基于全桥逆变电路的双频感应加热电压信号的产生方法与流程

1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于全桥逆变电路的双频感应加热电压信号的产生方法。


背景技术：

2.感应加热电源利用电磁感应原理，使通以交变电流的线圈内外产生交变磁场，通过交变磁场在被加热物体内产生电涡流实现对工件的加热。由于感应加热技术具有加热效率高、加热速度快、环保节能等优点，被广泛应用于工业生产中。而在工业生产中经常会加热形状不规则工件，例如：钢轨、齿轮、链条等，由于趋肤效应，工件的加热厚度与感应加热电流频率成反比，因此，仅用单一频率电流加热不规则工件，会导致工件受热不均匀，硬化不够容易断裂，使工件在应用中存在较大安全隐患，易引发事故。
3.为解决形状不规则工件的热处理问题，同步双频感应加热技术被提出。同步双频感应加热装置的研究经历了从双逆变器结构到单逆变器结构的发展历程，目前被广泛应用于工业生产中的是双逆变器结构同步双频感应加热装置。双逆变器同步双频感应加热装置同时使用一套高频逆变器和一套中频逆变器，两套逆变器的输出共同连接于感应线圈，实现对工件的双频加热。但双逆变器装置设备冗余，成本高，控制方式复杂，同步实现困难，两逆变器功率耗散不均衡，电磁干扰现象严重，因此目前同步双频感应加热装置的主要研究方向为单逆变器结构装置。
4.单逆变器同步双频感应加热装置的工作方式主要分为两种：一是按照双频输出中的低频频率设置逆变器的工作频率，利用逆变器输出信号的基波和某次谐波作为输出的双频信号，这种方式逆变器的工作频率较低，但逆变器输出的高频信号含量低，双频信号能量等级相差较大。另一种工作方式是，根据输出信号中的两个不同的频率，分别设置逆变器不同桥臂的工作频率，这种方式虽然减小了双频输出信号的能量等级差值，但工作于高频的逆变器桥臂开关管开关损耗大，开关管易损坏，而且降低了电源装置的工作效率。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于全桥逆变电路的双频感应加热电压信号的产生方法，解决了现有技术中存在的单逆变器同步双频感应加热电源双频信号能量等级相差大，逆变器开关损耗大的问题。
6.本发明所采用的技术方案是，一种基于全桥逆变电路的双频感应加热电压信号的产生方法，设计全桥逆变电路各功率开关管的触发信号，全桥逆变电路采用所述触发信号，产生一种带两正、两负电平的周期性方波电压信号，通过改变触发信号电平变化的时刻，调节逆变器输出的周期性方波电压信号两正、两负电平的变化时刻，以获得不同组合双频电压信号的同步输出。
7.本发明的特征还在于，
8.全桥逆变电路具体结构为：直流电源e的正极与功率开关管igbt g
a1
的集电极相
连，功率开关管igbt g
a1
的集电极和功率开关管igbt g
a3
的集电极相连，功率开关管igbt g
a1
的发射极与功率开关管igbt g
a2
的集电极相连，功率开关管igbt g
a2
的发射极与直流电源e的负极相连，功率开关管igbt g
a3
的发射极与功率开关管igbt g
a4
的集电极相连，功率开关管igbt g
a4
的发射极与功率开关管igbt g
a2
的发射极相连，在功率开关管igbt g
a1
的发射极和功率开关管igbt g
a3
的发射极之间连接有负载，二极管d1的阴极与功率开关管igbt g
a1
的集电极相连，二极管d1的阳极与功率开关管igbt g
a1
的发射极相连，二极管d2的阴极与功率开关管igbt g
a2
的集电极相连，二极管d2的阳极与功率开关管igbt g
a2
的发射极相连，二极管d3的阴极与功率开关管igbt g
a3
的集电极相连，二极管d3的阳极与功率开关管igbt g
a3
的发射极相连，二极管d4的阴极与功率开关管igbt g
a4
的集电极相连，二极管d4的阳极与功率开关管igbt g
a4
的发射极相连。
9.设计的所述全桥逆变电路各功率开关管的触发信号具体为：功率开关管igbt g
a1
的触发信号在一个周期内的电平变化时刻为t5和t8，功率开关管igbt g
a2
的触发信号在一个周期内的电平变化时刻为t5、t6、t7和t8，功率开关管igbt g
a3
的触发信号在一个周期内的电平变化时刻为t1和t4，功率开关管igbt g
a4
的触发信号在一个周期内的电平变化时刻为t1、t2、t3和t4。
10.全桥逆变电路采用触发信号，产生一种带两正、两负电平的周期性方波电压信号，电平变化的时刻依次为t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7和t8，全桥逆变电路在一个开关周期内的工作过程如下所示：
