一種基於高頻整流逆變的輕型中頻加熱電源及設計方法與流程
2024-03-07 01:10:15
本發明屬於加熱電源技術領域，特別涉及一種基於高頻整流逆變的輕型中頻加熱電源及設計方法，可廣泛應用於石油化工、冶煉、煅造、晶體生長、精密鑄造、熱處理、焊接、彎管等中頻電加熱領域。
背景技術：
隨著我國工業化進程的飛速發展，感應加熱領域也在快速發展。由於環保要求以及煤炭漲價，用焦煤加熱不僅不符合環保要求，而且在價格和經濟上也非常的不合算。另一方面，工業加熱還大量使用著KGBS以可控矽為主器件的中頻加熱設備，其功率因數低，耗費大量電能。隨著金融危機的曼延，節能降耗，縮減成本已經成為中小企業非常迫切的問題。
中頻加熱電源是一種靜止變頻裝置，利用可控矽將三相工頻交流電變成單相中頻交流電來滿足中頻加熱的需要，被廣泛應用於冶金(金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等)、機械製造(黑色和有色金屬的鑄造和精密製造金屬的熔煉；機器零件的淬火，特別是表面淬火以及淬火後的回火、退火等熱處理的加熱等)、輕工、石油化工(化學反應釜等容器的加熱；輸油管道縫焊接，現場退火；輸油管路的加熱和保溫；鑽鋌、鑽杆的熱處理)、電子、金屬材料等工業生產過程中，是冶金、國防、機械加工、石化等部門及鑄、鍛造和船舶、飛機、汽車製造業等不可缺少的技術手段。
目前中頻電源一般是將380V/50Hz交流電源經過3相橋式整流、濾波後變成直流電源，再逆變成10～1000Hz的單相交流電，通過中頻變壓器輸給負載使用。一般生產現場中頻電源機體採用立體式櫃結構，櫃體上半部分為中頻電源控制櫃，下半部分為中頻變壓器櫃，產品內部採用風道式強制風冷散熱。由於非軟開關技術及中頻變壓器的使用，使得製造成本高，體積大，重量大，對運輸及現場安裝、運營、維護帶來不便。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基於高頻整流逆變的輕型中頻加熱電源及設計方法，以解決上述技術問題。本發明採用高頻整流濾波電路與中頻斬波電路設計相結合的思想，以有效減小中頻加熱電源的體積和重量，為製造、運輸、現場安裝、應用及維護提供便利；通過載荷電流的自跟蹤技術，實現載荷頻率的自適應輸出，提高加熱效率，節約能耗。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種基於高頻整流逆變的輕型中頻加熱電源，包括高頻整流逆變電路、高頻升壓變壓器、中頻斬波電路和載荷迴路；
高頻整流逆變電路包括三相全波整流電路和IGBT逆變電路；三相全波整流電路的輸出端連接IGBT逆變電路；
IGBT逆變電路的輸出電路連接二次繞組帶分接頭的高頻升壓變壓器，並串接電容形成串聯諧振電路；
高頻升壓變壓器輸出端連接中頻斬波電路，中頻斬波電路的輸出端連接載荷迴路，載荷迴路中串接電容器，形成中頻串聯諧振電路。
高頻升壓變壓器及電容器迴路的高頻電流反饋信號與IGBT驅動電壓信號同步鎖相，使得電晶體在電流過零點通斷；載荷與電容器迴路的中頻電流反饋信號與斬波電壓控制信號同步鎖相，實現載荷迴路輸出電壓自動跟蹤載荷頻率特性。
50Hz/380V的正弦交流電壓經三相全波整流電路進行全波整流後，經IGBT逆變電路，輸出20KHz的高頻方波電壓Uab；高頻升壓變壓器二次側經升壓後輸出20KHz高壓正弦交流電壓UT；電流傳感器採集高頻整流逆變電路輸出的實時電流，反饋至IGBT逆變電路的IGBT開關管驅動控制電路，進行鎖相同步，使得IGBT逆變電路逆變輸出高頻方波電壓信號與高頻整流逆變電路輸出電流同相，實現軟開關功能。
