毕业设计(论文)-基于移相控制的感应加热电源的研究.doc

作品名称： 基于移相控制的感应加热电源的研究 所属学院： 电气工程学院 摘要本文采用频率跟踪和移相调功控制技术,设计了一台输出功率为20KW,开关频率为100KHZ的串联感应加热电源实验装置；并使逆变电路工作在感性状态。本文建立了系统的负载的等效模型，通过分析感应加热电源的谐振槽路和拓扑结构，选择了更适合于高频感应加热电源的串联型逆变器；其次，分析了移相控制策略在内的多种调功方式，针对电压型感应加热电源频率跟踪的要求,重点阐述了移相控制策略。同时,文中对感应加热电源的发展现状、基本工作原理进行了阐述。在理论分析的基础上,完成了实验装置的设计,包括主电路、控制电路、驱动电路、采样和保护电路等,采用CD4046和UC3875作为控制器核心控制电源工作。利用MATLAB的分支产品SIMUINK建立了感应加热电源的仿真模型并得到谐振频率下的仿真结果。论文给出了仿真结果,说明该实验装置工作性能稳定,输出波形满足要求,达到了实验研究的目的。关键词感应加热；移相控制；串联谐振逆变器；频率跟踪II目 录摘要I第1章 绪论11.1 感应加热的基础知识11.1.1 感应加热技术的发展简史11.1.2 感应加热的特点和应用11.1.3 感应加热的原理21.2 感应加热现状和发展动态31.2.1 国内外感应加热技术的发展现状31.2.2 高频感应加热电源的发展动态51.3 选题的意义、目的和任务51.3.1 选题的意义51.3.2 选题的目的51.3.3 课题的主要研究任务61.4 本章小结6第2章 感应加热的系统方案设计72.1 感应加热电源的拓扑结构72.2 逆变环节82.2.1 负载等效电路82.2.2 并联谐振负载分析92.2.2 并联电流型逆变拓扑分析112.2.3 串联谐振负载分析132.2.4 串联电压型逆变拓扑分析152.2.5 负载拓扑优缺点对比和选择162.3 本章小结17第3章 串联谐振逆变器的调功方式18II3.1 直流母线调压调功方法（PAM）183.2 逆变调功方法203.2.1 脉冲密度调制（PDM）法203.2.2 脉冲频率调制(PFM)法213.2.3 脉冲密度调制(PWM)法213.2.3.1 感性移相PWM223.2.3.2 容性移相PWM243.3 本章小结254.1 系统框图274.2 感应加热电源主电路274.2.1 设计指标284.2.2 三相不控整流滤波电路参数及器件选择284.2.3逆变电路参数设计及器件选择294.2.4 负载参数设计和器件选择324.2.4.1 负载谐振参数设计324.2.4.2 匹配变压器的设计344.3 控制电路设计384.3.1 移相控制电路的设计384.3.1.1 移相控制芯片UC3875介绍384.3.1.2 UC3875移相控制电路404.3.1.3 UC3875的参数设计414.3.2 功率调节电路424.3.3 频率跟踪电路434.3.3.1 集成锁相环芯片CD4046介绍434.3.3.2 频率跟踪控制电路454.3.3.3 CD4046外部电路设计的设计46III4.4 驱动电路474.4.1 MOSFET驱动电路的要求474.4.2 驱动电路的选择474.5 保护电路484.5.1 过流保护电路484.5.2 过压保护电路514.5.3 过热保护电路524.5.4 后步驱动封锁逻辑电路534.6 采样电路534.6.1 电压采样电路534.6.2 电流采样电路544.7 辅助直流电源544.8 本章小结56第5章 软件仿真575.1 SIMULINK仿真软件介绍575.2 系统的主电路仿真575.3 开环仿真585.3.1 移相控制模块585.3.2 开环仿真605.4 加频率跟踪的开环仿真625.5 加功率环的闭环仿真635.5.1 功率调节模块635.5.2 功率闭环仿真645.6 本章小结65结论66参考文献67IV第1章 绪论1.1 感应加热的基础知识1.1.1 感应加热技术的发展简史感应加热设备的发展要追溯到19世纪初期，随着人们对电磁感应现象认识的加深，人们知道处于交变磁场中的导体会发热，但是很长时期，人们对这种发热现象采取避免的措施，直到19世纪末期人们才开始利用这种现象进行有目的的加热，熔炼等，才有了现在感应加热的概念。