CN106993345B - 一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路 - Google Patents

Abstract

本发明属电气控制技术领域，公开的一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路，包括负载自动切换谐振电路、信号反馈及控制输出电路，信号反馈及控制输出电路输出控制信号的控制端通过电缆与感应加热电源相连，输出高频交流电的感应加热电源通过负载母线OUTA和OUTB与负载自动切换谐振电路相连接，反馈负载母线OUTA和OUTB上的电流、电压和频率分别通过电缆与信号反馈及控制输出电路相连接；所述负载自动切换谐振电路由谐振电容切换电路与匹配变压器匝比切换电路相连接构成。本发明能够使感应加热电源负载谐振电路根据所加工零件工艺参数自动匹配，解决了传统感应加热电源负载谐振电路频率和阻抗匹配需要手动反复调整问题。

Description

一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路

技术领域

本发明属电气控制技术领域，涉及感应加热电源的一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路。

背景技术

感应加热电源利用电磁感应加热原理具有加热效率高、速度快，可控性好及易于实现机械化、自动化等优点，并作为金属工业加热的高新技术和基础技术，已在熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。

然而在生产过程中由于加工零件种类繁多，零件大小各不相同，需要的阻抗和频率变化很大，需要频繁的调节负载匹配，在调节负载的过程中需要调整不同容量的谐振电容器和不同的变压器匝比，用于负载安装空间较小调整费时费力，而且调整后还需要各种测试观察阻抗匹配和谐振频率是否满足工艺需求甚至还需要继续调整，对工艺人员的技术水平依赖性强，降低生产效率，影响生产产量，也是感应加热全面实现自动化和智能化的一大瓶颈。

发明内容

本发明是为解决上述传统感应加热电源负载谐振电路频率和阻抗匹配需要手动反复调整问题，提出一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路，使感应加热电源负载谐振电路根据所加工零件工艺参数自动匹配。

本发明为完成上述发明目的解决方案如下：

一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路，包括负载自动切换谐振电路、信号反馈及控制输出电路，信号反馈及控制输出电路输出控制信号的控制端通过电缆与感应加热电源相连，输出高频交流电的感应加热电源通过负载母线OUTA和OUTB与负载自动切换谐振电路相连接，反馈负载母线OUTA和OUTB上的电流、电压和频率分别通过电缆与信号反馈及控制输出电路相连接；所述负载自动切换谐振电路由谐振电容切换电路与匹配变压器匝比切换电路相连接构成。

一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路，所述逆变谐振电容切换电路由两个大功率晶体管反并联构成一个双向高频开关然后串联谐振电容器构成单路谐振电容电子切换电路，所述逆变谐振电容切换电路由若干路单路谐振电容电子切换电路构成，其中谐振电容器C1到C8一个公共端并联连接到负载母线OUTA上另一端分别串联由Z1到Z16大功率晶体管构成的双向高频开关，然后输出全部并联到负载另一条母线OUTB上，与匹配变压器匝比切换电路并联。

一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路，所述匹配变压器匝比切换电路由Z17到Z24大功率晶体管反并联构成的双向高频开关和可调匝比的匹配变压器分组串联构成，并且负载母线公共端OUTA和OUTB接反馈变压器T2将电压信号Ud1、Ud2和频率信号Up1、Up2反馈到信号反馈及控制输出电路，负载母线一端过电流传感器Ix输出反馈电流Ic1和Ic2到信号反馈及控制输出电路。

一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路，所述信号反馈及控制输出电路是由输入隔离线性光耦U2、U3，输入隔离高速光耦U6，输出电平转换及驱动芯片U4、U5，数字信号处理器DSP芯片U1A以及G1到G12的PWM驱动脉冲输出电路构成。

一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路的工作方法，是将信号反馈及控制输出电路的输出控制信号传输给感应加热电源，感应加热电源输出的高频交流电到连接负载自动切换谐振电路的负载母线OUTA和OUTB上；

将反馈OUTA和OUTB负载母线上的电流、电压和频率输送到信号反馈及控制输出电路，经过信号反馈及控制输出电路运算处理输出的G1到G12开关控制信号到负载自动切换谐振电路，通过控制信号的打开和关闭，达到阻抗、频率自动匹配的目的；

电流反馈信号Ic1和Ic2，经线性光耦U3隔离后输入到DSP芯片U1A的1脚ADC采样输入口，

电压反馈信号Ud1、Ud2经线性光耦U2隔离后输入到DSP芯片U1A的2脚ADC采样输入口，频率信号Up1、Up2经高速光耦U6隔离后输入到DSP芯片U1A的3脚IO输入口，通过对反馈电流、电压、频率进行处理；

将前负载阻抗及谐振频率，处理结果与对应零件工艺参数进行比较处理，然后通过DSP芯片U1A的PIN_4到PIN_16端输出到电平转换及驱动芯片U4和U5，经过驱动芯片U4、U5放大后输出G1到G12；

