CN114070086B - 一种任意双频感应加热主电路的工作方法 - Google Patents

一种任意双频感应加热主电路的工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种任意双频感应加热主电路的工作方法，包括设置全桥逆变电路及正、负单开关电路的直流电压关系、开关管触发信号的频率关系、占空比关系、死区时间关系，解决了任意双频功率信号发生电路不具备感应加热实际工作能力的问题，及现有单逆变器双频感应加热技术研究中输出信号频率等级关系不能任意调节的问题。本发明公开的一种任意双频感应加热主电路的工作方法，解决了任意双频功率信号发生电路不具备感应加热实际工作能力的问题，并使其输出电压具有对称的波形结构，解决了现有单逆变器双频感应加热技术研究中输出信号频率等级关系不能任意调节的问题。

Description

一种任意双频感应加热主电路的工作方法
技术领域
本发明属于感应加热电源技术领域，具体涉及一种任意双频感应加热主电路的工作方法。
背景技术
在感应加热应用中，以往工业中常用的加热手段是以单频率感应加热为主的加热技术，即通过感应线圈的电流频率是单一的频率，但研究结果表明，被加热工件的加热透入深度是与感应加热电流的频率成反比的。因此，在对齿轮、链条等表面几何形状复杂及大宽厚比板状件的工件热处理时，工件表面尺寸不同的部分在加热时需要提供不同频率的感应线圈电流，常规的单频感应加热电源根本无法满足对此类工件表面的均匀加热要求。
为满足表面几何形状复杂工件及大宽厚比板状件工件被均匀加热的目的，提高工件的加热质量，双频率感应加热技术应运而生。双频率感应加热技术，采用双频率的感应电流，同时对工件需要处理的不同部分施加能量，使得工件不易产生变形，有利于提高汽车、航空、船舶等工业所需各种零配件产品及板材的质量。目前采取双逆变器结构的双频感应加热技术已在国内外的工业领域得到了实际应用。但双逆变器结构需同时使用高频逆变器和中频逆变器，只能实现高、中频信号的输出，而且两逆变器存在控制方式复杂，同步困难，功率耗散不均衡等问题，另外，双逆变器结构谐振电路复杂，过多的无源元件加重了电磁干扰现象。因此，基于单逆变器的双频率感应加热电源技术成为了研究主体，但不管是电路拓扑的设计，还是特定拓扑控制方式的设计，研究中也都以输出中、高频信号为目的。专利ZL201810735112.X设计了一种新型的双频功率信号发生电路，可以调节任意频率双频信号的输出，但该专利中只提及了电路实现电压叠加功能的方式，并没有设计该电路作为感应加热主电路的工作方法。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供了一种任意双频感应加热主电路的工作方法，解决了任意双频功率信号发生电路不具备感应加热实际工作能力的问题，并使其输出电压具有对称的波形结构，解决了现有单逆变器双频感应加热技术研究中输出信号频率等级关系不能任意调节的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种任意双频感应加热主电路的工作方法，该方法基于的任意双频感应加热主电路包括全桥逆变主路直流电源，所述全桥逆变电路直流电源与全桥逆变电路1相连，所述全桥逆变电路1的输出端与变压器2的一次侧相连，所述变压器2的二次侧的下端与负载电路5的上端连接，所述变压器2的二次侧的上端还分别与正单开关电路3和负单开关电路4连接，所述正单开关电路3由开关管IGBT Ga5和直流电源E2组成，开关管IGBT Ga5的发射极连接变压器2的二次侧的上端，开关管IGBT Ga5的集电极与直流电源E2的正极相连，直流电源E2的负极连接负载电路5的下端，所述负单开关电路4由直流电源E3和开关管IGBT Ga6组成，直流电源E3的负极连接变压器2的二次侧的上端，直流电源E3的正极与开关管IGBT Ga6的集电极相连，开关管IGBT Ga6的发射极与负载电路5的下端连接；工作方法包括如下步骤：
步骤一、将任意双频感应加热主电路中的全桥逆变电路开关管IGBT Ga1和开关管IGBT Ga4的触发信号频率设置为f1，并同时开通和关断；
