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浙江大学 硕士学位论文 基于电磁感应技术的造纸定型机PLC控制系统开发 姓名：彭魏臻 申请学位级别：硕士 专业：化工过程信息工程 指导教师：麻红昭 20070501 摘要 目前，袋泡茶受到人们的青睐，茶叶滤纸的需求旺盛。然而茶叶滤纸的定型 工艺仍然使用传统的油加热和蒸汽加热烘缸。随着近些年能源紧缺现象的加剧以 及人们环保意识的增强，各个工业部门都在不断改造老旧的传统造纸加热设备， 开发节能高效、绿色环保的新型造纸设备。 “感应加热”方案是一种理想的加热方式，具有热效率高、加热均匀、安全、 自动化程度高等特点，在钢铁冶炼、汽车制造等行业已有成功应用。本文的创新 点主要是将“感应加热”技术应用到造纸工艺设备的开发中。基于此方案，设计 和实现了一个直径1 4 0 0 嘲，宽1 4 0 0 m m 的茶叶滤纸定型用小型感应加热烘缸设备， 并利用S I E M E N Ss 7 2 0 0 系列P L C ，开发出一套成本低、控制精确、操作方便的控 制系统。经过近1 0 个月的运行，电磁感应烘缸完全可以满足茶叶滤纸生产工艺 的要求，性能稳定，节能效果明显，可以作为传统烘缸的替代产品。 本文从电磁感应加热电源的原理，定型机各功能组件，P L C 控制系统的选型、 构建及控制策略实施等几个方面来对整个系统进行阐述，内容包含： 分析比较了常用的并联型和串联型谐振电源及特点，选择后者为感应加热 烘缸的电源结构；简要介绍了P W M & P F U 调功方法尤其容性P 眦P F M 方法， 找出了功率与相位角巾及角频率_ ) 之间的关系；详细分析增加了无损缓 冲器件的逆变回路的换流过程；简要介绍了电路启动和控制的原理。 介绍了定型机系统的机械组成，描述了各个组件的作用；分别介绍了走纸 同步、温度控制和操作台三个P L C 控制子系统实现的功能。 介绍了8 7 2 0 0 系列P L C 控制器、通讯、控制系统硬件选型原则、数字滤 波算法、前馈控制和反馈控制控制策略；列出了本项目三个控制子系统的 硬件组态。介绍了在P L C 编程中广泛采用的增量式数字P I D 算法和几种改 进型的P I D 算法；使用现场采集的实时图线，详细分析了走纸同步系统采 用的带边界失效的变比例增益、变积分时间的P I 控制策略，和温度控制 系统采用的常规P I 策略控制的工程实施。 关键词：电磁烘缸、感应加热、P L C 控制、变系数P I D 策略、前馈一反馈控制 一I 一 A b s t r a c t T h er e q u i r e m e n tf o rt e a b a gp a p e ri n c r e a s e dr a p i d l ya sp e o p l e si n c r e a s i n g f a v o ro nt e a b a g , w h i l et e a b a gp a p e rm o l d i n gt e c h n o l o g ys t i l lu s e st r a d i t i o n a l p a p e r m a k i n ge q u i p m e n t ss u c ha sH o fO i lC y l i n d e rD r y e ra n dS t r e a m C y l i n d e rD r y e ri nm a n yp a p e rm i l l sd o m e s t i c a l l ya n di n t e r n a l l y W i t ht h e g r o w i n gs h o r t a g eo fe n e r g ya n dt h ed e v e l o p m e n to fp e o p l e Sc o n s c i o u s n e s st o p r o t e c te n v i r o n m e n t , m a n yf a c t o r i e sa r ei m p r o v i n gt h e i ro l dp a p e r m a k i n g e q u i p m e n t sa n dd e v e l o p i n gn e w , e f f i c i e n t , g r e e nf a c i l i t i e s “I n d u c t i o nH e a t i n g “i sa p p r o p r i a t e t e c h n i q u e , a si t ss a f e , e f f i d e n t ， u n i f o r m i t ) ，f o rh e a t i n g , a n dh i g h X ya u t o m o t i v e I na d d i t i o n , i th a s b e e nu s e di n s m e l t i n ga n da u t o m o b i l ei n d u s t r ys u c c e s s f u l l y T