雙PWM變頻集膚效應(yīng)加熱逆變電源設(shè)計

李雯鈺 華宇飛 劉澳慧 屠騰騰

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 陜西省咸陽市 712100）

集膚效應(yīng)電伴熱（Skin Effеct Currеnt Tracing，一般能夠?qū)⑵浞Q為SECT）屬于一類十分新穎的伴熱機制，與傳統(tǒng)的恒功率電熱帶、自限溫電伴熱帶等相比其具有加熱效率高、易于控制及安全可靠的優(yōu)勢，有效彌補了傳統(tǒng)電伴熱傳輸距離短、加熱效率低等問題[1-2]，已成為寒區(qū)中長距離流體輸送管道工程中重要的技術(shù)措施。不過在以往使用的一些集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)里，大部分使用的供熱電源均屬于工頻電源，其電能轉(zhuǎn)換效率較低，發(fā)熱慢，控制方式單一，限制了該項技術(shù)的推廣應(yīng)用[3]。目前，對于集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)電源研究已受到廣泛關(guān)注。尹正凱等[4]學(xué)者在研究集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)運作機理的前提下，設(shè)計了以脈寬調(diào)制信號控制為基礎(chǔ)的IGBT 全橋逆變方波交流輸出電路，并初步驗證了集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的可行性和有效性。鄧衛(wèi)燕[5]等設(shè)計了可應(yīng)用于集膚加熱系統(tǒng)的并聯(lián)型IGBT 全橋逆變電路，并通過PWM 半橋輸出方式進行集中控制，通過仿真分析能夠獲知此系統(tǒng)可輸出頻率以及占空比能夠連續(xù)調(diào)節(jié)的交流方波，具備優(yōu)越的控制能力。魏新勞[6]分析了目前雙極性高頻高壓方波脈沖電源的研究現(xiàn)狀，提出加強對材料特性，新的電路拓撲結(jié)構(gòu)及驅(qū)動策略的研究將是目前亟需解決的難題。

本文針對于寒區(qū)長距離流體輸送管道冬季運行中集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)電源設(shè)計中的問題，采用雙閉環(huán)PWM 控制的電路結(jié)構(gòu)[7-9]，以提高了系統(tǒng)加熱效率，并結(jié)合級聯(lián)H 橋增強輸出功率[10-12]。此系統(tǒng)不但可以通過單位功率因素運轉(zhuǎn)，而且能夠確保能量可以雙向流動，另外還可以合理的降低諧波對電網(wǎng)造成的影響，繼而能夠為集膚效應(yīng)伴熱系統(tǒng)的電源設(shè)計提供參考。

1 集膚伴熱系統(tǒng)原理

集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的加熱機制是利用高頻交變電流在導(dǎo)體里流動時形成的集膚以及鄰近效應(yīng)，導(dǎo)致伴熱鋼管里存在趨于內(nèi)表面流動的電流，繼而產(chǎn)生熱量的原理。在該系統(tǒng)中，伴熱電纜穿過伴熱管，并在末端做可靠電氣連接，構(gòu)成回路。由于伴熱電纜中的電流流動方向與伴熱管中的電流流動方向相反，所產(chǎn)生的磁場作用會導(dǎo)致伴熱管內(nèi)表面的電流密度很大，而外表面的電壓幾乎為零，加之工程應(yīng)用中，伴熱管外表面接地措施，使得集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)具有較高的安全性，因此在電伴熱系統(tǒng)中有廣泛的發(fā)展前景，其具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。集膚加熱功率柜將輸出電源加至各回路集膚電纜，通過在伴熱管管壁上產(chǎn)生集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)于主管道。主管道外壁設(shè)置多點溫度傳感器將溫度變化狀況反饋給加熱控制器，控制器根據(jù)溫度變化情況調(diào)整輸出方波的頻率和占空比以達到變頻加熱的目的。

