（电力电子与电力传动专业论文）50khz+igbt串联谐振感应加热电源研制.pdf

西安a _ t - 大学硕士学位论文 t i t l e ：r e s e a r c h0 f5 0 k h zi g b ts e r i e sr e s o n a n c el n d u c t i o n h e a t i n gp o w e rs u o p l y m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i c s a n de l e c t r i c a ld r i v e n a m e x u l i a n gn i s u p e r v i s o r ：p r o f s h o u z h il i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： a tp r e s e n tt a k ei g b ta st h es w i t c hc o m p o n e n t ss e r i e sr e s o n a n c ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r s o u r c ei nt h eh i g he f f i c i e n c ya n dt h eh i g hf r e q u e n c yu n d e rr e s e a r c hi sah o ts p o ta n dt h e d i f f i c u l t y t oc o v e rt h ec o n t r o ls y s t e m si n s u f f i c i e n c yw h i c hu s e st h ea n a l o g o u sc i r c u i t ，t h e r e s e a r c ho fi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rd i g i t a lc o n t r o li st h ei n e v i t a b l et r e n d i nt h i sa r t i c l et a k et h e s e r i e sr e s o n a n c ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l ya st h eo b j e c to fs t u d y , m a i n l yr e a l i z e st h e p o w e rs o u r c ec o n t r o ls y s t e m sd i g i t i z a t i o nu s i n gt m s 3 2 0 f 2 8 1 2o f t ic o r p o r a t i o n t h ep h a s ec o n t r o lr e c t i f i e ra st h ep o w e rc o n t r o lm o d ea n dt h es y s t e ms a f e t yr e l i a b l e r u n n i n gs t a t u sh a db e e nd e t e r m i n e di nt h ea r t i c l et h r o u g ht h ea n a l y s i s t h eo v e r a l ls y s t e mh a d b e e nb u i l tu n d e rt h es i m u l a t i o ne n v i r o n m e n to fm a t l a b s i m u l i n ki n t h i sa r t i c l e t h es e r i e s r e s o n a n c ei n d u c t i o nh e a t i n gu n d e rp o w e rh a l fv o l t a g es t a r tp a t t e r na n dp h a s e - l o c k e dl o o p f r e q u e n c yt r a c kc a p a c i t ya n dt h ep o w e rc o n t r o lh a db e e na n a l y z e dt h o u g ht h es i m u l a t i o n i nv i e wo fi n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r sd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，t h ew o r kp r i n c i p l ea n dt h e r e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o no fp