一種快速起振中頻電源的研究

段建民，吳雨川*, ，周國鵬,

（1. 武漢紡織大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2. 三峽大學(xué) 水電機械設(shè)備設(shè)計與維護湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002）

傳統(tǒng)的中頻電源多采用掃頻觸發(fā)工作方式[1]，當(dāng)掃頻輸出信號頻率和負載諧振頻率相等時，系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，再經(jīng)鎖頻電路保持諧振頻率輸出，進而起動成功，并在負載變動不大的情況下維持穩(wěn)定運行[2]。這種中頻電源電路普遍存在以下問題：（1）需要提供掃頻信號，且該信號頻率范圍需要包含諧振頻率，否則就需要調(diào)整掃頻信號范圍，一般通過反復(fù)設(shè)定才能成功起振；（2）傳統(tǒng)技術(shù)多采用鎖頻技術(shù)以穩(wěn)定諧振頻率，一旦負載變化導(dǎo)致參數(shù)變化較大，就會鎖頻不成功，導(dǎo)致電源工作中途停振，需要重新掃頻起振；（3）傳統(tǒng)技術(shù)采用的掃頻和鎖頻電路相對復(fù)雜，不易維護。

針對上述問題，本文提出了一種快速起振中頻電源電路，能夠一次起振并自動跟蹤負載頻率變化，從而有效避免電源停振失控，即使當(dāng)負載參數(shù)變化幅度較大時也可以穩(wěn)定工作，且結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。

1 主電路工作原理與分析

本研究采用半橋串聯(lián)諧振逆變電路作為主電路[3]，并利用在續(xù)流電路中增加的電流互感器作為傳感元件獲得電路中續(xù)流電流的過零變化情況，捕捉負載固有頻率，進而通過諧振電路控制晶閘管導(dǎo)通，實現(xiàn)以諧振頻率起振并維持工作，主電路結(jié)構(gòu)拓撲圖如下圖1 所示。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)拓撲圖

上圖中主電路主要包括：（1）三相交流供電整流后經(jīng)濾波電容C0 和電感L0 得到直流電作用于半橋串聯(lián)諧振逆變電路，設(shè)定電源電壓Ud 為1200V；（2）諧振電容C1=C2=C，用于與負載一起工作產(chǎn)生諧振；（3）晶閘管VT1、VT2，用于逆變直流，每個晶閘管分別導(dǎo)通小半個周期；（4）續(xù)流二級管D1、D2，其上通過的電流為續(xù)流電流；（5）負載主電路（其中R 為負載等效電阻，L 為負載等效電感），其阻抗隨熔煉過程會發(fā)生一定幅度的變化；（6）電流互感器LT1 和LT2，用于感知流經(jīng)續(xù)流二極管上的續(xù)流電流變化并將感應(yīng)到的信號送給諧振電路。

起振時，由諧振電路發(fā)出一個起振觸發(fā)脈沖使晶閘管VT1 先導(dǎo)通，此時VT2 無觸發(fā)脈沖保持截止，二極管D1 和D2 均為反向偏置故截止，忽略VT1 的導(dǎo)通電阻后，可以將主電路簡化為圖2 電路。

當(dāng)晶閘管VT1 導(dǎo)通時可以視為t=0時刻引入了一個幅值為Ud的階躍信號，因為電容C1 和C2 上有初始電壓Ud/2，所以此時電路響應(yīng)為二階全響應(yīng)。此時電路的全響應(yīng)可以看成是兩部分構(gòu)成的：一部分是由C1 與負載R 和電感L 構(gòu)成的放電電路，一部分是由負載R、電感L 和C2 構(gòu)成的充電電路。

圖2 VT1 導(dǎo)通、VT2 截止時的電路拓撲圖

1.1 計算二階零輸入響應(yīng)

可以看出主電流的波形為衰減的正弦形式。

1.2 計算二階零狀態(tài)響應(yīng)

