感應加熱電源的負載匹配方案

摘要：分析了串聯諧振型和並聯諧振型感應加熱電源的負載電路及負載匹配的重要性，針對不同電源類型對負載匹配方案進行了研究，介紹了多種負載匹配方法。

關鍵詞：感應加熱電源；負載匹配；串聯諧振型；並聯諧振型

1 概述

隨著電力電子技術及器件的發展，固態感應加熱電源已在金屬熔煉、透熱、淬火、熱處理、焊接等行業得到越來越廣泛的應用。對於熱處理行業的大部分負載來說，感應加熱電源設備須經過負載阻抗匹配後才能正常工作。所謂負載阻抗匹配就是為了使電源輸出額定功率，而採取的使負載阻抗等於電源額定阻抗的方法和措施。

對於一臺電源設備，其額定電壓UN和額定電流IN取決於電源本身，為使電源能輸出額定功率，要求有合適的負載阻抗Z=ZN=UN/IN與電源匹配，如果Z≠ZN，電源與負載不匹配，電源利用率就降低。以簡單的直流電壓源為例：電源額定電壓Ud=400V，額定電流Id=400A，額定阻抗|Zd|=1Ω，負載阻抗|Z|=1Ω時，電源輸出額定功率；|Z|=0.5Ω時，輸出電流為I=Ud/|Z|=400/0.5=800A，電源過載；|Z|=2Ω時，輸出電流為I=Ud/|Z|=400/2=200A，電源輕載。圖1可清楚的表明以上所說情況。

圖1中，線1表示負載與電源匹配，線2表示電源重載，線3表示電源輕載。電源與負載不匹配時，為保證不損壞電源設備，只能降額運行，降低了電源利用率，適當的匹配可以使電源全功率運行，保證設備正常運轉，減少故障。在實際中，很少有負載阻抗恰好等於電源額定阻抗的情況，負載匹配是感應加熱裝置安全可靠經濟運行的一個必不可少的環節，是感應加熱電源負載側設計的重要內容。

2 負載等效電路分析

感應加熱裝置的感應器支路可以等效成一個電阻和一個電感串聯或並聯的形式[1]，等效的電感、電阻是感應器和負載耦合作用的結果，其值受感應器與負載耦合程度的影響。等效感應器支路是一個感性負載，功率因數很低，需加入電容器進行無功補償，補償電容器與感應線圈的連接方式有串聯和並聯兩種形式，從而形成兩種基本的諧振電路：並聯諧振電路、串連諧振電路。為了提高效率和保證逆變器安全運行，固態感應加熱電源一般工作在準諧振狀態，串聯諧振電路和並聯諧振電路的特性，見表1。

從表1可以看出，串聯諧振電路在諧振狀態下等效阻抗為純電阻，並達到最小值，並聯諧振電路在諧振狀態下等效阻抗達到最大值，為了獲得最大的電源輸出功率，串聯諧振電路採用電壓源供電，並聯諧振電路採用電流源供電，即電壓源型感應加熱電源必須匹配串聯諧振型負載電路，電流源型感應加熱電源必須匹配並聯諧振型負載電路，這是電源與負載的初次匹配措施。

3 負載匹配方案分析

負載匹配方法主要分為兩大類：靜電耦合和電磁耦合。靜電耦合主要採用無源元件，通過改變電路拓撲結構來改變負載阻抗。這一方法在一定條件下可以省去匹配變壓器，因此更加經濟、方便。電磁耦合主要採用匹配變壓器，通過變壓器變換阻抗特性進行負載匹配。下面針對不同電路形式進行分析。

3.1 並聯諧振電路負載匹配方法

並聯諧振電路等效阻抗ZD=L/RC，改變等效電路中的電容、電感、電阻的值都能改變阻抗，這一特性使並聯諧振電路的阻抗匹配更加靈活。

3.1.1 匹配電容元件

根據電容元件加入的位置不同，可以分為以下3種方法，分別示意在圖2、圖3及圖4。

圖2等效阻抗ZD=L/RC，其中C=C1＋C2＋C3，通過開關的開、合可以改變電容值，從而改變負載電路等效阻抗，此法簡單易行，是實踐中常用方法之一，但屬於有級調節，調節時要求斷電。另外，C的變化會引起電路諧振頻率發生變化，負載諧振頻率受工藝要求限制，當頻率超出範圍時應配合匹配電感的方法來抵消頻率的變化。注意，所有匹配方法都應考慮頻率的變化，處理方法類似，以後不再敘及。

