一種新型大功率感應(yīng)加熱系統(tǒng)研究

沈佳明，黃海波

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰 442000)

0 引言

感應(yīng)加熱作為如今金屬加工行業(yè)最流行的處理方式之一，以其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、快捷的特性為大多數(shù)工廠所采用.對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化的感應(yīng)加熱系統(tǒng)而言，不僅僅包括核心的電源控制器，還包括輔助工件進(jìn)出的機(jī)械部分、運(yùn)送工件的輥道、水冷系統(tǒng)、電氣控制柜、感應(yīng)加熱爐等[1-2].作為交叉學(xué)科的工業(yè)產(chǎn)品，我國(guó)的現(xiàn)有技術(shù)還有廣闊的進(jìn)步空間.

通常感應(yīng)加熱系統(tǒng)分為整流部分，將電網(wǎng)輸入的三相交流電經(jīng)過(guò)整流濾波作為逆變部分的直流源；逆變部分，將直流電轉(zhuǎn)化為特定頻率的交流電；負(fù)載匹配部分，通過(guò)諧振電路，在感應(yīng)加熱爐中利用渦流對(duì)工件加熱.相比傳統(tǒng)加熱方式，感應(yīng)加熱的主要優(yōu)勢(shì)如下：

(1)加熱速度快；

(2)設(shè)備操作簡(jiǎn)單，體積??；

(3)清潔、節(jié)能、無(wú)灰塵.

我國(guó)感應(yīng)加熱技術(shù)起步較晚.目前，感應(yīng)加熱電源依然存在電能轉(zhuǎn)換效率低、設(shè)備單位體積功率密度低、磁場(chǎng)干擾太強(qiáng)等缺點(diǎn)，因此亟需研發(fā)一套能夠相對(duì)的填補(bǔ)以上不足、電路拓?fù)湎鄬?duì)簡(jiǎn)單、功率控制方便的新型電源.自從晶閘管問(wèn)世，逆變電源的發(fā)展迅速進(jìn)入快車道，感應(yīng)加熱技術(shù)也在多方面得到了空前的突破.如今，感應(yīng)加熱電源一方面正朝著半導(dǎo)體新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、新工藝的應(yīng)用發(fā)展，另一方面朝著系統(tǒng)容量、高效、智能化的趨勢(shì)發(fā)展.

1 感應(yīng)加熱系統(tǒng)主回路分析

1.1 感應(yīng)加熱電源結(jié)構(gòu)

感應(yīng)加熱電源結(jié)構(gòu)如圖1所示，感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致由整流裝置、濾波裝置、逆變器、負(fù)載回路、控制器這五個(gè)部分組成[3-4].首先系統(tǒng)接入三相交流電，經(jīng)整流裝置得到穩(wěn)定的直流電源，在整流部分可以采用可控整流或不可控整流.而濾波裝置則是采用平波電抗器和母線儲(chǔ)能電容進(jìn)行濾波，用來(lái)平滑電網(wǎng)電壓頻繁波動(dòng)引起的電流沖擊和電壓毛刺，保證了直流電源穩(wěn)定的輸入到逆變器當(dāng)中.逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際的功率等級(jí)，還需要選擇合適的橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).諧振主回路可按照感應(yīng)線圈、補(bǔ)償電容、以及被加熱工件的拓?fù)浞绞讲煌譃榇?lián)諧振和并聯(lián)諧振[5-6].控制器則負(fù)責(zé)控制整流裝置和逆變器以及對(duì)兩者的保護(hù)，有效地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定.

圖1 感應(yīng)加熱電源結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of induction heating power supply

1.2 LLC型并聯(lián)加熱系統(tǒng)分析

目前傳統(tǒng)的LC串、并聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源仍存在許多問(wèn)題.串聯(lián)諧振逆變輸出需要匹配高頻變壓器，而且變壓器的效率不高，如何提高電源輸出功率將又是一大難題；在并聯(lián)諧振電路中，當(dāng)負(fù)載阻抗變化時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)因?yàn)橹C振頻率偏離諧振點(diǎn)而停止諧振.為此，本文采用LLC型負(fù)載拓?fù)渲C振方式替代LC諧振，從而彌補(bǔ)LC型電源中存在的不足.LLC型負(fù)載回路設(shè)計(jì)具有電流變換作用，而且還可以根據(jù)系統(tǒng)工作需求調(diào)整諧振頻率達(dá)到負(fù)載阻抗匹配的目的.這種結(jié)構(gòu)不僅去掉了原有的高頻變壓器，而且還使電路結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單穩(wěn)定，電源的效率也大大提升[7-8].其中該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Lr和R為感應(yīng)線圈與金屬工件的等效電路模型，C為補(bǔ)償電容，Ls為匹配電感.新型LLC加熱系統(tǒng)如圖2所示.