上面的計算結(jié)果表明圖2 中的充電電路在VT1 導(dǎo)通、VT2 無觸發(fā)脈沖保持截止，輸入階躍激勵的零狀態(tài)響應(yīng)結(jié)果，即電容電壓uC2的充電過程是衰減的自由正弦振蕩。

本設(shè)計在二極管D1 和D2 的支路當(dāng)中加入了電流互感器LT1 和LT2。當(dāng)VT1 導(dǎo)通時，電容C2 上電壓持續(xù)增加，直至峰值UC2=UC2m=3Ud/2，此時VT1 截止，但VT2 并未控制導(dǎo)通，電路進入續(xù)流狀態(tài)，變?yōu)橛蒀1 經(jīng)負載與LT1 和D1 反向放電，C2 經(jīng)負載與LT1 和D1 放電，此時如果電路中沒有接入電流互感器LT1，因為電路參數(shù)相同，則負載上的電流波形應(yīng)該和VT1 導(dǎo)通時相同，但是因為受到電流互感器LT1 的互感影響，電路的阻抗值發(fā)生了變化，輸出電流變得更為平滑；當(dāng)電流互感器LT1檢測到D1 上的電流過零時，取樣得到的信號經(jīng)諧振電路輸出觸發(fā)脈沖觸發(fā)VT2 導(dǎo)通，反方向重復(fù)VT1 導(dǎo)通時的工作狀態(tài)，直至電流互感器LT2檢測到D1 上的電流過零，再次觸發(fā)VT1 導(dǎo)通，如此循環(huán)不斷，輸出一個頻率穩(wěn)定的中頻電源信號。負載上的電流工作波形圖如下圖3 所示。

顯然，改變VT1 和VT2 導(dǎo)通角就可以改變逆變電源振蕩頻率，改變負載上電流導(dǎo)通時間，進而改變電源輸出功率。

圖3 負載上的電流波形圖

2 諧振電路工作原理與分析

諧振電路用于自動撲捉負載諧振頻率，并使系統(tǒng)在諧振狀態(tài)下穩(wěn)定運行。電路原理方框圖如圖4 所示。

圖4 諧振電路原理方框圖

2.1 起振過程分析

起振初始，因為主電流為零，不存在過流現(xiàn)象，故過流判斷單元5 輸入為低電平0，起振電路中的整形單元輸出信號可以無阻塞進入脈沖成型單元。

起振時，起振單元4 的信號輸出端與第一整形單元的信號輸入端相連接，起振單元向第一整形單元發(fā)出起振方波信號后，經(jīng)第一整形單元11 向第一與非門輸出起振方波，反相后的方波信號再進入脈沖成型單元，將輸出方波上升沿處理為單脈沖，再經(jīng)功率放大后進入晶閘管控制器，輸出脈沖接入到晶閘管VT1的門極G1，VT1 此時承受正向壓降，當(dāng)觸發(fā)脈沖加入門極G1 則VT1 導(dǎo)通，負載上流過電流，電路中的電流電壓變化，此時如上述主電路描述；當(dāng)D1 上續(xù)流電流過零，此電流變化由電流互感器LT1 取樣后輸入第二整形單元，經(jīng)第二整形單元21 整形為方波，并輸入第二與非門，反相后的方波進入脈沖成型單元，將方波上升沿處理為單脈沖，再經(jīng)功率放大后進入晶閘管控制器，輸出脈沖接入到晶閘管VT2 的門極G2，VT2 此時承受正向壓降，當(dāng)觸發(fā)脈沖加入門極G2 則VT2 導(dǎo)通，負載上流過反向電流；當(dāng)D2 上續(xù)流電流過零，電流變化由電流互感器LT2 取樣后輸入第一整形單元，整形為方波后再次用于產(chǎn)生觸發(fā)VT1 導(dǎo)通的控制脈沖，如此反復(fù)工作，電路進入振蕩狀態(tài)，即一次起振成功。

