串聯(lián)諧振逆變器的功率調(diào)節(jié)方式

1引言

  由圖1可以得出逆變器的輸出功率表達(dá)式(0.1)，可以看出在負(fù)載一定的情況下，輸出功率的大小是由Ud和大小決定的。其中Ud為輸入直流電壓的幅值，f為負(fù)載的功率因數(shù)角。從而可以將串聯(lián)諧振逆變器的功率調(diào)節(jié)方式分為兩種：

a.直流調(diào)功：通過調(diào)節(jié)輸入的直流電壓的幅值來調(diào)節(jié)輸出功率。

b.逆變調(diào)功：通過調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率來調(diào)節(jié)負(fù)載功率因數(shù)，或調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值大小(調(diào)節(jié)占空比)來調(diào)節(jié)輸出功率。

2 直流調(diào)功

  直流調(diào)功也叫調(diào)壓調(diào)功，它是通過調(diào)節(jié)整流電路輸出電壓的大小來調(diào)整負(fù)載功率，負(fù)載通過鎖相措施保證工作在諧振或者接近諧振的工作頻率處。調(diào)節(jié)整流輸出電壓的方式有兩種：一種是采用晶閘管三相全控橋整流進(jìn)行調(diào)壓；另種是采用三相不控整流后用斬波器進(jìn)行調(diào)壓。

2.1 晶閘管三相全控橋整流進(jìn)行調(diào)壓

  這種方式主要通過控制晶閘管（注：晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個(gè)極：陽極，陰極和門極； 晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。）導(dǎo)通角來控制整流輸出電壓值。這種方式電路簡單成熟，控制方便。主要缺點(diǎn)是在深控下網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，換流過程中電流容易出現(xiàn)畸變。

晶閘管整流調(diào)功的感應(yīng)加熱電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖 2，與逆變側(cè)不同的是，整流部分采用六只晶閘管組成的晶閘管相控整流橋。

2.2 三相不控整流加斬波器進(jìn)行調(diào)壓

  感應(yīng)加熱電源中的直流斬波調(diào)功方式的調(diào)功原理如圖 3所示。

前端是由六只二極管組成的三相不可控整流器，輸出的直流電壓Ud經(jīng)過電容C1濾波后送入由開關(guān)管VT、續(xù)流二極管D2、濾波電感Lo和濾波電容Cd 組成的斬波器，調(diào)節(jié)VT 的占空比，逆變器得到的電壓就在0~Ud之間任意的電壓值。這種方式可以獲得較高的功率因數(shù)，但是開關(guān)管VT 是工作在硬開關(guān)方式，開關(guān)損耗較高，對(duì)開關(guān)器件的要求比較高。由于電路中電感的存在，將使開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)承受更高的電壓，而器件的開關(guān)頻率較高有利于減小濾波電路中儲(chǔ)能元件的體積。

這種方式具有網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，保護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。但由于DC/DC變換環(huán)節(jié)的加入，電源的整機(jī)效率和可靠性將會(huì)降低。

3 逆變調(diào)功

  常見的逆變調(diào)功方法主要有脈沖頻率調(diào)制法（PFM）、脈沖密度調(diào)制(PDM)、脈沖寬度調(diào)制法(PWM)等等。

3.1 脈沖頻率調(diào)制法(PFM)

  PFM方法采用不控整流得到直流電壓，通過改變逆變器輸出電壓的頻率來改變負(fù)載的功率因數(shù)角f，從而調(diào)節(jié)輸出功率的大小。

輸出功率的表達(dá)式如(0.1)所示，其中f的表達(dá)式如(0.2)所示。根據(jù)表達(dá)式(0.1)和0.2)可以看出改變w就可以改變輸出功率，而w則是由系統(tǒng)的開關(guān)頻率所決定的。因此改變逆變器輸出電壓的頻率就可以調(diào)節(jié)輸出功率的大小。

從圖 4中可以看出，負(fù)載功率在諧振點(diǎn)頻率0f處時(shí)是最大的，而偏離這個(gè)諧振頻率時(shí),負(fù)載功率都會(huì)降低。

PFM方式大優(yōu)點(diǎn)是簡化了設(shè)備，降低了成本，調(diào)頻部分實(shí)現(xiàn)起來也比較簡單。但是它也存在著一些難以克服的缺點(diǎn)。具體表現(xiàn)為以下3點(diǎn)：1、由于整流一般采用不控整流。這就要求逆變開關(guān)元件承受較高的浪涌電壓或浪涌電流，這對(duì)逆變開關(guān)元件不利的：2、如果負(fù)載在加熱過程中的參數(shù)變化比較大，那么負(fù)載工作頻率可能會(huì)在一個(gè)相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)變化，負(fù)載適應(yīng)性差。工件頻率在功率調(diào)節(jié)過程中不斷變化，導(dǎo)致集膚深度（注：導(dǎo)體中電流密度減小到導(dǎo)體截面表層電流密度的1/e處的深度。）也隨之改變，這在要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合中是不允許的：3、在高頻的工作場(chǎng)合，如果采用調(diào)頻調(diào)功，由于沒有對(duì)負(fù)載工作的相位角給出恒定的控制，在低功率輸出時(shí)，負(fù)載功率因數(shù)較低，逆變開關(guān)元件承受較大的無功能量交換。但是由于PFM控制方法實(shí)現(xiàn)起來非常簡單，在以下情況中可以考慮使用它：l:如果負(fù)載對(duì)工作頻率范圍沒有嚴(yán)格限制，相位差可以存在而不必處于近諧振工作狀態(tài)；2:如果負(fù)載的Q值較高，或者功率調(diào)節(jié)范圍不是很大，則較小的頻率偏片就可以達(dá)到調(diào)功的要求?？偠灾?，在要求嚴(yán)格的情況下，PFM方法不適用。