（电力电子与电力传动专业论文）感应加热电源的数字化控制研究.pdf

山东大学硕士学位论文 来实现锁频锁相控制，该数字锁相环电路控制精度高、软件设计灵活、死区时间 可调。本文利用f p g a 实现移相调功算法，并在q u a r t u s h 软件平台下对基于f p g a 的数字锁相环和移相调功电路进行了仿真分析和验证。并通过实验进一步验证了 设计的改进移相调功方式数字化控制系统的优越性和可行性。 最后本文对p f m 数字化感应加热电源和改进移相调功方式的数字化感应加 热电源中功率器件i g b t 的驱动电路和电源故障保护电路进行了设计，同时研制 了电源故障处理电路。 关键词：感应加热；p f m ；移相调功；f p g a 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n s i d e r i n gi n d u c t i o nh e a t i n gh a v i n gm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i 。g hh e a t i n g t e m p e r a t u r e , h i g hh e a t i n ge t t i e i e n e y , f a s th e a t i n gs p e e d , h e a t i n gt e m p e r a t u r eb e i n g c o n t r o l l e de a s i l y , b e i n gp r o n et or e a l i z em e c h a n i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o na n dh a v i n g r i oa i rp o l l u t i o n , n o w a d a y si n d u c t i o nh e a t i n gh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm a n y i n d u s t r yf i e l d ss u c ha sm e t a lf u s i o n , h e a tp r o c e s s i n g , w e l d i n ga n ds oo n h o w e v e r , m o s to f t l a ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l ya d o p t sa s 曲t l o gc i r c u i tt oc o n t r o lw h i c hh a s l o wc o n t r o la e e t t r a e y , l e s sf l e x i b i l i t ya n dl e s sr e l i a b i l i t y c o n v e r s e l y , d i g i t a lc i r c u i th a s h i g h e rc o n t r o lp r e c i s i o n , b e t t e rf l e x i b i l i t ya n dm o r e l i a b l ep e r f o r m a n c e t h o r e f o r e ，i t m a k l ss e n s et od o8 0 m l r e s e a r c h0 1 3 d i 8 i t a lc o n t r o lo f i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h em a i nc i r c u i tt o p o l o g ya b o u ti n d u c t i o nh e a t i n gp o w e r s u p p l y , d e t e r m i n et os t u d ys e r i a lr e s o n a n te o n v c r t c r t h e np r e s e n ts o m e u s u a lw a y so f p o w e rm o d u l a t i o na b o u ts e r i a lr e s o n a n tc , o n v e - - r t e l ) a n da s c e r t a i nt h es c h e m e ：d i g i t a l i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yo fp f m ( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ) a n da i g i t a l i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yo f i m p r o v e dp w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) t