感應(yīng)加熱電源的負(fù)載匹配方案

摘要：分析了串聯(lián)諧振型和并聯(lián)諧振型感應(yīng)加熱電源的負(fù)載電路及負(fù)載匹配的重要性，針對不同電源類型對負(fù)載匹配方案進(jìn)行了研究，介紹了多種負(fù)載匹配方法。

    關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱電源；負(fù)載匹配；串聯(lián)諧振型；并聯(lián)諧振型

1 概述

隨著電力電子技術(shù)及器件的發(fā)展，固態(tài)感應(yīng)加熱電源已在金屬熔煉、透熱、淬火、熱處理、焊接等行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。對于熱處理行業(yè)的大部分負(fù)載來說，感應(yīng)加熱電源設(shè)備須經(jīng)過負(fù)載阻抗匹配后才能正常工作。所謂負(fù)載阻抗匹配就是為了使電源輸出額定功率，而采取的使負(fù)載阻抗等于電源額定阻抗的方法和措施。
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    對于一臺電源設(shè)備，其額定電壓UN和額定電流IN取決于電源本身，為使電源能輸出額定功率，要求有合適的負(fù)載阻抗Z=ZN=UN/IN與電源匹配，如果Z≠ZN，電源與負(fù)載不匹配，電源利用率就降低。以簡單的直流電壓源為例：電源額定電壓Ud=400V，額定電流Id=400A，額定阻抗|Zd|=1Ω，負(fù)載阻抗|Z|=1Ω時(shí)，電源輸出額定功率；|Z|=0.5Ω時(shí)，輸出電流為I=Ud/|Z|=400/0.5=800A，電源過載；|Z|=2Ω時(shí)，輸出電流為I=Ud/|Z|=400/2=200A，電源輕載。圖1可清楚的表明以上所說情況。

圖1中，線1表示負(fù)載與電源匹配，線2表示電源重載，線3表示電源輕載。電源與負(fù)載不匹配時(shí)，為保證不損壞電源設(shè)備，只能降額運(yùn)行，降低了電源利用率，適當(dāng)?shù)钠ヅ淇梢允闺娫慈�功率運(yùn)行，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減少故障。在實(shí)際中，很少有負(fù)載阻抗恰好等于電源額定阻抗的情況，負(fù)載匹配是感應(yīng)加熱裝置安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，是感應(yīng)加熱電源負(fù)載側(cè)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。

2 負(fù)載等效電路分析

感應(yīng)加熱裝置的感應(yīng)器支路可以等效成一個(gè)電阻和一個(gè)電感串聯(lián)或并聯(lián)的形式[1]，等效的電感、電阻是感應(yīng)器和負(fù)載耦合作用的結(jié)果，其值受感應(yīng)器與負(fù)載耦合程度的影響。等效感應(yīng)器支路是一個(gè)感性負(fù)載，功率因數(shù)很低，需加入電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，補(bǔ)償電容器與感應(yīng)線圈的連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式，從而形成兩種基本的諧振電路：并聯(lián)諧振電路、串連諧振電路。為了提高效率和保證逆變器安全運(yùn)行，固態(tài)感應(yīng)加熱電源一般工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路的特性，見表1。

    從表1可以看出，串聯(lián)諧振電路在諧振狀態(tài)下等效阻抗為純電阻，并達(dá)到最小值，并聯(lián)諧振電路在諧振狀態(tài)下等效阻抗達(dá)到最大值，為了獲得最大的電源輸出功率，串聯(lián)諧振電路采用電壓源供電，并聯(lián)諧振電路采用電流源供電，即電壓源型感應(yīng)加熱電源必須匹配串聯(lián)諧振型負(fù)載電路，電流源型感應(yīng)加熱電源必須匹配并聯(lián)諧振型負(fù)載電路，這是電源與負(fù)載的初次匹配措施。

