（控制理论与控制工程专业论文）感应加热电源数字移相控制技术的研究.pdf

中文摘要 感应加热电源以其环保、节能等优点在工业生产中得到了广泛的应用。传统 的感应加热装置多采用模拟控制电路，模拟电路不可避免的存在调试困难、元件 易老化等缺点。随着芯片技术的不断发展，人们逐渐致力于发展基于芯片控制的 数字化感应加热电源，采用这种数字化设计的方法具有设计灵活、修改方便和易 于实现的优点，在感应加热领域中，数字化控制已是个发展的方向。本文采用 移相控制方法对感应加热电源进行数字化设计。 本文首先介绍了感应加热的基本原理和特点，阐述了感应加热电源技术的发 展现状及趋势。以串联谐振式感应加热电源为研究对象，重点分析了几种常用的 感应加热电源调功方式，在对比各种调功方式的基础上，选择了移相p w m 方式对 逆变器进行功率调节，并对移相控制进行了详细的分析。 然后，针对感应加热电源的负载特点，对频率跟踪中常用的锁相环技术( p l l ) 进行详细的研究。在参阅了国内外相关文献的基础上，首先分析了锁相环的原理、 模型及跟踪性能，进而延伸到数字锁相环线性化相位模型，对数字锁相环( d p l l ) 的稳定性进行理论与仿真分析，提出基于d s p 的数字锁相环并在d s p 芯片进行设计 实现。 最后，介绍了移相控制与锁相环相结合的具体数字实现方法，并以t i 公司的 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心对电源的控制系统进行硬件设计和软件流程设计，针对采 用的移相控制方法，采用m a t l a b s i m u l i n k 软件对电源系统进行仿真，验证控制方 法的可行性。 关键词：感应加热电源移相控制数字锁相环m a t l a b s i m u l i n k a b s t r a c t i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rh a sb e e nu s e dw i d e l yi ni n d u s t r i a la r e a sf o rt h ea d v a n t a g eo f ) t e c t i n ge n v i r o n m e n ta n ds a v i n ge n e r g y i nt r a d i t i o n a lm e t h o dw h i c h u s e sa n a l o g ) ，c o n t r o i c u i t ，s o m ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sd i f n c u l td e b u g g i n ga n da g i n gc o m p o n e n ta r eu n a v o i d a b l e i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fc h i p ，p e o p l e 伊a d u a l l yd e d i c a t et od e v e l o pt h e ! i t a ld e s i g no fi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rb a s e d0 nt h ec h i p s ，w h i c hh a sa l o to fa d v a n t a g e s ：ha sa g i l i t yt od e s i g n ，c o n v e n i e n tt oa m e n da n de a s yt or e a i i z e i ni n d u c t i o nh e a t i n g6 e l d ， ；i t a lc o n t r o l i sb e c o m i n gt h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c y i nt h i sp a p e r ，ad i g i t a lc o n 仃o lm e t h o d o f a s e s h i f b e dp w ma n df r e q u e n c yt r a c i n gw i t hp h a s e l 0 0 k e dl o o pi sd e s i g n e df o r t h e l u c t i o nh e a t i n gp o w e r f i r s t l y ，t h ep r i n c i p i u ma n dc h a r a c t e r so f t h ei n d u c t i o nh e a t i n ga r ei n t r o d u c e di nb r i e f t h e 胁sa n dt h ee v o l u t i o n so ft h ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rt e c h n o l o g ya r ed i s c u s s e d w i t ht h e i e sr e s o n a n ti n d