再通过控制G1到G8谐振电容切换电路控制信号，和G9到G10匹配变压器匝比切换电路控制信号的打开和关闭，完成谐振电路阻抗、频率的自动匹配。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路，通过对反馈电流、电压、频率进行运算可求出当前负载阻抗及谐振频率，运算结果与对应零件工艺参数进行比较处理，然后通过U1A的PIN_4到PIN_16输出到电平转换及驱动芯片U4和U5经过U4、U5放大后输出G1到G12，通过控制G1到G8谐振电容切换电路控制信号和G9到G10匹配变压器匝比切换电路控制信号的打开和关闭，完成一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路。能够使感应加热电源负载谐振电路根据所加工零件工艺参数自动匹配。

附图说明

图1是本发明原理框图；

图2是本发明负载自动切换谐振电路图；

图3是本发明信号反馈及控制输出电路。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的目的及技术方案实施，下面将结合附图加以说明。

如图1、2、3所示，一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路，包括负载自动切换谐振电路、信号反馈及控制输出电路，信号反馈及控制输出电路输出控制信号的控制端通过电缆与感应加热电源相连，输出高频交流电的感应加热电源通过负载母线OUTA和OUTB与负载自动切换谐振电路相连接，反馈负载母线OUTA和OUTB上的电流、电压和频率分别通过电缆与信号反馈及控制输出电路相连接；所述负载自动切换谐振电路由谐振电容切换电路与匹配变压器匝比切换电路相连接构成。

如图1所示，一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路，包括负载自动切换谐振电路、信号反馈及控制输出电路，信号反馈及控制输出电路输出控制信号的控制端通过电缆与感应加热电源相连，输出高频交流电的感应加热电源通过负载母线OUTA和OUTB与负载自动切换谐振电路相连接，反馈负载母线OUTA和OUTB上的电流、电压和频率分别通过电缆与信号反馈及控制输出电路相连接；所述负载自动切换谐振电路由谐振电容切换电路与匹配变压器匝比切换电路相连接构成。

信号反馈及控制输出电路输出控制信号给感应加热电源，然后感应加热电源输出高频交流电到OUTA和OUTB负载母线上，负载输出母线与OUTA和OUTB与负载自动切换谐振电路相连接，通过反馈OUTA和OUTB负载母线上的电流、电压和频率到信号反馈及控制输出电路，经过所述信号反馈及控制输出电路运算处理输出G1到G12开关控制信号到负载自动切换谐振电路，通过控制信号的打开和关闭，最终达到阻抗、频率自动匹配的目的。

所述负载自动切换谐振电路如图2所示由谐振电容切换电路与匹配变压器匝比切换电路并联构成。

所述谐振电容切换电路从感应加热电源负载输出母线OUTA引线连接谐振电容器C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8构成的切换阵列公共端，C1另一端连接Z1、Z2的一个公共端，Z1、Z2是两个反并联的大功率晶体管，Z1、Z2的门极相连受控于控制信号G1，构成一路高频双向电子开关，Z1、Z2的另一个公共端与其它整列高频双向电子开关并联后连接到负载母线OUTB，C2另一端连接Z3、Z4的一个公共端，Z3、Z4是两个反并联的大功率晶体管，Z3、Z4的门极相连受控于控制信号G2，构成一路高频双向电子开关，Z3、Z4的另一个公共端与其它整列高频双向电子开关并联后连接到负载母线OUTB，C3另一端连接Z5、Z6的一个公共端，Z5、Z6是两个反并联的大功率晶体管，Z5、Z6的门极相连受控于控制信号G3，构成一路高频双向电子开关，Z5、Z6的另一个公共端与其它整列高频双向电子开关并联后连接到负载母线OUTB，C4另一端连接Z7、Z8的一个公共端，Z7、Z8是两个反并联的大功率晶体管，Z7、Z8的门极相连受控于控制信号G4，构成一路高频双向电子开关，Z7、Z8的另一个公共端与其它整列高频双向电子开关并联后连接到负载母线OUTB，C5另一端连接Z9、Z10的一个公共端，Z9、Z10是两个反并联的大功率晶体管，Z9、Z10的门极相连受控于控制信号G5，构成一路高频双向电子开关，Z9、Z10的另一个公共端与其它整列高频双向电子开关并联后连接到负载母线OUTB，C6另一端连接Z11、Z12的一个公共端，Z11、Z12是两个反并联的大功率晶体管，Z11、Z12的门极相连受控于控制信号G6，构成一路高频双向电子开关，Z11、Z12的另一个公共端与其它整列高频双向电子开关并联后连接到负载母线OUTB，C7另一端连接Z13、Z14的一个公共端，Z13、Z14是两个反并联的大功率晶体管，Z13、Z14的门极相连受控于控制信号G7，构成一路高频双向电子开关，Z13、Z14的另一个公共端与其它整列高频双向电子开关并联后连接到负载母线OUTB，C8另一端连接Z15、Z16的一个公共端，Z15、Z16是两个反并联的大功率晶体管，Z15、Z16的门极相连受控于控制信号G8，构成一路高频双向电子开关，Z15、Z16的另一个公共端与其它整列高频双向电子开关并联后连接到负载母线OUTB，如果控制端G1到G8为高电平则高频双向电子开关打开，如果G1到G8为低电平则高频双向电子开关关闭，例如G1为高电平则Z1、Z2同时打开谐振电容C1就直接并联在负载母线OUTA和OUTB两端通过匹配变压器匝比切换电路与匹配变压器T1构成并联谐振电路，通过控制G1到G8输出电平的高低可以调整并联谐振电容器容量和容值的大小，改变负载阻抗、频率向一个方向变化，其中G1到G8至少有一个为高电平，也可以同时多个高电平。

