并聯諧振感應加熱電源電路的設計與研究

阮景奎，周玉寧，何正龍

1.湖北汽車工業學院 湖北十堰 442002

2.十堰高周波科工貿有限公司 湖北十堰 442013

1 序言

感應加熱技術具有節能、加熱效率高、可控性強等優點，是先進的熱處理技術，在金屬工業領域得到廣泛應用[1]。

楊玉崗等[2]提出一種LCLC諧振變換器，在變壓器的一次側并聯一個LC支路，有效保證LLC型諧振高效率的同時，實現諧振變換器的對稱雙向運行；余功成等[3]提出了采用IGBT和逆變橋雙重并聯的擴容方法，有效地提高了大功率并聯諧振型感應加熱電源的穩定性和功率密度；JONATHAN ZERAD等[4]根據感應加熱負載非線性的特性，設計了非線性控制器用于頻率跟蹤。近年來的研究表明，改進電路結構，是提高感應加熱電源效率和性能的主要途徑。

風電軸承是一種特殊的零件，其自身半徑大、使用工況條件惡劣，對于軸承本身需具有良好的密封性、潤滑性、耐沖擊和可靠性，而感應加熱技術正是優化該類產品工藝、提高表面質量的關鍵所在。本文結合風電海裝高精軸承感應熱處理，進行45kW的并聯諧振感應加熱電源電路設計，研究了電源電路的關鍵技術，為感應加熱技術的發展助力。

2 電源電路設計

2.1 電源結構

感應加熱系統由整流、濾波、逆變、負載以及控制電路等構成。整流系統經濾波后產生直流電壓，通過逆變控制電路控制，把直流電壓再按一定頻率轉換為交流電壓，提供給負載，整個過程形成了經典的 AC/DC/AC 變換形式[5]。感應加熱電源的基本結構組成如圖1所示。

圖1 感應加熱電源的基本結構組成

2.2 諧振模型分析

感應加熱電源諧振電路一般包括：串聯諧振電路、并聯諧振電路、串并聯混合電路。相較于其他兩種諧振電路，并聯諧振電路可以空載運行，由于直流側串聯大電感，當發生過流或短路時，拓撲本身具有一定的保護能力，因此采用二階RLC并聯諧振電路作為研究對象。

并聯諧振電路由電阻、電容、電感并聯組成。諧振時，電壓、電流同相位，電源只提供電阻所需要的有功功率。并聯諧振等效電路如圖2所示。

圖2 并聯諧振等效電路

假設交流電源E為理想電源，則負載總阻抗為

式中Z——負載總阻抗（Ω）；

R——電阻（Ω）；

L——電感（H）；

C——電容（F）。

當諧振發生時，阻抗的虛部為0，即

對于式（2），通常情況下等效電阻R很小，可忽略其對角頻率ω0的影響，因此有

此時諧振電路總阻抗Z0為

式中Q——品質因素。

總電流I0為

綜上分析可得，諧振發生時，負載總阻抗很大，總電流卻小于各支路電流，故并聯諧振又稱為電流諧振。對于總阻抗Z0，可通過電阻、電容、電感進行調節，這就使負載匹配更加靈活、適應性更強。

2.3 電路設計

對用于直徑4m滾道熱處理的感應加熱電源，設計了一種基于并聯諧振電路的仿真模型。主回路中采用三相晶閘管整流，輸入電源為 380V/50Hz 交流電，主要包含三相全橋相控整流部分，直流輸出濾波采用大功率電感濾波，逆變橋開關管采用4個IGBT器件構成全橋理想模型，以及RLC并聯諧振電路和控制電路。感應加熱系統電源電路結構如圖3所示，其中線路上的方點為各元器件接點。

圖3 感應加熱系統電源電路結構

3 控制策略設計

3.1 神經網絡PID控制

以傳統增量式PID算法為基礎，結合神經網絡的快速自適應學習能力，設計一種神經網絡PID算法，通過實際與給定條件間的誤差反饋補償，從而實現自整定控制。神經網絡PID控制系統結構如圖4所示。

圖4 神經網絡PID控制系統結構

傳統PID算法增量表達式為

式中u(k) ——k時刻控制量；

e(k) ——k時刻反饋誤差量；

kp——比例系數；

ki——積分系數；

kd——微分系數。

對于神經網絡PID控制系統，將式（7）中的kp、ki、kd視為可變參數，并且與系統狀態間呈非線性關系，此時利用神經網絡算法進行訓練和學習，快速找到系統控制規律，確定當前時刻kp、ki、kd最佳值，式（7）可描述為

離散化的控制器控制算法如下。

Step1：令k＝1，即當前時刻為1，確定網絡結構及參數。

Step2：計算k時刻采樣誤差e(k)＝r(k)－y(k)。

Step3：計算各層神經元的輸入、輸出，確定kp、ki、kd。

Step4：計算確定參數kp、ki、kd下的PID控制器輸出u(k)。

Step5：進行神經網絡學習，實現kp、ki、kd自整定調節。

Step6：判斷誤差e(k）是否滿足要求，若不滿足k＝k＋1，則跳轉至Step2進行下一輪循環；若滿足，則停止迭代。

以同一被控對象G(s)＝1/(20s＋1) 為例，傳統PID和神經網絡PID控制系統階躍響應曲線對比如圖5所示。

圖5 傳統PID和神經網絡PID控制系統角階躍響應曲線

由圖5可以看出，使用神經網絡PID控制器的系統出現誤差時反應速度更快，有效減少了靜態誤差，且系統的穩態性能得到了改善。

3.2 功率調節

整流器采用三相全控整流方案，控制器采用神經網絡PID功率反饋調節策略，三相全控整流方案原理如圖6所示。由于整流器的輸出電壓脈動幅度較大，利用濾波器過濾掉交流成分，完成AC/DC轉換，從而保證逆變器輸入端為直流電。

圖6 三相全控整流方案原理

三相橋式全控整流電路的輸出電壓為

式中Ud——直流電壓平均值（V）；

U2——相電壓有效值（V）；

α——觸發移相角（rad）。

當全控制晶閘管整流橋觸發移相角α改變時，整流器輸出的直流電壓平均值是可以控制的，從而可以控制輸出功率大小。通過采樣電流和電壓作為反饋信號，計算給定功率與實際功率誤差，利用神經網絡PID進行自整定調節，可以得到新的相控角α，進而保證穩定的輸出功率[6]。

4 仿真與驗證

按照圖3感應加熱系統電源電路原理圖搭建MATLAB模型進行仿真驗證，輸入電壓380V，輸出功率45kW，其他電路元件參數見表1。

表1 感應加熱系統電源電路參數

經試驗得到負載端電流、電壓、輸出功率波形，如圖7～圖9所示。

由圖7、圖8可知，負載電壓為正弦波、電流為方波，直流側相當于電流源，符合并聯諧振電路特點，且無雜波，輸出電壓、電流穩定。

圖7 負載電流波形

圖8 負載電壓波形

由圖9可知，感應電源輸出功率穩定在45kW，符合最初設計要求。

圖9 輸出功率波形

5 結束語

為實現設備工作高效運行，降低無功損耗，對并聯諧振感應加熱電源結構及電路進行了理論分析。通過電壓、電流采樣，使用神經網絡PID算法，將給定功率與實際功率進行比對，實現閉環反饋。通過調節移相角α，改變直流側電壓值，從而達到功率調節的目的。最后利用MATLAB SimuLation進行仿真驗證，結果表明感應加熱電源電路輸出電壓、電流及功率穩定，符合最初設計要求。