Foucault，Heavisid以Thomoson等人对涡流理论的研究分析，加速了感应加热应用于工业领域的过程。从1890年第1台有心感应熔炼炉之后，感应加热技术一直在不断发展，在初期以工频感应炉、中频发电机组为主要产品，随着1966年晶闸管中频感应加热装置的出现，感应加热的发展和电力电子器件的发展紧密联系，每一次电力电子器件的技术变革都带动感应加热领域的革新1。1.1.2 感应加热的特点和应用自感应加热技术出现以来，感应加热技术已随着电力电子器件发展而发生数次变革。在此期间，感应加热装置和理论都有了巨大发展，感应加热技术的应用范围也随之变广，应用领域越来越大。分析原因，无异于感应加热的以下诸多特点：（1）作业占地面积少，生产效率较高；（2）作业环境好，热、噪声和粉尘污染几乎没有；（3）加热效率高，节能；（4）加热温度高，非接触式加热；（5）加热速度快，被加热物品表面氧化少；（6）可局部加热，产品质量好；（7）温度易于控制，产品稳定；（8）自动控制易于实现，节省人力。感应加热技术现在已经广泛应用在国民经济的诸多领域，感应加热已经成为国防、机械加工、冶金等部门和锻铸、飞机、船舶、汽车制造业等不可或缺的重要能源。此外，感应加热技术已不断进入家电领域，电磁炉、微波炉、热水器等都将感应加热作为能源2。1.1.3 感应加热的原理感应加热是利用电磁感应现象对工件进行加热的方法，根据楞次定律和法拉第电磁感应定律，当感应线圈施加交变电流时，线圈中将产生交变的磁场，如果工件被放在加热线圈产生的交变磁场中，磁力线的切割的作用，感应电流(涡流) 将在工件的不同的深浅层面产生，并依据工件的阻抗性质和工件上涡流的流动生成热量，把工件的温度升高，从而达到加热的目的，这就是感应加热技术的基本原理。感应加热电源提供交变的电流I在N匝的感应线圈内产成交变的磁通,并且磁通和电流I频率一致，根据法拉第电磁感应定律和楞次定律，感应电动势e产生在被加热工件中，其公式为： （1-1）注：在上述公式中感应电动势的方向和磁通的方向采用的是右手螺旋定则来确定的，即回路感应电动势的方向即为右手弯曲的四指指向，此时大拇指的指向就是磁通的方向。在磁场中，磁力线切线方向即为磁场的方向，它的疏密也可以用来表示磁场的强弱，通常情况下我们用垂直于磁场方向的单位平方面积中的磁力线数目来表示此处的磁感应强度B，而通过与磁场相垂直平面面积S的磁力线总和就是此面积内的磁通，即： （1-2）假设磁通是按照正弦变化规律变化的，则有： （1-3）交变磁场产生的感应电动势则为： （1-4）有效值为： （1-5）工件利用感应电动势产生感应电流即涡流，并利用涡流效应产生的焦耳热为： （1-6）式中：Q感应电流即涡流通过电阻产生的热量（J）；I感应电流的有效值（A）；R工件的等效电阻（）；t工件通电的时间（S）；f频率（HZ）。由上述公式分析可知，线圈上产生的磁通和感应线圈的电流正相关，线圈上产生的感应电势和磁通正相关。输出电流的频率和产生的磁场决定感应电势的大小，从而决定涡流大小，产生的祸流和负载本身等效阻抗的大小决定了焦耳热的量。涡流越大，发热效果越强，负载温升越快。另外，影响负载阻抗值和负载涡流回路的诸多因素也会影响祸流的大小，如截面大小和形状，导电率，导磁率等1。1.2 感应加热现状和发展动态1.2.1 国内外感应加热技术的发展现状目前，在低频感应加热领域普遍采用传统的工频感应炉。