進一步的，中頻斬波電路的IGBT開關管輸入1KHz的方波開關控制信號，將高頻升壓變壓器輸出的20KHz高頻正弦電壓進行斬波，輸出電壓Uef；載荷迴路加裝電流互感器，將載荷電流反饋至中頻斬波電路的IGBT開關管的驅動輸入端，進行同步鎖相，實現了軟開關的通斷和載荷迴路的諧振條件。
一種基於高頻整流逆變的輕型中頻加熱電源設計方法，包括：三相全波整流電路中的二極體將三相50Hz/380V的正弦交流電壓進行全波整流後，經IGBT逆變電路，輸出20KHz的高頻方波電壓Uab；在Uab輸出電路中接入二次繞組帶分接頭的高頻升壓變壓器，並串接電容形成串聯諧振電路；高頻升壓變壓器二次側經升壓後輸出20KHz高壓正弦交流電壓UT；電流傳感器採集高頻整流逆變電路輸出的實時電流，反饋至IGBT逆變電路的IGBT開關管驅動控制電路，進行鎖相同步，使得IGBT逆變電路逆變輸出高頻方波電壓信號與載荷迴路輸出電流同相，實現軟開關功能；中頻斬波電路的IGBT開關管輸入1KHz的方波開關控制信號，將高頻升壓變壓器輸出的20KHz高頻正弦電壓進行斬波，輸出電壓Uef；載荷迴路加裝電流互感器，將載荷電流反饋至中頻斬波電路的IGBT開關管的驅動輸入端，進行同步鎖相，實現了軟開關的通斷和載荷迴路的諧振條件。
一種基於高頻整流逆變的輕型中頻加熱電源設計方法，包括：通過高頻IGBT整流逆變電路，並利用軟開關技術和諧振原理，將三相工頻交流電壓信號轉換為20KHz的高頻方波電壓輸出；在IGBT整流逆變電路輸出側，外接高頻升壓變壓器，其中高頻升壓變壓器一次繞組為電感性負載，串聯電容器，使變壓器二次繞組輸出迴路於20KHz諧振；以此作為高頻交流電源，經一組IGBT開關模塊對輸入的高頻高電壓實現中頻斬波，在此過程中，IGBT開關模塊的驅動控制信號頻率自動跟蹤載荷電流頻率特性，使輸出電路的被加熱感性載荷與外接電容發生1KHz串聯諧振，此時載荷上流過中頻正弦交流電流，滿足載荷加熱電流的需求。
相對於現有技術，本發明具有以下有益效果：
本發明基於高頻整流逆變的中頻加熱電源設計方法，通過高頻整流逆變電路，加裝高頻升壓變壓器，與中頻斬波電路相結合的設計思想，結合軟開關技術與高/中頻諧振原理，通過載荷電流的反饋控制，大幅減小了電源體積和重量，提高了元件壽命，降低了製造成本，自動跟蹤載荷變化，大幅提高感應加熱效率，為大功率中頻加熱電源提供了一種新的設計思路和方法。
附圖說明
圖1為中頻電源構成原理圖。
圖2為高頻整流逆變電路設計原理圖。
圖3(a)為高頻逆變迴路輸出電壓波形；圖3(b)為高頻變壓器一次繞組輸出電壓波形。
圖4為中頻斬波電路設計原理圖。
圖5(a)為IGBT開關管1KHz方波控制信號；圖5(b)為斬波電壓波形；圖5(c)為加熱載荷迴路中頻電流波形。
圖6為高頻整流逆變同步鎖相控制原理圖。
圖7為載荷自跟蹤中頻諧振加熱控制原理圖。
具體實施方式
請參閱圖1所示，本發明一種基於高頻整流逆變的輕型中頻加熱電源，包括高頻整流逆變電路、高頻升壓變壓器、中頻斬波電路和載荷迴路。
1、高頻整流逆變電路設計
高頻整流逆變電路設計原理如圖2所示，高頻整流逆變電路包括三相全波整流電路和IGBT逆變電路。三相全波整流電路中，二極體將三相50Hz/380V的正弦交流電壓進行全波整流後，經IGBT逆變電路，輸出20KHz的高頻方波電壓Uab，如圖3(a)所示。在Uab輸出電路中接入二次繞組帶分接頭的高頻升壓變壓器，並串接電容形成20KHz的串聯諧振電路。高頻升壓變壓器二次側經升壓後輸出20KHz高壓正弦交流電壓UT，如圖3(b)所示。