步骤二、全桥逆变电路开关管IGBT Ga2和开关管IGBT Ga3的触发信号频率设置为f1，并同时开通和关断；在所述开关管IGBT Ga2和开关管IGBT Ga3的触发信号与全桥逆变电路开关管IGBT Ga1和开关管IGBT Ga4的触发信号之间设置死区时间t1；
步骤三、正单开关电路开关管IGBT Ga5和负单开关电路的开关管IGBT Ga6的触发信号频率设置为f2，f2小于f1，并在所述正单开关电路开关管IGBT Ga5和负单开关电路的开关管IGBT Ga6触发信号之间设置死区时间t2；
步骤四、根据t1与t2大小关系，确定全桥逆变电路开关管触发信号的占空比D1与正单开关电路和负单开关电路开关管触发信号的占空比D2的设置关系；
步骤五、调节全桥逆变电路直流电源的电压为E1，正单开关电路和负单开关电路直流电源的电压分别为E2、E3，设置小于E2和E3，其中，n为变压器的变比值。
进一步的，所述开关管IGBT Ga2与开关管IGBT Ga1交替导通，导通时间为
进一步的，所述f1＝k f2，k>1。
进一步的，所述开关管IGBT Ga5和IGBT Ga6交替导通，导通时间为
进一步的，所述死区时间t1与死区时间t2相同，根据t2＝t1，设置D1与D2的关系：
可得：
进一步的，所述E2和E3根据任意双频感应加热主电路输出双频分量的功率调节要求设置为相等。
进一步的，所述E2和E3根据任意双频感应加热主电路输出双频分量的功率调节要求设置为不相等。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的一种任意双频感应加热主电路的工作方法，通过设置全桥逆变电路开关管的导通时间，正、负单开关电路开关管的导通时间，以及全桥逆变电路开关管触发信号死区时间与正、负单开关电路开关管死区时间的关系，实现了任意双频功率信号发生电路的感应加热应用；通过设置全桥逆变电路开关管触发信号占空比与正、负单开关电路开关管触发信号占空比的关系，提高了输出电压中所需的双频含量，增加了任意双频感应加热主电路的能量利用率；通过设置全桥逆变电路直流电源电压与正、负单开关电路直流电源电压的关系，提高了双频感应加热主电路输出电压中所需双频分量的含量，解决了现有单逆变器双频感应加热技术研究中输出信号频率等级关系不能任意调节的问题。
进一步的，通过将设置全桥逆变电路开关管触发信号占空比与正、负单开关电路开关管触发信号占空比的关系，使双频感应加热主电路的输出电压具有对称的波形结构，进一步提高了输出电压中所需的双频含量，增加了任意双频感应加热主电路的能量利用率。
进一步的，通过将正单开关电路直流电源E2和负单开关电路直流电源E3设置相等，使得本发明的任意双频感应加热主电路工作方法实现了主电路输出电压波形的结构对称。
进一步的，通过将正单开关电路直流电源E2和负单开关电路直流电源E3设置不相等，使得本发明的工作方法进一步提高了主电路输出电压中所需双频分量的含量，并可通过调节正、负单开关电路直流电源的电压关系，调节双频分量的含量。
附图说明
图1是本发明任意双频感应加热主电路的拓扑结构图；
图2为全桥逆变电路和正、负单开关电路的触发信号；
图3为任意双频感应加热主电路输出基频和三倍频信号，E2和E3相等时的输出电压波形；
图4为任意双频感应加热主电路输出基频和三倍频信号，E2和E3相等时输出电压波形的FFT图；
图5为任意双频感应加热主电路输出基频和三倍频信号，E2和E3不相等时的输出电压波形；
图6为任意双频感应加热主电路输出基频和三倍频信号，E2和E3不相等时输出电压波形的FFT图；
图中，1.全桥逆变电路，2.变压器，3.正单开关电路，4.负单开关电路，5.负载电路，6.全桥逆变电路开关管IGBT Ga1和开关管IGBT Ga4的触发信号，7.全桥逆变电路开关管IGBT Ga2和开关管IGBT Ga3的触发信号，8.正单开关电路开关管IGBT Ga5的触发信号，9.负单开关电路开关管IGBT Ga6的触发信号。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
