高频感应加热电源控制电路优化设计

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1.学位论文 蒋峰 全数字控制高频感应加热电源的研究 2008
感应加热电源以其节能、高效、无污染等优点在工业生产中得到了广泛的应用。本文以感应加热电源为研究对象，对感应加热电源常用的谐振槽路 和拓扑结构进行了分析，选择了更适合高频感应加热电源的串联型逆变器；并分析了感应加热电源的各种调功方式，在对比几种功率调节方式的基础上 ，得出了整流侧调功有利于高频感应加热电源频率和功率提高的结论，选择了不控整流加斩波器的功率调节方式。
１ 高频感应加热电源的方案
从实际工艺要求和感应加热电源的可靠性等方 面出发，设计了如图１所示的感应加热电源。在脉
图１感应电源整机框图 宽调制电路（ＰＷＭ）的控制下进行直流调功，输入给 串联逆变器一定的电压，逆变器在锁相环电路控制 下，进行频率自动跟踪［３］，让逆变器工作在谐振频率 附近，功率因数接近于１。这样既可满足感应加热 工艺，又保证系统的可靠稳定、提高了整机效率。
从上面可以看出锁相环是通过改变压控振荡器 的频率来减小电压和电流信号之间的相位差，最终 实现逆变器的工作频率跟踪负载的固有谐振频率。
４ 实验结果
实验结果如图６所示，上图为逆变器输出的电 压信号，下图为负载上霍尔电流传感器上的电压信 号。从图中可以看出感应加热电源输出电压和负载 《机械与电子》２００４（１１）
的函数，其传递函数为：
Ｇｍ㈦＝豁毯
（１）
低通滤波器采用ＲＣ低通滤波器，同时令Ｒ。》 Ｒ。，传递函数为：
Ｇ胛ｃｓ，一瓷等一鲁＋去＝卺＋争 ｃ２，
其中 Ｔ＝Ｋ。ｌ—Ｒ。Ｃ
从（２）式可知，ＲＣ低通滤波器又相当于一个比
例积分器。
压控振荡器的输出信号Ｖ。（ｓ）的相位巩（ｓ）与控
制电压Ｕ（ｓ）有线性关系，由于频率是相位的导数，
’关键词：感应加热；斩波器；逆变器；锁相环；仿 真
中图分类号：ＴＭ９２４．５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—２２５７（２００４）１１一００６１一０３
Ａｂｓｔ】僦ｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎ一
收稿日期：２００４一０８—３０
ｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａ ｈｉｇｈ—ｆｒｅ— ｑｕｅｎｃｙ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｃｏｎｔｒ０１ ｃｉｒ— ｃｕｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎ．Ｉｔ’ｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｎ ｔｒａｃｅ ｌｏａｄ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｒａｐｉｄｌｙ．Ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｉｎ ｌｏａｄ—ａｄａｐ— ｔｉｖｅ ａｎｄ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｓｔａｔｅ．
ＳＩＴ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｌｏａｄ—ａｄａｐｔｉｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ— ａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９８，３４（４）：７１３— ７１８ ［４］张厥盛，等．锁相技术［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出 版社．１９９４． ［５］吴运昌．模拟集成电路原理与应用［Ｍ］．广州：华南理 工大学出版社，２００１． ［６］ Ｊａｉ Ｐ．Ａｇｒａｗａｉ．Ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ［Ｍ］．Ｂｅ订ｉｎｇ：Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｐｒｅｓｓ．Ｐｒｅｎ— ｔｉｃｅ—Ｈａｌｌ，２００１．
万方数据
３３—３５． ［２］ 曹敏。何晓慧．ＰＣ一１０４工控机在数据采集系统中的