h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri s t oa p p l y ”I n d u c t i o nH e a t i n g ”t op a p e r - m a k i n gc y l i n d e rd r y e r B a s e do nt h i s i d e a , am e d i u m s i z e de l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n gc y l i n d e rd r y e rf o r t e a b a gp a p e rm o l d i n gW a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d , w h i c hh a sad i a m e t e r o f1 4 0 0l l I l l Ia n daw i d t ho f1 4 0 0r n n a B e s i d e s , b yu s i n gS I E M E N S $ 7 - 2 0 0s e r i a l P L Cp r o d u c t s , c o n t r o ls y s t e m sw e r ed e v e l o p e d , w i ml o w - c o s t , h i g hd e g r e eo f a c c u r a c ya n d c o n v e n i e n to p e r a t i o n A f t e rc o n t i n u a lr u no fn e a r l y1 0m o n t h s , i t w o r k ss t a b l y , m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so fp r o d u c t i o na n ds a v i n ge n e r g y a p p a r e n t l y , c a nr e p l a c et h et r a d i t i o n a lh o t - o i la n ds t r e a mc y l i n d e rd r y e r s T h i st h e s i se x p o u n d st h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gi n d u c t i o nh e a t i n gd r y e r s y s t e m , i n c l u d i n gt h ee l e m e n t so fi n d u c t i o n - h e a t i n gp o w e rs u p p l y , d e s i g no f c y l i n d e rd r y e r , f u n c t i o n so fp a p e rm o l d i n gm a c h i n es y s t e mc o m p o n e n t s , s e l e c t i o no fP L Cc o n t r o ls y s t e mm o d u l e s , c o n t r o la l g o r i t h ma n dp r o j e c t i m p l e m e n t a t i o n , a sl i s t e db e l o w ： 昏 a n a l y z eo ft w ot y p e so fi n v e r t e rs t r u c t u r e ：s u p p l y - - p a r a l l e lm o d ea n d s e r i a lm o d e , c o m p a r et h e i rf e a t u r e sr e s p e c t i v e l y , c h o o s et h el a t t e ro n e a st h ep o w e rs t r u c t u r ef o rp a p e rm o l d i n gc y l i n d e rd r y e r ；i n t r o d u c e P W M & P F Mm e t h o df o rc a p a c i t yc o n t r o l l i n ge s p e c i a U yt h ec a p a o f i v e P W M & P F Mm e t h o d , d e d u c t e do ft h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h ep o w e r , t h ep h a s e - a n g l e , a n da n g u l a r - f r e q u e n c y ；m a k ead e t a i l e de x p l a i no f - I I - c