oi h ed i g i t a li n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yo f p f m , w ed e s i g nt h em a i nc i r c u i t a n de l a o o s et h ep a r a m e t e ro fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t s m e a n w h i l ea d v a n c et h ed i g i t a l c o n t r o la l g o r i t h mo f p f m ，a n df o r mt h ed o u b l e - c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e mo f e t t r r e n t a n dp h a s eb a s e d0 1 1f p g aa n da v rs i n g l es h i p t h ec o n t r o lc i r c u i td e s i g ni sg i v e n i n c l u d i n gt h ec u r r e n ta d j u s t t h ec o n t r o lc h 础b a s e do nf p g a a n dt h ec o n t r o l c i r c u i tb a s e do na v rs i n g l es h i p a tt h e $ 1 1 1 1 1 et i m et h ec o n t r o lc i r c u i tb a s e d o i lf p g a i ss i m u l a t e da n dv a l i d a t e dd e p e n d i n go n t h eq u a r t u s s o t t w a r e , a n dt h er e s u l tp r o v e s t h a tt h ep f md i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi sn a o r l ea c c u r a t e , 1 3 1 0 1 er e l i a b l ea n dr e g u l a b l et o t h ed e a dt i m e t h e nt h ea i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo fp f mi sp r o v e dt ob es u p e r i o ra n d f e a s i b l eb ye x p e r i m e n t an o v e lm a i ne i r c t t i tt o p o l o g yi sp u tf o r w a r dt ot h oa i g i t a li n d u c t i o nh e a t i n g p o w e rs u p p l yo fi m p r o v e dp w m t h en o v e lt o p o l o g yh a ss i m p l es l l l l e t u r e , l o wc o s t a n ds i m p l ec o n t r o lw a y t h e nd e s i g nt l a em a i nc i r c u i ta n dc h o o s et h ep a r a m e t e ro f m 山东大学硕士学位论文 e l e c t r o n i cc o m p o n e n t s d i g i t a lc o n t r o la l g o r i t h mo fi m p r o v e dp w mi sb r o u g h tf o r w a r db a s e do l lt h e d e t a i l e da n a l y s i sa b o u ti m p r o v e dp w m w a y , a n dt h e nf o r mt h ed o u b l e - c l o s e d - l o o p c o n t r o ls y s t e mo f c u r r e n ta n df r e q u e n c yp h a s eb a s e do nf p g a , d s pa n da v r s i n g l e s h i p b e c a u s eo f t h ed i s a d v a n t a g e so f t h ea n a l o gp ia l g o r i t b r aa b o u td i g i t a li n d u c t i o n h e a t i n gp o w e rs u p p l yo fp f m , t h