应用［Ｊ］．计算机与数字工程，１９９９，（６）：４８—５０． ［３］ 冯涛，王 程．可编程逻辑器件开发技术——ＭＡＸ
＋ｐｌｕｓｌｌ入门与提高［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，
２００２．
［４］ 华容茂．数字电 技术与逻辑设计［Ｍ］．北京；中国电 力出版社，２００３
ＲＡｏ Ｙｉ—ｈｕａ·ＺＩＩＡｏ Ｌｉ—ｈｏｎｇ （Ｎａｎｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｎｇｙａｎｇ ４２１００ｌ，Ｃｈｉｎａ）
摘要：研究了高频感应加热电源频率跟踪电路， 利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对控制电路中锁相环频率跟 踪进行了仿真研究，然后按仿真的结果优化设计了 电路。实践证明，该控制电路能自动快速跟踪负载 谐振频率，电源能自动适应负载，工作在谐振状态或 准谐振状态。
—３００
５ ∥ｕ ｓ
１
图５逆变器锁相环控制电路
Ｋ。＝开冀广决定嘲，其中ｃｒ为图５中的Ｃ３，本文取
ｏ、一丁ｙ曲
Ｋ。一１．７×１０４ Ｈｚ／Ｖ，低通滤波器的比例Ｒ，／Ｒ８＝ ｏ．０５，时间常数ｒ＝Ｒ７Ｇ，取３４×１０～。它的工作原 理如下：从电流传感器来的负载电流信号，分成２ 路，一路到功率测量显示电路，另一路去Ｃ，、Ｒ。组 成的相位校正电路，然后输出经ＬＭ３９３变成方波 信号，由ＣＤ４０４６的１４脚进入第２个相位检测器， 它代表负载的电流信号，而３脚的输入信号与逆变 器的驱动信号一样，也就是逆变器的输出电压信号； 电压和电流信号的相位在鉴相器内比较，从１３脚输 出误差电压信号，再经Ｒ，、Ｒ。、Ｃ。等组成低通滤波 器，在此得到一个正比于从１４脚和３脚输入信号相 位差的平均电压，这个控制电压从ＶＣＯ的９脚输 入改变其振荡频率，使逆变器输出电压与负载电流 的相位差不断减小，直到两者同相。ＶＣ０振荡的频 率范围由Ｒ。、Ｒ，。、Ｃ。等决定，输出经Ｄ触发器分频 后，一路返回相位比较器，一路形成相位相反的２信 号经驱动电路送至逆变器的对应功率开关器件。
［５］ 徐金武．Ｔｕｒｂｏ Ｃ实用大全［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，１９９６．
［６］王孝洪．基于Ｐｃｌ０４单板微机和ｃＰＬＤ的步进电机控 制系统口］．电机电器技术．２００４．‘（２）：１３—１５．
作者简介：陈靖源（１９７９一），男，福建南靖人，华南理工大学 自动化科学与工程学院硕士研究生。研究方向为模式识别、数字信号 处理和嵌入式系统研究；游林儒（１９５６一），男，福建上杭人，华南理 工大学自动化科学与工程学院副教授，从事电力电子与电力传动、智 能控制、数字信号处理和嵌入式系统研究。
万方数据
图６逆变器输出电压和电流波形 电流是同相的，即逆变器在锁相环电路的控制下处
于谐振状态。利用仿真能优化设计、减少设计调试 中的盲目性。
参考文献： ［１］潘天明．现代感应加热装置［Ｍ］．北京：冶金工业出版
社。１９９６． ［２］饶益花，等．全固态高频感应电源的研究［Ｊ］．南华大学
学报理工版，２００３，（４）：６０一６４． ［３］（）ｋｕｎｏ，Ａ，ｅｔｃ．Ｆｅａｓｉｂｌｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｏｆｔ—Ｓｗｉｔｃｈｅｓ
· ６２ ·
万方数据
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图２锁相环的结构
相位比较器的输出误差电压Ｖ。（ｓ）是瞬时相位
击粤 拟， 号＿ 傍。 囊。
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高频感应加热电源控制电路优化设计
饶益花，赵立宏 （南华大学，湖南衡阳４２１００１）
Ｔｈｅ Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ 一ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｃｉｒｃｕｉｔ
ｃｄ ＡｕｔｏＣｏｎｔ ｍａｉｎ
３ 结束语
介绍了一种基于ＰＣＩ０４单板微机的触摸屏自 动控制系统。采用这种方法能有效缩短开发时间， 设计出的系统结构紧凑，人机界面友好，在实际的应 用中已经证明其性能稳定可靠，控制简单高效。
参考文献： ［１］ 张振庄．嵌入式ＰＣ机（ＰＣ／１０４）在机载卫星通信天线
伺服稳定系统中的应用［Ｊ］．微计算机信息，１９９７．（６）： 《机械与电子》２００４（１１）
