中频感应加热设备控制系统的研发

2万 · 2018-12-6 15:19

中频感应加热设备控制系统的研发
针对40KW中频感应加热电源，针对其负载的特性进行分析，分析了感应加热
电源的工作流程和功率的调节方式。并且，在以上的分析结果上使用STM32与「PGA
芯片结合的方式，使用多桥并联交错分时控制的方式、模糊PI算法进行新型感应加
热电源的设计。其中重点分析了多桥并联交错分时控制方式、凭借针对电源的调功
方式以及控制略，最终达到了IGBT移相控制的目的。对感应加热电源在工作时的负
载特性进行了分析，做到了定角控制以及频率跟踪范围的扩大。与此同时，为了应
对其不同的调功方式，而设计了不同的控制方式，其结果是一般的感应加热电源没
办法达到的。然后，又分析了控制部分中的部分硬件组成的问题，设计了一系列的
保护与控制电路。

2万 · 2018-12-6 15:19

设计并使用基于FPGA的数字锁相环系统，来解决电源功率因数低的问题。使
用了定角控制的方式，将感应加热电源逆变器的逆变角限定于很小的一个范围之中，
因此使的感应加热电源的功率得到了提高。对于中频感应加热电源在启动中存在的
诸多问题，使用了软启动的方式，实现了启动过程中由激烈到平缓的过渡，使功率
器件的使用寿命大大提升。

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设计并使用基于FPGA的数字锁相环系统，来解决电源功率因数低的问题。使
用了定角控制的方式，将感应加热电源逆变器的逆变角限定于很小的一个范围之中，
因此使的感应加热电源的功率得到了提高。对于中频感应加热电源在启动中存在的
诸多问题，使用了软启动的方式，实现了启动过程中由激烈到平缓的过渡，使功率
器件的使用寿命大大提升。

2万 · 2018-12-6 15:20

因为中频感应加热技术属于非接触式加热，且加热温度高;加热效率高;加热
速度快;温度容易控制;可以局部加热;容易实现自动控制;工作环境优良，几乎
没有噪声、热量以及灰尘等特性，己经取得众多企业的认可，尤其是中频感应加热
技术，早己广泛使用于熔炼金属、工业金属零件表面淬火、棒料透热等领域，目前
己经是这些行业主流。
所有感应加热设计的基础，是法拉第在1831年所发现的电磁感应现象。该现象
为:当两个临近的线圈之一中的电流发生改变以后，在另一个线圈中能够生成感应电
流。在法拉第去世后，例如诺伊曼定律以及楞茨定律等诸多的类似定理不断地被提
出。
感应加热技术利用电涡流的热效应理论，来完成金属模具的热处理。通过乏法
拉第电磁感应定律可知，交变的电流能生成交变的磁场，被放入感应线圈中的被加
热的模具，通过被动的切割磁感线，从而产生了电流。凡是金属模具均是具有阻性
的。由焦耳定律进行推算可以得到:切割电流在电阻内流动，从而产生热量，感应
加热电源技术的基本原理就是这个方法。因为凡是金属都具有表面效应，这个效应
把涡流锁定在模具的表层，这个原因导致产生了“集肤效应”[1]。正因为如此，人
们又给感应电源加热技术取了另一个名字，也就是表面加热技术。需要被加热的金
属模具，被放置在感应线圈里，将交变的电流输入到线圈中，在其周围就可以得到变
化的磁场，因为金属模具被放置于感应线圈之中，也就同样的被包围在脚边磁场里，
所以它被动的进行切割磁感线的运动。这样在模具的两端，感应电动势就这样生成
了，于是在金属模具中就产生了感应电流，感应电流在金属工件的内部流动，因为克
服了工件中的电阻阻抗，将电能转变成为了热能，从而使金属工件得到加热，这就是
感应加热的原理。因此可知，感应加热就是集肤效应、电磁感应与热传导三个基本
原则组成的。负号的原因是，感应电动势总是试图阻止磁通量的变化。

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经过几十年的发展与创新，感应加热电源技术己经取得了显著的成就。其中对
于中频感应加热电源的控制系统来说，也有了长足的进步。己经由最初的分立元件
构成的控制电路，发展成为由集成电路所组成的控制系统，在性能方面更加趋于稳
定。感应加热电源技术因为它所具有的优势，迅速将世界各国的工业领域的注意吸
引。感应加热电源不仅仅只传统的型号，时至今日还有设计出了固态的加热电源，
这些感应加热电源设备一起见证着这个行业的辉煌。
被当做是感应加热技术的心脏也不为过的重中之重的是电源。感应加热电源
技术的成熟不仅仅要归功于本行业工程师们的努力，也要归功于电力电子等技术的
日新月异。当工业等领域开始使用加热电源之后，对于感应加热电源技术的研究就
从来没有停止过，也正是因此诞生了数之不尽的功率控制和它的工作方式。发展到
了今天，感应加热电源技术上或多或少会有些瑕疵，比如以下几点:每个设备的大
小来说它们的功率密度非常小，将电转换为热的效率非常低，电磁兼容性不好等。
因此，为了把感应加热设备中电能与热能转换率进行提升，就应该提升电源中的各
个功率因数。只有把电源设备的体积减到最优的状态，才能够得到更为优化的功率
密度。而且只有让系统中的电流与电压保持为正弦波形，才能有效地减小电磁干扰
的效果【3]。因为目前为止对感应加热电源的制约因素还有很多，比如难以改变的主
电路结构，还比如讨论如何制约功率控制方式等等因素，导致了在感应加热领域当
中，使技术的发展受到了极大的制约，使技术进步变大十分困难。所以目前，在感
应加热领域就十分需要一款能够摆脱以上制约因素的感应加热设备。

