第ｌ４卷第２期 ２０１１年２月 奄泾敷 左阕 ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ Ｖｏ１．１４ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ ２０１ １ ＩＧＢＴ中频感应加热电源的研究 王永星 彭咏龙 李亚斌 （华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定０７１ ００５） 摘 要：在分析并联型逆变器的工作状态的基础上，提出了电压、电流双闭环整流控制方法；设计了一种 锁相电路与定角控制相结合的逆变器频率跟踪方法；对ＩＧＢＴ中频感应加热电源易产生的常见故障进行了分 析，并设计了相应的保护措施和保护电路。研制了１ ＯＯｋｗ／８ｋＨｚ并联型中频感应加热电源，验证了所设计 控制方法的正确性和有效性。 关键词：感应加热；ＩＧＢＴ；中频；过压保护 Ｒｅｓｅａｒｃｈ ０ｎ ＩＧＢＴ Ｍｅｄｉｕｍ—Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ ＷＡＮＧＹｏｎｇｘｉｎｇ，ＰＥＮＧＹｏｎｇｌｏｎｇ，ＬＩＹａｂｉｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂａｏｄｉｎｇ ０７ １ ００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｏｕｂｌｅ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ’Ｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ＰＬＬ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｉｘｅｄ ａｎｇｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌｆ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｃｏｍｍｏｎ ｆａｕｌｔｓ ｏｆ ＩＧＢＴ ｍｅｄｉｕｍ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａ １ ００ｋＷ／８ｋＨｚ ｐａｒａｌｌｅｌ ｍｅｄｉｕｍ— ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ａｎｄ ｔｅｓｔｅｄ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｉｎｇ；ＩＧＢＴ；Ｍｅｄｉｕｍ－－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；Ｏｖｅｒ－－ｖｏｌｔａｇｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ 中图分类号：ＴＭ４６，ＴＭ９２４．５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：０２１９．２７１３（２０１ １）０２—００３６—０５ ０引言 感应加热技术是一种先进的加热技术，它具 有传统加热方法所不具备的优点如：加热效率高、 速度快、可控性好及易于实现自动化，因而在国民 经济和社会生活中获得了广泛的应用。此项技术的 核心之一就是感应加热电源的研制，电源的性价比 直接决定了其获得应用的速度与广度，随着电力电 子器件制造技术及其控制技术的逐步成熟，以电力 半导体器件为主要元件的固态电源的制造成本正在 迅速下降，不断提升其性能水平是这种新技术获得 收稿日期：２０１０－０４－２７ ３６ 最大限度推广的重要条件。 