高频感应加热电源及其软开关技术的应用研究

感应加热设备是利用电涡流对工件加热的一种装置，由于具有诸多优点而在工业中得到了广泛的应用。目前，国内中频电源已经非常成熟，高频电源在频率、容量等方面还有待提高。因此本文针对高频电源进行了理论分析和实验研究。 文中首先介绍了感应加热电源的工作原理，综述了国内外的研究现状。接下来在对硬开关功率变换电路缺点分析的基础上，提出了软开关变换电路，并对软开关的定义、分类、发展及其控制策略做了归纳和总结。然后，在比较了串、并联逆变器优缺点的基础上选择了串联谐振逆变器，并详细分析了串联逆变器的工作原理，分析并制定了电源主电路的构成方案：以全桥变换器作为主电路拓扑、以移相谐振控制芯片UC3895作为主控芯片、以移相控制方式作为控制方案的移相全桥软开关技术。 本文*后是设计了高频变压器和感应线圈的实验结果，大量的实验波形验证了前面的理论分析。 感应加热电源利用电磁感应加热原理具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现机械化、自动化等优点,并作为金属工业加热的高新技术和基础技术,已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。本文介绍了感应加热电源的起源、原理、特点及应用,对感应加热电源的国内外发展现状及发展趋势做了总结。分析了感应加热电源负载及谐振特性,阐述了串联型逆变器和并联型逆变器的工作原理,并对两者进行了分析对比,确定了串联型逆变器为研究对象。通过对感应加热电源各种调功方式的比较*终选定不控整流加斩波器的拓扑结构。分析了感应加热电源负载参数的变化情况、Buck变换器的状态空间模型和小信号模型,得出感应加热电源是一个复杂、多变量的控制对象,存在着参数时变性、结构非线性等因素,很难建立其**的数学模型。因此采用模糊(Fuzzy)控制实现基于Buck斩波的功率闭环调功,介绍了模糊控制的原理及实现方法,并对这种调功系统进行了建模与仿真。感应加热电源在加热工件过程中,负载等效电参数会随温度的变化发生变化,导致负载固有谐振频率随之改变,为保证逆变器的开关器件工作在软开关模式,为使电源始终运行在较高的功率因数和输出效率条件下,要求逆变器控制电路必须具有自动频率跟踪和锁相功能。传统的基于CD4046的模拟锁相环,存在着频率跟踪范围较窄、动态响应较慢、可靠性差、死区时间需要用辅助电路实现等一些缺点。本文对数字锁相环(DPLL)原理进行了分析,建立了DPLL的数学模型,针对传统锁相环的缺点提出了一种基于数字信号处理器(DSP)的DPLL的实现方法,并对这种方法进行了仿真,验证了系统实现的可行性。在以上理论分析的基础上,本文设计了一台10kW的感应加热电源实验样机,其中斩波器频率为20kHz,逆变器工作频率为30kHz,控制器采用TI公司的TMS320LF2407A DSP控制芯片,简化系统结构的同时提高了系统的性能和抗干扰能力。*后,本文还给出了实验结果,论证了整个系统设计的正确性。