u c t i o nh e a t i n gp o w e ra st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h ew a y so fp o w e rr e g u l a t e df o r 1 u c t i o nh e a t i n gp o w e ra r ea n a l y z e d ，a n dt h ep h a s e - s h i f t e dp w mi sc h o s e nt or e g u i a t et h e s t e mp o w e ra n da n a l y z e di nd e t a i l a r e r w a r d s ，t h ep h a s e l o o k e dl o o p ( p l l ) t e c h n o l o g y i si n v e s t i g a t e dt h a ti su s e dw i d e i y i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rc o n t r o lb yp h a s e s h i rp w m ( p s p w m ) b a s e do nt h ea v a i l a b i e c u m e n t sa th o m ea n da b r o a do nt h i ss u b j e c t ，t h ep r i n c i p l e ，m o d e la n dt r a c i n ga b i l i t yo fp l l ：a n a l y z e df i r s t l y ，t h e nt h el i n e rp h a s em o d e lo fd i g i t a l p h a s e l o o k e dl o o p ( d p l l ) i s a l y z e d ，t h es t a b i l i t ) ro fd p l li sa n a l y z e di nt h e o 巧a n ds i m u l a t e d ，a n dt h e na m e t h o do f p l e m e n td p l lb a s e d o nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri sp u tf b n ，a r da n di m p l e m e n t e d fi n a l l y ，t h ed i g i t a li m p l e m e n to fc o m b i n a t i o no fp s p 、7 旷ma n dd p l li si n v e s t i g a t e di n t a i l b a s eo nt h ec h i po ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7p r o d u c e db yt ic o 叩o r a t i o n ，t h eh a r d w a r ea n d f t w a r ec o n t r o ls y s t e mo fh ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e ra r ed e s i g n e d ，a c c o r d i n gt ot h ec o n t r 0 1 ：t h o d t h es y s t e m ss i m u l a t i o nw i t hm a t l a b s i m u l i n ks o r _ 、v a r es h o wt h ep r o p o s e dc o n t i o l j t h o di sr e a s o n a b l e e yw o r d s ： i n d u c t j o nh e a t i n gp o w e r ，p s p 、7 l ，m ，d p l l ，m a t l a b s i m u l i n k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处夕卜，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不雹含为获得丕童基堂或萁 也教育机构的学使或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：现赢劬 签字曰期：h 口g 年g 月x 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基主盘堂有关傈留、侵蠲学位论文的规定。 特授权鑫鎏苤鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：弓莨翰0 笾乙 导师签名： 阀莎炙九 签字日期：7 绷年多胃劢e |签字目簸：多。q 年胃如墨 第一章绪论 第一章绪论 1 1 感应加热技术的基本知识 1 1 1 感应加热的发展简史 人们早在1 9 世纪初就发现了电磁感应现象，知道处于交变磁场中的导体内 会产生感应电流而引起导体发热。