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串联感应加热电源技术的研究

浙江大学

硕士学位论文

串联感应加热电源技术的研究

姓名：

戚宗刚

申请学位级别：

硕士专业：

电力电子与电力传动

指导教师：

陈辉明

20040301

摘要・Ⅻ８１１９２

本文从感应加热基本原理出发，概述了感应加热技术的及现状，主要介绍了串连型感应加热电路各个部分的原理和具体实现。

第一章主要概述了感应加热的基本原理，以及国内外感应加热技术的发展及现状，并筒述了本课题所做工作的主要内容。

第二章对感应加热电源中的电流型逆变器和电压型逆变器作了比较分析，重点介绍了关于串连型感应加热的特点，是后续各章节的理论基础，也是所作课题的主要依据。

第三章在对课题要求的基础上选择了主电路拓扑，并对主要的器件参数进行了计算与设置。

第四章给出了关于课题的控制与保护等重要环节的分析与最后的实现方案。

第五章针对在串联谐振感应加热电源扫频控制所存在的地阻抗时功率器件工作状态变差问题提出了一种有效的解决方案。

第六章对实验波形进行了分析、通过实验结果验证了以上理论的正确性

论文最后，对本课题所做的工作作了一个简单的总结

关键词：

感应加热串联逆变

柬经停学、导Ｆ：

ｉ意蕾｛穗覃ｊ３，｛自

－————＿———————————————＿——————————＿———————————————Ｈ———＿—————————’—－——＿————————————一＿—＿———－—————————，—●＿—一

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｆｉｒｓｔｏｆａｌｌ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｉｖｅｓａｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙｏｆｉｎｄｕｃｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｇａｎｄｏｕｔｌｉｎｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｉｎｄｕｃｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｍａｉｎｌｙａｂｏｕｔｔｈｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅｓｅｒｉｅｓｒｅｓｏｎａｎｔｉｎｄｕｃｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｇｉｎｖｅｒｔｅｒ

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Ｃｈａｐｔｅｒ２ｃｏｍｐａｒｅｓｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔ．ｆｅｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒａｎｄｔｈｅｖｏｌｔａｇｅ－ｆｅｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒｕｓｅｄｉｎｉｎｄｕｃｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｇｐｏｗｅｒ，ａｎｄｇｉｖｅａｓｐｅｃｉａｌｆｏｃｕｓｏｎｔｈｅｖｏｌｔａｇｅ－ｆｅｅｄｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．ＴｈｅｓｅｃｏｎｔｅｎｔｉｓｔｈｅｂａｓｅｏｆａｌＩｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｈａｐｔｅｒｓ，ａｎｄｉｓｔｈｅｇｕｉｄｅｌｉｎｅｏｆｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔＩｄｉｄ

Ｃｈａｐｔｅｒ３ｇｉｖｅｓｔｈｅｔｏｐｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｍｅｅｔｉｎｇｔｈｅｒｅｑｕｅｓｔｏｆｔｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔ，ａｎｄａｌｓｏｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｆｏｒｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔ

Ｃｈａｐｔｅｒ４ｇｉｖｅｓｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｐａｒｔｏｆｔｈｉｓｐｒｏｊｅｃｔａｎｄｔｈｅｉｒｆｉｎａｌｄｅｓｉｇｎ

Ｃｈａｐｔｅｒ５ｐｒｅｓｅｎｔｓｏｎｅｃｏｍｍｏｎｐｒｏｂｌｅｍｗｈｉｃｈｈａｐｐｅｎｓｉｎｓｅｒｉｅｓｒｅｓｏｎａｎｔｉｎｄｕｃｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｇｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅｎｍａｄｅｍｕｃｈｄｅｅｐｔｈｅｏｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｓｏｌｖｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ．

Ｃｈａｐｔｅｒ６ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅ２

ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｐｌａｎｉｎＩＧＢＴｓｅｒｉｅｓｒｅｓｏｎａｎｔｉｎｖｅｒｔｅｒｏｆｉｎｄｕｃｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｇ．Ａｔｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｂｒｉｅｆｓｕｎｒｍａｔｉｏｎｔｂｒｔｈｅｗｈｏｌｅｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｉｓｇｉｖｅｎｏＫｅｙｗｏｒｄｓ：