u r r e n ts h i f t i n gp r o c e s s e so fi n v e r t e rc i r c u i tw i t hl o s s l e s sb u f f e r d e v i c e s ；t a k ea no v e r v i e wo fs t a r t - u pa n dc o n t r o lc i r c u i t 专M a k ea ni n t r o d u c t i o no ft h em e c h a n i c a lc o m p o n e n to ft h es y s t e m , s t u d yf u n c t i o n so fe a c hP L Cc o n t r o ls u b s y s t e m , a st h e ya r ep a p e r s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l s y s t e m , h e a t i n gt e m p e r a t u r e a u t o m a t i o n c o n t r o ls y s t e ma n dr e m o t eo p e r a t i o np a n e lc o n t r o ls y s t e m 专I n t r o d u c et h eS 7 - 2 0 0s e r i e sP L C , c o m m u n i c a t i o nm o d e , p r i n c i p l ef o r c o n t r o ls y s t e mc o m p o n e n ts e l e c t i o n , d i 睁t a lf i l t e r i n g , f e e df o r w a r d a n df e e d b a c kc o n t r o lm e t h o d s ；l i s tt h ec o m p o n e n t sc o n f i g u r ef o rt h r e e c o n t r o ls u b s y s t e m s , s t u d yt h ei n c r e m e n t a ld i g i t a lP I Da r i t h m e t i ca n d s e v e r a lr e f o r m a t i v ed i g i t a lP I Da r i t h m e t i cs u i t a b l ef o rP L Ca p p l i c a t i o n ； b ye m p l o y i n gr e a lt i m ed a t ad i a g r a m sa n df i g u r e s , g i v eo u tp a r t i c u l a r d e s c r i p t i o no fa p p l i c a t i o no fd i g i t a l P Ia r i t h m e t i cw i mb o u n d a r y I n v a l i d a t i o n & v a r i a n tp r o p o r t i o n a lp a r a m e t e r & v a r i a n ti n t e g r a t i o n t i m ei np a p e rs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o ls y s t e m , a n dc o m m o nP Ic o n t r o l a r i t h m e t i ci nh e a t i n gt e m p e r a t u r ea u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m K e yW o r d s ：E l e c t r o m a g n e t i cc y l I n d e rd r y e r , I n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y I n d u c t i o np o w e rs u p p l y , P L Cc o n t r o lV a r i a n tp a r a m e t e rP I Da r i t h m e t i c , F e e d f o r w a r d - f e e d b a c kc o n t r o l - I I I - 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 袋泡茶包装材料 袋泡茶因其饮用方便卫生，茶叶内含有效成分溶出快：且饮用时定量准确， 受到消费者的青睐，市场I i i 景良好。茶叶滤纸是袋泡茶包装材料中最重要的原材 料之一，其性能和质量的好坏直接影响成品袋泡茶的质量。 