圖3等效阻抗ZD=LCs/〔RC(C＋Cs)〕，可見加入Cs後，阻抗成Cs/(C＋Cs)倍變化，可使原來的等效阻抗變小，適用於阻抗相對電源來說高的負載。

圖4是串並聯負載電路，電路仍工作在並聯諧振狀態，工作情況與並聯諧振電路類似，Cs的加入使容性阻抗增加。該電路優點是啟動容易，通常作為晶閘管感應加熱電源的起動電路，單純作為負載匹配措施則較少使用。

3.1.2 匹配電感元件

一般分為兩種情況，分別如圖5及圖6所示。以上兩種電路形式是通過加入可變電抗器改變感應線圈支路的電感，進而改變等效阻抗值，

圖5串聯電感的方式只能增加感應器支路的電感，圖6的連接方式可以增大支路電感，也可以減小支路電感。由於並聯諧振屬於電流諧振，並聯支路中流過諧振電流，達到電源電流的Q（Q=ω0L/R）倍，諧振電路等效電感增加會增加銅損。

感應加熱電源負載匹配方法中利用電感匹配的方法可以歸納為以下幾種。

――利用帶鐵心的多抽頭電抗器，改變抽頭調節電抗值，屬於有級調節，調節時要求斷電。由於製作工藝上的原因，抽頭的數量受到限制，無法做到?調。

――採用動鐵心電抗器，移動鐵心與線圈的相對位置來改變電抗值，屬於無級調節，調節時無須斷電，可以跟隨負載阻抗的變化，匹配效果好，容易組成穩定感應線圈上的電壓，或恆溫、恆功率自動控制系統，但鐵心動作須經過一套傳動系統，故障率較高，且須建立協調控制模型。

――採用動圈式變壓器的形式，一次線圈與感應線圈並聯，二次側繞組自身短接，移動一次繞組與二次繞組的相對位置，便可以改變一次側的等值電抗，屬於無級調節。變壓器必須採用空心變壓器，一二次繞組相對位置的變化也須經過一套傳動裝置，故障率高，同樣須建立控制模型。

――用磁飽和電抗器作為Lf，通過調節直流激磁電流來改變電抗值，屬於無級調節。該方法無移動、旋轉部件，也無觸點控制，安全可靠，維護工作量小。

――增減感應線圈的匝數。在感應線圈的幾何形狀不變的條件下（感應線圈的長度和直徑不變），感應線圈的電感與其匝數N的平方成正比，當匝數N增減時，感應線圈的電感L和工件的等效阻抗也會相應增減，從而改變負載的等效阻抗。

――改變感應線圈與被加熱工件的耦合情況。感應器與被加熱工件耦合的緊密程度直接影響感應器支路等效阻抗，從而影響諧振電路等效阻抗，但是，當感應器與工件的間隙增大，耦合較松時會降低加熱效率，匹配效果有限。

3.1.3 匹配電阻元件

負載匹配的根本目的是儘量使電源額定功率全部用於工件加熱，也就是提高電源效率的問題，因此，在負載匹配的問題中，應結合有利於提高電源效率綜合進行分析。在電路中加入電阻可方便地使負載阻抗與電源相匹配，但裝置的損耗增加，加熱效率降低，沒有根本解決問題，不是可行的負載匹配方法。

3.1.4 匹配變壓器

利用電磁耦合進行負載匹配是通過變壓器的變阻抗特性實現的，這在感應加熱中非常普遍，採用的電路形式主要有兩種，如圖7及圖8所示。變壓器變阻抗特性以圖7為例說明如下：變壓器副邊電路工作在諧振狀態，等效阻抗ZD=L/RC，通過變比為n:1的變壓器後，變壓器原邊的等效阻抗ZD=n2L/RC（忽略變壓器漏抗的影響），可見阻抗成n2倍變化。

圖7電路中感應器支路所需無功容量由並聯電容器提供，負載電路工作在準諧振狀態，匹配變壓器通過少量無功功率，所需容量較小，匹配變壓器原邊流過電源電流，損耗不大，可以採用鐵心變壓器。圖8電路中，匹配變壓器中既通過有功功率又通過無功功率，所需變壓器容量較大，鐵心變壓器容量受鐵心製造水平限制，在傳輸容量大時難以勝任，所以此電路通常採用空心變壓器，匹配變壓器原邊流過諧振電流，損耗較大。

