一种复合谐振加热电路及其频率控制方法与流程

本发明属于感应加热电路技术领域，特别涉及一种复合谐振电路。

背景技术：

感应加热技术是一种先进的加热技术，它具有传统加热方法所不具备的优点如：加热效率高、速度快、可控性好及易于实现机械化及自动化，目前，感应加热技术已广泛应用于在熔炼、铸造、热锻、焊接、和材料表面热处理等领域，成为冶金、国防、制造等行业中不可缺少的技术。

感应加热技术发展至今，已经在越来越多的具体工业场景中得到了广泛应用。例如，船舶、舰艇、飞机或其他大型钢结构的表面上，为保护钢结构，实现钢结构防水、防锈蚀等效果，钢结构本体加工成型后，操作人员通常会在其表面涂覆具备相应功能的油漆。一旦原有漆层出现剥落、破损或老化等情况，则需整体铲除原有漆层重新涂覆。在铲除原有漆层的过程中，感应加热技术因其加热效率高、免接触待加工工件、可控性强等特质，成为操作人员们优先考虑应用技术。

现有的感应加热技术，为更好地适应大型钢结构表面除漆的加工场合，一般采用串联谐振原理构建电路。

请参阅图1。利用串联谐振原理构建感应加热电路时，从电路原理层面上来说，电路中一般包括有电源e、近端变压器t1、串联电容c、传输电缆l1、远端变压器t2以及感应器l2；电源e、近端变压器t1、串联电容c、传输电缆l1、远端变压器t2以及感应器l2依次连接。

从上述电路原理可以看出，该电路工作时，电源e输出一定频率的交变电压，串联电容c与感应器l2接合形成串联谐振结构，且该串联谐振结构具有其固有谐振频率，该固有频率的大小由串联电容c1的容抗大小与感应器l2的感抗大小共同决定。

当电源输出的交变电压的频率与串联谐振结构的固有谐振频率相等时，该串联谐振结构发生谐振，此时感应器l2上将取得全频域范围内最大电流，由该电流产生交变磁场，进一步地在待加工工件表面产生感应电动势，进而实现加热。

然而，由串联谐振电路的谐振特性可知，当上述电路达到其谐振点时，串联电容c1与感应器l2上都将流入高频的、幅值较大的交变电流，此时，对于对于串联电容c1而言，由于现有的电容制造技术的缺陷，串联电容c1将不可避免地存在介质损耗，而介质损耗将进一步在串联电容c1上引发功率损耗，这不仅增加了电路中的无功功率，串联电容c1上还将因此产生大量的热量，严重影响电路本身的稳定性；而对于感应器l2而言，由于感应器l2本身为多匝导线绕制而成的线圈，因此当感应器l2中流入高频大电流时，将不可避免地因导体的集肤效应和临近效应产生局部过流现象，并进一步地在过流区域上发热，严重时将烧毁感应器l2。且由于该电路本身应用于高电压环境下，由串联谐振电路的谐振特性可知，串联谐振电路处于谐振状态时，串联电容c1与感应器l2上都将q倍与源电压的过电压，由此可见，当串联谐振电路处于谐振状态下时，串联电容c1与感应器l2上不仅将流入高频大电流，还将产生过电压，因此电路对串联电容c1与感应器l2的耐流与耐压特性要求十分严苛。

采用串联谐振原理应用感应加热技术时，从装置结构原理层面上来说，设备中通常将电源e、近端变压器t1、串联电容c一同设置在靠近外部三相网压端口的近端，远端变压器t2以及感应器l2将一同设置在远离外部三相网压端口的远端，制造成为可移动式的远端加热器，近端与远端之间通过传输电缆l1连接，方便操作人员随意移动远端加热器，对大型钢结构表面的不同区域范围进行加热除漆处理。

