一种超音频感应加热负载匹配系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种超音频感应加热负载匹配系统。


背景技术：

2.在串联式超音频感应加热系统中，通常采用变压器进行阻抗匹配，根据谐振电容的安装位置分初级谐振和次级谐振，当谐振电容安装在变压器初级时为初级谐振，谐振电容安装在变压器次级时叫做次级谐振(如图1所示)。
3.初级谐振是谐振电容c串联在变压器的初级绕组回路，感应线圈l连接在变压器次级，r为等效电阻，谐振频率为：
[0004][0005]
f为谐振频率(赫兹)；l为等效电感(亨利)；k为变压器的初次级匝数之比；c为谐振电容(法拉)。
[0006]
各电压的关系是：u2＝u1/k；u1＝u*q；
[0007]
u为逆变电源输出电压，一般为530v；u1为变压器初级电压；u2为变压器次级电压；q为品质因数。其中谐振电容c两端的电压uc与u1幅度相等，相位相差180
°
。感应线圈l两端的电压u
l
与u2相同。
[0008]
品质因数q与工作频率有关，与电感量有关，与等效电阻有关，对于超音频系统来说通常在5-10。
[0009]
q＝ω*l/r
[0010]
如果安装q为8计算变压器初级电压u1＝530*8＝4240v，谐振电容c两端的电压也就是4240v。如此高的工作电压，对于变压器来说制作难度很高，在实际使用中经常遇到变压器匝间击穿、初次级击穿、初级与铁芯击穿等情况，谐振电容也非常容易击穿损坏，也很不安全。
[0011]
次级谐振是将谐振电容c与感应线圈l串联后连接在变压器的次级。谐振频率为：
[0012]
可以看出，次级谐振的谐振频率与变压器匝比k没有关系。
[0013]
各电压关系为：u2＝u1/k；u
l
＝u2*q；u
l
＝uc；
[0014]
感应线圈l两端电压与谐振电容c两端电压幅度相同，相位相差180
°
，是变压器次级电压的q(品质因数)倍。
[0015]
以50kw的超音频加热系统为例，其变压器匝数比约为10/1，逆变电源输出电压按照530v，q值为8进行计算，u2＝530/10＝53；uc＝53*q＝53*8＝424v，比初级谐振时的电压低了k(变压器匝数比)倍。可以看出次级谐振时变压器的初级电压和谐振电容的耐压都比初级谐振低得多，极大的降低了变压器的制作难度，由于电压的降低，铁芯的截面积也减小了很多，使变压器的体积也就大大减小。谐振电容的使用寿命也因此而增加。
[0016]
次级谐振比初级谐振有很多优势，但是有些情况下是没办法使用的，比如感应线圈l的电感量很小时。在很多情况下(比如轴淬火、弯管等)，感应线圈只有1匝，直径在几厘米至十几厘米，电感量只有几十纳亨到几百纳亨，还不到1微亨(uh)，按照谐振频率15khz、电感量0.5uh，根据公式计算，谐振电容的容量为225uf左右。根据电容生产厂家的规格书可以看出，在如此高的频率下根本没有这么大容量的电容，一般只有几uf，最大的也只有20几uf，以rfm0.65-1000-15s为例，电容量只有6*4.18＝25.08uf，如果多台电容并联使用的话需要225/25.08≈9台，每台电容的尺寸为336*126*220mm，重量为14kg，理论上是可行的，但由于体积过于庞大以及杂散电感、成本等原因，实际是不可行的。
[0017]
在这种情况下只能使用初级谐振，谐振电容在变压器的初级，电容量比在次级小变压器匝数比的平方倍，由于感应线圈匝数仅为1匝，等效电阻r也很小，变压器的匝数比会比较高，以50kw，直接30mm的圆轴淬火为例，匝数比为30左右，初级谐振时电容的容量为225/302＝0.25uf，根据电容规格书查看，rfm4.0-10-30s-0.24uf的电容一台即可。