国外的工频感应加热装置可达数百兆瓦，用于大型工件的透热和食用水的保温。在中频(150HZ20KHZ)范围内，晶闸管感应加热装置已完全取代传统的中频发电机和电磁倍频器，国外有报道装置容量已经达到数十兆瓦。在超音频(20KHZ100KHZ)范围内，IGBT的应用占主导地位且朝着大容量方向发展。外国媒体已有1200KW50KHZ电流型感应加热电源、30600KW50100KHZ的IGBT电流型感应加热电源的报道。欧美地区其他一些国家的系列化超音频感应加热电源的最大容量也达数百千瓦。在高频(100KHZ以上)领域，国外己从传统的电子管电源过渡到晶体管全固态电源。400KW400KHZ SIT的同态高频感应加热电源、600KW400KHZ MOSFET同态高频感应加热电源、lMW15600KHZ电流型MOSFET感应加热电源相继研发出且技术成熟。国内的感应加热技术从50年代开始应用于工业生产，60年代的研制处于系列化晶闸管电源，浙江大学首先研制成功国内第一台晶闸管中频电源，到目前己经形成了一定范围的系列化产品。在中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，己经形成了500800HZ1005000KW的系列化产品。但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器结构，串联谐振逆变中频电源发展缓慢。在超音频领域，从九十年代开始，国内采用IGBT研制超音频电源。浙江大学研制开发的250KW50KHZ超音频电源已经产品化，在串联谐振电源方面50KW50KHZ的产品己经实验通过。在高频领域，SRR电源和MOSFET电源是取代电子管高频电源的主要方向。80KW150KHZ的SIT高频感应加热电源、5KW200KHZ的SRR高频感应加热电源、20KW300KHZ的MOSFET高频电源、1KW2MHz MOSFET超高频电源相继研发而出。国内现阶段的MOSFET电源总体上仍处于研究阶段。1.2.2 高频感应加热电源的发展动态最近几年，高频感应加热电源技术发展迅速，不仅在控制方式上实现了模拟向模数、数字控制的巨大飞跃，而且在结构和控制理论领域也出现了许多创新性方案。由文献313可知，江南大学采用PS-PWM输出功率控制策略, 设计了适用于负载串联谐振的三电平感应加热逆变电源，在有效控制和调节输出功率的同时, 改善输出电压与电流波形的质量；李文江团队采用一种将有限双极性PWM法与移相PWM调功相结合的新型功率控制策略，使高频感应加热电源在轻载条件下实现软开关；乔攀科和外国学者则分别提出采用移相全桥式LLC和LCL谐振拓扑的方法，利用谐振回路特性，设计适当控制方法，实现谐振槽路静电感应匹配；除此之外电流矢量控制和相移控制结合、相移控制和分时控制组合、新型的桥内移相控制等控制策略层出不穷。1.3 选题的意义、目的和任务1.3.1 选题的意义高频感应加热电源在工业生产和日常生活中具有重要的作用。在节能、环保大的时代背景下，在高频大功率感应加热电源和谐振回路方面的研究虽不断受到重视，也取得了不小的成绩，但在设计制作高效率、大容量高频电源方面仍然有很多工作有待完善。高频全控器件容量的不断增大，高频控制技术的不断进步和现代电力电子技术的不断发展，使得大容量高频高效工业加热电源成为了可能。现在普遍使用的电子管振荡器感应加热电源效率较低，而采用全控器件的高频电源则可以大大地提高电源的效率。当前国家电力紧张和国内高频感应加热电源效率低下这两者的矛盾日益凸显，对高频感应加热电源研究就更具有实用价值1。1.3.2 选题的目的本课题的主要目的是研究基于移相控制的高频感应加热电源，设计包括主电路和控制电路（频率跟踪电路、驱动电路、功率控制电路、保护电路等）的完整100KHZ/20KW的高频感应加热电源。