作为袋泡茶内包装材料的茶叶滤纸，在茶叶冲泡过程中，既要保证茶叶有效 成分能快速扩散至茶汤中，又要能阻止袋内的茶叶粉末渗入茶汤。其特性要求具 体有以下几点： 1 ) 有足够强的机械强度( 抗拉力强度高) ，能适应袋泡茶包装机的高速包装而 不破裂； 2 ) 有足够的纵向湿抗张强度，耐高温冲泡； 3 ) 具有多孔，湿润性和渗透性好等特点，袋泡茶经冲泡后可迅速被湿润，茶 叶可溶性内含物浸出快； 4 ) 纤维要细密，均匀一致，滤纸厚度一般为0 0 7 6 2 0 2 2 8 6 毫米，滤纸孔 径2 0 2 0 0 微米，滤纸密度和多孔性要平衡； 5 ) 无味、无臭、无毒，符合卫生要求； 6 ) 重量轻，纸质洁白。 1 1 1 茶叶滤纸的类型n 3 国内外使用的袋泡茶内包装材料，按照封袋时是否需加热粘合分类，有热封 型茶叶滤纸和非热封型茶叶滤纸两种。当前最常用的是热封型茶叶滤纸。 热封型茶叶滤纸是适用于热封型茶叶自动包装机包装用的茶叶滤纸，由3 0 5 0 的木浆纤维和2 5 6 0 的热封纤维组成。木浆纤维的作用是使滤纸有足够的 机械强度和多孔渗透性。热封纤维保证热封型滤纸在定型机加热、滚压过程中能 与木质纤维黏合均匀成网状，形成湿抗张强度，并能在包装机加热、滚压过程中 粘合在一起，形成牢固的热封口。 非热封型滤纸是适用于非热封型茶叶自动包装机包装用的茶叶滤纸。非热封 浙江大学硕七学位论文 型茶叶滤纸，要求内含3 0 5 0 的长纤维木浆、麻浆或棉浆纤维等，其余则由较 廉价的短纤维和约5 的树脂组成，树脂的作用是提高滤纸耐沸水冲泡的能力。 表I I茶叶滤纸性能指标 性能指标热封型非热封型 定苗( g m 2 ) 1 7 1 91 2 1 4 横向 I 0 1 2I 0 3 0 干抗张强度( k N m ) 纵向 I 0 5 2I 0 3 9 横向 I 0 1 0 I 0 1 0 湿抗张强度( k N m ) 纵向 O 1 0 0 0 7 滤水时间( S ) 2 O 1 5 自度( )7 56 5 异味无 无 热封性能合格 漏茶末试验合格合格 水分含量( ) 7 0 7 1 1 2 我国茶叶滤纸生产的发展 我国从2 0 世纪6 0 年代开始引进袋泡茶包装机进行少量袋泡茶的生产和出 口，但是当时所需的袋泡茶包装滤纸完全依赖进口，不仅需要支出巨额外汇，并 且由于袋泡茶包装滤纸是纸类制造中难度较大的一个纸类品种，有关国家对我国 出口条件苛刻。为此，杭州新华造纸厂即现在的杭州新华纸业有限公司，克服种 种困难，并通过引进设备，研制成功非热封型茶叶滤纸、热封型茶叶滤纸的生产 工艺，目前拥有了较大的茶叶滤纸产能和稳定的质量保证。近些年来随着中小型 企业的发展，众多的私营企业开始涉足茶叶滤纸的生产，并有意识的采用新的茶 叶滤纸定型工艺，取得了良好的经济效益。 适用于国内热封型茶叶过滤纸生产的热封型茶叶滤纸行业标准，目前已 制定完成。该标准是由全国造纸标准化中心组织，并由杭州新华纸业有限公司承 担起草的。在该标准中，除规定了定量、抗张强度、滤水时间、亮度( 白度) 、异 昧、漏茶末、热封性等技术指标及其测试方法外，还规定了卫生要求等性能指标， 摘取部分内容“1 列表如下。 浙江大学硕十学位论文 表1 2熟封犁茶叶滤纸技术指标 指标名称单位规定 定簧 g m 2 1 8 5 1 02 2 1 2 0 5 20 6 4 抗张强度I 袭宝I k N m 0 1 20 1 4 湿抗张强度( 纵向) k N mO 10 1 2 滤水时间 S23 亮度( 白度) 7 5 7 5 异味合格合格 漏茶末合格合格 热封性 合格 合格 交货水分 5 0 9 05 0 9 0 1 2 茶叶滤纸热定型工艺 茶叶滤纸的生产，包含原纸和定型两个主要工艺。热封型茶叶滤纸，在制造 原纸的过程中在木浆基质的基础上掺入热封纤维如聚丙烯纤维等，然后在特定温 度下经过热处理并挤压成型，得到成品纸。茶叶滤纸原纸在操作温度下的热处理， 即为茶叶滤纸定型工艺。 由于茶叶滤纸原纸的克重比较低，横、纵向干抗张强度比较小，且原纸热定 型工艺一般不使用引导网布，仅依靠纸张的抗张强度。经过放卷机构、放卷张力 架、舒张辊、主烘缸、冷缸、收卷张力架、收卷机构的同步控制来完成。一般而 言，放卷、主烘缸、冷缸、收卷都使用变频器驱动变频电机主动拖动，通过使用 控制策略协调走纸系统的同步：舒张辊用来保持纸张的平展和走纸的纠偏，张力 架反映张力的变化并对控制系统进行反馈。定型机系统的结构示意图如图卜1 ： 图I - I 原纸定型机结构 浙江大学硕十学位论文 主烘缸作为加热装置，是茶叶滤纸热定型系统的核心机构。原纸经过恒定温 度( 一般为1 7 0 C 左右) 的烘缸时纸面被加热，热封纤维如聚丙烯纤维等高温熔 融，在压辊的作用下与原木浆纤维紧密黏合并在纸内部形成网状结构，达到茶叶 滤纸成品的湿抗张强度指标。烘缸巨大的发热体暴露在空气中，有一定的散热损 失；将原纸加热并使得热封纤维熔融，需要损耗相当的热量，并考虑其他的一些 热损失的因素，为了保证烘缸有恒定的操作温度，需要对烘缸进行及时的热量补 偿。就供热方式而言，有油热烘缸、蒸汽烘缸、电热烘缸、电磁加热烘缸等。 目前，油热烘缸、蒸汽烘缸由于工艺成熟，加热原理简单，容易控制温度， 使用较广，多年来一直被多数的造纸企业使用。