圖2 新型LLC型諧振負(fù)載主回路Fig.2 Main circuit of new LLC resonant load

LLC型諧振就是在并聯(lián)諧振負(fù)載回路的基礎(chǔ)上串聯(lián)一個(gè)匹配電感，使負(fù)載始終工作在弱感性，并且通過(guò)控制逆變器輸出電流的頻率改變諧振回路的狀態(tài)，從而達(dá)到負(fù)載匹配的目的.

本文研究的感應(yīng)加熱系統(tǒng)主電路，電源為AC690 V輸入，單區(qū)功率300 kW.主電路主要包括三相不控整流電路、RC預(yù)充電路、LC濾波電路、全橋逆變電路、吸收電路、以及負(fù)載匹配電路.在直流母線電壓比較高的系統(tǒng)中，一般要有預(yù)充電電路.當(dāng)電源接通瞬間，功率電路只有電抗器和濾波電容作為儲(chǔ)能器件，雖然電容上的電壓不會(huì)發(fā)生突變，但是此時(shí)電容兩端相當(dāng)于短路狀態(tài)，其兩端的電流會(huì)急劇變化，所以如果沒(méi)有預(yù)充電路，整流橋、濾波電容以及接觸器很可能會(huì)損壞.這里預(yù)充電路起到了限制電源接通瞬間對(duì)電容器充電電流突變的作用，從而達(dá)到保護(hù)主回路的目的.

1.3 信號(hào)采集電路

控制系統(tǒng)的采集電路是做閉環(huán)調(diào)節(jié)的重要組成部分，采集的精度、時(shí)延、準(zhǔn)確性都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài).在大電流高電壓的電氣柜里，電磁環(huán)境比較復(fù)雜，因此必須采用線性度好、抗干擾性強(qiáng)的互感器.采集電路也要經(jīng)過(guò)多級(jí)濾波處理，才能得到比較準(zhǔn)確的信號(hào).本文采集了交流電流幅值信號(hào)、交流電壓幅值信號(hào)、參考相位信號(hào)、直流電壓幅值信號(hào)以及直流電流幅值信號(hào)，并且在采集電路的基礎(chǔ)上添加了過(guò)流脈沖觸發(fā)信號(hào)和過(guò)壓脈沖觸發(fā)信號(hào)，其主要作用是檢測(cè)逆變器輸出的電流和電壓幅值是否在安全的工作范圍內(nèi)[9].

1.4 主控電路設(shè)計(jì)

主控制電路就是DSP分區(qū)控制器.DSP分區(qū)控制器中包含了采集板和控制板，采集板負(fù)責(zé)把互感器采集到的模擬量信息通過(guò)電路的處理轉(zhuǎn)化為處理器能夠識(shí)別的信號(hào)；而控制板主要包括了主控芯片及外圍電路、CPLD故障處理電路、485通信電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、隔離電路以及預(yù)留的I/O等.DSP控制器電路如圖3所示.

圖3 DSP分區(qū)控制器電路Fig.3 DSP partition controller circuit

選擇處理器時(shí)考慮浮點(diǎn)運(yùn)算能力及生成SPWM信號(hào)等要求，選用TMS320F28335處理器.另外，在處理過(guò)流和過(guò)壓以及IGBT故障時(shí)，為了不占用DSP中斷資源，降低其運(yùn)算速度，選用EPM570T100C5N這款CPLD芯片進(jìn)行硬件故障處理，其不僅擴(kuò)展了主控的I/O，成本低、抗干擾性強(qiáng)，而且相比于軟件保護(hù)，它更具有良好的實(shí)時(shí)性.另一方面采用軟硬件雙處理器模式，不僅在處理事件上提高了速度，而且還極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性.

2 新型感應(yīng)加熱系統(tǒng)控制策略

在確定采用三階LLC型負(fù)載匹配后，通過(guò)硬件平臺(tái)在控制策略和軟件流程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的穩(wěn)定，其主程序流程如圖4所示.

2.1 采集程序

感應(yīng)加熱電源在工作過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制數(shù)據(jù)采集必不可少，在此系統(tǒng)中包含電流、電壓采集程序，相位采集程序及故障中斷程序.

2.1.1 電流、電壓采集程序 在實(shí)際采集過(guò)程中，為了獲得比較準(zhǔn)確的采集值，不僅僅硬件電路要對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波操作，同樣在軟件算法里也要進(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)行中值和均值濾波.設(shè)計(jì)的電流、電壓采樣程序流程如圖5所示.

