【word】 艇用电磁炉的研制

【word】 艇用电磁炉的研制 艇用电磁炉的研制 船电技术2008年第6期,,01.28No.62008.11/12 艇用电磁炉的研制 张鹰 (海军驻武汉四三八厂军代表室武汉430060)) 摘要:本文比较了电磁炉的几种常用电路及控制,针对艇用这种 特殊环境,选择了串连谐振逆变电 路及恒频移相调功方案,并试制4kW样机一台,试验结果证明,该方 案简单,可靠,通过合理选择参数, 可较好地实现软开关,因而效率高,EMI小,非常适合艇用环境. 关键词:串连谐振恒频移相调功软开关 中图分类号:TM924文献标识码:A文章编 号:1003.4862(2008)06.0358.03 ResearchonInverterArc—weldingPowerSupplyinaSubmarine ZhangYing (NavyRepresentativesOfficeinNo.438Shipyard,Wuhan430060,China) Abstract:Inthispaperseveralcommoncircuitsandcontrolstrategiesarecom pared,seriesreXonant inverterisdesignedbasedonthespecialenvironmentinsubmarine,andan4k wexperimental machineisbuilt.Experimentshowsthatitcanimprovetheefficiencyandthere liability,butlowerthebulk. weight,EMI,suitabletobeusedinsubmarine. shiftpowerregulatio Keywords:seriesresonant;constantfrequencyphase—n,”softswitch 1引言 电磁炉是一种感应加热电源.民用电磁炉技 术已经较为成熟,但是不太适合直接移植到艇用. 因为潜艇是一种特殊的应用场合,要求更为严格 ?1.在艇用条件下,可靠性是我们关注的第一要 点.另外,效率,体积,EMI,成本等都是我们 关注的重点.本文通过对各种主电路拓扑及控制 方案的深入,选择了一种合理方案,了 一 台4kW电磁炉样机,实验证明该样机可靠,高 效,非常适合艇用环境. 2主电路的选择 感应加热的主电路拓扑主要有两种:并联型 谐振逆变电路(如图1所示,也称电流型逆变电 路)和串联型谐振逆变电路(如图2所示,也称 电压型谐振逆变电路).这两种拓扑各有优缺点, 收藕日期:2008.03.17 作者简介:张鹰(1960一),男,高工,专业:船舶电气工程. 358 但是串联型谐振逆变电路更适合频繁启动的场 合.另外串联型谐振逆变电路对电路的布局要求 较低,感应加热线圈与逆变电源之间的距离对输 出功率的影响较小,将来回线双绞时影响则几乎 可以不计.所以,本设计选用串联型谐振逆变电 路作为主电路L2J. 图1并联型谐振逆变电路 D D3 Vo1.28No.62008.11/12船电技术2008年第6期 图2串联型谐振逆变电路 3串联型谐振逆变器控制方式选择] 串联型谐振逆变器的控制,主要就是对其输 出功率进行调节.串联型谐振逆变器输出功率的 调节有多种方式,主要分为直流侧调功和逆变侧 调功.在研制过程中需要根据实际应用场合,性 能要求等做出合理选择. 因为艇用时,输入是直流电源,所以直流侧 调功就是斩波调压方式,也就是在直流输入侧加 上一个斩波电路.但是,这个直流环节的加入, 会降低整机效率及可靠性,增加成本. 在串联型谐振逆变器中常用的逆变侧调功方 式有移相升频调功和恒频移相调功. 移相升频调功在调节输出电压的同时也改变 了负载的工作频率,因此也隐含了部分脉冲频率 调节(PFM)调功的因素.移相升频调功方式在 移相和调频的过程中可以使移相臂的关断电流很 小,从而使逆变桥的四只开关管的开通和关断都 是软开关,因此效率较高.但是对于品质因数较 小的负载来说,调功时需要调节的频率范围较大, 而且多台电源一起工作时,会产生较大的噪声. 要避免由不同频率间相互干扰产生噪声,要 求电源的开关频率不变,所以提出了恒频移相调 功方法.恒频移相调功方式的原理与移相升频调 功的原理一样,是产生移相的PWM波,通过改 变移相角的值,来改变输出电压的有效值,从而 达到改变输出功率的目的.但是.恒频移相调功 方式在调功时不改变输出电压的频率,这避免了 多台电源同时工作时相互干扰产生噪声的问题. 恒频移相调功方式一般选择工作在开关频率稍大 于负载谐振频率.图3是额定负载时的工作波形. 在t.时刻之前,电路的初始状态是:T2, 导通,,的端电压=UT4=OTx,T3截止, 『 1313 f? L ,24zT4 . ,,/,\ ——1 %, \ \fj \l厂\一/ 图3串联谐振f<fo时驱动及输出电压电流波形 Ur1=UT3=Ud;电流为负值,负载电压为一,输出 电流i.