高频感应加热电源分析

张皓然　侯超

【摘 要】随着感应加热电源的问世，其凭借着高效、节能以及污染低等优势在工业热处理等方面具有的巨大优势，很快就应用到经济生产的各个领域中来。我国作为能源使用大国，加强对于感应加热电源的研究，尤其是对于高频感应加热电源的研究有着非常重要的意义。本文从高频感应加热电源的拓扑结构出发，并详细探析了高频感应加热电源的功率控制以及控制系统设计的问题。

【关键词】高频感应加热电源；拓扑结构；功率控制

0 引言

高频感应加热电源技术目前对金属材料加热效率最高、速度最快，且低耗环保。它已经广泛应用于各行各业对金属材料的热加工、热处理、热装配及焊接、熔炼等工艺中。它不但可以对工件整体加热，还能对工件局部的针对性加热；可实现工件的深层透热，也可只对其表面、表层集中加热；不但可对金属材料直接加热[1]，也可对非金属材料进行间接式加热等方面。所以，可以说感应加热技术必将在各行各业中应用越来越广泛，因此了解高频感应加热电源的拓扑结构，探析高频感应加热电源的功率控制以及控制系统设计等问题以提升高频感应加热电源技术就有着重要的现实意义。

1 高频感应加热电源的拓扑结构

高频感应加热电源随着电力电子技术以及器件的不断发展逐步完善，其基本上已经形成了一定的固定拓扑模式，即交流-直流-交流的整个变换过程，在这一过程中其通过输出一定的频率的电压电流，以达到加热工件的目的从整流电路、滤波电路以及逆变电路三个层面来分析高频感应加热电源的拓扑结构[2]，具体有以下两点：

1.1 感应加热电源整流电路和滤波电路

一般而言整流电路是将交流的电信号转变为直流电的信号，其具体可以分为不可控的整流电路、半可控整流电路以及全控的整流电路三类，基于整流电路在输出信号的过程中因为逆变电路的输入，因此在预设整流电路的过程中需要满足选择合适的滤波电路、具有必要的保护电路和根据负载的变化三个要求。另一方面，对于高频感应加热电源平滑滤波电路，在这一选择过程中需要保持逆变器工作状态的稳定，所以需要对粗糙的直流电信号进行加工处理，而对于平滑滤波器其工作原理是可以阻挡交流信号，却可以允许直流信号的通过，这一过程中就会大大的减少信号中所包含的交流成分，最终达到减少脉动的目的[3]。

1.2 逆变电路

逆变器作为感应加热电源的核心的组成部分，其最主要的组成部件就是逆变桥和谐振回路这两个部分，在传统意义上逆变器分为两类即电压型逆变桥和电流型逆变桥，作为感应加热电源的主体电路之一，对于电源功率的调节是其最重要的功能，所以要加强对感应加热电源的研究最主要的研究方面还是要放在对于逆变器功能的不断提升上面，而且因为并联谐振逆变器和串联谐振逆变器都有着不同适用的场合，所以在选择电源系统的过程中需要根据所要侧重的因素进行必要的选择。

2 高频感应加热电源的功率控制

高频感应加热电源的功率控制所包含的内容和层面很多，本文主要从功率调节的方式以及逆变器控制的原理及其分析两个方面的来论述，具体有以下两点：

2.1 高频感应加热电源功率调节的方式

通常在串联谐振式高频感应加热电源的功率调节方面可以分为直流侧功率调节以及交流侧功率调节，这两种功率调节都是通过调节逆变器的输入端来进行工作的，其主要要的调节方式有直流侧功率调节，这种调节方式可以使整机的效率以及可靠性提高，降低开关变化的损耗。但是其对于开关器件的选择有着较高的要求；其次，逆变侧功率调节，这种调节方式会随着温度的变化发生变化，继而影响工件的加工，并且随着移相角逐渐增加使得逆变器输出功率值变小[4]。

2.2 逆变器控制原理及其分析

在各类控制过程中，常规的PID控制器技术逐渐的成熟并被广泛的应用，但是我们须知在一些参数变化复杂的时候，这就会对精确的模型难以确定，所以常规的PID参数整定是比较困难的，所以在对于逆变器控制的过程中需要增加控制构成结构的简单化、环境适应增强化、并且需要具备更加好的鲁棒性。基于这些需求，因为每一种算法都不会是完美的，必定有着很大的失误和缺陷，加上增量式的PID在控制算法的过程中自身也是有着很大缺陷的，就像是静态的误差进而积分阶段的效应等，所以需要在选择控制算法时根据实际的控制对象合理科学的选择计算方法[5]。

3 高频感应加热电源控制系统设计

基于上述高频感应加热电源的拓扑结构以及高频感应加热电源的功率控制的分析，下面是笔者结合自身的工作实践提出的关于高频感应加热电源控制系统设计的一些意见，主要从控制系统硬件设计和软件设计两个方面来论述：

3.1 控制系统硬件设计

在进行高频感应加热电源控制系统硬件设计过程中需要基于整流器以及逆变器两个方面，选择适合的电路的类型，以设计合适的硬件电路，在选择器件参数的过程中需要对整流电路以及逆变电路的控制方式进行系统的分析[6]，并且将这些电路有机的整合起来，在设计驱动保护电路时需要做到工作的有序，并且可以使电路精简，成本节约，并且为电路的有效运行提供必要的保障[7]。

3.2 控制系统软件设计

在整个电源控制系统的程序中主要包括主程序、逆变器驱动脉冲生成程序等，这些程序就是构成控制系统的软件部分，在这些软件的启动过程中，需要主电路通电，整流器率先启动工作，并且可以输出稳定的直流电压[8]，而在激起逆变器的过程中需要保证流过负载的电流足够大，同时需要电压电流的闭环控来稳点逆变器的输出量，以最终实现电源功率调节的目的。

4 结束语

综上所述，高频感应加热电源在工业生产的过程中有着不可忽视的作用，加强对其研究，提高其技术水平有着很大作用。本文从感应加热电源整流电路和滤波电路和逆变电路两个方面详细讨论了高频感应加热电源的拓扑结构的问题，在结和高频感应加热电源的功率控制阐述了对于高频感应加热电源控制系统设计需要注意和确定的方面，以期促进高频感应加热电源技术的发展。

【参考文献】

[1]陈维，李敏远.IR2110的功能及其在高频感应加热电源中的应用[J].常德师范学院学报：自然科学版，2010（01）.

[2]刘庆丰，王华民，冷朝霞，刘丁.基于多电平逆变器的高频感应加热电源若干问题的研究[J].电工技术学报，2014（06）.

[3]王正仕，楼珍丽，陈辉明.兆赫级超高频感应加热电源电路的分析与研究[J].中国电机工程学报，2013（19）.

[4]董淑惠，李亚斌，田丰.时间分割式IGBT高频感应加热电源的研究[J].电力科学与工程，2012（04）.

[5]李华柏，段树华.大功率高频感应加热电源IGBT扩容研究[J].轻工科技，2012（10）.

[6]李华柏.基于SG3525的高频感应加热电源的研究与设计[J].河南科学，2013（11）.

[7]徐良芝.基于CD4046锁相环200KHZ的高频感应加热电源频率跟踪的研究[J].电子世界，2011（09）.

[8]付光杰，张微微，牟海维.基于模糊RBF网络高频感应加热电源控制的研究[J].化工自动化及仪表，2014（04）.

[责任编辑：邓丽丽]