基于鎖相環(huán)路和固定角控制技術(shù)的中頻感應(yīng)加熱電源設(shè)計

劉大朋

（四平職業(yè)大學，吉林四平136001）

基于鎖相環(huán)路和固定角控制技術(shù)的中頻感應(yīng)加熱電源設(shè)計

劉大朋

（四平職業(yè)大學，吉林四平136001）

介紹了一種利用鎖相環(huán)路和固定角控制的新技術(shù)來自動追蹤轉(zhuǎn)換器的頻率。此技術(shù)在分析并聯(lián)逆變器工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，采用電壓和電流雙閉環(huán)整流控制。分析了IGBT中頻感應(yīng)加熱電源經(jīng)常發(fā)生的故障，并提出了相應(yīng)的保護措施、設(shè)計了相應(yīng)的保護電路。研制出100 kW/8 kHz的并聯(lián)感應(yīng)加熱電源，設(shè)計的控制方法經(jīng)證實科學有效。

感應(yīng)加熱；IGBT；過電壓保護

0 前言

感應(yīng)加熱技術(shù)具有傳統(tǒng)方法所沒有的優(yōu)點，如加熱效率高、速度快、可控性好及易于實現(xiàn)自動化，是一種先進的加熱技術(shù)[1]，因此在國民經(jīng)濟和社會生活中具有廣闊的應(yīng)用前景。

并聯(lián)中頻感應(yīng)加熱設(shè)備（1～10 kHz）具有對功率電器容量要求低的優(yōu)點，易于通過并聯(lián)的方式來擴大其容量、高負荷適應(yīng)性強等，所以越來越廣泛地應(yīng)用于感應(yīng)加熱電源中。20世紀80年代早期，電力電子半導(dǎo)體全控制器件IGBT就已出現(xiàn)，其具有高速、高輸入阻抗、易于驅(qū)動、低通態(tài)壓降和其他突出特點，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于中頻和高頻領(lǐng)域[2]，使感應(yīng)加熱技術(shù)有了新的飛躍。國內(nèi)正在對感應(yīng)加熱電源進行深入的研究，本研究結(jié)合100 kW/8 kHz的并聯(lián)感應(yīng)加熱電源，討論中頻感應(yīng)加熱電源發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

1 主電路設(shè)計

1.1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)

隨著電力電子技術(shù)和功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，并聯(lián)感應(yīng)加熱電源的拓撲結(jié)構(gòu)得到了不斷發(fā)展[3]，已成為一個固定的AC/DC/AC轉(zhuǎn)換形式?；窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

并聯(lián)感應(yīng)加熱系統(tǒng)的主要系統(tǒng)包括整流器、濾波電抗器、逆變器和負載，輸入的三相交流電通過晶閘管整流三相全控橋，然后通過大型電抗器濾波后以直流形式供電給逆變橋，逆變橋的開關(guān)以一定的規(guī)律交替打開和關(guān)閉，輸出一定頻率的矩形波電流和三角函數(shù)的負載電壓。就此完成了一個AC/DC/ AC的轉(zhuǎn)換并為負載提供所需的電流和頻率。本研究選擇完全控制的IGBT作為開關(guān)器件，4個IGBT器件構(gòu)成一個逆變器。如果輸出功率較大，可以使用多個并聯(lián)逆變器橋，每個橋為100 kW，并聯(lián)逆變器的數(shù)量由輸出功率的大小決定。

圖1 并聯(lián)感應(yīng)加熱電源的拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 并聯(lián)逆變器的工作條件

并聯(lián)逆變器有三種不同形式的工作條件，負載諧振頻率為

（1）當f＜f0時，負載處于電感工作狀態(tài)。此時，負載的電流相落后于電壓相，在轉(zhuǎn)換時IGBT在高電流模式下被迫關(guān)閉，所以IGBT兩端會形成電壓峰值，可能會導(dǎo)致設(shè)備損壞。

（2）當f=f0時，負載處于共振工作狀態(tài)，這是一種理想的工作狀態(tài)，由于電路存在干擾因素，會造成鎖相環(huán)電路精度和負載的變化，因此很難達到這種工作狀態(tài)。

（3）當f＞f0時，負載處于電容的工作狀態(tài)。此時的負載電流相位超前于電壓相位，在轉(zhuǎn)換過程中打開功率器件時會導(dǎo)致電流峰值，由于測濾波電抗器的限制作用保證了功率器件的安全。因此，電容的工作狀態(tài)是一種理想的工作狀態(tài)，在實際操作過程中非常可靠。

