水暖加热系统感应加热电源Matlab仿真研究

刘淑荣，庞 伟

（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 长春130012）

0 引言

现阶段冬季的采暖方式，许多家庭及单位以集中供热为主，电采暖供热为辅。集中供热主要能源仍为煤炭，环境污染严重。现有的民用电采暖方式普遍采用电热管加热，普遍存在采暖价格高、电锅炉体积大、受热面积小、升温慢、容易结垢、电热管插入水中不安全的问题。

感应加热电源供暖是一种新型供暖设备，不仅适用于冬季取暖，亦可用于家庭、企业、厂矿的饮用水、洗用水等的供热供应，其优点主要有加热效率高、绿色无污染、操作方便，而且不受使用地方的限制，可以很方便地将传统的燃煤水暖加热系统改造成感应加热电源供暖系统，是一种值得推广的比较先进的取暖方式。

本文以10kHz／10kW的水暖加热系统感应加热电源为研究对象，以全控型功率器件IGBT和串联谐振负载作为研究基础，并利用Matlab软件建立仿真模型及给出仿真结果。

1 水暖加热系统感应加热工作原理[1－2]

感应加热电源供暖技术是一种新型的供暖技术，它根据电磁感应加热理论，充分利用了圆环、邻近与集肤三效应的叠加原理，通过锅炉结构和电源的频率选择机制，使两个磁场或多个磁场同时存在于一个单位空间中，相互撞击、相吸、相斥产生一个强大封闭且交变的电磁场。当置于其中的锅炉处于变化的磁场中时，其内部就会产生出很大强度的涡流，在锅炉的内、外磁热交换器的壁内流动时产生大量的热能，接着传递给在其中高速流动着的水，使水迅速加热，保证整个水暖加热系统的温度满足既定的要求。

2 水暖加热系统感应加热电源结构框图[3－4]

感应加热电源的基本结构由整流电路、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 水暖加热系统感应加热电源结构框图

其中：（1）整流电路的作用是将交流电转换为直流电。设计中采用三相不可控整流电路，以二极管作为主要整流器件，主要是考虑电路简单，操作方便，便于控制。

（2）滤波电路是减小电路对电网的谐波污染，改善逆变器的功率因数，同时使逆变电路的输入端得到比较稳定的直流电压。设计中采用传统的LC滤波电路，利用电容除去整流后电路中含有的较大的交流分量，从而减少输出电压的脉动，使输出电压平滑，同时串入电感可以有效地抑制电路中产生的冲击电流。

（3）逆变电路将滤波电路输出的直流电转变成交流电，提供给负载使用。单相桥式逆变电路主要有单相半桥逆变和单相全桥逆变两种形式，系统以IGBT作为主要逆变器件，采用串联谐振单相全桥逆变电路，利用PWM信号驱动。

（4）频率跟踪电路主要是利用锁相环技术[5]，对负载电路的电压信号进行采集，经过过零比较器，得到方波信号，与主桥臂驱动脉冲信号之间的相位进行比较，再经低通滤波器和压控振荡器处理，从而调整逆变电路中驱动信号的相位，实现对负载谐振频率的自动跟踪，使逆变器工作于准谐振状态。

正常工作时，逆变器的工作频率总是接近于负载谐振频率。但由于负载受其工作状态的影响不断变化，使逆变器工作时常会偏离最佳工作点，这样不仅会增加功率开关器件的关断损耗，且在一定的品质因数下，偏离谐振点越远时，负载等效阻抗也会越大，从而降低逆变器的工作效率，为保证逆变器总能工作在功率因数接近或等于1的准谐振或谐振状态，提高逆变器工作效率，逆变器必须具有良好的频率跟踪能力。

（5）逆变驱动及功率输出电路。系统采用逆变侧PWM脉宽调功控制方式。即通过控制逆变桥开关器件的工作状态，改变负载电压有效值，从而达到逆变调功的目的。PWM脉冲宽度调制实际上是调节输出电压脉冲的宽度来调节输出功率。逆变器的工作频率固定，通过控制逆变器中功率开关管的开通时间，从而改变逆变器的输出功率。

3 水暖加热系统感应加热电源Matlab仿真模型

采用Matlab 7.1建立水暖加热系统感应加热电源Matlab仿真模型，见图2。

图2 水暖加热系统感应加热电源Matlab仿真模型

3.1 系统各模块参数设置说明

（1）三相交流电源：311V，50Hz，相位各差120°。

（2）LC滤波电路的参数选择：为了保证给后续逆变电路提供较为平稳的直流电压，在三相不可控整流桥后加了电容滤波电路，为了抑制电流的冲击，在直流侧串入较小的电感L，成为LC滤波电路。其中，L参数取值为200μH，电容CT的取值按下式计算：

式中：f为整流输入电压的频率，f＝50Hz。

三相不可控整流直流电源的负载电阻为：

实际选取CT时，取6倍，因此：

（3）逆变电路：采用电压串联谐振型PWM单相全桥逆变电路。采用IGBT作为核心器件，电压串联谐振负载构成单相全桥逆变电路。IGBT参数设置：Resistance Ron 0.001Ω，Forward voltage 1V。

PWM脉冲产生电路如图3，由锁相电路输出信号经比较，二分频后反向产生四路全桥逆变电路IGBT驱动信号。

图3 全桥逆变电路IGBT驱动信号

（4）锁相电路：系统中的锁相控制电路采用软件自带锁相环模块。

参数设置：

Initial inputs[Phase（degrees）Frequency（Hz）]：[0 10000]

Regulator gains[Kp Ki]：[500 2000]

（5）功率测量电路：提取负载的电压和电流，经采样保持、有效值处理后相乘，得到电路的输出功率，其仿真电路如图4。

图4 功率测量仿真电路

（6）串联谐振负载参数：电阻10Ω，电感0.01mH，电容0.001μF。

3.2 仿真实验结果

系统仿真波形输出如图5～7。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，而输出电流趋近于正弦波，同时输出功率在0.2s之后变化趋于平稳。

4 结语

本文根据感应加热的基本原理，以串联谐振全桥逆变理论为基础，采用锁相控制技术，提出了水暖加热系统感应加热电源的整体设计方案，并利用MATLAB建立了水暖加热系统PWM串联IGBT感应加热电源的仿真模型，给出了电路仿真波形分析及数据对比结果，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、波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，为水暖加热系统电磁感应加热电源在实际运行中的可行性、稳定性和有效性的进一步研究、设计以及完善打下了坚实的基础。

图5 三相交流电源及整流滤波电路输出波形

图6 逆变电路输出电压及电流波形

图7 逆变电路输出功率波形

[1]潘天明.现代感应加热装置[M].北京：冶金工业出版社，1996.

[2]赵长汉，姜士林.感应加热电源原理与应用[M].天津：天津科技翻译出版公司，1993.

[3]周跃庆，吴迪.基于 Matlab的感应加热电源系统仿真[J].计算机仿真，2005（7）：204－205.

[4]赵渝青.对电磁感应即热式热水器的研究[J].温州职业技术学院学报，2003，3（4）：36－37.

[5]刘畅，黄正兴，陈毅.双闭环控制感应加热电源设计与仿真分析[J].电子器件，2012，35（6）：736－740.