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串联谐振解决方案/ Series Resonant System

串联谐振 / Series Resonant System

串联谐振中频电源监控系统

时间:2017-9-13   来源:华天电力  阅读:779

  大功率感应加热电源有加热速度快、工件受加均匀、采用非接触式加热、容易实现自动控制等诸多优点,在工业中有着广泛的应用,如在制造业和冶金业用于淬火、透热、熔炼、保温、钎焊以及烧结等。随着感应加热理论和感应加热装置的不断发展,其应用领域也随之扩大,应用范围越来越广。

1 串联谐振逆变拓扑结构

    感应加热电源一般由主电路、控制电路及其保护电路组成框图如图1所示。其中主电路包括整流电路、滤波电路、逆变电路、负载电路组成。三相工频电流经整流器整流,滤波器滤波后,变成平直的直流电流送给逆变器,再由逆变器转换为负载电路所需要的中频电流。

中频电源结构图

    图1  中频电源结构图

    逆变电路的输出为负载直接提供能源。中频电流通过感应线圈对工件加热时,可等效为一个电感和电阻,负载呈感性,为了提高功率因数和逆变器的输出频率,一般采用加补偿电容的方法,使补偿后负载工作在谐振频率上。根据补偿电容和感应加热线圈连接方式的不同,电源逆变电路可分为并联谐振式和串联谐振式两种形式。

串联谐振逆变电路结构

    图2  串联谐振逆变电路结构

    串联谐振逆变电路如图2所示,它将补偿电容和感应圈(等值电阻和电感)串联后作为逆变桥的负载。由于补偿电容值较大,可以近似认为逆变器输入端电压固定不变。交替开通和关断逆变器上的可控器件就可以在逆变器的输出端得到交变的方波电压。由于当串联逆变器采用适当的工作方式时开关损耗较小,因而可以有较宽范围的工作频率。正因为这一原因,目前在半导体高频感应加热电源中,串联逆变器方案受到更多的重视。

    在加热和熔化金属炉料过程中,因温度变化和炉料溶化等因素,使负载等效参数和固有谐振频率发生变化。为了提高电源效率应使串联逆变器始终工作在功率因数接近于或等于1的准谐振状态,这就要求逆变器的输出频率能跟随负载固有频率变化,以实现逆变器件的零电流开关或零电压开关。本文采用的PWM频率跟踪方法对负载的电压电流波形进行采样,根据过零点的位置取得电压和电流之间的相位差,得到系统实时的功率因数,以此来调节逆变器的工作频率,提升感应炉的功率因数。

2 系统硬件组成

    感应加热系统由感应炉体、中频电源、PLC控制柜和触摸屏HMI四部分组成。系统结构示意图如图3所示:

系统结构示意图

    图3 系统结构示意图

    感应炉体是工件加热的主体,它是在一个由耐火材料筑成的坩埚外面套一层螺旋形的感应线圈,将待熔的金属炉料置于坩埚内,当线圈通上交流电时,金属炉料的内部在交变磁场的作用下产生涡流效应和磁滞损失而引起热效应,从而达到加热熔炼的目的。

    中频电源通过“交-直-交”的方式为感应炉体供电,其输出的中频电流频率在300Hz~20KHz之间。它是感应加热系统主要的主要组成部分,是主要的监控对象。

    PLC是整个系统的核心单元,其功能是采集并完成所有模拟量和数字量的处理,负责炉体的温度采集、中频电源的功率和加热工艺控制,实现与上位机触摸屏HMI的通信。

    触摸屏HMI是系统人机交互的监控终端,既可以实时准确地显示系统的运行状态,又可以通过触摸式按钮修改系统的工作参数以及对设备下达动作指令,还可以自动将系统的报警信息、历史记录和趋势信息存入自定义的数据库中。