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串联谐振和并联谐振区别


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第7 卷第 7 期  20 0 4年 7月 

童 涤 教  石 a t  
P OW ER S P Y  ECHNOLO E     UP L T GI S AND  P I TI AP L CA ONS  

V0 .   .   1 7 No 7

J l 2 0   uy 0 4

感应加热电源的负载匹配方案 
高迎 慧 , 彭咏 龙   
( 华北 电力大 学, 河北   摘 保定 0 10 ) 7 0 3 

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。  

关键词 : 感应加 热 电源 ; 负载 匹配 ; 串联 谐振型 ; 并联谐振型 

Lo d M a c i g S h m a o  n c i n He tn   we   up y a   t h n   c e   fI du to   a i g Po r S pl  
GAO  n — u , Yig h i P NG Yo g l n   E   n —o g

( ot  hn   lcr   o e  nv ri , B o ig e e 7   3 C ia  N r C iaEe t cP w rU i s y h i e t   a dn  H b i   0   hn )  0 1 0
Ab t a t T e i o t n e o   a   t h n   r  n lz d s r c : h   mp r c   fl d ma c i g a e a a y e .T e la   ic i o  e i s r s n n e a d p r l lr s n n e p le   a o h  o d c r u t fs r   e o a c   n   a a l  e o a c  a p i d   e e i  n u t n h a i g p we   u py a e a a y e . o d ma c i g s h ma   o   i e e t p we   u p y a e su id Ma y la   n i d ci   e tn   o r s p l  r   n lz d L a   t h n   c e s f r d f r n   o r s p l  r   t d e   o f n  o d
ma c i g me n   s d i   r c ie a e p o s d thn   a su e  n pa t   r  rp e   c o

Ke wo d : n u t n h a i g p w r s p l ;l a   t h n ;s r sr s n n e t p ; p r l lr s n n e t p   y r s i d c i   e t   o e   u py o d mac i g e i  e o a c  y e o n e a al   e o a c  y e e

中图分 类号 :N 6 T 8 

文献标识码 :  A

文章编号 :2 9— 7 3 2 0 )7— 4 6— 5 0 1 2 1 (0 4 0 0 2 0 

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 

可清楚的表 明以上所说情 况 。  

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  和额定 电 

图 1 不 同 负载 情 况下的 负载 电流   

图1 , 1 中 线 表示 负载与 电源 匹配 , 2 线 表示 
电源重载 , 3表示 电源轻载 。电源与负载不 匹配  线

流 , 取 决 于 电源本 身 ,为 使 电源 能输 出额 定 功  N 率 ,要求有 合适 的负载 阻抗 Z=Z = /, 与电     N
源匹配 , 如果 z≠ ,   电源与 负载不 匹配 , 电源利 

时, 为保证不损坏 电源设备 , 只能 降额 运行 , 降低 

用率就 降低 。 以简单 的直流 电压 源为例 : 电源额定 
电压 U : 0 V, d 4 0 额定电流 ,= 0 A, d 4 0 额定阻抗 l  

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 。  

l   负载 阻抗 l :1 =1 Q,   zl   Q时 ,电源输 出额定 

功率 ;l =0 5 时 , 出电流为 , d   =   zl .  Q 输 =U /l   zl 4 0 0 5 0 A, 0 / . =80 电源过载 ; zl Q 时 , 出电  l =2   输
流为 , d l = 0 / 2 0 电源轻 载 。 1 =U /  zl 4 0 2= 0 A, 图  

2 负载等效 电路分析   
收 稿 日期 :0 4—0 0   20 5— 8
4 6 2 

感应加热 装置 的感应 器支路可 以等效成一 个 

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◇ t童●■  感应加热电源的负载里配壅塞 二二  电阻 和一个 电感串联或并联 的形式 ¨,等效 的电  1 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 , 率 因数很低 , 功 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 : 联谐振电路 、 并 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 