一种任意双频感应加热主电路的工作方法，该方法基于一种任意双频感应加热主电路实现，如图1所示，任意双频感应加热主电路包括全桥逆变主路直流电源，所述全桥逆变电路直流电源与全桥逆变电路1相连，所述全桥逆变电路1的输出端与变压器2的一次侧相连，所述变压器2的二次侧的下端与负载电路5的上端连接，所述变压器2的二次侧的上端还分别与正单开关电路3和负单开关电路4连接，所述正单开关电路3由开关管IGBT Ga5和直流电源E2组成，开关管IGBT Ga5的发射极连接变压器2的二次侧的上端，开关管IGBT Ga5的集电极与直流电源E2的正极相连，直流电源E2的负极连接负载电路5的下端，所述负单开关电路4由直流电源E3和开关管IGBT Ga6组成，直流电源E3的负极连接变压器2的二次侧的上端，直流电源E3的正极与开关管IGBT Ga6的集电极相连，开关管IGBT Ga6的发射极与负载电路5的下端连接；该工作方法包括如下步骤：
步骤一、将任意双频感应加热主电路中的全桥逆变电路1开关管IGBT Ga1和开关管IGBT Ga4的触发信号频率设置为f1，并同时开通和关断；
步骤二、全桥逆变电路1开关管IGBT Ga2和开关管IGBT Ga3的触发信号频率设置为f1，并同时开通和关断；在所述开关管IGBT Ga2和开关管IGBT Ga3的触发信号与全桥逆变电路1开关管IGBT Ga1和开关管IGBT Ga4的触发信号之间设置死区时间t1，开关管IGBT Ga2与开关管IGBT Ga1交替导通，导通时间为参见图2所示。
步骤三、正单开关电路3开关管IGBT Ga5和负单开关电路4的开关管IGBT Ga6的触发信号频率设置为f2，f2小于f1，且f1＝k f2，k>1；在所述正单开关电路3开关管IGBT Ga5和负单开关电路4的开关管IGBT Ga6触发信号之间设置死区时间t2，开关管IGBT Ga5和IGBTGa6交替导通，导通时间为参见图2所示。
如图2中，6为全桥逆变电路开关管IGBT Ga1和开关管IGBT Ga4的触发信号，7为全桥逆变电路开关管IGBT Ga2和开关管IGBT Ga3的触发信号，8为正单开关电路开关管IGBTGa5的触发信号，9为负单开关电路开关管IGBT Ga6的触发信号。
步骤四、根据t1与t2大小关系，确定全桥逆变电路1开关管触发信号的占空比D1与正单开关电路3和负单开关电路4开关管触发信号的占空比D2的设置关系；优选的，所述死区时间t1与死区时间t2相同，根据t2＝t1，设置D1与D2的关系：
可得：
步骤五、调节全桥逆变电路1直流电源的电压为E1，正单开关电路3和负单开关电路4直流电源的电压分别为E2、E3，设置小于E2和E3，其中，n为变压器2的变比值。所述E2和E3根据任意双频感应加热主电路输出双频分量的功率调节要求设置为相等，也可以设置为不相等。
本发明的一种任意双频感应加热主电路的工作方法，通过设置全桥逆变电路开关管的导通时间，正、负单开关电路开关管的导通时间，以及全桥逆变电路开关管触发信号死区时间与正、负单开关电路开关管死区时间的关系，实现了任意双频功率信号发生电路的感应加热应用；通过设置全桥逆变电路开关管触发信号占空比与正、负单开关电路开关管触发信号占空比的关系，提高了输出电压中所需的双频含量，增加了任意双频感应加热主电路的能量利用率；通过设置全桥逆变电路直流电源电压与正、负单开关电路直流电源电压的关系，提高了双频感应加热主电路输出电压中所需双频分量的含量，解决了现有单逆变器双频感应加热技术研究中输出信号频率等级关系不能任意调节的问题。
为了验证本发明工作方法的有效性，将全桥逆变电路开关管触发信号频率设置为f1＝30kHz，开关管IGBT Ga1和开关管IGBT Ga2触发信号的占空比D1＝0.47，将正、负单开关电路开关管触发信号频率设置为f2＝10kHz，即k＝3，则开关管IGBT Ga5和开关管IGBT Ga6触发信号的占空比t2＝t1＝1μs。全桥逆变电路直流电源的电压E1＝12V，变压器变比为2:1，正、负单开关电路直流电源的电压设置为相等时，E2＝E3＝24V，设置为不相等时，E2＝18V，E3＝24V。验证结果如图3-图6所示。
