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感应加热电源控制系统的数字化研究

作者：宋召玲

来源：《中国高新技术企业》2015年第17期

摘要：感应加热电源由于具有诸多优点而在工业中得到了广泛的应用。文章首先介绍了感应加热技术的发展动态，并综述了国内外的研究现状以及发展趋势，阐述了感应加热电源的控制数字化问题的必要性。

关键词：感应加热电源；控制系统；数字化；CPLD/FPGA；可编程逻辑器件 文献标识码：A

中图分类号：TN86 文章编号：1009-2374（2015）18-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.18.014 1 概述

感应加热技术是较为先进的一种技术，它相比传统加热方法有独特的优越性，这项技术的核心内容之一就是感应加热电源的开发。感应加热电源自从应用于工业上以来已历经90多年了，在这段时间里感应加热装置及有关感应加热理论都有了巨大的进步，这些都是由感应加热技术自身的优势决定的：（1）产生的焦耳热多，加热过程无接触损耗；（2）效率高且有益于节能，符合节约能源的时代要求；（3）速度快，金属工件老化程度减小，精度提高；（4）温度调制简便，产品优质化；（5）装置的自动控制增强，劳动成本降低；（6）符合环保的要求，作业过程不会造成环境污染；（7）工序精细，能很好地完成各种工艺要求。

现在，传统的工频感应炉主要应用于低频感应加热场所，在国外，工频感应加热装置达到百兆瓦，主要应用于钢水保温或大型工件的透热。我们可以预测，在较短时间内以固态器件构成的低频感应加热电源在价格、可靠性及功率容量方面还无法和低级的工频感应炉相媲美，即便是它的性能、效率和体积上胜过工频炉。

在中频范围内，传统的电磁倍频器和中频发电机组已完全被晶闸管感应加热装置所取代，在国外晶闸管感应加热装置已达数十兆瓦。

在超音频范围内，自从有了晶闸管后，以晶闸管倍频电路和时间分割电路构成的超音频电源开始大量使用。在20世纪80年代初，新型功率器问世，占据主导地位的主要是以IGBT、BSIT、GTR、MCT、SITH和GTO构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热电源，其中以IGBT应用最为普遍。

在高频领域，能很好地把传统的电子管电源过渡到晶体管全固态电源的有：日本在1987年开发出了1200kW/200kHz的SIT电源；比利时Inducto Elphiac公司生产的电流型MOSFET

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感应加热电源水平可达1MW/15～600kHz；美国Induetorheat公司已经推出2MW/400kHz的MOSFET高频感应加热电源。 2 国内现状

20世纪50年代初，在我国工业生产当中感应加热技术就被广泛使用，晶闸管中频电源在10年后开始研制，截至现在已有系列化产品出现，市场应用前景更为广阔。

在中频（150Hz～10kHz）范围内，旋转发电机基本上被晶闸管中频电源装置所取代，国内生产的中频电源在结构上采用并联谐振逆变器式，所以研制出结构简单、利于多次启动的串联谐振逆变中频电源还需要我们的努力。

在超音频（10kHz～100kHz）范围内，我国从20世纪80年代已经开始，浙大研制了50kW/50kHz的超音频电源。90年代初，国内采用IGBT研制超音频电源。目前，浙江大学已开发出了I00kW/250kHz的电流型感应加热电源，且在电压型电源方面也取得了长足的发展，如50kW/200kHz的产品已经实验通过。

在高频（100kHz以上）领域，SIT器件很少使用，却大量使用电子管。在20世纪90年代浙大研制出并投入使用了20kW/300kHz的MOSFET高频电源；21世纪初江南大学研制出1kW/2MHz的MOSFET超高频电源样机；天津大学和天津高频设备厂共同研制出75kW/200kHz的SIT感应加热电源。

从以上现状来看，国外与国内感应加热电源的水平还存在着差距。 3 感应加热电源控制系统的初期缺陷

感应加热逆变电源最初控制电路是模拟电路，我们知道模拟电路本身有着很多缺点：（1）模拟控制电路主要是电路板和分立元件，就会造成系统的可靠性下降，硬件成本偏高；（2）存在人工调试器件，比如可调电位器，就会造成系统的一致性下降，生产效率降低；（3）电路存在热漂移问题和元器件的老化问题，这都会使感应加热电源输出能力降低；（4）只有对控制系统做更换，产品才能升级换代，如此一来对硬件系统的改进是必不可少的。 4 可编程逻辑器件在感应加热电源中的应用

自20世纪90年代后，随着EDA技术的发展，CPLD/FPGA的应用范围越来越大，和ASIC比较，CPLD/FPGA有开发成本低、开发周期短、无风险、灵活等优点；和DSP处理器芯片比较，处理速度更快。所以CPLD/FPGA更适合电力电子技术的应用，比如实时处理要求较高，在速度上与硬连线方式几乎相同，而且它相比硬连线方式有更多的优点：体积小、开发成本低、设计灵活、集成度 高等。

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目前SOPC技术走在了电子工程技术的最前端，其目的将尽可能大而完整的电子系统（数字通讯系统、嵌入式处理器系统、DSP系统、接口系统、存储电路以及普通数字系统、硬件协处理器或加速器系统等）在大规模FPGA的单片系统中实现，让设计的电路系统在可靠性、性能指标、规模、体积、上市周期、功耗、硬件升级、产品维护及开发成本等多方面都更完善，所以在电力电子技术的控制中应用CPLD/FPGA，就可以较好地满足功率开关器件高速开关控制的要求，也可以使电力电子装置对选用的控制器在速度、成本、设计的灵活性等方面的高要求得到较大的满足，而感应加热电源作为一种电力电子系统亦可吸收利用此技术，以提高自身的性能。

从国内外感应加热电源的频段分布结构可以看出，对10～100kHz这一频段，由于SCR工作频率低，体积大而无法适应市场需要，近年来，特别是步入21世纪以来，随着新型电力电子器件IGBT（绝缘栅场效应管）的出现和不断完善，使它成为10～100kHz这一空白频段的最佳器件，它被广泛应用于熔炼、焊接、热处理、锻造等加热加工领域，具有良好的发展前景。现在刚研制出来的以IGBT为功率开关器件的超音频电源，其控制性能还很不理想，然而在国内对此频段的感应加热电源的需求量又特别大，为此怎样去提高固态超音频感应加热电源的控制水平是当务之急。

在超音频（10～100kHz）数字化控制中，随着大规模集成电路技术和EDA技术的高速发展，可编程片上系统设计技术这样一种设计理念日益广泛应用于各种电子系统的设计中，基于这样的技术发展背景，推出了大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA，更进一步推动感应加热电源数字化控制进程的步伐，它能很好地满足电源装置对选用的控制器在速度、成本、设计的灵活性等方面越来越高的要求。 参考文献

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[4] ??钱照明，陈辉明，吕征宇.电力电子器件的最新发展[J].电气时代，2001，（5）. [5] ??李现兵，师宇杰，王广州，等.浅谈现代电力电子器件的发展[J].电力电子，2005，3（3）.

作者简介：宋召玲（1976-），女，山东济宁人，济宁技师学院讲师，硕士。 （责任编辑：周 琼）