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感應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。1 概述
隨著電力電子技術(shù)及器件的發(fā)展，固態(tài)感應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用。對于熱處理行業(yè)的大部分負載來說，感應加熱電源設備須經(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β蔬\行，保證設備正常運轉(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)，是感應加熱電源負載側(cè)設計的重要內(nèi)容。
2 負載等效電路分析
感應加熱裝置的感應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、電阻是感應器和負載耦合作用的結(jié)果，其值受感應器與負載耦合程度的影響。等效感應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，即電壓源型感應加熱電源必須匹配串聯(lián)諧振型負載電路，電流源型感應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
并聯(lián)諧振電路等效阻抗ZD=L/RC，改變等效電路中的電容、電感、電阻的值都能改變阻抗，這一特性使并聯(lián)諧振電路的阻抗匹配更加靈活。
3.1.1 匹配電容元件
根據(jù)電容元件加入的位置不同，可以分為以下3種方法，分別示意在圖2、圖3及圖4。
圖2等效阻抗ZD=L/RC，其中C=C1＋C2＋C3，通過開關的開、合可以改變電容值，從而改變負載電路等效阻抗，此法簡單易行，是實踐中常用方法之一，但屬于有級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)時要求斷電。另外，C的變化會引起電路諧振頻率發(fā)生變化，負載諧振頻率受工藝要求限制，當頻率超出范圍時應配合匹配電感的方法來抵消頻率的變化。注意，所有匹配方法都應考慮頻率的變化，處理方法類似，以后不再敘及。
圖3等效阻抗ZD=LCs/〔RC(C＋Cs)〕，可見加入Cs后，阻抗成Cs/(C＋Cs)倍變化，可使原來的等效阻抗變小，適用于阻抗相對電源來說高的負載。
圖4是串并聯(lián)負載電路，電路仍工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)，工作情況與并聯(lián)諧振電路類似，Cs的加入使容性阻抗增加。該電路優(yōu)點是啟動容易，通常作為晶閘管感應加熱電源的起動電路，單純作為負載匹配措施則較少使用。
3.1.2 匹配電感元件
一般分為兩種情況，分別如圖5及圖6所示。以上兩種電路形式是通過加入可變電抗器改變感應線圈支路的電感，進而改變等效阻抗值，
圖5串聯(lián)電感的方式只能增加感應器支路的電感，圖6的連接方式可以增大支路電感，也可以減小支路電感。由于并聯(lián)諧振屬于電流諧振，并聯(lián)支路中流過諧振電流，達到電源電流的Q（Q=ω0L/R）倍，諧振電路等效電感增加會增加銅損。
感應加熱電源負載匹配方法中利用電感匹配的方法可以歸納為以下幾種。
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