2.1.2 相位采集程序 采集交流電流和交流電壓的相位信息，通過(guò)采集電路把正弦信號(hào)變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)送到CPLD的I/O，然后CPLD的采集模塊只需要檢測(cè)方波信號(hào)的上升沿就可以計(jì)算出相位差的大小，并且通過(guò)使用標(biāo)志位的0和1表示電流與電壓相位的超前與滯后，最后一起傳輸?shù)紻SP控制器計(jì)算出功率因數(shù).相位采集流程如圖6所示.

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart圖5 電流、電壓采樣流程圖Fig.5 Current and voltage sampling flow chart圖6 相位采集流程圖Fig.6 Flow chart of phase acquisition

2.1.3 故障中斷程序 系統(tǒng)在工作過(guò)程中由于工廠噪聲、灰塵、震動(dòng)等不可避免的會(huì)發(fā)生故障，目前系統(tǒng)設(shè)置的故障措施信號(hào)有逆變輸出過(guò)流和過(guò)壓、IGBT過(guò)溫、IGBT故障、散熱系統(tǒng)欠壓等.如果系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，一般會(huì)通過(guò)檢測(cè)故障信號(hào)是否存在電平逆轉(zhuǎn)和故障脈沖生成，而這些故障信號(hào)最終都是通過(guò)CPLD實(shí)現(xiàn)硬件封鎖.中斷程序設(shè)計(jì)如圖7所示.

2.2 其他控制策略

為保證加熱過(guò)程工具不回溫，此系統(tǒng)還包含電流同相控制策略以解決多區(qū)并聯(lián)協(xié)同加熱帶來(lái)的磁場(chǎng)影響，以及溫度功率閉環(huán)控制策略，如圖8所示.在此系統(tǒng)中加熱過(guò)程可分為兩部分，低溫階段20～800 ℃和高溫階段800～1 200 ℃.為了使加熱工件能夠達(dá)到擠壓所需溫度，通過(guò)溫度傳感器采集工件的表皮溫度，然后與設(shè)定溫度之間計(jì)算差值，此時(shí)PLC控制器根據(jù)差值的大小向DSP控制器發(fā)送調(diào)整輸出電流增大或者減小的指令，直到加熱完成，最終達(dá)到快速、高效、均溫的加熱目的.

圖7 故障中斷流程圖Fig.7 Fault interruption flow chart圖8 溫度功率閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of temperature power closed-loop control

3 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，使用MATLAB/Simulink里的SimPowerSystems模塊庫(kù)[10-11].通過(guò)仿真結(jié)果來(lái)說(shuō)明本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性.電源系統(tǒng)的整體模型如圖9所示.

圖9 電源系統(tǒng)的整體模型Fig.9 Overall model of power system

首先輸入AC690 V，50 Hz三相交流電，經(jīng)過(guò)三相不控整流模塊進(jìn)行整流，然后在整流和逆變器母線之間增加預(yù)充電回路，防止接通電源瞬間，18 mF儲(chǔ)能電容的電壓幅值瞬間發(fā)生突變，導(dǎo)致其損壞.因此在啟動(dòng)控制之前，必須把儲(chǔ)能電容的電壓穩(wěn)定在970 V左右，再接入直流母線中.直流母線電壓如圖10所示，母線電壓經(jīng)由AC690 V整流得到，0～0.2 s左右為預(yù)充，0.21～0.23 s左右為接通主回路熔斷器，其主要目的也是防止主回路接通瞬間電流過(guò)大對(duì)回路器件造成損壞.

圖10 母線電壓波形圖Fig.10 Bus voltage waveform

3.1 控制電路仿真與分析

控制電路根據(jù)SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成原理，采用6 kHz雙極性三角載波與50 Hz正弦調(diào)制波比較得到，搭建了仿真模型.在系統(tǒng)的閉環(huán)控制中，利用設(shè)定電流與逆變輸出電流的差值，進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后計(jì)算出合適的調(diào)制度MD值，并對(duì)MD值進(jìn)行幅值上的限定，最終把調(diào)制度的值作為調(diào)制波的幅值，倘若逆變輸出電流發(fā)生變化，調(diào)制度也會(huì)因此變大或者減小，從而系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)也會(huì)有所改變，完成閉環(huán)控制過(guò)程.在Simulink中通過(guò)示波器觀測(cè)搭建的SPWM生成模塊輸出驅(qū)動(dòng)波形.