1.3.3 课题的主要研究任务(1)了解感应加热技术现状和发展，掌握感应加热原理；(2)分析感应加热电源的谐振槽路和拓扑结构；(3)分析感应加热电源的各种调功方式；(4)对100KHZ/20KW的高频感应加热电源进行总体设计，要求采用移相控制方式调功，电源包括功率控制电路，频率跟踪电路和驱动电路，MOSFET的过压、过流、过热保护电路； (5)使用仿真软件MATLAB进行系统闭环仿真；(6)给出全部设计参数和图纸。1.4 本章小结本章首先介绍了包括感应加热技术发展简史、感应加热技术特点和原理在内的感应加热技术基础知识，之后介绍了感应加热电源的发展现状和动态，最后对课题的选题意义、目的和主要工作任务进行了简要总结。70第2章 感应加热的系统方案设计2.1 感应加热电源的拓扑结构感应加热技术和电力电子器件的发展紧密联系，但采用电力电子器件的感应加热装置，不论其功率容量、频率等级的差异，在内部结构上都大同小异。感应加热电源按其拓扑一般可分为如图2-1所示的三大类。（a）逆变侧调功的感应加热电源（b）可控整流调功的感应加热电源（c）直流斩波调功的感应加热电源图2-1 感应加热电源的系统结构框图在电路逻辑上，三种拓扑都是采用三相交流电经过一级或者二级整流之后变成直流电，再使用不同的控制策略通过逆变器变换成所需频率的交流电加在负载侧。综合考虑各方面，用图2-1（a）中的拓扑结构进行功率调节控制结构和结构分析上相对比较简单，所以本论文采用图2-1（a）中的拓扑结构（调功方式）来进行功率调节。2.2 逆变环节DC/AC电路又称为逆变电路，逆变电路是感应加热电源电路的重要组成部分，通过它可以实现直流电到交流电的转换，它的输出功率和工作频率决定了电源的功率和频率。逆变器分为有源逆变和无源逆变，前者将变换来的交流电反馈给电网，后者将变换来的交流电供给负载使用，本设计采用的只能为无缘逆变。逆变器的电路类型有很多。依照电路结构可分为全桥、半桥和非桥式等；依照输出相数可分为单相、三相和多相。半桥逆变的优点是器件少，但输出电压幅值仅为U/2，限制了开关器件功率的发挥，并且分压电容的引入也是一个问题；非桥式电路结构复杂，不做赘述。所以在感应加热电源领域的逆变器一般采用单相桥式逆变电路。2.2.1 负载等效电路感应加热的逆变器负载可以看作一个变压器，其原边为感应线圈,副边为被加热工件，如此就构成了一个副边短路的特殊变压器14。一般可以将感应加热工件和感应线圈可以等效成一个电抗L和一个电阻R串联，等效电路如图2-2所示。图2-2 负载等效电路其等效阻抗为： （2-1）从此可得负载的功率因数为： （2-2）电流I流过负载感应线圈时，有功功率为： （2-3）无功功率为： （2-4）负载的品质因数为： （2-5）由此可得，品质因数和功率因数之间的关系为： （2-6）一般而言，高中频感应加热负载的，由（2-5）可以看出这样的品质因数比较大而从（2-6）可以看出这样的感性负载功率因数比较低，我们采用增加补偿电容的方式来提高功率因数。补偿方式有两种，并联补偿和串联补偿，因此也就形成了两种逆变谐振电路，并联逆变电路和串联逆变电路。同时，为了提高效率、保障电路安全，感应加热电源一般设计工作于准谐振状态。2.2.2 并联谐振负载分析当补偿电容和负载并联时，构成了并联振荡电路，如图2-3所示。图2-3 并联振荡电路负载阻抗为： （2-7）考虑到，阻抗的模为： (2-8)其中电抗为： (2-9)电流的模为： (2-10)当 时，电路处于谐振状态，根据上述公式，此时各参数表达式为： (2-11) (2-12) (2-13) (2-14) (2-15) (2-17)感应线圈无功功率为，补偿电容无功功率为，当负载谐振状态时，则有，则谐振状态的功率因数： (2-17)由上述公式可知，谐振时负载阻抗等效为纯电阻负载，电源仅仅提供电流，即电源输出电流很小，各支路流过电流很大，为电源输出电流的Q倍，因此我们把并联谐振称为电流谐振。