基于鎖相環(huán)的感應加熱電源控制策略研究

0鎖相控制策略不能保證變壓器工作狀態(tài)由于振動源適應性強、易于實現(xiàn)短路保護，聯(lián)合激勵補償廣泛應用于低頻和超低頻加熱電源中。逆變器有三種工作狀態(tài):感性狀態(tài)、容性狀態(tài)、完全諧振狀態(tài)。完全諧振狀態(tài)是逆變器的一種理想工作狀態(tài),但是,在實際應用中,由于重疊時間、阻容吸收、器件的開通關斷時間等因素的影響,完全諧振的逆變狀態(tài)是很難實現(xiàn)的。若并聯(lián)諧振型逆變器工作在感性狀態(tài)下,功率器件會因尖峰電壓而損壞,同時為了保證負載有較高的功率因數(shù),并聯(lián)諧振型逆變器應工作在小容性狀態(tài)下。然而,目前普遍應用的鎖相控制方法雖然可以實現(xiàn)逆變器小容性工作狀態(tài)控制,但是當負載頻率變化較大或更換負載時,負載的功率因數(shù)角也會變化。因此,該控制方法不能實現(xiàn)定角控制且不能保證逆變器工作狀態(tài)控制在最佳狀態(tài)。本文對鎖相控制原理進行研究分析,提出了一種新的鎖相控制方法,實現(xiàn)了定角控制。1鎖相環(huán)點系統(tǒng)結構并聯(lián)諧振型逆變器的逆變控制電路是以鎖相環(huán)(PLL—phase-lockedloop)為核心構成的,鎖相環(huán)電路主要由鑒相器(PD-phasedetector)、低通濾波器(LPF-lowpassfilter)、壓控振蕩器(VCO-voltage-controlledoscillator)3部分組成,如圖1所示。鎖相環(huán)是一個相位反饋控制系統(tǒng),其特點是實現(xiàn)對輸入信號頻率和相位的自動跟蹤。其工作原理為:通過鑒相器把已采集的負載電壓信號與壓控振蕩器輸出信號的相位進行比較,產生對應兩個信號的誤差信號電壓,并被加到低通濾波器的輸入端。低通濾波器是一種由電阻和電容組成的線性系統(tǒng),其作用是濾除誤差信號電壓中的高頻干擾電壓,保證鎖相環(huán)具有較好的動態(tài)性能,并且提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。低通濾波器的輸出信號加到壓控振蕩器的輸入端,使壓控振蕩器的輸出信號頻率向輸入信號頻率靠近,從而達到鎖相環(huán)路輸入輸出信號同頻的目的。2相、相位補償電路目前廣泛使用的鎖相控制系統(tǒng)框圖如圖2,主要由鎖相電路、相位補償電路、重疊時間形成電路、他激轉自激電路、驅動電路等組成。鎖相環(huán)的輸入信號一路為采集的負載諧振電壓,另一路為壓控振蕩器的輸出信號。2.1相位補償設置在熱態(tài)負載由于電壓采樣、隔離驅動、逆變器功率器件的開通與關斷都需要時間,因此鑒相器輸入信號不能表征負載電壓電流的相位關系,并且在實際工作中,當負載為導磁材料時,其導磁率與磁場強度和溫度有關。當磁場強度為一定值時,導磁率與溫度成反比關系,且在居里點附近變化頻繁。當磁性負載從冷態(tài)被加熱到熱態(tài)過程中,負載導磁率下降進而引起負載與線圈耦合電感減小、負載諧振頻率上升。鎖相控制方法中反饋回路中的相位補償電路雖可使逆變器工作在小容性狀態(tài),但由于相位補償環(huán)節(jié)為固定延時,當負載頻率變化時,負載的功率因數(shù)角將隨之變化。頻率下降時功率因數(shù)角減小;頻率上升時功率因數(shù)角增大。若相位補償電路的補償時間按較低負載頻率設置,則負載諧振頻率上升會引起負載功率因數(shù)角增大、逆變器效率降低;反之,當負載諧振頻率較低時,負載功率因數(shù)角較小,逆變器的工作安全性降低。