从上述装置结构原理可以看出，由于传输电缆l1上存在分布电感，电流传输过程中，电流将在传输电缆上损耗一定能量，因此传输电缆l1的长度将十分有限，这极大地限制了操作人员的操作半径。而进一步地，由于远端变压器t2的功率密度过高，远端加热器自身发热严重，因此，远端加热器中必须同时设置水冷循环系统，这就导致远端加热器体积大、重量大、移动不方便，整个感应加热设备十分笨重，无法取得良好的加热效果。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种复合谐振加热电路，该电路充分利用去回路电缆上寄生的分布电感，将串联谐振结构与并联谐振结构结合起来，实现高频电流的任意距离传输，在远端谐振单元处实现谐振，远端谐振单元获得高频交变电流，进而产生高频交变磁场，实现感应加热。

本发明的另一个目的在于提供一种结构简单、稳定性好、控制方便、轻巧简便，使用体验好的复合谐振加热电路。

本发明的另一个目的在于提供复合谐振加热电路的控制方法，该方法基于复合谐振加热电路，利用加热主回路中取得的电流信号与电压信号判断远端谐振单元的工作状况，并进一步根据其工作状况调节电源转换器输出的正弦交流电的频率f，保证远端谐振单元能准确工作在其谐振点上，保证电路取得良好的谐振加热效果。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种复合谐振加热电路，该谐振加热电路包括有电源转换器和谐振加热器。

其中，电源转换器包括有整流模块、滤波模块、调压模块、逆变模块和变压器，整流模块的输入端连接外部三相网压，整流模块、滤波模块、调压模块、逆变模块和变压器依次连接，变压器副边的两个输出端之间输出具有可调频率f的交流电压；电路工作时，取变压器原边上的电流为电流信号，取并联电容两端的电压为电压信号。

而谐振加热器包括有近端电容单元、去回路电缆和远端谐振单元，远端谐振单元包括有加热电感和并联电容，加热电感与并联电容并联。近端电容单元的一端连接电源的其中一个输出端，近端电容单元的另一端通过一条去回路电缆与加热电感和并联电容的其中一个公共端连接，加热电感和并联电容的另一个公共端连接通过另一条去回路电缆连接电源的另一个输出端；远端谐振单元具有固有谐振频率f01，该谐振加热电路工作时，电路中保持f＝f01。

电源转换器将外部三相网压经整流、滤波、调压、逆变以及变压器变压后，在将变压器的副边侧取得具有可调电压幅值、可调频率的交流电压。

在本发明提供的谐振加热电路中，加热电感和并联电容一旦设置完成，即可得知加热电感的感抗大小以及并联电容的容抗大小，则可进一步推知f01的大小，且此时加热电感的感抗大小以及并联电容的容抗大小将共同决定该远端谐振单元的品质因数q的大小。

调节交流电压的频率f，当电路中取得f＝f01时，远端谐振单元到达其谐振点，由并联谐振电路的谐振特性可知，此时远端谐振单元整体呈阻性，其两端电压达到全频域范围内的最大值，加热电感上将取得始终q倍于源电流的交变电流，因此，在设计电路参数时，合理选择加热电感的感抗大小以及并联电容的容抗大小，将取得合适的q值，进而在加热电感上取得幅值较大的交变电流，该大幅值的交变电流产生强度较大的交变磁场，进一步地在待加工工件表面产生较大的感应电动势，进而取得良好的加热效果。

进一步地，近端电容单元包括有至少一个串联电容与至少一个选通开关；串联电容与选通开关一一对应设置，每一个串联电容的一端均连接电源转换器的其中一个输出端；每一个串联电容的另一端分别连接对应的选通开关的一端，每一个选通开关的另一端均连接去回路电缆；选通开关导通时，对应的串联电容接入电路，选通开关断开时，对应的串联电容与电路断开连接；每一个串联电容的容抗互不相等。

从电路结构上来看，近端电容单元与远端谐振单元将通过去回路电缆连接，由于去回路电缆上将不可避免地寄生有分布电感，因此当电路中取得f＝f01时，远端谐振单元整体呈阻性，此时近端电容单元、去回路电缆上寄生的分布电感与远端谐振单元接合形成的电路，将等效成为一个lcr串联谐振回路，分析可知，该等效lcr串联谐振回路也将具备一个对应的固有谐振频率f02，该固有谐振频率f02的大小将由近端电容单元的容抗大小、去回路电缆上寄生的分布电感的感抗大小、两条去回路电缆之间的互感大小、以及远端谐振单元的等效阻抗大小共同决定。

