引 言

　　傳統的注塑機加熱方法是利用電阻絲加熱，這種方法的特點是通過熱傳遞加熱，熱量損耗大，熱效率低。中頻感應加熱技術是利用被加熱工件在交變磁場中產生的渦流進行加熱，使得在感應磁場范圍內的工件溫度急速上升，達到快速加熱的目的。該技術的特點是：溫控區精確、熱量損耗小、熱效率高、加熱時間短、功率密集和容易控制，節約電能。

　　1 橋感應加熱主電路拓撲結構及控制原理

　　1.1 主電路拓撲

　　本文所述中頻感應加熱電源采用交—直—交的變頻原理，三相50Hz的正弦交流輸入電壓經過整流濾波為540V平滑直流電壓，再經逆變器將直流電壓變成不同頻率的交流電壓供負載使用。本文采用半橋串聯諧振逆變結構，與全橋串聯諧振相比，簡單可靠。

　　半橋感應加熱電源為串聯諧振型逆變電源，其主電路結構如圖1所示。輸入采用三相AC/DC不可控整流，輸出采用半橋逆變電路，負載回路采用LC串聯諧振電路。

　　圖1中，C1、C2是高頻無感電容，R1、R2是均壓電阻，保證C1、C2兩端電壓相等。當功率管VT1導通時，VT1、L、R、C2與直流母線構成回路，L與C2發生串聯諧振，電流方向如圖所示；當功率管VT2導通時亦然，電流方向相反。通過控制電路輸出交替的驅動波形，驅動功率管VT1、VT2交替導通，在LC串聯負載兩端產生交流電壓，負載中流過交變電流，線圈L中鐵質工件在交變電流感應的交變磁場內產生渦流而發熱。

　　1.2控制原理

　　調頻調功（PFM）是通過改變開關頻率倆改變負載功率的控制方式，在LCR串聯諧振中，在負載等效參數R、L和C一定的情況下，串聯諧振的等效電路如圖2所示。

? ? ? ? 由式（4）可知，負載的等效阻抗隨著負載電流的頻率f變化，其變化曲線如圖3所示。當負載電壓一定時，負載的電流頻率越偏離負載諧振頻率f0，等效阻抗越大，輸出的功率越小。當f=f0時，負載等效阻抗最小，即|Z|=R，此時負載的功率最大；f》f0時，負載等效阻抗呈感性，且頻率越大感抗越大，輸出功率越小；f《f0時，負載等效阻抗呈容性，且頻率越小容抗越大，輸出功率越小。串聯諧振負載功率分布特性曲線如圖4所示

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　　圖4說明通過改變負載電流頻率即可改變串聯諧振負載回路輸出功率。發生串聯諧振時，負載輸出功率最大，為了避免工作點滑向容性諧振狀態，導致開關器件換流開通時造成較大的尖峰電流以及續流二極管反向恢復引起的橋臂直通，控制逆變器開關工作頻率略大于負載固有諧振頻率f0，以保證加熱電源LRC負載回路工作在弱感性諧振狀態。

　　2 SG3525的功能特點

　　SG3525是美國半導體公司生產的一種功能齊全、通用性強的單片集成PWM芯片。采用恒頻脈寬調制方案，適用于多種開關電源的控制。如圖5所示，內部集成了振蕩器、PWM比較器、誤差放大器、欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、基準電壓產生電路，頻率可調，同時能限制最大占空比，并且其輸出為推拉輸出形式，增加了驅動能力。其突出的特點是：

　　（1）頻率可調，改變引腳5外接電容CT、引腳6外接電阻RT以及引腳5和7之間的電阻RD來調節芯片的PWM輸出頻率，即

　　（2）具有PWM脈沖信號鎖存功能，當引腳10的電壓大于2.5V時，可以及時封鎖脈沖輸出，防止出現過壓過流等故障。

　　3 控制電路設計

　　3.1 控制電路的組成

　　控制電路框圖如圖6所示。采用SG3525更容易地實現了調頻調功，解決了不同注塑機料筒加熱直徑變化造成負載諧振頻率不匹配且功率不穩定的問題。其中，由單片機給出負載電流給定，通過PI調節器產生電壓信號，通過該電壓信號控制SG3525調節驅動電路的頻率，從而改變負載電流的頻率，使負載電流與給定電流大小一致，即改變負載回路的等效阻抗。保護電路通過單片機控制SG3525輸出PWM信號，有過壓、過流、過熱等故障時，關閉PWM輸出。單片機采樣電壓、電流、頻率和溫度等信號，通過顯示器顯示，鍵盤操作可以設定加熱模式及溫度。