h a s ec o n t r o lt r i g g e ro ft h y r i s t o ra n dp h a s e l o c k e dl o o ph a db e e n d i s c u s s e di n t h i s a r t i c l e t h y r i s t o rd i g i t a lp u l s et r i g g e r i n ga n dt h ed i g i t a lp h a s e l o c k e dl o o p ( d p l l ) i nd e t a i lb a s e do nt h ed s ph a db e e na n a l y z e d ，a n do b t a i n st h e mr e s p e c t i v es u p e r i o r i t y t h ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r s u p p l yc o n t r o ls t r a t e g yh a db e e na n a l y z e d ，a n dt h ec o n t r o lm e t h o d o ft h ed i g i t a lp it h e i n t e g r a ls e p a r a t i o nh a db e e nu s e d i nt h i s a r t i c l et ic o r p o r a t i o n 。s t m s 3 2 0 f 2 812t ot a k es y s t e m sc o n t r o lc h i ph a db e e nu s e d ，c o n t r o ls y s t e m sd s pp e r i p h e r y h a r d w a r ec i r c u i th a db e e nb u i l t ，a n do v e r a l ls y s t e m 7 sp r o c e d u r eh a db e e nc o m p i l e dt h o u g h a n a l y z e dt h es y s t e m sw o r kp r o c e s s f i n a l l yt h ee x p e r i m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e n c a r r i e d ，a n dc o n f i r m e dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa c c u r a c ya n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yf e a s i b i l i t y k e y w o r d ：i n d u c t i o nh e a t i n g ；s e r i e sr e s o n a n c e ；d s p ；i g b t 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 做作者签名：牲沙万年乡月弓日 学位论文使用授权声明 本人筇契葬豪致在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：4 幺燃i 导师签名：沙9 狰；月；日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题背景及意义 本课题是针对陕西美泰电气有限公司的一个开发研究项目。 目前国内以i g b t 为开关器件的超音频感应加热电源已经很多研究和一些产品，但是 对于大功率高频的感应加热电源国内还没有很成熟的产品，还处于研究阶段，大多数产品 是从国外引进的。 感应加热技术是在2 0 世纪初才应用于工业生产的，因其具有加热速度快、物料内部 发热和热效率高、加热均匀且具有选择性、产品质量好、几乎无环境污染、可控性好及易 于实现生产自动化等一系列优点，因此近年来得到了迅速发展。目前感应加热电源已在 熔炼、铸造、弯管、热锻、焊接和表面热处理等行业得到广泛的应用。 在上世纪8 0 年代功率器件i g b t 问世之前，感应加热电源在超音频阶段起初采用双 极性晶体管和功率m o s 晶体管，但因双极性晶体管速度受到存储时间限n ( u s 级、) 及它存 在一个致命的二次击穿问题，而m o s 晶体管虽然开关速度快、不存在二次击穿和驱动功 率小等优点但是它在高压下通态损耗大等都限制了它们在超音频阶段的推广应用d 1 。新型 功率器件i g b t 问世后，因其综合了m o s 管和双极性晶体管的优点，具有高速、易驱动 和通态压降低等综合性能，已成为众多加热电源的首选器件。随着各半导体生产厂家不断 开发i g b t 的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，其发展状况 对感应加热电源在大功率和高频方向的发展有着深远影响，本课题就研究以i g b t 为开关 器件实现大功率高频感应加热电源实验装置。 