电路搭建完成后，电路中将同时具有远端谐振单元的固有谐振频率f01与等效lcr串联谐振回路的固有谐振频率f02，设计电路中各电子元器件的参数时，应保证f02与f01数值上尽量贴近，这样在电路中取得f＝f01时，等效lcr串联谐振回路也将濒临其谐振工作点，这样一来，不仅可保证外部三相网压提供的电能将大部分被呈阻性的远端谐振单元消耗，以交变磁场的形式传送给外部工件，取得良好的加热效果，还可保证逆变模块中各开关器件工作在弱感性或阻性状态，减小其开关应力，降低开关损耗。

为适应不同的加工场合，去回路电缆通常按需选用，一旦选定去回路电缆，则其上寄生的分布电感的感抗大小、两条去回路电缆之间的互感大小也随之确定，此时，此时，改变不同选通开关的通断情况，将不同容抗大小的串联电容接入电路，即可调节lcr串联谐振回路的固有谐振频率f02，保证f02与f01数值上尽量贴近。

进一步地，谐振加热器还包括有串联电感，串联电感设置在选通开关与去回路电缆之间，串联电感的一端连接选通开关，串联电感的另一端连接对应的去回路电缆。在加热回路中连接一个串联电感，一方面可以尽可能减小加热电感的感抗对加热电路中总感抗大小的影响，使得谐振加热器可以准确地工作在其需求的谐振频率处；另一方面也可以使得电路中采样得到的电流信号与电压信号可以准确反映远端谐振单元的谐振状况。

更进一步地，该谐振加热电路还包括有逆变控制器，逆变控制器包括有：

用于检测电压信号过零点的电压过零检测单元；

用于在电压信号过零点产生对应脉冲的电压过零脉冲发生单元；

用于检测电流信号过零点的电流过零检测单元；

用于在电流信号过零点产生对应脉冲的电流过零脉冲发生单元；

用于比较两路输入脉冲之间的相位的相位比较单元；

用于放大相位差的相位差放大单元；

用于调节逆变模块输出频率的pfm调节单元；

以及，用于针对逆变模块产生控制脉冲的逆变驱动单元；

取变压器原边上的电流为电流信号，取并联电容两端的电压为电压信号；电流信号接入电流过零检测单元，电流过零检测单元的输出端连接电流过零脉冲发生单元；电流过零检测单元检出该电流信号的过零点，电压信号接入电压过零检测单元，电压过零检测单元的输出端连接电压过零脉冲发生单元；电压过零检测单元检出该电压信号的过零点；

电流过零脉冲发生单元与电压过零脉冲发生单元的输出端一同接入相位比较单元，比较出二者的相位差；

相位比较单元的输出端连接相位差放大单元，相位差放大单元对相位差作出放大。相位差放大单元的输出端连接pfm调节单元；pfm调节单元针对该相位差输出pfm调制信号，pfm调节单元的输出端连接逆变驱动单元；逆变驱动单元根据该pfm调制信号生成逆变驱动脉冲，该逆变驱动脉冲接入逆变模块中，对应改变逆变模块的工作情况。

在变压器原边上取得电流信号，在并联电容两端取得电压信号，比较二者相位差，如二者之间存在相位差，则代表在此时远端谐振单元并未达到其谐振工作点，此时利用该相位差做pfm调制，并进一步地调节逆变模块的工作情况，可调节下一时刻电源转换器两输出端之间输出的正弦交变电压的频率f，使得该频率f进一步逼近固有谐振频率f01，不断检测并调节后，最终取得f＝f01。

与现有技术相比，本发明提供的复合谐振加热电路利用并联谐振的谐振特性，十分方便地在加热电感上取得高频大电流，取得良好的感应加热效果，电路结构简单、稳定，电气性能优越。

附图说明

图1是现有技术中应用串联谐振原理实现感应加热技术的示意图。

图2是本发明的具体实施方式中所实现的复合谐振加热电路的电路原理图，图中：

m1为整流模块、m2为滤波模块、m3为调压模块、m4为逆变模块；

c2为串联电容、k2为选通开关、l21为串联电感、l22为去回路电缆上寄生的分布电感以及两条去回路电缆之间产生的互感的总等效结果、c1为并联电容、l1为加热电感。