2 雙PWM變頻控制系統(tǒng)設(shè)計與分析

圖1：集膚效應(yīng)電伴熱變頻加熱系統(tǒng)圖

圖2：雙閉環(huán)PWM 整流原理圖

雙PWM 變頻控制[13]，即逆變器和整流器都采用全控型開關(guān)器件，通過脈沖寬度調(diào)制的方式來操控系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，屬于一類效率極高、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定的控制方式。不僅可以降低輸入側(cè)的畸變率，正弦化的電流還會減少諧波對電網(wǎng)的污染；而且輸出側(cè)可實現(xiàn)功率因數(shù)可調(diào)以及能量雙向流動；同時把工頻電轉(zhuǎn)化為電氣裝置理想運轉(zhuǎn)頻率可以達成減少能量耗費的目標。

本設(shè)計采用雙PWM 對電源進行控制，在PWM 整流側(cè)[14]能夠把將三相交流電轉(zhuǎn)化為較為平滑的直流電，在PWM 逆變側(cè)結(jié)合級聯(lián)H 橋逆變回路將直流電轉(zhuǎn)化成兩路占空比以及頻率均具備能夠連續(xù)可調(diào)能力的方波信號，為其中的各類負載供給需求的電能。該系統(tǒng)的硬件回路涵蓋主控電路、整流濾波電路、級聯(lián)H 橋路、驅(qū)動保護電路，以及溫度采集電路等。

2.1 雙閉環(huán)PWM整流電路

本設(shè)計中采用三相全橋半控式整流電路，因為以往使用的晶閘管相控整流電路具備顯著的感性特征，相應(yīng)輸入電流明顯遲滯于輸入電壓，同時滯后角會伴隨觸發(fā)角α 的提高而提高，位移因數(shù)則會減?。涣硗廨斎腚娏魉哂械闹C波分量不小，因此致使功率因素不高，將會導(dǎo)致輸送有功功率比例低、電網(wǎng)功率損耗增大。為了改善輸入側(cè)電流電壓的條件，本設(shè)計將逆變電路中的SVPWM 控制技術(shù)應(yīng)用于整流電路，對整流電路進行SVPWM 控制，先通過派克變換把三相電流的坐標變?yōu)榛谵D(zhuǎn)子的d 軸、q 軸，再分別對軸上的信號進行控制。其中為了使三相VSR 直流側(cè)電壓較為穩(wěn)定，交軸上采用電壓外環(huán)進行控制；同時為了輸入電流盡可能正弦化，并且與輸入電壓同相位，直軸可采用電流內(nèi)環(huán)，即將電壓外環(huán)相應(yīng)的輸出電流命令來控制電流，以達到單位功率因數(shù)運行，性能優(yōu)于運用不可控或相控整流的電源控制。

圖3：級聯(lián)H 橋兩路輸出原理圖

圖4：鎖相環(huán)原理圖

圖5：模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制原理圖

2.2 PWM逆變電路

長距離輸水管道的集膚效應(yīng)加熱所需的電壓比較大，但是單個電力電子開關(guān)元件所具有的耐壓能力實際上是有限的[15]，為提高電壓輸出能力，本文選擇了H 橋級聯(lián)逆變電路，主要憑借移相調(diào)壓的機制輸出兩個脈沖寬度能夠調(diào)節(jié)的矩形波。

每四個IGBT 的組合是級聯(lián)H 橋的一個基本單元，每個單元都能夠憑借對開關(guān)管導(dǎo)通的控制達成相應(yīng)的逆變要求，但是單個單元傳輸?shù)碾妷捍嬖谝欢ㄏ拗?，不能夠?qū)崿F(xiàn)集膚效應(yīng)需要的目標，所以這里采用電壓型級聯(lián)H 橋逆變結(jié)構(gòu)如圖3。將兩組H 橋級聯(lián)構(gòu)成一路，從而提高輸出電壓的能力；同時四組H 橋單元構(gòu)成兩路輸出，改進了電路的結(jié)構(gòu)，提高了集膚效應(yīng)變頻電源的加熱能力。

