CN103596308B - 一种用于电磁加热的串联谐振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电磁加热的串联谐振装置，包括供电电源、驱动电路、控制电路、第一开关管、第二开关管、一个谐振电容C和一个感应线圈L，还包括频率捕获模块。第一开关管和第二开关管串联后接供电电源的正负极；感应线圈L缠绕在被加热金属体上，感应线圈L与谐振电容C串联后组成负载电路接第二开关管的集电极和发射极；驱动电路连接第一开关管和第二开关管的栅极；控制电路连接驱动电路和频率捕获模块。该方案外加频率捕获模块，在负载电路工作在其固有频率下时，捕获负载电路的固有频率，并把此频率反馈给控制电路，控制电路根据反馈实时改变系统的给定频率使之与负载电路的固有频率相等，即可使负载电路工作在最高的热转换效率状态。

Description

一种用于电磁加热的串联谐振装置

技术领域

本发明涉及电磁加热技术，特别涉及一种用于电磁加热的串联谐振装置。

背景技术

电磁加热是利用电磁感应现象对金属对象进行加热的方式。其工作原理是利用感应线圈中通过交变的电流产生交变磁场，再由交变的磁场在被加热的金属对象上产生感应电流（即涡流），从而达到加热的目的。

图1为现有实现电磁加热装置的电路图。如图1所示，当IGBT1导通时，电流从供电电源出发流经IGBT1、L、C1回到供电电源，当IGBT2导通时，电流从供电电源出发流经C2、L、IGBT2回到供电电源。

由串联谐振的基本原理可知，当负载电路以其自身的固有频率工作时产生串联谐振，负载电路阻抗最小，负载电路可获得最大的电流，在负载电路上损耗的热量最少，从而获得最高的热转换率。然而，对于图1示出的现有电磁加热装置，LC组成的负载电路在整个工作过程中供电电源部分都是电流回路的一部分，因此负载电路只能在系统给定的频率下工作，不能发挥最高的热转换率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于电磁加热的串联谐振装置，通过外加频率捕获模块获得负载电路的固有频率，从而使控制电路给出与负载电路固有频率相同的频率，使负载电路工作在串联谐振状态下，从而获得最高的热转换率。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种用于电磁加热的串联谐振装置，包括供电电源、驱动电路、控制电路、第一开关管、第二开关管、一个谐振电容C和一个感应线圈L；还包括：频率捕获模块；

第一开关管和第二开关管串联后接供电电源的正负极；感应线圈L缠绕在被加热金属体上，感应线圈L与谐振电容C串联后组成负载电路接第二开关管的集电极和发射极；驱动电路连接第一开关管和第二开关管的栅极，分别为两个开关管提供通断控制信号PWM1、PWM2；

控制电路在捕获阶段，控制驱动电路产生PWM1和PWM2满足如下条件，即PWM2在一个周期内的有效时间大于负载电路的固有周期，使得负载电路在PWM2有效时工作在固有频率；

在负载电路工作在其固有频率下时，频率捕获模块从负载电路上捕获负载电路的固有频率并反馈给控制电路，控制电路通过控制驱动电路改变PWM1和PWM2的切换频率，使之与捕获到的负载电路的固有频率相等。

进一步地，控制电路周期性进入捕获阶段，以重新捕获负载电路的固有频率。

其中，所述第一开关管和第二开关管采用IGBT或大功率MOSFET管。

有益效果：

本发明涉及的电磁加热串联谐振装置在第二开关管导通时，电流的回路不经过供电电源部分，串联谐振装置本身就可以组成完整的电流回路，因此可以按负载电路的固有频率工作。由串联谐振的基本原理可知，当负载电路以其自身的固有频率工作时产生串联谐振，负载电路阻抗最小，负载电路可获得最大的电流，在负载电路上损耗的热量最少，从而获得最高的热转换率。

在实际加热过程中，温度的变化等原因会引起被加热系统的固有频率的变化。本发明能够用非常简单的电路使负载电路按自己的固有频率振荡，通过外加电流互感器和频率捕获电路对该固有频率进行捕获，并把此频率反馈给控制系统，实时改变系统的给定频率使之与负载电路的固有频率相等，从而使负载电路获得最大的效率。

本发明可用于注塑机、民用供暖装置及其它可缠绕线圈的被加热金属上。

附图说明

图1为现有实现电磁加热装置的电路图。

图2为本发明用于电磁加热的串联谐振装置。

图3为本发明IGBT1导通时的电流流向示意图。

图4为本发明IGBT2导通时的电流流向示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种用于电磁加热的串联谐振装置，如图2所示，该装置包括两个开关管IGBT1、IGBT2（本实施例以IGBT为例，也可以用大功率MOSFET管）、一个感应线圈L和一个谐振电容C，加上供电电源、驱动电路、控制电路、频率捕获模块即可构成一个完整的电磁加热系统。感应线圈L和谐振电容C组成负载电路。