ep a p e rs e l e c t sd s p t or e a l i z ed i g i t a lp ia l g o r i t h m m a k i n gt h es y s t e mh a v em o r er e l i a b l ep e r f o r m a n c ea n dh i g h e rc o n t r o lp r e c i s i o n g i v e nt h ec h a n g eo ft h el o a dp a r a m e t e rr e s u l t i n gt ot h ec h a n g eo ft h el o a dr e s o n a n t f t e q u e n e yw h e nb e a t i n 舀i no r d e rt oe n s u r et h ei n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rs u p p l yt ob e t h ef e e b l ei n d u c t a n c eq u a s ir e n a n c es t a t e , t h ep a p e rc h o o s e sf p g at of i n i s hd i g i t a l p l l ( p h a s el o c k e dl o g i c ) r e a l i z i n gt h ef r e q u e n c yl o g i ca n dp h a s el o g i co ft h e v o l t a g ea n dc u r r e n t t h ed i g i t a lp l l h a sl l i g hc o n t r o lp r e c i s i o n , f l e x i b l es o f t w a r e d e s i g na b i l i t ya n da d j u s t a b l et i m eo ft h ed e a da r e a m e a n w h i l ef p g ac o m p l e t e st h e c o n t r o la l g o r i t h mo f i m p r o v e dp w m , a n dt h e ns i m u l a t e sa n dv a l i d a t e st h ed i g i t a lp l l a n dc o n t r o la l g o r i t h mo fi m p r o v e dp w mb a s e do nf p g ad e p e n d i n go l lt h eq u a r t u s h s o f t w a r e t h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo fi m p r o v e dp w mi sp r o v e dt ob es u p e r i o ra n d f e a s i b l eb ye x p e r i m e n t i nt h ee n dt h ep a p e rg i v e st h ed r i v i n gc i r c u i to fp o w e rd e v i c ea n dt h ep r o t e c t i n g c i r c u i to ft h ep o w e rs u p p l y , a n da l s od e v e l o p st h ef a u l th a n d l i n gc i r c u i tt ot a k e r e l e v a n tm e a s u r e s k e y w o r d s ：i n d u c t i o nh e a t i n g ；p f m ；i m p r o v e dp w m ；f p g a i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：毽盘叠e l 期：堕盐三9 竺! 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：魃遗碓导师签名：罩公塾芝上日期：1 2 ：2 1 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 感应加热电源的原理与应用 1 1 1 电磁感应与盛应加热1 1 l 1 8 3 1 年法拉第发现了电磁感应现象，得知处于交变磁场中的导体两端会感 应出电动势，电路闭合成回路时产生感应电流。感应加热的基本原理就是此电磁 感应定律，其原理图如图1 1 所示： 磁场一 图i - 1 感应加热的原理图 如图1 - 1 ，导体外围绕一匝数为的线圈，当感应线圈上通一交变电流f 时， 线圈内部会产生相同频率的交变磁通，交变磁通妒又会在金属工件上产生感应 电势g 。