放空火炬高頻點火系統設計

周 篷，蔣 林，楊高鵬，周 龍，楊 旭

(西南石油大學 電氣信息學院，四川 成都 610500)

放空火炬高頻點火系統設計

周 篷，蔣 林，楊高鵬，周 龍，楊 旭

(西南石油大學 電氣信息學院，四川 成都 610500)

針對傳統放空火炬的高壓電子點火系統電極易腐蝕的問題，提出了一種基于感應加熱原理的新型點火系統。該電源系統的主拓撲為全橋諧振結構。通過檢測負載電流與電壓的相位差，利用脈沖頻率調制(PFM)方式使電源工作頻率實時跟蹤鎖定負載的固有頻率，利用數字信號處理(DSP)在軟件上實現數字鎖相環，讓電源工作在弱感性狀態。基于TI公司的TMS320F28335控制芯片，搭建了點火系統的控制平臺。仿真和實驗結果表明，控制算法能夠實現工作頻率對固有頻率的準確跟蹤鎖定，且在弱感性工作狀態下，電源輸出滿足設計指標，具有較小的開關損耗。

感應加熱；串聯諧振；DSP；數字鎖相環；saber

0 引言

在油氣田的開采、天然氣管道的日常運行中，放空火炬的使用是必不可少的一部分。它能夠將有害的氣體導引到高空中，并燃燒處理。目前國內的放空火炬基本上采用的是傳統高壓電子點火，而由于電極長期受腐蝕，在表面會形成硫化物薄膜，阻止了放電，因此電極的壽命較短。高空中的電極更換難度較大，并且頻繁的更換也給生產造成了極大的安全隱患。感應加熱作為一種非接觸式的加熱方式，幾乎不受氣體腐蝕的影響，屬于免維護方式，這大大提高了點火系統的可靠性與安全性[1]。

感應加熱是基于電磁感應原理的，交變電流在周圍空間產生交變的磁場，當磁感應線切割導體時，導體會產生感應電流，由于電阻的熱效應，導體便會產生熱量，這就是感應加熱的基本原理。

感應加熱技術因其加熱速度快、不受腐蝕等優點，已被廣泛地應用在焊類、鍛造、軋制、熱處理等領域。但是將感應加熱技術運用在放空火炬點火系統上，目前沒有應用實例。因此，基于感應加熱的放空火炬點火裝置具有廣泛的實際應用前景[2]。

1 系統原理與控制策略

1.1 主電路的設計

圖1 主電路拓撲圖

串聯諧振感應加熱電源的主電路結構如圖1所示。進線端為單相工頻交流電，經過不可控全波整流得到直流電。Cd作為直流濾波電容，其作用是濾波穩壓以及在換流時吸收感性無功電流。負載側采用高頻變壓器作為負載匹配使用，R、L是感應頭的等效電阻和電感，C則是補償電容，以使逆變器工作在弱感性狀態，即電壓相位略微超前于電流相位，而為了避免直流偏磁，所以將補償電容器置于原邊側。

點火系統的主電路相關參數設計如下：

系統輸入為220 V，50 Hz單相交流電，系統輸出為25 V，500 A，30～50 kHz單相交流電。直流側采用單相全波整流，經計算直流母線電壓約為：

Ud=220×1.1=242(V)

(1)

濾波電容在逆變器中主要起到濾波、穩定電壓、吸收無功電流等作用。在本設計中，采用工頻單相全波整流，電壓紋波脈動的基波為100Hz。為了保證提供的電壓穩定，濾波電路的時間常數必須為紋波基波周期的6～8倍，此處取6倍，即：

(2)

濾波電容的耐壓值必須高于直流峰值電壓311V，所以濾波電容采用400V耐壓4 700μF的電容。設計諧振電容時，需考慮它與電感上的無功能量交換。取品質因數Q=3，式(3)得到諧振時電容兩端電壓，式(4)得到容抗值，式(5)得到諧振頻率為40 kHz時的諧振電容值。諧振時，感抗等于容抗，所以，式(6)得到諧振頻率為40 kHz時的電感值。

