前言??? 從事感應(yīng)加熱電源研發(fā)制造多年，工作中發(fā)現(xiàn)很多用戶及實際工作者，對感應(yīng)加熱電源的匹配原理并不是很清晰，在網(wǎng)上找到了這篇好文章，給大家分享。在此感謝升華感應(yīng)給與的工作平臺，也感謝家人及朋友對我工作的大力支持。、概述??????? 隨著電力電子技術(shù)及器件的發(fā)展 ，固態(tài)感應(yīng)加熱電源已在金屬熔煉、透熱 、淬火、熱處理 、焊接等行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用對于熱處理行業(yè)的大部分負(fù)載來說 ，感應(yīng)加熱電源設(shè)備須經(jīng)過負(fù)載阻抗匹配后才能正常工作。所謂負(fù)載阻抗匹配就是為了使電源輸出額定功率，而采取的使負(fù)載阻抗等于電源額定阻抗的方法和措施。??????? 對于臺電源設(shè)備 ，其額定電壓 Un和額定電流In 取決于電源本身 ，為使電源能輸出額定功率 ，要求有合適的負(fù)載阻抗：?Z = Zn =? Un／In，N與電源匹配 ，如果 Z ≠Zn，電源與負(fù)載不匹配，電源利用率就降低。以簡單的直流電壓源為例：電源額定電壓 Ud：400 V ，額定電流 ，d= 400 A ；（1）額定阻抗 lzdl= 1 歐姆，負(fù)載阻抗 l z l=1? 歐姆時，電源輸出額定功率；（2）l z l= 0．5 歐姆 時，輸出電流為 ，I= Ud／l z l=400／0．5 = 800 A ，電源過載 ；（3）l z l= 2歐姆 時，輸出電流為 ，I= Ud／l z l= 400／2 = 200A ，電源輕載。圖 1可清楚的表明以上所說情況。圖 1 中，線 1表示負(fù)載與電源匹配，線 2 表示電源重載，線 3 表示電源輕載。電源與負(fù)載不匹配時，為保證不損壞電源設(shè)備，只能降額運行，降低了電源利用率，適當(dāng)?shù)钠ヅ淇梢允闺娫慈β蔬\行，保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn) ，減少故障。在實際中，很少有負(fù)載阻抗恰好等于電源額定阻抗的情況 ，負(fù)載匹配是感應(yīng)加熱裝置安全可靠經(jīng)濟運行的個必不可少的環(huán)節(jié)，是感應(yīng)加熱電源負(fù)載側(cè)設(shè)計的重要內(nèi)容。二、負(fù)載等效電路分析感應(yīng)加熱裝置的感應(yīng)器支路可以等效成個電阻和個電感串聯(lián)或并聯(lián)的形式 ¨1，等效的電感 、電阻是感應(yīng)器和負(fù)載耦合作用的結(jié)果，其值受感應(yīng)器與負(fù)載耦合程度的影響。等效感應(yīng)器支路是個感性負(fù)載，功率因數(shù)很低 ，需加入電容器進(jìn)行無功補償 ，補償電容器與感應(yīng)線圈的連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式 ，從而形成兩種基本的諧振電路：并聯(lián)諧振電路 、串連諧振電路。為了提率和保證逆變器安全運行，固態(tài)感應(yīng)加熱電源般工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài) ，串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路的特性 ，見表 1。從表 1 可以看出，串聯(lián)諧振 電路在諧振狀態(tài)下等效阻抗為純電阻，并達(dá)到小值 ，并聯(lián)諧振電路在諧振狀態(tài)下等效阻抗達(dá)到大值，為了獲得大的電源輸出功率 ，串聯(lián)諧振電路采用電壓源供電，并聯(lián)諧振電路采用電流源供電，即電壓源型感應(yīng)加熱電源匹配串聯(lián)諧振型負(fù)載電路 ，電流源型感應(yīng)加熱電源匹配并聯(lián)諧振型負(fù)載電路 ，這是電源與負(fù)載的初次匹配措施。