但是，长期以来人们视这种发热为损耗，并为 保护电气设备和提高效率而千方百计的减少这种发热。直到19 世纪末才开始开 发和利用这种热源进行有目的的加热、熔炼、透热、淬火、焊接等热处理，随之 出现了各种形式的感应加热设备。 1 8 9 0 年瑞典人发明了第一台有芯感应熔炼炉，1 9 1 6 年美国人发明了“潜沟 式”有芯感应炉用于有色金属的冶炼，1 9 2 1 年无芯感应炉在美国出现，采用火 花式中频电源，后来出现了中频机组电源和现在的晶闸管变频电源。1 9 2 7 年开 始采用中频无芯炉炼钢，在此期间广播通讯领域迅速推广的电子三极管也被引进 感应加热技术，以其构成的高频电子振荡器在焊管、淬火等工艺中深受欢迎。二 战后，世界各国工业遭到严重破坏，为了节约能源，减少对环境的污染，世界各 国大力发展感应加热技术，感应加热技术因此而得到迅速发展，应用范围不断扩 大。 五十年代末出现的晶闸管引起了感应加热技术以至整个电力电子学的一场 革命。晶闸管在电力电子学中的应用具有划时代的意义，它标志着以固态半导体 器件为核心的现代电力电子学的开始。因此晶闸管出现后，欧洲各国先后开始研 制晶闸管中频装置，1 9 5 6 年瑞士、西德研制成功晶闸管中频装置。到七十年代 后期，晶闸管中频装置已逐渐取代了中频发电机组，成为中频感应加热领域的主 导产品。 自八十年代开始，一系列新型自关断器件如m o s f e t 、i g b t 、m c t 等的出 现，使电力电子技术向更高频率的应用领域进军。 1 1 2 感应加热的特点与应用 自工业应用感应加热技术以来，己过去1 0 0 多年了。在这期间，感应加热理 论和感应加热装置都有很大发展，感应加热的应用领域亦随之扩大，其应用范围 越来越广。究其原因，主要是感应加热具有如下一些特点1 2 】： 第章绪论 ( 1 ) 加热温度高，而且是非接触式加热； ( 2 ) 加热效率高一节能； ( 3 ) 加热速度快一被加热物的表面氧化少： ( 4 ) 温度容易控制一产品质量稳定，省能； ( 5 ) 可以局部加热一产品质量好，节能； ( 6 ) 容易实现自动控制一省力； ( 7 ) 作业环境好一几乎没有热、噪声和灰尘； ( 8 ) 作业占地少一生产效率高； ( 9 ) 能加热形状复杂的工件； ( 1 0 ) 工件容易加热均匀一产品质量好； 现在感应加热技术己广泛应用于国民经济的各个领域，感应加热可用于金属 熔炼、透热、热处理和焊接等过程，己成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、 锻和船舶、飞机汽车制造业等不可缺少的能源。此外，感应加热己经或不断地进 入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉、热水器等都是可以用感应加热作 为能源。 1 1 3 感应加热的原理 感应加热属于目前广泛应用于工业加热场合的非接触式加热方式，是根据法 拉第于1 8 3 1 年发现的电磁感应原理，利用感应涡流的热效应对导体进行加热，其 原理如图1 1 所利1 2 】： 图l 一1 感应加热原理 2 电流 感应线圈 金属工件 第章绪论 当感应线圈上通以交变的电流时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通矽，交 变磁通矽又会在金属工件上产生感应电势p ，根据m a x w e l l 电磁方程式，感应电 动势的大小为： e ：一型 衍 ( 1 1 ) 式中是线圈匝数，假如痧是按正弦规律变化的，则有： 矽= 。s i n 刎 ( 1 _ 2 ) 那么可得到感应电动势为： p = 一。缈c o s 耐 ( 1 3 ) 因此感应电动势的有效值为： e ：丝警“4 4 啪。 2 “ ( 1 4 ) 由此可知，感应加热是利用电磁感应将电能传递给被加热工件，然后在工件 内部电能又转变为热能的过程。感应电动势在工件中产生感应电流，又称涡流， 使工件加热。其焦耳热为： 形：0 2 4 厂2 尼f( 】一5 ) 其中： 缈一感应电流通过电阻产生的热量，j ： ，一感应电流有效值，a ； r 一工件的等效电阻，q ： f 一工件通电的时间，s 。 由上面的式( 1 4 ) 可以看出，感应电动势及发热功率与交变磁通的频率和 磁场强度有关，感应线圈中流过的电流越大，其产生的对应磁通量就越大，因而 可以通过提高感应线圈中的电流值而使工件中的感应涡流加大；一定条件下提高 工作频率也可以提高工件中的感应电流，从而使工件发热效果得到增强，加热速 度增快。感应涡流的大小同时与金属工件的截面大小、形状、工件材料的导电率、 导磁率及透入深度等因素有关。 第一章绪论 1 2 感应加热技术的发展现状及趋势 1 2 1 国外感应加热技术的发展现状 目前，在低频感应加热领域普遍采用传统的工频感应炉。国外的工频感应加 热装置可达数百兆瓦，用于数十吨的大型工件透热或数百吨的食用水保温。预计 短期内，以固态器件构成的低频感应加热电源在功率、价格、可靠性方面还很难 与简单可靠的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积和性能均大于工频炉。 在中频( 1 5 0 h z 2 0 z ) 范围内，晶闸管感应加热装置已经完全取代了传统的 中频发电机和电磁倍频器，国外的装置容量已经达到数十兆瓦。 