Ｉｎｄｕｔｉｏｎｈｅａｔｉｎｇ，Ｓｅｒｉｅｓｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

６．２．输出电流波形……………………………………………………………。

６２６．３．负载上相位波形…………………………………………………………６２６．４．开关上的电流波形………………………………………………………．．６３６．５．驱动的死区………………………………………………………………６３６．６本章小结…………………………………………………………………．．６３课题总结……………………………………………………………………………６４参考文献……………………………………………………………………………６５致谢…………………………………………………………………………………６７

第一章概述

１．１感应加热的基本知识

１．１．１感应加热的发展简史和用途

早在１９世纪初人们就发现了电磁感应现象，知道处于交变磁场中的导体内会产生感应电流而引起导体发热。

但是，长期以来人们视这种发热为损耗，并为保护电气设备和提高效率而千方百计的减少这种发热。

直到１９世纪末起才开始开发和利用这种热源进行有目的的加热、熔炼、透热、淬火、焊接等热处理中，随之出现了各种形式的感应加热设备。

表格１．１感应加热电源的应用领域

应用部门主要用途

黑色、有色金属的冶炼和保（升）温；金属材料的热处理；冷

冶金坩埚熔炼、区域熔炼、悬浮熔炼等制取超纯材料；锻造、挤压、

轧制等型材生产的透热：

焊管生产的焊缝。

黑色和有色金属零件的铸造和精密铸造金属的熔炼；机器零件

机械制造的淬火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热：

化学热处理的感应加热；压力加工（锻、挤、轧

等）前的透热，特别是模锻、精锻等：

钎焊；对焊；硬质合金

的熔焊；金属涂层及其他场合的加热烘干；热装配等。

轻工罐头封口加热、合成纤维生产中间接加热等。

化学反应釜等容器加热、输油管道焊接缝现场退火，输油管路石油、化工

的保温等

电子电子管生产中的真空除气时的加热等

１８９０年瑞典人发明了第ｌ台感应熔炼炉一开槽式有芯炉，１９１６年美国人制造出闭槽式有芯炉，用于有色金属的冶炼，１９２１年无芯炉在美国出现，采用火花式中频电源，后来出现了中频机组电源和现在的晶闸管变频电源。

工频炉产生于２０世纪３０年代。

高频电源，倍频电源等也由于不同的工艺要求而相继出现。

感应加热装置最早使用于表面热处理，以后普及焊接领域和各种透热。

现在感应加热技术已广泛应用于国民经济的各个领域【４】，如表１。

自工业上开始应用感应加热能源以来，已过去１００多年，在这期间感应加热的理论和感应加热装置都有很大的发展，感应加热的应用领域亦随之扩大，其应用范围越来越广。

究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点：

１．加热温度高，而且是非接触式加热ｉ

２．加热效率高，可以节能；

３．加热速度快，被加热物的表面氧化少：

４．温度容易控制，产品质量稳定，省能；

５．可以局部加热，产品质量好，节能；

６．容易实现自动控制，省力；

７．作业环境好，几乎没有热，噪声和灰尘：

８．作业占地少，生产效率高；

９．能加热形状复杂的工件；

１０．工作容易加热均匀，产品质量好。

在应用领域方面，感应加热已广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，已成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻船舶、飞机汽车制造业中。

此外，感应加热也已进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水器等。

７

１．２感应加热的原理

１．２．１电磁感应与感应加热

ＭｉｃｈａｅｌＦａｒａｄｙ于１８３１年建立的电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产

’／ｆ＼

图１—１感应加热的原理图

生电流。

这个定律同时也就是今天感应加热的理论基础。

感应加热的原理图如图１一ｌ所示：

如上图，当感应线圈上通以交变的电流Ｉ对，线圈内部会产生相同频率的交变磁通庐，交变磁通庐又会在金属工件中产生感应电势ｅ。

根据

ｇ：

Ⅳ坐（１－１）

ｄｒ

式中Ｎ是线圈匝数，假如≯是按正弦规律变化的，则有；

ｐ＝中。

ｓｉｎｃｏｔ（１．２）那么可得到感应电动势为：

ｅ＝脚。

ＣＯＣＯＳｄｏｔ（１．３）

因此感应电动势的有效值为ＭＡＸＷＥＬＬ电磁方程式，感应电动势的大小为：

Ｅ：

—２ｎ—ｆ，Ｎ—ｍｍ：

４．４４Ｎｆｍ。

√２（１．４）

由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的，然后电能在金属内部转变为热能。

感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。

另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般电气设备中涡流是有害的，而感应加热却是利用涡流进行加热的。

