电力电子技术在感应加热电源中的应用研究

电力电子技术在感应加热电源中的应用研究

樊纪发

保定四方三伊电气有限公司 河北省保定市 071000

摘要：随着感应加热电源在理论、控制、电路、频率等领域不断取得新的成果，感应加热电源与电力电子技术的联系日渐紧密化，基于此，本文简单介绍了电力电子技术在感应加热电源中的应用现状，并详细论述了电力电子技术在感应加热电源中的应用实例，希望由此能够为相关业内人士带来一定启发。

关键字：电力电子技术；感应加热电源；模糊控制

1、感应加热电源基本原理

感应加热的原理是给线圈中通入交变的电流，产生交变的磁场，利用交变磁场产生涡流达到加热的目的。导体能导电的主要原因是导体内部存在大量可以自由移动的自由电子。如果在导体上加电压，这些自由电子便会按照一定的方向自由移动，这时便形成了电流，电子在移动过程中遇到阻力，阻力越大电流越小，一般用电阻率来表示导电性能。由于电阻的存在，才有热能的产生，根据楞次定律公式：Q=I2RT。式中，Q为导体产生的热能；I为电力强度；R为电阻；T为电流通过导体的时间。其磁场分为固定和变化的两种，当电流是恒定的直流电时，其磁场是恒定的。当其通过的是交流电时，其产生的磁场就是变化的。变化的磁场会引起集肤效应，使大多数的电流都从导体的表面流过，即有效导电面积减小，使电阻增加。集肤效应随着导体电流的增强而增大。在电流不变的情况下，电阻增大也能使热量增加，同时，由于电流沿着表层流通，热量集于表层，因此可通过计算机控制技术，利用高频电流对导体表层进行局部加热。同样在高频电流通过增加电阻或改变导线的形状，都可以使电流密度发生变化，使其产生邻近效应或环形效应。无论是集肤效应、邻近效应还是环形效应都是由于变化的电流产生的交变磁场，其不影响导体的导电性能。

2、电力电子技术在感应加热电源中的应用现状 2.1提供技术支持与物质基础 电力电子技术的应用为感应加热电源提供了技术支持与物质基础，具体的技术支持与物质基础如下所示：（1）技术支持。将交流电通过整流、滤波、逆变变换成所需频段的电流或电压，然后提供负载，从而实现淬火、熔炼、透热及保温的过程属于感应加热电源的主要原理，而电力电子技术则在其中发挥着关键性作用，典型的感应加热电源结构流程可以描述为：“三相输入→整流器→滤波器→逆变器→负载”，由此即可较为直观了解电力电子技术所提供的技术支持。（2）物质基础。电力电子技术为感应加热电源提供的物质基础主要体现在晶闸管与快速晶闸管等器件的快速发展上，我国现阶段使用的晶闸管已经历先后四代的发展，而由于晶闸管具备技术成熟、运行可靠、功率大等优势，其在中频频段的感应加热电源中有着较为广泛应用，由此可见电力电子技术在感应加热电源中所发挥的重要作用。 2.2各类新技术大规模引入 近年来感应加热电源实现了较为长足的发展，这与各类新型电力电子技术的大规模引入存在直接联系，SPWM整流技术、滤波技术、多电平变频技术、电流型与电压型逆变电路技术、SPWM控制技术、软开关技术均属于其中典型，如其中SPWM整流技术的引入便实现了感应加热电源的效率提升与使用范围扩展，而电流型与电压型逆变电路技术的引入则使得感应加热电源拓扑结构的科学化程度大幅提升，SPWM控制技术的引入则实现了感应加热中频电源的注入电网谐波、功率因素指标的大幅提升，这些均较为直观说明了新技术引入的重要性。 2.3仍面临多方面挑战 虽然电力电子技术的发展与应用为感应加热电源提供了多方面支持，但感应加热电源仍面临的多方面挑战必须得到关注，这里的挑战主要体现在高频化、大容量化、智能化控制、负载匹配等层面，具体挑战如下所示：（1）高频化。晶闸管、IGBT、MOSFET属于现阶段感应加热电源应用的主要器件，但由于感应加热电源的功率往往较大，如何实现感应加热电源高频化已经成为学界关注的焦点，新型高频大功率器件的研制则属于其中的关键。（2）大容量化。由于单个电力电子器件容量有限，多个电力电子器件的串、并联极为常见，但由此引发的均压、均流问题必须得到关注，装置可能因此出现的可靠性降低也属于大容量化必须解决的问题。（3）智能化控制。为提升运行性能与可靠性，感应加热电源必须逐步实现故障自诊断，这一目标的实现必须得到数字化、智能化的支持。（4）负载匹配。应用于工业现场的感应加热电源面临着较为发展的运行情况，为了在这种情况下提高运行效率、减少故障发生几率、满足工业生产需要，负载匹配必须得到高度关注。

