感应加热技术主电路拓扑结构及控制原理解析方案
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1.引言：
感应加热技术具有加热温度高、加热效率高、速度快、加热温度容易控制、易于实现机械化、自动化、无空气污染等优点，现在感应加热电源已广泛用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业过程。
根据功率调节量的不同感应加热电源有多种调功方式，调频调功是通过改变逆变器工作频率从而改变负载输出阻抗以达到调节输出功率的目的[1]。这种调功方式控制比较简单，可以对电路的工作频率进行直接控制，而且能对功率连续调整。本文正是基于调频调功这种方式，由PWM控制芯片SG3525控制实现的加热电源。
2.主电路拓扑结构和控制原理：
2.1 主电路结构：
本文设计的感应加热电源为串联谐振式全桥IGBT逆变电源，其逆变主电路结构如图1所示。输入采用三相AC/DC不控整流，输出采用负载串联谐振式全桥DC/AC逆变电路。整流输出的电压经高压大电容C1滤波，逆变器主开关器件Q1、Q2、Q3、Q4为IGBT,D1、D2、D3、D4为反并联二极管。
图1 主电路结构图
2.2控制原理
调频控制的原理就是：通过改变逆变器开关频率来改变输出阻抗以达到调节输出功率的目的。串联谐振等效电路图如图2所示。
图2 负载等效电路图
负载等效阻抗为Z=1/jωC +jωL+R ;则|Z|=
=
，其中f=1/（2π）谐振频率。f=f0时，负载等效阻抗最小，|Z|=R，此时功率输出最大；f >f0时，负载呈感性，且频率越大感抗越大，功率减小；f
图3 负载功率虽负载工作频率变化的曲线
3 控制电路设计
3.1 SG3525简介
SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片。其输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器；有过流保护功能；频率可调，同时能限制最大占空比[3]。
3.2控制电路设计
控制电路原理框图如图4所示，控制电路采用负载电流闭环控制。正常工作时，负载电流跟踪电流给定值，经过PI调节器产生电压信号，该电压信号控制3525改变驱动频率从而改变负载电流频率，使负载电流跟踪电流给定。为了防止开关器件换流开通时造成较大的尖峰电流，控制逆变器开关工作频率略大于负载固有谐振频率，为此在控制电路中还增加了相位限制电路，以保证加热电源工作在弱感性状态。
图4 控制电路原理图
3.2.1电源的启动
电源稳态运行时的状态和启动时是不同的，在电路刚启动时，希望负载的工作功率从小到大逐渐增大，这样就需要软启动[4]。软启动的实现是通过缓慢调整负载工作频率来实现的，具体电路如图5所示。
图5 电源启动电路图
3525形成的控制脉冲信号频率f由下式决定：f=1/ CT*（0.7*RT+3*RD） ;式中CT是5脚上的连接电容， RT是6脚上的连接电阻，RD 是5脚和7脚之间的连接电阻。通过改变6号脚的电流大小，实际上就等效于改变RT的大小，由公式可知， 这样就也就调节了SG3525输出的控制信号频率。
如图5所示，当三极管T导通时，电容C接地，这时6号脚电流最大，输出的控制信号频率最高，功率最小；当T由导通变为截至时，电容C开始充电，流经6号脚的电流开始减小，频率降低，输出功率开始增大，这样就实现了电源的启动。
3.2.2 相位限制
图6为相位限制电路，3525输出的两路电压驱动信号与电流反馈信号进行相位比较，当提前检测到负载电流超前负载电压时，输出同步信号送3525的3号脚，这时强制使驱动脉冲关断，从而保证负载工作在弱感性状态。
3.2.3 PI调节电路
控制电路是以负载电流作为反馈量的，通过改变电流给定值可以改变负载电流，从而实
图6 相位限制电路
现功率调节。当负载电流小于电流给定时，PI调节电路输出电压增加，3525的6号脚电流减小，频率减小，功率增大，负载电流增大；反之，当负载电流大于电流给定时，PI调节电路输出电压减小，3525的6号脚电流增大，频率提高，功率减小，负载电流减小。图7为PI调节电路
图7 PI调节电路
4.实验结果
基于以上理论分析和控制电路的设计，设计了一台50KHZ/30KW的感应加热电源实验样机。图8a为Q1（Q4）的驱动电压和输出电流波形，图8b为Q2（Q3）的驱动电压和输出电流波形。从图中可知输出电流为标准正弦波，且保持连续，同时两路驱动脉冲信号超前负载电流，表明实测结果与理论设计的要求相符合。
a. 输出电流和Q 1（Q4）驱动电压波形 b. 输出电流和Q2（Q3）驱动电压波形
图8 负载工作在52K时的波形图
6.结论：
实验表明，利用SG3525设计的调频控制的感应加热电源电路结构简单，工作可靠，输出电流波形好。根据SG3525的特点设计的启动电路和PI调节电路设计新颖，能够实现加热电源的可靠启动和负载功率的连续调节。
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