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  、 。

般 工作在准谐 振状态 ,串联谐振 电路和并联谐 
表 1 串联 与并 联谐 振 电路 比较   

图 2 匹 配 电容 方 法 之 一   

振 电路 的特性 , 见表 1  。
类别  串联 谐振 电路  并联 谐振 电路 

电路拓扑 图 
图 3 匹配 电容 方法之二   
Z  

阻 抗频率 特性 

谐 振等效 阻抗  谐振 类型 

Z o=R   电压 谐振 

Z = o  /R   C 电流谐振 

从 表 1 以看 出 ,串联谐振 电路在谐 振状态  可 下等效阻抗为纯 电阻 , 达到最 小值 , 联谐振 电  并 并 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 
图 4 匹 配 电 容 方 法 之 三   

图 2等 效 阻抗 Z = R ,其 中 C=C + o  / C . 

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 。  

c +c, z ,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 。  

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 

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 Z =L   [ C C+ ) , 。 C/ R (   ]可见  加 入 C后 ,   阻抗成 C/ c+c) 变化 ,  ( 。 倍 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 。  

电磁耦合 。 电耦 合主要采用无源元件 , 静 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 , 变压器变  通过
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 。  

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 , 的加   

3 1 并联谐振 电路负载 匹配方法  .  并联谐 振 电路等效 阻抗 z =£ R 改变 等  。 / C,

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  . . 


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。  

般 分 为两 种 情 况 ,分别 如 图 5及 图 6所 

示。  
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第 7卷第 7期  20 0 4年 7月 

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何形状不 变 的条件 下 ( 感应 线 圈的长度 和直径 不 
变 ) 感 应线 圈的 电感与其 匝数 J 的平方 成正 比 , , 7 v   当匝数 Ⅳ增减时 , 感应线 圈的 电感 £和工件 的等 

效 阻 抗也 会 相 应增 减 ,从 而 改 变 负载 的等 效 阻 
抗。  
图 5 匹配 电感 方法之 一   
— —

改 变 感 应 线 圈 与 被加 热 工 件 的耦 合 情 

况 。感应 器与被 加热工件耦 合 的紧密程 度直接 影  响感应器 支路等效 阻抗 ,从 而影响谐振 电路等 效  阻抗 , 是 , 但 当感应器与 工件 的间隙增大 , 合较  耦
松 时会降低 加热效率 , 匹配效果有 限。  
图 6 匹配 电感 方法之 二   

3 13 匹配 电阻元件  . . 

负载匹配 的根 本 目的是 尽量使 电源额定功 率  全部用于工件 加热 , 也就是提高 电源效率 的问题 ,  

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 , 而 改 变等 效 阻 抗值 , 进   图 5串联 电感 的方 式 只 能增 加 感 应器 支 路 的电  感 , 6的连接 方式 可 以增大支路 电感 , 可以减  图 也

因此, 在负载匹配的问题 中, 应结合有利于提高电  源效率综合进行分析。在电路中加入电阻可方便  地使负载阻抗 与电源相 匹配 , 但装置 的损 耗增 加 ,  
加热效率降低 , 没有根本 解决问题 , 不是可行 的负 
载匹配方法 。   3 14 匹配变压 器  .. 

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= (  


£ ) , /R 倍 谐振 电路等 效电感增加会增加铜损 。  

利用 电磁耦合进 行负载 匹配是通过 变压器 的  变阻抗特性实现 的 , 这在感应 加热 中非常普遍 , 采 
用 的 电路形式 主要有两 种 , 图 7 图 8所示 。 如 及 变  压 器变阻抗 特性 以图 7为例说 明如下 :变压 器副 

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 。  
— —

利 用带铁心 的多抽头 电抗器 ,改变抽头 

调节 电抗值 , 于有级 调节 , 属 调节时要求断 电。由   于制作工艺上 的原因 , 抽头的数量受 到限制 , 无法 
做到细调 。  
— —

边 电路工作在谐振状态 , 等效阻抗 Z =£ R , D / C 通  过变比为 凡: 的变压器后, 1 变压器原边的等效阻 
抗 Z =凡 £ R ( o   / C 忽略变压 器漏抗 的影响 ) ,可见 
阻抗 成 凡 倍变化 。    

