數字控制感應加熱電磁爐的設計*

吳岳芬,張 舸,萬 力,周嘉偉,馮彩英

(湖南理工學院信息與通信工程學院,湖南 岳陽 414006)

數字控制感應加熱電磁爐的設計*

吳岳芬*,張 舸,萬 力,周嘉偉,馮彩英

(湖南理工學院信息與通信工程學院,湖南 岳陽 414006)

設計了基于DSP的大功率數字控制感應加熱電磁爐,該系統采用DSP作為控制核心,主電路采用半橋諧振逆變電路,外圍電路包括過流、過壓、欠壓、過功率和故障報警等保護電路。詳細分析了半橋諧振逆變電路的工作原理,給出了其負載工作在感性、容性和電阻狀態下的電路工作條件,并選擇電路工作在感性狀態才能確保主電路安全可靠的工作。最后制作了樣機并給出了實驗結果,實驗結果驗證了理論分析的正確性。

感應加熱;數字控制;自動保護;模塊化設計

感應加熱相對于燃氣、和煤等傳統加熱方式,它具有以下優點:(1)加熱速度快;(2)熱損少和加熱效率高;(3)綠色環保無污染;(4)易于實現自動控制;(5)實現了加熱部分和變換器部分的隔離,避免了因保護層的損壞而導致的漏電,在安全性上大大提高了[1-2]。目前科研人員在感應加熱電源方面做了大量的工作,比如文獻[1]利用全橋諧振電路設計了2 kW的感應加熱電源,能夠實現開關器件的軟開通,文獻[2]設計了數字控制的感應加熱電磁爐,相對于模擬控制的感應加熱電源,可以實現更多的控制功能,而且便于升級和維護。正是基于以上原因本文設計基于一種數字控制的大功率感應加熱電源,主電路采用半橋變換器,相對于文獻[1]本文設計的采用半橋變換器,只有兩個功率管工作,因此可以減少開關損耗,提高系統效率。相對于文獻[2]中所設計的數字感應加熱電磁爐,本本文設計的采用半橋變換器,操作方便,而且性價比比較高。本文對電磁爐的工作方式以及數字控制電路進行了詳細分析,最后制作了樣機,驗證了理論分析的正確性。

1 感應加熱電磁爐主電路的工作原理

感應加熱電磁爐的系統框圖如圖1所示。輸入交流電為380 V,經過二極管整流橋以及濾波后變為510 V左右的直流,然后經過半橋逆變電路作用后,可以在負載兩端的感應線圈中產生變化的磁場,從而使金屬材料中產生渦流,最終產生熱量。

圖1 感應加熱電磁爐系統框圖

接下來詳細分析感應加熱電磁爐所采用的半橋電路處在諧振工作情況下的工作原理,其半橋電路原路圖如圖2所示[3-5]。

圖2 半橋電路原理圖

圖3 半橋電路感性負載工作過程的原圖理

圖2所示的開關管S1和S2為IGBT,并且S1和S2兩端都反并聯一個二極管D1和D2。第1種情況,當變換器工作頻率高于諧振頻率時,電流相位滯后電壓,此時負載特性表現為感性負載。如果這個時候令開關管S1處于開通,S2關斷,負載中流過電流,電路工作原理如圖3(a)所示。當S1關斷時,由于電感對電流起阻礙作用,此時電流方向不能突變,電流方向還是保持原來的流向,這個時候讓二極管D2開通,電流通過D2續流,如圖3(b)所示。二極管D2開通,此時D2導通壓降為1 V,因為D2跟開關管S2并聯,所以開關管S2兩端電壓保持為1 V左右,此時如果給S2高電平,S2實現開通,同時D2關斷,如果能夠正好在續流結束之前讓S2開通,則可以讓S2實現軟開關,即零電壓開通,同時二極管D2也可以實現了零電流關斷,減少了電路的開關損耗,可以提高系統的效率。

圖4 半橋電路容性負載工作過程的原圖理

第2種情況當變換器的工作頻率低于諧振頻率時,電壓相位滯后電流,此時負載特性表現為容性負載。如果這個時候令開關管S1處于導通狀態,負載中流過電流,工作原理跟圖3(a)完全一致。由于負載呈容性,所以電壓相位滯后電流,因此在S1仍保持開通,然后電流減小直至到零,然后電流反向流過二極管D1,工作原理圖如圖4(a)所示。圖4(a)中的二極管D1開通后,S1失去對電流的控制作用,當S1保持關斷,S2保持開通,此時D1將承受反向電壓而關斷,由于二極管自身的特性,其在關斷過程中有反向電流流過D1,其反向電流也會經過S2,從而會使電源VCC短路,而致使開關器件IGBT損壞,此時電路原理圖如圖4(b)所示。另外,如果當S2保持關斷,電流會再次反向,D2保持導通。如果S1保持開通,此時二極管D2由于承受負電壓,致使其關斷,同理由于二極管D2本身的特性,有反向恢復電流流過D2,繼而使D2和S2使電源VCC短路,從而損壞IGBT。

第3種情況,當變換器的工作頻率和諧振頻率相同時,電流與電壓相位相同,負載呈純電阻性,此時電路工作模式與常規半橋電路工作原理完全一致,相當于S1與S2反并聯二極管D1與D2不存在。

從以上分析可得出:當變換器的負載呈容性阻抗時,開關器件IGBT的輪流開通,此時二極管反向恢復電流較大,因此開關器件IGBT功率損耗比較大,在工作頻率較高的場合不太合適。當變換器的負載呈感性負載時,開關器件IGBT可以實現軟開關,不但能保證變換器的安全,而且系統損耗也比較低。最后可以得出在諧振變換器工作在感性負載時,才能確保變換器安全工作。