另外在控制方式上，传统的感应加热电源控制系统采用模拟分立器件搭建而成，存在 以下一些缺点：元件易老化、工作点漂移及一致性差等原因引起的问题；产品升级换代困 难，如要对控制系统做改动，则离不开对硬件系统的改进：电源的核心部分( 频率跟踪) 采 用c d 4 0 4 6 进行模拟控制，频率段滤波环节参数的差异对锁相的可靠性和快速性存在很大 影响。随着数字集成芯片，单片机、d s p 、f p g a 的出现，使得感应加热电源数字化成为 一种趋势，其具有控制灵活，系统升级方便，只要修改相应的控制算法，而不必对硬件电 路加以很大的改动；控制系统可靠性提高，易于标准化；系统一致性好，成本低，生产制 造方便。而且控制数字化后无需另加单片机等便可与外部实现微机通信控制。 目前国内外对感应加热电源控制的数字化方面的很多研究只是对其中部分功能实现 数字控制，并未对系统的控制完全数字化，并且这些研究都针对小功率和低频率。因此对 于采用d s p 实现大功率高频串联感应加热电源系统有很大意义。 1 2 串联谐振感应加热电源的研究现状 i g b t 虽然具有m o s 管的高速特性，但是其丌关频率相对于m o s 管还是有一定差距， 西安理工大学硕士学位论文 因此采用i g b t 的感应加热电源主要工作在超音频阶段( 1 0 1 0 0 k h z ) 。在国外，1 9 9 4 年同 本采用i g b t 研制出1 2 0 0 k w 5 0 k h z 的电流型感应加热电源，1 9 9 3 年西班牙报道了 3 6 0 0 k w r 5 0 k h z 1 0 0 k h z 系列的i g b t 电流型感应加热电源。欧美地区的其他一些国家如 英国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电源目前最大容量也达数百千瓦乜1 。 在国内，浙江大学1 9 9 6 年5 0 k w 5 0 k h z i g b t 并联型感应加热电源也通过了产品鉴定。 1 9 9 8 年天津金能电力电子有限公司实现了i g b t 型2 5 0k w 1 5 k h z 电流型感应加热电源d 1 。 清华大学电力电子厂生产的3 0 0 k w 5 0 k h z 电流型感应加热电源已经在科研和生产实践中 获得广泛应用1 。文献 51 采用i g b t 模块研制开发了1 0 0 k h z 3 0 k w 的电流型感应加热 电源。因此目前的研制水平在3 0 0 k w 5 0 k h z ，与国外的水平仍有相当大的差距。 以上所述的基于i g b t 开关器件感应加热电源逆变器以电流型并联谐振为主，因为电 流型并联逆变器易于实现多个桥的并联来提高功率n 1 以及其短路保护容易。而结构简单， 易于频繁起动等居多优点的串联谐振感应加热电源的大功率化和高频化研究仍是研究的 热点。目前串联谐振感应加热电源国内的研究有：北京有色金属研究总院和本溪高中频电 源设备总厂共同研制出1 0 0 k 、酬2 0 k h z 的i g b t 串联谐振超音频电源，其为了提高输出功 率采用了两个逆变器并联的方式n 1 ；1 9 9 8 年天津大学电力电子应用技术研究所开发的 t g 9 0 0i g b t 高频感应加热电源功率为2 0 k w 频率范围为1 0 1 0 0 k h z 。可知目前国内i g b t 串联谐振感应加热电源的功率最高在3 0 0 k w 左右，并且在大功率场合下的频率基本处于 2 0 。3 0 k h z 。有些电源的研究在频率上提高了，但是功率仍在2 0 k w 上下。因此研究基于 大功率高频的串联谐振感应加热电源对于弥补目前国内这一领域有很大的意义。 在电源控制方面，上述电源的控制普遍采用模拟控制，之后的很多研究也多基于这种 控制模式，如文献 6 1 所述的1 0 0 k w 2 0 k h z 的i g b t 串联谐振超音频电源和文献 7 1 所研究的1 6 0 k w 3 0k h z 超音频感应加热电源。但近年来对感应加热电源数字化控制方面 已经有了不少研究。目前数字化控制采用的数字芯片普遍采用d s p 和f p g a ，其中d s p 以 其丰富的片内外设和越来越快的运行速度成为了主要研究对象。 文献【8 】【9 】中感应加热电源采用f p g a 为控制芯片，其中文献【8 】用f p g a 实 现了电源中的频率跟踪模块锁相环，而功率调节用外部模拟电路实现，文献【9 】虽然对 采用f p g a 的功率调节做了研究，但是只能实现简单的运算，无法实现复杂的运算。感 应加热电源采用d s p 控制的有文献【l o 【1 1 】【1 2 】，其中文献【1 0 采用d s p 实现最 佳死区控制，模拟器件c d 4 0 4 6 实现锁相环和c p l d 数字逻辑产生p w m 波，文献【1 1 】 基本上实现了数字化控制，但采用了2 片d s p ，且锁相环中鉴相器和低通滤波是采用外 部模拟电路。文献【1 2 1 虽然实现了锁相环的全数字化，但是其没有用d s p 实现功率调 节。 