采用 动铁心 电抗器 ,移动铁心 与线 圈的 

相对位置来改变 电抗值 , 于无级调节 , 属 调节 时无  须断 电,可以跟随负载阻抗 的变化 ,匹配效果好 ,   容易组成稳定感应线 圈上 的电压 , 或恒温 、 恒功率 

自动控制系统 , 但铁心 动作须经过一套传动 系统 ,   故 障率较 高 , 且须 建立协调控制模 型。  
— —

采用 动圈式 变压 器的形式 ,一次线 圈与 

图 7 利 用 变   

感 应线 圈并 联 , 二次侧绕组 自身短接 , 动一次绕  移
组 与二次绕组 的相对位 置 ,便可 以改 变一 次侧 的 

等值电抗 , 属于无级调节。 变压器必须采用空心变 
压器 ,一二次 绕组 相对位 置的变化也 须经过一套 

传动装置 , 故障率高, 同样须建立控制模型。   用磁 饱和 电抗器 作为 厶,通 过调节直流  激磁 电流来改 变电抗值 , 于无级 调节 。 属 该方法无 
— —

图 8 利 用 变 压 器 匹 配 方 法 之 二   

图 7电路 中感应器支路所需无 功容量 由并联  电容器提供 , 负载 电路工 作在准谐 振状态 , 匹配变  压器通过少 量无功功率 , 所需容量较小 , 匹配变压  器原边 流过电源 电流 , 损耗不 大 , 以采用铁 心变  可

移动 、 旋转部件 , 无触点控制 , 也 安全 可靠 , 维护工 
作量小。  
— —

增减感 应线 圈的匝数 。在 感应线 圈的几 

48 2 

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◇ 童t●■  感应加热电源的负巍 堕坠 塞 二二 

压 器。 8电路 中, 图 匹配变压器 中既通过 有功功率  又通 过无 功功率 , 所需变压 器容量 较大 , 铁心变压 

3 2 1 改变感应器 与工件的耦合  . .  在 并联 谐 振 电路 匹 配 电感 的方 法 中 已经 提  到 ,改变感应 线圈与 被加热工件 间 的耦合程 度可 
以改变等效 电阻 ,此 法也适用 于串联谐振 电路 阻 
抗 匹配 。  

器容量受铁 心制造水平 限制 ,在传输容量 大时难 
以胜任 , 以此 电路通 常采用空心变压器 , 所 匹配变 
压器原边流过谐振 电流 , 损耗较 大。  

利用匹配 变压器进行负 载匹配 时应 考虑 以下 
选择原则 。  
— —

3 2 2 负载 串接  . . 

当负载阻抗小 时 ,将数个 完全相 同的感应线 

空心变压 器易实现 大容量化 ,适合 于初 

圈 和被 加 热 工件 串接 起 来 可 以增 大负 载 等 效 阻 
抗。   3 2 3 匹 配 电 容 元 件  . . 

级补偿 , 减轻 了对 C的要求 , 随着 电压 、 但 功率 的  上升 , 其体积相应增大 。 心变压器难 以实现大 容  铁 量化 , 无功须在次级补偿 , 增加 了 C的选择难 度 。   另外 , 空心变压器漏感大 , 比不等 于匝 比, 变 在设  计 中难 以掌握 , 比较大时实现 困难 , 变 铁心 变压器  漏感 小 , 比等于匝 比 , 变 对于极低 的负载 阻抗 可 以   做 成较 大的匝 比。  
— —

图 9 a 为匹配 电路 , 电路仍 工作于 串联谐  () 该 振状态 , 即谐振 时并联部分相 当于感性 负载 , 9 图   () b 为图 9 a 的等效 电路 , 中  () 其
一  

= 

丽  

铁 心 变 压 器 的 铁 损 正 比 于 频 率 的 平 

方, 高频 时发 热严 重 , 这提 高 了对 变 压 器冷 却 系  统 的要 求 ,所 以高 频 时 常采 用 铁淦 氧 磁 芯 或 空 
心变 压 器 。  
— —

