（电路与系统专业论文）基于fpga的均匀脉冲密度感应加热电源的研究.pdf

卜| 气 。j 、卜 o 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于f p g a 的均匀脉冲密度感应加热 电源的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位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：赵j 塑 日 期：2 鲜翌：至： 多 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 一 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 ( 位论文的全部或部分内容。 一 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：型超 日 期：2 1 坦：墨：“ 导师签名： 甓 t 奠毳一n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文首先介绍了感应加热的原理以及目前的主要调功方式。针对传统脉冲密度 调制p d m 调功方式的不足，提出了一种均匀脉冲分配方法，使得控制脉冲在一个 工作周期内更加均匀的分布，并采用状态机方法产生了此均匀控制脉冲，进一步经 过仿真、实验进行了验证。详细分析了品质因数q 对负载电流的影响，并给出了计 算公式，利用此方法可以计算出一定q 值下的最小脉冲密度。为保证输出功率稳定， 设计了基于电流闭环的p i 控制电路。在m a t l a b s i m u l i n k 中建立了锁相环的仿真模 型，并设计了基于高速锁相环7 4 h c 4 0 4 6 的频率跟踪电路，从而使负载功率因数接 近于l ，降低了开关损耗。设计了频率、功率显示电路以及过压、过流保护电路。 最后通过样机实验，验证了所设计和研究方法的有效性，并取得了良好的实验效果。 关键词：均匀脉冲密度，f p g a ，品质因数，感应加热 a b s t r a c t f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ep r i n c i p l eo fi n d u c t i o nh e a t i n g ，t h em a i np o w e r a d j u s t m e n tm e t h o d sa tp r e s e n t ，a n dp r o p o s e das y m m e t r i c a lp u l s ed i s t r i b u t i o nm e t h o d f o rt h es h o r t a g eo ft r a d i t i o n a lp u l s ed e n s i t ym o d u l a t i o n , w h i c hm a k e st h ec o n t r o lp u l s e s m o r es y m m e t r i c a ld i s t r i b u t i o n t h ec o n t r o lp u l s e sw e r eg e n e r a t e db yu s i n gt h es t a t e m a c h i n ea p p r o a c ha n dv e r i f i e db yf u r t h e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s i na d d i t i o n ，t h i s p a p e ra n a l y z e dt h ee f f e c to fq u a l i t yf a c t o rq t ol o a dc u r r e n ti nd e t a i la n dg a v eaf o r m u l a ， w h i c hc a r lc a l c u l a t et h em i n i m u mp u l s ed e n s i t yu n d e rac e r t a i nqv a l u e i no r d e rt o e n s u r et h eo u t p u tp o w e rs t a b i l i t y , p ic o n t r o lc i r c u i tb a s e do nc u r r e n tc l o s e dl o o pw a s d e s i g n e d ap h