这样，感应电势在工件中产生感应电流（涡流）ｚ，使工件加热。

其焦耳热为：

０２０・２４１２Ｒｔ（１－５）

式中，Ｑ：

电流通过电阻产生的热量（Ｊ）：

１：

电流有效值（Ａ）；

尺：

工件的等效电阻（Ｑ）：

ｔ：

工件通电的时间（Ｓ）。

由式（１．４）可以看出，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。

感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大：

同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快。

另外，涡流的大小还与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率等有关。

１．２．２透入深度与集肤效应

在导体种流过电流时，在它的周围便同时产生磁场。

通过的电流为直流时，产生的磁场是固定的，不影响导体的导电性能；而通过交流电时，产生的磁场是交变的，会引起集肤效应，使大部分电流在导体的表面流通，即有效导电面积减小，电阻增加。

交流电流的频率越高，集肤效应越严重。

透入深度的规定是由电磁场的集肤效应而来的。

电流密度在工件中的分

布是从表面向里面衰减，其衰减大致呈指数规律变化。

工程上规定：

当导体电流密度由表面向里面衰减到数值等于表面电流密度的Ｏ．３６８倍时，该处到表面的距离占称为电流透入深度。

因此可以认为交流电流在导体中产生的热量大部分集中在电流透入深度占内。

透入深度占可用下式来表示：

６《㈣√专㈦ｅ，

式中，ｐ：

导体材料的电阻率（Ｑ。

硎）；

“，：

导体材料的相对磁导率；

，

Ｊ：

电流频率（Ｈｚ）。

从（１－６）可知，当材料的电阻率Ｐ，相对磁导率“，确定以后，透入深度ｄ仅与频率的平方根成反ＬＰ，，因此它可以通过改变频率来控制。

频率越高，工件的发热层越薄，这种特性在金属热处理中得到了广泛的应用，如淬火、热处理等。

１．３电力电子器件的发展

１９５７年，美国研制出世界上第一只普通的（４００Ｈｚ以下）反向阻断型可控硅，后称晶闸管（ＳＣＲ）。

经过６０年代的工艺完善和应用开发，到了７０年代，晶闸管已形成从低压小电流到高压大电流的系列产品。

在这期间，世界各国还研制出一系列的派生器件，如不对称晶闸管（ＡＳＣＲ）、逆导晶闸管（ＲＣＴ）、门极辅助关断晶闸管（ＧＡＴＴ）、光控晶闸管（ＬＴＳＣＲ）以及８０年代迅速发展起来的可关断晶闸管（ＧＴＯ）。

由晶闸管及其派生器件所构成的各种电力电子装置在工业应用中主要解决了传统的电能变换装置中所存在的能耗大和装置笨重的问题，因此电能的利用率大大地提高了，同时也使工业噪声得到一定程度的控制。

目前ＩＮＴＥＲＮＥＴ上可以查到的高压大电流晶闸

管有ＰＯＷＥＲＥＸ推出的用于高压交流开关和静止无功发生器用的１２０００Ｖ１１５００Ａ的晶闸管。

１９４８年美国贝尔实验室发明了第一只晶体管以来，经过２０多年的努力，到了７０年代，用于电力变化的晶体管（ＧＴＲ）已进入工业应用领域，由于ＧＴＲ具有自关断能力且开关速度可达２０ＫＨｚ，在ＰＷＭ技术中一度得到了广泛的应用，并促使装置性能进一步提高和传统直流电源装置的革新，出现了所谓的“２０千周革命”，但因功率晶体管存在二次击穿、不易并联以及开关频率仍然偏低等问题，它的应用受到了限制。

７０年代后期，电力半导体器件在高频化进程中一个标志性器件，功率场效应晶体管（ｐｏｗｅｒＭＯＳＦＥＴ）开始进入实用阶段。

进入８０年代，人们又在降低器件的导通电阻、消除寄生效应、扩大电压和电流容量以及驱动电路集成化等方面进行了大量的研究，取得了很大的进展。

功率场效应管中应用最广的是电流垂直流动结构的器件（ＶＤＭＯＳ）。

它具有工作频率高（几十千赫至数百千赫，低压管可达兆赫）、开关损耗小、安全工作区宽（不存在二次击穿问题）、漏极电流为负温度特性（易并联）、输入阻抗高等优点，是一种场控型自关断器件，为目前电力电子技术赖以发展的主要器件之一。

