1.引言

感應(yīng)加熱技術(shù)具有加熱溫度高、加熱效率高、速度快、加熱溫度容易控制、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化、無(wú)空氣污染等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在感應(yīng)加熱電源已廣泛用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等工業(yè)過(guò)程。

根據(jù)功率調(diào)節(jié)量的不同感應(yīng)加熱電源有多種調(diào)功方式，調(diào)頻調(diào)功是通過(guò)改變逆變器工作頻率從而改變負(fù)載輸出阻抗以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。這種調(diào)功方式控制比較簡(jiǎn)單，可以對(duì)電路的工作頻率進(jìn)行直接控制，而且能對(duì)功率連續(xù)調(diào)整。本文正是基于調(diào)頻調(diào)功這種方式，由PWM控制芯片SG3525控制實(shí)現(xiàn)的加熱電源。

本文設(shè)計(jì)的感應(yīng)加熱電源為串聯(lián)諧振式全橋IGBT逆變電源，其逆變主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。輸入采用三相AC/DC不控整流，輸出采用負(fù)載串聯(lián)諧振式全橋DC/AC逆變電路。整流輸出的電壓經(jīng)高壓大電容C1濾波，逆變器主開(kāi)關(guān)器件Q1、Q2、Q3、Q4為IGBT，D1、D2、D3、D4為反并聯(lián)二極管。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)圖

調(diào)頻控制的原理就是：通過(guò)改變逆變器開(kāi)關(guān)頻率來(lái)改變輸出阻抗以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出功率的目的。串聯(lián)諧振等效電路圖如圖2所示。

圖2 負(fù)載等效電路圖

負(fù)載等效阻抗為

Z=1/jωC+jωL+R；

則

此時(shí)功率輸出最大；f》f0時(shí)，負(fù)載呈感性，且頻率越大感抗越大，功率減?。籪《f0時(shí)，負(fù)載呈容性，且頻率越小容抗越大，功率減小。圖3為負(fù)載功率隨頻率變化的曲線（圖中f0為負(fù)載諧振頻率；f為負(fù)載工作頻率；P0為負(fù)載諧振狀態(tài)下的功率；P為負(fù)載工作時(shí)的功率。

圖3 負(fù)載功率雖負(fù)載工作頻率變化的曲線

SG3525是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片。其輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，增加了驅(qū)動(dòng)能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器；有過(guò)流保護(hù)功能；頻率可調(diào)，同時(shí)能限制最大占空比。

控制電路原理框圖如圖4所示，控制電路采用負(fù)載電流閉環(huán)控制。正常工作時(shí)，負(fù)載電流跟蹤電流給定值，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)控制3525改變驅(qū)動(dòng)頻率從而改變負(fù)載電流頻率，使負(fù)載電流跟蹤電流給定。為了防止開(kāi)關(guān)器件換流開(kāi)通時(shí)造成較大的尖峰電流，控制逆變器開(kāi)關(guān)工作頻率略大于負(fù)載固有諧振頻率，為此在控制電路中還增加了相位限制電路，以保證加熱電源工作在弱感性狀態(tài)。

圖4 控制電路原理圖

電源穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)和啟動(dòng)時(shí)是不同的，在電路剛啟動(dòng)時(shí)，希望負(fù)載的工作功率從小到大逐漸增大，這樣就需要軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)緩慢調(diào)整負(fù)載工作頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體電路如圖5所示。

圖5 電源啟動(dòng)電路圖

3525形成的控制脈沖信號(hào)頻率f由下式?jīng)Q定：f=1/CT*（0.7*RT+3*RD）；式中CT是5腳上的連接電容，RT是6腳上的連接電阻，RD是5腳和7腳之間的連接電阻。通過(guò)改變6號(hào)腳的電流大小，實(shí)際上就等效于改變RT的大小，由公式可知，這樣就也就調(diào)節(jié)了SG3525輸出的控制信號(hào)頻率。

如圖5所示，當(dāng)三極管T導(dǎo)通時(shí)，電容C接地，這時(shí)6號(hào)腳電流最大，輸出的控制信號(hào)頻率最高，功率最??；當(dāng)T由導(dǎo)通變?yōu)榻刂習(xí)r，電容C開(kāi)始充電，流經(jīng)6號(hào)腳的電流開(kāi)始減小，頻率降低，輸出功率開(kāi)始增大，這樣就實(shí)現(xiàn)了電源的啟動(dòng)。

3.2.2.相位限制

圖6為相位限制電路，3525輸出的兩路電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)與電流反饋信號(hào)進(jìn)行相位比較，當(dāng)提前檢測(cè)到負(fù)載電流超前負(fù)載電壓時(shí)，輸出同步信號(hào)送3525的3號(hào)腳，這時(shí)強(qiáng)制使驅(qū)動(dòng)脈沖關(guān)斷，從而保證負(fù)載工作在弱感性狀態(tài)。

3.2.3.PI調(diào)節(jié)電路

圖6 相位限制電路

控制電路是以負(fù)載電流作為反饋量的，通過(guò)改變電流給定值可以改變負(fù)載電流，從而實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)載電流小于電流給定時(shí)，PI調(diào)節(jié)電路輸出電壓增加，3525的6號(hào)腳電流減小，頻率減小，功率增大，負(fù)載電流增大；反之，當(dāng)負(fù)載電流大于電流給定時(shí)，PI調(diào)節(jié)電路輸出電壓減小，3525的6號(hào)腳電流增大，頻率提高，功率減小，負(fù)載電流減小。圖7為PI調(diào)節(jié)電路

圖7 PI調(diào)節(jié)電路

基于以上理論分析和控制電路的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)50KHZ/30KW的感應(yīng)加熱電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。圖8a為Q1（Q4）的驅(qū)動(dòng)電壓和輸出電流波形，圖8b為Q2（Q3）的驅(qū)動(dòng)電壓和輸出電流波形。從圖中可知輸出電流為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，且保持連續(xù)，同時(shí)兩路驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)超前負(fù)載電流，表明實(shí)測(cè)結(jié)果與理論設(shè)計(jì)的要求相符合。

a.輸出電流和Q1（Q4）驅(qū)動(dòng)電壓波形b.輸出電流和Q2（Q3）驅(qū)動(dòng)電壓波形

圖8負(fù)載工作在52K時(shí)的波形圖

實(shí)驗(yàn)表明，利用SG3525設(shè)計(jì)的調(diào)頻控制的感應(yīng)加熱電源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，輸出電流波形好。根據(jù)SG3525的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的啟動(dòng)電路和PI調(diào)節(jié)電路設(shè)計(jì)新穎，能夠?qū)崿F(xiàn)加熱電源的可靠啟動(dòng)和負(fù)載功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。