本發(fā)明屬于加熱電源技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于高頻整流逆變的輕型中頻加熱電源及設(shè)計(jì)方法，可廣泛應(yīng)用于石油化工、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(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的飛速發(fā)展，感應(yīng)加熱領(lǐng)域也在快速發(fā)展。由于環(huán)保要求以及煤炭漲價(jià)，用焦煤加熱不僅不符合環(huán)保要求，而且在價(jià)格和經(jīng)濟(jì)上也非常的不合算。另一方面，工業(yè)加熱還大量使用著KGBS以可控硅為主器件的中頻加熱設(shè)備，其功率因數(shù)低，耗費(fèi)大量電能。隨著金融危機(jī)的曼延，節(jié)能降耗，縮減成本已經(jīng)成為中小企業(yè)非常迫切的問題。

中頻加熱電源是一種靜止變頻裝置，利用可控硅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(yīng)用于冶金(金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等)、機(jī)械制造(黑色和有色金屬的鑄造和精密制造金屬的熔煉；機(jī)器零件的淬火，特別是表面淬火以及淬火后的回火、退火等熱處理的加熱等)、輕工、石油化工(化學(xué)反應(yīng)釜等容器的加熱；輸油管道縫焊接，現(xiàn)場退火；輸油管路的加熱和保溫；鉆鋌、鉆桿的熱處理)、電子、金屬材料等工業(yè)生產(chǎn)過程中，是冶金、國防、機(jī)械加工、石化等部門及鑄、鍛造和船舶、飛機(jī)、汽車制造業(yè)等不可缺少的技術(shù)手段。

目前中頻電源一般是將380V/50Hz交流電源經(jīng)過3相橋式整流、濾波后變成直流電源，再逆變成10～1000Hz的單相交流電，通過中頻變壓器輸給負(fù)載使用。一般生產(chǎn)現(xiàn)場中頻電源機(jī)體采用立體式柜結(jié)構(gòu)，柜體上半部分為中頻電源控制柜，下半部分為中頻變壓器柜，產(chǎn)品內(nèi)部采用風(fēng)道式強(qiáng)制風(fēng)冷散熱。由于非軟開關(guān)技術(shù)及中頻變壓器的使用，使得制造成本高，體積大，重量大，對運(yùn)輸及現(xiàn)場安裝、運(yùn)營、維護(hù)帶來不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于高頻整流逆變的輕型中頻加熱電源及設(shè)計(jì)方法，以解決上述技術(shù)問題。本發(fā)明采用高頻整流濾波電路與中頻斬波電路設(shè)計(jì)相結(jié)合的思想，以有效減小中頻加熱電源的體積和重量，為制造、運(yùn)輸、現(xiàn)場安裝、應(yīng)用及維護(hù)提供便利；通過載荷電流的自跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)載荷頻率的自適應(yīng)輸出，提高加熱效率，節(jié)約能耗。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于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回路；

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，并串接電容形成串聯(lián)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回路，載荷回路中串接電容器，形成中頻串聯(lián)諧振電路。

高頻升壓變壓器及電容器回路的高頻電流反饋信號(hào)與IGBT驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)同步鎖相，使得晶體管在電流過零點(diǎn)通斷；載荷與電容器回路的中頻電流反饋信號(hào)與斬波電壓控制信號(hào)同步鎖相，實(shí)現(xiàn)載荷回路輸出電壓自動(dòng)跟蹤載荷頻率特性。

50Hz/380V的正弦交流電壓經(jīng)三相全波整流電路進(jìn)行全波整流后，經(jīng)IGBT逆變電路，輸出20KHz的高頻方波電壓U_ab；高頻升壓變壓器二次側(cè)經(jīng)升壓后輸出20KHz高壓正弦交流電壓U_T；電流傳感器采集高頻整流逆變電路輸出的實(shí)時(shí)電流，反饋至IGBT逆變電路的IGBT開關(guān)管驅(qū)動(dòng)控制電路，進(jìn)行鎖相同步，使得IGBT逆變電路逆變輸出高頻方波電壓信號(hào)與高頻整流逆變電路輸出電流同相，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)功能。