但是，受设备一次投资费用、维 护成本、能耗、环保、安全因素的约束，传统热烘缸受到新型加热烘缸的冲击。 电磁感应加热烘缸便是一种新型的理想的热烘缸，克服了传统热烘缸的缺点，有 良好的应用前景。 1 3电磁感应技术在造纸定型的应用和优势3 C ， 为避免传统热烘缸的不足，满足环保、能耗方面的新要求，函需找到一种新 型的加热方式，应用到造纸烘缸设备中。电磁感应加热方式是一种很好的替代方 案，相比传统加热烘缸方式： 1 ) 加热温度高，而且是非接触式加热。茶叶滤纸定型所要求的1 7 0 一2 0 0 左右的温度，蒸汽烘缸一般不易达到如此高的操作温度：而油烘缸在安全、环保、 能耗方面都处于相对的劣势。 2 ) 加热效率高、节能。电磁感应烘缸可以在2 个小时内完成1 7 0 C 升温并恒 温，并立即投入生产，相比之下传统烘缸要花更长的时间让烘缸进入工作状态。 能量通过电磁感应涡流效应直接作用于烘缸的工作面，加热速度快，没有传热环 节，传热损失大为减少。 3 ) 可以局部加热，产品质量好。由于涡流效应是电磁烘缸能量传递的唯一 方式，可以通过改变加热线圈的形状、间距等手段来调整加热区域的大小和加热 均匀度，确保纸张质量。 4 ) 容易实现自动控制，省力，作业环境好，热、噪声和灰尘污染小。走纸 同步系统和温度控制系统使用高性能的P L C 来实现，操作简单可靠，并不需要复 浙江大学硕士学位论文 杂的维护和太多的人员配给就能维持一套定型生产线的运行。 5 ) 设备占地面积小，生产效率高。整个电磁感应加热定型系统仅包含定型 机构、中频电源系统、控制柜( 台) 三个基本组件，并不需要油烘缸或者蒸汽烘缸 的蒸汽、油路、热循环介质等庞大管道设备，附加设备几乎无。 1 4 电磁感应加热方式 1 4 1电磁感应加热原理 如图1 卜2 所示：将一个顺磁性金属导体外面套上一匝数为0 的线圈，当 在线圈两端，加上频率为五的交变电 压时，交变的电流毛就会通过感应圈， 产生相同频率的交变磁通中，根据法 拉第电磁感应定律呻3 ，处于交变磁场 中中的顺磁性金属导体内部会产生感 应电动势e ，令交变磁通中为正弦变 化量，其角频率为，则o = o 。s i n ( a t ， 式中( b m 为磁通的极大值。 感应电势为： f L 图1 - 2 电磁感应加热原理 P = 一N o m ，0 C O S c o t = N o * ，s i n ( 研一妥) 可以看出，这也是一个交变的等频正弦量，最大值为0 m ，缈，并且相对于线圈电 动有一个9 0 。的相位延迟，得到感应电动势的有效值E 的值为： E ：e 耳：N o m m O J ：N o a P , ，2 x f 。4 4 4 N o f O 。， 24 2 4 2 ” 从感应电动势的产生来看，电磁感应现象不需要感应线圈与金属导体接触， 能量的传递通过磁场来实现。 感应电动势P 在导体( 顺磁性金属加热导体) 区域产生感应电流j ，该电流 在导体内部呈涡旋状，被称为涡电流。由于块状顺磁性金属，一般电阻都很小， 因此在金属内部流动的电流很大，热效应很明显，其焦耳热与金属导体电阻、加 辱 浙江大学硕十学位论文 热功率的大小与感应电动势有关，感应线圈两端所加交变电压频率f o 越大，感应 线圈产生的磁场强度。越大，涡流加热效应越明显。另外，涡流的大小与金属 导体的导电率、导磁性、金属截面情况等因素有关。 电磁感应加热，正是利用电磁感应现象产生的感应电流对加热体做功，电能 转化为金属导体的内能，使得金属导体的温度得到升高，达到加热的目的。整个 能量转化过程如下图卜3 所示： 电能磁场能电能内能 口訾圈燮曰瞥团 豳l - 3 感应加热能量转换 1 4 2集肤效应 在微波频率时，导体的电流密度将不会是平均分布于整个导体内部，而是在 表面附近有较大的电流密度，在导体中心部分的电流密度是最小的。我们称这种 现象为“集肤效应”。1 ( 电流几乎全部集中 在导体表面上) 。 高频时的导体电流密度分布情形，大致如图 卜4 所示，由表面向中心处的电流密度逐渐减小。 在此引进一个临界深度5 ( 临界值) 的大小，此深 度的电流密度大小恰好为表面电流密度大小的 1 e 倍： 口= = = = 2 2 斫妒 I 1 1 e o 5 d 图1 4 其中，f 为频率，1 1 为导磁率弋 心山 萨 矿 。9 一 y 队t) 。8 艮卅 k 01 2 【41 6【8 。乞 少 I 图2 - 8 串联谐振电路的阻抗、频率特性曲线 如果谐振电路的品质因数Q 足够高并且工作频率接近负载的谐振频率五，则 输出电流近似为正弦波，用负载的基波电压有效值U o 。来表示，则输出功率P o 可 表示为： P o = ，2 定= ( i U 荡o L ) 2 詹 = ( 孑卷丽) 2 露 2 l 可鬲霖零 ：蠼! = 詹 R ! + 一士y 上式中I 为负载基波电流的有效值，U o 。为负载基波电压有效值；m 和f 分别 为逆变器的工作角频率和工作频率。从输出功率P 0 公式可以看出，只要改变逆变 器的输出电压或者工作频率就可以改变输出功率的大小。 另外从交流电功率的计算方法知，输出功率P 0 也可以表示为： P o = U n t lC O S 峪 由此式可知，除了改变基波的电压有效值外，还可以通过调整相位角巾来调整电 源输出功率。 上面的公式是各种功率调节方法的理论基础。