图3是本发明的具体实施方式中所实现的复合谐振加热装置的结构示意图，图中e为电源转换器，l21为串联电感、l22为去回路电缆、c1为并联电容、l1为加热电感。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

请参阅图2。

在本具体实施方式中提供一种复合谐振加热电路。

该谐振加热电路包括有加热回路，该加热回路包括有电源转换器和谐振加热器。

其中，电源转换器包括有整流模块m1、滤波模块m2、调压模块m3、逆变模块m4和变压器t，整流模块m1的输入端连接外部三相网压，整流模块m1、滤波模块m2、调压模块m3、逆变模块m4和变压器t依次连接，变压器t副边的两个输出端之间输出具有可调频率f的交流电压；电路工作时，取变压器原边上的电流为电流信号，取并联电容两端的电压为电压信号。

而谐振加热器包括有近端电容单元、去回路电缆和远端谐振单元；远端谐振单元包括有加热电感l1和并联电容c1，加热电感l1与并联电容c1并联；近端电容单元的一端连接电源转换器的其中一个输出端，近端电容单元的另一端连接通过去回路电缆连接加热电感l1与并联电容c1的其中一个公共端，加热电感l1与并联电容c1的另一个公共端通过去回路电缆连接电源转换器的另一端输出端，每条去回路电缆上均产生分布电感，两条去回路电缆之间还将产生的互感，其总等效结果为l22。

在本具体实施方式中，近端电容单元包括有至少一个串联电容c2与至少一个选通开关k2；串联电容c2与选通开关k2一一对应设置，每一个串联电容c2的一端均连接逆变模块m3的其中一个输出端；每一个串联电容c2的另一端分别连接对应的选通开关k2的一端，每一个选通开关k2的另一端均串联电感l21的一端，串联电感l21的另一端通过去回路电缆与远端谐振单元连接；选通开关k2导通时，对应的串联电容c2接入电路，选通开关k2断开时，对应的串联电容c2与电路断开连接；每一个串联电容c2的容抗互不相等。

更进一步地，该谐振加热电路还包括有逆变控制器，逆变控制器包括有：

用于检测电压信号过零点的电压过零检测单元；

用于在电压信号过零点产生对应脉冲的电压过零脉冲发生单元；

用于检测电流信号过零点的电流过零检测单元；

用于在电流信号过零点产生对应脉冲的电流过零脉冲发生单元；

用于比较两路输入脉冲之间的相位的相位比较单元；

用于放大相位差的相位差放大单元；

用于调节逆变模块输出频率的pfm调节单元；

以及，用于针对逆变模块产生控制脉冲的逆变驱动单元；

取变压器t原边上的电流为电流信号，取并联电容c1两端的电压为电压信号；电流信号接入电流过零检测单元，电流过零检测单元的输出端连接电流过零脉冲发生单元；电流过零检测单元检出该电流信号的过零点，电压信号接入电压过零检测单元，电压过零检测单元的输出端连接电压过零脉冲发生单元；电压过零检测单元检出该电压信号的过零点；

电流过零脉冲发生单元与电压过零脉冲发生单元的输出端一同接入相位比较单元，比较出二者的相位差；

相位比较单元的输出端连接相位差放大单元，相位差放大单元对相位差作出放大。相位差放大单元的输出端连接pfm调节单元；pfm调节单元针对该相位差输出pfm调制信号，pfm调节单元的输出端连接逆变驱动单元；

请参阅图3：

在本具体实施方式中还提供一种基于复合谐振加热电路的装置结构。

该结构将电源转换器e与串联电容c2设置靠近外部三相网压端口的近端，将并联电容c1与加热电感l1一同设置在远离外部三相网压端口的远端，近端与远端之间通过去回路电缆l22连接。

从上述的结构原理中可以看出，应用复合谐振加热电路的装置结构简单、只要合理选择通流量大、耐压能力强的并联电容c1和加热电感l1，远端谐振单元即可正常工作，装置整体体积小巧、装置发热问题并不严重、维修方便、操作方便、用户体验度良好。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。