并联型中频感应加热设备（１～１０ｋＨｚ）具有对 功率器件的容量要求较低，逆变桥易并联扩容， 对负载适应能力强等优点，所以在感应加热电源 中得到越来越多的应用。８０年代初出现的全控型 电力电子半导体器件ＩＧＢＴ，以其高速、输入阻 抗高、易驱动、低通态压降等综合优异特性，现 已在中频和超音频领域得到了广泛的应用，也使 感应加热技术有了一个新的飞跃¨－２１ ０我国对感 应加热电源的研究一直在不断深入，下面以１００ ｋＷ／８ｋＨｚ的并联型中频感应加热电源为对象， 讨论中频感应加热电源开发中的一些关键技术。 １主电路工作原理 １）主电路拓扑结构 随着电力电子学及功率半导体器件的发展， 并联型感应加热电源拓扑结构经过不断的完善， 已形成一种固定的ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ变换形式，基本结 构如图ｌ所示。 图１ 并联型感应加热电源拓扑结构 并联型感应加热电源的主系统由整流器、滤 波电抗、逆变器、负载构成。输人的三相交流电 经晶闸管三相全桥整流，再经大电抗滤波后成为 平滑直流向逆变桥供电，逆变桥上开关器件按一 定规律交替导通、关断，输出一定频率的方波电 流，在并联型负载上形成正弦电压。由此完成一 个ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ的变换过程，为负载提供需要的电 流和频率。开关器件选用全控型ＩＧＢＴ器件，逆变 桥由４个ＩＧＢＴ构成。如果输出功率较大，则可以 多个逆变桥并联使用，每个桥为１００ｋＷ，根据输 出功率的大小确定并联逆变桥的个数。 技术应用・特种电源 ２）并联型逆变器工作状态 并联型逆变器有３种工作状态，其负载谐振频 率为： ，。， １ —／—Ｌ，ＥＶ （１） （１）Ｎ／＜／ｏ时，负载工作在感性状态。此时负 载电流相位滞后于电压相位。在换流时由于ＩＧＢＴ 是在大电流状态下强制关断的，所以ＩＧＢＴ两端会 形成尖峰电压，有可能造成器件的损坏； （２）￣ｆ＝ｆｏ时，负载工作在谐振状态。这是一 种理想的工作状态。由于电路杂散参数，锁相环 的精确度和负载的变化时这种工作状态很难达 到； （３）Ｎｆ＞ｆｏ时，负载工作在容性状态，此时负 载电流相位超前于电压相位，换流过程会在即 将开通的功率器件中引起电流尖峰，但由于直流 侧滤波电抗器的限流作用，保证了功率器件的安 全。因此容性工作状态是一种良好的工作状态， 在实际运行中，也是可靠的 。 ２整流侧控制 整流器采用三相全控整流方案，控制采用电 流、电压双闭环的策略。控制原理图如图２所示。 整流侧控制由ＭＣＳ－５１系列单片机为核心，配合 外围电路构成整流触发控制调节系统。采用单片 微机控制技术结合晶闸管换流技术，配合双闭环 ＰＩ调节器组成设备的恒功率控制、保护等核心控 制环节。 改变全控整流桥晶闸管触发延时角 的大小， 图２整流侧控制机构框图 ３７ 第１４卷第２期 ２０１１年２月 电涤彳ｉ 左阂 ＰＯＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ Ｖｏ１．１４ ＮＯ．２ Ｆｅｂ ２０ｌ １ 即可控制整流输出直流电压平均值的高低，从 而控制设备输出功率大小。由于ＰＩ调节器为无静 差的调节器，因此给定与反馈在静态时相等，当 设备负载发生变化时，都会由于双闭环ＰＩ调节器 通过取样电压、电流作为反馈信号，闭环调节电 压、电流大小，确保电压电流输出值不会超过设 备设定的限压值和限流值，从而达到精确的限压 限流效果。 当设备负载过重，使得工作电流超过额定值 时，由于电流反馈作用，使得整流桥的晶闸管触 发延时角 增大，输出直流电压平均值降低，而工 作电流被限制在设定的最大工作电流值，从而达 到限流的功能。同样，电压调节过程通过检测输 出电压，由ＰＩ调节器自动调节 角大小，从而保持 输出电压稳定，最大输出电压将根据设定电压反 馈值大小达到限压功能。 ３逆变器控制 逆变控制主要功能为实现负载频率自动跟 踪、逆变器启动、为逆变器功率器件提供可靠的 驱动脉冲以及与整流侧控制配合在设备内部和外 部出现异常时，通过控制整流桥输出电压以确保 设备安全。 逆变控制的核心是锁相技术，本文采用定角 锁相控制方法，即负载电流超前电压一个角度， 使设备始终工作在小容性状态 。逆变侧定角控制 原理框图如图３所示，由异或门鉴相器、低通滤波 器、比例积分器、压控振荡器、分频器等构成锁 相环。 由于在启动工作以前，负载端是没有输出 图３逆变侧定角控制原理框图 ３８ 的，也就无信号可取，逆变器ＩＧＢＴ得不到脉冲， 所以必须附加启动控制电路。为此，设计了它激 转自激模块。启动时，系统按它激工作，当负载 电压达到一定值后，再转成白激状态。这种方法 要求它激信号频率接近并略高于负载振荡频率， 否则启动不会成功。这种启动方式对于用在具有 自关断能力的器件（？￣ＩＩＧＢＴ）作逆变桥臂电子开关 的逆变器来说，是一种最理想的方法 。 首先通过电压互感器取负载侧电压信号，然 后经过过零检测电路进入鉴相器。鉴相器采用异 或门鉴相，要求两输入信号分别为占空比为５０％ 的方波。当两信号锁定时，其相位相差９０。。因 此鉴相器的另一端输入由分频器输出信号（这时已 经进行了９０。移相），然后经过相位补偿得到。鉴 相器输出为代表一定相位关系的电平信号，经过 低通滤波器滤波后与设定好的相角锁定值（负载电 流超前电压ｌ０。）进行比较得到相位误差，再经过 一个ＰＩ调节器进行相位的锁定。通过其中积分器 的作用保证了系统的无差调节，将设定好的相位 精确的定位。ＰＩ调节器输出的电平进入压控振荡 器来控制逆变器的工作频率。 由于滤波电抗的电流是连续的，为了可靠换 流，必须保证逆变器上下两桥臂在换流时，是先 开通后关断，即在换流时ＩＧＢＴ￣ｇ动脉冲有足够的 重叠时间。所以本文设计了重叠时间形成环节。 并且重叠时间为可调整方式，可以根据具体的工 作状态进行微调 。 ４电源保护设计 １）电源故障分析 ＩＧＢＴ超音频电源常见的故障类型有：①过 压：若加在逆变器上的电压超过允许范围，将危 及负载设备的安全工作；②过流：当负载出现故 障，负载电流突然增大，甚至超过设备的额定电 流时，将对整个电源设备本身造成损坏；③过 热：当电源使用过程中出现异常情况，如散热机 构失效时，器件的温度急剧上升，造成器件过热 损坏；④缺相：对整流电路来说，将无法正常工 作，而且可能损坏器件。其最主要的是过流保护 和过压保护…。 ２）逆变器过压 过流保护方法 过压包括开关过压、输出过压和输出开路过 压等。其中开关过压最常见。在逆变桥中，由于 ＩＧＢＴ是全控型器件，所以逆变桥可以在不同的状 态下工作。在容性状态时，换流后桥臂所串联的 快速恢复二极管马上承受反向电压，而在感性状 态时，ＩＧＢＴ．￣Ｊ是硬关断，由于引线回路电感的存 在，使ＩＧＢＴ承受一个尖峰脉冲，为此，可采用改 进的相位跟踪技术，即调整电源设备工作在容性 状态，并通过检测二极管两端的反向电压加以限 制。这样可有效地控制串联二极管的反向电压， 提高电源的可靠性，另外还可采用图４所示的缓冲 电路，吸收ＩＧＢＴ和二极管的尖峰脉冲电压以保护 器件 。 图４吸收缓冲电路 为了防止由槽路开路或者丢失ＩＧＢＴ脉冲等情 况造成逆变器过压对逆变器造成损坏，可以在逆 变器输入端并接过电压保护电路，如图５所示。当 逆变器出现过压时，提供触发脉冲信号使整流拉 逆变，同时使晶闸管ＶＴ开通，从而晶闸管为滤波 电感提供释放能量通路，并限制逆变器输入端电 压上升率，逆变器输入箝位到一个低电平，从而 保护了过压对ＩＧＢＴ的冲击。 当发生过流时： （１）开通所有ＩＧＢＴ，达到短时间内两个桥臂分 担短路电流的作用； （２）当出现过流时马上触发导通ＶＴ，由于ＶＴ 技术应用・特种电源 ， ］ ＿—ｊｌ ｖ丁 ７ ＿●Ｃ●＋＝－ 禁 图５过压保护 导通后压降远远低于ＩＧＢＴ桥臂导通压降，分流结 果使得ＩＧＢＴ上的电流迅速转移ｆ１］ＶＴ，使得短路 ＩＧＢＴ流过的电流无过冲。