2 整流器控制

整流器采用三相全控整流方案，控制器采用電壓電流雙閉環(huán)策略，控制原因如圖2所示。整流側(cè)控制核心采用MCS-51系列單片機。核心控制部分為定功率控制和保護作用。單片機控制和配有雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的晶閘管變頻技術(shù)都用了此控制方案。

圖2 整流側(cè)的控制原理

當全控制晶閘管整流橋延遲角α改變時，整流器輸出的直流電壓平均值是可以控制的，從而可以控制輸出功率大小。由于PI調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)靜態(tài)誤差，因此只能在靜態(tài)時進行反饋。當設(shè)備的負載變化時，雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器以采樣電流和采樣電壓作為反饋信號，用來調(diào)節(jié)閉環(huán)電路電壓和電流大小，從而確保電流和電壓輸出值不超過該設(shè)備的電流和電壓的極限值，實現(xiàn)對電流和電壓的精確限制。

當工作電流值超過相關(guān)值，由于設(shè)備過載，作為電流反饋的效果，觸發(fā)晶閘管整流橋的延遲角α增大，平均直流電壓降低，工作電流被限制在最大設(shè)定值以內(nèi)，以此達到限制電流的作用。同樣，在電壓調(diào)節(jié)過程中會測試輸出電壓值，PI調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)延遲角α的大小，使輸出電壓保持穩(wěn)定，最大輸出電壓將根據(jù)額定電壓的反饋值而變化，以此達到限制電壓的作用。

3 逆變器的控制

逆變器控制的主要功能是實現(xiàn)對負載頻率的自動跟蹤，逆變器啟動后，當內(nèi)部或外部裝置發(fā)生故障時，對逆變器功率器件和整流橋輸出電壓控制器提供觸發(fā)脈沖以確保設(shè)備的安全。

逆變器控制的核心技術(shù)是相位鎖定[4]，本研究采用固定值的鎖相控制方案，即負載電流超出負載電壓一個固定角度，使器件在小容量的狀態(tài)下持續(xù)工作。鎖相控制模塊如圖3所示。在此模塊中，鎖相環(huán)是由專用異或鑒相器、低通濾波器、PI控制器、電壓控制振蕩器和分頻器等組成。

由于開始之前負載端沒有輸出，即沒有信號，IGBT逆變器也得不到脈沖，因此有必要使用附加的啟動控制電路?；诖耍O(shè)計了分激向自激轉(zhuǎn)換的模塊。當該模塊啟動時，系統(tǒng)在分激的狀態(tài)下進行工作，當負載電壓達到一定值時，將會轉(zhuǎn)換到自激模式，這種方法要求分激頻率接近或略高于負載的振動頻率，否則將無法啟動。以這種模式來啟動逆變器是最佳方法。

首先，負載側(cè)的電壓由電壓互感器獲得，此電流將通過零檢測電路進入相位檢測器。相位檢測器使用異或門相位，要求兩個輸入信號均為含有50%工作周期的方波。當兩個信號被鎖定，相位差為90°。從分配器中經(jīng)過相位補償之后輸出的信號被輸入到相位檢測器另一側(cè)。相位檢測器輸出結(jié)果代表了水平信號的相位關(guān)系，通過比較經(jīng)過低通濾波器的濾波可以得到相位誤差，然后通過PI調(diào)節(jié)器進行相位鎖定。使用積分器保證無偏差的調(diào)節(jié)，即可以精確定位到已經(jīng)設(shè)置好的相位。PI控制器的輸出電平進入壓控振蕩器來控制變頻器的頻率。

因為濾波電抗器的電流是連續(xù)的，為了實現(xiàn)可靠的循環(huán)，上下兩個邊的逆變器都應(yīng)先打開再關(guān)閉。IGBT驅(qū)動脈沖有足夠的重疊時間來轉(zhuǎn)換。本研究設(shè)計了重疊時間的組成形式，重疊時間可調(diào)，這樣就可以適應(yīng)于不同的工作狀態(tài)。

圖3 逆變器側(cè)角度控制原理

4 電源保護設(shè)計

4.1 逆變器的過電壓和過電流保護

因為IGBT是全控器件，所以逆變橋可以在不同條件下工作，在電容模式下，后續(xù)的FRD將負擔起轉(zhuǎn)換之后的反向電壓；而在電感模式下，IGBT將會立即關(guān)閉。因為導(dǎo)線環(huán)路存在電感，IGBT將負擔一個尖峰脈沖[5]。針對上述問題，本研究應(yīng)用改進的相位追蹤技術(shù)來調(diào)節(jié)電源，并使其在電容模式下工作，同時檢測二極管兩端的反向電壓并進行抑制。通過此方法，有效控制了串聯(lián)二極管的反向電壓，提高了電源的可靠性。此外，緩沖電路可以用來吸收IGBT和二極管的尖峰脈沖以保護裝置，如圖4所示。