11.当t
00
《t1，t
01
《t5时，t
00
为全桥逆变电路正半周期内负载电流换向时刻，t
01
为全桥逆变电路负半周期内负载电流换向时刻，全桥逆变电路在一个开关周期内的工作过程由阶段1-1、阶段2-1、阶段3-1、阶段4、阶段5、阶段6-1、阶段7-1、阶段8-1、阶段9、阶段10、阶段11组成。
12.当t
00
《t1，t
01
》t5时，全桥逆变电路在一个开关周期内的工作过程由阶段1-1、阶段2-1、阶段3-1、阶段4、阶段5、阶段6-2、阶段7-2、阶段8-2、阶段9、阶段10、阶段11组成。
13.当t
00
》t1，t
01
《t5时，全桥逆变电路在一个开关周期内的工作过程由阶段1-2、阶段2-2、阶段3-2、阶段4、阶段5、阶段6-1、阶段7-1、阶段8-1、阶段9、阶段10、阶段11组成。
14.当t
00
》t1，t
01
》t5时，全桥逆变电路在一个开关周期内的工作过程由阶段1-2、阶段2-2、阶段3-2、阶段4、阶段5、阶段6-2、阶段7-2、阶段8-2、阶段9、阶段10、阶段11组成。
15.阶段1-1：在0～t
00
阶段，功率开关管igbt g
a3
导通，负载电流流经功率开关管igbt g
a3
、负载、功率开关管igbt g
a1
的反并二极管d1，逆变器输出电压为0；
16.阶段1-2：在0～t1阶段，功率开关管igbt g
a3
导通，负载电流流经功率开关管igbt g
a3
、负载、功率开关管igbt g
a1
的反并二极管d1，逆变器输出电压为0；
17.阶段2-1：在t
00
～t1阶段，功率开关管igbt g
a1
导通，负载电流流经功率开关管igbt g
a1
、负载、功率开关管igbt g
a3
的反并二极管d3，逆变器输出电压为0；
18.阶段2-2：在t1～t
00
阶段，功率开关管igbt g
a3
关断，负载电流流经功率开关管igbt g
a4
的反并二极管d4、负载、功率开关管igbt g
a1
的反并二极管d1和电源e，逆变器输出电压为e；
19.阶段3-1：在t1～t2阶段，功率开关管igbt g
a1
和功率开关管igbt g
a4
导通，负载电流流经功率开关管igbt g
a1
、负载、功率开关管igbt g
a4
和电源e，逆变器输出电压为e；
20.阶段3-2：在t
00
～t2阶段，功率开关管igbt g
a1
和功率开关管igbt g
a4
导通，负载电流流经功率开关管igbt g
a1
、负载、功率开关管igbt g
a4
和电源e，逆变器输出电压为e；
21.阶段4：在t2～t3阶段，功率开关管igbt g
a1
导通，功率开关管igbt g
a4
关断，负载电流流经功率开关管igbt g
a1
、负载、功率开关管igbt g
a3
的反并二极管d3，逆变器输出电压为0；
22.阶段5：在t3～t4阶段，功率开关管igbt g
a1
和功率开关管igbt g
a4
导通，负载电流流经功率开关管igbt g
a1
、负载、功率开关管igbt g
a4
和电源e，逆变器输出电压为e；
23.阶段6-1：在t4～t
01
阶段，功率开关管igbt g
a1
导通，功率开关管igbt g
a4
关断，负载电流流经功率开关管igbt g
a1
、负载、功率开关管igbt g
a3
的反并二极管d3，逆变器输出电压为0；
24.阶段6-2：在t4～t5阶段，功率开关管igbt g
a1
导通，功率开关管igbt g
a4
关断，负载电流流经功率开关管igbt g
a1
、负载、功率开关管igbt g
a3
的反并二极管d3，逆变器输出电压为0；
25.阶段7-1：在t
01
～t5阶段，功率开关管igbt g
a3
导通，负载电流流经功率开关管igbt g
a3
、负载、功率开关管igbt g
a1
的反并二极管d1，逆变器输出电压为0；
26.阶段7-2：在t5～t
01
阶段，功率开关管igbt g
a1
关断，负载电流流经功率开关管igbt g
a2
的反并二极管d2、负载、功率开关管igbt g
a3
的反并二极管d3和电源e，逆变器输出电压为-e；
27.阶段8-1：在t5～t6阶段，功率开关管igbt g
a2
和功率开关管igbt g
a3
导通，负载电流流经功率开关管igbt g
a3
、负载、功率开关管igbt g
a2
和电源e，逆变器输出电压为-e；
28.阶段8-2：在t
01
～t6阶段，功率开关管igbt g
a2
和功率开关管igbt g
a3
导通，负载电流流经功率开关管igbt g