根据m a x w e i l 电磁方程式，感应电动势大小为： p：掣(1-1) 出 假设= 丸s i n 6 9 t ，则： e = 警= m 国s w t ( 1 - 2 ) 因此感应电动势有效值为： e - - 哗：4 4 4 碱( 1 - 3 ) 2 。一 此感应电动势在工件中产生感应涡流i 使工件内部加热，其焦耳热为： q = 0 2 4 1 2 r t ( 1 - 4 ) 山东大学硕士学位论文 式中： q ：感应电流通过电阻产生的热量( j ) ； ，：感应电流有效值( a ) ； r ：工件的等效电阻( q ) ； t ：工件通电的时间( s ) 。 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，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一样的，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。 由式( 卜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；同时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。 1 1 2 透入深度和集肤效应 感应加热过程中存在着三种效应：集肤效应、邻近效应和圆环效应。下面分 别介绍【1 】： 集肤效应：当交流电通过导体时，沿导体截面上的电流分布不是均匀的，最 大的电流密度出现在导体的表面层，我们称这种电流集聚的现象为集肤效应。 邻近效应：两根通有交流电的导体距离很近时，导体中的电流分布会受彼此 的影响而有所变化。若两导体中电流方向相反，则最大的电流密度出现在两导体 的内侧，反之若导体中电流方向相同，则最大电流出现在导体外侧，这种现象就 称作邻近效应。 圆环效应：将交流电通过圆环形线圈时，最大的电流密度出现在线圈导体的 内侧，这种现象称作圆环效应。 感应加热电源就是综合利用此三种效应的设备。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， 2 山东大学硕士学位论文 工程上规定，当涡流强度由表面向内层衰减到其最大值的0 3 6 8 ( 1 e ) 时，此 处与表面的距离万称为电流透入深度。由于电祸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占的薄层中。工程上，透入 深度可由下面表达式确定： 拈5 0 3 0 j 号 ( 1 - 5 ) 式中： p ：导体材料的电阻率( 1 , c m ) ： 以：导体材料的相对磁导率； f ：感应电流的频率( h z ) 由式( 卜5 ) 可以得知。当被加热工件确定后，材料的电阻率p ，相对磁导率以 确定以后，透入深度艿只与感应涡流的频率的平方根成反比，因此我们可以通过 改变频率来控制它，频率越高，工件的发热层越薄。因为在某些金属热处理中， 工艺要求工件的透入深度要在一定的范围之内，如此以来我们就可以很好的满足 工艺要求。 1 3 感应加热的特点与应用 自从1 8 9 0 年世界上第一台感应熔炼炉开槽式有芯炉问世以来【2 】，无论是 感应加热的理论还是感应加热的实际应用装置都得到了很大的发展，感应加热 的应用领域也得到了很大的扩展，其中主要的原因在于感应加热比之传统的一些 加热方式具有下列的一些特点、优点【1 3 】： 加热温度高，而且是非接触式加热； 加热效率高，有利于节能，符合当今能源节约的要求； 加热速度快，被加热物的表面氧化少，有利于提高产品质量； 加热温度容易控制，产品质量稳定； 容易对加热对象进行局部加热，根据需要生产出高质量的产品，节能； 容易实现装置的自动控制，减轻劳动强度，降低投入： 3 山东大学硕士学位论文 设备工作环境好，几乎没有热，噪声和烟尘； 作业占地面积小，生产效率高； 能根据需要加热形状复杂的工件； 容易加热均匀，产品质量好。 现在，感应加热被广泛用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业过程，已 经成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻和船舶、飞机、汽车制造等行业不 可缺少的工业技术设备，此外，在人们的日常生活中，感应加热技术也得到了大 量的运用，例如电磁炉、电热水器等家用电气很多就是采用感应加热方式来实现 的。表i - i 示出了感应加热电源的应用领域【3 】 表1 一i 感应加热电源的应用领域 应用部门主要用途 黑色、有色金属的冶炼和保温；金属材料的热处理；冷坩埚熔 冶金炼、悬浮熔炼等制取超纯材料；锻造、挤压、轧制等型材生产 的透热；焊管生产的焊缝。 黑色和有色金属零件的铸造和精密铸造金属的熔炼；机器零件 机械制造的淬火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火和正火等热 处理的加热；化学热处理的感应加热；压力加工( 锻、挤、轧 等) 前的透热，特别是模锻、精锻等；钎焊；对焊；热装配等。 轻工 罐头封口加热、合成纤维生产中间接加热等。 石油化工化学反应釜等容器加热、输油管道焊接缝现场退火，输油管路 的保温等。 