高功率因數感應加熱電源的設計與實現
2008-04-12 00:00:00龐敬賢惠晶
現代電子技術 2008年9期
摘 要：針對串聯諧振式感應加熱電源輸入功率因數低、對電網污染大的缺點，在分析傳統感應加熱電源系統結構和基本原理的基礎上，利用數字信號處理器(DSP-TMS320F2812)的高速數據采樣和信號處理能力，研制成具有高功率因數的感應加熱電源，給出了基于DSP的有源功率因數校正原理，控制算法和實現。理論分析和實驗結果證明了基于DSP的有源功率因數校正用于感應加熱電源的優點，高功率因數的感應加熱電源實現了網側單位功率因數和減少電網污染的控制目標。
關鍵詞：感應加熱電源；諧波污染；功率因數校正；Boost；DSP
中圖分類號：TM92 文獻標識碼：B
文章編號：1004-373X(2008)09-108-03
Design and Realization of an Induction Heating Power with High Power Factor
PANG Jingxian，HUI Jing
(School of Communications and Control Engineering，Jiangnan University，Wuxi，214122，China)
Abstract：To reduce the harmonic pollution and improve the low input power factor of the traditional series resonant induction heating power，a new induction heating power with high input power factor is designed by using a Digital Signal Processor (DSP-TMS320F2812) with very rapid sampling data and processing signals on the basis of analyzing its topology and basic principle.The principle and the method how to achieve Active Power Factor Correction (APFC) is also presented and analyzed.Theoretical analysis and experimental results have shown that DSP-based APFC method applied in the induction heating power is excellent，it makes the input power factor close to unity and reduces the harmonic pollution to power net.
Keywords：induction heating power;harmonic pollution;active power factor correction;Boost;DSP
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[1]。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，導致電網輸入側功率因數非常低，電流畸變，對電網造成諧波污染；此外，還對周圍及自身系統的信號產生嚴重的電磁干擾，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(APFC)[2]。
有多種實現APFC的方法，目前常采用APFC控制芯片實現網側功率因數校正[3]，具有電路簡單、控制方便、成本低的優點。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，再使用專用PFC芯片反而會增加系統硬件成本，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。實驗結果表明，引入APFC技術后，網側輸入功率因數趨近于單位功率因數，網側電流是與電壓同相的標準正弦波，減少了對電網的污染。
2 傳統感應加熱電源及改進
傳統的感應加熱電源的主電路結構如圖1所示，包括四個部分：不控整流、大電容儲能濾波、逆變電路和諧振負載[4]。圖中通過不可控整流的方式將交流變為直流，再通過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，在逆變側部分實現系統的逆變輸出和功率調節。
圖1 傳統感應加熱電源系統結構圖
整個系統由DSP控制，電壓電流檢測裝置通過檢測直流母線的電壓值和電流值并變送給DSP，以實現功率反饋。負載檢測包括溫度檢測和頻率跟蹤，通過將紅外線傳感器檢測到的溫度值變送給DSP，以實現溫度反饋；通過檢測負載的諧振電流和電壓信號反饋給DSP以實現頻率跟蹤。在DSP內部對電壓、電流等反饋信號分別A/D變換、保持，通過數字乘法運算求出實際輸出功率與數字給定功率比較，對偏差進行數字PID控制，可實現電源輸出功率的閉環控制和DPLL頻率跟蹤[5]，故障檢測保護電路對缺水、過熱、過壓、過流等故障實時監控，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源濾波，造成輸入電流畸變，對電網造成諧波污染，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的污染，必須采用有源功率因數校正技術。