三、負(fù)載匹配方案分析負(fù)載匹配方法主要分為兩大類 ：靜 電耦合和電磁耦合。靜電耦合主要采用無源元件 ，通過改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來改變負(fù)載阻抗 。這方法在定條件下可以省去匹配變壓器 ，因此更加經(jīng)濟、方便。電磁耦合主要采用匹配變壓器 ，通過變壓器變換阻抗特性進(jìn)行負(fù)載匹配。下面針對不同電路形式進(jìn)行分析。3.1并聯(lián)諧振電路負(fù)載匹配方法并聯(lián)諧振電路等效阻抗 z。= L／RC ，改變等效電路 中的電容 、電感 、電阻的值都能改變阻抗 ，這特 性使 并聯(lián) 諧振 電路 的 阻抗 匹配更 加靈活 。3.1.1 匹配電容元件根據(jù)電容元件加入的位置不同，可以分為以下 3 種方法，分別示意在圖 2、圖 3 及圖 4。圖 2 等效阻抗 Zo = L／RC ，其 中 C = C1+C2+ C3，通過開關(guān)的開、合可以改變電容值，從而改變負(fù)載電路等效阻抗，此法簡單易行 ，是實踐中常用方法 ，但屬于有調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時要求斷電。另外，c 的變化會引起電路諧振頻率發(fā)生變化，負(fù)載諧振頻率受工藝要求限制，當(dāng)頻率超出范圍時應(yīng)配合匹配電感的方法來抵消頻率的變化。注意，所有匹配方法都應(yīng)考慮頻率的變化，處理方法類似，以后不再敘及。圖 3 等效阻抗 Z 。= LCs ／[RC (C +Cs? )]，可見加入 Cs 后 ，阻抗成 Cs ／(C + Cs)倍變化，可使原來的等效阻抗變小 ，適用于阻抗相對電源來說高的負(fù)載。圖 4 是串并聯(lián)負(fù)載電路 ，電路仍工作在并聯(lián)諧振狀態(tài) ，工作情況與并聯(lián)諧振電路類似 ， Cs 的加入使容性阻抗增加。該電路優(yōu)點是啟動容易，通常作為晶閘管感應(yīng)加熱電源的起動電路，單純作為負(fù)載匹配措施則較少使用。3．1．2? 匹配電感元件般分為兩種情況 ，分別如圖 5 及圖 6 所示 。以上兩種電路形式是通過加入可變電抗器改變感應(yīng)線圈支路的電感 ，進(jìn)而改變等效阻抗值 ，圖 5 串聯(lián) 電感 的方式只能增加感應(yīng)器支路 的電感 ，圖 6 的連接方式可以增大支路電感 ，也可以減小支路電感。由于并聯(lián)諧振屬于電流諧振 ，并聯(lián)支路 中流過諧 振 電流 ，達(dá) 到 電源 電流 的 Q (Q =XL／R )倍 ，諧振電路等效電感增加會增加銅損。感應(yīng)加熱電源負(fù)載匹配方法中利用電感匹配的方法可以歸納為以下幾種?！?—利用帶鐵心的多抽頭電抗器 ，改變抽頭調(diào)節(jié)電抗值 ，屬于有調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時要求斷電。由于制作工藝上的原因，抽頭的數(shù)量受到限制 ，無法做到細(xì)調(diào)?！?—采用動鐵心電抗器 ，移動鐵心與線圈的相對位置來改變電抗值 ，屬于無調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時無須斷電，可以跟隨負(fù)載阻抗的變化 ，匹配效果好 ，容易組成穩(wěn)定感應(yīng)線圈上 的電壓 ，或恒溫 、恒功率自動控制系統(tǒng) ，但鐵心動作須經(jīng)過套傳動系統(tǒng) ，故障率較高，且須建立協(xié)調(diào)控制模型?！?