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2 控制系統的設計

點火系統的加熱電源不需要對功率進行實時控制，只需要保持最大功率輸出，其控制系統框圖如圖2所示。對于串聯諧振電路來說，工作在諧振狀態時其功率最大。因此，本控制系統的核心問題就是讓系統工作在弱感性的準諧振狀態，即負載電壓相位略微超前于電流相位[3]。

圖2 控制系統框圖

首先，將電流互感器采集的正弦電流波轉換為同相位的矩形波，利用過零比較器將正弦波的每一個過零點翻轉成矩形波，并經簡單的保護電路送至DSP控制芯片信號采集端。其次，DSP的CAP2捕捉模塊1可以設定捕捉脈沖的上升沿或下降沿，并通過計數器將電流的相位和頻率信息傳遞進DSP進行處理[3]。而電流波形的采集、傳輸、變換過程需要一定的時間，因此在DSP內部還需要對相位進行補償。作為相位差比較的另一路電壓信號，這里沒有直接采集負載上的電壓，而是將控制脈沖的信號作為電壓的相位信號，送進CAP1模塊，與CAP2模塊一起進入DPLL數字鎖相環進行程序運算之后再輸出相應控制的脈沖，最后經隔離驅動后直接控制逆變橋的通斷[4]。

2 數字鎖相環設計

利用DSP可以在軟件上實現數字鎖相環，其原理框圖如圖3所示。數字鎖相環的工作原理如下：利用CAP1捕捉電壓波形的脈沖，CAP2捕捉電流波形的脈沖。在CAP1中斷時，對CAP2的計數器進行清零，因此CAP2的捕獲值就是兩個波形的相位差，CAP1的值就是電壓波形的周期值。再利用增量式PID環節的無差調節控制將相位差調節至零或者一個設定值。相位差和周期信號經PID調節后的控制信號再經相應的頻率運算即可得到對應的頻率控制值，再控制產生PWM波的工作頻率[5]。

圖3 鎖相環控制流程

3 仿真結果與分析

基于Saber仿真軟件搭建了系統仿真模型，分別對開關頻率為100 kHz、23.8 kHz和在諧振狀態下的感性負載的電壓電流波形進行了仿真測試，其中諧振狀態負載電流電壓波形如圖4所示，開關管電流電壓波形如圖5所示，開關管開通關斷過程如圖6所示。從不同的開關頻率工作波形可以看出，電源在諧振點時具有最大的功率輸出，當偏離諧振點時，輸出功率開始衰減，并且越偏離諧振點，衰減越厲害。在諧振時，負載電流和電壓是同相位的；當工作頻率為100 kHz,大于固有頻率時，電流滯后于電壓相位，隨著頻率增大到一定程度之后相位差為90°；而工作頻率為23.8 kHz，小于固有頻率時，電流超前于電壓相位，但由于頻率過小，負載電流將失去穩定。

圖4 諧振狀態的負載電流和電壓波形

圖5 諧振時開關管的電壓和電流波形

圖6 諧振時開關管的關斷(左)、開通(右)過程

當MOS管上的電壓為0時，表示MOS管處于導通狀態，電流為漏極電流Id。正常工作時，漏極電流為正，當出現負的電流時，則為IRFP460中的反并聯二極管的續流電流。開關管在開通和關斷時其管子上的電流幾乎為零。理論上，在諧振狀態時開關管是零電流開關(ZCS)的，此時電源的開關損耗為零[6-7]。實際上，電源工作于一個小的頻率變化區間，也就是弱感性的工作狀態。

當開關管工作于感性狀態時，開關管電流電壓波形如圖7所示，由圖可知，開關管會產生明顯的反向電流，這是由于負載感性時電流相位滯后于電壓相位所造成的。開關管的開關過程如圖8所示，由圖可知，在感性狀態時，開關管在開通和關斷時其電流是衰減的，因此感性狀態屬于小電流的開關。反復測試發現，工作點越接近諧振點時開關損耗也越小。

圖7 弱感時開關管的電壓和電流波形

圖8 弱感時開關管的關斷(左)、開通(右)過程

電源工作在容性狀態的情況下，開關管開通和關斷時電流很大，同時會出現電流尖峰，并且頻率越小尖峰越明顯，甚至可能超出MOS管的通流能力，損壞MOS管。對于串聯諧振電路來說，工作在容性區的開關損耗是很大的，并且有可能損壞開關管，因此應當避免工作在此區間[8]。