假设电源频率可改变，RLC不变，负载Z的电抗为X，R很小，忽略R，那么X表达式可近似为： （2-18）根据式(2-7)和(2-18)分析得并联负载的阻抗随着频率变化的谐振曲线如图2-4所示。电源角频率由0，当负载工作在并联谐振状态，,负载等效阻抗最大为，功率因数为1；当，负载等效电阻逐渐增大到最大值，电抗为正值，等效负载呈感性；当，负载等效阻抗由最大值开始减小，电抗为负值，等效负载呈容性。图2-4 负载的阻抗随着频率变化的谐振曲线2.2.2 并联电流型逆变拓扑分析由负载特性分析得,并联谐振负载电路工作在谐振状态时，等效阻抗达到最大值，为了获得最大的电源输出功率，采用电流源为并联谐振电路提供能量，则并联谐振负载采用电流型逆变拓扑，形成拓扑结构如图2-5（a）所示。图2-5 并联逆变器的拓扑及输出电压电流波形逆变器的直流输入侧串入大电感稳流，输入侧等效为恒流源输入，M1，M4和M2，M3交替导通逆变输出电流为方波，如图2-5（b）。傅里叶变换得： (2-19) (2-20)从（2-20）可以看到，n越大，Q越大，就越小。谐波电压幅值： (2-21)从（2-21）可以看到，n越大，Q越大，就越小。最大值为基波电压幅值： (2-22) (2-23)显然，n越大，Q越大，值就越大。设Q=3时，对于三次谐波有：。由此可见，谐波电压的幅值远小于基波的幅值，所以在工程上近似的认为输出电压近似为正弦波，所以并联谐振又被称电压谐振。2.2.3 串联谐振负载分析当补偿电容和负载串联时，构成了串联振荡电路，如图2-6所示。图2-6 并联振荡电路负载阻抗为： (2-24)阻抗的模为： (2-25)其中电抗为： (2-26)电流的模为： (2-27)当时，电路工作在谐振状态，此时各参数表达式为： (2-28) (2-29) (2-30) (2-31) (2-32) (2-33) (2-34)谐振时,负载等效为纯电阻R，电源输出电压电流同相位，L、C上分担等大反相电压，等效为将电压直接加在电阻上，功率因数为1，由上述公式可知，谐振时负载阻抗等效为纯电阻负载，电源仅仅提供电压，L、C上电压均为电源输出电流的Q倍，但方向相反，因此我们把串联谐振称为电压谐振1。假设电源频率可改变，RLC不变，负载的各部分阻抗随着角频率变化的谐振曲线如图2-7所示。当=0时，相当于直流电路，由于电容的“隔直通交”特性，负载回路电流为0，全部电压加在电容两端；当电源角频率由逐渐增加时，容抗按双曲线函数减小，感抗按线性函数增大，在谐振前，总电抗，X呈容性，电流随增大而增大；谐振时(即)，负载等效阻抗为最小值R，负载电流达到最大值，感抗和容抗大小相等，功率因数为1；当角频率继续增大，负载呈感性，电流随增大而下降；当趋近于无穷时，由于电感的“隔交通直”作用，负载电流趋近于0，电源电压全部加在电感上。图2-7 阻抗随着角频率变化的谐振曲线2.2.4 串联电压型逆变拓扑分析由负载特性分析得，串联谐振负载电路工作在谐振状态时，等效阻抗达到最小值，为了获得最大电源输出功率，采用电压源为串联谐振电路提供能量，则串联谐振负载采用电压型逆变拓扑，形成拓扑结构如图2-8（a）所示。图2-8 串联逆变器的拓扑及输出电压电流波形逆变器的直流输入侧并入大电容稳压，输入侧等效为恒压源输入，M1、M4和M2、M3交替导通，逆变侧输出电压为方波，如图2-8（b）。傅里叶变换得： (2-35) (2-36)从（2-36）可以看到，n越大，Q越大，就越小。谐波电流幅值： (2-37)从（2-37）可以看到，n越大，Q越大，就越小。最大值为基波幅值： (2-38) (2-39)显然，n越大，Q越大， 值就越大。设Q=3时，对于三次谐波有： 。