進(jìn)一步的，中頻斬波電路的IGBT開關(guān)管輸入1KHz的方波開關(guān)控制信號(hào)，將高頻升壓變壓器輸出的20KHz高頻正弦電壓進(jìn)行斬波，輸出電壓U_ef；載荷回路加裝電流互感器，將載荷電流反饋至中頻斬波電路的IGBT開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)輸入端，進(jìn)行同步鎖相，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)的通斷和載荷回路的諧振條件。

一種基于高頻整流逆變的輕型中頻加熱電源設(shè)計(jì)方法，包括：三相全波整流電路中的二極管將三相50Hz/380V的正弦交流電壓進(jìn)行全波整流后，經(jīng)IGBT逆變電路，輸出20KHz的高頻方波電壓U_ab；在U_ab輸出電路中接入二次繞組帶分接頭的高頻升壓變壓器，并串接電容形成串聯(lián)諧振電路；高頻升壓變壓器二次側(cè)經(jīng)升壓后輸出20KHz高壓正弦交流電壓U_T；電流傳感器采集高頻整流逆變電路輸出的實(shí)時(shí)電流，反饋至IGBT逆變電路的IGBT開關(guān)管驅(qū)動(dòng)控制電路，進(jìn)行鎖相同步，使得IGBT逆變電路逆變輸出高頻方波電壓信號(hào)與載荷回路輸出電流同相，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)功能；中頻斬波電路的IGBT開關(guān)管輸入1KHz的方波開關(guān)控制信號(hào)，將高頻升壓變壓器輸出的20KHz高頻正弦電壓進(jìn)行斬波，輸出電壓U_ef；載荷回路加裝電流互感器，將載荷電流反饋至中頻斬波電路的IGBT開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)輸入端，進(jìn)行同步鎖相，實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)的通斷和載荷回路的諧振條件。

一種基于高頻整流逆變的輕型中頻加熱電源設(shè)計(jì)方法，包括：通過高頻IGBT整流逆變電路，并利用軟開關(guān)技術(shù)和諧振原理，將三相工頻交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為20KHz的高頻方波電壓輸出；在IGBT整流逆變電路輸出側(cè)，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(fù)載，串聯(lián)電容器，使變壓器二次繞組輸出回路于20KHz諧振；以此作為高頻交流電源，經(jīng)一組IGBT開關(guān)模塊對輸入的高頻高電壓實(shí)現(xiàn)中頻斬波，在此過程中，IGBT開關(guān)模塊的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)頻率自動(dòng)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(fā)生1KHz串聯(lián)諧振，此時(shí)載荷上流過中頻正弦交流電流，滿足載荷加熱電流的需求。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明基于高頻整流逆變的中頻加熱電源設(shè)計(jì)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(jié)合的設(shè)計(jì)思想，結(jié)合軟開關(guān)技術(shù)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，降低了制造成本，自動(dòng)跟蹤載荷變化，大幅提高感應(yīng)加熱效率，為大功率中頻加熱電源提供了一種新的設(shè)計(jì)思路和方法。

附圖說明

圖1為中頻電源構(gòu)成原理圖。

圖2為高頻整流逆變電路設(shè)計(jì)原理圖。

圖3(a)為高頻逆變回路輸出電壓波形；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(shè)計(jì)原理圖。

圖5(a)為IGBT開關(guān)管1KHz方波控制信號(hào)；圖5(b)為斬波電壓波形；圖5(c)為加熱載荷回路中頻電流波形。

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(shí)施方式

請參閱圖1所示，本發(fā)明一種基于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回路。

1、高頻整流逆變電路設(shè)計(jì)

高頻整流逆變電路設(shè)計(jì)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，二極管將三相50Hz/380V的正弦交流電壓進(jìn)行全波整流后，經(jīng)IGBT逆變電路，輸出20KHz的高頻方波電壓U_ab，如圖3(a)所示。在U_ab輸出電路中接入二次繞組帶分接頭的高頻升壓變壓器，并串接電容形成20KHz的串聯(lián)諧振電路。高頻升壓變壓器二次側(cè)經(jīng)升壓后輸出20KHz高壓正弦交流電壓U_T，如圖3(b)所示。

