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1、感应加热电源负载匹配 摘 要 感应加热以其加热效率高、速度快，可控性好及易于实现机械化、自动化等 优点，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。 文章简单介绍国内外感应加热的发展现状和感应加热中儿个重要概念，并 从感应加热电源的拓扑、调功方式和如何扩容等几方面介绍了国内外感应加热电 源的研究现状和发展方向。根据目前国内外高频感应加热电源发展中存在的问题， 提出采用的 LLC 谐振拓扑，利用比较成熟的电力电子技术和锁相环控制设计完成 高频感应加热电源。 在简要分析 LC 谐振回路的特性基础上，对 LLC 谐振回路的特性进行了深入 的理论分析和实验研究。文章根据感应加热负
2、载的特性和等效电路出发，以达到 输出最大功率为目标，分别分析了输出电流和输出电压、输出电流和负载电流、 输出电压和电容电压之间关系的幅频特性和相位特性。通过分析可知，在最大功 率点处，输出电流和负载电流的比值和两个电感比值有关。 关键词：感应加热电源，LLC 谐振回路，负载特性，谐振拓扑，最大功率点控制 Research of Load Matching Technique for Induction Heating Power Supply ABSTRACT 【The Intermediate Frequency Induction Heating has been widely appli
3、ed in melting, casting, bend, hot forging, welding, Surface Heat Treatment due to its advantages of high heating efficiency、high speed、easily controlled、easily being mechanized and automated. Firstly, it presented briefly the international induction heating development achievement nowadays,some impo
4、rtant concepts in it and it also introduced international induction heating status in and development direction in future from the aspects as: topologies of power supply, power regulation and how to expand the capability. According the existed problems in high frequency power supply development, it
5、presented feasibility of fulfilling the high frequency power supply used the matured power electronics technology and phase loop lock control based on improved resonant topology LLC upgrade from LC resonant topology. Secondly, the theoretical analyses and experimental studies of the characteristic o
6、f LLC resonant topology have been studied deeply in paper based on anglicizing simply LC resonant topology firstly. According the characteristic of induction heating load and equivalent circuit of it, the paper has analyze the amplitude frequency and phase character between output current and output
7、 voltage,output current and load current, output voltage and capacitor voltage respectively based on how to get to the maxim output power in load. It presented the results of the ratios between load current and output current, capacitor voltage and output voltage, the output power size when the powe
8、r supply worked nearly at resonant frequency. KEY WORDS: high frequency induction heating power supply，LLC resonant topology，resonant frequency，matched load，maxim power point control 目 录 前 言.1 第 1 章 绪论.3 1.1 电磁感应电源加热的发展.3 1.1.1 感应加热电源综述3 1.1.2 国外感应加热现状.9 1.1.3 我国感应加热现状.10 第 2 章 感应加热技术.14 2.1 感应加热的工作
9、原理.14 2.1.1 感应加热 .14 2.1.2 感应加热三大效应.18 2.2 感应加热电源特点.19 第 3 章 感应加热电源的负载匹配方案.21 3.1 感应加热电源框图.21 3.1.1 负载匹配 .21 3.1.2 负载匹配方案分析.23 3.2 LLC 谐振回路工作分析.28 第 4 章 全文总结及工作展望.31 4.1 全文总结.31 4.2 工作展望.31 谢 辞.33 参考文献.34 外文资料翻译.36 外文资料译文.39 前 言 随着电力电子技术及器件的发展，固态感应加热电源已在金属熔炼、透热、 淬火、热处理、焊接等行业得到越来越广泛的应用。对于热处理行业的大部分负 载