在超音频( 2 0 l 出z 1 0 0 z ) 范围内，i g b t 的应用占主导地位。1 9 9 4 年日本 采用i g b t 研制出了1 2 0 0 k w 5 0 k h z 电流型感应加热电源，逆变器工作于零点压 开关状态，实现了微机控制。19 9 3 年西班牙也报道了3 0 6 0 0 k w 5 0 10 0 l h z 的i g b t 电流型感应加热电源【3 1 。欧美地区其他一些国家的系列化超音频感应加 热电源的最大容量也达数百千瓦。 在高频( 1 0 0 l ( h z 以上) 领域，国外己从传统的电子管电源过渡到晶体管全固态 电源。以日本为例，其系列化的焊管用电子振荡器的水平为5 1 2 0 0 k w 1 0 0 5 0 0 l ( h z ，而采用s i t 的固态高频感应加热电源的水平可达4 0 0 k w 4 0 0 l 出z 。欧 美各国采用m o s f e t 的高频感应加热电源的容量也在突飞猛进。例如，西班牙 采用m o s f e t 的电流型感应加热电源制造水平可达6 0 0 k w 4 0 0 k h z 【4 】，比利时 i n d u c t oe l p h i a c 公司生产的电流型m o s f e t 感应加热电源水平可达lm w l5 6 0 0 k h z 【5 1 。 1 2 2 国内感应加热技术的发展现状 我国感应加热技术从5 0 年代开始就被广泛应用于工业生产当中，6 0 年代末 开始研制晶闸管中频电源，浙江大学首先研制成功国内第一台晶闸管中频电源， 到目前已经形成了一定范围的系列化产品【6 】，并开拓了较为广阔的应用市场。在 中频领域，晶闸管中频电源装置基本上取代了旋转发电机，己经形成了5 0 0 8 0 0 h z 1 0 0 5 0 0 0 k w 的系列化产品。但国产中频电源大多采用并联谐振逆变器 结构，因此在开发更大容量的并联逆变中频感应加热电源的同时，尽快研制出结 构简单，易于频繁启动的串联谐振逆变中频电源也是中频领域有待解决的问题。 在超音频领域的研究工作八十年代己经开始。浙江大学采用晶闸管倍频电路 研制了5 0 k w 5 0 l m z 的超音频电源m ，采用时间分隔电路研制了3 0 k h z 的晶闸管 超音频电源。从九十年代开始，浙江大学开始对l g b t 超音频电源进行研制，19 9 6 第一章绪论 年研制开发的5 0 k w 5 0 m z 的l g b t 电流型并联逆变感应加热电源已经通过了浙 江省技术鉴定，目前的研制水平为2 0 0 k w 5 0 i 叱。 另外，浙江大学在9 0 年代已经研制3 0 k w 3 0 0 m zm o s f e t 高频感应加热电 源【8 1 ，并己成功应用于小型刀具的表面热处理和飞机涡轮叶片的热应力考核试验 中。总体上来说，国内目前的研制水平与国外的水平相比还有一定的差距。 1 2 3 感应加热电源技术的发展趋势 感应加热电源的水平与半导体功率器件的发展密切相关，因此当前功率器件 在性能上的不断完善，使得感应加热电源的发展趋势呈现出以下几方面的特点： ( 1 ) 大功率、高频率1 1 】【1 2 】 电力半导体器件的大容量与其使用频率有着极密切的关系。早期的晶闸管和 晶体管由于受到容量与频率互相制约的影响，不能同时获得大功率、高频率的效 果。随着新型器件的发展，如m o s f e t ，i g bt ，m c t 等，未来的感应加热电源必 将朝着大功率和高频率两者相统一的方向发展，在这方面仍有许多基础应用技术 需要进一步探讨。 ( 2 ) 低损耗、高功率因数【9 】f l o 】 新型功率器件的通态电阻很小，通态压降小，所以在高频工作条件下，损耗 主要表现在基极或门极驱动电路的损耗及器件的开关损耗上。随着功率器件的发 展，再加上驱动电路的不断完善和优化，使得整个装置的损耗明显降低。另外， 由于感应加热电源一般功率都很大。随着整个电网无功及谐波污染要求的提高， 具有高功率因数的电源将是今后的发展趋势。目前谐振技术的引入，一方面降低 了电源中开关器件的开通和关断损耗，同时利用锁相技术将逆变器的工作频率锁 定在槽路固有的谐振频率内，使得该电源能始终运行在负载功率因数接近为1 的 状态。 ( 3 ) 感应加热电源控制的数字化、智能化 随着感应热处理生产线自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，感应加 热电源正向数字化、智能化控制方向发展。尤其近年来随着数字信号处理器( ( d s p ) 技术的发展，使感应加热电源的全数字控制成为现实，也使得一些先进的控制策 略及控制算法应用于感应加热电源的控制成为可能。具有计算机智能接口远程控 制、故障自动诊断等控制性能的感应加热电源正成为下一代发展目标。 第章绪论 l 。3 论文选蘧的意义和主要工作 1 3 1 论文选题的意义 中小功率容量的感应加热电源在现今髓王业生产巾有很多的运用，当前这类 功率容量的感应加热电源多为并联谐振电源。并联谐振型电源由电流源供电，包 含比较大的平波电抗器，此种电源的功率调节一般是通过直流侧调节，即通过改 变整流晶闸管的移相触发角来实现的。这类电源耗用材料，输入端功率因数低， 对电圈有较大豹谐波干扰，效率也吃较低。本文铮对这一情泥，以串联谐振电源 为研究对象，采用逆变侧移相调功方法，这种方法简单而有效。 