当负 载工作频率较 高时 ,为保 证 匹配效 

( ) 匹配 电路  a 

( ) 等效 电路  b

率 要求 匹配 变压器漏抗 尽量小 ,这对匹配变 压器  的设 计提出了更高要求 。  
— —

图 9 匹配电容 元件   

补 偿 电容 C一 般放 在 匹配 变 压器 高 压 

可见 ,   C 的加入影响串联谐振电路等效 电阻, 从而 
影响 串联谐 振 电路 等效阻抗 。在一定频率下 负载  的感性 无功功率一定 ,工作在谐 振状态 的容性无 

侧, 在提供无功 容量一 定时 , 可大大降低 电容值 ,   当然 , 这需 综合考虑所选 电路形式 、 变压 器和 电容  的市场售价而定 。  
— —

功功率等于感性无功功率 ,所以要求补偿的容性 
无功功率容量也是一 定 的, c 的加 入只是分担 了  s


为适应 多种负载 ,匹配 变压器应设计 成 

多抽 头变压器 , 但抽头数量受 变压器结构 的限制 ,  

部分 容性无功功 率 ,不会 因增 加无功功 率容量 

对 负载的调节有限 , 以做到最佳 匹配 。 难 随着频 率 
的增加 , 多抽头变压 器的设计更 加 困难 。  
— —

而增加成本 。  
3 24 匹配变压 器  .. 

随着铜 价 的上升 ,变压 器造价会不 断上 

串联谐 振 电路受 其 电路形式 的限制 ,匹配方  法单一 , 以在实 际应用 中 , 所 串联谐振 电路 一般利 
用 匹配 变压器实现负 载匹配 。利用 变压器进 行负 

升 ,而 电容价 格随着 电容 生产技术 的发展有下 降  趋 势 ,另外利用 匹配变压 器进行负 载匹配须考 虑 

其 寄生元件 的影响 ( 漏抗 、 寄生 电容 ) 变压器铜损  , 的存 在也会降低 电源效率 ,所 以进行 负载匹配 时 
应首选静 电耦合方法 。  
— —

载匹配 的研究 与并联谐 振 电路类 似 ,不 同的是 串  
联谐 振属于 电压谐振 ,匹配变压器 位置不 同所 承 

受 电压不 同。图 1 所 示 电路 中匹配变压器原边 为  0 谐振 电压 , 匹配变压器绝缘要求较高 。 对 而图 1所  1

匹配变压 器可以起 到 电气隔离 的作用 。  

3 2 串联谐 振 电路负载 匹配 方法  . 

通 过对 串联谐 振 电路负 载特性 的分析 可知 ,   串联谐振 电路 等效 阻抗 只与等效 电阻  有关 ,改  变等效 电路 中电容 和电感值不影 响等效 阻抗 ,这 


特 性 大 大 限制 了 串联 谐 振 电路 的 负载 匹配 措 
图 l  利 用 变 压 器 匹 配 方 法 之 三  0
4 9 2  

施。  

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第 7卷第 7 期 
20 0 4年 7月 

圣 涤 艘 

石 阉  

Vo .   o 7 17 N .  

P OW ER S P Y T   UP L   ECHN0L 0GI S AND AP LI AT ON   E    P C I S

J l 2 0   uy 0 4

示 电路 中匹配变压 器承受 电源 电压 ,可以降低 绝    缘要求 。  

这是并联谐振型逆 变电源广泛应用 的原 因之 一 。  

利 用静 电耦合 进行负 载匹配是一 种简单 、经 
济 的方 法 ,而 利用 电磁耦 合进行负 载匹配也灵 活  方便 , 两种方式各有优 势 , 在实际应用 中 , 一种匹 

配方 法有 时难 以满足 多方 面要求 ,为达到最佳 匹 
配 , 以将 多种 方法配合使用 。 可  
参 考 文 献  图 1  利 用 变 压 器 匹 配 方 法 之 四  1

【 】 可控硅 中频技 术 及其 应 用编 写 组 、可控 硅 中频技 术  1  及 其应 用 【 .北 京: 力工业 出版社 ,9 1 M】 电 18.  