同时发出信号给整流 侧，使整流器从整流状态转变为逆变状态，当能 量释放完之后关断电源。 ３）综合保护 为了提高保护的可靠性，设计了锁相保护电 路，这是一个综合保护。图６为锁相保护框图。当 负载出现异常工作情况，如输出开路、输出短路或 感应器短路时，将会使负载电压和负载电流问的 相位差出现较大变化。这个电路可以和锁相控制 电路结合使用，当负载电压、电流相位差发生突 变时，鉴相器输出电压随之突变，超过保护设定 值时会提供一个信号使保护电路动作。 图６锁相保护框图 ５结束语 根据上述理论并在大量试验基础上，制作了 一台１Ｏ０ｋＷ／８ｋＨｚ的中频感应加热电源。技术指 标为：输入电压３８０Ｖ，输出功率１００ｋＷ，槽路谐 振工作频率为８ｋＨｚ，当样机运行在空载状态下 时，测得的一组数据如表１所示。图７与图８９别为 ＩＧＢＴ驱动脉冲重叠时间波形和逆变桥直流侧电压 波形。 图９为逆变器输出电压、电流波形，其中电压 为正弦波，电流为方波。当设备完成它激转自激 ３９ 电渌敷 左闻 ＰｏＷＥＲ ＳＵＰＰＬＹ ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＩＥＳ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩｏＮＳ Ｖ０１．１４ ＮＯ．２ Ｆｅｂ ２Ｏ１ １ 表１实验数据 直流电压／Ｖ ｌＯ０ 后，设备工作在小容性状态。根据实验数据与波 峰值电压／Ｖ ２００ 直流电流／Ａ ｌ３ 形验证了本文所设计的工作原理是正确的，尤其 一靶一＼—，（一一一 是逆变侧锁相控制，能够使设备工作在固定角度 一一姑一＼２００ ２５ ３５０ ３００ ３５ ５００ ４００ ５０ ６００ 图７驱动脉冲重叠时间波形 … 兰、 、、 ≥ ｙ ０ 兰 二】 一 １ 图８逆变桥直流侧电压波形 ● 图９逆变器输出电压、电流波形 ４０ 小容性状态。 此电路的研制成功，大大提高了设备的自动 化运行水平，给现场调试及运行人员带来极大的方 便，节省了大量的人力物力，同时还能降低事故的 发生率。本文介绍的设计原理和电路构成，可推广 应用于开发其它频率和功率的感应加热电源。 参考文献 潘天明．现代感应加热装置【叫．北京：冶金工业出版 社．１ ９９６． 潘天明．工频和中频感应 Ｍ］．北京：冶金工业出版 社．１ ９８５． 许海文．固态超音频电源并联逆变控制技术的研究 【Ｄ】：［华北电力大学硕士学位论文】．保定：华北电力 大学，２００３ Ｐｏｎｗｉａｎｇｋｕｍ Ｎ，Ｋｉｔｔｉｒａｔｓａｔｃｈａ Ｓ．Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ ｆｏｒ ａ Ｃｕｒｒｅｎｔ－ｆｅｄ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｅｅｓｏｎａｎｔ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ【Ｃ１ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ— Ｎａｇｏｙａ．２００７：１ ５７－１ ６１ 康明，李敏远．并联谐振感应加热逆变器控制方法的 设计『ＪＪ．现代电子技术，２００６（］２）：２１—２６． 张智娟，石新春，彭咏龙．１ ６０ｋＷ／３０ｋＨｚ超音频感应 加热电源的研究［Ｊ］．华北电力大学学报，２００２（４）： ７６—７８． 周伟松，赵前哲，周景春，志大器．ＩＧＢＴ超音频电源 保护系统研究［Ｊ］．电力电子技术，２００５（４）：８４—８５． 潘天明，张殿敏，朱长喜，赵明杰．１ Ｏ０ｋｗ超音频感 应加热电源［Ｊ】．电力电子技术，１ ９９６（４）：１ Ｏ一１ ５． 作者简介 王永星（１ ９８４一），男，河北张家口人，汉族，研究 生，主要研充方向为电力电子与电力传动。