CN108064095A - 基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法。本发明包括如下步骤：(1)可控电流源输出补偿电流；(2)当谐振频率高于或低于给定谐振频率，则可控电流源输出和采样电流同相位或反相位补偿电流；(3)在电容C两端注入补偿电流，调节感应加热系统的谐振频率的大小；(4)使得RLC谐振电路工作在谐振频率下；(5)输出新的谐振频率值，再次重复步骤(1)至步骤(5)的过程，直至终止。本发明可以实现加热深度可控，提高加热效率，提高感应加热工艺水平。

Description

基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法
技术领域：
本发明涉及一种基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法，属于感应加热领域。
背景技术：
感应加热技术是一种先进的加热技术，它具有传统加热方法所不具备的优点如：加热效率高、速度快、可控性好及易于实现机械化及自动化，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。在带钢表面热处理的感应加热基本原理如下：带钢穿过感应线圈，在线圈两端通以高频交流电，产生交变电磁场；受交变磁场的影响，在带钢内部产生高频交变电流(涡流)，涡流因带钢本身阻尼的作用而产生热量，起到加热的目的。由于交变电流有集肤效应，因此高频感应电流集中在带钢表面，使带钢表面的发热最大，其优点是加热速度快。
感应加热技术是通过电磁感应的作用，在带钢上产生感应电流(涡流)，感应加热负载可以等效为阻感负载，所以需要谐振电容，感应加热系统工作在谐振频率下，用以减少无功功率，减小谐波对电网的污染，提高感应加热效率。感应加热主要有串联型谐振逆变器和并联型谐振逆变器两种，而串联型谐振逆变器更具有结构简单，易于频繁启动，功率因数高的优点。
在感应加热过程中，由于集肤效应，被加热工件上的电流密度分布不均匀，外层电流密度大，内层电流密度小，高频交流电流趋于表层。习惯上，将被加热工件内部的电流密度为表面电流密度的1/∈称为电流的穿透深度Δ(cm)。
式中：ρ为导体电阻率，Ω·cm；
μr为导体相对磁导率；
f为电流频率，Hz。
在感应加热过程中，对与被加热的工件而言，其电阻率和磁导率等物理参数随着温度的变化而变化，所以感应加热负载的感抗也随着温度的变化而变化，使得感应加热谐振频率产生变化。有研究表明，感应加热的频率越高，则电效率越高，电效率接近90％时，增加频率对电效率影响不大；感应加热频率越高，被加热工件温度升高趋于表面，过长的传热时间会在周围的介质中损失过多的热量，热效率越低，选择合适的加热频率至关重要。
目前在感应加热过程中，负载参数变化引起的感抗变化时，谐振频率难以精确控制。频率又与感应加热效率和工件加热工艺质量息息相关。目前改变感应加热谐振频率的方法主要是通过改变谐振电容的电容柱数量来改变谐振电容容量大小，而每调节一柱电容频率改变较大，精确度不高，波动较大。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法，实现加热深度可控，提高加热效率，提高感应加热工艺水平。
上述的目的通过以下技术方案实现：
一种基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法，该方法包括如下步骤：
(1)采样负载频率fload，与参考频率fref的差值经比例积分PI运算后，与采样负载电流iload相乘，作为可控电流源的输入参考值，可控电流源输出补偿电流lcmp；
(2)在负载工作在谐振状态时，如果谐振频率fload高于给定谐振频率fref，则可控电流源输出和采样电流iload同相位补偿电流icmp，如果谐振频率fload低于给定谐振频率fref，则可控电流源输出和采样电流iload反相位补偿电流icmp；
(3)在电容C两端注入补偿电流icmp，调节感应加热系统的谐振频率fload的大小；
(4)锁相环的作用是的负载电流iload相位跟踪负载电压相位，使得RLC谐振电路工作在谐振频率fload下；
(5)输出新的谐振频率fload值，再次重复步骤(1)至步骤(5)的过程，直至fload＝fref。
所述的基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法，所述的基于电流补偿的串联型感应加热电源包括直流电压源Uin、单相逆变器、变压器、电阻R、电感L、电容C、锁相环、PI控制器、乘法器、可控电流源；其中电阻R、电感L为感应加热系统的等效负载，与电容C串联连接形成RLC谐振电路；直流电源Uin与单相逆变器的输入端连接，单相逆变器的输出端与变压器原级连接，变压器次级与负载RLC谐振电路连接。
有益效果：
(1)采用本发明的基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法，无需改变电容器本身的值，只需在电容器两端补偿电流，就可以动态的控制感应加热的谐振频率。
