高功率因數感應加熱電源的設計與實(shí)現

　　1 引 言

　　目前，感應加熱電源已廣泛用于金屬熔煉、透熱、焊接、彎管、表面淬火等熱加工和熱處理行業(yè)。然而傳統感應加熱電源整流變換一般采用晶閘管相控整流或二極管不控整流方式，為獲得較為穩定的直流電壓，整流后往往采用大電容儲能兼濾波，導致電網(wǎng)輸入側功率因數非常低，電流畸變，對電網(wǎng)造成諧波污染；此外，還對周?chē)白陨硐到y的信號產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，系統效率降低。為了減小諧波電流、提高功率因數，有必要采用功率因數校正技術(shù)(APFC)。

　　有多種實(shí)現APFC的方法，目前常采用APFC控制芯片實(shí)現網(wǎng)側功率因數校正，具有電路簡(jiǎn)單、控制方便、成本低的優(yōu)點(diǎn)。但對于已采用功能強大數字信號處理器(DSP)作為控制器的感應加熱等復雜電源系統，再使用專(zhuān)用PFC芯片反而會(huì )增加系統硬件成本，降低系統的集成度，而且調試不方便，更不利于系統升級。本文研究在使用DSP控制感應加熱電源的基礎上，對輸入系統采取有源功率因數校正措施。實(shí)驗結果表明，引入APFC技術(shù)后，網(wǎng)側輸入功率因數趨近于單位功率因數，網(wǎng)側電流是與電壓同相的標準正弦波，減少了對電網(wǎng)的污染。

　　2 傳統感應加熱電源及改進(jìn)

　　傳統的感應加熱電源的主電路結構如圖1所示，包括四個(gè)部分：不控整流、大電容儲能濾波、逆變電路和諧振負載。圖中通過(guò)不可控整流的方式將交流變?yōu)橹绷?，再通過(guò)大電容濾波變成比較穩定的直流電作為逆變電路的供電電源，在逆變側部分實(shí)現系統的逆變輸出和功率調節。

　　整個(gè)系統由DSP控制，電壓電流檢測裝置通過(guò)檢測直流母線(xiàn)的電壓值和電流值并變送給DSP，以實(shí)現功率反饋。負載檢測包括溫度檢測和頻率跟蹤，通過(guò)將紅外線(xiàn)傳感器檢測到的溫度值變送給DSP，以實(shí)現溫度反饋；通過(guò)檢測負載的諧振電流和電壓信號反饋給DSP以實(shí)現頻率跟蹤。在DSP內部對電壓、電流等反饋信號分別A／D變換、保持，通過(guò)數字乘法運算求出實(shí)際輸出功率與數字給定功率比較，對偏差進(jìn)行數字PID控制，可實(shí)現電源輸出功率的閉環(huán)控制和DPLL頻率跟蹤，故障檢測保護電路對缺水、過(guò)熱、過(guò)壓、過(guò)流等故障實(shí)時(shí)監控，由DSP故障處理子程序比較判斷后，以中斷方式處理各類(lèi)故障、并報警顯示。

　　這種傳統感應加熱電源由于采用大電容無(wú)源濾波，造成輸入電流畸變，對電網(wǎng)造成諧波污染，輸入功率因數降低，而且不利于節約用電成本。為了提高能源利用率，減少感應加熱裝置對電網(wǎng)的污染，必須采用有源功率因數校正技術(shù)。

　　由于系統已采用DSP作為主控制器，使用專(zhuān)用PFC芯片反而會(huì )增加系統硬件成本，降低系統的集成度，而且調試不方便，更不利于系統升級，所以本文研究在原有系統的基礎上，利用DSP實(shí)現功率因數校正。

　　在原有主電路的整流和逆變部分加入Boost電路，如圖2所示，Boost電路是用來(lái)改善網(wǎng)側電流波形，提高電源功率因數的DC／DC變換器；在直流母線(xiàn)側，通過(guò)檢測Boost電路的輸入電壓、電感電流和輸出電壓，通過(guò)DSP的軟件控制算法，控制Boost開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)達到功率因數校正的目的。