10、来说，感应加热电源设备须经过负载阻抗匹配后才能正常工作。所谓负载阻抗 匹配就是为了使电源输出额定功率，而采取的使负载阻抗等于电源额定阻抗的方 法和措施。 感应加热具有加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化等优点，广 泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产过程中，成为冶金、国防、 机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。 电磁感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象，也就是交变的电流会在导 体中产生感应电流，从而导致导体发热。1890 年瑞典技术人员发明了第一台感应 熔炼炉 开槽式有芯炉， 1916 年美国人发明了闭槽有芯炉，从此感应加热技 术逐渐进入实用
11、化阶段。 20 世纪电力电子器件和技术的飞速发展，极大地促进了感应加热技术的发展。 1957 年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电 子技术的开始，也引发了感应加热技术的革命。1966 年，瑞士和西德首先利用晶 闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。 20 世纪 80 年代后，电力电子器件再次快速发展，GTO、MOSFET、IGBT、M CT 及 SIT 等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件。 现在比较常用的是 IGBT 和 MOSFET， IGBT 用于较大功率场合，而 MOSFET 用于较 高频率场合。据报道，国外可以采用
12、IGBT 将感应加热装置做到功率超过 1000kW ，频率超过 50kHz。而 MOSFET 较适用高频场合，通常应用在几千瓦的中小功率场 合，频率可达到 500kHz 以上，甚至几兆赫兹。然而国外也有推出采用 MOSFET 的 大功率的感应加热装置，比如美国研制的 2000kW /400kHz 的装置。 我国感应热处理技术的真正应用始于 1956 年，从前苏联引入，主要应用在 汽车工业。随着 20 世纪电源设备的制造，感应淬火工艺装备也紧随其后得到发 展。现在国内感应淬火工艺装备制造业也日益扩大，产品品种多，原来需要进口 的装备，逐步被国产品所取代，在为国家节省外汇的同时，发展了国内的相关企
13、 业。目前感应加热制造业的服务对象主要是汽车制造业，今后现代冶金工业将对 感应加热有较大需求。 第 1 章 绪论 1.1 电磁感应电源加热的发展 1.1.1 感应加热电源综述 虽然感应加热的原理发现的比较早，但人类真正广泛应用该项技术还是近三 十年的事情。现在它的重要性越来越被人们所认识。 早在十九世纪科学家就发现了电磁感应现象：1831 年法拉第（Michael Faraday）发现电磁感应规律 ；1868 年福考特（Foucault）提出涡流 理论；1840 年焦耳-楞茨确定了电阻发热的关系式， ，这些都是感应加 热的理论基础。 感应加热装置由两部分组成，一部分是提供能量的交流电源，也称变
14、频电源,变 频电源有低频、工频、中频、超音频和高频之分；另一部分是完成电磁感应能量 转换的感应线圈及机械结构，称感应炉。早期的感应加热电源有工频固态(50 或 60Hz)电源、中频有发电机旋转和固态电源、高频电子管电源。第二次世界大战 前后的感应加热设备基本上是上述的初级发展水平。 制约感应加热发展的主要是感应加热电源，而电源受制于高频或大功率的开 关器件。电力电子功率器件的发展，才真正促进了感应加热电源的发展。1957 年 美国研制出世界上第一只普通的阻断型可控硅，我们现在称为晶闸管(SCR)，经 过 60 至 70 年代工艺完善和产品开发，70 年代后期已形成从低电压小电流到高压 大电流的
15、系列产品，从而使固态感应加热电源产生了革命，走向实用化的阶段。 与此同时，世界各国研制了大量的派生器件。如逆导晶闸管(RCT)，门极辅助关 断晶闸管(GATT)，光控晶闸管(LTSCR)、及 80 年代发展的可关断晶闸管（GTO） 等。 今天的电力半导体功率器件的发展更是琳琅满目，简单归纳一下有：、大 功率二极管：、晶闸管（SCR）；、双向晶闸管；、门极关断（GTO）晶闸 管（最大 8500V ，3500A）；、双极结型晶体管（BTT 或 BPT）；、电力 MOSFET；、静电感应晶体管（SIT），（最大 1000V ，300A，50MHz）；、绝 缘双极型晶体管（IGBT）（最大 6500V
16、，2500A）；、MOS 控制晶闸管（MCT）； 、集成门极换向晶闸管（IGCT）。这些器件还正在不断更新和完善中，这些电 力半导体器件是现代电力电子设备的核心，更是感应加热电源赖以发展的基础。 它为感应加热电源设备带来前所未有的活力和广阔的发展前景。电磁感应加热来 源于法拉第发现的电磁感应现象，也就是交变的电流会在导体中产生感应电流， 从而导致导体发热。1890 年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉 开槽式 有芯炉， 1916 年美国人发明了闭槽有芯炉，从此感应加热技术逐渐进入实用化 阶段。 20 世纪电力电子器件和技术的飞速发展，极大地促进了感应加热技术的发展。 1957 年，美国研制出作为电力电子器件里程碑的晶闸管，标志着现代电力电 子技术的开始，也引发了感应加热技术的革命。1966 年，瑞士和西德首先利用晶 闸管研制感应加热装置，从此感应加热技术开始飞速发展。 20 世纪 80 年代后，电力电子器件再次快速发展，GTO、MOSFET、IGBT、M CT 及 SIT 等器件相继出现。感应加热装置也逐渐摒弃晶闸管，开始采用这些新器件。 现在比较常用的是