由此可见，谐波电流的幅值远小于基波的幅值，所以在工程上近似认为输出电流近似为正弦波，所以串联谐振又被称电流谐振15。2.2.5 负载拓扑优缺点对比和选择感应加热电源实际应用需要综合考虑电路不同工作特性，各自适宜的应用条件和工作范围，再根据实际需要，选择合适类型的逆变器。根据前四小节对两类负载特性分析与逆变拓扑的分析，将并联电流型逆变拓扑和串联电压型逆变拓扑电路特性对比如表2-1所示1。表2-1 逆变拓扑电路特性对比并联电流型逆变器串联电压型逆变器拓扑结构对偶性直流输入侧串大电感，体积大直流输入侧并大电容，体积较小负载为R、L、C并联谐振负载为R、L、C串联谐振逆变桥臂功率开关需串联同容量二极管，承受谐振电路产生的反压逆变桥臂功率开关需并联反相二极管，为谐振电流提供通路电压电流特性直流侧电流恒定直流直流侧电压恒定直流负载谐振，直流侧电压为正弦波负载谐振，直流侧电流为正弦波补偿电容支路电流为电源输出电流Q倍补偿电容谐振耐压为电源电压Q倍负载侧电压为正弦波，电流方波负载侧为电流正弦波，电压方波工作特性负载谐振状态，等效阻抗最大为Z=L/RC负载谐振状态，等效阻抗最大为Z=R负载可空载负载不可空载负载短路保护容易负载开路保护容易上下桥臂需设重叠角上下桥臂需设死区时间逆变桥臂单向载流，双向耐压逆变桥臂单向耐压，双向载流负载匹配方法灵活负载匹配方法较少 结构工艺上，串联谐振逆变器不需加大电感，体积较小，电源和负载间的长连接线上的分布电感在高频时不影响负载结构，（只会改变串联负载回路中电感量，这一点）只需通过调整串联感应线圈进行频率匹配；器件选择上，串联谐振逆变器采用反并联二极管为谐振电流再换流过程提供通路即可，不用添加和开关管同容量二极管承受反压，损耗小；启动条件上，串联谐振拓扑更易于频繁启动；可靠性上，串联谐振频率变化，而控制电路未及时跟踪时，只会影响功率因数而不会造成停振或逆变颠覆，可靠性更好。综合上述分析和实际情况，本论文选择串联谐振电压型逆变拓扑作为设计方案。2.3 本章小结本章首先对感应加热电源的常见拓扑结构进行了介绍，然后分析了逆变环节的简要情况，着重分析了并、串联谐振负载，并联电流型逆变拓扑、串联电压型逆变拓扑的特性，并对负载拓扑优缺点进行了对比。最后综合考虑各方面因素，确定了以电压源串联型逆变器为主电路的逆变侧调功的感应加热电源。第3章 串联谐振逆变器的调功方式根据感应加热电源主电路中各部分自身特点,调功方法可以分作两大类：直流调功和逆变调功。3.1 直流母线调压调功方法（PAM）直流调功是通过（采用相控调压或者斩波器调压）调节输入的直流电压幅值来调节输出功率的。这时逆变器同一桥臂的开关器件驱动信号互补，斜对角上的则同时通断。这种调功方式下，可以实现输出电压和输出电流具有固定相位关系，器件软开关也更易于实现。在后文将提及的移相控制方式下，当输出额定功率时，开关管的工作模式和PAM方式有很多相似之处，所以此处分析PAM方式的电路工作模式对研究移相控制方式下的工作模式也有重要意义。另外，考虑到串联谐振的容性、感性、谐振三种状态在各种控制方式上，分析大致相似，所以也将串联谐振逆变器在三种状态下的分析放在此处。此控制方式采用全控器件，具有自关断能力，所以电源对负载性质从关断换流角度是无关紧要的。理论上逆变电路既可以工作在容性负载状态，也可以工作在感性、谐振状态。图3-1 串联谐振逆变器的主电路拓扑图3-1是全控型器件（IGBT、SIT等）组成的串联谐振逆变器的主电路拓扑。假定负载的谐振频率为，逆变桥的输出频率为f；谐振电路的品质因数相当高时，输出电流可忽略所含高次谐波，近似为正弦波。在PAM方式下，由于功率调节和逆变侧无关，所以逆变器可根据负载特性工作在固定的状态，根据电流和电压的相位关系有三种：感性、谐振和容性。下面分别讨论。(1)电流超前电压（容性负载）；(2)电压和电流同相位（谐振状态）；(3)电压超前电流（感性负载）。