圖2中電流傳感器用於採集高頻整流逆變電路輸出的實時電流，反饋至IGBT開關管Q1～Q4的驅動控制電路，進行鎖相同步，使得IGBT逆變電路逆變輸出高頻方波電壓信號與高頻整流逆變電路輸出的電流同相，實現軟開關功能，減小熱損耗，提高元件壽命，有效減小散熱單元體積，並為輸出電路串聯諧振提供了保證。用高頻升壓變壓器替代中頻升壓變壓器，大幅降低了變壓器體積和重量，從而降低了製造金屬材料成本，便於生產現場的運輸、安裝及應用。
2、中頻斬波電路設計
中頻斬波電路原理圖如圖4所示。IGBT開關管Q5，Q6分別輸入1KHz的方波開關控制信號，如圖5(a)所示，將高頻升壓變壓器輸出的20KHz高頻正弦電壓進行斬波，輸出電壓Uef如圖5(b)所示。根據加熱載荷性質，迴路串接合適容量電容器，形成中頻串聯諧振電路，此時載荷電流成分主要為1KHz的中頻正弦交流電流，如圖5(c)所示，通過集膚效應實現對載荷的加熱。為了自動跟蹤載荷性質的變化，本發明在載荷迴路加裝電流互感器，將載荷電流反饋至Q5，Q6的驅動輸入端，進行同步鎖相，不僅實現了軟開關的通斷，減小了散熱模塊的體積，且自動跟蹤載荷頻率特性，保證了載荷迴路的諧振條件。
3、驅動控制環節設計
1)高頻整流逆變同步鎖相升壓控制：
高頻整流逆變同步鎖相升壓控制原理圖如圖6所示。工頻三相正弦交流電壓經三相全波整流電路整流輸出給IGBT逆變模塊，高頻升壓變壓器及電容器迴路在20KHz為諧振狀態，輸出20KHz高頻正弦波電流及電壓，在輸出諧振電流的反饋同步鎖相控制下，生成20KHz高頻方波控制信號控制IGBT導通，此時IGBT輸出20KHz高頻方波電壓波形，此高頻電壓通過高頻變壓器升壓，二次側輸出至IGBT斬波電路。
2)載荷自跟蹤中頻諧振加熱控制
載荷自跟蹤中頻諧振加熱控制原理如圖7所示。在載荷電流同步鎖相反饋控制下，輸出與載荷電流同頻的中頻方波控制信號，控制IGBT模塊的通斷，則輸入的高頻正弦電壓經IGBT輸出中頻斬波電壓給載荷及電容器迴路，載荷與電容器中頻串聯諧振，其電流為中頻正弦交流波形，充分利用集膚效應，臨近效應，渦流等物理特性，從而顯著提高加熱效率。
本發明一種基於高頻整流逆變的輕型中頻加熱電源設計方法，採用高頻整流逆變電路與中頻斬波電路設計相結合的思想，通過高頻IGBT整流逆變電路，並利用軟開關技術，將三相工頻交流電壓信號轉換為20KHz的高頻方波電壓輸出；在IGBT整流逆變電路輸出側，外接高頻升壓變壓器，其中變壓器一次繞組為電感性負載，串聯電容器，使得變壓器二次繞組輸出迴路於20KHz諧振；以此作為高頻交流電源，經一組IGBT開關模塊對輸入的高頻高電壓實現中頻斬波，在此過程中，IGBT開關模塊的驅動控制信號頻率自動跟蹤載荷電流頻率特性，使得輸出電路的被加熱感性載荷與外接電容發生1KHz串聯諧振，此時載荷上流過中頻正弦交流電流，滿足載荷加熱電流的需求。本發明對中頻電源的設計巧妙採用了高頻電路和模塊的設計思路，可有效減小主電路元器件體積及重量，可大幅減小升壓變壓器的體積和重量，節約了製造成本，提高了現場應用的便利性；根據載荷電流的反饋信號實現中頻斬波輸出，自動跟蹤載荷特性的變化，實現載荷電路的自動諧振。採用軟開關技術，降低了開關功耗和發熱，亦有效減小了散熱系統成本和體積。該設計方法不僅大幅降低製造和應用成本，且所用模塊簡單，易於實現，可有效提高電源的加熱效率。