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感应加热电源的负载匹配方案
摘要：分析了串联谐振型和并联谐振型感应加热电源的负载电路及负载匹配的重要性，针对不同电源类型对负载匹配方案进行了研究，介绍了多种负载匹配方法。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。
2 负载等效电路分析
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。
3.1.1 匹配电容元件
根据电容元件加入的位置不同，可以分为以下3种方法，分别示意在图2、图3及图4。
图2等效阻抗ZD=L/RC，其中C=C1＋C2＋C3，通过开关的开、合可以改变电容值，从而改变负载电路等效阻抗，此法简单易行，是实践中常用方法之一，但属于有级调节，调节时要求断电。另外，C的变化会引起电路谐振频率发生变化，负载谐振频率受工艺要求限制，当频率超出范围时应配合匹配电感的方法来抵消频率的变化。注意，所有匹配方法都应考虑频率的变化，处理方法类似，以后不再叙及。
图3等效阻抗ZD=LCs/〔RC(C＋Cs)〕，可见加入Cs后，阻抗成Cs/(C＋Cs)倍变化，可使原来的等效阻抗变小，适用于阻抗相对电源来说高的负载。
图4是串并联负载电路，电路仍工作在并联谐振状态，工作情况与并联谐振电路类似，Cs的加入使容性阻抗增加。该电路优点是启动容易，通常作为晶闸管感应加热电源的起动电路，单纯作为负载匹配措施则较少使用。
3.1.2 匹配电感元件
一般分为两种情况，分别如图5及图6所示。以上两种电路形式是通过加入可变电抗器改变感应线圈支路的电感，进而改变等效阻抗值，
图5串联电感的方式只能增加感应器支路的电感，图6的连接方式可以增大支路电感，也可以减小支路电感。由于并联谐振属于电流谐振，并联支路中流过谐振电流，达到电源电流的Q（Q=ω0L/R）倍，谐振电路等效电感增加会增加铜损。
感应加热电源负载匹配方法中利用电感匹配的方法可以归纳为以下几种。
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