[感应加热电源控制系统的研究及设计]感应加热电源

　　摘要：数字式电路控制的感应加热电源在现代工业生产中被广泛应用，并发挥着重要作用。文章主要论述了其装置的整流器控制、逆变器控制原理及启动电路的设计方案。　　关键词：感应加热；电源控制系统；整流器；逆变器；扫频启动
　　中图分类号：TM924 　 　文献标识码：A 　　　　文章编号：1009-2374（2012）20-0120-03
　　1　感应加热电源现状及系统保护
　　1.1　感应加热电源的现状
　　当今在工业领域，模拟电路控制在感应加热电源中被广泛使用，但模拟电路焊点多、系统可靠性低、触点多，对工艺要求也高。电路灵活性低，控制参数过于死板。相比之下，数字式电路控制系统简单、可靠，设计灵活，电路精确。我们把数字式电路控制应用到感应加热电源系统中，不仅可以实现人机互动的景象，而且对感应加热电源的发展也是一个大的飞跃，所以研究数字式电路控制的感应加热电源是非常有意义的。
　　1.2　感应加热电源系统的保护
　　在电路的发展中，控制电路经历了由模拟控制、数字控制到计算机网络控制；由定时到实时在线控制；由硬件控制到软件控制的过程。复杂系统和大型装置就用DSP、计算机网络控制或者PLC控制。所以在电力电子装置中也引进了现代控制理论，这为控制理论的发展展现了一个广阔的舞台。
　　在要求加热新产品多样化的同时，对控制系统功能的智能化要求更高，所以感应加热电源的控制电路必须具有以下功能：
　　（1）调功控制电路必须具有调功控制功能，使系统输出电压不受干扰。特别是对逆变电路和整流电路的主电路部分。
　　（2）控制电路必须具有频率自动跟踪功能，能够由负载谐振频率调整逆变器开关管的工作频率。频率自动跟踪最基本的有自激和他激这两种方法。当今超音频电源应用的是开环控制结构，在很多情况下采用自激方法实现自动跟踪。可是，在逆变状态的精确控制中，要进行手动调节，如此一来，会造成操作麻烦、控制不准确、效果不佳等。
　　在系统保护方面，主要是过压、过流保护，电容器吸收和电阻消耗产生过电压的能量保护这三种，传统过压保护的方法主要有利用非线性元件限制过电压幅值；限制过流的方法主要有串联快速熔断器和限流电感，针对电压电流上升率的限制，可以通过串联空心电感、并联RC串联电路或其他形式的缓冲电路来实现，现有的保护大多只针对各器件做分散保护，往往效果不佳。
　　2　感应加热电源控制系统的结构设计
　　在前面的内容中，我们已经确定了本感应加热电源系统中整流器采用三相全控整流；由IGBT组成的电流型并联谐振式逆变器；负载槽路的谐振频率稍小于主开关器件的开关频率；感应加热电源系统在弱容性状态下工作。
　　感应加热电源的结构图如图1所示，图中还包含保护电路和控制电路，在保护电路有过压和过流保护电路；在控制电路里有逆变器控制和整流器
　　控制。
　　图1 感应加热电源的结构框图
　　本文设计的控制系统是由逆变控制板、整流驱动板、电压保护板及整流控制板组成。整流控制包括电流负反馈、限压、电源的调功、限流及过流保护。逆变控制的主要功能是为功率器件提供可靠的触发驱动脉冲和完成逆变桥频率跟踪。电源保护控制主要包括过压和过流保护。
　　2.1　整流器控制
　　本文设计整流器使用移相控制方法，整流桥的形式，整流器输出电压的调节是通过调节整流控制角实现。其输出电压的表达式为：
　　
　　其中——输出电压；——电网相电压；
　　——触发移相角。
　　因为在并联谐振逆变电路中只要求直流电流源作为输入电源，但是整流器输出的电压是脉动，非常厉害，所以在它的输出端必须接有滤波器，本文选用电感作为平滑滤波器，如此一来只有直流电流可以进入逆变器。但是往往交流成分不可能完全被滤掉，只是相对而言罢了。本设计中电感取值为30mH。