图3-2 串联谐振逆变电路电压电流关系(1)感性负载（）从图中可以看出，输出电流滞后于输出电压，桥臂上器件换流的模式是二极管先导通，在电流过零之后开关器件相继导通，属于臂内自然换流模式，T为ZVZCON，D为ZCOFF；半周期后，T关断，为保持输出电流连续，T中的电流换到并联的二极管，属于臂间换流，且电流不为零；换流过程中，T为硬关断，损耗较大。为减少臂间换流损耗，感性负载时需设计ZVS，使得T为ZVOFF，D为ZVON。常用方法为并联分立式缓压电容，即在T上并联电容，使关断时电流向电容转移，选择合适电容即可抑制电压上升率使关断损耗降低。(1)容性负载（）如上图所示，输出电流超前输出电压一个相位，桥臂器件的换流模式与感性负载正好相反。臂间换流是从T到D，此时D为ZCON，T为ZCZVOFF；半周期后，D关断，为保持电流连续，D中电流换到斜对的T上，属臂间强制换流。换流期间，二极管电流下降率高，反相恢复电流很大，甚至可能超过负载电流，使T的开通电流过冲，损耗很大，为了降低这种损耗，容性负载时需设计ZCS，使得T为ZCON，D为ZCOFF。常用方法为并联分立式缓压电感，即在T上并联电感，使开通时T的端压转移，从而延缓电流上升率，降低D电流下降率，减少开通损耗和电流过冲。(3)谐振状态（）由于串联谐振拓扑必须先关断后开通，利用死区来防治上下桥臂直通短路，所以使得控制脉冲和电流波形完全同相位是不能实现的。PAM方法的优点：电源始终工作在准谐振状态，负载侧功率因数很高，软开关易于实现。缺点：电压源电路复杂、成本高，进线电流谐波较大。3.2 逆变调功方法逆变调功：通过调节输出电压的频率调节功率因数或者输出电压的有效值的大小来实现调节功率。常见的逆变调功方法有：脉冲频率调制（PFM）法、脉冲密度调制（PDM）法、脉冲宽度调制（PWM）法等1。3.2.1 脉冲密度调制（PDM）法PDM方法是通过控制脉冲的密度，实际上就是控制向负载传递能量的时间比来控制输出功率。PDM方法的基本思路是：假设在某时段内功率输出单位总共有N个，在其中逆变器向负载输出功率为M个功率输出单位；而剩下的(N-M)个单位内逆变器停止工作，负载能量以自然振荡形式逐渐衰减。这样的话，输出的脉冲密度为MN，输出功率就跟脉冲密度联系起来了。即通过改变脉冲密度就可改变输出功率。PDM方法的优点：输出频率基本不变，易于实现数字化控制，开关损耗相对较小，适合开环控制。缺点：由于是间断加热，加热效果不好，逆变器输出频率不完全等于负载自然谐振频率，需要闭环场合稳定性差，功率调节不理想呈有级调功方式。3.2.2 脉冲频率调制(PFM)法PDM方法是通过逆变器开关器件的通断频率来改变输出阻抗进而调节输出功率。从图2-7可以看出串联谐振电路的阻抗频率特性。负载工作在感性状态下（）时，负载阻抗会随着频率的提高而提高，从而减小输出功率；负载工作在容性状态下（）时，负载阻抗会随着频率的提高而减小，从而增加输出功率。PDM方法优点：采用不控整流，简单易行，成本低，而且容易实现软开关。缺点：调节范围有限，特别是负载的Q值很低时，频率变化较大。3.2.3 脉冲密度调制(PWM)法PWM方式是通过改变两斜对开关管驱动信号之间的相位差来改变输出电压值以达到调节功率的目的。对于不采用移相调功的逆变器，在同一桥臂下面的两个开关管的驱动信号是恰好互补的，其中一个开通，则另外一个关断，而斜对的开关管的工作状态则是相同的。而在移相式PWM调功方法中，两斜对开关管的驱动信号之间存在着相位差，通过调整它们之间相位差的大小，可以改变输出电压从而达到调节功率的目的。