1、高頻串聯(lián)型逆變器控制技術(shù)研究        摘要：分析了目前被普遍應用的串聯(lián)型逆變器鎖頻鎖相方法在實現(xiàn)逆 變 器工作狀態(tài)控制時的優(yōu)缺點，提出了一種復合鎖頻鎖相方法，實現(xiàn)了定角控制，利用Matlab /Simulink進行了建模、仿真，仿真結(jié)果驗證了復合鎖頻鎖相方法的正確性和有效性。關鍵詞：串聯(lián)型逆變器；鎖頻鎖相；定角控制；相位補償 串聯(lián)型固態(tài)感應加熱電源因其起動容易、易高頻化的優(yōu)點在高頻感應加熱領域被廣泛應用 。為保證逆變器安全工作并提高工作效率，串聯(lián)型逆變器一般工作在感性準諧振狀態(tài)。目前 廣泛應用的串聯(lián)型逆變器鎖

2、頻鎖相方法雖然可以實現(xiàn)逆變器感性工作狀態(tài)控制，但是負載功 率因數(shù)角隨負載參數(shù)變化，不能實現(xiàn)定角控制,影響逆變器安全、穩(wěn)定、高效地運行。所謂 定角控制是指在逆變器運行過程中保持功率因數(shù)角恒定，且不受負載參數(shù)變化影響，從而確 保逆變電源安全、穩(wěn)定、高效地工作。本文從定角控制角度對串聯(lián)型逆變器鎖頻鎖相方法進 行研究，提出一種復合鎖頻鎖相方法，實現(xiàn)了定角控制。 1鎖頻鎖相控制方法1.1鎖頻鎖相控制方法分析逆變器鎖頻鎖相控制方法一般采用鎖相環(huán)PLL電路。他主要由鑒相器PD、壓控振蕩器VCO和外 接低通濾波器LPF組成。鎖相環(huán)是一個相位誤差控制系統(tǒng)，他通過比較輸入信號（控制信號 ）和壓控振蕩器輸出信號（被

3、控制信號）之間的相位差來調(diào)節(jié)其輸出頻率，從而達到鎖相環(huán) 路輸入輸出信號同頻的目的。如果鑒相器和濾波參數(shù)選擇適當，鎖相環(huán)還可以實現(xiàn)無相差鎖 頻。串聯(lián)型逆變器鎖頻鎖相控制采用鎖相環(huán)的目的是利用鎖相環(huán)頻率自動跟蹤功能實現(xiàn)對負 載電壓、電流的頻率和相位關系的控制，使逆變器工作在感性準諧振狀態(tài)。鎖頻鎖相控制系 統(tǒng)框圖如圖1所示。串聯(lián)型逆變器鎖頻鎖相電路的輸入信號一般取表示負載諧振頻率、相位的負載電流信號I H。壓控振蕩器的輸出信號Vf經(jīng)過死區(qū)形成電路和隔離驅(qū)動電路后，通過控制功 率開關器件的開通與掛斷來控制負載電壓的頻率與相位，使負載電壓的頻率和相位隨負載 電流的頻率和相位變化。由于電流采樣、隔離驅(qū)動、

4、逆變功率開關器件的開通與掛斷都需要 時間，導致鎖相環(huán)輸入輸出信號的相位關系并不代表負載電壓電流的相位關系，需加入相位 補償環(huán)節(jié)，分析如圖2所示。 IH為主電路中負載電流波形，IH1為由電流互感器取出的負載電流信號，由于電 流互感器原邊與副邊信號間存在延時t1，則 IH1滯后IH的時間為t 1。從壓控振蕩器輸出到功率開關器件開通，延時為t2，則UH滯后Vf的時間 為t2。鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)即Iin與Vf同頻同相時，若不加入相位補償環(huán) 節(jié)， 即則負載電壓滯后負載電流的時間為t1t2，相位差 f×(t1t2）×360°。可見，由于延時的存在，鎖定狀態(tài)下逆變器工 作在容性不安

5、全狀態(tài)。為彌補因控制信號延時引起的控制偏差，鎖頻鎖相控制電路一般加入 相位補償環(huán)節(jié)，當相位補償環(huán)節(jié)完全補償控制電路信號延時，即補償時間tt 1t2時，鎖相環(huán)輸入輸出信號的相位關系等于負載電壓電流的相位關系，鎖相 環(huán)鎖定狀態(tài)下負載功率因數(shù)角為0。為避免因負載參數(shù)變化使逆變器工作狀態(tài)偏移到容性不 安全狀態(tài)，一般控制逆變器工作在感性準諧振狀態(tài)，實現(xiàn)方法是在相位補償電路完全補償控 制信號延時t1t2基礎上加入額外補償時間t3，即相位補償環(huán)節(jié) 總延時為tt1t2t3，使得鎖定狀態(tài)下逆變器負載電 壓相位超前負載電流t3，負載功率因數(shù)角f×t3×360°，從而保 證了逆變器工作

6、在感性狀態(tài)。 1.2鎖頻鎖相方法存在的弊端感應加熱負載為導磁材料時，其導磁率與磁場強度和溫度有關。當磁場強度一定時，導磁率 隨溫度升高而下降，且在居里點附近變化劇烈。負載從冷態(tài)被加熱到熱態(tài)過程中，磁性材料 負載的導磁率下降引起負載與線圈耦合電感減小、負載諧振頻率上升。鎖頻鎖相方法中反饋 回路相位補償環(huán)節(jié)固定延時t3雖可使逆變器工作在感性狀態(tài)，但負載頻率變化時， 由t3所形成的負載功率因數(shù)角（f×t3×360°）將隨之變化 ，頻率上升、功率因數(shù)角增加、頻率下降、功率因數(shù)角減小。若相位補償電路補償時間按頻 率較低時設定，則負載諧振頻率升高后會引起負載功率因數(shù)角增加、逆