1 3 本课题主要内容 2 本课题是针对陕西美泰电气有限公司的一个开发研究项目，研制实现5 0 0 k w 5 0 k h z 1 绪论 串联谐振型感应加热电源，逆变电路采用i g b t 串联谐振全桥式拓扑结构，控制电路以高 速d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心，实现电源的晶闸管相控数字脉冲触发、全数字锁相、闭环 功率控制和系统的故障保护等数字控制系统。 本课题的主要内容如下： ( 1 ) 分析了串联谐振型感应加热电源负载谐振槽路特性、系统的功率调节方式和逆变 器的换流工作过程，最后确定电源的调节方式和工作状态。 ( 2 ) 设计了串联谐振感应加热电源的主电路参数，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下建立整 个电源系统的仿真模型，对系统的启动过程、频率跟踪和功率闭环控制进行了仿真研究。 ( 3 ) 设计了基于d s p 感应加热电源控制系统，包括三相全控桥的触发脉冲发生、锁 相环的全数字实现及功率闭环调节与保护。 ( 4 ) 编写了整个控制系统的程序，实现电源从开始上电到正常运行的工作过程并设计 搭建了d s p 外围电路。 ( 5 ) 对电源控制系统进行了硬件和软件调试，分析实验结果。 重点研究了电源的半压启动模式及启动过程中频率跟踪和功率闭环调节以及本课题 采用的d s p 实现数字锁相环方法的动态性能。 3 西安理工大学硕士学位论文 2 串联谐振感应加热电源工作特性分析 2 1 感应加热原理 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m i c h a e l f a r a d a y 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。将导体 放在高频磁场内，则磁力线会切割导体，在其中产生感应电动势，从而产生涡流。由于导 体电阻的存在，当电流流过导体时，导体便会发热。十九世纪末以前人们均将此现象看作 是有害的热效应，但自从1 8 9 0 年瑞典人k j e l i n 发明了有芯感应炉用于金属熔炼，人们就 已开始认识到电磁感应涡流热效应的应用价值。 如图2 - 1 所示，在导体外面绕一匝数为n 1 的线圈，交变电流通入线圈后，感应线圈 中就会产生同频的交变磁通驴，在加热工件中就会产生相应有感应电动势e 。设工件的等 效匝数为m ，则感应电势： p ；一 丝( 2 1 ) d t 、。 设交变磁通为m m 。s i n t o t ，则： e ；一2 掌；_ 2 , n o - ) c o s t o t ( 2 2 ) 可知感应电势的有效值为： e 一4 4 4 鹏m 。( 2 3 ) 图2 - 1 感应加热原理 f i g 2 1t 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 此感应电动势在工件中产生感应涡流，使工件内部加热，其焦耳热为： q = 0 2 4 1 2 2 r t ( 2 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，然后在工件内部将电 能又转变为热能的过程，它与一般的电气设备中由于电磁感应而产生涡流进而产生发热的 原理是样的，不过在感应加热中我们是利用了这一效应，而不像一般情况下我们都是试 图抑制此现象。 4 2 串联谐振感应加热电源工作特性分析 由上面的焦耳热表达式可以看出，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。 交变磁场在导体中感应出的交变涡流由于集肤效应的影响，其沿横截面由导体表面至 中心按指数规律衰减。由于由涡流产生的热量与涡流的平方成正比，因此热量由工件表面 至芯部的下降速度比涡流的下降速度快的多，我们可以近似认为感应加热的热量集中在厚 度为电流透入深度的薄层中u 。 定义电流透入深度为涡流密度降至表面电流密度的1 e ( 即3 6 8 ) 处的深度，可以 认为热量( 8 0 一9 0 ) 集中在厚度的薄层中，透入深度由下式确定： = 屉t 厮 ( 2 5 ) 式中：p 一工件电阻率( o x m ) ，真空磁导率，锄x 1 0 。( h m ) ，一工件磁导率 ( h m ) ，以一工件相对磁导率，一角频率( r a d s ) ，厂一频率( h z ) 。 将和刀的数值代入，即可得公式： 厂 a 一5 0 3 0 0f 7 ( m m ) ( 2 6 ) 、h rj 从上式可知，当导体的电阻率p 和相对磁导率给定后，透入深度仅与频率的平方根成 反比，且在电流透入深度范围内吸收的功率，为金属圆柱吸收总功率的8 6 5 ，因此选 择合适的工作频率和设备容量对于负载工艺的要求( a n 热效率和温度分布) 非常重要。工件 的加热厚度可以方便的通过调节频率来加以控制，频率越高，工件的加热厚度就越薄。这 种性质在工业金属热处理方面获得了广泛的应用，因此在采用i g b t 实现的感应加热电源 时如果能获得比较高的频率对某些表面处理要求高的场合有很大的好处。 