a s e - l o c k e d l o o ps i m u l a t i o nm o d e li nm a t l a b s i m u l i n kw a se s t a b l i s h e d ，a n d f r e q u e n c yt r a c k i n gc i r c u i tb a s e do nh i g h - s p e e dp h a s e - l o c k e d - l o o p 7 4 h c 4 0 4 6w a s d e s i g n e d ，w h i c hm a k e st h el o a dp o w e rf a c t o rc l o s et ol ，a n dr e d u c e st h es w i t c h i n gl o s s e s f u r t h e r m o r e ,f r e q u e n c y , p o w e rd i s p l a yc i r c u i ta n do v e r - v o l t a g e ,o v e r - c u r r c u tp r o t e c t i o n c i r c u i tw e r ed e s i g n e d t h ef i n a la d o p t i o no fp r o t o t y p ee x p e r i m e n t sp r o v e st h a tt h ed e s i g na n d r e s e a r c hm e t h o d sa r ev a l i da n da c h i e v e sg o o de x p e r i m e n t a le f f e c t l i uc h a o ( c i r c u i ta n ds y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gz h i j u a n k e y w o r d s ：s y m m e t r i c a lp u l s ed e n s i t y , f p g a ，q u a l i t yf a c t o r , i n d u c t i o nh e a t i n g ， 南 墨 ，- 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 感应加热电源的研究现状和发展趋势1 1 1 1 国外感应加热电源研究现状1 1 1 2 国内感应加热电源研究现状2 1 1 3 感应加热电源发展趋势2 1 2 课题研究背景4 1 3 课题研究意义5 1 4 本论文主要的工作6 第二章感应加热电源原理及拓扑结构分析7 2 1 感应加热原理7 2 2 感应加热电源的组成9 2 3 逆变拓扑结构分析9 2 3 1 串联谐振逆变器1 0 2 3 2 并联谐振逆变器1 1 2 。3 3 串、并联谐振逆变器的比较1 2 2 4 本章小节1 3 第三章均匀脉冲密度调功控制方式的研究1 4 3 1 传统p d m 调功原理1 4 3 2 均匀脉冲密度调功原理及换流过晦分析1 6 3 2 1 均匀脉冲密度调功原理? _ 缸1 6 3 2 2 均匀脉冲密度调功的换流过程分析1 7 3 3 传统p d m 和均匀脉冲密度调功的仿真分析2 l 3 4 品质因数对负载电流的影响2 2 3 5 本章小节2 5 第四章基于f p g a 的感应加热电源设计2 6 4 1 感应加热电源整体设计2 6 4 2f p g a 简介及其外围电路2 7 华北电力大学硕士学位论文目录 4 3 基于状态机方法控制脉冲的产生2 8 4 3 1 状态机简介2 8 4 3 2 控制脉冲的产生3 0 4 4 基于电流闭环的p i 控制电路设计3 4 4 4 1 信号处理电路3 5 4 4 2p i d 原理和电路设计3 6 4 4 3a d 采样电路3 8 4 4 4 电源的软启动4 0 4 5 频率跟踪电路的设计4 0 4 5 1 锁相环的基本原理4 1 4 5 2 锁相环在m a t l a b s i m u l i n k 中的仿真4 2 4 5 3 电路设计一4 3 4 6 频率和功率显示电路设计4 9 4 6 1 频率显示电路4 9 4 6 2 功率显示电路5 l 4 7 保护电路设计5 2 4 7 1 过流保护5 2 4 7 2 过压保护5 3 4 8 本章小节5 4 第五章实验结果与全文总结5 5 5 1 实验结果与分析5 5 5 2 全文总结5 8 参考文献6 0 致谢6 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 4 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 感应加热电源的研究现状和发展趋势 感应加热是通过电磁感应原理即利用涡流对工件进行加热的一种加热技术。