电子电子管生产中的真空除气时的加热等 1 2 功率器件的发展4 胴 功率器件始于1 9 5 6 年g e 公司生产的普通晶闸管( s c r ) 的问世，它是半控型 器件，只能控制其导通，不能控制其关断，晶闸管的关断必须另用强迫换相电路。 目前，晶闸管容量水平为8 k v ，4 】匹和6 k v 6 k a ，主要用在高压大容量场合，例如 h v d c 、s v c 、高压变频调速等。 第二代器件是2 0 世纪7 0 年代的电力晶体管( e m o 、可关断晶闸管( g t o ) 和功 4 山东大学硕士学位论文 率场效应晶体管僻m o s f e t ) 。g t r 是一种双极型大功率高耐压晶体管，是电流 控制的自关断器件，目前额定值己达1 8 0 0 v 8 0 0 a 2 k h z ，1 4 0 0 v 6 0 0 a 5 k h z 。其 缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏婀。g t o 是目前 耐压最高、电流容量最大的器件，由于是电流控制型器件，因而在关断时需要很 大的反向驱动电流，而且通态压降大、血d r 及d d r 耐量低，需要庞大的吸收 电路。这种器件具有高电压、大容量的优势，容易实现串联，在工业传动和地面 设备中已有不俗的业绩。功率m o s f e t 是一种电压控制型单极晶体管，其驱动电 路简单、驱动功率小；仅有多数载流子导电，无少予存储效应，高频特性好，工 作频率可以高达瑚z 级，用在k w 级功率时，其频率也可以达到几百k t x z ；没有 二次击穿问题，安全工作区广。目前1 0 0 a 1 0 0 0 v 的v d m o s 已商品化，研制水平 达2 5 0 a 1 0 0 0 v i v ，其电流的容量还有继续增大的趋势。但是m o s f e t 的缺点是电 流容量小、耐压低、通态压降高，不适宜运用于大功率装置。在小功率场合，功 率m o s f e l 基本取代g 豫和g t o ，在中功率阶段可以采用m o s f e t 并联实现。 第三代器件是2 0 世纪8 0 年代的绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) i g b t 是 m o s f e t 和g t r 的混合集成，是由美国g e 公司和r c a 公司于1 9 8 3 年首先研制的。 经过2 0 年的发展，智能型的i g b t 已经出现，而且容量已经达到1 2 0 0 a 以下，2 0 0 0 v 以下的产品化，同时，己经开发出6 5 k v 的高压i g b t i g b t 集g t r 通态压降小、 载流密度大、耐压高和m o s f e t 驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定 性好的优点于一身，是一种更为理想的高频、高压、大电流器件。 此外，8 0 年代期间发展起来的静电感应晶体管s i t 和静电感应晶闸管s i t h 是 利用门极电场强度改变空间电荷区宽度来开闭电流通道的原理研制成的器件。 第四代是2 0 世纪9 0 年代的功率集成电路( p i c ) ，它是指功率器件与驱动电路、 控制电路、保护电路等的总体集成。一般来讲，p i c 分为高压功率集成电路( i i c ) ， 智能功率集成电路( s p i c ) 和智能功率模块( p m ) 。h v i c 常用在小型电机驱动、 平板显示驱动及长途电话通信电路等高压小电流场合s p i c 适合作为电机驱动、 汽车功率开关及调压器等。珥m 除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过 压、过流、过热等故障检测电路，并可将监测信号传送至c p u ，以保证i p me i 身 在任何情况下不受损坏。当前，口m 中的功率器件一般由i g b t 充当。 上述各种器件一般是由硅半导体材料制成的。除此之外，近年来还出现了很 5 山东大学硕士学位论文 多具有高载流子迁移率、强的热电传导型以及宽带隙的新型半导体材料，如砷化 稼( g a a s ) ，碳化硅( s i c ) ，磷化锢( i f l p ) 以及锗化硅( s i g e ) 等，这将有助于开发新 一代高节温、高频率、高动态参数的器件。 可以看出，功率器件是朝着全控化、集成化、高频化、多功能化方向发展。 而每一次新器件的出现，都会给电力电子行业带来新的变化。同样，器件的发展 也会为感应加热电源的高频、高功率、高效率和智能化的发展奠定基础。 1 3 感应加热电源的现状和发展趋势 1 3 1 感应加热电源的现状 1 3 1 1 国外感应加热电源的现状 目前，在低频感应加热场合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的透热或数百吨的钢水保温。预计 短期内，以固态器件构成的低频感应加热电源在功率容量、价格和可靠性方面还 难以与简单的工频感应炉竞争，虽然其效率、体积和性能均优于工频炉。 在中频( 1 5 0 m 一1 0 k 也) 范围内，晶闸管感应加热装置己完全取代了传统的 中频发电机组和电磁倍频器，国外的装置容量己达数十兆瓦。 在超音频( 1 0 k h z l o o k h z ) 范围内，晶闸管出现以后，一度曾采用晶闸管以 时间分割电路和倍频电路构成的超音频电源。