下面介绍串联谐振型逆变器实现感应加热电源的电路特性。 2 2 串联谐振负载槽路特性分析 随着电力电子学及功率半导体器件的发展，感应加热电源拓扑结构经过不断的完善， 已经形成了一种固定的a c d c a c 模式，包括整流环节( a c d c ) 、滤波器、逆变- 器( d c a c ) 、 幽2 2 感应加热电源结构框图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo ft h ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y 5 西安理工大学硕士学位论文 6 负载槽路和控制电路晒1 。根据调功方式的不同，感应加热电源的系统结构框图略有不同， 主要表现在功率控制环节对应的控制电路，有调节输入直流侧电压的，也有调节逆变侧开 关特性的。直流侧相控整流调功方式的电源结构框图如图2 2 。 感应加热电源的负载是由感应线圈和被加热工件组成的，功率因数很低，因此为了提 高功率因数，常采用联接电容器以补偿无功功率。根据补偿电容与感应线圈及被加热工件 的联接方式的不同，可以将逆变电路分为串联逆变电路和并联逆变电路两种。本课题研究 串联谐振型感应加热电源，接下来分析串联谐振负载槽路特性2 7 1 嘲1 0 感应加热电源负载可等效成电感与电阻的串联，则负载的等效阻抗为： z b + 弘s( 2 7 ) 当补偿电容与负载串联时便构成了串联谐振电路，如图2 3 所示。 1 r 图2 - 3 串联谐振负载电路 f i g 2 - 3c i r c u i to ft h es e d e sr e s o n a n tl o a d 由图可见负载的阻抗为： z = r + j ( w l 一) = r + _ ( 置+ 丘) 一尺+ 其模为 i z l 一扛2 + 似一) 2 ；厮 电流模为 i 叫一 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 。典 ( 2 1 0 ) 暑；= = = = = = = = =i 二1 u - , r 2 + x 2 、7 其中电抗 x = 础一夕幺 ( 2 1 1 ) 当x = 0 时电路发生谐振，则 4 4 乃历厶。压面 ( 2 1 2 ) 其中为谐振角频率，兀为谐振频率。 谐振时电路的功率因数c o s # = 1 ，电容上的电压有效值和电感上的电压有效值为： u c u l = q u( 2 1 3 ) 其中q 为谐振电路的品质因数 q = 警一去 ( 2 1 4 ) 电路谐振时外电源电压全部加在电阻e ，此时电感l 和电容c 上的压降等值，电感 2 串联谐振感应加热电源工作特性分析 l 电压超前于电流9 0 。而电容c 电压滞后于电流9 0 。，它们的幅值是电源电压的q 倍。因 此，串联谐振也被称为电压谐振。 电感和电容上的电压与频率的关系如下： u 0 叫咖枷。一 、。以7 蹦咖等。砰w c r 岩( c o l 面 巩 。2+ 一y 一1 ) 2 lfl o ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 0 40 81 1 41 8 t o 图“串联谐振槽路各变量随变化曲线 图2 5q 值不同时的谐振曲线 f i g 2 - 3t h ev a r i a n c ev a l u ec u r v ew i t hd i f f e r e n t 缈f i g 2 5t h er e s o n a n tc u r v ew i t hd i f f e r e n tq 如果固定l 、c 和尺值不变，使外部电源频率由o 到缈变化时，那么电路中的电流、 电压和阻抗的变化情况如图2 4 所示。当= o 时，相当于开路，电路中电流为零，全部 电压加到电容上，随着c o 的逐渐增加，容抗逐渐减小，感抗逐渐增加，但在谐振前( ) 容抗值始终大于感抗值，负载呈容性。在此过程中，电流随国增大而增大。当电路达到谐 振( 。) 时，电流达到极大值，电路呈阻性，即出现上述分析的谐振情况。随着继续 增大，感抗值大于容抗值，电流开始逐渐下降，负载处于感性状态。从图中还可看出，电 感和电容的电压极大值都偏离谐振点( ，和处) ，虽然谐振时，达到最大值但对应的电 感x ，和电容砟并非最大值n 们 2 8 1 。式2 9 和2 1 0 对求极大值可知： l2w o 。 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 下面分析电路参数发生变化( 即q 发生变化) 后的影响，电路的阻抗表达式可变换为： ( 2 1 9 ) 7 西安理工大学硕士学位论文 则电路中的电流有效值为： 一u 1 = 2 z ( 2 2 0 ) 将上式中i o 的值为纵坐标，c o c o o 为横坐标在不同的q 值下绘成如图2 - 5 的曲线， 电路中各参数的变化对电流的影响可完全体现在q 上。从图中可以看出，q 值越大，谐 振曲线就越陡。在感应加热电源中针对加热物体的具体要求需要设置合适的品质因数q 。 