感應(yīng)加熱電源的負載匹配方案

摘要：分析了串聯(lián)諧振型和并聯(lián)諧振型感應(yīng)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(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱電源；負載匹配；串聯(lián)諧振型；并聯(lián)諧振型

1 概述

隨著電力電子技術(shù)及器件的發(fā)展，固態(tài)感應(yīng)加熱電源已在金屬熔煉、透熱、淬火、熱處理、焊接等行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。對于熱處理行業(yè)的大部分負載來說，感應(yīng)加熱電源設(shè)備須經(jīng)過負載阻抗匹配后才能正常工作。所謂負載阻抗匹配就是為了使電源輸出額定功率，而采取的使負載阻抗等于電源額定阻抗的方法和措施。

    對于一臺電源設(shè)備，其額定電壓UN和額定電流IN取決于電源本身，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(shè)備，只能降額運行，降低了電源利用率，適當?shù)钠ヅ淇梢允闺娫慈�功率運行，保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，減少故障。在實際中，很少有負載阻抗恰好等于電源額定阻抗的情況，負載匹配是感應(yīng)加熱裝置安全可靠經(jīng)濟運行的一個必不可少的環(huán)節(jié)，是感應(yīng)加熱電源負載側(cè)設(shè)計的重要內(nèi)容。

2 負載等效電路分析

感應(yīng)加熱裝置的感應(yīng)器支路可以等效成一個電阻和一個電感串聯(lián)或并聯(lián)的形式[1]，等效的電感、電阻是感應(yīng)器和負載耦合作用的結(jié)果，其值受感應(yīng)器與負載耦合程度的影響。等效感應(yīng)器支路是一個感性負載，功率因數(shù)很低，需加入電容器進行無功補償，補償電容器與感應(yīng)線圈的連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種形式，從而形成兩種基本的諧振電路：并聯(lián)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(tài)感應(yīng)加熱電源一般工作在準諧振狀態(tài)，串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路的特性，見表1。

    從表1可以看出，串聯(lián)諧振電路在諧振狀態(tài)下等效阻抗為純電阻，并達到最小值，并聯(lián)諧振電路在諧振狀態(tài)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(lián)諧振電路采用電壓源供電，并聯(lián)諧振電路采用電流源供電，即電壓源型感應(yīng)加熱電源必須匹配串聯(lián)諧振型負載電路，電流源型感應(yīng)加熱電源必須匹配并聯(lián)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。靜電耦合主要采用無源元件，通過改變電路拓撲結(jié)構(gòu)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(jīng)濟、方便。電磁耦合主要采用匹配變壓器，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 并聯(lián)諧振電路負載匹配方法

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