图3为任意双频感应加热主电路输出基频和三倍频信号，E2和E3相等时的输出电压波形，图4为其输出电压波形的FFT图；图5为任意双频感应加热主电路输出基频和三倍频信号，E2和E3不相等时的输出电压波形，图6为其输出电压波形的FFT图。由图3和图5可以看出，本发明的任意双频感应加热主电路工作方法实现了主电路输出电压波形的结构对称，由图4和图6可以看出，本发明的工作方法提高了主电路输出电压中所需双频分量的含量，并可通过调节正、负单开关电路直流电源的电压关系，调节双频分量的含量。
然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种任意双频感应加热主电路的工作方法，其特征在于：该方法基于的任意双频感应加热主电路包括全桥逆变主路直流电源，所述全桥逆变主路直流电源与全桥逆变电路(1)相连，所述全桥逆变电路(1)的输出端与变压器(2)的一次侧相连，所述变压器(2)的二次侧的下端与负载电路(5)的上端连接，所述变压器(2)的二次侧的上端还分别与正单开关电路(3)和负单开关电路(4)连接，所述正单开关电路(3)由开关管IGBT Ga5和直流电源E2组成，开关管IGBT Ga5的发射极连接变压器(2)的二次侧的上端，开关管IGBT Ga5的集电极与直流电源E2的正极相连，直流电源E2的负极连接负载电路(5)的下端，所述负单开关电路(4)由直流电源E3和开关管IGBT Ga6组成，所述直流电源E3的负极连接变压器(2)的二次侧的上端，所述直流电源E3的正极与开关管IGBT Ga6的集电极相连，开关管IGBT Ga6的发射极与负载电路(5)的下端连接；工作方法包括如下步骤：
步骤一、将任意双频感应加热主电路中的全桥逆变电路(1)开关管IGBT Ga1和开关管IGBT Ga4的触发信号频率设置为f1，并同时开通和关断；
步骤二、全桥逆变电路(1)开关管IGBT Ga2和开关管IGBT Ga3的触发信号频率设置为f1，并同时开通和关断；在所述开关管IGBT Ga2和开关管IGBT Ga3的触发信号与全桥逆变电路(1)开关管IGBT Ga1和开关管IGBT Ga4的触发信号之间设置死区时间t1；
步骤三、正单开关电路(3)开关管IGBT Ga5和负单开关电路(4)的开关管IGBT Ga6的触发信号频率设置为f2，f2小于f1，并在所述正单开关电路(3)开关管IGBT Ga5和负单开关电路(4)的开关管IGBT Ga6触发信号之间设置死区时间t2；
步骤四、根据t1与t2大小关系，确定全桥逆变电路(1)开关管触发信号的占空比D1与正单开关电路(3)和负单开关电路(4)开关管触发信号的占空比D2的设置关系；
步骤五、调节全桥逆变电路(1)直流电源的电压为E1，正单开关电路(3)和负单开关电路(4)直流电源的电压分别为E2、E3，设置小于E2和E3，其中，n为变压器(2)的变比值。
2.根据权利要求1所述的一种任意双频感应加热主电路的工作方法，其特征在于：所述开关管IGBT Ga2与开关管IGBT Ga1交替导通，导通时间为
3.根据权利要求2所述的一种任意双频感应加热主电路的工作方法，其特征在于：f1＝kf2，k>1。
4.根据权利要求3所述的一种任意双频感应加热主电路的工作方法，其特征在于：所述开关管IGBT Ga5和IGBT Ga6交替导通，导通时间为
5.根据权利要求4所述的一种任意双频感应加热主电路的工作方法，其特征在于：所述死区时间t1与死区时间t2相同，根据t2＝t1，设置D1与D2的关系：
可得：
6.根据权利要求1所述的一种任意双频感应加热主电路的工作方法，其特征在于：所述E2和E3根据任意双频感应加热主电路输出双频分量的功率调节要求设置为相等。
7.根据权利要求1所述的一种任意双频感应加热主电路的工作方法，其特征在于：所述E2和E3根据任意双频感应加热主电路输出双频分量的功率调节要求设置为不相等。
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