3 負(fù)載匹配方案分析

負(fù)載匹配方法主要分為兩大類：靜電耦合和電磁耦合。靜電耦合主要采用無源元件，通過改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來改變負(fù)載阻抗。這一方法在一定條件下可以省去匹配變壓器，因此更加經(jīng)濟(jì)、方便。電磁耦合主要采用匹配變壓器，通過變壓器變換阻抗特性進(jìn)行負(fù)載匹配。下面針對不同電路形式進(jìn)行分析。

3.1 并聯(lián)諧振電路負(fù)載匹配方法

并聯(lián)諧振電路等效阻抗ZD=L/RC，改變等效電路中的電容、電感、電阻的值都能改變阻抗，這一特性使并聯(lián)諧振電路的阻抗匹配更加靈活。

3.1.1 匹配電容元件

根據(jù)電容元件加入的位置不同，可以分為以下3種方法，分別示意在圖2、圖3及圖4。

圖2等效阻抗ZD=L/RC，其中C=C1＋C2＋C3，通過開關(guān)的開、合可以改變電容值，從而改變負(fù)載電路等效阻抗，此法簡單易行，是實(shí)踐中常用方法之一，但屬于有級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)要求斷電。另外，C的變化會引起電路諧振頻率發(fā)生變化，負(fù)載諧振頻率受工藝要求限制，當(dāng)頻率超出范圍時(shí)應(yīng)配合匹配電感的方法來抵消頻率的變化。注意，所有匹配方法都應(yīng)考慮頻率的變化，處理方法類似，以后不再敘及。

    圖3等效阻抗ZD=LCs/〔RC(C＋Cs)〕，可見加入Cs后，阻抗成Cs/(C＋Cs)倍變化，可使原來的等效阻抗變小，適用于阻抗相對電源來說高的負(fù)載。

圖4是串并聯(lián)負(fù)載電路，電路仍工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)，工作情況與并聯(lián)諧振電路類似，Cs的加入使容性阻抗增加。該電路優(yōu)點(diǎn)是啟動容易，通常作為晶閘管感應(yīng)加熱電源的起動電路，單純作為負(fù)載匹配措施則較少使用。

3.1.2 匹配電感元件

一般分為兩種情況，分別如圖5及圖6所示。以上兩種電路形式是通過加入可變電抗器改變感應(yīng)線圈支路的電感，進(jìn)而改變等效阻抗值，

圖5串聯(lián)電感的方式只能增加感應(yīng)器支路的電感，圖6的連接方式可以增大支路電感，也可以減小支路電感。由于并聯(lián)諧振屬于電流諧振，并聯(lián)支路中流過諧振電流，達(dá)到電源電流的Q（Q=ω0L/R）倍，諧振電路等效電感增加會增加銅損。

感應(yīng)加熱電源負(fù)載匹配方法中利用電感匹配的方法可以歸納為以下幾種。

——利用帶鐵心的多抽頭電抗器，改變抽頭調(diào)節(jié)電抗值，屬于有級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)要求斷電。由于制作工藝上的原因，抽頭的數(shù)量受到限制，無法做到?調(diào)。

——采用動鐵心電抗器，移動鐵心與線圈的相對位置來改變電抗值，屬于無級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)無須斷電，可以跟隨負(fù)載阻抗的變化，匹配效果好，容易組成穩(wěn)定感應(yīng)線圈上的電壓，或恒溫、恒功率自動控制系統(tǒng)，但鐵心動作須經(jīng)過一套傳動系統(tǒng)，故障率較高，且須建立協(xié)調(diào)控制模型。

——采用動圈式變壓器的形式，一次線圈與感應(yīng)線圈并聯(lián)，二次側(cè)繞組自身短接，移動一次繞組與二次繞組的相對位置，便可以改變一次側(cè)的等值電抗，屬于無級調(diào)節(jié)。變壓器必須采用空心變壓器，一二次繞組相對位置的變化也須經(jīng)過一套傳動裝置，故障率高，同樣須建立控制模型。

——用磁飽和電抗器作為Lf，通過調(diào)節(jié)直流激磁電流來改變電抗值，屬于無級調(diào)節(jié)。該方法無移動、旋轉(zhuǎn)部件，也無觸點(diǎn)控制，安全可靠，維護(hù)工作量小。

