CN114521034A - 一种可用于感应加热的单管谐振电路及其控制方法 - Google Patents

一种可用于感应加热的单管谐振电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可用于感应加热的单管谐振电路及其控制方法，包括电感L1、电容C0、电感L0和电阻R0，在直流电源的正极输出端经依次串联连接到直流电源的负极输出端，功率器件V和二极管D反并联，V的正端连接到串联的电感L1与电容C0之间的连接节点上，V的负端连接到直流电源的负极输出端，从而构成主电路。功率器件V的控制极通过驱动电路连接到控制电路。工作过程中控制电路实时调节主电路中V的开关频率和占空比，对因电感L0的变化引起的谐振频率的变化进行快速跟踪，来实现高效的单管谐振感应加热工作；或者控制电路通过检测温度等物理量来调节V的开关频率和占空比，使主电路输出的平均功率得到调整，从而达到控制温度等物理量的目的。

Description

一种可用于感应加热的单管谐振电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电加热技术领域，特别涉及一种单管谐振感应加热电路及控制方法。
背景技术
加热电源是金属工件感应加热或电磁炉等专用的电源设备。对大功率电加热设备，一般采用由4只功率器件构成的桥式电路；即使对小功率的电加热设备，一般也是由2只功率器件构成半桥电路。通过逆变方式将直流电源逆变成满足需要的高频交流电，并将其输出到电感线圈等负载，被加热工件或电磁炉加热体靠近流过高频电流的电感线圈，达到加热的目的。该加热电源通常存在电路结构复杂、成本和价格高、体积庞大、故障率高、不便于维护和维修等缺点。而本发明提出的单管谐振电路，主电路仅用1只功率器件，不仅避免或克服了上述诸多问题，还有望使电路或整套电加热设备的性能得到很大提高。
另一方面，由于电加热设备的负载特性决定了该设备主电路中电流的谐振频率会在很大的范围内变化，如何实现对此频率的快速检测和跟踪，是充分发挥该电加热设备效能的关键。针对该问题，本发明提出了一种快速检测输出电流的实现方法，以及一种频率跟踪的控制方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种单管谐振感应加热电路及控制方法，具有频率可快速跟踪、加热效果好的优点。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种单管谐振感应加热电路，其特征在于，包括电感L1、电容C0、电感L0和电阻R0，且电感L1、电容C0、电感L0和电阻R0在直流电源的正极输出端经依次串联连接到直流电源的负极输出端，功率器件V和二极管D反并联，功率器件V的正端连接到串联的电感L1与电容C0之间的连接节点上，功率器件V的负端连接到直流电源的负极输出端，从而构成主电路，功率器件V的控制极通过驱动电路连接到控制电路。
作为优选，所述电感L0包括给工件等物体加热的感应线圈电感和匹配电感，且随着被加热工件的有无和不同，其值变化很大。
作为优选，所述电阻RO为工件加热所需电流折合到主电路中的等效负载电阻，所述电容C0为谐振电容。
工作过程中，电流的谐振频率f0满足：
Figure BDA0003555015750000021
由公式(1)可以看出，因LO变化很大，f0也会变化很大。只有频率跟踪才能实现该电源的高效工作。
作为优选，所述控制电路为脉宽调制电路。
作为优选，所述直流电源的正极输出端与负极输出端之间连接有低通滤波器。
作为优选，在金属工件感应加热过程中，随着L0电感量大小的变化，主电路的谐振频率会发生很大的变化，控制电路对主电路的谐振频率进行检测，并对此频率变化进行快速跟踪，实时调节主电路的输出频率和占空比，来实现高效的单管谐振感应加热工作。
