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串谐式感应加热电源的研究现状
sanwenyu | 2010-10-18 19:11:53    阅读:736   发布文章

人们对感应加热电源深入透彻的研究就是为了克服其应用发展中所遇到的种种难题,因此,感应加热电源的研究现状直接反映了感应加热电源的发展趋势,反之亦然。
80年代以前的电力半导体器件本身的局限性给感应加热电源的研制带来了很大的技术难度,一定程度上也抑制了其应用领域的扩大化。随着80年代MOSFET和IGBT等功率开关器件的出现,开关器件高频大容量的性能不断提高,感应加热电源也得以迅猛的发展,其发展趋势可概括为以下几个方面特点:高频化、大容量化、负载匹配、智能化控制与高功率因数低谐波。
高频化是设备小型化趋势的实现途径,在感应加热应用则主要是某些工艺的需求。其实现可以是依靠开关器件的开关频率的提高,或者是依靠对并联电路采取诸如分时控制等复杂控制策略来突破单管开关频率的限制。而高频化必然需要尽可能地减小开关损耗3,于是采用各种软开关技术4和死区优化5等减小开关损耗方法探讨的较多。
高频化需要确保软开关,而这使得原有的一些适用于中低频率及中小功率感应加热的一些调功策略不能满足高频大功率的感应加热设备的需求,因此,一些新型6或复合7的调功策略被提出。
大容量化主要是通过开关器件容量的提高和电路拓扑的串、并联实现的。
要对负载进行合适的匹配,必须先了解负载的各种特性,文献【8】【9】对感应加热设备的负载槽路的各个元件进行阻抗分析和连接方式的优化设计。新型的负载结构10也在不断地被提出以解决负载匹配问题。另外,感应加热计算机模拟技术的研究与应用,尤其是有限元理论的成熟及相关计算机软件的商业化,使得原有现场工艺试验的大量工作可在办公室的计算机上进行11
随着感应加热应用领域的扩大化,还出现了一些新的工艺,并要求对感应加热设备进行自动化改造和智能化控制以方便客户的使用。智能化控制主要是采用单片机、DSP12和FPGA13等数字芯片对原来的模拟控制系统进行数字化,并针对感应加热过程的一些非线性特性采用如模糊控制14、滑模变结构控制15等智能控制算法来实现对被控对象的精确控制,但这些智能控制策略多数还处于研究阶段。
感应加热装置的高功率因数和低谐波等现代化用电的需求主要是通过PFC电路16的引入和采用PWM17等具有低谐波特性的控制策略来实现。这些具有低谐波特性的控制策略目前多用于较小功率的场合。S.W. Chan等人在2006年IEEE发表的文章18还着重讨论了感应加热设备对电力系统的影响。
事实上,无论是高频或者大容量的发展需求,都对开关器件提出苛刻的要求,以负载谐振来保证开关器件的软开关环境,理论上可以达到很低的开关损耗。负载谐振依赖于锁相环的可靠工作,因此锁相环可认为是感应加热电源控制的重要的核心技术。锁相环的模拟实现主要是依靠CD4046等集成芯片来实现,近年来采用数字实现的锁相环也频频见诸文章,如采用FPGA、CPLD、单片机和DSP等数字芯片来实现。由于高速DSP的诸多优点,一定程度上推动着感应加热电源的发展。

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