高頻感應(yīng)加熱電源的鎖相控制

1    概述

    由于感應(yīng)加熱電源是熱處理的重要設(shè)備，其控制方案歷來(lái)備受關(guān)注。由于熱處理現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件復(fù)雜，干擾因素較多，在設(shè)計(jì)時(shí)要盡量減少干擾源和減弱或消除外界干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，因此，根據(jù)實(shí)際情況控制方案不停地在改進(jìn)中。

    感應(yīng)加熱電源逆變器按其負(fù)載補(bǔ)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電源運(yùn)行可靠，對(duì)負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)及過(guò)流保護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)，圖1即是電流型逆變電路的拓?fù)洹?duì)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(dāng)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(yīng)加熱電源拓?fù)?

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(hào)，經(jīng)過(guò)峰值檢測(cè)，與控制給定值比較產(chǎn)生切換裝置的切換信號(hào)X₁，當(dāng)X₁為高電平時(shí)，切換裝置輸出信號(hào)X₂與它激信號(hào)接通，逆變器工作在它激狀態(tài)，控制信號(hào)從它激信號(hào)發(fā)生器發(fā)出，電路工作頻率固定，且由它激信號(hào)發(fā)生器控制；當(dāng)X₁為低電平時(shí)，X₂與自激信號(hào)接通，逆變器工作在自激狀態(tài)，電路工作頻率由負(fù)載本身的固有頻率決定。根據(jù)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(bǔ)償系統(tǒng)的固有延遲，調(diào)節(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)自激的控制策略，即在開(kāi)機(jī)或是負(fù)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(dāng)輸出負(fù)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(fù)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(hào)和自激信號(hào)不可能總是同步的，因此，在切換過(guò)程中多數(shù)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(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)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(duì)于外界的抗干擾性能很差，不能滿足系統(tǒng)的抗干擾的要求。

    針對(duì)這種情況,在切換電路后級(jí)插入一個(gè)鎖相濾波電路，用以濾除在轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的窄脈沖，同樣，這種電路對(duì)外界干擾產(chǎn)生的尖峰也有很強(qiáng)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(zhuǎn)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(duì)比可知，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高，前級(jí)窄脈沖被鎖相電路濾除了。

圖4    它激轉(zhuǎn)自激時(shí)輸出端電壓波形

圖5    自激轉(zhuǎn)它激時(shí)輸出端電壓波形

4    精確定時(shí)的實(shí)現(xiàn)

    由于逆變器輸出引線電感的存在，為減小逆變管的電流電壓應(yīng)力，一般要求逆變器工作于容性換流狀態(tài)。這就要求在槽路電壓過(guò)零之前的某個(gè)時(shí)刻（某個(gè)角度）換流。這就把控制電路分為定時(shí)和定角兩種觸發(fā)方式。本控制電路中采用定時(shí)觸發(fā)方式。

    在傳統(tǒng)的中頻感應(yīng)加熱電源中，定時(shí)觸發(fā)方式一般是由槽路的電壓和電流合成信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種電路的定時(shí)是近似的。而在超音頻感應(yīng)加熱中，由于控制電路的固有延遲的存在，使這種近似不再成立。所以，采用電壓和電流合成的定時(shí)觸發(fā)方式，超前時(shí)間會(huì)隨著槽路諧振頻率，輸出電壓幅值的變化而變化。

    利用在鎖相環(huán)的反饋電路中插入延遲環(huán)節(jié)，一方面補(bǔ)償了控制系統(tǒng)的固有延遲，另一方面可以獲得精確的超前觸發(fā)時(shí)間。顯然，控制電路中的這個(gè)延遲環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)與槽路諧振頻率和電壓幅值是相對(duì)獨(dú)立的。

5    結(jié)語(yǔ)

    通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和后來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)超音頻感應(yīng)加熱電源的實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)看，這種控制電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力和平穩(wěn)的轉(zhuǎn)換能力，恒定的超前觸發(fā)時(shí)間，和較大的啟動(dòng)范圍。