利用SG3525实现调频控制的感应加热电源

利用 SG3525 实现调频控制的感应加热 电源
1.引言 1.引言: 引言 感应加热技术具有加热温度高、加热效率高、速度快、加热温度容易控制、易于实现机 械化、自动化、无空气污染等优点,现在感应加热电源已广泛用于金属熔炼、透热、热处理 和焊接等工业过程。 根据功率调节量的不同感应加热电源有多种调功方式, 调频调功是通过改变逆变器工作 [1] 频率从而改变负载输出阻抗以达到调节输出功率的目的 。这种调功方式控制比较简单,可 以对电路的工作频率进行直接控制, 而且能对功率连续调整。 本文正是基于调频调功这种方 式,由 PWM 控制芯片 SG3525 控制实现的加热电源。 2.主电路拓扑结构和控制原理: 2.主电路拓扑结构和控制原理: 主电路拓扑结构和控制原理 主电路结构: 2.1 主电路结构: 本文设计的感应加热电源为串联谐振式全桥 IGBT 逆变电源,其逆变主电路结构如图 1 所示。输入采用三相 AC/DC 不控整流,输出采用负载串联谐振式全桥 DC/AC 逆变电路。整流 输出的电压经高压大电容 C1 滤波,逆变器主开关器件 Q1、Q2、Q3、Q4 为 IGBT,D1、D2、D3、 D4 为反并联二极管。

图1 2.2 控制原理

主电路结构图

调频控制的原理就是: 通过改变逆变器开关频率来改变输出阻抗以达到调节输出功率的 目的。串联谐振等效电路图如图 2 所示。

图 2 负载等效电路图

负载等效阻抗为 Z=1/jωC +jωL+R ;则|Z|= ,其中 f=1/(2π

=

)谐振频率。f=f0 时,负载等效阻抗最小,|Z|

=R,此时功率输出最大;f >f0 时,负载呈感性,且频率越大感抗越大,功率减小;f<F0 时, [2] 负载呈容性,且频率越小容抗越大,功率减小 。。图 3 为负载功率随频率变化的曲线(图 中 f0 为负载谐振频率;f 为负载工作频率;P0 为负载谐振状态下的功率;P 为负载工作时 的功率。

图 3 负载功率虽负载工作频率变化的曲线 3 控制电路设计 3.1 SG3525 简介

SG3525 是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成 PWM 控制芯片。其输出驱动 为推拉输出形式,增加了驱动能力;内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM 锁存器; [3] 有过流保护功能;频率可调,同时能限制最大占空比 。 3.2 控制电路设计 控制电路原理框图如图 4 所示,控制电路采用负载电流闭环控制。正常工作时,负载电 流跟踪电流给定值, 经过 PI 调节器产生电压信号, 该电压信号控制 3525 改变驱动频率从而 改变负载电流频率, 使负载电流跟踪电流给定。 为了防止开关器件换流开通时造成较大的尖 峰电流, 控制逆变器开关工作频率略大于负载固有谐振频率, 为此在控制电路中还增加了相 位限制电路,以保证加热电源工作在弱感性状态。

图 4 控制电路原理图 3.2.1 电源的启动 电源稳态运行时的状态和启动时是不同的, 在电路刚启动时, 希望负载的工作功率从小 [4] 软启动的实现是通过缓慢调整负载工作频率来实现的, 到大逐渐增大, 这样就需要软启动 。 具体电路如图 5 所示。

图 5 电源启动电路图 3525 形成的控制脉冲信号频率 f 由下式决定:f=1/ CT*(0.7*RT+3*RD) ;式中 CT 是 5 脚 上的连接电容, RT 是 6 脚上的连接电阻,RD 是 5 脚和 7 脚之间的连接电阻。通过改变 6 号 脚的电流大小,实际上就等效于改变 RT 的大小,由公式可知, 这样就也就调节了 SG3525 输出的控制信号频率。 如图 5 所示,当三极管 T 导通时,电容 C 接地,这时 6 号脚电流最大,输出的控制信号 频率最高,功率最小;当 T 由导通变为截至时,电容 C 开始充电,流经 6 号脚的电流开始减 小,频率降低,输出功率开始增大,这样就实现了电源的启动。 3.2.2 相位限制 图 6 为相位限制电路,3525 输出的两路电压驱动信号与电流反馈信号进行相位比较, 当提前检测到负载电流超前负载电压时,输出同步信号送 3525 的 3 号脚,这时强制使驱动 脉冲关断,从而保证负载工作在弱感性状态。 3.2.3 PI 调节电路 控制电路是以负载电流作为反馈量的, 通过改变电流给定值可以改变负载电流, 从而实

图 6 相位限制电路 现功率调节。当负载电流小于电流给定时,PI 调节电路输出电压增加,3525 的 6 号脚 电流减小,频率减小,功率增大,负载电流增大;反之,当负载电流大于电流给定时,PI 调节电路输出电压减小,3525 的 6 号脚电流增大,频率提高,功率减小,负载电流减小。 图 7 为 PI 调节电路

图 7 PI 调节电路 4.实验结果 4.实验结果

基于以上理论分析和控制电路的设计,设计了一台 50KHZ/30KW 的感应加热电源实验样 机。图 8a 为 Q1(Q4)的驱动电压和输出电流波形,图 8b 为 Q2(Q3)的驱动电压和输出电 流波形。从图中可知输出电流为标准正弦波,且保持连续,同时两路驱动脉冲信号超前负载 电流,表明实测结果与理论设计的要求相符合。

a.

输出电流和 Q 1(Q4)驱动电压波形

b. 输出电流和 Q2(Q3)驱动电压波形

图 8 负载工作在 52K 时的波形图 6.结论: 6.结论: 结论 实验表明,利用 SG3525 设计的调频控制的感应加热电源电路结构简单,工作可靠,输 出电流波形好。 根据 SG3525 的特点设计的启动电路和 PI 调节电路设计新颖, 能够实现加热 电源的可靠启动和负载功率的连续调节。


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