另外传统的感应加热电源控制系统主要通过模拟电路来实现，而模拟控制存 在羞一些固有的缺点，比如：触点多，焊点多，可靠性降低；由于器件的老化闯 题和热漂移闷题的存在，将导致系统工作性能的下降；系统舞级换代困难，要对 控制系统做改动，则离不开对硬件系统的改进，增加了成本。 近年来，随着数字集成芯片、单片机、d s p 、f p g a 的出现，微机控制技术 飞跃发展，先进的递交式感艨加热电源配上微机控制己成为当今感疵加热电源的 发展方向。它不但简化了系统硬件控制电路，提高了系统抗干扰能力，改善了系 统的可靠性；而且软件设计灵活，可以方便地实现各种复杂的控制算法，并可简 便地加以修改和更新以适应感应加热工艺的要求；同时可存贮大量的相关信息； 能实现对整个加热过程的控制、监控和故障诊断，因此感应加热电源数字化控制 的研究具有一定意义。 1 3 2 论文的主要工作 本论文主要进行的是逆变侧移相控制方法的研究工作。通过阅读大量的国内 外文献，重点解决了以带有控制功能的数字信号处理芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核 心，数字化实现移相控制方法。主要工作如下： l 。对串联谐振感应加热电源常用的调功方式进行了分析比较，采用逆变侧 移相功率控制方法。并对用于频率跟踪的锁相环特性进行了分析，设计了一种基 于d s p 的数字锁相环。 2 针对我们采震麴控制芯片t m s 3 2 瓯f 2 4 0 7 a 的特点，提出了一种新颖的 移相控制波形产生方法。并以此芯片为核心分别完成系统的软硬件设计。 3 采用ma t l a b s i m u n k 软件对数字移相控制方法进行仿真，根据仿真结果 验证这种控制方法的正确性与可行性。 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 2 1 感应加热电源的总体结构 感应加热电源主电路基本组成如图2 1 所示，包括整流电路、滤波电路和 逆变电路三大部分，此外还有一些控制电路和保护电路【1 3 】。工作时，三相或单相 的工频交流电经整流器整流并经滤波器滤波后成为平滑的直流电，送入逆变器 中，逆变器采用电力半导体器件作为开关器件，把直流变为所需频率的交流电供 给负载。 工 图2 1 感应加热电源基本组成框图 2 2 感应加热电源主电路的方案选择 感应加热电源是通过感应线圈把能量输送给负载的，感应线圈和负载一起造 成了功率因数低，需要消耗大量的无功功率，因此需要有补偿电容器向感应线圈 提供无功能量。由于电容器与线圈的连接方式的不同，构成性能差异的各种逆变 器，在实际生产中主要有串联型逆变器和并联型逆变器两种，其拓扑结构如图2 2 所示。 图中：t l t 4 ：功率开关器件；d 1 一d 4 ：二极管：l 、r 负载等效电感和电 阻；厶：滤波电感；c ：滤波电容；c 补偿电容。图2 2 a 为串联型逆变器， 图2 2 b 为并联型逆变器。 虽然这两种逆变器各有特点适用于不同的场合但是从电路和控制原理上他 们具有对偶关系。在感应加热设备中，与并联谐振型逆变器相比，采用串联谐振 逆变器起动较容易，适用于频繁起动工作的场所；并联谐振逆变器需附加起动电 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 路，起动较为困难，起动时间长。本文选择串联型逆变器。 a 串联型逆变器 图2 2 主电路拓扑结构 2 3 串联谐振逆变器负载特性的分析 2 3 1 负载特性分析 b 并联型逆变器 d 3 感应加热的负载可以看作是一个变压器，其原边为感应线圈，副边为被加热 工件，是感应线圈和被加热工件合并而成的，它可以等效成电感与电阻的串联， 如图2 3 所示： r 其等效负载阻抗为： 图2 3 感应加热电源等效负载 z = r + j 国l 当负载线圈流过电流f 时，其有功功率为： 最= ，2 尺 其中i 为负载电流的有效值，其无功功率为： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 故负载的品质因数为： 逆变器的功率因数为： 绞= ，2 础 q = 笔= 警 c o s 矽5 南 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 其中矽为负载阻抗角，对一般高频感应加热负载来说，通常础r ，通过 式( 2 5 ) 可以看出，逆变器的功率因数非常低，为了有效的利用电源能量，我 们采用接入补偿电容来提高负载的功率因数。 2 3 2 串联负载特性分析 接入串联补偿电容后的等效负载如图2 4 。 图2 4 串联谐振负载等效图 由图可知，电路的输入阻抗为： z ( 俐= 月坝础一去) ( 2 6 ) 串联谐振电路的功率因数为： c o 彭2 南 当砌【z ( 缈) 】= 。时，产生串联谐振，即础一去= 。，鳓= 了b 。 谐振时各参数如下： ( 2 7 ) 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 输入电流：，= 厶= 妥 功率因数：c 。s 矽= 兰= 1 电容上电压相量为： 吼= 赤厶= 淼叫q u c 2 吲 电感上电压相量为： 吼嘲“= 竿钢u ( 2 - 9 ) q 是品质因数，谐振时电容和电感上的电压大小相等，方向相反。