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一种高频串联谐振感应加热电源系统的控制与仿真

前言: 

最近看到一位群友在聊中频感应加热电源,听他说这种东西利润非常可观,搞一台顶我们搞普通电源几十台,所以我不禁去看了下这方面的资料。由于本人并未从事感应加热行业,也无实际项目和工作经验,所以下文全上基于本人的理论推测和分析,如果与实际项目或产品有出落,请各位帮忙指点,谢谢。

我首先搜到是这一张系统实现原理,可见拓扑框架为:

很明显,这是一个串联谐振变换器(SRC),输出侧直接用高频变压器隔离和调压,产生高频正弦电流,正弦电流在线圈中产生交流磁场。线圈中的被加热器件,因为磁滞损耗和涡流损耗消耗了感应线圈中感应出的磁场功率,从电路的角度可以简单的等效为电阻性损耗来分析,更多具体的或者更详细的磁损耗和感应加热的理论分析,我后了研究了有了进展后再来补充。或者简单的把这个当电磁炉来看待就好,根据加热器件的磁损特性和所需的温升以及穿透深度可以来对系统负载电阻R来进行计算和建模。这个电阻还是很重要,因为SRC的输出能否满足设计需求,上需要考虑系统的Q值,也就是这个负载电阻能影响串联谐振的最大功率点输出。我们搞LLC的都会了解这么一个系统参数设计方法,所以这里略过。   这种高频隔离串联谐振感应加热系统的工作频率为30~100KHZ,功率为5~100KW,三相电压输入,不控整流,所以串联谐振的原边输出电压最高约为500VAC(峰值),需要需要对输出电压进行调节是可以利用高频变压器的匝比来进行设计。另外一点也引出了串联谐振系统的功率控制方法。这里我先提出我的两个思考点,其一SRC为了实现最高的功率输出和最佳效率,需要把工作点固定在谐振频率上,因此工作起来之后SRC的工作频率上固定的。其二为了实现对输出AC幅值进行调节,需要改变直流母线的电压。因此我认为在SRC的前面还会串联一级非隔离的BUCK变换器。该级BUCK变换器用来一方面用来控制直流母线的电压,一方面用来限制SRC的输出功率。BUCK变换器可以通过电感电流和输出电压的双闭环方式来做,能同时实现恒压和恒流的效果,而且控制成熟可靠,再通过串联SRC来实现对不同功率的感应加热进行功率闭环控制。  另外为了匹配不同的感应加热负载,或者说满足客户的定制化需求,谐振电容或谐振电感两者其中一个会设计为可调节器件,从难易程度来看。固定谐振电感通过调制谐振电容器能更容易实现这种满足客制化的需求,另外变压器的匝比引入后也能扩大SRC的输出AC电压的幅度调整范围。  

闭环控制的考虑:

  1.   SRC直接定频开环,启动靠BUCK来实现软启动
  2.   BUCK电感电流双闭环,实时调整流入直流母线的功率
  3.   控制精度和采样精度的考虑

闭环控制模型:

负载侧输出AC:

BUCK侧:

小结:简单的分析了串联谐振感应加热系统的实现和控制仿真,如果有错误恳请行业大佬们帮忙指正,谢谢。

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