八十年代开始随着一系列新型功率 器件的相继出现，以这些新型器件( 主要有g t o 、g t r 、m c t 、i g b t 、b s r r 和 s i t h ) 构成的结构简单的全桥型超音频固态感应加热电源逐渐占据了主导地位， 其中以i g b t 应用最为普遍。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 的电流 型感应加热电源，逆变器工作于零电压开关状态，实现了微机控制。西班牙在1 9 9 3 年也已经报道 t 3 , - 6 0 0 k w 1 0 0 k h z 的i g b t 电流型感应加热电源 9 】，欧、美地区的 其它一些国家如英国、法国、瑞士等的系列化超音频感应加热电源也达数百千瓦。 在高频( 1 0 0 k 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。日本的s i t 高频感应加热加热电源研究非常成熟，在1 9 8 7 年就已经研制 1 2 0 0 k w 2 0 0 k h z 的s i t 电源【l o l 。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 6 山东大学硕士学位论文 达6 0 0 k w m 0 0 姐z 【1 1 】；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i m w 1 5 , - 6 0 0 k h z ；美国i n d u c t o r h e a t 公司已经推出2 m w l 4 0 0 k h z 的 m o s f e t 高频感应加热电源【1 2 1 1 3 1 2 国内感应加热电源的现状 我国感应加热技术从5 0 年代开始就被广泛应用予工业生产当中。6 0 年代末开 始研制晶闸管中频电源。到目前已经形成了一定范围的系列化产品【”i ，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，已经形成了 5 0 0 - 8 0 0 0 h z 1 0 0 - , 3 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，易于频繁起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已经开始。浙江大学采用晶闸管倍频电路 研制了5 0 k w ，5 0 妊i z 的超音频电源【1 4 1 ，采用时间分隔电路研制了3 0 妞z 的晶闸管 超音频电源。从九十年代初开始，国内采用i g b t 研制超音频电源。浙江大学研 制开发的2 5 0 k w 5 0 k h z 超音频电源己经产品化。近期，浙大已经研制出 1 0 0 k w 2 5 0 k h z 的电流型感应加热电源，而在电压型电源方面也取得了一定的成 果，如5 0 k w 2 0 0 k h z 的产品已经实验通过【阁。 在高频电源领域，更多的是采用电子管，少量的采用s i t 器件1 1 6 】【切。浙江大 学上世纪9 0 年代已经研制, q t 2 0 k w 3 0 0 k h z 的m o s f e t 高频电源【1 8 l 并投入实际应 用，江南大学本世纪初研制成功l k w 2 m h z 的m o s f i 玎超高频电源样机【1 9 1 ，天津 高频设备厂和天津大学联合开发出7 5 k v 眈0 0 妊【z 的s i t 感应加热电源f 切。现在江 南大学已经开发出2 删1 k w 的超高频感应加热电源，应用到钢丝表面处理之中 【1 9 1 但总的来说国内感应加热电源水平与国外的水平相比还有一定的差距。 1 3 2 感应加热电源的发展趋势 当前的感应加热电源基本上都是全固态半导体设备，随着电力电子技术的不 断发展，感应加热电源的发展呈现以下趋势 2 0 1 1 2 1 】： 7 山东大学硕士学位论文 1 高频、大功率 功率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，不能达到同时获得大功率、高频率的效果。 随着新型器件的发展，如m o s f e t 、i g b t 、m c t 等的研制成功，会使感应加热 电源向高频与大功率相统一的方向迈进一大步 4 1 1 5 1 。此外，感应加热电源由于功 率较大，除了对功率器件有特殊要求外，无源器件的选择、输出电缆的设计、布 线方式和屏蔽技术都会影响感应加热电源的高频化进程。 2 低损耗、高功率因数 新型功率半导体技术的发展，会使功率器件的通态电阻和导通压降越来越 小。随着驱动电路的不断完善和优化，原来表现在栅极上的驱动电路的损耗逐渐 减小，感应加热电源的整体损耗降低。 随着对电网无功及谐波污染要求的提高，具有高功率因数低谐波污染的电源 必将成为今后的发展趋势。大功率的感应加热电源一般采用三相可控整流，但由 于目前三相p f c 的技术尚不成熟，因此开发具有功率因数校正功能的三相整流装 置将是今后各种电源的一个发展方向阱1 1 2 3 1 1 2 4 1 1 2 5 1 3 智能化 智能化指的是功率半导体集成电路本身，包括过电压、欠电压、过电流、过 热等检测与保护功能。