上述各组成部分的连接关系为：

供电电源为两相电或三相电的整流输出，驱动电路为IGBT通断控制信号PWM1和PWM2的产生电路。如附图2中所示，IN+点为整流桥输出正，IN-点为整流桥输出负，C点为IGBT1发射极与IGBT2集电极的连接点。PWM1与PWM2为互补信号，即PWM1为高时，PWM2为低，PWM1为低时，PWM2为高。

电磁加热串联谐振电路的输入正，即IN+与IGBT1的集电极相连，IGBT1的发射极与感应线圈L的一端相连，感应线圈L的另一端与谐振电容C相连，谐振电容C的另一端连接IGBT2的发射极，IGBT1的发射极与IGBT2的集电极相连。IGBT1的栅极接PWM1信号，IGBT2的栅极接PWM2信号，PWM1为IGBT1通断控制信号，PWM2为IGBT2通断控制信号。其中感应线圈L缠绕在被加热的金属体（如注塑机的金属料筒）上。

频率捕获模块用于捕获负载电路的谐振频率即固有频率，并将其反馈给控制电路。频率捕获模块可以采用电流互感器和频率捕获电路组成。电流互感器用于采集感应线圈L的电流并发送给频率捕获电路，频率捕获电路对电流信号进行分析，得到电流信号的周期，电流信号的周期的倒数，即为负载电路的固有频率。控制电路与驱动电路相连，用于控制驱动电路产生IGBT的通断控制信号。

电路原理：当PWM1为高时，IGBT1导通，电流由供电电源IN+点流经IGBT1、感应线圈L、谐振电容C，流回供电电源IN-点，电流回路如图3所示，此阶段为负载电路注入电能，负载电路的工作频率为PWM1的频率。当PWM2为高时，电流由C点流经感应线圈L、谐振电容C、IGBT2，流回C点；电流也可以由C点流经IGBT2、谐振电容C、感应线圈L，流回C点，电流回路如图4所示，此阶段负载电路工作于串联谐振状态，可以发挥最大的热转换率。为了使负载电路按其固有频率工作，控制时注意PWM2在一个周期内的有效时间应大于负载电路的固有周期。

根据以上分析，本用于电磁加热的串联谐振装置的工作分为两个阶段：

其一是捕获阶段：控制电路控制驱动电路产生PWM1和PWM2满足如下条件，即PWM2在一个周期内的有效时间大于负载电路的固有周期。负载电路的固有周期即其固有频率的倒数，负载电路的固有频率可以按照公式计算，由于负载电路工作过程中，感应线圈L的电感值l随被加热金属体温度的变化会不断变化，而谐振电容C的电容值c基本不变，可以在负载电路的极限工作条件下测得电感线圈L的电感值l和谐振电容C的电容值c，计算出负载电路固有频率的范围，只要PWM2的有效时间比固有周期大即可。此时，当PWM1有效时，为负载电路注入电能，负载电路的工作频率由供电电源决定；当PWM2有效时，负载电路工作在串联谐振状态，其工作频率为其固有频率。

其二是高效转换阶段：捕获阶段执行后，负载电路在PWM2有效时工作在固有频率，此时，频率捕获模块从负载电路上捕获负载电路的工作频率并反馈给控制电路，该工作频率的值就是固有频率。控制电路通过控制驱动电路，以实时改变PWM1和PWM2的切换频率使之与捕获得到的负载电路的固有频率相等。这样，负载电路就可以一直工作在固有频率下，从而保持高转换率。

在实际加热过程中，温度的变化等原因会引起被加热系统的固有频率的变化。因此可以定期执行捕获阶段的流程，从而重新确定负载电路的固有频率，以保证通断控制信号能够跟随固有频率的变化而变化。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于电磁加热的串联谐振装置，包括供电电源、驱动电路、控制电路、第一开关管、第二开关管、一个谐振电容C和一个感应线圈L；其特征在于，还包括：频率捕获模块；

第一开关管和第二开关管串联后接供电电源的正负极；感应线圈L缠绕在被加热金属体上，感应线圈L与谐振电容C串联后组成负载电路接第二开关管的集电极和发射极；驱动电路连接第一开关管和第二开关管的栅极，分别为两个开关管提供通断控制信号PWM1、PWM2；

控制电路在捕获阶段，控制驱动电路产生PWM1和PWM2满足如下条件，即PWM2在一个周期内的有效时间大于负载电路的固有周期，使得负载电路在PWM2有效时工作在固有频率；

在负载电路工作在其固有频率下时，频率捕获模块从负载电路上捕获负载电路的固有频率并反馈给控制电路，控制电路通过控制驱动电路改变PWM1和PWM2的切换频率，使之与捕获到的负载电路的固有频率相等。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，控制电路周期性进入捕获阶段，以重新捕获负载电路的固有频率。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管采用IGBT或大功率MOSFET管。