对于一定 q 值的感应加热电源，即r 、l 、c 值不变，若频率变化，则： i 砌圳= 两= 月陌 。2 州， 对逆变器输入方波进行傅立叶变换得： u 衙：竺s i n 耐+ 竺s i n 3 础+ 竺s i n 力倒 u 伊2 i 8 1 n 耐+ 瓦s m 3 础+ 。磊s 倒 ( 2 1 1 ) 基波电流幅值：五：! 竺 1 万尺 电容上电压与负载电流的关系为： 驴麝衍= 嘉咖c 咿争 c 2 川， 电感上电压与负载电流的关系为： 2 - s i n ( h 。詈) ( 2 1 3 ) 2 4 串联谐振感应加热申源的调功方式分析与洗柽 在感应加热过程中，由于负载等效参数会随温度而变化以及加热工艺的需 要，感应加热电源应具有功率调节功能。在串联谐振式逆变器应用中，对系统的 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 输出功率的调节方式有多种，我们需要在研制过程中根据实际的应用场合、性能 要求等作出合理的选择。总体上可以分为直流调功和逆变调功两种方法。 2 4 1 直流调功方法 直流调功就是通过调节输入的直流电压的幅值来调节输出功率。常用的直流 调功的方法有两种一种是采用晶闸管全控整流调压调功；另一种是采用三相不控 整流加斩波调压调功。 ( 1 ) 晶闸管全控整流调压调功 图2 5 是晶闸管全控整流调功主电路图，整流部分采用晶闸管全控整流， 负载部分通过锁相环节调整频率使其工作在谐振频率附近，这样逆变部分的开关 损耗就可以减少到很小，比起整流部分增加的开关损耗，在高频场合下仍然有优 势，是目前使用较多的一种调功方式。但由于直流变换环节的加入，整机效率和 可靠性都会降低。采用晶闸管全控整流，当控制角较大( 即深控) 时，电路的功率 因数很低，而且由于晶闸管整流存在的固有延时，使得系统闭环调节响应较慢。 图2 5 晶闸管全控整流调功主电路 ( 2 ) 直流斩波调功方式 d 2 d 3 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 去烛 厂 叫1 2 引 剥| ： 雨 一c 。 g = “s z 7z 严 ，4 止j 。47 北 图2 6 直流斩波调功主电路 d 2 直流侧采用不控整流和斩波器调压相结合的调功方式。由于斩波器功率器件 工作在大电流开关状态，对器件的要求高，损耗较大，同时单管容量有限，不利 于电源的大容量化。 感应加热电源中的直流斩波调功方式的调功原理如图2 6 所示。三相交流 电通过三相不控整流器整流，然后滤波得到直流电，通过调节v t o 的占空比来调 节直流输出电压，实现对功率的调节。 该方案降低了系统对供电电网的干扰，提高了输入功率因数；但需在主电路 增加额外的功率器件和额外的功率控制电路，斩波开关器件工作在硬开关状态， 开关损耗大【1 4 5 1 。 2 4 2 逆变调功方法 逆变调功是通过对逆变环节功率器件开通关断的控制，调节输出电压的频率 来调节负载功率因数，或调节输出电压的有效值的大小( 调节占空比) 来实现功率 的调节，其优点是可以不用可控整流，使控制电路大大简化。调节输出功率的速 度比用可控整流要快【1 6 ，1 7 】。通常有以下几种： ( 1 ) 脉冲频率调制( p f m ) 方法 埔 1 9 1 p f m 方法采用不控整流得到直流电压，通过改变逆变器输出电压的频率来 改变负载的功率因数从而调节输出功率的大小。其控制脉冲以及输出电压与输出 电流的关系如图2 7 所示。从图2 7 中可以看出： a 由于控制脉冲的频率改变，导致输出电压和输出电流的相位差也发生改 变； b 输出电压是两电平输出。 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 1口白。 o 输出电压的傅立叶级数： 图2 7p f m 功率调节方式 其中织为电源开关频率。 输出电压基波为： 基波阻抗为： 铲喜等咖c 咧， u ：丝s i n 略f 万 z n 娟+ 旭卜j 素 ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 输出电流基波： 输出功率： 功率因数角： 乙j = rs e c 2 粕s i n c 妒历 ( 2 1 7 ) 异= ( 剐尚卜= 等c o s 一 。2 堋， 垃口：竺二趸：t a n 一q ( 旦一鱼) 辔。平，= t a n 。1 烈罢一罢 ( 2 1 9 ) 缈：巫亟叵亟墨丝壁 2 l c ( 2 2 0 ) 频率和功率因数角的关系写成标幺值形式为： 詈- j 古c 蚜小壶秽 。2 叼， 瓦2 万智历1 1 + 瓦秽陆川 从以上分析可以看出：调节控制脉冲的频率可以改变负载的功率因数角， 而通过调节负载功率因数角又可以调节输出功率的大小。输出功率和频率的关系 如图2 8 所示： 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 趔 n 蜷 褂 蠢 丑 簿 频率标幺值 图2 8 输出功率和频率关系 p f m 方法的主要缺点是工作频率在功率调节过程中不断变化，导致集肤深度 也随之而改变，在某些应用场合如表面淬火等，集肤深度的变化对热处理效果会 产生较大的影响，这在要求严格的应用场合中是不允许的。但是由于p f m 控制 方法实现起来非常简单，在以下情况中可以考虑使用它【2 0 1 。 