根据各种调功原理的不同，可 以将中频电源的功率调节方法分为两大类：直流调功，这种方法是通过调节输入 的直流电压的幅值来调节功率；逆变调功，这种方法通过调节输入电压的频率来 调节负载功率因数，或者通过调节输出电压的有效值( 调节占空比) 来调节功率。 限于篇幅，这里仅介绍本项目中使用的容性P W M & P F M 调功方式，它是逆变调 功方法的一种。 浙江大学硕士学位论文 2 3 2脉冲宽度与频率混合调制( P w M & P F M ) 方法 这种方法是通过调节输出电压的脉冲宽度以及输出频率来实现功率调节的。 由于这时输出电压的频率和脉冲宽度同时发生改变，为了区别于工作频率不变的 移相P W M 方法“们乜”，称这种方法为脉冲宽度与频率混合调制( P W M & P F M ) 方法。 在一般逆变器如D C - D C 变换逆变器中，常用的移相P W M 方法的工作频率是固定 的，不需考虑负载在不同工作频率下的特性，而串联谐振感应加热电源要求其工 作频率必须跟踪负载的谐振频率。在串联谐振感应加热电源使用移相P W M 方法 时，通常使某一桥臂的驱动脉冲信号与输出电流的相位保持一致，另一桥臂驱动 脉冲信号与输出电流的相位差则可以调节，通过改变两个桥臂开关器件的驱动信 号之间的相位差来改变输出电压有效值，以达到调节功率的目的。也就是说，在 控制电路中设法使两个桥臂开关的驱动信号之间错开一个相位角，使得负载输出 的正负交替电压之间插入一个零电压值。这样只要改变相位角就可以改变输出电 压的有效值，最终达到调节输出功率的目的。 我们称与输出电流的相位保持一致的桥臂为定相臂，由于另外一个桥臂的驱 动脉冲信号与输出电流的相位差可调，称该桥臂为移相臂。 根据输出电压基波和输出电流的相位关系有三种P W M & P F M 控制方式，根据不 同的情况下的负载特性划分为： 1 ) 感性P W M & P F M 方法：电压基波超前输出电流； 2 ) 容性P W M & P F M 方法：电压基波滞后输出电流； 3 ) 谐振型P W M & P F M 方法：电压基波和输出电流同相位。 限于篇幅，这里不做详细分析讨论。归纳一下这三种脉冲宽度与频率混合调 制( P w 腿P 刚) 方法的优缺点： 母感性P W M & P F M 方式： 优点：采用不控整流，电路简单，成本较低功率调节范围宽，控制电 路的实现较容易。工作中频率随功率的变化而变化，但变化范围没有P F M 方 式宽。采用并联电容的方法实现软开关。反并联二极管没有反向恢复问题， E M I 小，适合于采用单极型开关器件的小功率高频感应加热电源的调功。 母容性P W M & P F M 方式： 优点：采用不控整流，电路简单，成本较低。功率调节范围宽，控制电 浙江大学硕十学位论文 路的实现较易。工作中频率随功率的变化而变化，但频率的变化没有P F M 方 式范围宽。反并联二极管有反向恢复问题，E M I 比感性P W l g P F M 方式大。采 用在开关器件回路中串联电感的方法实现Z C S 软开关，比感性P W M P F M 方式 稍复杂。适合于采用双极型器件的中小功率感应加热的调功。 专谐振P W M & P F M 方式： 优点：采用不控整流，电路简单，成本较低。功率调节范围宽，控制电 路比较容易实现。电路始终工作在谐振状态。反并联二极管有反向恢复问题， E M I 较大。采用在开关器件回路中串联电感和在开关器件两端并联电容的方 法实现软开关，比较复杂；软开关范围较窄。适合于小功率感应加热的调功。 综上，容性P W M & P F M 方法可采用在开关器件回路中串联电感的方法实现 Z C S ( 零电流转化) 软开关，适用于采用双极型器件的中小功率感应加热的调功。 本课题要开发的中小型造纸感应烘缸中频电源，采用双极型的可关断器件 I G B T 作为开关器件，因此调功电路采用容性P W M S t P F M 控制方式。 串联逆变器是恒压源供电，为避免逆变器的上下桥臂开关器件同时导通引起 电源短路，换流时必须保证先关断，后开通。此外，在开关器件关断期间，为确 保负载电流连续，使I G B T 免受电容器上高压的影响，必须在开关器件两端反并 “快恢复二极管”。在容性P W M & P F M 控制方式下，移相臂控制信号相位角滞后 于电流相位，电路的结构简图及开关器件控制信号如图2 9 所示： U d IlI5 量 l- _I王 1I1llIL l t ：；l ，僦l 饼手吲兰 t 0t 1 钳i 1 t l lf 1It IIn 沈IT 3lT 2 龆l 髓f ( a ) 电路结掏( b ) 控糕i 言号及波形 图2 - 9 容性P W M & P F M 控制原理图 从图2 9 ( b ) 中可以看出，定向臂T 1 门极控制信号U I 。与输出电流I 。同相位， 移相臂T 3 门极控制信号u 。滞后于输出电流I 。的相位B 度。我们把加载在R L C 串 联负载a b 两端的电压记为U 。，则只有开关器件T l 和T 3 同时导通时，电压源电 浙江大学硕十学位论文 压U a 才加载到a b 两端，U o 的波形如图2 - 9 ( b ) 中最下方的方波所示，电压幅值为 U s 。负载端电压如的基波电压；己为U o 。，则显然U o 。