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感應(yīng)加熱電源的負(fù)載匹配方案
摘要：分析了串聯(lián)諧振型和并聯(lián)諧振型感應(yīng)加熱電源的負(fù)載電路及負(fù)載匹配的重要性，針對(duì)不同電源類型對(duì)負(fù)載匹配方案進(jìn)行了研究，介紹了多種負(fù)載匹配方法。1 概述
隨著電力電子技術(shù)及器件的發(fā)展，固態(tài)感應(yīng)加熱電源已在金屬熔煉、透熱、淬火、熱處理、焊接等行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。對(duì)于熱處理行業(yè)的大部分負(fù)載來說，感應(yīng)加熱電源設(shè)備須經(jīng)過負(fù)載阻抗匹配后才能正常工作。所謂負(fù)載阻抗匹配就是為了使電源輸出額定功率，而采取的使負(fù)載阻抗等于電源額定阻抗的方法和措施。
對(duì)于一臺(tái)電源設(shè)備，其額定電壓UN和額定電流IN取決于電源本身，為使電源能輸出額定功率，要求有合適的負(fù)載阻抗Z=ZN=UN/IN與電源匹配，如果Z≠ZN，電源與負(fù)載不匹配，電源利用率就降低。以簡(jiǎn)單的直流電壓源為例：電源額定電壓Ud=400V，額定電流Id=400A，額定阻抗|Zd|=1Ω，負(fù)載阻抗|Z|=1Ω時(shí)，電源輸出額定功率；|Z|=0.5Ω時(shí)，輸出電流為I=Ud/|Z|=400/0.5=800A，電源過載；|Z|=2Ω時(shí)，輸出電流為I=Ud/|Z|=400/2=200A，電源輕載。圖1可清楚的表明以上所說情況。
圖1中，線1表示負(fù)載與電源匹配，線2表示電源重載，線3表示電源輕載。電源與負(fù)載不匹配時(shí)，為保證不損壞電源設(shè)備，只能降額運(yùn)行，降低了電源利用率，適當(dāng)?shù)钠ヅ淇梢允闺娫慈β蔬\(yùn)行，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減少故障。在實(shí)際中，很少有負(fù)載阻抗恰好等于電源額定阻抗的情況，負(fù)載匹配是感應(yīng)加熱裝置安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，是感應(yīng)加熱電源負(fù)載側(cè)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。
2 負(fù)載等效電路分析
感應(yīng)加熱裝置的感應(yīng)器支路可以等效成一個(gè)電阻和一個(gè)電感串聯(lián)或并聯(lián)的形式[1]，等效的電感、電阻是感應(yīng)器和負(fù)載耦合作用的結(jié)果，其值受感應(yīng)器與負(fù)載耦合程度的影響。等效感應(yīng)器支路是一個(gè)感性負(fù)載，功率因數(shù)很低，需加入電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，補(bǔ)償電容器與感應(yīng)線圈的連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式，從而形成兩種基本的諧振電路：并聯(lián)諧振電路、串連諧振電路。為了提高效率和保證逆變器安全運(yùn)行，固態(tài)感應(yīng)加熱電源一般工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路的特性，見表1。
從表1可以看出，串聯(lián)諧振電路在諧振狀態(tài)下等效阻抗為純電阻，并達(dá)到最小值，并聯(lián)諧振電路在諧振狀態(tài)下等效阻抗達(dá)到最大值，為了獲得最大的電源輸出功率，串聯(lián)諧振電路采用電壓源供電，并聯(lián)諧振電路采用電流源供電，即電壓源型感應(yīng)加熱電源必須匹配串聯(lián)諧振型負(fù)載電路，電流源型感應(yīng)加熱電源必須匹配并聯(lián)諧振型負(fù)載電路，這是電源與負(fù)載的初次匹配措施。
3 負(fù)載匹配方案分析
負(fù)載匹配方法主要分為兩大類：靜電耦合和電磁耦合。靜電耦合主要采用無源元件，通過改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來改變負(fù)載阻抗。這一方法在一定條件下可以省去匹配變壓器，因此更加經(jīng)濟(jì)、方便。電磁耦合主要采用匹配變壓器，通過變壓器變換阻抗特性進(jìn)行負(fù)載匹配。下面針對(duì)不同電路形式進(jìn)行分析。
3.1 并聯(lián)諧振電路負(fù)載匹配方法
并聯(lián)諧振電路等效阻抗ZD=L/RC，改變等效電路中的電容、電感、電阻的值都能改變阻抗，這一特性使并聯(lián)諧振電路的阻抗匹配更加靈活。
3.1.1 匹配電容元件
根據(jù)電容元件加入的位置不同，可以分為以下3種方法，分別示意在圖2、圖3及圖4。
圖2等效阻抗ZD=L/RC，其中C=C1＋C2＋C3，通過開關(guān)的開、合可以改變電容值，從而改變負(fù)載電路等效阻抗，此法簡(jiǎn)單易行，是實(shí)踐中常用方法之一，但屬于有級(jí)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時(shí)要求斷電。另外，C的變化會(huì)引起電路諧振頻率發(fā)生變化，負(fù)載諧振頻率受工藝要求限制，當(dāng)頻率超出范圍時(shí)應(yīng)配合匹配電感的方法來抵消頻率的變化。注意，所有匹配方法都應(yīng)考慮頻率的變化，處理方法類似，以后不再敘及。
圖3等效阻抗ZD=LCs/〔RC(C＋Cs)〕，可見加入Cs后，阻抗成Cs/(C＋Cs)倍變化，可使原來的等效阻抗變小，適用于阻抗相對(duì)電源來說高的負(fù)載。
圖4是串并聯(lián)負(fù)載電路，電路仍工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)，工作情況與并聯(lián)諧振電路類似，Cs的加入使容性阻抗增加。該電路優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)容易，通常作為晶閘管感應(yīng)加熱電源的起動(dòng)電路，單純作為負(fù)載匹配措施則較少使用。
3.1.2 匹配電感元件
一般分為兩種情況，分別如圖5及圖6所示。以上兩種電路形式是通過加入可變電抗器改變感應(yīng)線圈支路的電感，進(jìn)而改變等效阻抗值，
圖5串聯(lián)電感的方式只能增加感應(yīng)器支路的電感，圖6的連接方式可以增大支路電感，也可以減小支路電感。由于并聯(lián)諧振屬于電流諧振，并聯(lián)支路中流過諧振電流，達(dá)到電源電流的Q（Q=ω0L/R）倍，諧振電路等效電感增加會(huì)增加銅損。
感應(yīng)加熱電源負(fù)載匹配方法中利用電感匹配的方法可以歸納為以下幾種。
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