一种单管谐振感应加热电路的控制方法，可以通过检测主电路输出电流i2或谐振电流i3的过零点来计算出主电路的谐振频率，从而实现对此频率变化的快速跟踪。
作为优选，控制电路在已计算好的特定时刻给出主电路的驱动信号uGE，主电路的功率器件V导通，流过谐振电流i3，i3变为负值后，续流二极管D导通，直至i3谐振电流变为零；只要在谐振电流i3为负(即二极管D续流)期间关闭主电路功率器件V的驱动信号，i3从负向变到零后，i3支路即关断，等待下一次的驱动信号。即用此种控制方法，控制电路每给出一次驱动信号，主电路就输出一次谐振电流，完成一次谐振工作过程。
作为优选，在负载基本恒定的电磁炉等设备的感应加热过程中，本发明的控制电路通过检测某监测点的温度，调节其输出的开关频率和占空比，即调节感应加热设备输出谐振电流每次出现的时间，使该设备输出的平均功率得到调整，从而达到控制温度的目的；或者也可以通过控制驱动信号间歇通断的方式调节该设备输出的平均功率，从而达到控制温度的目的。
本发明的有益效果是：工作过程中因L0电感量大小的变化，主电路的谐振频率会发生很大的变化，控制电路对主电路的谐振频率进行检测，并对此频率变化进行快速跟踪，实时调节主电路的输出频率和占空比，来实现高效的单管谐振感应加热工作；或者通过检测温度等物理量来调节控制电路输出的开关频率和占空比，使主电路输出的平均功率得到调整，从而达到控制温度等物理量的目的。
附图说明
图1为本发明的主电路示意图；
图2为本发明的工作波形示意图；
图3为本发明实施例3的主电路示意图；
图4是采用单片机构成的控制电路示意图。
具体实施方式
以下所述仅是本发明的优选实施方式，保护范围并不仅局限于该实施例，凡属于本发明思路下的技术方案应当属于本发明的保护范围。同时应当指出，对于本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
实施例1
工作过程中，电流的谐振频率f0满足公式(1)的关系。因LO的电感量因被加热工件的有无或不同会变化很大，由公式(1)可以看出，f0也会变化很大，在金属工件感应加热过程中，随着L0电感量大小的变化，主电路的谐振频率会发生很大的变化，控制电路对主电路的谐振频率进行检测，对此频率变化进行快速跟踪，实时调节主电路的输出频率和占空比，来实现高效的单管谐振感应加热工作。
如图1所示，本发明是在直流电源上接入了一个他激谐振电路。该谐振电路包括电感L1、电容C0、电感L0和电阻R0，且电感L1、电容C0、电感L0和电阻R0在直流电源的正极输出端经依次串联连接到直流电源的负极输出端，功率器件V和二极管D反并联，功率器件V的正端连接到串联的电感L1与电容C0之间的连接节点上，功率器件V的负端连接到直流电源的负极输出端，从而构成主电路，功率器件V的控制极通过驱动电路连接到控制电路。
具体控制过程是：单管谐振电路工作时，将被加热工件置于其感应线圈中或其附近，控制电路以一定频率和占空比通过驱动电路对功率器件V实施通断控制，使串联在直流电源主电路中的电感L0和电容C0产生串联谐振，其中电感L0包括感应线圈电感和匹配电感，且随着被加热工件的不同，其电感量变化很大，通过对输出频率进行检测，对电流的谐振频率进行频率跟踪控制，高频谐振电流流过主电路中的电感L0和等效负载电阻R0，使工件被加热。
本发明的具体谐振工作过程是：控制电路控制功率器件V导通时，电感L1储能，原已储存了能量的电容C0通过功率器件V和等效负载电阻R0与电感L0发生谐振，形成谐振电流；电感L0与电容C0的串联谐振特性，又使得在谐振电流过零后会产生反方向的谐振电流，而这个电流会通过续流二极管D提供的续流通路而流通。在续流二极管D续流期间，只要控制电路关断功率器件V，当续流二极管D中的电流降到零时，这个谐振过程即告结束。功率器件V关断后，电感L1中储存的能量转移到电容C0中，为下一次谐振做好准备。这样，控制电路重复地控制功率器件V的导通和关断，即可在主电路输出回路中的电感LO和等效负载电阻R0上流过正负交变的谐振电流，此高频谐振电流使位于电感线圈中或附近的工件被加热。