a3
、负载、功率开关管igbt g
a2
和电源e，逆变器输出电压为-e；
29.阶段9：在t6～t7阶段，功率开关管igbt g
a3
导通，功率开关管igbt g
a2
关断，负载电流流经功率开关管igbt g
a3
、负载、功率开关管igbt g
a1
的反并二极管d1，逆变器输出电压为0；
30.阶段10：在t7～t8阶段，功率开关管igbt g
a2
和功率开关管igbt g
a3
导通，负载电流流经功率开关管igbt g
a3
、负载、功率开关管igbt g
a2
和电源e，逆变器输出电压为-e；
31.阶段11：在t8～2π阶段，功率开关管igbt g
a3
导通，功率开关管igbt g
a2
关断，负载电流流经功率开关管igbt g
a3
、负载、功率开关管igbt g
a1
的反并二极管d1，逆变器输出电压为0。
32.0≤t1＜t2＜t3＜t4≤π，π≤t5＜t6＜t7＜t8≤2π。
33.本发明的有益效果是：
34.本发明方法设计一种全桥逆变电路各功率开关管的触发信号，使逆变器能输出一种带两正电平和两负电平的周期性方波电压信号，通过改变触发信号电平的变化时刻，只调节周期性方波电压信号的正、负电平的变化时刻，不改变其周期，不改变其正、负电平的组合数，可由这一种方波电压信号获得不同组合的双频电压信号同步输出；利用最简单的全桥逆变电路，设计逆变电路各功率开关管触发信号电平的变化时刻，即可实现不同组合双频电压信号的同步输出，而且逆变电路的桥臂最高工作频率仅为方波电压信号基频频率的两倍，相较于其他单逆变器双频感应加热装置，在获得含量较高的双频电压信号的同时，
降低了开关频率，减小了逆变电路的开关损耗，从而达到提升单逆变器同步双频感应加热电源能量利用率的目的。
附图说明
35.图1为本发明方法中使用的全桥逆变电路；
36.图2为全桥逆变电路各功率开关管的触发信号波形；
37.图3为本发明方法中带两正、两负电平的周期性方波电压信号；
38.图4为采用本发明方法输出基频和三次谐波双频信号时的方波电压信号；
39.图5为采用本发明方法输出基频和三次谐波双频信号时的方波电压信号的fft波形；
40.图6为采用本发明方法输出基频和五次谐波双频信号时的方波电压信号；
41.图7为采用本发明方法输出基频和五次谐波双频信号时的方波电压信号的fft波形。
具体实施方式
42.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
43.本发明提供一种基于全桥逆变电路的双频感应加热电压信号的产生方法，设计全桥逆变电路各功率开关管的触发信号，全桥逆变电路采用所述触发信号，产生一种带两正、两负电平的周期性方波电压信号，通过改变触发信号电平变化的时刻，调节逆变器输出的周期性方波电压信号两正、两负电平的变化时刻，以获得不同组合双频电压信号的同步输出。
44.全桥逆变电路具体结构为，如图1所示：直流电源e的正极与功率开关管igbt g
a1
的集电极相连，功率开关管igbt g
a1
的集电极和功率开关管igbt g
a3
的集电极相连，功率开关管igbt g
a1
的发射极与功率开关管igbt g
a2
的集电极相连，功率开关管igbt g
a2
的发射极与直流电源e的负极相连，功率开关管igbt g
a3
的发射极与功率开关管igbt g
a4
的集电极相连，功率开关管igbt g
a4
的发射极与功率开关管igbt g
a2
的发射极相连，在功率开关管igbt g
a1
的发射极和功率开关管igbt g
a3
的发射极之间连接有负载，二极管d1的阴极与功率开关管igbt g
a1
的集电极相连，二极管d1的阳极与功率开关管igbt g
a1
的发射极相连，二极管d2的阴极与功率开关管igbt g
a2
的集电极相连，二极管d2的阳极与功率开关管igbt g
a2
的发射极相连，二极管d3的阴极与功率开关管igbt g
a3
的集电极相连，二极管d3的阳极与功率开关管igbt g
a3
的发射极相连，二极管d4的阴极与功率开关管igbt g
a4
的集电极相连，二极管d4的阳极与功率开关管igbt g
a4
的发射极相连。
45.本发明设计的实现10次谐波以内不同组合双频信号同步输出的全桥逆变电路各功率开关管的触发信号如图2所示，功率开关管igbt g
a1
的触发信号在一个周期内的电平变化时刻为t5和t8，功率开关管igbt g
a2
的触发信号在一个周期内的电平变化时刻为t5、t6、t7和t8，功率开关管igbt g
a3
的触发信号在一个周期内的电平变化时刻为t1和t4，功率开关管igbt g
a4