3、电力电子技术在感应加热电源中的应用实例 3.1实例分析 为提升研究的实践价值，本文选择了基于dsPIC的串联谐振式中频感应加热电源作为研究对象，该感应加热电源采用了模糊自适应PID整定控制，而通过基于FUZZY-DPLL的频率跟踪控制与功率调节控制，即可为感应加热电源的数字化提供有力支持，而其中控制电路的工作流程则可以概括为：“电源→三相整流→IPM→高频电压→谐振回路→电容、电压、电阻、电流→采样电路→调理电路→高速过零比较电路→dsPIC”。系统选用了dsPIC33EP32MC202型号的16位单片机，感应加热电源的额定输入电压、额定电压频率、额定工作频率、最大输出功率、电源效率分别为三相交流380V、50Hz、20kHz、30kW、90%以上，而输入电压范围、输出频率范围则分别为342V~418V、10kHz~30kHz。 3.2具体应用 3.2.1频率跟踪控制 研究对象中频感应加热电源频率跟踪控制采用了改进相位差测量法，具体的控制流程可以描述为：“控制方式选择判断→DPLL→FUZZY→逆变电路→负载”，而在dsPIC支持下，改进相位差测量法能够实现高质量的负载电压和电流信号相位差测量，FFT单元则会在其中发挥计算作用，而这些功能的实现均需要得到模糊控制器的支持，这里的模糊控制器实现需得到三角形隶属度函数分析、二输入Mamdani型模糊推理、加权平均法以及仿真计算的支持，由此得到模糊控制规则表，即可通过频率跟踪、相位修正真正实现锁相环的相位同步，而基于PWM扫频信号，并设定其频率每0.5ms降低1Hz，即可匹配dsPIC时钟频率较高特点，而考虑到负载电流有效值的变化，ADC模块的采样率也必须得到关注。 3.2.2功率调节控制 电压单闭环控制、功率闭环控制、电压和电流双闭环控制属于最为常见的感应加热电源闭环控制形式，这里的闭环控制主要用于感应加热电源输出功率的调节，而本文研究的中频感应加热电源则采用了功率闭环控制，控制变量为移相角，而为了实现功率误差的高质量处理，引入了FUZZY-PI复合控制算法，高质量的功率控制也将由此实现。值得注意的是，功率调节控制中的PWM信号产生需要设法实现功率调节控制与频率跟踪控制的相结合，而功率调节控制的关键FUZZY-PI控制器实现则需要得到离散PID控制算法的支持，开展同类处理求得模糊规则表，即可满足基于dsPIC的串联谐振式中频感应加热电源的功能实现需要。

结语：综上所述，电力电子技术能够较好服务于感应加热电源，在此基础上，本文涉及的基于dsPIC的串联谐振式中频感应加热电源实例，则提供了可行性较高的感应加热电源电力电子技术应用路径，而为了进一步推动感应加热电源的发展，更加成熟并具备节能降耗属性的“绿色电源”研究必须得到感应加热电源行业的关注。

参考文献：

[1]单如琳.电力电子技术在感应加热电源中的应用[J].电子技术与软件工程,2018,000(015):P.212-212.

[2]宋召玲.感应加热电源控制系统的数字化研究[J].中国高新技术企业,2015,18:26-27.