在续流二极管D的续流期间关断功率器件V，即可获得理想的谐振电流。如果在续流二极管D续流之前或之后关断功率器件V，则单管谐振电路即使能够工作，谐振电流的波形有可能会发生畸变，严重时会导致该单管谐振电路不能正常工作。
在图2所示的本发明的谐振工作波形示意图中，uGE为功率器件V的驱动信号，i1为电感L1中的电流波形(电流的假定正方向见图1中箭头的指向)，i2为流过电感线圈的电流波形，即主电路真正做功的输出电流的波形，i3为谐振电流，其正半部分是流过功率器件V的电流波形，i3的负半部分是流过续流二极管D的电流波形。三个电流的相互关系为：i2＝i1-i3。对功率器件V实现连续的通断变换，由此实现了持续的谐振工作过程。
实施例2
如图2的波形示意图所示，在负载基本恒定的电磁炉等设备的感应加热过程中，本发明的控制电路通过检测某监测点的温度调节其输出的开关频率T(T＝t1+t2)和占空比t1/T，即调节感应加热设备谐振电流每次出现的时间，使该设备输出的平均功率得到调整，从而达到控制温度的目的。负载基本恒定——L0基本不变，一般是固定功率器件V的导通时间t1，调节功率器件V的关断时间t2，从而调节了控制电路输出的开关频率T。或者也可以通过控制驱动信号间歇通断的方式调节该设备输出的平均功率，从而达到控制温度的目的。
实施例3
如图3所示，本实施例的控制电路结构与实施例1(见图1)的相同，区别是在主电路谐振电路的前端增加了由电感L2和电容C1组成的低通滤波器。这是由于电感L1中的电流i1的波动较大(见图2(b))，可能会对给单管谐振电路供电的直流电源造成冲击影响，加入了由电感L2和电容C1构成的二阶低通滤波器后，就能有效地减少直流电源输出电流的波动，使单管谐振电路的运行更稳定。所添加的由电感和电容构成的低通滤波器，可以是一组，也可以是若干组串联连接；可以是电感和电容构成的二阶低通滤波器，也可以是其他形式的低通滤波器。
本实施例的谐振工作过程与实施例1和实施例2的相同。
如图4所示，本发明给出了采用单片机构成的单管谐振电路的控制电路结构示例。在本实施例中，集成电路芯片STM32F103作为脉宽调制电路的主体。通过对主电路中相关电流、电压以及温度等物理量的检测，可以实时测算出主电路中电流的谐振频率，实现快速有效的频率跟踪控制，在保证加热电源稳定运行的同时，还能对加热电源实施可靠的过压、欠压、过流、短路和过温等保护。如果在控制电路中增加通信模块，还可进行加热电源与外部的通信，或与监控后台的通信，实现智能化的监控功能。
本发明的谐振电路在实施例1、实施例2和实施例3的工作过程中，可以根据设定参数或加热电源的运行状态，通过调整施加到功率器件V的通断频率，随时改变主电路中谐振电流的大小，这更有利于单管加热的智能化。
串联谐振的谐振周期主要取决于电感L0和电容C0，而C0是主电路中用于产生谐振的外配元件，其电容量不变。在某一实际运行的单管加热过程中或其某一个时间段，一般情况下电感L0的电感量变化不大，即该单管加热谐振一次的周期变化不大，因此，固定功率器件V的导通时间t1，就可以保证控制电路在二极管D续流期间关断功率器件V(见图2)，改变功率器件V的关断时间t2，也就相应调整了谐振电路的控制周期T(T＝t1+t2)。而控制周期T的增大，单位时间内谐振电流的个数就减少，流过主电路中等效负载电阻R0的电流有效值也就相应减少。反之，控制周期T减少，单位时间内谐振电流的个数增加，流过主电路中等效负载电阻R0的电流有效值也就相应增大。