—采用動圈式變壓器的形式 ，次線圈與感應(yīng)線圈并聯(lián)，二次側(cè)繞組 自身短接 ，移動次繞組與二次繞組的相對位置，便可以改變次側(cè)的等值電抗，屬于無調(diào)節(jié)。變壓器采用空心變壓器 ，二次繞組相對位置的變化也須經(jīng)過套傳動裝置，故障率高，同樣須建立控制模型。— —用磁飽和電抗器作為Ln，通過調(diào)節(jié)直流激磁電流來改變電抗值 ，屬于無調(diào)節(jié)。該方法無移動、旋轉(zhuǎn)部件 ，也無觸點控制 ，安全可靠 ，維護(hù)工作量小?！?—增減感應(yīng)線圈的匝數(shù)。在感應(yīng)線圈的幾何形狀不變的條件下 (感應(yīng)線圈的長度和直徑不變)，感應(yīng)線圈的電感與其匝數(shù)N 的平方成正比，當(dāng)匝數(shù) N增減時 ，感應(yīng)線圈的電感 L和工件的等效阻抗也會相應(yīng)增減 ，從而改變負(fù)載 的等效阻抗 。?— —改變感應(yīng)線圈與被加熱工件 的耦合情況。感應(yīng)器與被加熱工件耦合的緊密程度直接影響感應(yīng)器支路等效阻抗 ，從而影響諧振 電路等效阻抗 ，但是，當(dāng)感應(yīng)器與工件的間隙增大 ，耦合較松時會降低加熱效率，匹配效果有限。3．1．3? 匹配電阻元件負(fù)載匹配的根本 目的是盡量使電源額定功率全部用于工件加熱 ，也就是提高電源效率的問題，因此，在負(fù)載匹配的問題中，應(yīng)結(jié)合有利于提高電源效率綜合進(jìn)行分析。在電路中加入電阻可方便地使負(fù)載阻抗與電源相匹配 ，但裝置的損耗增加 ，加熱效率降低 ，沒有根本解決問題 ，不是可行的負(fù)載匹配方法。3．1．4? 匹配變壓器利用電磁耦合進(jìn)行負(fù)載匹配是通過變壓器的變阻抗特性實現(xiàn)的，這在感應(yīng)加熱中非常普遍 ，采用的電路形式主要有兩種，如圖 7 及圖 8 所示。變壓器變阻抗特性以圖 7 為例說明如下：變壓器副邊電路工作在諧振狀態(tài)，等效阻抗 ZD= L／R C，通過變比為N：1 的變壓器后，變壓器原邊的等效阻抗 Zo= N^2L／R C(忽略變壓器漏抗的影響)，可見阻抗成N^2 倍變化。圖 7 電路中感應(yīng)器支路所需無功容量由并聯(lián)電容器提供 ，負(fù)載電路工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài) ，匹配變壓器通過少量無功功率 ，所需容量較小 ，匹配變壓器原邊流過電源電流，損耗不大，可以采用鐵心變壓器。圖 8 電路中，匹配變壓器中既通過有功功率又通過無功功率 ，所需變壓器容量較大 ，鐵心變壓器容量受鐵心制造水平限制 ，在傳輸容量大時難以勝任 ，所以此電路通常采用空心變壓器 ，匹配變壓器原邊流過諧振電流，損耗較大。利用匹配變壓器進(jìn)行負(fù)載匹配時應(yīng)考慮以下選擇原則?！?—空心變壓器易實現(xiàn)大容量化 ，適合于初補償 ，減輕了對 C 的要求 ，但隨著電壓 、功率的上升 ，其體積相應(yīng)增大。鐵心變壓器難以實現(xiàn)大容量化 ，無功須在次補償 ，增加了 C 的選擇難度。另外，空心變壓器漏感大 ，變比不等于匝比，在設(shè)計中難以掌握，變比較大時實現(xiàn)困難 ，鐵心變壓器漏感小，變比等于匝比，對于低的負(fù)載阻抗可以做成較大的匝比?！?—鐵 心變壓 器 的鐵 損正 比于頻 率 的平方 ，高頻 時發(fā)熱嚴(yán)重 ，這提高了對變壓器冷卻系統(tǒng) 的要求 ，所 以高頻時常采用鐵淦氧磁芯或空心變壓器?！?—當(dāng)負(fù)載工作頻率較高時 ，為保證匹配效率要求匹配變壓器漏抗盡量小 ，這對匹配變壓器的設(shè)計提出了更高要求?！?