因此,目前應用的鎖相控制中的相位補償電路只能對某一頻率進行固定延時補償,無法在負載諧振頻率變化時實現(xiàn)對負載功率因數(shù)的定角控制。2.2基于動態(tài)相位補償?shù)逆i相控制策略當負載諧振頻率變化時,并聯(lián)諧振型逆變器的鎖相控制方法不能實現(xiàn)負載功率因數(shù)角的恒定控制。針對這一缺點,本文提出一種改進的鎖相控制方法。控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。改進的鎖相控制方法是在傳統(tǒng)控制電路的基礎上,由動態(tài)相位補償電路代替廣泛采用的固定延時相位補償電路。在負載頻率變化時能夠快速調節(jié)負載功率因數(shù)角,從而提高鎖相環(huán)節(jié)的控制精度和動態(tài)性能。鑒相器的輸入信號取自負載的電壓和電流信號,若電壓互感器和濾波器的參數(shù)設計合理,可以完全表征負載電壓與電流的相位關系。此鎖相控制方法在逆變器負載動態(tài)變化的過程中,既實現(xiàn)了對頻率的快速跟蹤,又實現(xiàn)了功率因數(shù)角的恒定控制,保證了逆變器工作在小容性狀態(tài)下。3模擬模型的構建與模擬分析的分析本文利用Matlab/Simulink建立了主電路和控制電路模型,并對定角控制原理進行了仿真,使逆變器工作在小容性狀態(tài)。3.1鎖跟蹤控制模塊鎖相控制模塊如圖4所示。在該模塊中,由異或門鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器VCO構成鎖相環(huán)。3.1.1負載側不同頻率的輸出波形相位檢測電路如圖5所示,異或鑒相器的輸入信號是取負載側的電壓和電流信號,并經過過零檢測。頻率和相位鎖定后的輸出波形如圖6所示。圖5中由Rf和Cf組成RC濾波器,其作用是濾除掉信號中的高頻分量。3.1.2pi模塊的工作過程首先取負載側電壓和電流,電壓信號經過過零檢測后直接進入鑒相器,電流信號經過延時模塊后再經過過零檢測進入鑒相器,此延時模塊的時間參數(shù)是由壓控振蕩器VCO輸出的頻率決定的。電流信號與電壓信號進入鑒相器后,先由低通濾波器濾波,再經過加法器與代表90°的固定值0.5進行比較,最后經過PI模塊進行積分。當逆變器達到諧振狀態(tài),鑒相器輸出波形占空比是50%,PI模塊輸出穩(wěn)定。當系統(tǒng)失諧后,鑒相器輸出波形的占空比發(fā)生變化,PI模塊的輸出逐漸上升或者逐漸下降,進而控制壓控振蕩器VCO的輸出頻率變化,同時使逆變器的頻率也發(fā)生變化,實現(xiàn)逆變器的頻率自動跟蹤。當逆變器的開關頻率和負載的固有頻率重新一致時,逆變器再一次達到諧振狀態(tài),PI模塊的輸出重新穩(wěn)定,最后通過壓控振蕩器VCO產生新的逆變器驅動脈沖,逆變器也將隨之達到新的穩(wěn)態(tài)。由于逆變器剛開始工作時沒有反饋信號,所以該模塊中加入了他激轉自激電路。他激起始頻率為23kHz(可調),當電壓檢測回路檢測到負載電壓大于某一設定值時,通過他激轉自激電路切換,電路進入頻率跟蹤狀態(tài)。3.2負載頻率突變基于此仿真模型,對并聯(lián)諧振型逆變器進行了全過程的定角控制仿真?？傮w仿真時間為0.006s,仿真電路負載參數(shù)在0.004s發(fā)生變化,以模擬加熱過程中負載頻率突變。圖7為改進的鎖相定角控制時負載電壓和負載電流的仿真波形。圖7(a)中負載頻率為19.318kHz,負載功率因數(shù)角為16.4o,圖(b)中負載頻率為20.238kHz,負載功率因數(shù)角為16.28o,其變化率為0.7%,負載功率因數(shù)角基本不變,定角控制電路能夠使負載電流在不同的工作狀態(tài)下始終保持超前負載電壓一恒定角度。其中方波為電流波形,正弦波為