串联型IGBT感应加热电源Matlab仿真研究

刘淑荣，庞 伟，高 红

（1.长春工程学院电气与信息工程学院；2.配电自动化吉林省高校工程研究中心；3.吉林东光精密机械厂，长春130012）

0 引言

感应加热技术是一种新型的加热技术，它利用电磁感应原理传递能量，利用被加热工件中感应的涡流实现对导体或工件进行加热的目的。与其他加热技术相比，具有热效率高、环保节能、干净卫生、污染小等优点，近年来在家电、淬火、焊接等领域得到广泛的应用。

本文介绍以电磁感应为基础的H桥串联谐振型感应加热电源的基本原理，并利用Matlab软件建立仿真模型及给出仿真结果。

1 感应加热工作原理［1－2］

在线圈中通入交变的电流会产生交变的磁场，进而引发集肤效应。当交变的磁场通过导体的时候，导体中会产生涡流，由于集肤效应，涡流在导体中的分布密度是不均匀的，导体表面的涡流最大，愈深入导体内部涡流越小。感应加热技术就是应用电磁感应原理、集肤效应和热传导3项基本理论，利用交变磁场中通过的导体切割磁场产生涡流，再利用导体自身的电阻发热引起热效应，在极短的时间内产生大量的热能，以此来对导体进行加热。由于感应加热过程主要是依靠电流感应透热及热传导的方式实现，所以其可在很短的时间内将导体加热到预期的深度和温度，从根本上解决了电热片、电热圈等电阻式热传导方式加热的效率低下的问题。

2 串联型感应加热电源结构框图

感应加热电源的基本结构［3－4］由整流电路、滤波电路、逆变电路、控制电路、负载等组成。系统结构图如图1。

图1 感应加热电源结构框图

在感应加热装置中，通常都是电能通过感应线圈传递给负载，它与负载一起构成逆变器的等效负载。一般的高中频感应加热负载，功率因数都很低。为了提高功率因数，通常采用电容器来补偿无功功率。根据补偿电容和感应线圈及负载的连接方式，可以将逆变器分为并联型谐振逆变器和串联型谐振逆变器两种。

并联型谐振逆变器的电容与负载并联使用，其直流侧串联有大电感，相当于电流源。并联谐振逆变器对补偿电容的耐压要求不高，只要达到负载两端正弦电压的峰值即可，但是起动比较困难，启动时间也比较长，需要对滤波大电感进行预充电，故控制系统也比较复杂。

串联型谐振逆变器采用电容与负载串联的形式，其直流侧为电压源，或者并有大电容，相当于电压源。相比于并联谐振逆变器，它的起动比较简单，可以自激也可以它激工作，适用于频繁起动工作的场所。本文选择串联型谐振逆变器进行研究。

3 串联型IGBT感应加热电源Matlab仿真模型

图2是串联型IGBT感应加热电源Matlab仿真模型。

图2 串联型IGBT感应加热电源Matlab仿真模型

3.1 斩波电路参数设计计算［5］

系统中斩波电路采用降压变换器（buck），其参数设计计算如下：

（1）主开关管使用IGBT，开关频率Ts为50Hz（可调）。

（2）输入为三相全控桥输出V1，输出V2根据占空比可调，设计中假设V2数值是V1的一半，可确定占空比Dc＝50%，纹波电压为输出电压的0.2%，负载电阻R取2Ω。

目的基因Flagellin-3M2e由苏州金唯智生物科技有限公司合成，并构建于表达载体pET28a相应位置（EcoRI-XhoI），鼠伤寒沙门菌鞭毛蛋白基因为FljB（GenBank：JQ965932.1）。

（3）Buck电路参数L的选择：

这个Lc值是电感电流连续与否的临界值，当L＞Lc时，电感电流连续。

实际电感值L可选为临界电感值Lc的1.2倍。设计中的L可选择为12×10－2H。

（4）根据纹波电压的要求计算电容值C：

3.2 系统参数设置

三相交流电源：110V，50Hz，相位各差120°。

（1）整流电路：晶闸管参数设置：Resistance Ron 0.001Ω；Forward voltage 0.8V；触发角0°～60°可调；触发脉冲参数50Hz，脉宽10°。

（2）斩波电路：IGBT参数默认；触发脉冲参数幅值0.5，周期0.02s，脉宽50%，相位延迟0°；L、C、R参数选择按斩波电路参数设计计算进行选择及微调。

（3）逆变电路：采用电压串联谐振型单相方波全桥逆变电路。IGBT参数设置：Resistance Ron 0.001Ω，Forward voltage 1V；触发脉冲参数设置：P1：周期0.02s，相相位延迟0s；P2：周期0.02s，相相位延迟0.01s；P3：周期0.02s，相相位延迟0.01s；P4：周期0.02s，相相位延迟0s。

其中，改变触发脉冲的周期和相位延迟可改变输出电压的频率。

3.3 仿真结果

系统仿真波形输出如图3～6。从波形可见，当输入为50Hz交流电时，逆变电路的输出电压是交变的方波，其频率可以通过改变逆变电路驱动信号的频率来调节，其幅值可通过改变斩波电路的脉宽进行调节。

图3 三相交流电源波形

图4 整流及斩波电路输出波形

图5 逆变电路触发脉冲波形

图6 逆变电路输出电压及电流波形

3.4 参数的测量

（1）三相全控桥整流电路理论输出：

实际测量值157.3V，与理论相差0.35V。

（2）斩波电路理论输出：

实际测量值78.27V，与理论相差0.56V。

（3）逆变电路理论输出：

逆变电路输出为交变方波，其输出电压的基波峰值为：

实际测量值100.3V，与理论相差0.05V。

4 结语

本文利用Matlab建立了串联型IGBT感应加热电源的仿真模型。电路仿真波形分析及数据对比结果表明，该电路在整流电路、斩波电路及逆变电路的主要测量点实测数值接近理论数值，仿真波形输出正确，为电磁感应加热电源的进一步研究、设计以及完善打下了坚实的基础。

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