圖2中電流傳感器用于采集高頻整流逆變電路輸出的實(shí)時(shí)電流，反饋至IGBT開關(guān)管Q1～Q4的驅(qū)動(dòng)控制電路，進(jìn)行鎖相同步，使得IGBT逆變電路逆變輸出高頻方波電壓信號(hào)與高頻整流逆變電路輸出的電流同相，實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)功能，減小熱損耗，提高元件壽命，有效減小散熱單元體積，并為輸出電路串聯(lián)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，從而降低了制造金屬材料成本，便于生產(chǎn)現(xiàn)場的運(yùn)輸、安裝及應(yīng)用。

2、中頻斬波電路設(shè)計(jì)

中頻斬波電路原理圖如圖4所示。IGBT開關(guān)管Q5，Q6分別輸入1KHz的方波開關(guān)控制信號(hào)，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(jìn)行斬波，輸出電壓U_ef如圖5(b)所示。根據(jù)加熱載荷性質(zhì)，回路串接合適容量電容器，形成中頻串聯(lián)諧振電路，此時(shí)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(yīng)實(shí)現(xiàn)對載荷的加熱。為了自動(dòng)跟蹤載荷性質(zhì)的變化，本發(fā)明在載荷回路加裝電流互感器，將載荷電流反饋至Q5，Q6的驅(qū)動(dòng)輸入端，進(jìn)行同步鎖相，不僅實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)的通斷，減小了散熱模塊的體積，且自動(dòng)跟蹤載荷頻率特性，保證了載荷回路的諧振條件。

3、驅(qū)動(dòng)控制環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

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(jīng)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回路在20KHz為諧振狀態(tài)，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(hào)控制IGBT導(dǎo)通，此時(shí)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(cè)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(hào)，控制IGBT模塊的通斷，則輸入的高頻正弦電壓經(jīng)IGBT輸出中頻斬波電壓給載荷及電容器回路，載荷與電容器中頻串聯(lián)諧振，其電流為中頻正弦交流波形，充分利用集膚效應(yīng)，臨近效應(yīng)，渦流等物理特性，從而顯著提高加熱效率。

本發(fā)明一種基于高頻整流逆變的輕型中頻加熱電源設(shè)計(jì)方法，采用高頻整流逆變電路與中頻斬波電路設(shè)計(jì)相結(jié)合的思想，通過高頻IGBT整流逆變電路，并利用軟開關(guān)技術(shù)，將三相工頻交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為20KHz的高頻方波電壓輸出；在IGBT整流逆變電路輸出側(cè)，外接高頻升壓變壓器，其中變壓器一次繞組為電感性負(fù)載，串聯(lián)電容器，使得變壓器二次繞組輸出回路于20KHz諧振；以此作為高頻交流電源，經(jīng)一組IGBT開關(guān)模塊對輸入的高頻高電壓實(shí)現(xiàn)中頻斬波，在此過程中，IGBT開關(guān)模塊的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)頻率自動(dòng)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(fā)生1KHz串聯(lián)諧振，此時(shí)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(fā)明對中頻電源的設(shè)計(jì)巧妙采用了高頻電路和模塊的設(shè)計(jì)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(jié)約了制造成本，提高了現(xiàn)場應(yīng)用的便利性；根據(jù)載荷電流的反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)中頻斬波輸出，自動(dòng)跟蹤載荷特性的變化，實(shí)現(xiàn)載荷電路的自動(dòng)諧振。采用軟開關(guān)技術(shù)，降低了開關(guān)功耗和發(fā)熱，亦有效減小了散熱系統(tǒng)成本和體積。該設(shè)計(jì)方法不僅大幅降低制造和應(yīng)用成本，且所用模塊簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可有效提高電源的加熱效率。