单逆变桥同步双频感应加热电源的研究

第4 7卷第 1 O期2 0 1 3年 1 0月

电力电子技术P o we r El e c t r o n i c s

Vo 1 . 4 7,No . 1 0

0c t o b e r 2 01 3

单逆变桥同步双频感应加热电源的研究何婷，周伟松，赵前哲( 1 .清华大学，核能与新能源技术研究院，北京 1 0 0 0 8 4;2 .华北电力大学，北京 1 0 2 2 0 6 ) 摘要：加热齿轮等表面凹凸复杂的金属工件时，采用同步双频感应加热电源有淬火均匀、加热效率高等优势。 研究了单逆变桥和复合谐振电路构成的同步双频感应加热电源，分析同步双频感应加热电源的电路结构 .对电路元件参数进行了理论计算，并利用 P S C A D软件进行仿真研究，在仿真中进一步设计了同步双频频率跟踪反馈电路，使逆变桥稳定工作在负载电路的中频和高频谐振频率上。采用 MP S系列 M O S F E T高频感应加热电源搭建实验平台，对开环电路进行实验，其结果验证了单逆变桥同步双频感应电源结构和参数的正确性。 关键词：感应加热电源；同步双频：频率跟踪中图分类号： T N 8 6 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 0— 1 0 0 X ( 2 0 1 3 ) 1 0— 0 0 8 4— 0 3

Re s e a r c h o n Si mu l t a ne o us Dua l - f r e qu e n c y I nd uc t i o n He a t i ng Po we r Su ppl y Ba s e d o n Si ng l e I nv e r t e r Br i d g e

H E T i n g ,Z H O U We i— s o n g ,Z H A O Q i a n— z h e( 1 . I n s t i t u t e o fNu c l e a r a n d N e w E n e r g y T e c h n o l o y, g T s i n g h u a U n i v e r s i t y,B e j i i n g 1 0 0 0 8 4,C h i n a )Ab s t r a c t: S i mu l t a n e o u s d u a l - f r e q u e n c y i n d u c t i o n h e ti a n g p o w e r s u p p l y h a s a d v a n t a g e s i n h e ti a n g g e a r a n d o

t h e r s u r f a c e b u mp c o mp l e x me t a l wo r k p i e c e wh i c h a l e u n i f o r m s u r f a c e h a r d e n i n g, h i g h e r h e a t i n g e ic f i e n c y a n d S O o n . A d u a l - f r e q u e n c y i n d u c t i o n h e a t i n g p o we r s u p p l y wi t h a s i n g l e i n v e te r r b i r d g e a n d a c o mp o s i t e r e s o n a n t c i r c u i t a r e i n t r o - d u c e d . T h e c i r c u i t s t r u c t u r e o f d u a l - f r e q u e n c y i n d u c t i o n h e a i t n g p o w e r s u p p l y i s a n ly a z e d, a n d t h e c i r c u i t p a r a me t e r s a r e c lc a u l a t e d i n t h e o r y, t h e n s i mu l a t i o n i s ma d e b y P S CAD. A f u r t h e r d e s i g n i n s i mu l a t i o n a b o u t s i mu l t a n e o u s d u a l - f r e q u e n c y f r e q u e n c y t r a c k i n g￣e d b a c k c i r c u i t e n a b l e s t h e q u i c k l y s t a b l e w o r k i n g o n me d i u m f r e q u e n c y a n d h i g h f r e— q u e n c y r e s o n a n c e p o i n t s . h e T e x p e ime r n t a l p l a t f o m r i s d o n e b y u s i n g MOS F E T h i g h f r e q u e n c y i n d u c t i o n h e a t i n g p o w e r s u p p l y . h e T e x p e ime r n t o f o p e n l o o p c i r c u i t i s d o n e b y MOS F ET h i g h

f r e q u e n c y i n d u c t i o n h e a t i n g p o we r s u p p l y a n d t h e r e s u l t s p r o v e t h a t he t t o p o l o g i e s a n d p a r a me t e r s o f t h i s b i r d g e a r e c o r r e c t . Ke y wo r d s: i n d u c t i o n h e ti a n g p o w e r s u p p l y;s i mu l t a n e o u s d u l— a f r e q u e n c y;￣e q u e n c y t r a c k i n g

1 引言将柱状金属工件放在流过交流的感应线圈中。由于电磁感应的作用 .在金属工件中会产生与线圈电流方向相反的涡流。同时由于集肤效应的影响，金属在焦耳热作用下自身表面发热升温 .从而达到金属工件淬火的目的。感应电流在金属中

中频电流用于加热工件凹部 .高频电流用于加热工件凸出的边缘部分 .使得这类工件表面能够均匀受热，从而达到工件强度高、耐磨性好和使用寿命长的要求[ 2 J。

2电路拓扑结构2 . 1 电路拓扑结构的选择

分布不均匀，电流在径向从外到内按指数函数的

方式减小。由文献[ 1]中简化计算电流分布带宽度的公式可知，电流频率越高，电流分布带宽度越小，集肤效应越明显。但在加热形状复杂不规则的工件 (例如齿轮 )时，单一频率的电流无法满足其表

同步双频感应加热要求中频和高频的电流同时流过线圈。一种双逆变桥结构用高频电源串

联谐振产生高频电流，用中频电源并联谐振产生中频电流，最后并联叠加到线圈上，达到同步双

频加热的目的 f 3]。基于该结构，某研究院已成功搭建样机。验证了其结构和参数的正确性。但实际工程应用中，该结构需要较多元器件，体积大、

面同时被均匀加热的要求。而双频同步感应加热电 源能够有效解决这个问题，中频电流 ( O . 5~ 1 0 k H z )和高频电流 ( 1 0 0 k Hz以上 )同时流过感应线圈，定稿日期：2 0 1 3— 0 7— 0 2

不便使用。 另一种单逆变桥结构如图 1所示，由单逆变桥和复合谐振电路构成问，采用正弦脉宽调￥ J 1 ( S P WM) 算法进行驱动，使逆变产生的电流含有中频和高

作者简介：何婷 ( 1 9 8 7一),女，云南曲靖人，硕士研究生，研究方向为电气工程技术。 8 4

单逆变桥同步双频感应加热电源的研究

频两种频率分量。当电路工作在复合谐振电路的谐振点时，中频和高频的电流幅值均最大，通过感应线圈能均匀高效地对工件进行加热淬火。该结构更能满足工程化要求，这里对其进行了深入研究。

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