感应加热电源控制系统的数字化研究

郭晓旺

摘要：感应加热是依据电磁感应的原理，利用导体处于交变的电磁场中产生的感应电流（涡流）所形成的热效应使导体自身发热。因此加热的效率高、速度快和可控性好，所以容易实现高温和局部加热，应用范围较广。文章首先介绍了感应加热技术的发展动态，并综述了国内外的研究现状以及发展趋势，阐述了感应加热电源的控制数字化问题的必要性。

关键词：感应加热电源；控制系统；数字化

1、概述

感应加热技术是较为先进的一种技术，它相比传统加热方法有独特的优越性，这项技术的核心内容之一就是感应加热电源的开发。感应加热电源自从应用于工业上以来已历经90多年了，在这段时间里感应加热装置及有关感应加热理论都有了巨大的进步，这些都是由感应加热技术自身的优势决定的：（1）产生的焦耳热多，加热过程无接触损耗；（2）效率高且有益于节能，符合节约能源的时代要求；（3）速度快，金属工件老化程度减小，精度提高；（4）温度调制简便，产品优质化；（5）装置的自动控制增强，劳动成本降低；（6）符合环保的要求，作业过程不会造成环境污染；（7）工序精细，能很好地完成各种工艺要求。

现在，传统的工频感应炉主要应用于低频感应加热场所，在国外，工频感应加热装置达到百兆瓦，主要应用于钢水保温或大型工件的透热。我们可以预测，在较短时间内以固态器件构成的低频感应加热电源在价格、可靠性及功率容量方面还无法和低级的工频感应炉相媲美，即便是它的性能、效率和体积上胜过工频炉。在中频范围内，传统的电磁倍频器和中频发电机组已完全被晶闸管感应加热装置所取代，在国外晶闸管感应加热装置已达数十兆瓦。在超音频范围内，自从有了晶闸管后，以晶闸管倍频电路和时间分割电路构成的超音频电源开始大量使用。在20世纪80年代初，新型功率器问世，占据主导地位的主要是以IGBT、BSIT、GTR、MCT、SITH和GTO构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热电源，其中以IGBT应用最为普遍。在高频领域，能很好地把传统的电子管电源过渡到晶体管全固态电源的有：日本在1987年开发出了1200kW/200kHz的SIT电源；比利时InductoElphiac公司生产的电流型MOSFET感应加热电源水平可达1MW/15～600kHz；美国Induetorheat公司已经推出2MW/400kHz的MOSFET高频感应加热电源。

2、感应加热电源现状及系统保护

2.1感应加热电源的现状

当今在工业领域，模拟电路控制在感应加热电源中被广泛使用，但模拟电路焊点多、系统可靠性低、触点多，对工艺要求也高。电路灵活性低，控制参数过于死板。相比之下，数字式电路控制系统简单、可靠，设计灵活，电路精确。我们把数字式电路控制应用到感应加热电源系统中，不仅可以实现人机互动的景象，而且对感应加热电源的发展也是一个大的飞跃，所以研究数字式电路控制的感应加热电源是非常有意义的。

2.2感应加热电源系统的保护

在电路的发展中，控制电路经历了由模拟控制、数字控制到计算机网络控制；由定时到实时在线控制；由硬件控制到软件控制的过程。复杂系统和大型装置就用DSP、计算机网络控制或者PLC控制。所以在电力电子装置中也引进了现代控制理论，这为控制理论的发展展现了一个广阔的舞台。

在要求加热新产品多样化的同时，对控制系统功能的智能化要求更高，所以感应加热电源的控制电路必须具有以下功能：（1）调功控制电路必须具有调功控制功能，使系统输出电压不受干扰。特别是对逆变电路和整流电路的主电路部分。（2）控制电路必须具有频率自动跟踪功能，能够由负载谐振频率调整逆变器开关管的工作频率。频率自动跟踪最基本的有自激和他激这两种方法。当今超音频电源应用的是开环控制结构，在很多情况下采用自激方法实现自动跟踪。可是，在逆变状态的精确控制中，要进行手动调节，如此一来，会造成操作麻烦、控制不准确、效果不佳等。