在控制時，為得到盡可能理想的方波，必須嚴格控制各模塊的輸出電壓頻率、相位與幅值一致。所以本設(shè)計將對處在相同位置且實現(xiàn)相同功能的IGBT 采用同一脈沖信號來控制，以此確保各元件動作一致性，進而達到各模塊的一致性。實質(zhì)上，脈沖寬度調(diào)制過程里的信號是單片機輸出的兩個對稱PWM 波所供給，并且能夠通過寄存器編程的方式使占空比以及頻率發(fā)生改變，能夠靈活控制輸出方波。

同時，本文所選擇的全控型器件IGBT 需要電壓型驅(qū)動電路，這里選擇了芯片M57926L，采用IPM 智能功率模塊，在縮減體積，增加功效以及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能化。

2.3 頻率跟蹤

雙PWM 變頻電源在實際運轉(zhuǎn)時，其負載相應(yīng)的等效參數(shù)以及固有諧振頻率會伴隨溫度改變而改變。為降低逆變電路之中功率元件所存在的開關(guān)耗損同時增加設(shè)備的輸出能力，逆變器應(yīng)保持在單位功率因數(shù)的準諧振環(huán)境中運轉(zhuǎn)，而這需要控制電路具備追蹤頻率的能力，才能獲得準確穩(wěn)定的控制，所以本設(shè)計中采用鎖相環(huán)來實現(xiàn)這一目的。為獲取更為平穩(wěn)且容易達成的鎖相環(huán)，本設(shè)計里選擇了三相數(shù)字鎖相環(huán)（SPLL），其是以 d-q 變換為基礎(chǔ)測定各類相位訊息的一類閉環(huán)自動控制體系，可以具備一定的實時動態(tài)能力，同時也能夠抵御各類干擾。通常由三個部分構(gòu)成，具體為：壓控振蕩設(shè)備、環(huán)路濾波設(shè)備、鑒相器，其相關(guān)原理的框架可參照圖4。

鑒相器被鎖定的輸入信號由負載側(cè)的電壓提供。把此信號和位于壓控振蕩器之中的反饋信號實時相位對比，傳輸具有相位差的脈沖信號同時通過環(huán)路濾波器濾波處理，最后能夠獲取可以體現(xiàn)出負載側(cè)電壓電流基波相移的典型的直流電壓。把此電壓和預(yù)先設(shè)置的數(shù)值對比之后，憑借PI 環(huán)節(jié)傳輸相應(yīng)的控制電壓，繼而調(diào)控壓控振蕩器的輸出頻率，實現(xiàn)追蹤自動頻率的目標。

3 軟件設(shè)計與分析

3.1 PWM控制的實現(xiàn)

PWM 波調(diào)制技術(shù)，其核心就是對電路中各晶體管的開合進行信號干預(yù)，導(dǎo)致逆變結(jié)構(gòu)的輸出為幅值大小相同但寬度卻不同的脈沖信號，采用上述脈沖信號取代所需要的正弦波和其余能夠滿足實際需求的波形。而PIC 單片機可以達到本系統(tǒng)控制的基本目標，不過假如要研發(fā)具備更為優(yōu)越的性能的一類變頻電源，且要將其使用至非常復(fù)雜的場合時，PIC 單片機則無法實現(xiàn)系統(tǒng)的實際目標。DSP 和單片機對比具備更加快捷的運轉(zhuǎn)速度，性能更為優(yōu)越，具備更為充足的功能，所以本文選擇DSP 用作本系統(tǒng)之中重要的控制單元[16-18]。

選用DSP 實現(xiàn)的PWM 控制策略是憑借編程把傳輸?shù)碾妷簲?shù)值與參考數(shù)值對比之后的差值通過電壓外環(huán)予以補償以后，其數(shù)值和電感電流值相比較后再輸入電流內(nèi)環(huán)，其差值再分別與正負橋臂的電壓相加后和DSP 形成三角波對比形成PWM 波，繼而能夠完成在DSP 里的計算和控制。