2万 · 2018-12-6 15:30

外国大都选择半导体功率器件来实现中、高频段的感应加热设备电源的研发。
可是欧洲、美国等发达国家利用本国的资金优势，引领着半导体感应加热设备电源
的发展趋势。这些国家中有很多是世界知名的大公司。可是却没有多少公司有着足
够能力，来生产高频率、大功率的感应加热电源设备。伴随着频率的提高，频率越
是增加，能独立设计感应加热设备的企业就越少。但是欧洲、美国的众多感应加热
电源公司所生产的感应加热设备电源的产品种类非常齐全，有各种各样的适用金属
热处理的电源，并且这些国家的工厂的相关制造设备相当完善。
这些感应加热设备公司拥有着世界上处于最前沿的感应电源制造技术，并且有
充足的资金，能够使用最好的功率器件来，从而能够达到感应加热电源的最佳性能。
这些公司具有发展中国家难以比拟的技术、资金优势，从而使他们生产的感应加热
电源具抗干扰能力强，有小而轻，对负载参数的改变不敏感的特点。
日本和欧洲美国与我国所生产的低频率的感应加热设备电源和一些做工非常
简单的感应加热炉灶相比较，在性价比、容量等方面具有相当的优势。日本所制造
的高频率感应加热设备电源，大多使用容量较大的静电感应晶体管来实现，并且与
之相关的技术早己发展成熟。因此，在高频感应电源的容量制造方面，日本具有自
己的优势。因为静电感应晶体管的价格非常贵，而且工作的效率并不高，所以，并
没有太多国家使用静电感应晶体管，来做开关器件所实现的高频感应加热设备的电
源【4]。
在晶闸管的面世以后，感应加热的主要供电设备由原先的中频机组被静止变频
器所取代了。等到进入了上个世纪80年代和90年代，电力电子领域出现了GTR,
GTO、工GBT和MOSFET等属于全控型的大功率开关器件。借着这阵东风，感应加热电
源设备的发展也迎来了自己的春天。这一阶段所生产的感应加热电源设备的发展目
标为高频化和高功率密度化。在这一阶段中，所出现的最具代表性的技术就是USA
的一家公司创造性的制作出来了一款能够完美解决挚住问题的工GBT。在这之后刮起
了一阵，高速工GBT成为了高频率加热设备的首选的旋风，该技术能够使器件的频率
达到100KHZ甚至更高。这样一来，兆瓦级的感应加热电源的实现己不再是梦想。在
1994年的日本，日本的某家企业使用高频工GBT历史性的控制了功率为1200KW，频
率为50KHZ的感应加热电源设备。该设备的逆变器在工作状态时，开关一阵处于零
电压，并且使用来微机化的控制手段;西班牙比日本还要早一年，也就是在1993年，
也制造出了两款高频率的感应加热电源;在一些西方国家，他们都己具有自己的专
用系列化的感应加热电源，而他们的容量也高达数百千瓦。
目前为止，西方国家的感应加热电源技术经过多年的发展，己经达到了相当高
的水平。目前正处在智能、高效、节能的领先地位。而这些国家的代表就是，德国、
挪威和美国的不同系列的电源，这些电源在一定层面上表现出了感应加热领域目前
为止的发展高度。在上个世纪六十年代，作为电力电子行业领军国家的美国就设计
出了在电力电子领域中具有革命性意义的晶闸管，而晶闸管的发明，也是现代电力
电子领域的新篇章，而将晶闸管作为最主要控制设备的感应加热技术也发生了翻天
覆地的变化。在上个世纪七十年代，德国与瑞士的一家公司成为了世界上最大的跨
国性的专门生产感应加热设备的公司之一，这家企业一值保持了在感应加热领域的
领先地位。这家公司的主打品牌是Sinac，对这种型号的电源来说，它对负载问题
方面有着非常良好的自适应性。值得一提的是，这家公司的所由产品中的逆变部分
使用的都是工GBT晶体管，这一点使得该公司研制的设备具有非常高的额定输出功率
和输出频率。

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