利用匹配變壓器進行負載匹配時應考慮以下選擇原則。

――空心變壓器易實現大容量化，?合於初級補償，減輕了對C的要求，但隨著電壓、功率的上升，其體積相應增大。鐵心變壓器難以實現大容量化，無功須在次級補償，增加了C的選擇難度。另外，空心變壓器漏感大，變比不等於匝比，在設計中難以掌握，變比較大時實現困難，鐵心變壓器漏感小，變比等於匝比，對於極低的負載阻抗可以做成較大的匝比。

――鐵心變壓器的鐵損正比於頻率的平方，高頻時發熱嚴重，這提高了對變壓器冷卻系統的要求，所以高頻時常採用鐵淦氧磁芯或空心變壓器。

――當負載工作頻率較高時，為保證匹配效率要求匹配變壓器漏抗儘量小，這對匹配變壓器的設計提出了更高要求。

――補償電容C一般放在匹配變壓器高壓側，在提供無功容量一定時，可大大降低電容值，當然，這需綜合考慮所選電路形式、變壓器和電容的市場售價而定。

――為適應多種負載，匹配變壓器應設計成多抽頭變壓器，但抽頭數量受變壓器結構的限制，對負載的調節有限，難以做到最佳匹配。隨著頻率的增加，多抽頭變壓器的設計更加困難。

――隨著銅價的上升，變壓器造價會不斷上升，而電容價格隨著電容生產技術的發展有下降趨勢，另外利用匹配變壓器進行負載匹配須考慮其寄生元件的影響（漏抗、寄生電容），變壓器銅損的存在也會降低電源效率，所以進行負載匹配時應首選靜電耦合方法。

――匹配變壓器可以起到電氣隔離的作用。

3.2 串聯諧振電路負載匹配方法

通過對串聯諧振電路負載特性的分析可知，串聯諧振電路等效阻抗只與等效電阻R有關，改變等效電路中電容和電感值不影響等效阻抗，這一特性大大限制了串聯諧振電路的負載匹配措施。

3.2.1 改變感應器與工件的耦合

在並聯諧振電路匹配電感的方法中已經提到，改變感應線圈與被加熱工件間的耦合程度可以改變等效電阻，此法也適用於串聯諧振電路阻抗匹配。

3.2.2 負載串接

當負載阻抗小時，將數個完全相同的感應線圈和被加熱工件串接起來可以增大負載等效阻抗。

3.2.3匹配電容元件

圖9（a）為匹配電路，該電路仍工作於串聯諧振狀態，即諧振時並聯部分相當於感性負載，圖9（b）為圖9（a）的等效電路，其中可見，Cs的加入影響串聯諧振電路等效電阻，從而影響串聯諧振電路等效阻抗。在一定頻率下負載的感性無功功率一定，工作在諧振狀態的容性無功功率等於感性無功功率，所以要求補償的容性無功功率容量也是一定的，Cs的加入只是分擔了一部分容性無功功率，不會因增加無功功率容量而增加成本。

3.2.4 匹配變壓器

串聯諧振電路受其電路形式的限制，匹配方法單一，所以在實際應用中，串聯諧振電路一般利用匹配變壓器實現負載匹配。利用變壓器進行負載匹配的研究與並聯諧振電路類似，不同的是串聯諧振屬於電壓諧振，匹配變壓器位置不同所承受電壓不同。圖10所示電路中匹配變壓器原邊為諧振電壓，對匹配變壓器絕緣要求較高。而圖11所示電路中匹配變壓器承受電源電壓，可以降低絕緣要求。

4 結語

串聯諧振電路的特性決定改變等效電容和電感值不能改變諧振狀態的等效阻抗，靜電耦合負載阻抗匹配方案中許多不適用於串聯諧振電路，串聯諧振電路一般採用匹配變壓器進行負載匹配。

並聯諧振電路可用靜電耦合和電磁耦合進行負載阻抗匹配，匹配方法靈活，對負載適應性強，這是並聯諧振型逆變電源廣泛應用的原因之一。

利用靜電耦合進行負載匹配是一種簡單、經濟的方法，而利用電磁耦合進行負載匹配也靈活方便，兩種方式各有優勢，在實際應用中，一種匹配方法有時難以滿足多方面要求，為達到最佳匹配，可以將多種方法配合使用。