一种基于高频整流逆变的轻型中频加热电源及设计方法与流程

本发明属于加热电源技术领域，特别涉及一种基于高频整流逆变的轻型中频加热电源及设计方法，可广泛应用于石油化工、冶炼、煅造、晶体生长、精密铸造、热处理、焊接、弯管等中频电加热领域。

背景技术：

随着我国工业化进程的飞速发展，感应加热领域也在快速发展。由于环保要求以及煤炭涨价，用焦煤加热不仅不符合环保要求，而且在价格和经济上也非常的不合算。另一方面，工业加热还大量使用着KGBS以可控硅为主器件的中频加热设备，其功率因数低，耗费大量电能。随着金融危机的曼延，节能降耗，缩减成本已经成为中小企业非常迫切的问题。

中频加热电源是一种静止变频装置，利用可控硅将三相工频交流电变成单相中频交流电来满足中频加热的需要，被广泛应用于冶金(金属熔炼、透热、热处理和焊接等)、机械制造(黑色和有色金属的铸造和精密制造金属的熔炼；机器零件的淬火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火等热处理的加热等)、轻工、石油化工(化学反应釜等容器的加热；输油管道缝焊接，现场退火；输油管路的加热和保温；钻铤、钻杆的热处理)、电子、金属材料等工业生产过程中，是冶金、国防、机械加工、石化等部门及铸、锻造和船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。

目前中频电源一般是将380V/50Hz交流电源经过3相桥式整流、滤波后变成直流电源，再逆变成10～1000Hz的单相交流电，通过中频变压器输给负载使用。一般生产现场中频电源机体采用立体式柜结构，柜体上半部分为中频电源控制柜，下半部分为中频变压器柜，产品内部采用风道式强制风冷散热。由于非软开关技术及中频变压器的使用，使得制造成本高，体积大，重量大，对运输及现场安装、运营、维护带来不便。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于高频整流逆变的轻型中频加热电源及设计方法，以解决上述技术问题。本发明采用高频整流滤波电路与中频斩波电路设计相结合的思想，以有效减小中频加热电源的体积和重量，为制造、运输、现场安装、应用及维护提供便利；通过载荷电流的自跟踪技术，实现载荷频率的自适应输出，提高加热效率，节约能耗。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于高频整流逆变的轻型中频加热电源，包括高频整流逆变电路、高频升压变压器、中频斩波电路和载荷回路；

高频整流逆变电路包括三相全波整流电路和IGBT逆变电路；三相全波整流电路的输出端连接IGBT逆变电路；

IGBT逆变电路的输出电路连接二次绕组带分接头的高频升压变压器，并串接电容形成串联谐振电路；

高频升压变压器输出端连接中频斩波电路，中频斩波电路的输出端连接载荷回路，载荷回路中串接电容器，形成中频串联谐振电路。

高频升压变压器及电容器回路的高频电流反馈信号与IGBT驱动电压信号同步锁相，使得晶体管在电流过零点通断；载荷与电容器回路的中频电流反馈信号与斩波电压控制信号同步锁相，实现载荷回路输出电压自动跟踪载荷频率特性。

50Hz/380V的正弦交流电压经三相全波整流电路进行全波整流后，经IGBT逆变电路，输出20KHz的高频方波电压U_ab；高频升压变压器二次侧经升压后输出20KHz高压正弦交流电压U_T；电流传感器采集高频整流逆变电路输出的实时电流，反馈至IGBT逆变电路的IGBT开关管驱动控制电路，进行锁相同步，使得IGBT逆变电路逆变输出高频方波电压信号与高频整流逆变电路输出电流同相，实现软开关功能。

进一步的，中频斩波电路的IGBT开关管输入1KHz的方波开关控制信号，将高频升压变压器输出的20KHz高频正弦电压进行斩波，输出电压U_ef；载荷回路加装电流互感器，将载荷电流反馈至中频斩波电路的IGBT开关管的驱动输入端，进行同步锁相，实现了软开关的通断和载荷回路的谐振条件。

一种基于高频整流逆变的轻型中频加热电源设计方法，包括：三相全波整流电路中的二极管将三相50Hz/380V的正弦交流电压进行全波整流后，经IGBT逆变电路，输出20KHz的高频方波电压U_ab；在U_ab输出电路中接入二次绕组带分接头的高频升压变压器，并串接电容形成串联谐振电路；高频升压变压器二次侧经升压后输出20KHz高压正弦交流电压U_T；电流传感器采集高频整流逆变电路输出的实时电流，反馈至IGBT逆变电路的IGBT开关管驱动控制电路，进行锁相同步，使得IGBT逆变电路逆变输出高频方波电压信号与载荷回路输出电流同相，实现软开关功能；中频斩波电路的IGBT开关管输入1KHz的方波开关控制信号，将高频升压变压器输出的20KHz高频正弦电压进行斩波，输出电压U_ef；载荷回路加装电流互感器，将载荷电流反馈至中频斩波电路的IGBT开关管的驱动输入端，进行同步锁相，实现了软开关的通断和载荷回路的谐振条件。