经,负载,形成回路. 当t=-t0时刻:触发脉冲使,乃关断,由于 关断前,有电流通过,,乃不是软关断, 有关断损耗,当,关断之后,负载电流由 ,转移到J[)1,D3,之后触发脉冲触发, 乃,,转为通态,由于D1,D3导通,在开通 前Url=Ur3=0,所以,的开通为零电压开通 (ZCS),负载电压此时大于零并作为正压加到 ,乃上,,乃承受正向的电压.D1,D3在电 流过零时关断,关断时,已开通,故D1, 关断为零压零流关断,没有关断损耗. 在t时刻之前,电路的状态是:TI,T3导通, l,的端电压UTI=UT3=O;T2,T4截止, =UT4Ud:输出电流仍为正值,输出电流经 ,负载,形成回路. 当t=t1+时,,乃关断,由于,乃在关 断前有电流通过,故,关断不是软关断,, 乃关断后,输出电流转移到D2,D4,之后触发脉 冲触发,,,转为通态,在开通时D2, J[)4导演,==0,所以,的开通为零压 开通(zvs);D2,D4在电流过零时关断,关断时 ,已开通,故D2,D4关断为零压零流关断, 没有关断损耗;当t=t2时重复上述过程. 由上述工作过程可知,四只开关管都是零压 开通,没有开通损耗,但都不是软关断. 4软开关的实现 通过前面的分析可知,恒频移相调功方式额 定负载时可以保证四只开关管都是零电压开关, 但是当输出功率变小时,电源的输出电压频率不 359 船电技术2008年第6期V0l-28No.62008.11/12 变,输出电流在开通前已经变为正向,从而使基 准臂的开通不再是零压开通.通过在开关管两端 并联合适的电容,可以使基准臂在全功率范围内 实现零电压开通.当移相角小于等于负载位移角, 滞后臂开关,工作在零压开通状态,当移相 角大于等于负载位移角,滞后臂,开关工作 在零流关断状态J. 5实验验证 cH41.洲/dju薹三昏三虽【i毗器l蝴 cHl茄?V<<HoIk)’ fI\\ -- \lll\JLJ cHL .24?V CmV 厂f厂I… 1l{… \…f…L . 50q.. 3V ?]_?_--lll-----fl_____:【_ . . . 00叠l//_\\\\ ‰鼢___嘶O? stop~478EdgecH3 ‘Z?7,.5,蛇Z0:55:18)mto0.6IJ/E 图44kW时输出电压电流波形 洲1.删/diu0E三三毫暮三兰虱?’眦N ormiI”晰 c509((?jr|t” ..,_????].__llll|lll..,_?? -l_l0lllll_ll___.. 一 205 1 ~o.00v 一… lllll_ll.了’fll_l/f .’ , -l_露?_1ll_llllll广_. llllllll_l【lll__lllllll 0?0llllllllll_lllll 羔0ll\llllllI,stopp酣fi64Edge043f 【ze.7/.S/ezZl:55:57)劬t0?..u 360 图52kW时输出电压电流波形 cx41.6~0/d怒l哳 {\{_J—lll?llJ==?ll … lIllll\_l1._llIlflIllIl0ll7../ lllllllll2l_一L一:一._.,一I :Ilf,U, L /.llllll1.1//?,, \._. :.0/.\—一.. 50 t0pIt?%瑚eJj (Z9卯,e5,ezzz::18)觚协?.戗I 图61kW时输出电压电流波形 通过实验波形可以清楚的看到,基准臂通过 并联电容,可以始终实现零压开通,移相臂在负 载较大(移相角较小)时是零压开通,负载较小 (移相角较大)时是零流关断.总的来说,移相 角较小时,软开关效果较好. 6结束语 本文通过比较主电路及控制方案的优缺点, 选择串连谐振逆变电路及恒频移相调功方式研制 了4kW电磁炉一台,试验证明该方案简单可靠, 通过在开关管两端并接合适电容,可较好实现软 开关,效率高,EMI小,很适合艇用这种特殊环 境. 参考文献: [1】袁俊国,于非,吴兆麟.移相式高频感应加热装置的研 究[J】.电力电子技术,1999,33(6):13.15. [2]颜文旭,沈锦飞,惠晶,吴雷.脉冲均匀调制功率 控制串联谐振式逆变器【J1.电力电子技术,2004, 38(4):43—45. [3】Izaki,Y.Hirota.H.Yamashita,M.Kamli,H.Omoriand M.Nakaoka.NewConstant—frequencyVariable PoweredQuasi-resonantInverterTopologyUsing Soft--switchedWypeIGBTsforInduction?-heated CookingApplicancewithActivePowerFilter.in Proceedingsofthe1995EuropeanPowerElectronics Conference,pp129-134. [4]袁俊国.高频功率变换及其在感应加热中的应用 [D】.杭州:浙江大学,2001.