保持某一桥臂的驱动脉冲信号与输出电流的相位保持一个固定相位差，另一个桥臂的驱动脉冲信号与输出电流的相位差可调，在控制电路中使两个桥臂上斜对开关管(T1，T4)，(T3，T2)的驱动信号之间错开一个角度，称为移相角，而同一桥有上下两管(T1，T3)和(T2，T4)的驱动信号互补，使得输出的正负交替电压之间插入一个零电压值，移相角在0180范围内可调，在开关管的控制电路中设定两组开关管驱动信号之间移相角的大小就能调整负载输出电压中零电压的时间长度，这样就改变了输出电压的有效值，达到了调节输出功率的目的。这种方式又叫移相PWM方式，移相式脉冲宽度调制原理如图3-3所示。图3-3 移相式脉冲宽度调制原理根据输出电压电流相位关系我们把移相PWM控制方式分为感性移相PWM和容性移相PWM两种。3.2.3.1 感性移相PWM如图3-4所示，逆变器输出电流始终落后输出电压即负载处于感性状态。移相角超前范围0180可调。在从0到180调节过程中，逆变器输出脉宽减小的同时，输出电流相对于输出电压的相位的滞后角也逐渐变大，意味着负载的感抗也逐渐变大，也就是说频率不断的升高，因此我们也把这种控制方式称为升频式PWM控制。在感性移相控制方式中不出现器件并联二极管的反向恢复问题，所以不会产生较大的电流尖峰和功率损耗16，17。图3-4 感性移相调功原理图这种控制方式中，输出电压可用傅立叶级数描述。令输出电压，用傅立叶级数表示： (3-1)输出电压基波分量为： (3-2)输出电压基波有效值： (3-3)基波功率因数为： (3-4)基波电流有效值为：，是负载谐振回路的等效阻抗。输出功率用基波有功功率表示为： (3-5)在电路移相角为0时输出功率最大，此时有： (3-6)功率标幺值为： (3-7)由上式可以得知：在移相角逐渐增大的过程中，逆变器输出功率值将逐渐减小，感性移相控制方式的这一特性使得它十分适合于需要对功率进行全程调节的场合。3.2.3.2 容性移相PWM如图3-5所示，逆变器输出电流始终超前于输出电压即负载处于容性状态。移相角超前范围0180可调。在从0到180调节过程中，逆变器输出脉宽减小的同时，输出电流相对于输出电压的相位的超前角也逐渐变大，意味着负载的容抗也逐渐变大，也就是说频率不断的降低，因此我们也把这种控制方式称为降频式PWM控制。这种控制方式中与超前臂主开关器件反并联的二极管会存在反向恢复问题，存在较大的电流尖峰，如果电路布局不够理想的话还会有较大的感生电压尖峰产生，对电路工作不利。图3-5 容性移相调功原理图这种控制方式中，基波功率因数为： (3-8)输出功率用基波有功功率表示为： (3-9)在电路移相角为0时输出功率最大，此时有： (3-10)功率标幺值为： (3-11)由上式可以得知：在移相角逐渐增大的过程中，逆变器输出功率值将先增大，然后到达一定角度后有逐步减小，容性移相控制方式的这一特性使得它不适合于需要对功率进行全程调节的场合。必须指出的是，不管是升频式还是降频式移相PWM控制方式中，在改变移相角度的同时，开关频率将相应改变，实质上为移相PWM控制为主，同时加入PFM控制，是一种混合控制方法18。移相PWM调制法是比较常用的一种调功方式，它可以实现对输出功率的大范围的调节而频率变化却很小，易于实现电路的准谐振软开关条件，在感应加热等应用场合中，加以频率跟踪装置就可以很好的适应实际工作的需要。在本文中，我们确定的方案是使逆变器工作于弱感性状态，即逆变器输出电压稍微超前于电流，即采用感性移相调功的方式，实现功率调节。3.3 本章小结串联谐振逆变器的调功方法可以分作两大类：直流调功和逆变调功。本章对各种调功方式进行了分析，重点分析了直流母线调压调功方法（PAM）和逆变调功下移相调功的感性、容性工作状态，最后根据感应加热电源主电路中各部分自身特点，通过分析比较选择了感性移相PWM控制方法作为控制策略。第4章 硬件设计4.1 系统框图图4-1 高频感应加热电源系统框图194.2 感应加热电源主电路传统主电路如图4-2。图4-2 主电路整流侧采用单相不控整流桥，在三相输入侧均加入熔断丝保护，