——增減感應(yīng)線圈的匝數(shù)。在感應(yīng)線圈的幾何形狀不變的條件下（感應(yīng)線圈的長度和直徑不變），感應(yīng)線圈的電感與其匝數(shù)N的平方成正比，當(dāng)匝數(shù)N增減時(shí)，感應(yīng)線圈的電感L和工件的等效阻抗也會相應(yīng)增減，從而改變負(fù)載的等效阻抗。

——改變感應(yīng)線圈與被加熱工件的耦合情況。感應(yīng)器與被加熱工件耦合的緊密程度直接影響感應(yīng)器支路等效阻抗，從而影響諧振電路等效阻抗，但是，當(dāng)感應(yīng)器與工件的間隙增大，耦合較松時(shí)會降低加熱效率，匹配效果有限。

3.1.3 匹配電阻元件

負(fù)載匹配的根本目的是盡量使電源額定功率全部用于工件加熱，也就是提高電源效率的問題，因此，在負(fù)載匹配的問題中，應(yīng)結(jié)合有利于提高電源效率綜合進(jìn)行分析。在電路中加入電阻可方便地使負(fù)載阻抗與電源相匹配，但裝置的損耗增加，加熱效率降低，沒有根本解決問題，不是可行的負(fù)載匹配方法。

3.1.4 匹配變壓器

利用電磁耦合進(jìn)行負(fù)載匹配是通過變壓器的變阻抗特性實(shí)現(xiàn)的，這在感應(yīng)加熱中非常普遍，采用的電路形式主要有兩種，如圖7及圖8所示。變壓器變阻抗特性以圖7為例說明如下：變壓器副邊電路工作在諧振狀態(tài)，等效阻抗ZD=L/RC，通過變比為n:1的變壓器后，變壓器原邊的等效阻抗ZD=n2L/RC（忽略變壓器漏抗的影響），可見阻抗成n2倍變化。

圖7電路中感應(yīng)器支路所需無功容量由并聯(lián)電容器提供，負(fù)載電路工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，匹配變壓器通過少量無功功率，所需容量較小，匹配變壓器原邊流過電源電流，損耗不大，可以采用鐵心變壓器。圖8電路中，匹配變壓器中既通過有功功率又通過無功功率，所需變壓器容量較大，鐵心變壓器容量受鐵心制造水平限制，在傳輸容量大時(shí)難以勝任，所以此電路通常采用空心變壓器，匹配變壓器原邊流過諧振電流，損耗較大。

利用匹配變壓器進(jìn)行負(fù)載匹配時(shí)應(yīng)考慮以下選擇原則。

——空心變壓器易實(shí)現(xiàn)大容量化，?合于初級補(bǔ)償，減輕了對C的要求，但隨著電壓、功率的上升，其體積相應(yīng)增大。鐵心變壓器難以實(shí)現(xiàn)大容量化，無功須在次級補(bǔ)償，增加了C的選擇難度。另外，空心變壓器漏感大，變比不等于匝比，在設(shè)計(jì)中難以掌握，變比較大時(shí)實(shí)現(xiàn)困難，鐵心變壓器漏感小，變比等于匝比，對于極低的負(fù)載阻抗可以做成較大的匝比。

——鐵心變壓器的鐵損正比于頻率的平方，高頻時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，這提高了對變壓器冷卻系統(tǒng)的要求，所以高頻時(shí)常采用鐵淦氧磁芯或空心變壓器。

——當(dāng)負(fù)載工作頻率較高時(shí)，為保證匹配效率要求匹配變壓器漏抗盡量小，這對匹配變壓器的設(shè)計(jì)提出了更高要求。

——補(bǔ)償電容C一般放在匹配變壓器高壓側(cè)，在提供無功容量一定時(shí)，可大大降低電容值，當(dāng)然，這需綜合考慮所選電路形式、變壓器和電容的市場售價(jià)而定。