由于系統已采用DSP作為主控制器，使用專用PFC芯片反而會增加系統硬件成本，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電路是用來改善網側電流波形，提高電源功率因數的DC/DC變換器；在直流母線側，通過檢測Boost電路的輸入電壓、電感電流和輸出電壓，通過DSP的軟件控制算法，控制Boost開關管的通斷來達到功率因數校正的目的。
圖2 具有APFC的感應加熱電源主電路結構圖
3 基于DSP的APFC實現
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位定點數字信號處理器[6]，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價比DSP芯片。
APFC控制原理如下：Boost電路的輸出電壓，即直流母線電壓V0經傳感器采樣、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，通過糾偏控制使V0與Vref相等，Gv采用數字PI控制，有：
式中，TSv為電壓環路的采樣時間。
電壓控制器Gv的輸出信號B與Boost變換器的輸入電壓Vin經隔離、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PI控制，有：
Gc(s)=KPc+KIcs=Uc(s)Ec(s)
式中，TSc為電流環路的采樣時間。
最后，電流調節器的輸出Uca在TMS320F2812的PWM模塊中與一個固定頻率的鋸齒波Vramp相比較：
當Uca>Vramp時，開關管導通；
當Uca 這樣便輸出脈寬調制波，經驅動器隔離、放大后驅動開關管高頻導通/關斷，以實現電感電流Iin實時跟蹤Iref。 圖3 基于TMS320F2812的APFC控制原理圖 實現式(2)和式(4)時，為了防止Uv(n)，Uc(n)過大造成系統失控，還必須將他們限定在合適的范圍內。對此，可按以下方法實現離散控制。 對于電壓環，有： Uv(n)=K0*Ev(n)+Iv(n－1) (5) Iv(n)=Iv(n－1)+K1*Ev(n)+Kcorrv*Epiv (6) Epiv=Uvs－Uv(n) (7) 式中，K0=KPv，K1=KIvTSv，Kcorrv=K1/K0。 當Uv(n)≥Uvmax時，Uvs=Uvmax； 當Uv(n)≤Uvmin時，Uvs=Uvmin； 否則，Uvs=Uv(n)。 電流環同理，當開關管工作在很高的頻率時(比如f=100 kHz)，電壓環調節器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，就可實現輸入電流對輸入電壓的實時跟蹤，且保持二者相位相同，使輸入功率因數接近于1。 4 實驗研究 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電路前后的網側電壓、電流進行對比分析，實驗結果分別如圖4，圖5所示。圖4為傳統感應加熱電源網側的電壓、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(cos φ07)。圖5為引入APFC以后的感應加熱電源網側電壓、電流波形，從圖中可以看出，引入APFC技術后，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，減少了對電網的污染。 圖4 傳統感應加熱電源網側電壓與電流波形 5 結 語 本文將基于DSP的APFC技術引入到傳統的感應加熱電源中，對輸入電源的功率因數進行有源校正。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前后進行了對比實驗和分析。實驗結果表明：APFC技術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的污染，使感應加熱電源的效率顯著提高。 圖5 引入APFC校正后的電網電壓與電流波形 參 考 文 獻 ［1］Kurose Y，Moisseev S，Muraoka H，et al.Active Inductor Snubber Assisted Zero Voltage Soft Switching PWM High-Frequency Resonant Inverter for Induction Heated Roller Drive/Oficial Proceedings of the International［J］.Power Electronics Technology，2002，8:661-671. ［2］Wang S，Lee F C，Odendall W G.Improving the Performance of Boost PFC EMI Filter［A］.IEEE APEC′2003，Proc［C］.2003:368-374. ［3］屈莉莉，陳文彬，楊兆華，等.基于NCP1653的300 W功率因數校正器研制［J］.電力電子技術，2005，39(6):55-57. ［4］惠晶，蔡愛軍，沈錦飛，等.基于DSP的PDM負載諧振式感應電源的研究［J］.電力電子技術，2004，38(5)：53-54. ［5］惠晶，臧小惠，張峰久.基于PI-DPLL復合控制的高頻逆變電源的研究［J］.電力電子技術，2007，41(2):32-34. ［6］蘇奎峰，呂強，耿慶鋒，等.TMS320F2812原理與開發［M］.北京：電子工業出版社，2005. ［7］康明，李敏遠.并聯諧振感應加熱逆變器控制方法的設計［J］.現代電子技術，2006，29(12):21-23，26. 作者簡介 龐敬賢 男，1984年出生，江蘇贛榆縣人，江南大學信控學院碩士研究生。研究方向為電力電子與電力傳動。 注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