技术实现要素：

[0018]
本实用新型要解决的技术问题是：串联式超音频感应加热初级谐振系统中电容及变压器电压太高的问题。
[0019]
为了解决上述问题，本实用新型的技术方案是提供了一种超音频感应加热负载匹配系统，其特征在于：包括匹配变压器t、谐振电容c、感应线圈l和等效电阻r，所述匹配变压器t包括变压器t1和变压器t2，所述变压器t1的次级通过谐振电容c与变压器t2的初级绕组串联，感应线圈l和等效电阻r连接在变压器t2的次级，变压器t1的匝数比k1和变压器t2的匝数比k2乘积等于匹配变压器t的匝数比。
[0020]
优选地，所述变压器t1的次级电压u
21
＝u
11
/k1，其中u
11
为变压器t1的初级电压，k1为变压器t1的匝数比；
[0021]
所述变压器t2的初级电压u
12
＝uc＝u
21
*q，其中uc为谐振电容c两端的电压，u
21
为变压器t1的次级电压，q为品质因数；
[0022]
所述变压器t2的次级电压u
22
＝u
l
＝u
12
/k2，其中u
l
为感应线圈l两端的电压，u
12
为变压器t2的初级电压，k2为变压器t2的匝数比。
[0023]
优选地，所述谐振电容c的谐振频率为其中l为感应线圈电感值，k2为变压器t2的匝数比，c为谐振电容值。
[0024]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
[0025]
本实用新型通过两级变压器进行匹配，可以根据电容的参数，合理的分配两台变压器的匝数比，降低了变压器电压和电容电压，使系统的可靠性大大提高。由于两台变压器的容量之和与原一台变压器容量相同，变成两台变压器后成本相差不大，在不增加成本的情况下解决了串联式超音频感应加热初级谐振系统电容及变压器电压太高的问题。
附图说明
[0026]
图1为超音频感应加热初级谐振系统和次级谐振系统示意图；
[0027]
图2为本实用新型一种超音频感应加热负载匹配系统示意图。
具体实施方式
[0028]
为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0029]
如图2所示，本实用新型一种超音频感应加热负载匹配系统采用两级变压器组合的方式，充分结合了初级谐振和次级谐振的优势，使问题得到解决。
[0030]
将匹配变压器t分为2台变压器，t1和t2，使2台变压器t1和t2的匝数比k1*k2＝k，谐振电容c安装在两台变压器之间，谐振频率为：
[0031][0032]
其中l为感应线圈电感值，k2为变压器t2的匝数比，c为谐振电容值，可以看出谐振频率f仅与变压器t2的匝数比k2有关，与变压器t1无关。
[0033]
各电压之间的关系为：变压器t1的次级电压u
21
＝u
11
/k1，其中u
11
为变压器t1的初级电压，k1为变压器t1的匝数比；
[0034]
变压器t2的初级电压u
12
＝uc＝u
21
*q，其中uc为谐振电容c两端的电压，u
21
为变压器t1的次级电压，q为品质因数；
[0035]
变压器t2的次级电压u
22
＝u
l
＝u
12
/k2，其中u
l
为感应线圈l两端的电压，u
12
为变压器t2的初级电压，k2为变压器t2的匝数比。
[0036]
以电感量0.5uh，频率15khz，q值为8，功率50kw，变压器匝数比30为例进行说明。将k1确定为6，k2＝k/3＝30/6＝5，根据公式计算，谐振电容c的容量约为9uf。谐振电容c两端的电压为：
[0037]u21
＝u
11
/k1＝530/6≈88v；
[0038]
uc＝u
21
*q＝88*8＝704v；
[0039]
变压器t1的初级电流为50kw/530v≈94a，次级电流为94*6＝564a。变压器t1的次级与谐振电容c、变压器t2的初级绕组串联，其电流相同。根据上述计算结果，查找电容规格书，电容rfm0.75-500-15s的额定电压为750v，电流为666a，均大于计算的电流电压值，频率为15khz，电容量为4*2.36≈9uf，各参数满足系统要求，可以使用。
[0040]
通过两级变压器进行匹配，可以根据电容的参数，合理的分配两台变压器的匝数比，降低了变压器电压和电容电压，使系统的可靠性大大提高。由于两台变压器的容量之和与原一台变压器容量相同，变成两台变压器后成本相差不大。