(2)采用本发明的基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法，在被加热工件参数变化，导致感抗值变化时，仍可以动态的调节负载的谐振频率，保证被加热工件加热深度要求，保证工艺水平，减少谐波污染。
(3)采用本发明的基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法，可以进一步应用到其他对RLC串联谐振频率要求较高的场合，为RLC谐振频率控制拓展了领域。
附图说明
图1：电磁感应加热工作方式原理图；
图2：感应加热等效电路及电流补偿控制策略图；
图3：当fload>fref时，负载电流iload与补偿电流icmp；
图4：当fload<fref时，负载电流iload与补偿电流icmp；
图5：普通串联谐振式感应加热工作频率仿真波形；
图6：谐振频率可控串联谐振式感应加热频率仿真波形；
图7：频率高于参考频率时负载电流与补偿电流仿真波形；
图8：频率低于参考频率时负载电流与补偿电流仿真波形。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图2，本实施例的基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法，包括直流电压源Uin、单相逆变器、变压器、电阻R、电感L、电容C、锁相环、PI控制器、乘法器、可控电流源；其中电阻R、电感L为感应加热系统的等效负载，与电容C串联连接形成RLC谐振电路。图3和图4显示的是在频率过高或者过低的时候可调电容器输出电流icmp相对于负载电流iload的相位。
串联型感应加热电源中，直流电源Uin与单相逆变器的输入端连接，单相逆变器的输出端与变压器原级连接，变压器次级与负载RLC谐振电路连接；采样负载频率fload，与参考频率fref的差值，经比例积分PI运算后，与采样负载电流iload相乘，作为可控电流源的输入参考值。
本实施例的基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法，其步骤为：
(1)在MATLAB仿真验证了在普通的串联型感应加热电源谐振频率的变化，在0.001s时刻，由于工件参数变化，导致负载谐振频率变化，如图5，负载谐振频率首先由高于参考频率变化到低于参考频率；
(2)采样负载频率fload，与参考频率fref的差值经比例积分PI运算后，与采样负载电流iload相乘，作为可控电流源的输入参考值，可控电流源输出补偿电流icmp；
(3)在负载工作在谐振状态时，如果谐振频率fload高于给定谐振频率fref，则可控电流源输出和采样电流iload同相位补偿电流icmp，如果谐振频率fload低于给定谐振频率fref，则可控电流源输出和采样电流iload反相位补偿电流icmp；
(4)在电容C两端注入补偿电流icmp，调节感应加热系统的谐振频率fload的大小，新的fload的大小如式：
(5)锁相环的作用是的负载电流iload相位跟踪负载电压相位，使得RLC谐振电路工作在谐振频率fload下；
(6)输出新的谐振频率fload值，再次重复步骤(1)至步骤(5)的过程，直至fload＝fref；
(7)在MATLAB仿真验证了加入基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法，频率变化波形如图6，在频率高于参考频率时负载电流与补偿电流如图7，在频率低于参考频率时负载电流与补偿电流如图8。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法，其特征是：该方法包括如下步骤：
(1)采样负载频率flad，与参考频率fref的差值经比例积分PI运算后，与采样负载电流iload相乘，作为可控电流源的输入参考值，可控电流源输出补偿电流icmp；
(2)在负载工作在谐振状态时，如果谐振频率fload高于给定谐振频率fref，则可控电流源输出和采样电流iload同相位补偿电流icmp，如果谐振频率fload低于给定谐振频率fref，则可控电流源输出和采样电流iload反相位补偿电流tcmp；
(3)在电容C两端注入补偿电流icmp，调节感应加热系统的谐振频率fload的大小；
(4)锁相环的作用是的负载电流iload相位跟踪负载电压相位，使得RLC谐振电路工作在谐振频率fload下；
(5)输出新的谐振频率fioad值，再次重复步骤(1)至步骤(5)的过程，直至fload＝fref。
2.根据权利要求1所述的基于电流补偿的串联型感应加热电源谐振频率可调方法，其特征是：所述的基于电流补偿的串联型感应加热电源包括直流电压源Uin、单相逆变器、变压器、电阻R、电感L、电容C、锁相环、PI控制器、乘法器、可控电流源；其中电阻R、电感L为感应加热系统的等效负载，与电容C串联连接形成RLC谐振电路；直流电源Uin与单相逆变器的输入端连接，单相逆变器的输出端与变压器原级连接，变压器次级与负载RLC谐振电路连接。
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