的触发信号在一个周期内的电平变化时刻为t1、t2、t3和t4。
46.全桥逆变电路采用如图2所示的触发信号，产生如图3所示的周期性方波电压信号，该电压信号每个周期内有两个正电平、两个负电平，电平变化的时刻依次为t1、t2、t3、ga2
的反并二极管d2、负载、功率开关管igbt g
a3
的反并二极管d3和电源e，逆变器输出电压为-e；
64.阶段8-1：在t5～t6阶段，功率开关管igbt g
a2
和功率开关管igbt g
a3
导通，负载电流流经功率开关管igbt g
a3
、负载、功率开关管igbt g
a2
和电源e，逆变器输出电压为-e；
65.阶段8-2：在t
01
～t6阶段，功率开关管igbt g
a2
和功率开关管igbt g
a3
导通，负载电流流经功率开关管igbt g
a3
、负载、功率开关管igbt g
a2
和电源e，逆变器输出电压为-e；
66.阶段9：在t6～t7阶段，功率开关管igbt g
a3
导通，功率开关管igbt g
a2
关断，负载电流流经功率开关管igbt g
a3
、负载、功率开关管igbt g
a1
的反并二极管d1，逆变器输出电压为0；
67.阶段10：在t7～t8阶段，功率开关管igbt g
a2
和功率开关管igbt g
a3
导通，负载电流流经功率开关管igbt g
a3
、负载、功率开关管igbt g
a2
和电源e，逆变器输出电压为-e；
68.阶段11：在t8～2π阶段，功率开关管igbt g
a3
导通，功率开关管igbt g
a2
关断，负载电流流经功率开关管igbt g
a3
、负载、功率开关管igbt g
a1
的反并二极管d1，逆变器输出电压为0。
69.其中，0≤t1＜t2＜t3＜t4≤π，π≤t5＜t6＜t7＜t8≤2π。
70.实施例1
71.全桥逆变电路采用如图2所示的触发信号，产生如图3所示的周期性方波电压信号，该电压信号每个周期内有两个正电平、两个负电平，电平变化的时刻依次为t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7和t8。全桥逆变电路工作周期为100μs，直流电源e＝12v，设置t1＝0μs、t2＝16.78μs、t3＝33.22μs、t4＝48μs、t5＝50μs、t6＝66.78μs、t7＝83.22μs、t8＝98μs；经过上述全桥逆变电路在每个开关周期内的工作过程后全桥逆变电路输出基频和三次谐波双频信号时的方波电压信号如图4所示。
72.图4为全桥逆变电路工作周期为100μs，直流电源e＝12v，设置t1＝0μs、t2＝16.78μs、t3＝33.22μs、t4＝48μs、t5＝50μs、t6＝66.78μs、t7＝83.22μs、t8＝98μs时全桥逆变电路输出基频和三次谐波双频信号时的方波电压信号，图5为图4方波电压信号对应的fft波形，图5验证了图4的方波电压信号以输出基频和三次谐波为主。
73.实施例2
74.全桥逆变电路采用如图2所示的触发信号，产生如图3所示的周期性方波电压信号，该电压信号每个周期内有两个正电平、两个负电平，电平变化的时刻依次为t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7和t8。全桥逆变电路工作周期为100μs，直流电源e＝12v，设置t1＝10.18μs、t2＝20.07μs、t3＝30.22μs、t4＝40.29μs、t5＝60.18μs、t6＝70.07μs、t7＝80.22μs、t8＝90.29μs；经过上述全桥逆变电路在每个开关周期内的工作过程后全桥逆变电路输出基频和五次谐波双频信号时的方波电压信号如图6所示。
75.图6为全桥逆变电路工作周期为100μs，直流电源e＝12v，设置t1＝10.18μs、t2＝20.07μs、t3＝30.22μs、t4＝40.29μs、t5＝60.18μs、t6＝70.07μs、t7＝80.22μs、t8＝90.29μs时，全桥逆变电路输出基频和五次谐波双频信号时的方波电压信号，图7为图6方波电压信号对应的fft波形，图6验证了图7的方波电压信号以输出基频和五次谐波为主。
76.图4～图7说明，根据图2设置全桥逆变电路各功率开关管的触发信号，可产生带两正电平和两负电平的周期性方波电压信号，通过改变触发信号电平变化时刻t1～t8的值，可
调节该周期性方波电压信号中占主要含量的谐波成分，以实现在不改变全桥逆变电路输出电压波形类型的前提下，实现不同组合双频信号的同步输出。解决了现有技术中存在的单逆变器同步双频感应加热电源双频信号能量等级相差大，逆变器开关损耗大的问题。