滞后于电流L 的帽位度为B 2 。 通过对电路进行计算，可以求得电路输出的有效功率( 基波有效功率) 为： 耻等( c o s 争 电路在谐振频率下的功率P 。为： 8 ，2 凡。意 将P o 。与 相比较，得到无量纲的形式： e o _ _ L = ( c o s 鲁) 4 计算出角频率和移相角1 3 的关系为： ( 尺c t a n ! ) 2 + 4 L C R C t a n 山。瓜一 与谐振角频率。比较，得到无量纲的形式： U 蜘 1口 萄姐n 专 由上面推导的公式，可以作图得到输出有功功率和负载角频率随移相角B 变化的关系图，如图2 - 1 0 所示； P 1 ， f 广、飞 ! 绷 4o 女3 n 1 l ； 、 图2 一I O 输出功率、负载角频率与移相角p 的关系 从图2 一l O 可以看出：移相角6 最大，输出脉宽最小，输出功率最小，工作 频率远小于谐振频率：随着移相角6 的逐渐减小，其输出脉宽逐渐增大，输出功 率也逐渐增大，负载的工作频率逐渐升高；当移相角B 为0 时，输出脉宽最大， 浙江大学硕士学位论文 输出功率也最大，工作频率等于负载谐振频率。 由上面的推导可以得出输出功率在不同的Q 值下随负载角频率的关系，与谐 振输出功率P 。比较，得到无量纲形式为： P o , = = j ! 一 名 Q z ( 竺一笪) + l 】： 国 如图2 - 1 l 所示的输出功率随负载频率变化曲线可以看出：负载角频率u 越接 近谐振频率m 。，输出功率越大；品质因数Q 越大，输出功率对频率的变化越敏感； 当频率降为谐振频率u 。的7 0 左右时，输出功率基本上降为零，在整个量程的功 率调节过程中，频率变化并不大。 2 4 实用电路 2 4 I逆变主回路 在实际运行情况下，器件的硬开通和硬关断会产生较大的开关损耗，同时器 件内部反并联二极管的反向恢复，器件的硬开通、硬关断也会带来电磁干扰( E M I ) 噪音。为了减少器件的开关损耗，减低E M I 噪音，保证正常长期稳定工作，必须 让器件使用软开关技术。 软开关的实现，是在定向臂T l 、T 4 上并联无损缓冲电容，在移相臂T 2 、T 3 上串联无损缓冲电感来实现。在实际的应用中，普遍采用并联无损缓冲电容在定 向臂实现Z V S - O N & Z C S O F F ，串联无损缓冲电感在移相臂实现Z C S O N O F F ，这样 的手段保证器件都实现了软开关。 电力电子开关器件并不是理想的开关器件，它具有各种寄生参数。如I G B T 浙江大学硕十学位论文 器件的集电极和发射极分布电容C c e 等，当管子截止时可以粗略地认为是一个理 想开关和一个寄生电容并联。由于线路的电阻很小，这个寄生电容会和零电流桥 臂引入的无损吸收电感在管子关断后产生谐振，破坏整个电路的正常工作。可以 采用在两个吸收电感两端并联二极管与电阻串联的方法，从根本上解决由于寄生 电容引起的振荡问题，并且对主回路基本无影响。 - 孙嬖乜劐 上 Z二 i = = 翻 上 一一一 = c “瑚 门 Z一 H 矾B 弱 图2 。1 2 实用型的主电路拓扑 增加了缓冲器件，并考虑电路寄生电容的影响，添加了消除振荡回路的二极 管和电阻器件的实用主电路拓扑如图2 一1 2 所示“们瞳”。 2 4 2逆变回路换流过程分析 含有缓冲器件的逆变过程换流回路与理想态下I G B T 器件硬开关时候不同，中 间多个过程与缓冲器件的参数有关。抗寄生电容电路振荡的二极管和电阻的加 入。对主逆变回路并没有影响；相反，改进后的电路更接近没有电路寄生电容的 理想电路结构。因此在下文的逆变回路换流过程分析中“训乜“，仅考虑缓冲器件 的作用，而不画出抗寄生电容电路振荡器件来。 1 ) 过程1 ： 见图2 一1 3 ( 下页) ，t O t 1 期间： T 1 0 F F ，T 4 O F F ，T 2 - O N ，T 3 O F F ： 由于此I ；i T l O F F ，T 4 0 N ，电容C s l 上电压为u d ，电容C s 4 上电压为0v ， 浙江大学硕十学位论文 电流为负，电容C s 4 放电，C s l 充电。 为了保证T 4z c s - _ o N ，必须等C s 4 完 全放电后才可以开通T 4 。 U d 2 ) 过程2 ： 图2 - 1 4 ，t l - t 3 期间； T 1 - - O N ，T 4 勺F F ，T 2 。0 N ，T 3 O F F , ， 虽然在t 2 - t 3 期间T 2 开关从开通 到关断，但由于电流为正。电流仍从 D 2 流过，开关状态的变化不影响电流 的流向和大小，所以将这两个区自J 统 一讨论。 U d C s 4 完全放电后开通T 4 ，电流为 正，电流通过T 1 ，负载，D 2 流过。 3 ) 过程3 ： 见图2 - 1 5 ，t 3 一t 4 期问： 从t 3 时刻开始T 3 导通，电流开 始从上桥臂的二极管D 2 向下桥臂的 T 3 转移，由于在臂内串联有限流电 感，电流逐渐变化。 U d 由前文分析中可知：开关器件的 开关应力最大的时刻发生在移相角 约为B = 6 2 5 。