在系统保护方面，主要是过压、过流保护，电容器吸收和电阻消耗产生过电压的能量保护这三种，传统过压保护的方法主要有利用非线性元件限制过电压幅值；限制过流的方法主要有串联快速熔断器和限流电感，针对电压电流上升率的限制，可以通过串联空心电感、并联RC串联电路或其他形式的缓冲电路来实现，现有的保护大多只针对各器件做分散保护，往往效果不佳。

3、感应加热电源控制系统的初期缺陷

感应加热逆变电源最初控制电路是模拟电路，我们知道模拟电路本身有着很多缺点：（1）模拟控制电路主要是电路板和分立元件，就会造成系统的可靠性下降，硬件成本偏高；（2）存在人工调试器件，比如可调电位器，就会造成系统的一致性下降，生产效率降低；（3）电路存在热漂移问题和元器件的老化问题，这都会使感应加热电源输出能力降低；（4）只有对控制系统做更换，产品才能升级换代，如此一来对硬件系统的改进是必不可少的。

4、可编程逻辑器件在感应加热电源中的应用

自20世纪90年代后，随着EDA技术的发展，CPLD/FPGA的应用范围越来越大，和ASIC比较，CPLD/FPGA有开发成本低、开发周期短、无风险、灵活等优点；和DSP处理器芯片比较，处理速度更快。所以CPLD/FPGA更适合电力电子技术的应用，比如实时处理要求较高，在速度上与硬连线方式几乎相同，而且它相比硬连线方式有更多的优点：体积小、开发成本低、设计灵活、集成度高等。目前SOPC技术走在了电子工程技术的最前端，其目的将尽可能大而完整的电子系统（数字通讯系统、嵌入式处理器系统、DSP系统、接口系统、存储电路以及普通数字系统、硬件协处理器或加速器系统等）在大规模FPGA的单片系统中实现，让设计的电路系统在可靠性、性能指标、规模、体积、上市周期、功耗、硬件升级、产品维护及开发成本等多方面都更完善，所以在电力电子技术的控制中应用CPLD/FPGA，就可以较好地满足功率开关器件高速开关控制的要求，也可以使电力电子装置对选用的控制器在速度、成本、设计的灵活性等方面的高要求得到较大的满足，而感应加热电源作为一种电力电子系统亦可吸收利用此技术，以提高自身的性能。

从国内外感应加热电源的频段分布结构可以看出，对10～100kHz这一频段，由于SCR工作频率低，体积大而无法适应市场需要，近年来，特别是步入21世纪以来，随着新型电力电子器件IGBT（绝缘栅场效应管）的出现和不断完善，使它成为10～100kHz这一空白频段的最佳器件，它被广泛应用于熔炼、焊接、热处理、锻造等加热加工领域，具有良好的发展前景。现在刚研制出来的以IGBT为功率开关器件的超音频电源，其控制性能还很不理想，然而在国内对此频段的感应加热电源的需求量又特别大，为此怎样去提高固态超音频感应加热电源的控制水平是当务之急。

在超音频（10～100kHz）数字化控制中，随着大规模集成电路技术和EDA技术的高速发展，可编程片上系统设计技术这样一种设计理念日益广泛应用于各种电子系统的设计中，基于这样的技术发展背景，推出了大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA，更进一步推动感应加热电源数字化控制进程的步伐，它能很好地满足电源装置对选用的控制器在速度、成本、设计的灵活性等方面越来越高的要求。

参考文献：

[1]戚宗刚.串联感应加热电源技术的研究[D].浙江大学，2013.

[2]李现兵，师宇杰，王广州，等.浅谈现代电力电子器件的发展[J].电力电子，2015，03（03）.