感应加热电源的负载匹配方案

1 概述

随着电力电子技术及器件的发展，固态感应加热电源已在金属熔炼、透热、淬火、热处理、焊接等行业得到越来越广泛的应用。对于热处理行业的大部分负载来说，感应加热电源设备须经过负载阻抗匹配后才能正常工作。所谓负载阻抗匹配就是为了使电源输出额定功率，而采取的使负载阻抗等于电源额定阻抗的方法和措施。

对于一台电源设备，其额定电压UN和额定电流IN取决于电源本身，为使电源能输出额定功率，要求有合适的负载阻抗Z=ZN=UN/IN与电源匹配，如果Z≠ZN，电源与负载不匹配，电源利用率就降低。以简单的直流电压源为例：电源额定电压Ud=400V，额定电流Id=400A，额定阻抗|Zd|=1Ω，负载阻抗|Z|=1Ω时，电源输出额定功率；|Z|=0.5Ω时，输出电流为I=Ud/|Z|=400/0.5=800A，电源过载；|Z|=2Ω时，输出电流为I=Ud/|Z|=400/2=200A，电源轻载。图1可清楚的表明以上所说情况。

图1中，线1表示负载与电源匹配，线2表示电源重载，线3表示电源轻载。电源与负载不匹配时，为保证不损坏电源设备，只能降额运行，降低了电源利用率，适当的匹配可以使电源全功率运行，保证设备正常运转，减少故障。在实际中，很少有负载阻抗恰好等于电源额定阻抗的情况，负载匹配是感应加热装置安全可靠经济运行的一个必不可少的环节，是感应加热电源负载侧设计的重要内容。

感应加热装置的感应器支路可以等效成一个电阻和一个电感串联或并联的形式[1]，等效的电感、电阻是感应器和负载耦合作用的结果，其值受感应器与负载耦合程度的影响。等效感应器支路是一个感性负载，功率因数很低，需加入电容器进行无功补偿，补偿电容器与感应线圈的连接方式有串联和并联两种形式，从而形成两种基本的谐振电路：并联谐振电路、串连谐振电路。为了提高效率和保证逆变器安全运行，固态感应加热电源一般工作在准谐振状态，串联谐振电路和并联谐振电路的特性，见表1。

从表1可以看出，串联谐振电路在谐振状态下等效阻抗为纯电阻，并达到最小值，并联谐振电路在谐振状态下等效阻抗达到最大值，为了获得最大的电源输出功率，串联谐振电路采用电压源供电，并联谐振电路采用电流源供电，即电压源型感应加热电源必须匹配串联谐振型负载电路，电流源型感应加热电源必须匹配并联谐振型负载电路，这是电源与负载的初次匹配措施。

3 负载匹配方案分析

负载匹配方法主要分为两大类：静电耦合和电磁耦合。静电耦合主要采用无源元件，通过改变电路拓扑结构来改变负载阻抗。这一方法在一定条件下可以省去匹配变压器，因此更加经济、方便。电磁耦合主要采用匹配变压器，通过变压器变换阻抗特性进行负载匹配。下面针对不同电路形式进行分析。

3.1 并联谐振电路负载匹配方法

并联谐振电路等效阻抗ZD=L/RC，改变等效电路中的电容、电感、电阻的值都能改变阻抗，这一特性使并联谐振电路的阻抗匹配更加灵活。