１００Ａ／１０００Ｖ的ＶＤＭＯＳ已商品化，研制水平达２５０Ａ／ＩＯＯＯＶ【３０】，其电流的容量还有继续增大的趋势。

尽管ＶＤＭＯＳ器件的开关速度非常快，但其导通电阻与Ｕ２６成正比，这就限制了它在高压大功率领域的应用。

８０年代电力电子器件较为引人注目的成就之一就是开发出双极型复合器件。

研制复合器件的主要目的是实现器件的高压、大电流参数同动态参数之间的最合理的折中，使其兼有ＭＯＳ器件和双极型器件的突出优点，从而产生出较为理想的高频、高压和大电流器件。

目前最有发展前途的复合器件是绝缘栅双极型晶体管ＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｇａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）和ＭＯＳ栅控晶闸管ＭＣＴ（ＭＯＳｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）。

ＩＧＢＴ于１９８２年在美国率先研制出样品，１９８５年开始投产。

目前最高电压已达４５００Ｖ，最大电流可为１８００Ａ。

ＭＣＴ是８０年代后期出现的另一种比较理想的器件，目前研制水平为３００Ａ／２０００Ｖ，１０００Ａ／１０００Ｖ，最高电压达３０００Ｖ．

８０年代期间发展起来的静电感应晶体管ＳＩＴ（ｓｔａｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）９１

静电感应晶闸管ＳＩＴＨ（ｓｔａｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）是利用门极电场强度改变空间电荷区宽度来开闭电流通道的原理研制成的器件。

１．４国内外感应加热技术现状

感应加热技术从诞生至今，经过近百年的发展，取得了令人瞩目的成果，尤其是六十年代以后，固态电力电子器件的出现与发展，使感应加热技术和现代化生产许多方面密切相关，发挥了很大的生产力的作用，因此世界各国都十分关注感应加热技术的发展，并投入了相当的经济支持和技术力量。

目前传统的感应加热电源与固态感应加热电源取长补短，互补共存。

１．４．１国外感应加热技术现状

低频感应加热的特点是透热深度深、工件径向温差小，热应力小，热处理工件变形小，比较适合大型工件的整体透热、大容量炉的熔炼和保温．目前，在低频感应加热场合普遍采用传统的工频感应炉．国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件的透热或数百吨的钢水保温．预计短期内，以固态器件构成的低频感应加热电源在功率容量、价格和可靠性方面还难以与简单的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积和性能均优于工频炉．

在中频（１５０～ＩＯＫＨｚ）范围内，晶闸管感应加热装置已完全取代了传统的中频发电机组和电磁倍频器，国外的装置容量已达数十兆瓦．

在超音频（１０～１００ＫＨｚ）范围内，早期基本是空白，晶闸管出现以后，一度曾采用晶闸管以时间分割电路和倍频电路构成的超音频电源．八十年代开始随着一系列新型功率器件的相继出现，以这些新型器件（主要有ＧＴＯ、ＧＴＲ、ＭＣＴ、ＩＧＢＴ、ＢＳＩＴ和ＳＩＴＨ）构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热电源逐渐占据了主导地位，其中以ＩＧＢＴ应用最为普遍，这是因ＩＧＢＴ使用起来方便可靠，很受电路设计者的欢迎。

１９９４年日本采用ＩＧＢＴ研制出了１２００ＫＷ／５０ＫＨｚ的电流型感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态，实现了微机控制。

西班牙在１９９３年也已经报道了３～６００ＫＷ／１００ＫＨｚ的ＩＧＢＴ电流型感应加热电源，欧、美地区的其它一些国家如英国、法国、瑞士等的系列化超音频感应加热电源也达数百千瓦。

在高频（１００ＫＨｚ以上）领域，国外目前正处于从传统的电子管振荡器向固态电源的过渡阶段。

以日本为例其系列化的电子管振荡器的水平为５～１２００ＫＷ／１００～５００ＫＨｚ，而其采用ＳＩＴ的固态高频感应加热电源的水平可达４００ＫＷ／４００ＫＨｚ，并且在１９８７年就已开始研制１２００Ｋｗ／２００ＫＨｚ的ＳＩＴ电源。