于 2 0 世纪初开始应用到工业部门，它与效率低、污染重的传统加热方式相比具有非接 触式加热、加热效率高、温度容易控制、作业环境好和产品质量好等一系列优点。 基于上述优点使得感应加热可用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等过程，已经成 为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造业等的重要能源。 此外，感应加热也已经或不断地进入到人们的家庭生活中，例如微波炉、电磁炉都 是用感应加热为能源。随着感应加热理论和感应加热装置的发展，感应加热电源的 应用范围越来越广，将会在更多领域发挥重要作用d 埘。 1 1 i 国外感应加热电源研究现状 由于感应加热电源具有诸多优点，因此大量的工程技术人员对其进行了研究， 1 8 9 0 年瑞典技术人员发明了第一台感应熔炼炉一开槽式有芯炉，1 9 1 6 年美国人发明 了闭槽有芯炉，从此感应加热技术逐渐进入实用化阶段。2 0 世纪5 0 年代前，感应 加热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中频发电机组、电子管振荡式高 频电源，这类传统装置电源效率较低、热惯性大、寿命短、工作频率可调范围小， 不能满足不同工艺负载的要求。2 0 世纪5 0 年代末，半导体晶闸管的出现标志着以 固态半导体器件为核心的现代电力电子学的开始，引发了感应加热电源技术以至整 个电力电子学领域的一场革命，同时感应加热电源及应用得到了飞速发展【2 】。 在中频( 1 5 0 h z - 1 0 k h z ) 范围内，晶闸管感应加热装置已完全取代了传统的中 频发电机组和电磁倍频器，国外装置容量已达数十兆瓦。 在超音频( 1 0 k h z , 、1 0 0 k h z ) 范围内，晶闸管出现前超音频逆变电源基本是空白。 晶闸管问世后，一度曾通过改变电路拓扑结构，以时间分割电路和倍频电路构成晶 闸管超音频逆变电源。7 0 年代末8 0 年代初，通过现代半导体微集成加工技术和功 率半导体技术相结合，研制出一大批新型全控型电力半导体器件，主要有可关断晶 闸管( g t o ) 、特大功率晶闸管( g t r ) 、静电感应晶闸管( s i t ) 、功率场效应晶体 管( m o s f e t ) 和绝缘栅双极性晶体管( i g b t ) 等，以这些新型器件构成的结构简 单的全桥型超音频逆变电源逐渐占据了主要地位。其中i g b t 因具有功率m o s f e t 的高速、易驱动和功率g t r 的低通态压降等综合性能而得到广泛应用【3 】。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。1 9 9 3 年西班牙也报 道了3 0 - - 6 0 0 k w 5 0 - - 1 0 0 k h z 的i g b t 电流型感应加热电源【4 1 。英国、法国、瑞士 华北电力大学硕士学位论文 等国的系列化超音频感应加热电源目前最大容量已达数千千瓦，频率覆盖整个超音 频段。 在高频( 1 0 0 k h z 以上) 范围内，正从传统的电子管电源向晶体管化全固态电 源过渡。由于m o s f e t 开关速度快、驱动功率小、无二次击穿、易并联和安全可靠 等优点而适用于高频大功率感应加热装置，其中西班牙采用m o s f e t 的电流型并联 谐振逆变电源制造水平达到6 0 0 k w 4 0 0 l 【h z ，德国在1 9 8 9 年研制的电流型m o s f e t 并联谐振型逆变电源水平达到4 8 0 k w 5 0 - 2 0 0 k h z ，比利时i n d u e t oe l p h i a c 公司生 产的并联型m o s f e t 逆变电源电源水平达到1 0 0 0 k w 1 5 6 0 0 k h z 。除了m o s f e t ， s i t 也可以应用于高频感应加热电源，目前日本利用s i t 制作高频电源的水平已经 达到l0 0 0 k w 2 0 0 k h z ，4 0 0 k w 4 0 0 k h z 的水平，但由于s i t 的通态压降大、制作工 艺复杂及制作成本高等原因使得其推广受到限制，因而市场容量很小【5 】 1 1 2 国内感应加热电源研究现状 国内感应加热在工业上的应用，起步于2 0 世纪5 0 年代，在机床制造、纺织机 制造、汽车、拖拉机工业等部门应用最早。