1、摘 要:分析了目前被普遍應(yīng)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(fù)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(fù)合鎖頻鎖相方法的正確性和有效性.   關(guān)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(yīng)加熱電源因其起動容易、易高頻化的優(yōu)點在高頻感應(yīng)加熱領(lǐng)域被廣泛應(yīng)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(zhǔn)諧振狀態(tài).目前廣泛應(yīng)用的串聯(lián)型逆變器鎖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(fù)載功率因數(shù)角隨負(fù)載參數(shù)變化,不

2、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(fù)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(fù)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

3、號同頻的目的.如果鑒相器和濾波參數(shù)選擇適當(dāng),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(fù)載電壓、電流的頻率和相位關(guān)系的控制,使逆變器工作在感性準(zhǔn)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(fù)載諧振頻率、相位的負(fù)載電流信號IH.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(guān)器件的開通與掛斷來控制負(fù)載電壓的頻率與相位,使負(fù)載電壓的頻率和相位隨負(fù)載電流的頻率和相位變化.由于電流采樣、隔離驅(qū)動、逆變功率開關(guān)器件的開通與掛斷都需要時間,導(dǎo)致鎖相環(huán)輸入

4、輸出信號的相位關(guān)系并不代表負(fù)載電壓電流的相位關(guān)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(fù)載電流波形,IH1為由電流互感器取出的負(fù)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(guān)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(fù)載電壓滯后負(fù)載電流的時間為t1+t2,相位差f×(t1+t2)×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全狀態(tài).為彌補因控制信號延時引起的控制偏差

5、,鎖頻鎖相控制電路一般加入 相位補償環(huán)節(jié),當(dāng)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 1+t2時,鎖相環(huán)輸入輸出信號的相位關(guān)系等于負(fù)載電壓電流的相位關(guān)系,鎖相環(huán)鎖定狀態(tài)下負(fù)載功率因數(shù)角為0.為避免因負(fù)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(zhǔn)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t1+t2基礎(chǔ)上加入額外補償時間t3,即相位補償環(huán)節(jié)總延時為tt1+t2+t3,使得鎖定狀態(tài)下逆變器負(fù)載電壓相位超前負(fù)載電流t3,負(fù)載功率因數(shù)角f×t3×360°,從而保證了逆變器工作在感性狀態(tài). 1.2鎖頻鎖相方法存在的弊端 &

6、#160; 感應(yīng)加熱負(fù)載為導(dǎo)磁材料時,其導(dǎo)磁率與磁場強度和溫度有關(guān).當(dāng)磁場強度一定時,導(dǎo)磁率 隨溫度升高而下降,且在居里點附近變化劇烈.負(fù)載從冷態(tài)被加熱到熱態(tài)過程中,磁性材料負(fù)載的導(dǎo)磁率下降引起負(fù)載與線圈耦合電感減小、負(fù)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(fù)載頻率變化時,由t3所形成的負(fù)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(shè)定,則負(fù)載諧振頻率升高后會引起負(fù)載功率因數(shù)角增加、逆變器效率降低.若補償時間按負(fù)載

7、諧振頻率較高時設(shè)定,則負(fù)載諧振頻率低時負(fù)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(fù)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(fù)載諧振頻率變化前后實現(xiàn)對負(fù)載功率因數(shù)角的恒定控制. 2復(fù)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(fù)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(fù)載電流擾動大小實現(xiàn)相位補償?shù)膹?fù)合鎖頻鎖相方法.控制系統(tǒng)框圖如圖3所示.   復(fù)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(chǔ)上

8、由動態(tài)相位補償電路替代了目前所普遍采用的固定延時相位補償電路,在負(fù)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(fù)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(yīng)加熱電源鐵磁材料負(fù)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(fù)載電流頻率(代表負(fù)載固有諧振頻率)上升、負(fù)載電流幅值隨之增加,負(fù)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(fù)載電流頻率下降、負(fù)載電流幅值隨之減小.在加熱過程中,負(fù)載電流頻率和幅值是受負(fù)載參數(shù)變化影響的變量,本文在

9、鎖頻鎖相控制電路基礎(chǔ)上以電流擾動作為控制信號,設(shè)計了動態(tài)相位補償電路,使相位補償時間跟隨負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載功率因數(shù)角f1×t1×360°.負(fù)載溫度上升進入熱態(tài)或發(fā)生輕載時,負(fù)載電流頻率上升,同時負(fù)載電流幅值增加使增加,引起T1基極電流增加,

10、發(fā)射極電位上升,電壓比較器閥值電壓U+=U2,U2> U1,補償時間tt2,t2 <t1,負(fù)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(fù)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(fù)載功率因數(shù)角隨負(fù)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(fù)載電流很大時,T1完全導(dǎo)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(yán)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

11、普遍采用的鎖頻鎖相控制方法和復(fù)合鎖頻鎖相控制方法,本文利用Matlab/Simulink建立了主電路和控制電路模型,并進行了仿真、比較.   圖6,7分別給出了采用目前普遍應(yīng)用的鎖頻鎖相控制和復(fù)合鎖頻鎖相控制時負(fù)載電壓、電流仿真波形.仿真電路負(fù)載參數(shù)在2 ms時刻發(fā)生變化,以模擬加熱過程中負(fù)載變化情況.圖6中,負(fù)載參數(shù)變化前,負(fù)載諧振頻率為195 kHz,負(fù)載功率因數(shù)角為14°負(fù)載參數(shù)變化后,負(fù)載諧振頻率為230 kHz,其變化率為17.9%,此時負(fù)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(fù)載參數(shù)變化前,負(fù)載諧振頻率為180 kHz,負(fù)載功率因數(shù)角為14°負(fù)載參數(shù)變化后,負(fù)載諧振頻率為210 kHz,其變化率為18%,此時負(fù)載功率因數(shù)角為14.2°,其變化率為1.4%,負(fù)載功率因數(shù)角基本不變,