时刻，假设在此时开 始换流且要求换流时间为t ， T lD lC s l T 2 D 2 一z 、-J I i ：c d 卜 爿z T 4D 4C s 4 T 3D 3 图2 1 3t 0 一t 1 ( t 9 一t 1 0 ) T 1D 1C s lT 2 D 2 j I ! | jk 甚 晋 l山 上J 藕 T 4D 4 C s 4T 3D 3 图2 - 1 4t l - t 3 T 1D 1C s l他D 2 脚 1 T- J I ：习僻 T 41 ) 4 C s 4T 3D 3 图2 一1 5t 3 一t 4 若这时的电流为i ，则限流电感取值为：l s = 旦芒生， Z k 在设计换流电感时，为了保证零电流换流效果，l s 应取得大一些，但由于二极管 浙江大学硕七学位论文 D 2 存在反向恢复问题，反向电流会在电感上产生电压尖峰，该电压尖峰叠加在开 关器件上，电压尖峰太大会增加器件的损耗并有可能导致器件的过压击穿，所以 l s 的取值应同时考虑零电流换流和电压尖峰的峰值，在设计时折衷考虑，并尽量 选择模块内反并联二极管具有软恢复特性的I G B T 器件。 4 ) 过程4 ： 见图2 1 6 ，t 4 - t 5 期间： T l O N ，T 4 一O F F ，T 2 一O F F ，T 3 圳： 到t 4 时刻。电流从D 2 完全转移到U d T 3 ，电流从直流电源经T l 、负载、T 3 管形成回路。由于这时二极管D 2 从开 通过渡到关断，D 2 存在反向恢复问题， 反向恢复电流在缓冲电感上产生 电压尖峰，使得T 1 承受尖峰电压。 5 ) 过程5 ： 见图2 - 1 7 ，t 5 - t 6 期间： T 0 F F ，T 4 O F F ，T 2 0 F F ，T 3 删： 在t 5 时刻T 1 关断，T 4 仍未开通，U d 电流为正，这种情况和t 0 一t l 的情况类 似，不同的是t 0 一t 1 期间电容C s 4 放电， C s l 充电，在t 5 - t 6 期间则有C s l 放电， C s 4 充电。 T 1D lC s lT 2 D 2 一； k 3 l 彳确 ! C d 卜 爿j T ID lC s l讫D 2 l e 笔j 掣 2 l c p , 也；L 1 ，JI _ | z 上J 、 嘏。丁 丁4D | | C s 4T 3D 3 图2 - 1 7t 5 一t 6 当负载最轻且满足T f 0 时的缓冲电容值能实现在全功率范围内的软开关。 定向臂缓冲电容的取值为： o = 舄 1 - c o s ( 缈7 0 D ， 式中取= 乙( 上下桥臂的死区时问，一般取1 跏) 浙江人学硕十学能论文 6 ) 过程6 ： 见图2 一1 8 ，t 6 一t 8 期间： T 1 0 F F ，T 4 O N ，T 2 叼F F ，T 3 - - 0 N ： U d 电流从D 3 一L s 2 一负载一T 1 形 成回路。 T ID 1C s l T 2D 2 l 博。T 毒j i 7 ) 过程7 ： 见图2 一1 9 ，t 8 一t 9 期间： T l 0 F F ，T 4 - - 0 N ，T 2 O N ，T 3 O F F ； T 2 , T 3 管发生臂间换流，与过程U d 3 类似，不同的是在过程3 中换流是从 上管( T 2 ) 到下管( T 3 ) ，本过程中换 流是从下管( T 3 ) 到上管( T 2 ) 。 T 4D 4C s 4T 3D 3 图2 一1 8t 6 一t 8 T 1O lC s I他D 2 l k 球。 J ( 2 l ：C dL Ir 1 上J 捧奉 J 栌 T 4 D 4C s 4 T 3 D 3 图2 一1 9t 8 一t 9 8 ) 过程8 ： 见图2 - 1 3 ，t g - t l O 期间。同过程l 。 2 4 - 3电路启动与锁相嵋妇 由前文分析可知，容性P 州& P F M 调功方式下逆变桥开关器件阀极控制信号的 频率要与负载的工作电流的频率( 相位) 相同或有一6 角的恒定相位差。 感应加热电源在正常工作时，为使I G B T 阀极控制信号频率能自动调整而适 应负载的变化，必须工作在闭环自激状态，即逆变电路的触发信号取自于负载端。 但是在系统未投入运行时，滤波电容C 中没有充电，负载端也没有输出，无法取 出信号，所以自激工作方式存在启动问题。 解决的办法是：电路启动时先对滤波电容充电，使电源在闭环工作前就在负 载中先建立起工作电流；当负载电流足够大，能让相位检测电路准确检出时，再 将电路自动转换到闭环自激工作状态，这就是启动时采用的他激转自激的控制策 略。在启动过程中或者是负载电流低于阀值I 。时采用开环的定频控制，工作于他 浙江犬学硕十学位论文 激状态，他激频率等于负载的谐振频率；而当输出负载电压大于阀值I c 时进行自 动切换，使逆变器工作于频率闭环，跟踪负载频率的变化。 逆变电路的定向臂触发信号还必须与负载电流同相位。为了准确检测负载电 流的相位，还需要在控制电路里设计锁相环以及驱动电路。由于主电路工作在高 频状态，相对于数字电路锁相而言，选用模拟电路锁相相对简单，也比较容易实 现。在本文系统的开发中，选用了以4 0 4 6 锁相环电路为核心的锁相控制电路。 2 4 4控制电路原理 锁相环电路、他激转自激电路，再加上比如他激信号发生器、死区形成电路、 驱动保护电路等，构成感应加热电源的控制电路，其原理框图H 8 1