7、變器效率降低。若補 償時間按負載諧振頻率較高時設定，則負載諧振頻率低時負載功率因數(shù)角較小，逆變器安全 性降低。 綜上所述：對于磁性材料負載，鎖頻鎖相方法中相位補償電路只能針對某一頻率進行靜態(tài)補 償，無法在負載諧振頻率變化前后實現(xiàn)對負載功率因數(shù)角的恒定控制。 2復合鎖頻鎖相控制方法針對串聯(lián)型逆變器鎖頻鎖相控制方法在負載諧振頻率變化前后不能實現(xiàn)定角控制的缺點， 本文提出了一種改進的鎖頻鎖相控制方法按負載電流擾動大小實現(xiàn)相位補償?shù)膹秃湘i頻 鎖相方法。控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。復合鎖頻鎖相方法是鎖頻鎖相閉環(huán)控制與定角開環(huán)控制相結(jié)合的控制系統(tǒng)，他在鎖頻鎖相控 制電路基礎上由動態(tài)相位補償電路替代了目前所普遍

8、采用的固定延時相位補償電路，在負載 頻率變化后自動調(diào)節(jié)功率因數(shù)角，從而提高鎖頻鎖相環(huán)節(jié)的控制精度和動態(tài)性能，在逆變器 負載的動態(tài)變化過程中，既實現(xiàn)了頻率跟蹤，又實現(xiàn)了定角控制，保持逆變器功率因數(shù)角恒 定。2.1動態(tài)相位補償電路理論分析及大量研究試驗證明，串聯(lián)型感應加熱電源鐵磁材料負載從冷態(tài)過渡到熱態(tài)或從重 載變?yōu)檩p載的過程中，負載電流頻率（代表負載固有諧振頻率）上升、負載電流幅值隨之增 加，負載從熱態(tài)過渡到冷態(tài)或從輕載變?yōu)橹剌d的過程中，負載電流頻率下降、負載電流幅值 隨之減小。在加熱過程中，負載電流頻率和幅值是受負載參數(shù)變化影響的變量，本文在鎖頻 鎖相控制電路基礎上以電流擾動作為控制信號，設計

9、了動態(tài)相位補償電路，使相位補償時間 跟隨負載諧振頻率變化，實現(xiàn)定角控制。動態(tài)相位補償電路圖和相位補償電路波形如圖4， 圖5所示。 圖4中，IH1，IH2為電流互感器取出的負載電流信號，IH1經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換 成電壓信號U-，IH2經(jīng)整流濾波環(huán)節(jié)變?yōu)槠街彪娏餍盘柸龢O管T1工作在 放大區(qū)。負載冷態(tài)或重載時，頻率較低，電壓比較器閥值電壓U+=U1,補償時間tt1（見圖5），負載功率因數(shù)角f1×t1×360°。負載 溫度 上升進入熱態(tài)或發(fā)生輕載時，負載電流頻率上升，同時負載電流幅值增加使增加 ，引起T1基極電流增加，發(fā)射極電位上升，電壓比較器閥值電壓U+=U2，U2> U

10、1，補償時間tt2，t2 <t1，負載功率因數(shù)角 f2×t2×360°，補償時間減小限制頻率上升過程中負載電壓電流相位差增 加，控制功率因數(shù)角基本不變，實現(xiàn)了定角控制。在動態(tài)相位補償電路中，負載功率因數(shù)角隨負載參數(shù)變化而動態(tài)調(diào)整，確保逆變器具有穩(wěn)定 的工作效率。另外，逆變器負載電流很大時，T1完全導通，動態(tài)相位補償電路最小補 償時間可以通過選擇R4與R5的比值決定，R4的存在使逆變器嚴格工作在感性狀 態(tài)，保證了逆變器具有較高的安全性能。2.2仿真基于目前普遍采用的鎖頻鎖相控制方法和復合鎖頻鎖相控制方法，本文利用Matlab/Simulin k建立了主電路和控

11、制電路模型，并進行了仿真、比較。 圖6，7分別給出了采用目前普遍應用的鎖頻鎖相控制和復合鎖頻鎖相控制時負載電 壓、電流仿真波形。仿真電路負載參數(shù)在2 ms時刻發(fā)生變化，以模擬加熱過程中負載變化情 況。圖6中，負載參數(shù)變化前，負載諧振頻率為195 kHz，負載功率因數(shù)角為14°；負載參數(shù) 變化后，負載諧振頻率為230 kHz，其變化率為17.9，此時負載功率因數(shù)角為16.6°， 其變化率為18.6%，變化較大。圖7中，負載參數(shù)變化前，負載諧振頻率為180 kHz，負載功 率因數(shù)角為14°；負載參數(shù)變化后，負載諧振頻率為210 kHz，其變化率為18，此時負載 功率因數(shù)角為14.2°，其變化率為1.4%，負載功率因數(shù)角基本不變，可以達到定角控制 的效果。 3結(jié)語本文分析了目前普遍應用的鎖頻鎖相控制方法在實現(xiàn)逆變器工作狀態(tài)控制時存在的 不能