圖7 TMS320F2812供電電路

2 基于DSP的控制電路設計

硬件電路除了半橋諧振逆變電路的主電路以外,還包括由DSP TMS320F2812構成的控制電路,其數字控制框圖如圖5所示。

圖5 感應加熱電磁爐數字控制系統框圖

從圖5可以看出,控制系統[3]主要由以下幾部分組成:DSP及其外圍電路、輸入電壓和電流檢測和調理電路、驅動電路和故障與保護電路,其中DSP外圍電路包括DSP外接SRAM電路、復位電路、系統時鐘電路和DSP供電電源電路[6-8]。

2.1 DSP供電電源模塊電路設計

控制系統供電電路由兩部分組成,一部分是由220 V輸入交流電壓經變壓器整流濾波后變成9 V電壓供給MC7805,讓MC7805輸出TMS320F2812需要的+5 V電壓。另一部分是將輸出+5 V電壓通過電源芯片TPS767D318轉換成DSP所需要的+3.3 V和+1.8 V。電路圖如6所示。

圖6 TPS767D318供電電路

TPS767D318是德州儀器公司出品的線形低壓降LDO高精度數字穩壓電源,TPS767D318主要是為DSP的應用而設計,它可以提供兩路電壓輸出,一路為固定3.3 V,另外一路為可變的可設置為1.8 V或者2.5 V;其中每一路最大可提供最大為1 A的直流電流,足以滿足TMS320F2812的供電要求。TMS320F2812所需求的電源種類:(1)內核數字電源為1.8 V;(2)I/O數字電源3.3 V;(3)I/O模擬電源3.3 V;(4)ADC數字電源3.3 V;(5)ADC模擬電源3.3 V;(6)FLASH編程電源3.3 V。TMS320F2812供電系統如圖7所示。

2.2 電壓和電流檢測和調理電路設計

由于其電壓和電流的檢測和調理電路原理類似,在這里就只給出電流檢測和調理電路,其工作電路原理圖如圖8所示。圖8中電流傳感器輸出的電流信號經測量電阻RM轉換為電壓信號后,由運算放大器U10A構成的放大器的增益與RM的阻值配合決定,可以使輸出的雙極性信號恰好落在-3.3 V～+3.3 V的范圍內。運算放大器U10B和U10C構成電平極性轉換電路,主要作用是把雙極性信號按比例轉換成單極性信號。由R13和C5構成的RC低通濾波器,目的是濾除交流輸入電流中的開關頻率中的高次諧波信號,兩個二極管VD1和VD2為鉗位二極管。

圖8 電流檢測和調理電路

2.3 故障和保護電路設計

在感應加熱電磁爐工作過程中,如果由于外部原因,如電網波動,或者內部原因,如控制回路和驅動電路誤動作造成輸出電路短路,此時電路會流過大電流,從而會損壞開關器件IGBT。由于電流變化快,而且開關器件承受高壓和高電流,在保護電路中需要設計具有快速檢測出過流的電路。具體設計運用2SD315A自身檢測和檢測直流母線的雙重保護方法。并在故障發生的時候,采用軟件和硬件同步保護的方法[8],故障檢測原理圖如圖9所示。

圖9 故障和保護電路

3 軟件程序設計

數字控制感應加熱電磁爐的軟件設計主要由主程序和各類功能實現程序構成。由于需要實現的功能眾多,邏輯關系復雜,因此采取目前通用的模塊化的程序設計方法,將獨立的功能設計為程序模塊[9-10],例如軟件鎖相環(SPLL)、A/D轉換、485通訊、鍵盤采樣,顯示、故障中斷處理等。熱電源系統主程序流程圖如圖10所示。

圖10 主程序流程圖

4 實驗結果及分析

數字控制感應加熱電磁爐的技術指標如下:輸入電壓三相380 V,輸出功率15 kW,系統效率為85%。為了驗證理論分析的正確性,制做了實物,并給出了實驗波形,其中圖11為零電流開關狀態下的電流和電壓波形圖,圖12為諧振電流和反饋電壓波形。從圖11可以看出電流為正弦波形,電壓波形為矩形波,而且電壓相位超前與電流相位,說明半橋電路工作頻率高于諧振頻率,變換器工作在阻感性負載狀態。此時可以使電路工作在零電壓開通狀態,可以降低開關損耗,提升系統效率。

圖11 零電流開關電壓和電流波形

圖12 諧振電流和反饋電壓波形

5 結論

本文詳細的介紹大功率數字控制感應加熱電磁爐主電路半橋諧振變換器的工作原理,并重點闡述其控制電路的設計,最后制作了實驗機并給出了實驗結果。采用DSP數字控制,能夠使感應加熱電磁爐體積更小,更容易升級和維護,值得推廣。

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The Design of Digital Control Induction Heating Cooker*

WUYuefen*,ZHANGGe,WANLi,ZHOUJiawei,FENGCaiying

(School of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang Hu’nan 404006,China)

A high power and induction heating cooker is designed based on DSP digital controlling,and the system uses DSP as control core. The main circuit adopts a half-bridge resonant inverter circuit,and the peripheral circuit includes the over-current circuit,the over-voltage circuit,the under-voltage circuit,and the protection circuits for power and fault alarm,etc. The working principle of the half-bridge resonant inverter circuit is analyzed in detail,and the work load in works conditions in the perceptual,capacitive and resistive circuit are given,and the circuit works in the Inductive state to make sure that the main circuit is safe and reliable. At last the paper makes a prototype and gives the experimental results,and the experimental results validate the correctness of theoretical analysis.

induction heating;digital control;automatic protection;modular design

項目來源:湖南省教育廳一般項目(16C0718)

2016-03-17 修改日期:2016-05-10

C:5140

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.048

TM46

A

1005-9490(2017)02-0506-05