a 如果负载对工作频率范围没有严格限制，相位差可以存在而不必处于近 谐振工作状态，可以采用p f m 方法； b 如果负载的q 值较高，或者功率调节范围不是很大，则较小的频率偏差 就可以达到调功的要求。 ( 2 ) 脉冲密度调制( p d m ) 方法【2 卜2 3 】 p d m 调制方法是通过控制脉冲密度，实际上就是控制向负载馈送能量的时 间来控制输出功率。其控制原理图如图2 9 所示。 这种控制方法的基本思路是：假设在某时段内总共有n 个功率输出单位，在 其中m 个功率输出单位里逆变器向负载输出功率；而剩下的( n m ) 个单位内 逆变器停止工作，负载能量以自然振荡形式逐渐衰减。这样的话，输出的脉冲密 度为m n ，这样输出功率就跟脉冲密度联系起来了。即通过改变脉冲密度就可 改变输出功率。 p d m 方法的主要优点是：输出频率基本不变，开关损耗相对较小，易于实 现数字化控制，比较适合于开环工作场合。 p d m 方法的主要缺点是：工作稳定性较差。另一个缺点就是功率调节特性 不理想，呈有级调功方式。 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 八八厂八、八八八 f 一 7 l f ( a ) n 个调功单位全部工作 l ，一八八八八八八八 一 。v vv v v 1 f l i i i l i i i 一 ： f i 一m 一一m 一一m 一一m 叫 h 一叫 ( b ) m 个调功单位工作 图2 9p d m 控制原理示意图 ( 3 ) 脉冲宽度调制( p w m ) 方式【u 4 】 脉冲宽度调制方式是通过改变两斜对开关管驱动信号之间的相位差来改变 输出电压值以达到调节功率的目的。 对于不采用移相调功的逆变器，在同一桥臂下面的两个开关管的驱动信号是 恰好互补的，其中一个开通，则另外一个关断，而斜对的开关管的工作状态则是 相同的。而在移相式p w m 调功方法中，两斜对开关管的驱动信号之间存在着相 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 位差，通过调整它们之间相位差的大小，可以改变输出电压从而达到调节功率的 目的。 在控制电路中使两个桥臂上斜对开关管( t 1 ，t 3 ) ，( t 4 ，t 2 ) 的驱动信号之间 错开一个角度，称为移相角，而同一桥有上下两管( t 1 ，t 4 ) 和( t 2 ，t 3 ) 的驱动 信号互补，使得输出的正负交替电压之间插入一个零电压值，移相角在0 。 1 8 0 。范围内可调，在开关管的控制电路中设定两组开关管驱动信号之间移相角 口的大小就能调整负载输出电压中零电压的时间长度，这样就改变了输出电压的 有效值，达到了调节输出功率的目的。这种方式又叫移相p w m 方式，移相式脉 冲宽度调制原理如图2 1 0 所利2 5 1 。 l n ，一 ， 舛 f f 乃 i li - ii l 砣 i i l i f ； i i li ii ii f il ii p 一。 i 图2 1 0 移相式脉冲宽度调制原理 根据输出电压电流不同的相位关系，我们可以把移相式p w m 调节方式分为 降频式移相p w m 和升频式移相p w m 两种，其原理分别如图2 一ll ，图2 1 2 所示。 降频式移相p w m 如图2 1 l 所示，逆变器输出电流始终落后于输出电压“。，即负载处于感 性状态。移相角滞后，o 。1 8 0 。可调。在从o 。1 8c i 调节的过程中，逆 变器输出脉冲宽度减小的同时，输出电压相对于输出电流的相位的超前角逐渐变 小，表示负载的感抗逐渐变小，也就是频率不断的降低，因此这种控制方式称 之为降频式p w m 控制。在此种控制方式中没有器件并联二极管的反向恢复问 题，不会产生较大的电流尖峰和功率损耗。 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 此种降频式移相p w m 控制方式中，输出电压可用傅立叶级数描述。 令输出电压“曲= 掰。，用傅立叶级数表示： 铲喜等c o s 警s i n c 吣嘛”，s ， c 2 屹， 输出电压基波分量： 。= 等c o s 铷研 万z ( 2 2 3 ) l f f 一 一 ku “t 。、”、一 。 8 。 、允7、 f 图2 一1 1 降频式移相p w m 原理图 输出电压基波有效值： u ：箪：型婴c o s 星 2 万2 ( 2 2 4 ) 基波功率因数为：确= 唬+ 譬 基波电流有效值为：堡导堕，r 为负载谐振回路的等效阻抗值。 1 r ”， 。 电路输出功率用基波有功功率表示为： h 。啦赳华c o s 知州2 。2 哨， 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 由上式可以看出，在电路无移相时输出功率最大，即= 0 时有： = 爿华叫2 沪2 6 ， 功率标幺值为： 只 l = c 。s 譬c o s ( 死+ 譬)， v ” ， 7 c o s 纯 ( 2 2 7 ) 由上式可以得知：在移相角逐渐增大的过程中，逆变器输出功率值将逐渐 减小，降频式移相p w m 控制方式的这一特性使得它十分适合于需要对功率进行 全程调节的场合。 升频式移相p w m 如图2 一1 2 所示，逆变器输出电流始终超前于输出电压“。，即负载处于容 性状态。移相角超前，0 。1 8 0 。