所述匹配变压器匝比切换电路匹配变压器原边一端抽头与感应加热电源负载输出母线OUTA引线直接连接，原边剩余4组抽头分别串联由Z17、Z18、Z19、Z20、Z21、Z22、Z23、Z24两组反并联构成高频双向电子开关，然后输出并联后与负载输出母线OUTB引线连接，由Z17、Z18构成高频双向电子开关连接原边匝数最小的抽头为n1匝，Z19、Z20构成高频双向电子开关连接原边匝数为n2匝抽头，Z21、Z22构成高频双向电子开关连接原边匝数为n3匝抽头，Z23、Z24构成高频双向电子开关连接原边匝数为n4匝抽头，其中n4大于n3，n3大于n2，n2大于n1，并且n1、n2、n3、n4均为整数，Z17、Z18构成高频双向电子开关受控于控制信号G9，Z19、Z20构成高频双向电子开关受控于控制信号G10，Z21、Z22构成高频双向电子开关受控于控制信号G11，Z23、Z24构成高频双向电子开关受控于控制信号G12，控制端G9到G12为高电平则高频双向电子开关打开，如果G9到G12为低电平则高频双向电子开关关闭，G9、G10、G11、G12为互锁信号同一时刻只能有一个为高电平，并且必须有一个为高电平，例如G9为高电平时只有Z17、Z18构成高频双向电子开关打开变压器原边n1匝通过负载母线OUTA、OUTB与谐振电容并联构成并联谐振电路，负载母线通过采样变压器T2的Ud1、Ud2电压信号与Up1、Up2频率信号和电流传感器Ix的Ic1和Ic2反馈到信号反馈及控制输出电路，通过信号反馈及控制输出电路的运算处理控制，G9到G10任意一个为高电平可以调整匹配变压器匝比大小，从而改变负载阻抗、频率向另一个方向变化，配合所述谐振电容切换电路对谐振电容的调整组合成工艺需要的阻抗、频率匹配谐振电路。

所述信号反馈及控制输出电路如图3所示电流Ic1和Ic2反馈信号经线性光耦U3隔离后输入到DSP芯片U1A的1脚ADC采样输入口，电压反馈信号Ud1、Ud2经线性光耦U2隔离后输入到DSP芯片U1A的2脚ADC采样输入口，频率信号Up1、Up2经高速光耦U6隔离后输入到DSP芯片U1A的3脚IO输入口，通过对反馈电流、电压、频率进行运算可求出当前负载阻抗及谐振频率，运算结果与对应零件工艺参数进行比较处理，然后通过U1A的PIN_4到PIN_16输出到电平转换及驱动芯片U4和U5经过U4、U5放大后输出G1到G12，通过控制G1到G8谐振电容切换电路控制信号和G9到G10匹配变压器匝比切换电路控制信号的打开和关闭，完成一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路。

上述U1A型号为DSP芯片，U2、U3型号为线性光耦，U4、U5型号为电平转换及驱动芯片，U6型号为高速光耦。还可用其他型号。

Claims (1)

1.一种阻抗、频率自动匹配式谐振电路的工作方法，其特征在于：是将信号反馈及控制输出电路的输出控制信号传输给感应加热电源，感应加热电源输出的高频交流电到连接负载自动切换谐振电路的负载母线OUTA和OUTB上；

将反馈OUTA和OUTB负载母线上的电流、电压和频率输送到信号反馈及控制输出电路，经过信号反馈及控制输出电路运算处理输出的G1到G12开关控制信号到负载自动切换谐振电路，通过控制信号的打开和关闭，达到阻抗、频率自动匹配的目的；

电流反馈信号Ic1和Ic2，经线性光耦U3隔离后输入到DSP芯片U1A的1脚ADC采样输入口，

电压反馈信号Ud1、Ud2经线性光耦U2隔离后输入到DSP芯片U1A的2脚ADC采样输入口，频率信号Up1、Up2经高速光耦U6隔离后输入到DSP芯片U1A的3脚IO输入口，通过对反馈电流、电压、频率进行处理；

将前负载阻抗及谐振频率，处理结果与对应零件工艺参数进行比较处理，然后通过DSP芯片U1A的PIN_4到PIN_16端输出到电平转换及驱动芯片U4和U5，经过驱动芯片U4、U5放大后输出G1到G12；

再通过控制G1到G8谐振电容切换电路控制信号，和G9到G10匹配变压器匝比切换电路控制信号的打开和关闭，完成谐振电路阻抗、频率的自动匹配。