圖4 吸收緩沖電路

過電壓保護電路如圖5所示，當變頻器出現(xiàn)過壓時，將會提供觸發(fā)脈沖信號從而使IGBT從整流模式改變?yōu)槟孀兡Ｊ?。晶閘管的傳輸協(xié)議開始運行，這種由晶閘管造成的循環(huán)為濾波電感器不斷地提供能量，同時阻礙了逆變器輸入端的電壓上升率。逆變器的輸入端也被限制在一個較低水平，IGBT便得到了過電壓保護。

圖5 過壓保護電路

當發(fā)生過電流時：

（1）所有的IGBT都投入運行，兩個橋能在很短時間內(nèi)分擔短路電流。

（2）一旦發(fā)生過電流，傳輸協(xié)議應(yīng)該馬上被觸發(fā)。因為傳輸協(xié)議開始運行后電壓下降速度比IGBT橋開始運行后電壓下降速度慢很多。由于分流，IGBT的電流會立即轉(zhuǎn)移到傳輸協(xié)議，因此IGBT不會出現(xiàn)過載電流。同時，信號被輸送到整流器，整流器也從整流模式轉(zhuǎn)變成逆變模式，能量釋放后電源應(yīng)關(guān)閉。

4.2 綜合保護

為了提高保護的可靠性，設(shè)計了相位鎖定保護電路，這是一個集成的保護。相位鎖定保護電路原理如圖6所示。當負載發(fā)生異常情況時，例如，輸出被打開、輸出短路或者傳感器短路，此時負載電壓和負載電流之間的相位差會發(fā)生很大變化。這種電路可以使用相位鎖定保護電路。當負載電壓和負載電流之間的相位差快速變化時，鑒相器的輸出電壓也會隨之發(fā)生快速變化，當超過設(shè)置的保護值時，將會發(fā)出啟動保護電路工作的信號。

圖6 相位鎖定保護電路原理

5 實驗與結(jié)論

基于理論分析和大量實驗，設(shè)計了一種100 kW/ 8 kHz的中頻感應(yīng)加熱電源。其規(guī)格為：輸入電壓380 V，輸出功率100 kW，共振頻率8 kHz。當樣機在空載狀態(tài)下運行時，測得數(shù)據(jù)如表1所示，IGBT重疊時間的驅(qū)動脈沖波形如圖7所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)

圖7 重疊時間的驅(qū)動脈沖波形

逆變器的輸出電壓和輸出電流波形如圖8所示，電壓波形是正弦波，電流波形是方波。該裝置在完成從分激到自激的轉(zhuǎn)變后，將會在小電容器模式下工作。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和波形，說明電源工作原理的設(shè)計是正確的，特別是逆變器的鎖相控制，可以使裝置在固定角的小電容模式下工作。

圖8 逆變器輸出電壓和輸出電流波形

電源的成功設(shè)計，大幅提升了設(shè)備的自動化運行水平，使現(xiàn)場編輯和操作更加方便靈活，節(jié)省了大量的人力和物力資源，同時可以減少事故的發(fā)生。本研究的原理設(shè)計和電路結(jié)構(gòu)設(shè)計還可以應(yīng)用于其他具有不同頻率和功率值的感應(yīng)加熱電源的設(shè)計。

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Medium frequency induction heating power supply design based on phase lock loop（PLL）and fixed angle control technology

LIU Dapeng
（Siping Vocational College，Siping 136001，China）

This paper introduces a kind of new method by using PLL and the fixed angle control to track the converter frequency automatically.Based on the analysis of the parallel inverter working status,this technique uses the voltage and current double closedloop rectifier control.Failure of IGBT medium frequency induction heating power supply that often occur are analyzed，and put forward corresponding protective measures，the corresponding protection circuit is designed.100 kW/8 kHz parallel induction heating power is developed，the designed control method is proved to be scientific and effective.

induction heating；IGBT；overvoltage protection

TG439.9

：A

：1001-2303（2015）10-0104-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.22

2015-04-05

劉大朋（1963—），男，吉林四平人，碩士，副教授，主要從事電工電子技術(shù)、電氣控制、機電設(shè)備原理在電氣控制自動化方面的應(yīng)用技術(shù)研究。