可调。在从o 。1 8 0 调节的过程中，逆 变器输出脉冲宽度减小的同时，输出电流相对于输出电压相位的超前角逐渐变 小，表示负载的容抗逐渐变小，也就是频率不断的上升， 因此这种控制方式称 之为升频式p w m 控制。在此种控制方式中与超前臂中主开关器件反并联的二极 管存在反向恢复问题，有较大的电流尖峰存在，如果电路布局不够理想的话还会 有较大的感生电压尖峰产生，对电路工作不利。 f f f i o瓴曲t 7 h 。 ，j 一一一f 一 审矬一r + 、i f 一 图2 一1 2 升频式移相p w m 原理图 1 9 第二章感应加热电源电路结构及控制分析 在此种升频式移相p w m 控制电路中，逆变器输出基波有效值与前述降频 式移褶电路幸福同，基波输出功率因数兔帮输盘功率则分别为： 旃= 九一譬 ( 2 2 8 ) 栈m 佃和去i 华c o s 铷死一争j， 由上式可以看蠢，在移相焦岁逐渐增大的过程中，逆变器输出功率先是增 大然后到达一定角度厢又逐步降低，这一特性使得其不太适合需要功率全程调节 的感应加热等应用场合。 必须指出的是，不管是升频式还是降频式移相p w m 控制方式中，在改变 移相焦移的同时，开关频率将相应改变，实质上为移相p 繇控制为主，同时加入 p f m 控制，是一种混合控制方法。 脉冲宽度调制法是比较常用的一种调功方式，它可以实现对输出功率的大 范围的调节两频率变化却很小，它有利于数字化实现，易于实现电路的准谐振软 开关条件，在感应加热等应用场合中，加以频率跟踪装置就可以很好的适应实际 工作的需要。在本文中，我们确定的方案是使逆变器工作于弱感性状态，即逆变 器输出电压稍微超前于电流，即采用降频式移相调功的方式，并利用基于d s p 豹数字锬攘环跟踪负载频率的变化，潋达到调功的晷的。 2 5 本章小结 本章在分析感应加热的拓卦给构的基础上选择串联谐振感成加热电源，对串 联谐振感应加热电源的负载特性及调功方式进行了深入的分析，通过对调功方式 的分析比较，选择了降频式移相p w m 功率调制，在感应加热等应用场合中，加 以频率鞭踪装置就可以很好的适馥实际工作的需要，本文我们采用基于d s p 麓 数字锁相环来实现负载频率的跟踪。 第三章频率跟踪技术分析及d 轧l 设计 第三章频率跟踪技术分析及d p l l 设计 感艘加热电源在工作过程孛，尤其是被加热工件达裂居里点温度隐近，会因 温度变化和炉料熔化等因素，使负载等效参数和固有频率发生变化。为了适应负 载变化，提高工作性能和可靠性，其控制电路必须具有自动频率跟踪功能。锁相 环( p l 己) 技术是用来解决频率跟踪的关键技术。 3 1 锁相环简介及工作原理 锁棚环是一个相像反馈控制系统，其俸雳是实现对输入信号频率和楣使的自 动跟踪。图3 一l 为基本的锁相环结构框图嘶翊。它包括三个基本部分：鉴棚器 ( p d ) ，环路滤波器( l f ) 和压控振荡器( v c 0 ) 。 图3 一l 锁楣环结构框图 鉴相器是相位比较装置，它把输出信号巩( f ) 和参考信号( f ) 的相位进行比 较，褥嬲输出信号( ) 是相位差统= 最( 磅一岛( 玲的线性函数，其增益雳蜀表 示，即( 力= 蜀包( f ) 。 环路滤波器是一个线性低通滤波器，其作用是滤除鉴相器输出误差信号 以( ) 中的高频成分和噪声，并且控制着环路相位校正的速度与精度，以保证环 路所要求的性能，增加系统稳定憔。 压控振荡器是一个电压一频率转换器，它的瞬时角频率鳞( f ) 受控制电压 u ，( f ) 的控制，其函数关系可以表示为： 致( ) = 鳓+ 筏虬) ( 3 一1 ) 其中，嘞为压控振荡器在以( f ) = o 时的固有振荡频率，峨表示单位控制电 压可使压控振荡器焦频率变化的大小，因此又成为压控振荡器的控制灵敏度或增 益系数。量纲为弧度秒伏。 第三章频率跟踪技术分析及d p l l 设计 在锁相环路中，从鉴相特性上看压控振荡器输出对鉴相器起作用的不是瞬时 角频率而是它的瞬时相位。此瞬时相位可由式( 3 1 ) 积分求得： f q ( f ) 出= f + kf 址。渺 ( 3 2 ) 以f 为参考的输出瞬时相位为： 岛( f ) = 民f 虬。矽 ( 3 3 ) 由此可见，压控振荡器在锁相环中起了一次积分作用，因此也称它为环路中 的固有积分环节。s 域传递函数为：掣。 6 下面，我们简要介绍整个锁相环的工作原理。首先，假设输入信号u ( f ) 的角 频率q 等于，此时，相位差包( f ) 为零，那么鉴相器的输出为零，环路滤波器 的输出也一定为零。因此v c 0 输出频率必然为其中心频率绋。 如果输入信号【，( f ) 的角频率不等于，那么鉴相器会产生非零输出玑( f ) ， 环路滤波器将产生输出信号阢( f ) ，这将使v c o 的中心频率向相差包( f ) 消失的方 向变化。 现在，假设输入信号频率在“时刻突变缈，则输入信号的相位开始偏离输 出信号相位，两者之间产生相位差，并随时间而增大，这时，鉴相器产生输出信 号( f ) 也随着时间而增大。经环路滤波延迟后，( f ) 也增大，这使得v c 0 的频 率提高，相位差减少。经一段时间后，v c 0 的频率将精确的等于输入信号的频率。 3 2 锁相环性能分析 3 2 1 线性化相位模型及传递函数 线性化相位模型如图3 2 ，是一个线性反馈控制系统，对锁相环而言，激励 函数和响应函数分别为环路的输入信号相位和输出信号