2.2 維持振蕩分析

如上述起振后，電路進入振蕩狀態(tài)。當(dāng)物料從固態(tài)到熔融的過程中，物料的電學(xué)性質(zhì)將會有變化，體現(xiàn)為負載阻抗會有變化，該變化會導(dǎo)致電路諧振頻率的偏移。對于采用掃頻跟蹤方式維持諧振狀態(tài)的中頻電源而言，當(dāng)負載阻抗變化較大以致諧振頻率超出設(shè)定諧振頻率范圍就會導(dǎo)致中頻電源失諧停振。

本設(shè)計當(dāng)負載阻抗變化時，因為不是采用掃頻跟蹤的工作方式，而是通過電流互感器實時跟蹤續(xù)流電路電流過零狀態(tài)，而續(xù)流電流的波形變化情況是和負載電路的阻抗值相關(guān)的，所以理論上無論主電路負載阻抗如何變化都可以準(zhǔn)確輸出晶閘管觸發(fā)信號，維持電路穩(wěn)定工作。當(dāng)起振成功后，諧振電路可以輪流輸出穩(wěn)定的觸發(fā)脈沖維持中頻電源電路工作。

2.3 過流判斷分析

過流判斷單元的信號輸出端與非門的信號輸入端相連接，本設(shè)計設(shè)定當(dāng)負載電流信號i 大于負載電路的額定電流的1.1-1.5 倍時，判斷電流信號過載，此時過流判斷單元發(fā)出高電平信號，經(jīng)反相電路變化為低電平信號，此低電平信號分別于第一、第二整形單元輸出的方波信號相與后反相，因為任何信號與低電平信號相與，輸出均為低電平信號，所以第一與非門與第二與非門的信號輸出端均輸出高電平信號，相當(dāng)于阻塞了第一、第二脈沖成型單元的輸入，脈沖成型單元無法得到有效輸入，故而無法產(chǎn)生有效脈沖輸出，導(dǎo)致VT1 與VT2 均無法獲得有效門極控制脈沖，相當(dāng)于截斷第一晶閘管VT1 或第二晶閘管VT2 的下一次導(dǎo)通；當(dāng)負載電流信號i 小于負載電路的額定電流的1.1-1.5 倍時，判斷電流信號正常，過流判斷單元發(fā)出低電平信號，反向后變?yōu)楦唠娖叫盘枺挥绊懪c非門輸出，控制電路正常工作。

圖5 為圖4 中各單元輸出信號的時序圖。

圖5 諧振電路各單元輸出時序圖

圖6 為諧振電路圖4 的實際電路圖。

通過上述主電路與快速起振/維持電路工作原理的分析，可以看出本設(shè)計電源啟動時無需掃頻即可以產(chǎn)生有效觸發(fā)信號，能夠一次起振成功。又因為本設(shè)計并不依賴負載電路的參數(shù)進行定頻工作，也就不需要鎖頻。而且當(dāng)負載參數(shù)變化時，只要續(xù)流二極管D1、D2 支路上的電流互感器LT1、LT2 能夠有效采樣續(xù)流電流過零變化就能夠經(jīng)控制電路產(chǎn)生VT1、VT2 有效觸發(fā)脈沖，從而維持電路振蕩工作，所以本設(shè)計可以滿足快速起振/維持中頻電源的要求。

圖6 諧振電路原理圖

3 結(jié)論

本中頻電源電路利用快速起振電路直接提供起振信號觸發(fā)晶閘管起振，再利用電流互感器取樣續(xù)流電流信號id1和id2的過零變化，進而根據(jù)其變化分別控制晶閘管VT1 和VT2 的導(dǎo)通從而實現(xiàn)持續(xù)振蕩；同時當(dāng)負載電路的阻抗變化導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生漂移時，由于設(shè)計實時跟蹤續(xù)流電路電流過零變化，控制電路輸出的控制信號頻率隨著負載電路諧振頻率的變化而變化，避免了電路停振失控情況的發(fā)生，所以本電路是一種可以快速起振/維持并自動跟蹤頻率變化的中頻電源電路。