欧美各国采用ＭＯＳＦＥＴ的高频感应加热电源的容量正在突飞猛进，例如西班牙采用ＭＯＳＦＥＴ的电流型感应加热电源的制造水平可达６００ＫＷ／２００ＫＨｚ，德国的电子管高频电源水平约为ｌＩＯＯＫＷ，而其在１９８９年研制的电流型ＭＯＳＦＥＴ感应加热电源的容量已达４８０ＫＷ／５０～２００ＫＨｚ，比利时的ＩｎｄｕｃｔｏＥｌｐｈｉａｃ公司生产的电流型ＭＯＳＦＥＴ感应加热电源的水平可达１ＭＷ／１５～６００ＫＨｚ，美国应达公司的网页上最近可以看到他们已经推出２０００ＫＷ／４００ＫＨｚ的ＭＯＳＦＥＴ高频感应加热电源ｈｔｔｐ：

／／ｗｗｗ．ｉｎｄｕｃｔｏ—ｉｎｄ—ｃｈ．ｃｏｍ／Ｃｈｉｎｅｓｅ／ｈｅａｔ／Ｄｏｗｅｒ／ｍａｉｎ．ｈｔｍｌ。

１．４．２国内感应加热技术现状

我国感应加热技术从５０年代开始就被广泛应用于工业生产当中。

６０年代末开始研制晶闸管中频电源。

到目前已经形成了一定范围的系列化产品，并开拓了较为广阔的应用市场。

在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，已经形成了５００～８０００Ｈｚ／１００～３０００ｋＷ的系列化产品。

但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，因此在开发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的同时，尽快研制出结构简单，易于频繁启动的串联谐振逆交中频电源也是中频领域有待解决的问题。

在超音频领域的研究工作八十年代已经开始。

浙江大学采用晶闸管倍频电路研制了５０ｋＷ／５０ｋＨｚ的超音频电源，采用时间分隔电路研制了３０ＫＨｚ的晶闸管超音频电源。

从九十年代初开始，国内采用ＩＧＢＴ研制超音频电源。

浙江大学研制开发的５０ｋＷ／５０ｋＨｚＩＧＢＴ超音频电源已经通过浙江省技术鉴定。

总的来说，国内目前的超音频电源研制水平大致为５００ｋＷ／５０ｋＨｚ，与国外的水平相比还有一定的差距。

１．６本文的主要工作

本文在对感应加热电源的电路拓扑结构以及实际工作中的控制，保护等一系列环节的分析的基础上，设计了一台超音频的串连型感应加热电源，并给出了试验结果。

在文中还对串连型感应加热电源中扫频调功方式的某些缺点进行了有关改进。

第二章感应加热电源技术分析与比较感应加热电源一般由以下几个环节组成：

（Ａ）整流环节（ＡＣ—ＤＣ）；

（Ｂ）逆变环节（ＤＣ—ＡＣ）；

ｆｃｌ负载及谐振稽路环节；

ｆＤ）控制及保护环节。

图２．１感应加热原理框图

２．１电压型逆变器与电流型逆变器的比较分析

由自关断器件构成的电压型串联谐振逆变器和电流型并联谐振逆变器的电路拓扑分别如图２．２和２．３所示。

１４

…

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图２．２串联谐振逆变器图２．３并联谐振逆变器

从电路原理来看，电压型逆变器和电流型逆变器在各种变量的波形、电路的拓扑、还有电路的特性等方面都存在着对偶关系，下面列表加以说明。

表２一ｌ电路拓扑的对偶

电压型逆变器电流型逆变器

入端并联电容ｃｄ（等效电压源）入端串联电感ｋ（等效电流源）

负载为Ｒ、Ｌ、Ｃ串联谐振电路负载为Ｒ、Ｌ、Ｃ并联谐振电路

逆变开关为单向耐压，双向载流逆变开关为双向耐压，单向载流

表２—２电压、电流波形的对偶

电压型逆变器电流型逆变器

入端电压为恒定直流入端电流为恒定直流

当工作在负载谐振频率时，入端电当工作在负载谐振频率时，入端电流为正弦半波波形压为正弦半波波形

输出电压为方波输出电流为方波

输出电流为正弦波输出电压为正弦波

表２—３电路特性的对偶

电压型逆变器电流型逆变器

负载阻抗频率特性为串联谐振特负载阻抗频率特性为并联谐振特

性，因此不宜空载性，因此可以空载

短路及直通保护困难短路及直通保护容易

逆变器及负载开路保护容易逆变器及负载开路保护困难

从上面三个表格可以看出，理解和掌握表２一ｌ、２—２两表中的对偶关系有助于分析和比较两种逆变电路的工作原理，而了解表２—３中的对偶关系则有助于正确可靠地设计保护电路。