　　3 基于DSP的APFC實(shí)現

　　圖3給出基于DSP-TMS320F2812的APFC控制原理圖。TMS320F2812芯片是TI公司推出的32位定點(diǎn)數字信號處理器，具有強大的控制和信號處理能力，是用于數字電力電子變換與控制的高性?xún)r(jià)比DSP芯片。

　　APFC控制原理如下：Boost電路的輸出電壓，即直流母線(xiàn)電壓V0經(jīng)傳感器采樣、隔離后送入DSP的ADCIN2口，并轉換為數字信號，與參考數字電壓Vref比較，其偏差值送入電壓控制器Gv，通過(guò)糾偏控制使V0與Vref相等，Gv采用數字PI控制，有：

　　電壓控制器G的輸出信號B與Boost變換器的輸入電壓Vin經(jīng)隔離、A／D變換后的數字信號A相乘，乘積作為電感電流Iin的參考信號Iref。電感電流Iin與參考信號Iref比較后，差值送入電流控制器Gc，Gc也采用數字Pl控制，有：

　　這樣便輸出脈寬調制波，經(jīng)驅動(dòng)器隔離、放大后驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管高頻導通／關(guān)斷，以實(shí)現電感電流Iin實(shí)時(shí)跟蹤Iref。

　　實(shí)現式(2)和式(4)時(shí)，為了防止Uv(n)，Uc(n)過(guò)大造成系統失控，還必須將他們限定在合適的范圍內。對此，可按以下方法實(shí)現離散控制。

　　電流環(huán)同理，當開(kāi)關(guān)管工作在很高的頻率時(shí)(比如f=100 kHz)，電壓環(huán)調節器Gv的輸出基本不變，所以乘法器輸出的Iref基本上是和輸入電壓成比例的波形，就可實(shí)現輸入電流對輸入電壓的實(shí)時(shí)跟蹤，且保持二者相位相同，使輸入功率因數接近于1。

　　4 實(shí)驗研究

　　根據以上理論，設計一臺單相輸入220 V、功率4 kW、諧振頻率30 kHz的超音頻感應加熱電源樣機，并且對加入APFC電路前后的網(wǎng)側電壓、電流進(jìn)行對比分析，實(shí)驗結果分別如圖4，圖5所示。圖4為傳統感應加熱電源網(wǎng)側的電壓、電流波形，從圖中可以看出，電壓雖是正弦波，但由于直流側中間儲能大電容的存在，致使電流導通角只有90°，網(wǎng)側電流波形嚴重畸變，呈一系列斷續的尖峰脈沖，在同等功率條件下，電流的峰值成倍提高、諧波分量加大、電源功率因數降低(cosφ△0.7)。圖5為引入APFC以后的感應加熱電源網(wǎng)側電壓、電流波形，從圖中可以看出，引入APFC技術(shù)后，電流波形與電壓波形是同相位的正弦波，感應加熱電源有接近于1的輸入功率因數和很低的電流總畸變率，減少了對電網(wǎng)的污染。

　　5 結 語(yǔ)

　　本文將基于DSP的APFC技術(shù)引入到傳統的感應加熱電源中，對輸入電源的功率因數進(jìn)行有源校正。在傳統感應加熱電源的基礎上，加入了Boost電路，利用DSP的超高速數據采樣和信號處理能力，設計出包含有源功率因數校正(APFC)器的超音頻感應加熱電源，并對感應加熱電源引入APFC前后進(jìn)行了對比實(shí)驗和分析。實(shí)驗結果表明：APFC技術(shù)的引入使電源的輸入功率因數接近于單位功率因數，減少了諧波對交流電網(wǎng)的污染，使感應加熱電源的功率顯著(zhù)提高。