一种基于高频整流逆变的轻型中频加热电源设计方法，包括：通过高频IGBT整流逆变电路，并利用软开关技术和谐振原理，将三相工频交流电压信号转换为20KHz的高频方波电压输出；在IGBT整流逆变电路输出侧，外接高频升压变压器，其中高频升压变压器一次绕组为电感性负载，串联电容器，使变压器二次绕组输出回路于20KHz谐振；以此作为高频交流电源，经一组IGBT开关模块对输入的高频高电压实现中频斩波，在此过程中，IGBT开关模块的驱动控制信号频率自动跟踪载荷电流频率特性，使输出电路的被加热感性载荷与外接电容发生1KHz串联谐振，此时载荷上流过中频正弦交流电流，满足载荷加热电流的需求。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明基于高频整流逆变的中频加热电源设计方法，通过高频整流逆变电路，加装高频升压变压器，与中频斩波电路相结合的设计思想，结合软开关技术与高/中频谐振原理，通过载荷电流的反馈控制，大幅减小了电源体积和重量，提高了元件寿命，降低了制造成本，自动跟踪载荷变化，大幅提高感应加热效率，为大功率中频加热电源提供了一种新的设计思路和方法。

附图说明

图1为中频电源构成原理图。

图2为高频整流逆变电路设计原理图。

图3(a)为高频逆变回路输出电压波形；图3(b)为高频变压器一次绕组输出电压波形。

图4为中频斩波电路设计原理图。

图5(a)为IGBT开关管1KHz方波控制信号；图5(b)为斩波电压波形；图5(c)为加热载荷回路中频电流波形。

图6为高频整流逆变同步锁相控制原理图。

图7为载荷自跟踪中频谐振加热控制原理图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明一种基于高频整流逆变的轻型中频加热电源，包括高频整流逆变电路、高频升压变压器、中频斩波电路和载荷回路。

1、高频整流逆变电路设计

高频整流逆变电路设计原理如图2所示，高频整流逆变电路包括三相全波整流电路和IGBT逆变电路。三相全波整流电路中，二极管将三相50Hz/380V的正弦交流电压进行全波整流后，经IGBT逆变电路，输出20KHz的高频方波电压U_ab，如图3(a)所示。在U_ab输出电路中接入二次绕组带分接头的高频升压变压器，并串接电容形成20KHz的串联谐振电路。高频升压变压器二次侧经升压后输出20KHz高压正弦交流电压U_T，如图3(b)所示。

图2中电流传感器用于采集高频整流逆变电路输出的实时电流，反馈至IGBT开关管Q1～Q4的驱动控制电路，进行锁相同步，使得IGBT逆变电路逆变输出高频方波电压信号与高频整流逆变电路输出的电流同相，实现软开关功能，减小热损耗，提高元件寿命，有效减小散热单元体积，并为输出电路串联谐振提供了保证。用高频升压变压器替代中频升压变压器，大幅降低了变压器体积和重量，从而降低了制造金属材料成本，便于生产现场的运输、安装及应用。

2、中频斩波电路设计

中频斩波电路原理图如图4所示。IGBT开关管Q5，Q6分别输入1KHz的方波开关控制信号，如图5(a)所示，将高频升压变压器输出的20KHz高频正弦电压进行斩波，输出电压U_ef如图5(b)所示。根据加热载荷性质，回路串接合适容量电容器，形成中频串联谐振电路，此时载荷电流成分主要为1KHz的中频正弦交流电流，如图5(c)所示，通过集肤效应实现对载荷的加热。为了自动跟踪载荷性质的变化，本发明在载荷回路加装电流互感器，将载荷电流反馈至Q5，Q6的驱动输入端，进行同步锁相，不仅实现了软开关的通断，减小了散热模块的体积，且自动跟踪载荷频率特性，保证了载荷回路的谐振条件。

3、驱动控制环节设计

1)高频整流逆变同步锁相升压控制：

高频整流逆变同步锁相升压控制原理图如图6所示。工频三相正弦交流电压经三相全波整流电路整流输出给IGBT逆变模块，高频升压变压器及电容器回路在20KHz为谐振状态，输出20KHz高频正弦波电流及电压，在输出谐振电流的反馈同步锁相控制下，生成20KHz高频方波控制信号控制IGBT导通，此时IGBT输出20KHz高频方波电压波形，此高频电压通过高频变压器升压，二次侧输出至IGBT斩波电路。

2)载荷自跟踪中频谐振加热控制

载荷自跟踪中频谐振加热控制原理如图7所示。在载荷电流同步锁相反馈控制下，输出与载荷电流同频的中频方波控制信号，控制IGBT模块的通断，则输入的高频正弦电压经IGBT输出中频斩波电压给载荷及电容器回路，载荷与电容器中频串联谐振，其电流为中频正弦交流波形，充分利用集肤效应，临近效应，涡流等物理特性，从而显著提高加热效率。

本发明一种基于高频整流逆变的轻型中频加热电源设计方法，采用高频整流逆变电路与中频斩波电路设计相结合的思想，通过高频IGBT整流逆变电路，并利用软开关技术，将三相工频交流电压信号转换为20KHz的高频方波电压输出；在IGBT整流逆变电路输出侧，外接高频升压变压器，其中变压器一次绕组为电感性负载，串联电容器，使得变压器二次绕组输出回路于20KHz谐振；以此作为高频交流电源，经一组IGBT开关模块对输入的高频高电压实现中频斩波，在此过程中，IGBT开关模块的驱动控制信号频率自动跟踪载荷电流频率特性，使得输出电路的被加热感性载荷与外接电容发生1KHz串联谐振，此时载荷上流过中频正弦交流电流，满足载荷加热电流的需求。本发明对中频电源的设计巧妙采用了高频电路和模块的设计思路，可有效减小主电路元器件体积及重量，可大幅减小升压变压器的体积和重量，节约了制造成本，提高了现场应用的便利性；根据载荷电流的反馈信号实现中频斩波输出，自动跟踪载荷特性的变化，实现载荷电路的自动谐振。采用软开关技术，降低了开关功耗和发热，亦有效减小了散热系统成本和体积。该设计方法不仅大幅降低制造和应用成本，且所用模块简单，易于实现，可有效提高电源的加热效率。