表２—４串联并联电路的优缺点比较‘６“

串联电路

结构简单并联电路结构较复杂

控制较复杂

采用可控整流

可空载运行控制相对简单可采用不控整流不宜空载，若空载需加空载保护

无短路保护能力

ＰＦＭ控制时在某些应用下有限制拓扑本身有短路保护能力可始终跟综负载频率变化

需高耐压谐振电容，尤其是Ｑ值较没有高压危险

大时

开关器件同时流过有功和无功电流

不需平波电感，体积较小开关器件只流过有功电流需平波电感，体积较大

２．２谐振槽路

下面主要分析感应加热电源的两种基本形式的谐振槽路一些数学关系，以串连型负载为主。

２．２．１串联谐振

如图２－４所示，电感Ｌ、电容Ｃ、和电阻Ｒ组成串联谐振电路。

如将内阻为零的电源Ｅ。

％ｓｉｎ础加到此电路中，则在电路中将流过电流ｊ，即：

’：

墨：

—Ｌ

ｚＲ＋球（２－１）其模为：

，：

．皇ｆ２—２）

√Ｒ２＋Ｘ２

Ｒ

图２－４串联谐振槽路

式中ｚ～一串联电路的总阻抗；

Ｘ－－－－串联电路的总电抗。

一。

也一面１＝假罢一剖

其中‰＝了蟊１为谐振角频率

此时，加在各元件上的电压分别是：

ＥＲ＝ＩＲ

Ｅ。

：

上，：

上鱼ｊｃｏＣｊｃｏＣＺ

童￡＝ｊｃｏＬＩ＝ｊｃｏＬＥｚ

ｊ。

＿旦：

墨

ＲＤＲ

ＥＲ＝ＩｏＲ＝Ｅ

在电工学中定义谐振回路品质因数（２－３）ｒ２－４）（２－５）（２－６）（２．７）从（式２—７）可知，电路中电流的最大值出现在Ｘ＝０，即ＲＤ＝ｚ（ｘ－ｏ）＝Ｒ时

Ｑ＝警＝面１（２—８）

由（２—６）、（２—７）和（２—８）可知，谐振时外电源的电压￡全部加在电阻上。

此时，电感三上的压降和电容Ｃ上的压降在量值上完全相等而方向相反，电压的量值是输入电源的电压量值的Ｑ倍。

由（２—５）可知，谐振时流过电路的电流和外电源电压同相，因此电路的功率因数ｃｏｓ‘０＝ｌ。

固定三、ｃ和Ｒ值不变，使外电源的频率由０到一变化，则电路中的电流、电压和阻抗的变化情况如图２—５所示。

图中的这些曲线称为谐振曲线。

当ｏ＝０时，相当于直流电流，因受到电容的阻挡，电路中的电流为０，全部电压加在电容上。

当ｍ逐渐增大时，容抗屁逐渐减小，而感抗Ｘ。

逐渐增大，但在谐振前（。

＜ｃａ）。

）始终保持胗尤，电路呈容性，电流，随“的增

图２—５各参量随ｕ变化情况

大而增加。

当电路达到谐振时，电流』达到极大值，这时尼＝ｍ，昂＝区，ｃｏｓ‘０＝１，电路呈阻性。

继续增加“，则因取光使电流下降，电路呈感性。

到甜一一时，感抗完全阻止电流的通过，，＝０，电压全部加在电感￡上。

从图中可以看出，丘和如的极大值都偏离了谐振点，那是因为谐振时尽管，达到了极大值，而丑（或肋并非最大值，而在。

偏离。

。

一点点（即。

＝６９。

，或ｕ＝“。

）时，虽然，略小，但五（或鼢相应的大得多，因此，最（或鼢反而达到极大值。

更详细的分析表明：

国ＯＩ２∞。

、／可／２Ｑ２—１

２

０９０２２／２Ｑａ）ｏ、／２Ｑ２—１

如果让厶Ｃ和Ｒ也发生变化，情况又会如何呢，为了研究这一情况将电路的阻抗表达式变换为：

Ｚ＝两＝Ｆ习露

（２—９）

咄／－＋Ｑ２恤ｋＣＯｏ一堕ｃｏｊ］２

电路中电流的幅值为：

，：

旦：

Ｚ

式中』＝船为谐振时电路中电