中频感应加热电源的研究

高康

【摘 要】 电磁感应原理与涡流现象的提出与发现使得加热技术得到了飞速发展。根据输出频率的不同可分为低、中，高三种形式。其中中频感应电源被广泛应用于熔炼、焊接、淬火等行业。因此对中频感应加热电源的研究还是有必要的。

【关键词】 中频感应 加热电源 原理

一、中频感应加热电源的发展现状

早在 19 世纪末期，瑞典的科学研究人员就发明了世界上第一台感应熔炼炉（开槽式有芯炉），美国人不甘落后于1916年发明了世界上第一台闭槽式有芯炉。从那时开始，感应加热不再停留在理论研究。而是开始进入了社会实践阶段。终于在 1927 年，英国电炉公司（EFCO）迈开了将中频感应加热应用到工业实际中的第一步，在谢尔德安装了第一台中频感应加热炉。从那以后，大量的感应加热装置得到了平稳快速的发展。

20 世纪中后期，半导体器件迎来了它的春天。半导体器件在那短短的一段时间内快速发展。半导体器件的发展同时也带动了感应加热电源的发展。1957 年以后感应加热技术开始了它的新纪元。瑞士和西德于1966年将晶闸管作为功率元件应用到感应加热设备中去。到了上个世纪 80 年代，电力电子元器件可谓是蓬勃发展，先后研制出了GTO、IGBT、MOSFET、MCT、SIT等器件。这些新器件的研制与试验成功，让感应加热设备对电力电子功率器件的选择从以前的单一，变成了多种选择。

相对于国外而言，我国对于感应加热电源装置的研究相对较晚。并且我国的第一台感应加热装置并非我国自主研发的。而是在1956年从当时的苏联进口来的，应用在汽车制造业上。但是后期我国也开始了自己的中频电源的研究，最终浙江大学在20世纪70年代采用晶闸管研制出了我国的第一台中频电源，这就结束了我国的中频电源进口的时代，预示着我国能够自主研发中频电源，开启了我国研究中频感应加热装置的先河。

二、感应加热电源结构及原理

（一）感应加热电源结构

如图 2.1 的结构框图所示，本次设计是将工频的三相交流电经过整流器将其改变为直流电，而后再通过逆变技术再回到交流电。因为电网提供的电是工频的电，与负载所需电源是不匹配的，只能够先将其通过整流技术变成直流电，而后再通过逆变电路转换为交流电，在此就可以通过控制逆变电路的元器件的导通与关断，来提高交流电的频率。设计完成主电路后，为了满足各电路之间的相互联系，开始设计控制电路，控制电路依据输出电源频率反馈给频率跟踪器的结果，来实现对驱动电路与保护电路的控制，从而保证输出电源的频率符合现场的负载需求，同时保证相关电路能够正常工作，各元器件不会因为某些突发情况而被烧毁，保证了电路的可靠性。

（二）整流电路原理。目前直接更改电网中交流电源的频率是很难的。即交-交变频的实现程度相对而言还是很难的。通常是采用交-直-交的变频方式。电网中给的电压频率是恒定的，中国的电网频率为50Hz，是由发电机的转速决定的。如果说改变电网中交流电的频率，最简单的方式就是通过改变发电机的转速，发电机的转速越快，电网中的频率就越高。显然这种方法是不可行的。民用电的基数仍然是很大的。交-直-交的变频方式，是将电网中的交流电压通过整流与滤波电路进行处理后变成直流电压，然后将所得到的直流电压通过逆变电路再变成交流电压，此时可以通过改变逆变电路中的电力电子元器件的开关频率来实现对频率的控制。所以为了获得高频的输出电压首先要对电网中的电压就行整流。

因为中频感应加热电源中的整流只是为了获得一个直流电压，对所得到的电压波形要求并不是很高。因此整流电路选用三相不控整流电路。既然是三相不控整流电路，所以电力电子元件选用的是不可控的功率二极管。为了实现全桥控制， 功率二极管的个数应该是6只。功率二极管的整流原理，是利用二极管的单向导电性来实现的。当功率二极管的阳极电位高于阴极电位时，功率二极管就导通， 反之则关断。通过这种整流方式对电网产生的污染基本可以忽略，并且不控整流产生的谐波电压与电流相较于半控型与全控型的整流电路要少很多。基于上述的优点，现代感应加热电源中的整流环节大多采用三相不控整流电路。

（三）逆变电路分析。逆变电路是感应加热电源的关键。因为输出电源的频率就是通过改变逆变电路中各元器件的通断频率决定的。因为本次设计的是中频感应加热电源，因此在选择电力电子元器件时一定要充分考虑它的开关频率。通过对其他的电力电子元器件的仔细研究发现IGBT的总体性能还是比较好的，尽管它的功率等级小于晶闸管，且开关频率小于MOS管。但是 IGBT 的开关频率是能够满足中频感应电源的设计要求的。因此最终选择IGBT 作为本次设计逆变电路中的电力电子元器件。

确定了逆变电路所使用的元器件后，根据逆变电路的结构不同，可以划分为并联谐振式逆变电路与串联谐振式逆变电路。接下来的工作就是通过对比，选择合适的逆变器的拓扑结构。

（四）感应加热负载槽路分析。这里所指的理想状态下的LC 谐振电路，是将电路中的各种元器件都看作是理想状态，不考虑其他的因素。即在电路在上电后不会有其他任何附加损耗。如果电路中有一个直流电源在进行供电时，电路则会在它本身所固有频率下永远地自由振荡。如图2.2所示。

結 论

随着人们的环保意识的增加，传统的火煤加热的形式已经被淘汰了。人们迫切需要一种新形式的加热模式。感应加热电源应运而生。由于本人对加热电源方面知识认知的较少，难免在设计时有一些不合理的地方，希望以后步入工作岗位后能够在实践中去发现并改正不合理的地方。

【参考文献】

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