2 3 调功方案分析和选择 由于感应加热过程中，负载等效参数会随温度和炉料熔化变化而变化以及加热工艺的 需要，感应加热电源应该能对负载进行功率调节。对于串联谐振型逆变器有多种不同的调 功方式，我们需要在研制过程中根据实际的应用场合、性能要求等做出合理的选择。系统 的调功方式总体上可以分为直流侧调功和逆变侧调功两种。 直流侧调功即在逆变器的直流电源侧通过对逆变环节输入电压幅值的调节来实现对 逆变器输出功率的调节，即为调压调功方式( p a m ) 。这样负载就可以通过锁相措施让其工 作在谐振或者接近谐振的工作频率处。调节整流电路输出电压的方式大致可分两种：相控 整流调功和不控整流后斩波调功。 逆变侧调功即在逆变器侧通过对逆变环节功率器件的开关特性控制改变逆变器输出 工作状态，从而实现对逆变器输出功率的调节。逆变侧调功可分为脉冲频率调锘i j ( p f m ) 、 脉冲密度调制( p d m ) 和脉冲移相调制三种。采用逆变侧调功方案时就可以在直流侧采用不 控整流，简化整流器电路，提高系统整体网侧功率因数，同时逆变侧功率调节的响应速度 比采用直流侧要快。 相控整流调功电路简单成熟，控制方便；斩波调功在大功率场合下电源的整机效率和 可靠性将会降低，不适合于本电源的正常工作 1 4 l 脉冲频率调制( p f m ) 会因调功过程中频 率的变化对加热工件产生很大的影响1 5 1 ；脉冲密度调f 制( p d m ) 在功率闭环的场合中工作 稳定性较差，且呈有级调功方式；脉冲移相调制会增加功率的损耗，如采用软开关则会增 加电路的复杂性1 阳。 综合这五种调功方式的优缺点，并结合本课题工作在大功率场合，选择采用晶闸管相 控整流调功，通过调节晶闸管导通角得到幅值大小变化的直流输出电压供给逆变环节，从 而改变逆变器输出功率。这种调功方式电路简单成熟，控制方便，逆变侧只需使锁相环频 率闭环跟踪而无需参与调功等工作，所以串联谐振感应加热电源容易工作于大功率高频状 态，最能满足本课题的要求。 下面分析这种相控整流调功方式下的换流工作过程。 8 2 串联谐振感应加热电源工作特性分析 2 4 串联谐振型逆变器的工作过程分析 在调功方式采用相控整流调压调功下，串联谐振逆变器部分的拓扑结构如图2 - 6 所 示，根据输出电压与输出电流的相位关系可将电路工作状态分为容性、感性和谐振状态。 下面主要分析容性状态和感性状态，谐振状态是前两者的临界状态，可以类推。 一f 一fz 吕叫 q 2 jk 么么 q ，_ jk = = u d y r = - 一卜一 fzfz - j 铝0 4 叫k 么 d 3 图2 - 6串联谐振逆变器的基本拓扑结构 f i g 2 - 6t h eb a s i ct o p o l o g yo fs e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r 先分析逆变器工作在容性状态下的工作过程，如图2 7 所示，逆变输出电流电压波形 如图2 8 所示。 模态1 ：在t 。时刻q l 、q 3 管开通，此时电流从电源正极经q 1 、负载槽路和q 3 回到 电源负极。此时负载两端电压为u d ，由于电路工作于谐振频率附近，振荡电路对于基波 具有最小阻抗，因此负载电流近似于正弦波。 模态2 ：在f 时刻负载电流过零后并反向增大，从电源负极经d 3 、负载槽路和d 1 回 到电源正极。电流由开关管q 1 、q 3 换到d 1 、d 3 ，此时负载电压为u d 。 模态3 ：在t ，时刻开通q 2 、q 4 ，关断q 1 、q 3 为零电压关断。电流从d 1 、d 3 换到 q 2 、q 4 ，此时d 1 、d 3 突然受到反向电压会产生反向恢复电流，对q 2 、q 4 产生较大的 开关损耗。当d 2 、d 4 反向恢复电流迅速下降到零时，会在各开关管串联的分布电感中产 生很大的感应电动势，从而使开关管受到很高的电压冲击。电流从电源正极经q 2 、负载 槽路和q 4 回到电源负极，此时负载电压为u d ，电流近似于正弦波。 + 叫d b u d 二l k 土 。j q 3 - jk ( a ) 模态1 + 杰d l 一lr - c u d = 二= h “口一一卜一l 峦d 3 一 ( b ) 模态2 9 西安理工大学硕士学位论文 + lr_ 叫 u d = r 掣h q 4j 2 x l , e = 2 8 f 2( 3 2 0 ) 1 6 3 串联谐振型感应加热电源参数设计及仿真分析 s 堕望掣= ( 3 4 6 7 4 6 2 2 ) w0 2 1 ) 选用3 2 4 0 0 0 w 的无感电阻。 3 2 5 负载槽路设计 本串联谐振感应加热电源在设计槽路电容时，主要考虑它与谐振电感之间的无功能量 交换平衡( 1 5 1 2 4 1 a a 谐振补偿电容 逆变输出电压的基波有效值达到最大为： u h m 。一2 4 t 2 玑，丝5 0 0 4 5 0 v ( 3 2 2 ) 谐振时槽路电容两端的最大电压为：一q ；其中q 为负载电路的品质因数，q 取4 则： 【，c q 己r 舸一4 x 4 5 0 = 1 8 0 0 v( 3 2 3 ) 因此电容器的阻抗为： t ：字：塑“4 6 q 024)1235、l w 则可求c t t a x 乏。