感应加热电源的功率是怎样控制?

感应加热电源的功率是怎样控制?

感应加热电源中电力电子控制电路的构成，显现出多样化组成方式，其控制方案主要是根据感应电源调功方式、加热负载特性要求等不同，控制电路的结构会有所不同。

感应加热电源的功率控制调节方式总体上可分为直流侧调功和逆变侧调功两种。直流侧调功又分为三相全控整流器调功和直流斩波器调压调功。逆变侧调功的控制电路方案根据加热工艺特性要求，可以采用的控制方式更灵活，常用的有调频调功(PFM) 、移相调功(PSM) 、脉宽调制恒频调功(PWM) 、脉冲密度调制调功(PDM) 、调宽调制加调频调功(PWM+PFM) 、脉宽调制加脉冲密度调制调功(PWM+PDM) 等各种调功方式。下面就感应加热电源控制电路的基本组成和原则作简单叙述，其具体内容将在相关章节中介绍。

(1)控制方式根据感应加热电源负载特性不同，调功方法不同，通常可采用电压反馈控制、电流反馈控制。

1)采用电压控制，其目的是保证输出直流母线电压恒定，也就是说加在感应加热绕组的端电压恒定。控制采样可以取自直流母线电压或逆变器电感绕组或谐振补偿电容上的电压。取样一般采用隔离式电压传感器(TV)，经运算、比较处理， 控制晶闸管的导通角或逆变器开关管PWM驱动脉冲的相移或脉宽，达到改变直流输出到逆变器直流母线上的电压或改变逆变器输出电压的平均值(或有效值)，最终因闭环负反馈的作用维持输出电压恒定。输入电压的波动，对加热电源的输出功率也就是对工件的加热温度产生较大影响，将直接影响到加热工件的产品工艺质量要求。

加热电源的输出功率为P=U²/Z，在负载不变的条件下，功率P与电压Ｕ的平方成正比。也就是说，加热温度与电压的平方成正比。如果电压不稳定，加热温度就不均匀，对于毛坯工件加热、淬火要求温度稳定性较高的场合，必须要有自动稳压功能，否则产品质量得不到保证。

2)采用电流控制，其目的是保证输出直流或高频输出电流恒定。控制采样可取自直流母线电流或逆变器感应加热绕组中的电流。取样一般采用隔离式电流传感器感(TA)，电流反馈信号控制的对象同电压控制，目的是达到输出电流恒定。无论是电源电压变化，还是加热负载变化，都会引起电流的变化。电流的变化，也就是输出功率Ｐ的变化、加热温度的变化。这是因为P=IU，因此可以看出，电压U或负载阻抗Z的变化，会引起电流I的变化，即功率或加热温度的变化。

3)采用功率控制，其目的是为了保证感应加热电源的恒功率输出。采样信号同时取样电压和电流信号，经乘法器处理后，经PI调节器输出与功率给定相比较，控制晶闸管的导通角或逆变器驱动脉冲信号的宽度、相移，或采用动态阻抗匹配法控制电源侧的等效阻抗与负载阻抗相等，达到功率的恒定，保证加热温度在给定的功率下恒定，满足工件加热工艺特性和质量要求。

(2)采用直流侧调压调功方案的感应加热电源，其控制电路需要有锁相频率自动跟踪系统。无论是逆变器采用脉宽调制(PWM) 控制技术调功， 还是采用移相(PSM) 调功等， 如果逆变侧不进行频率自动跟踪， 会出现两大问题：①逆变器的开关功率器件不能很好地工作在软开关状态，开关器件承受的电压和电流应力大，除了危及器件安全外，开关损耗也增大；②因为逆变器工作频率与谐振电路的固有谐振频率不相等，逆变器回路或者说开关器件中流过较大的无功电流，而且功率因数下降，达不到最大功率输出，逆变器的效率下降。频率跟踪的目的是保证逆变器的开关频率fs与谐振电路固有谐振频率fo相等，电压和电流在相位上保持一致。因为电压和电流无相位差，使功率因数cos=1， 获得最大功率输出。

锁相频率自动跟踪控制电路可以采用模拟电路来实现比如：①通过逆变器输出电流检测取样，过零检测、整形等处理为方波信号，去控制专用脉宽调制器(PWM) 集成电路的同步端； ②电流信号取样后经整流、PI调节器运算后， 去控制PWM集成电路的频率设置端。常用功能较全的SG3525PWM集成电路，采用模拟控制电路实现频率自动跟踪，使用起来就比较方便。SG3525的6端是频率电阻设置PT端，改变该端的电压(或电流)就能改变 PWM输出脉冲的频率。将电流取样后处理的方波脉冲， 加至PWM调制器SG 3525的同步端3脚， 就可使PWM输出脉冲的频率同步于电流的频率。

锁相频率自动跟踪控制电路，目前较为普遍的采用专用锁相环集成电路，如通用型CD4046、高速型锁相环MM74HC4046，还有运用单片机、数字信号处理器DSP的数字相位锁定频率跟踪器控制系统等， 数字锁相环与模拟锁相环相比，具有很好的稳定性、精确性。