随着感应热处理生产线自动化程度及对电源可靠性要求的 提高，感应加热电源正向智能换控制方向发展1 2 6 1 1 2 7 1 。具有计算机智能接口、远 程控制、故障自诊断等控制性能的感应加热电源成为下一代发展目标。 4 电源和负载的最佳匹配。 由于感应加热电源多用于工业现场，其运行工况比较复杂，它的负载对象也 各式各样，而电源逆变器与负载是一个有机的整体，它们之间的配置方式将直接 影响到电源的功率利用系数。为了逆变器能够输出最大功率，提高电源的工作效 率和可靠性，必须使负载阻抗与逆变器的功率机器定额相匹配。变压器匹配是一 种方案，对于高频和超音频电源来说，如何选择适合于高频工作的磁性材料和绕 组结构，减少高频变压器的损耗和漏感，提高变压器的传输效率，是目前变压器 匹配中高频变压器设计需要解决的主要问题。另外一种就是无源匹配方案，可以 省掉或减少对匹配变压器的要求。 8 山东大学硕士学位论文 1 4 课题研究的背景 目前工业领域广泛应用的感应加热电源多采用模拟电路控制，而模拟控制电 路触点多，焊点多，系统可靠性低；对一些元件的工艺性要求高；电路中控制参 数不容易进行修改，死区时间不可调，灵活性较差【2 引。数字式电路控制精确， 软件设计灵活，整个控制系统简单、可靠，因此研究感应加热电源的数字化控制 具有重要的意义。 将数字化控制技术应用于感应加热电源系统中，可为用户提供良好的人机交 互界面，操作方便；而且有利于实现感应加热电源的更新换代。数字化控制系统 的优点具体体现在以下几个方面【2 9 】： 1 可靠性强 元器件参数性能的变化直接影响到模拟控制电路的性能，随着元器件的老 化，模拟控制系统的性能将受到极大影响。同时模拟系统中可处理的信号都是可 直接测量的电压和电流信号，外界干扰可从模拟控制系统的任何地方进入。外界 环境直接影响到模拟控制系统的处理效果。而数字控制系统只有o 和1 两种电平， 而且可以通过整形很方便地去除叠加于传输信号上的噪声和干扰，还可以利用差 错控制技术对传输信号进行差错和纠错，所以数字系统抗干扰能力强，可靠性强。 2 接口方便 随着计算机控制技术的发展，具有智能化的设备越来越多，在现代制造业 中，各种设备之问要进行通讯，以便实现更高的生产效率。数字化控制系统之间 的接口要比模拟控制系统与数字控制系统之间接口容易得多。 3 系统维护升级简便 当控制系统为实现新的功能或感应加热系统要对不同形状、不同材料的工件 进行加热时，设计人员可在不改变硬件电路的情况下，通过调整和修改软件程序， 就可以实现系统的升级，使系统达到相应的控制功能。 4 有利于规模化生产 对于采用模拟控制系统的感应加热电源来说，要实现批量化生产，就要使用 大量的模拟器件，而由于模拟器件自身的差异，从器件筛选到整机调试，工作量 很大。如果采用数字化控制系统，将大大减小模拟器件的使用量。由于数字化系 统自身受元件参数漂移、老化等因数的影响小，方便了感应加热电源的设计、调 o 山东大学硕士学位论文 试，从丽有利于数字化控制感应加热电源的规模化生产。 1 5 本文主要的研究内容 本文主要对感应加热电源的数字化控制进行研究。具体内容如下： 1 在对感应加热电源主电路拓扑结构分析的基础上，选择串联谐振型逆变 器为研究对象。分析了串联谐振型逆变器的工作状态，并对其功率调节方式进行 了详细介绍。最后确定以常用的调频调功( p f m ) 和改进的移相调功方式分别设 计的p f m 数字化感应加热电源和移相调功的数字化感应加热电源为本文的研制 方案。 2 对p f m 数字化感应加热电源进行了设计。先对主电路拓扑结构进行了 设计，并对所用元器件进行了参数选择。然后在对p f m 数字化感应加热电源控 制系统原理分析的基础上，提出了p f m 的数字化控制方法。分别对控制电路进 行了设计，包括电流调节器、基于f p g a 的主控制电路和基于a v r 单片机的控 制电路。最后进行了实验验证并进行了总结。 3 对采用改进的移相调功方式的数字化感应加热电源进行了设计。首先提 出了一种新型的主电路拓扑结构，并对主电路进行了设计和所用元器件进行了参 数选择。其次对所采用的改进的移相调功方式进行了详细分析，在此基础上对控 制电路进行了设计。控制电路完成了由d s p 实现的数字p i 调节算法、基于f p g a 的数字锁相环电路、f p g a 实现的移相调功算法和起动电路。最后进行了实验验 证并进行了总结。 4 对功率器件的驱动和电源的保护电路进行了设计。首先在对功率器件 i g b t 栅极驱动设计的原则分析的基础上，设计了由分立元件构成的i g b t 驱动 电路，并对此驱动电路进行了详细分析。其次对感应加热电源运行过程中可能发 生的各类故障设计了保护电路，并研制了电源故障处理电路。 5 对本文所作工作进行了总结，并指出了课题的后续工作。 1 0 山东大学硕士学位论文 第2 章感应加热电源的主电路结构及原理分析 伴随着电力电子器件的发展，感应加热电源的主电路拓扑结构也经过了不 断的完善，已形成了一种固定的a c d c a c 形式，基本结构如图2 - 1 所示。 图2 - 1 感应加热电源的基本结构图 如图2 - 1 中所示，感应加热电源一般由整流器、滤波器、逆变器和一些控制 和保护电路组成。