高頻感應加熱電源的鎖相控制

1 概述

由于感應加熱電源是熱處理的重要設備，其控制方案歷來(lái)備受關(guān)注。由于熱處理現場(chǎng)作業(yè)條件復雜，干擾因素較多，在設計時(shí)要盡量減少干擾源和減弱或消除外界干擾對系統的影響，因此，根據實(shí)際情況控制方案不停地在改進(jìn)中。

感應加熱電源逆變器按其負載補償電容所處的位置不同，可分為電流型逆變器和電壓型逆變器。電流型逆變器具有電路結構簡(jiǎn)單，電源運行可靠，對負載適應能力強及過(guò)流保護容易等優(yōu)點(diǎn)，圖1即是電流型逆變電路的拓撲。對于電流型電路而言，首先要防止逆變器的瞬間開(kāi)路；其次是選取適當定時(shí)或定角的超前觸發(fā)方式；最后，要求逆變器具有較寬的啟動(dòng)頻率范圍。

圖1 電流型感應加熱電源拓撲

2 控制方案的原理和改進(jìn)

逆變器的控制框圖如圖2所示。其中V_o為逆變器的輸出電壓信號，經(jīng)過(guò)峰值檢測，與控制給定值比較產(chǎn)生切換裝置的切換信號X₁，當X₁為高電平時(shí)，切換裝置輸出信號X₂與它激信號接通，逆變器工作在它激狀態(tài)，控制信號從它激信號發(fā)生器發(fā)出，電路工作頻率固定，且由它激信號發(fā)生器控制；當X₁為低電平時(shí)，X₂與自激信號接通，逆變器工作在自激狀態(tài)，電路工作頻率由負載本身的固有頻率決定。根據鎖相環(huán)的閉環(huán)濾波功能，在鎖相環(huán)反饋電路中進(jìn)行延時(shí)，用來(lái)補償系統的固有延遲，調節延遲時(shí)間t_d，逆變器既可以工作于感性狀態(tài)，也可以工作于容性狀態(tài)。

圖2 逆變器控制電路框圖

3 逆變器瞬間開(kāi)路的防止與轉換的平滑過(guò)渡

以全控型器件作為開(kāi)關(guān)的逆變器的控制通常采用他激轉自激的控制策略，即在開(kāi)機或是負載電壓低于閾值V_co時(shí)采用開(kāi)環(huán)的定頻控制，工作于他激狀態(tài)；而當輸出負載電壓大于閥值V_co時(shí)進(jìn)行自動(dòng)切換，使逆變器工作于頻率閉環(huán),跟蹤負載頻率的變化。

但是這種控制方案存在這樣的問(wèn)題：由于它激信號和自激信號不可能總是同步的，因此，在切換過(guò)程中多數情況下會(huì )產(chǎn)生窄脈沖（低電平），這個(gè)窄脈沖不可避免地造成逆變器的瞬間開(kāi)路；另外，現場(chǎng)的實(shí)際運行環(huán)境較差，通常都是在惡劣的電磁環(huán)境中工作，這種控制方案對于外界的抗干擾性能很差，不能滿(mǎn)足系統的抗干擾的要求。

針對這種情況,在切換電路后級插入一個(gè)鎖相濾波電路，用以濾除在轉換時(shí)產(chǎn)生的窄脈沖，同樣，這種電路對外界干擾產(chǎn)生的尖峰也有很強的抑制能力。圖3給出了關(guān)鍵點(diǎn)X₁及X₃在切換前后的波形。從圖3中可以看出，由于鎖相特性，切換過(guò)程中的窄脈沖被鎖相環(huán)濾掉了。圖3中1路為X₁的波形，2路為X₂的波形，3路為X₃的波形。

圖3 控制電路切換波形

圖4給出了逆變器的輸出端電壓在由它激切換到自激時(shí)的波形。圖5給出了逆變器從自激轉到它激時(shí)的波形圖。由這兩個(gè)波形可以看出，切換過(guò)程是一個(gè)平滑過(guò)渡過(guò)程，和圖3對比可知，系統的穩定性大大提高，前級窄脈沖被鎖相電路濾除了。

圖4 它激轉自激時(shí)輸出端電壓波形