云夏菊三否i 丽。2 1 即f ( 3 2 5 ) ，2 巧x 5 0 1 0 5 1 4 6 。、7 槽路上的无功功率为： q l ct 2 j ，c = 1 2 3 5 2x 1 4 6 2 2 2 7 k v a r ( 3 2 6 ) 所以谐振电容器应该按照c - - 2 1 8 t f ，2 0 0 0 v , 5 0 k h z 来选择。 b 负载线圈电感电阻参数设计 感应加热线圈实际上包括两个部分，槽路电感l 和线圈与负载的等效电阻r ，谐振 时x l | xc ，鼬 = 鲁= 瓦丽1 4 6 “驰h ( 3 2 7 ) 7 & ，2 万5 0 1 0 、7 由于q = 警，所以槽路线圈和负载的等效电阻尺一詈= 。3 6 5 q 。 所以可按4 7 比h 1 7 5 0 a 2 0 0 0 v 设计加热线圈，负载和线圈的等效电阻约为0 3 6 5 q 。 3 3 系统的仿真分析 本文对串联谐振感应加热电源系统的仿真分析采用m a t l a b s i m u l i n k ，罩面的电气系 1 7 西安理工大学硕士学位论文 统模块库( s i m p o w e r s y s t e m s ) 涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等学科中常用 的器件和系统的仿真模型，为电力电子电路的仿真提供了有利的工具。 3 3 1 感应加热系统各模块仿真模型设计 a 锁相环( p l l ) 锁相环( p l l ) 是感应加热电源控制系统的重要部分，是一种相位反馈控制系统，实现 对输入信号的频率和相位的跟踪。锁相环的原理框图如图3 2 所示，它主要有三部分组成： 鉴相器( p d ) 、环路滤波器( l p f ) 和压控振荡器( v c o ) 别。 图3 2 锁相环的基本原理框图 f i g 3 2t h ef u n d a m e n t a lb l o c kd i a g r a mo f p h a s el o c k e dl o o p s 输入信号与反馈回来的压控振荡器的输出信号通过鉴相器获得它们的相位差，经过 环路低通滤波器滤掉高频信号得到平均信号，并用其去控制压控振荡器的输出频率。通过 负反馈使输出信号和输入信号之间的频率不断减小，直到这个差值为零实现频率和相位的 跟踪。低通滤波器的时间常数决定了跟踪输入信号的速度，同时也限制了锁相环的捕获范 围。 鉴相器一般分为异或门鉴相器和边沿触发鉴相器，因异或门鉴相器要求输入为占空比 5 0 的方波，而边沿触发鉴相器没有这样的要求，所以在本仿真中采用边沿触发型如图 3 3 。为了实现无相位跟踪，低通滤波器后引进p i 环节咖1 ，使锁相环具有良好的动态稳定 性和较小的稳态误差。 图3 - 3 边沿触发鉴相器仿真模型 f i g 3 3s i m u l i n km o d eo fe d g et r i g g e r e dp h a s ed e t e c t s i m u l i n k 里锁相环p l l 的仿真模型如图3 4 所示。其中p d 为上图的边沿触发鉴相器， t r a n s f e rf c n 3 为低通滤波器，t r a n s f e rf c n 4 为p i 调解器，v c o l 为压控振荡器。 1 8 3 串联谐振型感应加热电源参数设计及仿真分析 图3 4 锁相环的仿真模型 f i g 3 - 4s i m u l i n km o d eo fp h a s el o c k e dl o o p b 相控触发电路 相控触发电路如图3 - 5 所示，其中输入的a l p h a 为触发角。同步线电压信号在a l p h a 的偏移电压下延迟给定的角度，通过r e l a y 模块后得到方波信号，之后通过c h u f a 模块可 得到给定触发脉冲宽度的信号，该模块可实现口在0 1 8 0 。的双窄脉冲触发，其可避免 s m u l i n k 工具箱中s y n c h r o n i z e d 6 p u l s eg e n e r a t o r 模块的触发角范围只能在0 9 0 。之间。 图3 6 为该相控触发模块带阻性负载时的仿真波形，说明搭建的模块是正确可行的。 图3 相控整流触发脉冲发生模型 f i g 3 - 5m o d eo fp h a s ec o n t r o l l e dr e c t i f i e rp u l s eg e n e r a t o r 宝 出 母 丑 舞 鹾 谢 ( a ) 口= 6 0 度时整流输出电压波形( b ) 口= 1 1 0 度时整流输出电压波形 图3 - 6 三相全控整流输出电压波形 f i g 3 - 6v o l t a g ew a v e f o r mo ft h r e ep h a s er e c t i f y 1 9 西安理工大学硕士学位论丈 c 闭环系统建模 电源闭环控制系统的仿真模型如图3 7 所示。