在電流閉環(huán)仿真控制中，由于系統(tǒng)開(kāi)始輸出的電流很小，無(wú)法快速達(dá)到設(shè)定值，此時(shí)進(jìn)入PID調(diào)節(jié)，閉環(huán)電流振蕩很大，不利于控制，因此采用先開(kāi)環(huán)和后閉環(huán)相結(jié)合的方式調(diào)節(jié)電流.設(shè)定100 A時(shí)，閉環(huán)電流值如圖11所示；設(shè)定150 A時(shí)，閉環(huán)電流值如圖12所示.上升部分是采用定步長(zhǎng)累加開(kāi)環(huán)調(diào)制度控制，當(dāng)實(shí)際電流達(dá)到設(shè)定值90%時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入PID調(diào)節(jié)，整個(gè)過(guò)程電流值非常穩(wěn)定，無(wú)較大抖動(dòng).

圖11 設(shè)定100 A時(shí),閉環(huán)電流值Fig.11 Closed loop current value when 100 A is set圖12 設(shè)定150 A時(shí),閉環(huán)電流值Fig.12 Closed loop current value when 150 A is set

3.3 逆變輸出電路仿真與分析

逆變器部分由四個(gè)IGBT模塊組成的全橋電路，并且由四路SPWM信號(hào)控制開(kāi)通與關(guān)斷.逆變電壓、電流波形如圖13所示.通道一為逆變輸出電壓，通道二為逆變輸出電流.此時(shí)電流為設(shè)定值100 A時(shí)的峰值，多次仿真對(duì)比分析得出，開(kāi)環(huán)和閉環(huán)相結(jié)合的電流閉環(huán)方式可以快速穩(wěn)定電流實(shí)際值.

3.4 并聯(lián)控制器樣機(jī)測(cè)試

根據(jù)研究，搭建了感應(yīng)加熱并聯(lián)控制器的硬件測(cè)試平臺(tái)，包括西門子Smart 200的PLC控制器、TMS320F28335主控制器、英飛凌2ED300C17-S的IGBT驅(qū)動(dòng)電路等，在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了多線圈并聯(lián)電流之間的同頻同相解耦算法、人機(jī)交互觸摸屏功能、故障邏輯保護(hù)以及小功率的負(fù)載加熱演示，為后續(xù)移植到工業(yè)系統(tǒng)中提供了有力的保障.并聯(lián)控制系統(tǒng)樣機(jī)如圖14展示.

圖13 電網(wǎng)電壓RMS(Ug=352 V)Fig.13 Grid voltage RMS (ug=352 V)圖14 并聯(lián)控制系統(tǒng)樣機(jī)Fig.14 Prototype of parallel control system

2ED300C17-S驅(qū)動(dòng)模塊Gate引腳輸出為幅值嚴(yán)格的±15 V方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，且開(kāi)關(guān)頻率為6 kHz.驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試主要是在弱電情況下檢驗(yàn)SPWM波形的相序和半橋信號(hào)之間存在足夠的死區(qū)時(shí)間，以及在IGBT故障情況下模塊可以自動(dòng)封鎖驅(qū)動(dòng)波形，通過(guò)多次測(cè)試驗(yàn)證得出，2ED300C17-S驅(qū)動(dòng)模塊滿足了逆變器驅(qū)動(dòng)的要求，而且驅(qū)動(dòng)波形平滑無(wú)電壓抖動(dòng)，保證了逆變器的安全.

圖15 逆變器輸出波形Fig.15 Inverter output waveform

逆變器輸出電流波形如圖15所示,實(shí)際測(cè)得逆變器輸出電流分別為：通道1為一區(qū)488 A/60 Hz，通道2為二區(qū)451 A/60 Hz，且兩區(qū)電流相位基本一致.對(duì)碳鋼工件加熱過(guò)程中，工件的導(dǎo)磁特性隨溫度的升高而逐漸降低，阻抗也慢慢從弱感性變?yōu)槿菪誀顟B(tài)，此時(shí)的功率因數(shù)較低，影響整個(gè)加熱的節(jié)奏.因此在DSP控制器里設(shè)計(jì)了基于功率因數(shù)自適應(yīng)變頻算法，匹配諧振負(fù)載，達(dá)到提高效率的目的.當(dāng)工件加熱到800 ℃以上，功率因數(shù)高達(dá)0.97.

4 結(jié)論

此系統(tǒng)初步達(dá)到預(yù)期加熱效果，創(chuàng)新之處在于加入了溫度閉環(huán)，使得整個(gè)加熱過(guò)程更加穩(wěn)定，成品率在工廠的幾次實(shí)驗(yàn)中較之前的加熱系統(tǒng)得以大大提升，但是若要保證研究效果還需長(zhǎng)時(shí)間工業(yè)化實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境與工廠差別不可忽視，此系統(tǒng)算法也需繼續(xù)優(yōu)化，在變頻過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)回溫，導(dǎo)致效率降低等情況.