　　3.2 故障保護電路

　　為了使感應加熱電源能在惡劣的工業現場以及突發故障情況下安全可靠地工作，本文在實際電路設計中，利用SG3525的特性，設計了過壓、過流等保護電路。

　　過壓保護電路如圖7所示。其中，LM393所設定的電壓值與通過采樣的直流母線電壓比較，當電壓高于所設定的電壓時，運放輸出低電平，保護電路切斷驅動電源。

　　過流保護電路如圖8所示。通過霍爾電流傳感器采樣的負載電流所對應的電壓信號與所設定的過流保護動作對應的電壓比較，當負載電流大于設定保護動作電流時，保護電路切斷驅動電路電源。

　　3.3 功率調節電路

　　控制電路以負載電流作為反饋量，通過改變電流給定值可以改變負載電流，從而實現功率調節。

　　SG3525引腳6的電位在頻率變化過程中幾乎不變，保持在3.5V左右，故設計功率調節電路如圖9所示。

　　功率調節是以負載電流作為反饋量的，通過電流閉環控制改變電流給定值，則可以改變負載電流，從而實現功率調節。

　　電路工作原理是：負載回路電流經過霍爾電流傳感器取樣整流，經過信號調理輸出一個電壓信號Ua；Ua與電流給定信號Ub進行加法運算，經過PI調節產生-3V～0V的電壓Uc。Uc反相后產生0~3V的電壓信號Ud。SG3525引腳6固定輸出的3.5V電壓與Ud的電壓差加在RT上，改變Ud大小即改變流過RT的電流，從而改變SG3525振蕩電容的振蕩頻率，改變SG3525的輸出頻率。當負載電流大于電流給定時，PI調節器使Ud電壓降低，3525引腳6電流變大，其輸出頻率增大，負載等效阻抗變大，使負載電流變小；反之，當負載電流小于電流給定值時，SG 3525輸出頻率減小，負載等效阻抗變小，負載電流增大，即實現電流閉環的控制。

　　4 軟件部分

　　電源系統采用單片機實現智能溫度控制和人機交互。通過如圖6所示的電壓、電流、頻率、溫度等采集模塊將信號送入單片機，通過程序設置過壓、過流、過熱等軟件保護。

　　由于注塑機對于進料筒的溫度要求非常嚴格，每一個溫區的溫度誤差要求為±2℃。本文設計的中頻感應加熱電源通過單片機PID算法實現溫度閉環和功率閉環控制，將負載溫度精確控制在±0.5℃。

　　5 試驗結果

　　本文根據調頻調功的控制理論，結合了負載LC串聯諧振式逆變器，研制了20kHz/10kW的中頻感應加熱電源，對注塑機進料筒進行加熱試驗，其功率曲線如圖10所示。

　　從圖10中可知，負載功率隨著驅動頻率的變化而變化，說明了所設計的PI調節器調頻調功的方法是可行的該加熱電源工作在10kW時，功率因數為0.99，其功率管的驅動電壓、功率管的工作電壓和負載電流波形如圖11所示。其中ug是功率管VT1驅動電壓波形，工作頻率f=17.16kHz，uVT1是功率管VT1的電壓波形，io是負載電流。從圖11中可知，輸出電流為標準正弦波，且波形連續，電壓uVT1與負載電流io波形均無尖峰，開關管工作在準軟開關狀態；功率管兩端電壓波形稍稍超前電流波形，這表明串聯諧振回路工作在弱感性狀態，實測結果與理論設計要求相符合。并且對不同直徑的注塑機進料筒加熱時，電源系統能順利實現智能溫度控制和功率控制。

　　6 結束語

　　通過試驗10kW注塑機用感應加熱電源，驗證了本文所設計的工作原理是正確的，所得的結果也是可信和可行的，尤其是所設計的PI調節電路，通過硬件電流閉環和軟件功率閉環，解決了不同注塑機料筒加熱直徑變化造成負載諧振頻率不匹配且功率不穩定的問題；而且將直流母線電壓、負載電流、工作頻率等實時顯示出來，對于了解負載變化等起到一目了然的作用，并且該電源使用、調試方便，易于維修。