电路由三相工频交流电( 5 0 h z ) 输入，经整流环节后成为脉 动直流电，再经过滤波环节后成为平滑的直流电，此直流电通过后面的逆变器环 节变为一定频率的交流电压供给负载。 感应加热电源的负载是由感应圈和被加热的物体共同组成，这种负载均为功 率因数很低的感性负载，为了使电源仅提供有功功率，一般采用加补偿电容的方 法提高功率因数。根据补偿电容与负载连接方式的不同，感应加热逆变器的拓扑 结构分为电压型串联逆变器和电流型并联逆变器两种典型形式。 2 1 谐振电路 2 1 1 串联谐振1 1 1 如图2 - 2 所示，电感l 、电容c 和电阻r 就构成串联谐振电路，如果将内阻 为零的电源应= 点k 虹n 耐加到此电路中，则在电路中将流过电流j ，即 图2 - 2 串联谐振电路图 l 山东大学硕士学位论文 j ：导：j 冬 ( 2 1 ) z r + x 其模为： ，= 了萧e 尹 ( 2 - 2 ) 式中z _ 一串联电路的总阻抗； x _ 一串联电路的总电抗。 z = 五一= 砒一磊1 = 居曙一爿 式中 = 了b 为谐振角频率 此时加在各原件上的电压分别是： 岛= 款 ( 2 - 3 ) 龟= 去j = 去兰 ( 2 却 、j j 僦z 珏m l 专 珏韵 从式( 2 - 1 ) 可知，电路中电流的最大值出现在x = 0 ，即x l = x c 时 厶= 妄( 2 - 6 ) 或- - i o r = 应 ( 2 - 7 ) 岛= 志毛= 击簧= 一伽 ( 2 - 8 ) j 氆乜c1 毋k 童 , = j c 0 0 l i o = 鲰三景= 肋 ( 2 9 ) 电工学中定义谐振回路品质因数 q ：堂：上( 2 - 1 0 )。 r c o o c r 此时，珊三= 历1 ，即国= = 了b ，称x = o 的状态为串联谐振，f h ( 2 - 7 ) 、 山东大学硕士学位论文 ( 2 8 ) 和( 2 9 ) 可知，谐振时外电源的电压应全部加在电阻上，此时电感l 上的电 压和电容c 上的电压在量值上完全相等而且方向相反，电压的量值是输入电压 量值的q 倍。谐振时电流和电压同相，电路的功率因数c o s f , f f i l 。 2 1 2 并联谐振1 l 如图2 3 所示，将电阻r 和电感l 串联后与电容c 并联就构成了并联谐振 电路，同理将内阻为零的电源应= 五0s i n 研加到此电路中，则在电路中将流过电 流j ，即 l r 圈2 - 3 并联谮搌电鼯圈 j ，：呈： 墨 z lk + j w l b 圭= j 栅 i = i l 吐= 熹+ j k r - i - j ( d ( r 2 l h 2 c 矿+ 譬r 2 c - l ) 因此并联电路的总阻抗为 2 = 芋= 而面r 孺2 + 瓦国2 l 而2 面 j置+ ，( m 2 r c + r 2 c 一工) 电路发生谐振时，式( 2 - 1 3 ) 的虚数项应为零，即： 彩2 r c + r 2 c 一工= 0 此时谐振角频率为： 列2 、瓦1 一可r f 2 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 2 - 1 5 ) 1 3 山东大学硕士学位论文 谐振时，r 对角频率的影响极小，可以忽略，则有：z 丽1 ，频率表示 为五* 荔习1 z 孑，并联谐振时的谐振频率和串联谐振时差不多，可以认为它们相 等。从式( 2 。1 3 ) 可知，谐振时电源输入的电流为： k 南拈鬲r e ：粤应 ( 2 1 6 ) l 阻抗为： z o - - - r 2 + 0 7 。2 l 2 = 三= 出( 2 - 1 7 ) rc r 。 式中q = 丝r = i l l c r ，同样称为品质因数，这时各支路电流为： 丘= 丢= 南= 应( 蠢扫一，旦r 2 - - 0 ) 0 2 , 2 1 , ) = 左( 譬一鲰c ) 其模为： 屯= e = e 库 c 2 r 2 币c 2 r 2 ：，o 厨* 瓯( 2 - 1 8 ) i c 一- 旦z 2 = j 蹲 其模为： l ：c e ：_ e c r g ：瓯( 2 - 1 9 ) 由( 2 - 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 知，谐振时由电源输入的电流很小，而各支路的电流却很 大，为电源输入电流的q 倍，因此也称这种谐振为电流谐振。 2 2 电压型串联逆变器和电流型并联逆变器的分析比较 补偿电容器和负载串联的逆变器称作电压型串联谐振逆变器，其主电路结构 如图2 - 4 所示。图中c 为谐振电容器，r 、l 分别为感应线圈和负载的等效电阻、 电感。补偿电容器和负载并联的逆变器称为电流型并联谐振逆变器，其主电路结 山东大学硕士学位论文 构如图2 5 所示。串联谐振逆变器和并联谐振逆变器负载电压电流波形分别如图 2 - 6 a 、2 - 6 o 所示。 图2 _ 4 串联谐振逆变器主电路图 图2 - 5 并联谐振逆变器主电路图 u a b 厂 一 0 ul 一。 负载电压波形图 ，j 八八 o vv u 日6j 八八 一 0 vv 负载电压波形图 ，j1 厂 o ul 负载电流波形图 负载电流波形图 a 串联谐振逆变器 b 并联谐振逆变器 图2 - 6 串联谐振逆变器和并联谐振逆变器负载电压，电流波形图 1 5 山东大学硕士学