4 结语   
串联谐振 电路 的特性 决定改变 等效 电容 和电  感值 不能改 变谐 振状态 的等效阻抗 ,静 电耦合 负  载阻抗 匹配 方 案 中许 多不 适用 于 串联谐 振 电路 ,   串联 谐 振 电路一 般 采 用 匹配 变 压 器 进行 负 载 匹 
配。  

【】 潘 天 明 .现代 感应 加 热装 置 【 . 京: 2  M】 北 冶金 工 业 出  
版 社 . 9 6  19 .

【】 潘天 明 . 3  工频 和 中频 感 应 炉 【 . 京 : M】 北 冶金 工 业 出  
版 社 .9 1 18 .  

作者 简介 

高迎慧 (9 6 , 17 一) 女, 华北电力大学电气工程系电力  
电子与 电力 传动 专业 2 0 0 2级研 究 生。。  

并联谐 振 电路可 用静 电耦合 和 电磁耦 合进行  负载阻抗 匹配 , 匹配方法灵 活 , 对负载适应性 强 ,  

彭咏龙 (9 6 , 16 一) 副教授 , 现从事电力电子技术教学  
及 科研 工作 。  

创造品质——先检者明 , 先行者利 
— —

美国福禄克公 司及福禄克网络公司、 哈希公司 、 雷泰 ( 中国) 司  公
携手 全 国 六城 市 巡展 

1前 ,丹纳赫集 团公 司旗下 子公司美 国福禄  3 克公 司 、 禄克 网络公司 、 福 哈希公 司和雷泰 ( 中国)   公 司以 “ 创造品质——先检者 明 , 先行者利 ” 为主  题联 合举办 了全 国大型巡展活 动。此次活动 主要  涵 盖新 产品发布 、 销售工程 师的培训 、 以及福禄 克  品牌 全系列产 品多方 位 的深入推介 等 内容 。活 动  全程历 时一个月 , 覆盖华北 、 中 、 华 华南等 主要 省  市地区 , 跨越 重庆 、 汉 、 武 深圳 、 济南 、 阳 、 沈 西安 等 

克公 司也借此 次巡 展之机 ,随时随地的解决福禄  克产 品在使用 中存在 的问题 ,集 中为企业终端 用 
户做 好贴身服务 。  

本次活动得 到了相关政府领 导及行业协会 的  重视 和大力支持 。 在展会现场美 国福禄 克公司 、 福  禄克 网络公司 、 哈希公司 、 雷泰 ( 中国) 司的工 程  公

师与众多参展者零距离接触,详细地介绍了行业  发展趋势及新 产品技术 ,解决在 产品应用 中遇到 
的问题 。  

6个大 中城市 。邀请 了 当地行业协会 、 专家 、 体  媒
及专业人士参加 。  

在展会期 间 ,美 国福禄 克公司副总裁黄 宜植 

美 国福禄克公 司 、 禄克 网络公司 、 福 哈希公 司 
和雷泰 ( 中国) 公司组织 的此次全线核心产 品全 国 

先生在接受我们 的专访 时说 : 这次巡展我们带来  “

巡 演活动 , 旨在将其 在精 密仪器测试行业 、 企业信 
息化 建设与服务 等领域 的各项卓 越优势与应用 成  果全 面 、纵深地 向各地经销商及 各行业企业终端 

了新的产品, 与客户零距离接触 , 为客户提供在功  能 、性 能 、可靠性 以及应用方 面科 技含量高 的产 
品 。” 他接着说 :我q t 常重视在 中国的发 展 ,   “ ]P 目 前 中国已成 为福禄克在美 国本 土外 的全球第 二大 
市场 , 分产品在相关领域 目前 占 8 % 以上的市  部 0

客户充分展示 ,以全面推进企业 网络化及精 密仪  器测试在全 国范围 的应用进程 ;经销商 以及终 端 
客户对福禄 克全 线产 品进一 步深刻 了解 ,以提高  各地 区对福禄克产 品的应用水平 , 同时 , 美国福禄 
4 0 3 

场份额 。 今后我们继续提供 更加完整 的产 品线 , 不 

断研发新产品,更好地为中国用户提供完善服务 
和产 品。  


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