图４锁相环相位仿真模型图
３ 实验电路
基于上面的仿真实验数据，设计了基于 ＣＤ４０４６锁相环电路的逆变器的控制电路，如图５ 所示。鉴相器２采用边缘式数字鉴相器，其鉴相器 的灵敏度Ｋ。＝ｏ．３７ ｒａｄ／Ｖ，压控振荡器的灵敏度由
《机械与电子》２００４（１１）
４００
３００
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１００ 》
言。
一１００
—２００
则：Ｇ“沪器＝争来自（３）从（３）式可知，压控振荡器在锁相环中起着一个
理想积分器的作用，所以锁相环的相位模型如图３
所示坐： ◇坐压—与互—攀群’
图３锁相环的相位模型 在（１）式～（３）式中Ｋ。Ｋ。，和Ｋ。分别称作鉴相 器的灵敏度、低通滤波器的时间常数和压控振荡器 的灵敏度。在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下，将图３锁相环的相 位模型连接成如图４所示的仿真模型［５］，取Ｋ。一 Ｏ．３７，Ｋ。一１．７×１０４，此时Ｒ２／Ｒｌ＝Ｏ．０５，Ｋ。ｌ＝３４× １０一，用这些参数去指导下一步电路设计。
英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数：
饶益花， 赵立宏 南华大学,湖南,衡阳,421001
机械与电子 MACHINERY & ELECTRONICS 2004，""(11) 0次
参考文献(6条) 1.潘天明 现代感应加热装置 1996
2.饶益花 全固态高频感应电源的研究[期刊论文]-南华大学学报理工版 2003
3.Okuno A Feasible Development of Soft - Switches SIT inverter with load - adaptive frequency tracking control scheme for Induction heating 1998(04) 4.张厥盛 锁相技术 1994 5.吴运昌 模拟集成电路原理与应用 2001 6.JaiP.Agrawai Power electronic systems theory and design 2001
Ｋｅｙ ｗｏＩＩｄｓ：ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｐｈａｓｅ— ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ（ＰＬＬ）；ｓｉｍｕｌａｔｅ
Ｏ 引言
感应加热电源是一种变压变频装置，广泛应用
调用主程序运行的目录、名称以及触摸屏的基本参 数。内容如下：
＠ｅｃｈｏ ｏｆｆ Ｓｅｔ ｐａｔｈ一；ｃ：＼ｍｙｔｏｕｃｈ＼ｔｏｕｃｈｋｉｔ ｔｐａｎｅｌ—ｇ ６４０ｘ４８０
２逆变器频率跟踪仿真研究
逆变器频率跟踪电路由锁相环电路完成。锁相 环是一个相位反馈控制系统［４］，其特点是实现对输 入信号频率和相位的自动跟踪；主要由鉴相器ＰＤ （又称相位比较器）、环路滤波器（ＬＰＦ）和压控振荡 器（ＶＣ０）组成。鉴相器是将２个信号之间的相位 进行比较，通常可以采用模拟乘法器或异或门来完 成；环路滤波器是低通滤波器，它的时间参数决定了 跟随输入信号的速度；ＶＣＯ在一定范围内是一个输 出频率与输入电压呈正比的信号发生器；从环路滤 波器中输出的低频信号电压去控制压控振荡器的频 率变化，使输入与输出信号频率之差不断减少直到 这个差值为零时锁定，实现频率跟踪。三者之间的 关系如图２所示。
· ６ｌ ·
于机械行业中。感应加热电源的负载是感应圈和工 件共同组成的［１］，实际应用时负载参数随被加热材 料温度和量而变，其变化涉及磁、电、热传导等物理 过程，影响因素很多，目前尚无实用的数学模型进行 描述。基于以上原因通常采用锁相环频率跟踪电路 去控制逆变器，让逆变器工作频率自动跟踪负载固 有谐振频率，保证负载侧在高功率因数下运行［２］。 但传统的控制电路存在许多缺点，下面使用Ｍａｔ— ｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ来优化设计串联谐振高频感应加热电 源的控制电路。
作者简介：饶益花（１９６８一），女，湖南耒阳人，南华大学数理 学院讲师，工学硕士，主要从事电力电子技术研究和物理教学工作Ｉ 赵立宏 （１９６７一），男，湖南衡阳市人，南华大学机械工程学院教 授，硕士研究生导师，主要从事机电一体化及测控技术研究。
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高频感应加热电源控制电路优化设计
作者： 作者单位： 刊名：