5 0 年代末，国内已自行研制出电子管式 高频电源与机械式中频发电机，感应熔炼、感应透热、淬火、介质加热等各种设备 与工艺相继在工业上得到应用。6 0 年代，研制出晶闸管中频电源，到目前为止已经 形成了一定范围的系列化产品嘲。 在中频领域，国内已形成2 0 0 h z - - 8 0 0 0 h z ，功率为1 0 0 k w 3 0 0 0 k w 的系列产 品，可以配备5 t 以下的熔炼炉及更大容量的保温炉，也适用于各种金属透热、表面 淬火等热处理工艺。但国产中频感应加热电源目前几乎都采用并联谐振型逆变结 构，因此，在研究和开发更大容量的并联逆变中频电源的同时，研制结构简单、易 于频繁起动的串联逆变中频电源是国内中频感应加热装置领域有待解决的问题【7 1 。 在超音频领域，国内在7 0 年代开始研制晶闸管倍频式感应加热电源，后于8 0 年代末又采用改进型倍频逆变电路研制成功了5 0 k w 5 0 k h z 晶闸管超音频电源。从 9 0 年代开始，国内采用i g b t 研制超音频电源，目前制造水平为1 0 0 0 k w 5 0 k h z ， 与国外的水平仍有相当大的距离。 在高频领域，浙江大学在9 0 年代研制成2 0 k w 3 0 0 k j - i z 高频电源。19 9 6 年天津 高频设备厂和天津大学联合开发出7 5 k w 2 0 0 k h z 的s i t 感应加热电源【引。国内目前 m o s f e t 固态高频电源制造水平约为4 0 0 k w 5 0 0 k h z 。 1 1 3 感应加热电源发展趋势 从本世纪初的玻璃管汞弧整流器的发明到晶闸管的出现，再到新型全控型电力 半导体器件的研制成功，都推动了感应加热电源的发展，因此，感应加热电源的发 2 华北电力大学硕士学位论文 展和功率半导体器件的发展密切相关。随着功率半导体器件的发展，感应加热电源 的发展趋势主要有以下几个方面： 1 ) 高频化 由于m o s f e t 开关速度快、驱动功率小等优点，因此目前国际上主要发展 m o s f e t 高频电源。随着频率的升高，开关损耗也增大，虽然通过谐振逆变器可以 实现软开关，但感应加热电源通常功率较大，对功率器件、无源器件、电缆、布线、 接地、屏蔽以及驱动电路均有许多特殊要求。因此，实现感应加热电源的高频化仍 有许多技术问题需进一步研究【9 1 。 2 ) 大容量化 以现有的大功率器件水平，如果要实现更大功率的电源，只能通过改变电路的 结构来寻找解决方案。目前的大容量技术主要通过器件的串、并联以及多桥或多台 电源的串、并联。但由于器件制造工艺和参数的分散性，必须考虑器件的均压和均 流问题，且随着串、并联器件的增多，装置的可靠性变差。多台电源的串、并联技 术是在器件串、并联技术基础上进一步实现电源装置大容量化的最有效手段，对于 串联型逆变器的多台电源并联时，容易产生环流，以至逆变器件的电流不均，因此 串联逆变器存在扩机扩容困难；而对于并联逆变器，由于有直流大电抗器使得扩容 容易。由于m o s 管的单管电压和电流容量较小，当制作高频大功率电源时不得不 采用多管并联、多桥并联结构，对感应加热电源的工艺布局要求很高。同时，电源 的驱动电路和保护电路也变得非常复杂，电源的维护也比较困难【l 们。 3 ) 高功率因数、低谐波 如今电力半导体整流装置已获得及其广泛的应用，d , n 家用的小型整流电源， 大至上万安甚至几十万安的大型电解电源，这些很多是基于传统相控技术的电力电 子装置，从而使得网测功率因数低，谐波污染严重。随着电网对用户的功率因数和 谐波污染指标的要求越来越严格，具有单位功率因数、低谐波污染的p w m 整流器 将会得到越来越广泛的应用，高效、低污染的“绿色感应加热电源必将成为2 l 世纪的主流产品【l l 】。 4 ) 智能化 感应加热电源正向着自动化控制方向发展，具有诊断与保护功能、良好的人机 界面以及计算机智能接口的全数字化感应加热电源正成为下一代发展的目标【1 2 1 。 5 ) 负载匹配 电源逆变器和负载是一个有机的整体，由于电源的负载各式各样，当二者不匹 配时，会降低电源的利用率和可靠性。目前多采用电磁耦合和静电耦合两种方式进 行匹配，前者主要通过变压器匹配，后者以三阶谐振电路代替二阶谐振电路以取消 3 华北电力大学硕士学位论文 变压器实现高效、低成本阻抗匹配，这种拓扑的研究目前已经成为研究热点。另外， 从控制逆变器工作状态的角度去控制负载的匹配是一个研究方向【1 3 】。 1 2 课题研究背景 感应加热电源在对工件进行加热时，需要使加热装置的输出功率能够在一定范 围内连续可调，从而对工件的加热温度进行控制。目前感应加热电源的功率调节方 式可分为三类：整流单元功率调节、直流单元功率调节和逆变单元功率调节。