3.2 控制策略

實際上，PID 控制于該系統(tǒng)里的使用已然較為完善，不過因為被伴熱介質(zhì)本身特性的不平穩(wěn)及其系統(tǒng)受環(huán)境溫度的影響很大，所以極難從系統(tǒng)處獲取精準的數(shù)學(xué)模型。然而模糊控制是以模糊規(guī)則為基礎(chǔ)而構(gòu)建的在設(shè)計時不需要對控制目標構(gòu)建精準數(shù)學(xué)模型的一類控制策略，所以本文通過模糊控制取代傳統(tǒng)的PID 控制對系統(tǒng)進行分析。

圖6：變頻電源系統(tǒng)仿真圖

以往所使用的集膚效應(yīng)變頻電源相關(guān)的控制信號均是通過PWM 占空比予以調(diào)制處理，并沒有考慮頻率調(diào)制這種方式在系統(tǒng)里能夠發(fā)揮的實際作用。從集膚效應(yīng)原理上來講，頻率越高，集膚效應(yīng)愈加顯著，也能夠更好的增加熱效率。但在實際運用中，頻率并不是一直保持最高不出現(xiàn)改變就最好，而應(yīng)該根據(jù)負載溫度變化來調(diào)節(jié)的。為了更好地實現(xiàn)系統(tǒng)的頻率跟蹤，減少不必要的規(guī)則搜索和推理，本設(shè)計將模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合運用，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)給定的經(jīng)驗生成模糊控制規(guī)則，然后將訓(xùn)練后的算法轉(zhuǎn)移至DSP 里實現(xiàn)自動控制。本文設(shè)計的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系[19-20]以此為基礎(chǔ)，構(gòu)架了頻率以及占空比均可調(diào)的PWM 調(diào)制機制，其控制策略原理如圖5 所示。

4 仿真分析

通過 Matlab 軟件里的Simulink[21]設(shè)計具備可視性的仿真模型（參照圖6）。按照其功能該模型共可以劃分成三個大模塊，可以劃分成六項觸發(fā)、整流濾波以及逆變等模塊。

其中，六脈沖觸發(fā)模塊通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)六項同步觸發(fā)對整流濾波模塊中的IGBT 進行相位控制，本文采用30°觸發(fā)角進行仿真，而在實際應(yīng)用中可以任意設(shè)置觸發(fā)角，得到的不同的觸發(fā)脈沖。將所得到的觸發(fā)脈沖分別加到整流部分的六個IGBT 上控制其導(dǎo)通順序?qū)崿F(xiàn)交流到直流的變換，再通過電感與電容組合的濾波電路使輸出電壓更加平穩(wěn)。在仿真中級聯(lián)H 橋采用兩級級聯(lián)的方式，兩個單項H 橋采用完全相同的觸發(fā)方式，即兩橋中處于相同位置的晶閘管由同一個脈沖控制，以滿足系統(tǒng)運行的可靠性。最終負載上得到的電平為兩項疊加的輸出電平，從而實現(xiàn)了輸出功率的增大。本系統(tǒng)中采用的觸發(fā)脈沖頻率設(shè)置為400Hz、占空比設(shè)置為50%，而在實際應(yīng)用中，DSP 控制模塊可以根據(jù)負載的變化來改變H 橋中觸發(fā)脈沖的頻率和占空比來實現(xiàn)對輸出功率的控制。仿真結(jié)果如圖7 所示。

從圖中可以看到負載兩端的電壓比級聯(lián)前高了一倍，由于伴熱管自身阻抗很小，輸出功率遠超過了融冰的最低功率要求即30kw/m2，完全達到了冬季管道電伴熱融冰的要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種以集膚效應(yīng)理論為基礎(chǔ)的變頻加熱電源，采用級聯(lián)H 橋逆變電路結(jié)構(gòu)增大了輸出功率，采用雙PWM 以及模糊控制的方法使系統(tǒng)有更高的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。同時通過Simulink 對電伴熱系統(tǒng)進行仿真研究，最終獲取了加熱電源仿真實驗之后的相關(guān)數(shù)據(jù)，證明設(shè)計理念可行。本文的研究有助于集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)變頻電源的研究，希望在理論角度可以為集膚效應(yīng)電伴熱系統(tǒng)的探究提供支持。

圖7：負載端端電壓仿真結(jié)果圖