統(tǒng)中的逆變電路是由全控器件IGBT模塊構(gòu)成的串聯(lián)諧振式逆變器。在這里我們選用西門子BSM300GB120B進(jìn)行兩單元并聯(lián)，兩組全控器件VT1、VT4和VT2、VT3交替導(dǎo)通。輸出負(fù)載所需要的中頻交流電壓U0，由于串聯(lián)諧振式逆變器的直流電源回路存在無(wú)功電流。該無(wú)功電流隨逆變器的輸出功率因數(shù)減小而增大。因此，需并接高頻濾波電容器Cd0流通無(wú)功電流。IGBT逆變器控制方式是采用移相控制兩個(gè)半橋電路，各自按照180°方波控制(上下兩個(gè)橋臂互補(bǔ)通斷)。但兩半橋的控制方波在相位上相差一定角度θ(0°≤θ小于等于180°)負(fù)載上得到輸出電壓波形為正負(fù)對(duì)稱θ寬的方波。

在這一中頻感應(yīng)加熱電源的主電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了有效減小逆變管的開(kāi)關(guān)損耗，我們所設(shè)計(jì)的逆變器的工作頻率應(yīng)當(dāng)大于其諧振頻率。若逆變器的工作電壓不變，則在諧振點(diǎn)附近的輸出功率最大。當(dāng)提高逆變器工作頻率時(shí)，負(fù)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(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，效率低。

在本方案中，我們所設(shè)計(jì)的這一數(shù)字式中頻感應(yīng)加熱電源主電路系統(tǒng)，其逆變電源選擇采用串聯(lián)諧振式全橋DC/AC逆變電路，并選擇以IGBT為主開(kāi)關(guān)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(jìn)行功率調(diào)節(jié)。該逆變電源系統(tǒng)采用數(shù)字頻率跟蹤技術(shù)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1，而且IGBT能始終工作在準(zhǔn)零電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)，整機(jī)工作效率較高。