整流 单元功率调节以晶闸管相控整流为主，直流单元功率调节以直流p w m 斩波为主， 逆变单元功率调节以调频、移相和脉冲密度调制为主。 整流单元功率调节； 晶闸管相控整流调功是整流单元功率调节的主要方式，是目前使用较多的调功 方式之一。在此方法中，通过改变相位控制角a 来改变输出直流电压的大小，从而 调节系统的输出功率。晶闸管整流调功方式技术成熟、成本较低、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但是当相位控制 角较大( 即深控) 时，网侧功率因数很低，对电网形成较大污染。而且由于晶闸管整 流调压电路的e m i 非常大。会对周边的电气设备和自身的控制电路产生干扰此外， 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，难以适应高性能调 功的要求1 4 1 f 1 5 】f 1 6 1 。 直流单元功率调节： 直流p w m 斩波是直流单元功率调节的主要方式，采用不控整流加d c d c 变换 来调节输出电压值，从而实现对输出功率的调节。这种方式具有功率因数高，动态 响应快，保护容易等优点【1 5 1 。但是，由于斩波器件工作在大电流开关状态，开关损 耗大、效率低、e m i 大【1 7 1 。虽然近年来研究了具有软开关的直流p w m 斩波控制电路 【1 8 】，但是其主电路拓扑和控制方案变得比较复杂，且调功范围变窄，适用程度比较 低。 逆变单元功率调节： 1 ) 调频调功( p f m ) p f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) 是通过改变逆变器工作频率，从而改变负载 等效阻抗以达到调节功率输出的目的【1 4 】f 1 5 1 。 对于串联谐振电路，当控制逆变器的开关频率厂等于串联谐振电路固有谐振频 率五时，即f = f o ，逆变器工作在串联谐振状态，输出功率达到最大值，此时负载 电压和负载电流相位相同，系统呈现纯阻性；当f f o 时，出现负载电压超前负载 4 华北电力大学硕士学位论文 电流的情况，系统呈现感性，输出功率小于处于谐振点状态时的输出功率；当f l ，q 为品质因数，q = a ，o l r 。此时输出电流为： 等瓢r i f - 2 ) ：丝：一2 q ，平均输出功率为： 2 陬出 ) f 乒s i n r ( f ) s i n ( 一) 出 i e ( t ) 是输出电流波形的幅值，劝传统p d m 的一个控制周期，2 = l 为v t i 、 3 和v t 2 、v t 4 轮流导通的周期，矽为逆变器输出电压与电流的相位差如果 l c a o ，则有： 2 - v d e s 矽j 1f z ( t ) 出 4 ) 争亍【万1 - e - r j r 辛一p 孚) ) 尸雠= 昙k c o s 妒为争= 1 时的输出功率，即最大功率，当r f 时，有： = p 眦等 5 ) q 华北电力大学硕士学位论文 当t 状态i ： 在状态i 时，v t l 和3 导通，v t 2 和4 截止，c i 和c 3 的电压为零，c 2 和 c 4 的电压为u d ，续流二极管d l 、d 2 、d 3 和d 4 都处于截止状态，负载两端的电压 1 8 ， 华北电力大学硕士学位论文 u b = u d ，如图3 4 ( a ) 所示。 2 ) 状态2 ： 在状态2 时，v t l 和v t 3 的触发脉冲关断，v t i 和v t 3 在负载电流很小和零电 压下快速关断，此时逆变器进入死区，由于负载电流还未过零，因此继续原来的方 向流动，c l 和c 3 被充电，c 2 和c 4 放电，v t l 和v t 3 两端的电压从零开始上升，v t 2 和v r r 4 两端的电压从u d 开始下降。最后，c l 和c 3 的电压为u d ，c 2 和c 4 的电压为 零，此时，负载两端的电压u 。b = u d ，如图3 4 ( b ) 所示。 3 ) 状态3 ： 在状态3 时，由于负载电流还未过零，因此负载电流将通过续流二极管d 2 和 d 4 续流，如图3 - 4 ( c ) 所示。 4 ) 状态4 。 在状态4 时，尽管v t 2 和y r 4 的触发脉冲已经到来，但由于负载电流还未换向， 因此2 和v t 4 也不会有电流流过，如图3 - 4 ( d ) 所示。 5 ) 状态5 ： 在状态5 时，负载电流开始换向，二极管d 2 、d 4 截止，2 和v t 4 开始流过电 流，由于换流时v t 2 和v t 4 两端的电压为反并联二极管的压降，所以v t 2 和v r 4 近似零电压下开通，降低了开关损耗。此时，负载两端的电压为u a b - - - - 一u d ，如图3 - 4 ( e ) 所示。 6 ) 状态6 ： 在状态6 时