当直流电源的供电电压偏离其额定值一定范围时，或者主电路的输出电流偏离其设定值一定范围时，通过调整控制周期T，同样能使单管谐振电路的输出功率或加热温度维持在设定值条件下的正常运行。
这种单管谐振电路的谐振工作过程与实施例1的相同。
为本发明主电路和控制电路供电的直流电源，一般可由交流电经整流滤波得到，还可以由发电机等其他能源转换得到，也可以由蓄电池等直流电源供电。
控制电路为脉宽调制电路，其可以是硬件电路，也可以是以单片机为核心的电路。功率器件V可以是三极管、MOS管、IGBT或晶闸管SCR等开关型功率器件。为控制电路供电的低压直流电源可以由开关电源得到，也可以通过DC-DC等电路得到。
图1或图3中串联的电容C0、电感L0和电阻R0的位置变换不影响本发明的实施，同样在本发明的保护范围之内。本发明除可用于感应加热外，还可用于其他用途，同样在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种单管谐振感应加热电路，其特征在于，包括电感L1、电容C0、电感L0和电阻R0，且电感L1、电容C0、电感L0和电阻R0在直流电源的正极输出端经依次串联连接到直流电源的负极输出端，功率器件V和二极管D反并联，功率器件V的正端连接到串联的电感L1与电容C0之间的连接节点上，功率器件V的负端连接到直流电源的负极输出端，从而构成主电路，功率器件V的控制极通过驱动电路连接到控制电路。
2.根据权利要求1所述的一种单管谐振感应加热电路，其特征在于，所述电感L0包括给工件等物体加热的感应线圈电感和匹配电感，且随着被加热工件的有无和不同，其值变化很大。
3.根据权利要求2所述的一种单管谐振感应加热电路，其特征在于，所述电阻RO为工件加热所需电流折合到主电路中的等效负载电阻，所述电容C0为谐振电容。
4.根据权利要求3所述的一种单管谐振感应加热电路，其特征在于，所述控制电路为脉宽调制电路。
5.根据权利要求4所述的一种单管谐振感应加热电路，其特征在于，所述直流电源的正极输出端与负极输出端之间连接有低通滤波器。
6.根据权利要求1-5所述的一种单管谐振感应加热电路，其控制特征在于，在金属工件感应加热过程中，随着L0大小的变化，主电路的谐振频率会发生很大的变化，控制电路对主电路的谐振频率进行检测，并对此频率变化进行快速跟踪，实时调节主电路的输出频率和占空比，来实现高效的单管谐振感应加热工作。
7.根据权利要求6所述的一种单管谐振感应加热电路的控制方法，可以通过检测主电路输出电流i2或谐振电流i3的过零点来计算出主电路的谐振频率，从而实现对此频率变化的快速跟踪。
8.根据权利要求6-7所述的一种单管谐振感应加热电路的控制方法，控制电路在已计算好的特定时刻给出主电路的驱动信号uGE，主电路的功率器件V导通，流过谐振电流i3，i3变为负值后，续流二极管D导通，直至i3谐振电流变为零；只要在谐振电流i3为负(即二极管D续流)期间关闭主电路功率器件V的驱动信号，i3从负向变到零后，i3支路即关断，等待下一次的驱动信号。即用此种控制方法，控制电路每给出一次驱动信号，主电路就输出一次谐振电流，完成一次谐振工作过程。
9.根据权利要求1-5所述的一种单管谐振感应加热电路的控制方法，其控制特征是，在负载基本恒定的电磁炉等设备的感应加热过程中，本发明的控制电路通过检测某监测点的温度，调节其输出的开关频率和占空比，即调节感应加热设备输出谐振电流每次出现的时间，使该设备输出的平均功率得到调整，从而达到控制温度的目的；或者也可以通过控制驱动信号间歇通断的方式调节该设备输出的平均功率，从而达到控制温度的目的。
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