——為適應(yīng)多種負(fù)載，匹配變壓器應(yīng)設(shè)計(jì)成多抽頭變壓器，但抽頭數(shù)量受變壓器結(jié)構(gòu)的限制，對負(fù)載的調(diào)節(jié)有限，難以做到最佳匹配。隨著頻率的增加，多抽頭變壓器的設(shè)計(jì)更加困難。

    ——隨著銅價(jià)的上升，變壓器造價(jià)會不斷上升，而電容價(jià)格隨著電容生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展有下降趨勢，另外利用匹配變壓器進(jìn)行負(fù)載匹配須考慮其寄生元件的影響（漏抗、寄生電容），變壓器銅損的存在也會降低電源效率，所以進(jìn)行負(fù)載匹配時(shí)應(yīng)首選靜電耦合方法。

——匹配變壓器可以起到電氣隔離的作用。

3.2 串聯(lián)諧振電路負(fù)載匹配方法

通過對串聯(lián)諧振電路負(fù)載特性的分析可知，串聯(lián)諧振電路等效阻抗只與等效電阻R有關(guān)，改變等效電路中電容和電感值不影響等效阻抗，這一特性大大限制了串聯(lián)諧振電路的負(fù)載匹配措施。

3.2.1 改變感應(yīng)器與工件的耦合

在并聯(lián)諧振電路匹配電感的方法中已經(jīng)提到，改變感應(yīng)線圈與被加熱工件間的耦合程度可以改變等效電阻，此法也適用于串聯(lián)諧振電路阻抗匹配。

3.2.2 負(fù)載串接

當(dāng)負(fù)載阻抗小時(shí)，將數(shù)個(gè)完全相同的感應(yīng)線圈和被加熱工件串接起來可以增大負(fù)載等效阻抗。

3.2.3匹配電容元件

圖9（a）為匹配電路，該電路仍工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)，即諧振時(shí)并聯(lián)部分相當(dāng)于感性負(fù)載，圖9（b）為圖9（a）的等效電路，其中可見，Cs的加入影響串聯(lián)諧振電路等效電阻，從而影響串聯(lián)諧振電路等效阻抗。在一定頻率下負(fù)載的感性無功功率一定，工作在諧振狀態(tài)的容性無功功率等于感性無功功率，所以要求補(bǔ)償?shù)娜菪詿o功功率容量也是一定的，Cs的加入只是分擔(dān)了一部分容性無功功率，不會因增加無功功率容量而增加成本。

3.2.4 匹配變壓器

串聯(lián)諧振電路受其電路形式的限制，匹配方法單一，所以在實(shí)際應(yīng)用中，串聯(lián)諧振電路一般利用匹配變壓器實(shí)現(xiàn)負(fù)載匹配。利用變壓器進(jìn)行負(fù)載匹配的研究與并聯(lián)諧振電路類似，不同的是串聯(lián)諧振屬于電壓諧振，匹配變壓器位置不同所承受電壓不同。圖10所示電路中匹配變壓器原邊為諧振電壓，對匹配變壓器絕緣要求較高。而圖11所示電路中匹配變壓器承受電源電壓，可以降低絕緣要求。

4 結(jié)語

串聯(lián)諧振電路的特性決定改變等效電容和電感值不能改變諧振狀態(tài)的等效阻抗，靜電耦合負(fù)載阻抗匹配方案中許多不適用于串聯(lián)諧振電路，串聯(lián)諧振電路一般采用匹配變壓器進(jìn)行負(fù)載匹配。

并聯(lián)諧振電路可用靜電耦合和電磁耦合進(jìn)行負(fù)載阻抗匹配，匹配方法靈活，對負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，這是并聯(lián)諧振型逆變電源廣泛應(yīng)用的原因之一。

利用靜電耦合進(jìn)行負(fù)載匹配是一種簡單、經(jīng)濟(jì)的方法，而利用電磁耦合進(jìn)行負(fù)載匹配也靈活方便，兩種方式各有優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中，一種匹配方法有時(shí)難以滿足多方面要求，為達(dá)到最佳匹配，可以將多種方法配合使用。

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