—補償 電容 C 般放在匹配變壓器高壓側(cè) ，在提供無功容量定時 ，可大大降低電容值 ，當(dāng)然，這需綜合考慮所選電路形式 、變壓器和電容的市場售價而定?！?—為適應(yīng)多種負(fù)載 ，匹配變壓器應(yīng)設(shè)計成多抽頭變壓器，但抽頭數(shù)量受變壓器結(jié)構(gòu)的限制 ，對負(fù)載的調(diào)節(jié)有限 ，難以做到匹配。隨著頻率的增加 ，多抽頭變壓器的設(shè)計更加困難?！?—隨著銅價的上升 ，變壓器造價會不斷上升 ，而電容價格隨著電容生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展有下降趨勢，另外利用匹配變壓器進(jìn)行負(fù)載匹配須考慮其寄生元件的影響 (漏抗 、寄生電容)，變壓器銅損的存在也會降低電源效率 ，所 以進(jìn)行負(fù)載匹配時應(yīng)選靜電耦合方法?！?—匹配變壓器可以起到電氣隔離的作用。3．2? 串聯(lián)諧振電路負(fù)載匹配方法通過對串聯(lián)諧振電路負(fù)載特性 的分析可知 ，串聯(lián)諧振電路等效阻抗只與等效電阻? 有關(guān) ，改變等效電路 中電容和電感值不影響等效阻抗 ，這特性大大限制 了串聯(lián)諧振 電路的負(fù)載 匹配措施。3．2．1? 改變感應(yīng)器與工件的耦合在并聯(lián)諧振 電路匹配電感 的方法中已經(jīng)提到，改變感應(yīng)線圈與被加熱工件間的耦合程度可以改變等效電阻 ，此法也適用于串聯(lián)諧振 電路阻抗 匹配 。3．2．2? 負(fù)載 串接當(dāng)負(fù)載阻抗小時，將數(shù)個完全相同的感應(yīng)線圈和被加熱工件 串接起來可以增 大負(fù)載等效阻抗 。3．2．3? 匹配電容元件圖 9(a) 為匹配電路，該電路仍工作于串聯(lián)諧振狀態(tài) ，即諧振時并聯(lián)部分相當(dāng)于感性負(fù)載 ，圖 9(b)為圖 9(a)的等效電路 ，其中可見，Cs 的加入影響串聯(lián)諧振電路等效電阻，從而影響串聯(lián)諧振電路等效阻抗。在定頻率下負(fù)載的感性無功功率定 ，工作在諧振狀態(tài)的容性無功功率等于感性無功功率，所以要求補償?shù)娜菪詿o功功率容量也是定的，Cs的加入只是分擔(dān)了部分容性無功功率，不會因增加無功功率容量而增加成本。3．2．4? 匹配變壓器串聯(lián)諧振電路受其電路形式的限制 ，匹配方法單，所以在實際應(yīng)用中，串聯(lián)諧振 電路般利用匹配變壓器實現(xiàn)負(fù)載匹配。利用變壓器進(jìn)行負(fù)載匹配的研究與并聯(lián)諧振電路類似，不同的是串聯(lián)諧振屬于電壓諧振 ，匹配變壓器位置不同所承受電壓不 同。圖 10 所示電路中匹配變壓器原邊為諧振 電壓，對匹配變壓器緣要求較高。而圖 11所示電路中匹配變壓器承受電源電壓 ，可以降低緣要求。四、結(jié)語串聯(lián)諧振電路的特性決定改變等效電容和電感值不能改變諧振狀態(tài)的等效阻抗 ，靜電耦合負(fù)載阻抗匹配方案中許多不適用于串聯(lián)諧振電路 ，串聯(lián)諧振 電路般采用匹配變壓器進(jìn)行負(fù)載匹配 。并聯(lián)諧振電路可用靜電耦合和電磁耦合進(jìn)行負(fù)載阻抗匹配 ，匹配方法靈活，對負(fù)載適應(yīng)性強，這是并聯(lián)諧振型逆變電源廣泛應(yīng)用的原因。利用靜電耦合進(jìn)行負(fù)載匹配是種簡單、經(jīng)濟的方法 ，而利用電磁耦合進(jìn)行負(fù)載匹配也靈活方便 ，兩種方式各有優(yōu)勢，在實際應(yīng)用中，種匹配方法有時難 以滿足多方面要求 ，為達(dá)到匹配 ，可以將多種方法配合使用。