4 實驗結果

利用DSP開發平臺，模擬一次電源的啟動過程，并用兩臺示波器，分別觀察“逆變橋”的工作頻率和輸出的相位差。“逆變橋”的“固有頻率”設定為40 kHz。電源從較高的頻率(80 kHz)啟動，此時的相位差是90°，如圖9所示。隨后由于相位差與目標值相差過大，控制頻率迅速減小，并穩定在42.7 kHz左右，也就是達到了需要的弱感性工作狀態，如圖10所示。

圖9 啟動瞬間波形

圖10 弱感時穩定波形

5 結論

利用Saber對串聯諧振電路的仿真表明，當電源工作在容性狀態時，電源的開關損耗大，并且可能損壞開關管，因此要避免其進入此區間；諧振時電源輸出功率最大，開關損耗也最小，但是容易因為波動而誤入容性工作區；而工作在弱感性狀態時，具有較大的輸出功率，并且具有較小的開關損耗。所以應當使電源工作在弱感性狀態。

利用DSP實現數字鎖相環，大大減少了硬件電路開銷，不存在溫漂、器件老化等問題，提高了系統的穩定性。實驗結果表明該控制算法能夠使系統跟蹤鎖定固有頻率，實現數字鎖相環功能。

[1] 付正博．感應加熱與節能——感應加熱器(爐)的設計與應用[M]．北京：機械工業出版社，2008．

[2] 徐先澤，肖雅靜，時千峰．感應加熱技術的應用及發展[J]．現代零部件，2010(3)：62-63．

[3] 呂宏，黃玉水，張仲超．感應加熱電源的PWM-PFM控制方法[J]．電力電子技術，2003，37(1)：8-11．

[4] 粟堅定．基于DSP的感應加熱中頻電源應用研究[D]．無錫：江南大學，2012．

[5] 曾素瓊．鎖相環CD4046的應用設計及研究[J]．電子質量，2012(1)：72-75．

[6] GAMAGE L, AHMED T, SUGIMURA H, et al. Series load resonant phase shifted ZVS-PWM high- frequency inverter with a single auxiliary edge resonant AC load side snubber for induction heating super heated steamer[C]. The Fifth International Conference on Power Electronics and Drive Systems,Singapore,17-20，2003：30-37.

[7] 周志軍．軟開關電源設計與仿真研究[D]．武漢：武漢大學，2004．

[8] 倪徐良．50kHz IGBT串聯諧振感應加熱電源研制[D]．西安：西安理工大學，2008．

作者簡介：

周篷(1993-)，男，本科，主要研究方向：感應加熱技術。

蔣林(1974-)，男，博士研究生，副教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動、智能控制、新能源變換與控制。

楊高鵬(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：電力電子技術。E-mail:249186809@qq.com。

The design of high-frequency ignition system of release flare

Zhou Peng, Jiang Lin, Yang Gaopeng, Zhou Long, Yang Xu

(School of Electrical Engineering and Information, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China)

Aiming at the problem of electrode corrosion for traditional flare high-voltage electronic ignition system, an induction heating based ignition system is proposed. The main topology of the power system is a full-bridge resonance structure. After detecting phase difference between load current and voltage, the work frequency of the power supply would track the load natural frequency timely by using Pulse Frequency Modulation (PFM), and then realize Digital Phase Locked Loop (DPLL) in software through digital signal processing (DSP), which makes the power supply work in weak inductive state. Based on TMS320F28335 controller of TI, the ignition system is built. The results of both simulation and test show that the proposed control algorithm can realize the accurate tracking lock, and the output of power supply can satisfy the design objective under the work state of weak inductive with low switching loss.

induction heating; series resonance; DSP; digital phase locked loop; saber

楊振宇(1975-)，男，高級工程師，主要研究方向：自動控制等。

TN86

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.002

周篷，蔣林，楊高鵬，等.放空火炬高頻點火系統設計[J].微型機與應用，2017,36(4)：4-6，17.

2016-09-22)