其中t h r e ep h a s ef u l lb r i d g e 模块为三相 全控晶闸管整流模块，t a j i z i j i 为它激信号转为自激信号模块，p l l 为上面分析的锁相环 模块，其中实现了相位补偿的作用，d e a d t i m e 为死区形成电路。 3 3 2 仿真结果及分析 图3 7 系统仿真模型 f i 9 3 - 7s i m u l i n km o d eo ft h ep o w e rs u p p l y 本文在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下建立系统仿真模型，采用相控整流调压调功方式 完成系统的闭环。仿真中重点研究了整个电源的启动问题，其中包括锁相环频率跟踪和功 率闭环调节，通过仿真分析为系统的设计提供理论指导。 仿真参数：3 8 0 v 三相交流电输入，直流限流电感取0 6m h ，直流滤波电容取1 0 m f ， 负载电阻取0 3 6 q ，补偿电容取2 2 # f ，谐振电感取4 7 # h ，品质因数取4 。 感应加热电源启动过程仿真分析： 感应加热电源的启动过程包括系统滤波电容预充电、锁相环的它激转自激过程和功率 反馈调节过程。 在电源刚上电时，滤波电容上的电压为零，未能给逆变侧提供足够的能量使它振荡起 来，因此必须先给电容预充电。当预充电至适当的时候开通逆变桥工作，电源给负载传输 能量。逆变器刚开始工作时因为负载谐振还未建立，自激信号不够强不足于得到输出电流 准确相位，所以逆变器先工作在它激状态，在自激信号足够时启动它激转自激，使逆变器 工作频率跟踪上负载谐振频率，使系统工作在合适的偏感性状态。 下面仿真分析从开始上电到电容半压的过程。 图3 8 为上电一开始相控角a 就为6 0 。下相控输出的电压电流波形，图3 - 9 为滤波 电容上的电压波形。可知虽然存在限流电感但是输出电流有很大的变化最高可达1 6 0 0 a ， 3 串联谐振型感应加热电源参数设计及仿真分析 且输出电压在滤波电感的充电下很快就达到6 6 0 v ，这对晶闸管的影响会非常大，如果控 制不当会对逆变桥产生损害。这种情况下一般要串限流电阻，并在启动成功后去掉，因而 增加电路的复杂性。 言 3 霉 喜 一j ，一一j 一， 6 0 0 - ：- - 一 音， q s 0 0 1 40 0 1 60 0 1 80 0 2 奢4 0 0 一l u ，l 。 施j 棚 l 羹2 0 0 k 一一 一 一一 一一一一一i 一一一i一i 一一一j 一一一。 ， l 7 t ，( s l t ，l s ) 图3 - 8 口为6 0 时相控整流输出电压电流波形 图3 - 9 口= 6 0 滤波电容上的电压波形 f i g 3 8 w a v e f o r mo fv o l t a g ea n dc u r r e n tw h e n 口= 6 0 。f i g 3 9v o l t a g eo ff i l t e rc a p a c i t o rw h e n 口= 6 0 图3 1 0 为相控角口从1 2 0 。缓慢滑到满足半压的过程中的相控输出电压电流波形，图 3 1 1 为输出电压波形。可知相控输出电流变化较小，在口缓慢减小的过程中电容上的电 压也是缓慢变化对晶闸管整流部分影响减到最小，并且对此后逆变桥开通工作和它激到自 激的过程的影响小，便于感应加热电源的安全可靠的成功启动。 4 0 0 3 0 0 寸 苎 晷2 0 0 袖 脚 羹1 0 0 o j、l ， f 厂 一。z r 厂i oo 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 80 1 t ( s )t ，i s j 图3 1 0 口从1 2 0 。缓慢减少相控输出电流电压波形图3 1 1 口从1 2 0 。缓慢减少滤波电容电压波形 f i g 3 1 0w a v e f o r mo fv o l t a g ea n dc u r r e n tw h e n 口f i g 3 - 11v o l t a g eo ff i l t e rc a p a c i t o rw h e n 口 d e c r e a s ef r o m120。decrease f r o m1 2 0 。 直流电压到达多大时开通逆变桥工作很重要，选取的要求为：逆变器工作后既能使负 载正常谐振，又能在它激转自激失败后不至于对系统造成影响，可以在下次重新启动频率 跟踪。下面分析在三种直流电压下的仿真波形。 图3 1 2 为开启逆变器工作电压为8 0 v 的仿真波形。图( a ) 中它激转自激开启阈值为 1 5 0 a ，可知这个直流开启电压下不能启动它激转自激信号，因此锁相环不能正常工作， 也就无法进行频率跟踪，影响电源的正常工作。假设在降低它激转自激信号的阈值为1 0 0 a 下如图) 所示，可以启动锁相环工作，但是自激逆变电流信号经过霍尔传感器采样信号 后，因信号过弱而无法获得准确的自激信号，这对后面的锁相频率跟踪也是有很大的影 响，。因此结合上述两种情况分析呵知直流丌启电压不能过小。 2 1 西安理工大学硕士学位论文 一j 一 一幺激轻自激靠 号 - 心 逛 1 翟 0 0 50 0 6 0 10 0 6