　　图2为整流器控制框图，它是采用电流电压双闭环的战术，并且有谐振电压反馈和电流反馈的输入控制，调节器的电路原理图如图3所示，图中的电压和电流调节器都采用PI调节器。
　　图2 整流器控制框图
　　图3 电流调节器原理图
　　图中ON是系统运行信号，当系统启动时ON=0，当系统停止时ON=15V。fault是故障信号，当系统正常fault=0，当系统故障fault=15V。CUR REF为主给定{（0至－l0V），CUR为电流反馈信号（0至+l0V）}OUT为调节器的输出。由此可看出，系统无论是发生故障还是停止状态，其输出都为0，所以fault和ON都可看作是调节器的封锁信号；Vcc被设定为死区设置；二极管D3和D4是单向控制通道，只允许0到15V信号的输出，并使0至－15V的信号截断；上面的开关S1是用来切换PI调节器和P调节器的。电流调节器和电压调节器的原理基本一样。
　　2.2　逆变器控制
　　在并联型谐振逆变电路中，逆变器的启动频率范围要宽，能防止逆变器的瞬间开路，要有适当定角或定时的引前触发方式。综上所述，设计逆变器控制电路应具有以下几点基本要求：
　　（1）根据输出电压的变化，能自动调节频率，且调频范围要宽。
　　（2）负载参数可调，且逆变器的输出电压一定要滞后输出电流，也就是保证电路为纯电容电路
　　性质。
　　感应加热电源在受热时，逆变器的输出采样信号驱动IGBT管子，逆变控制电路送给逆变桥的脉冲驱动信号是反馈信号，且在加热过程中，考虑到加热器件谐振的频率，所以要求逆变控制电路具有频率自动跟踪功能。信号的传输和处理都要占用时间，还要进行时间补偿，就要通过调节IGBT的驱动板上脉冲的前沿与后沿来的时间产生，即IGBT两桥臂轮流导通时的重叠时间，这段时间极难把握，在这里通过一电路单独完成，且这个时间连续可调。
　　2.3　扫频启动方案
　　在感应加热电源中，负载电路提供自动调频控制电路的脉冲信号，我们知道在启动之始，负载电路并无电压，逆变器没有信号。因此，必须附加启动电路。能激发自激方式是非常理想的，由于他激频率的局限性，即负载的谐振频率必须知道，而且如果负载更换，启动频率也要重新调试，因此这种方法限于负载稳定的情形。反之负载更换较快就不适应了。针对这种情况，本文提出改进启动方案。
　　此方案的主要设计思想是：在感应加热电源启动以前，预先设定一高于谐振频率的最高他激频率触发逆变器，在感应加热电源启动后，使他激频率扫描这个最低和最高频率之间的范围，当扫描到槽路谐振频率时，就回馈到自动调频电路。当谐振频率在扫频范围内并且负载电压的反馈值达到设定预值，他激频率就被自激频率替代，也就意味着自动频率跟踪系统正常，扫频启动过程完成。扫频起动电路如图4所示。
　　图中555定时器运行在单稳态触发模式状态，由外接的阻容网络决定。TL082的输出电压是压控振荡器的控制电压，的计算公式为：，可看出和振荡频率是线性关系。其电路图如图4所示：
　　图4 扫频启动电路
　　我们设定感应加热电源启动之前=0，就是他激频率的最大值，表示为，大小为=7V。运算放大器UlA是正反馈输入，其中负向使由零不断上升直到稳态值+15V，越大，就越小。只要≥7V，比较器LM311就开通，则trig端就会有小于5V的触发脉冲产生，这使得晶体三极管的基极触发电频由低变高，三极管饱和导通，也使电容快速放电，使在放电完毕后箝位为零。单稳态触发完成后，晶体三极管的基极触发电平由高变低，又使三极管截止。电容又被充电，又开始增大，扫频又一次进行。RESON信号变低，使得555定时器复位，截止，不再变化，扫频启动过程结束。
　　作者简介：宋召玲（1976-），女，山东济宁人。
　　（责任编辑：叶小坚）