基于锁相环路和固定角控制技术的中频感应加热电源设计

刘大朋

（四平职业大学，吉林四平136001）

基于锁相环路和固定角控制技术的中频感应加热电源设计

刘大朋

（四平职业大学，吉林四平136001）

介绍了一种利用锁相环路和固定角控制的新技术来自动追踪转换器的频率。此技术在分析并联逆变器工作状态的基础上，采用电压和电流双闭环整流控制。分析了IGBT中频感应加热电源经常发生的故障，并提出了相应的保护措施、设计了相应的保护电路。研制出100 kW/8 kHz的并联感应加热电源，设计的控制方法经证实科学有效。

感应加热；IGBT；过电压保护

0 前言

感应加热技术具有传统方法所没有的优点，如加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化，是一种先进的加热技术[1]，因此在国民经济和社会生活中具有广阔的应用前景。

并联中频感应加热设备（1～10 kHz）具有对功率电器容量要求低的优点，易于通过并联的方式来扩大其容量、高负荷适应性强等，所以越来越广泛地应用于感应加热电源中。20世纪80年代早期，电力电子半导体全控制器件IGBT就已出现，其具有高速、高输入阻抗、易于驱动、低通态压降和其他突出特点，目前已经广泛地应用于中频和高频领域[2]，使感应加热技术有了新的飞跃。国内正在对感应加热电源进行深入的研究，本研究结合100 kW/8 kHz的并联感应加热电源，讨论中频感应加热电源发展的关键技术。

1 主电路设计

1.1 主电路拓扑结构

随着电力电子技术和功率半导体器件的发展，并联感应加热电源的拓扑结构得到了不断发展[3]，已成为一个固定的AC/DC/AC转换形式。基本结构如图1所示。

并联感应加热系统的主要系统包括整流器、滤波电抗器、逆变器和负载，输入的三相交流电通过晶闸管整流三相全控桥，然后通过大型电抗器滤波后以直流形式供电给逆变桥，逆变桥的开关以一定的规律交替打开和关闭，输出一定频率的矩形波电流和三角函数的负载电压。就此完成了一个AC/DC/ AC的转换并为负载提供所需的电流和频率。本研究选择完全控制的IGBT作为开关器件，4个IGBT器件构成一个逆变器。如果输出功率较大，可以使用多个并联逆变器桥，每个桥为100 kW，并联逆变器的数量由输出功率的大小决定。

图1 并联感应加热电源的拓扑结构

1.2 并联逆变器的工作条件

并联逆变器有三种不同形式的工作条件，负载谐振频率为

（1）当f＜f0时，负载处于电感工作状态。此时，负载的电流相落后于电压相，在转换时IGBT在高电流模式下被迫关闭，所以IGBT两端会形成电压峰值，可能会导致设备损坏。

（2）当f=f0时，负载处于共振工作状态，这是一种理想的工作状态，由于电路存在干扰因素，会造成锁相环电路精度和负载的变化，因此很难达到这种工作状态。

（3）当f＞f0时，负载处于电容的工作状态。此时的负载电流相位超前于电压相位，在转换过程中打开功率器件时会导致电流峰值，由于测滤波电抗器的限制作用保证了功率器件的安全。因此，电容的工作状态是一种理想的工作状态，在实际操作过程中非常可靠。

2 整流器控制

整流器采用三相全控整流方案，控制器采用电压电流双闭环策略，控制原因如图2所示。整流侧控制核心采用MCS-51系列单片机。核心控制部分为定功率控制和保护作用。单片机控制和配有双闭环调节器的晶闸管变频技术都用了此控制方案。

图2 整流侧的控制原理

当全控制晶闸管整流桥延迟角α改变时，整流器输出的直流电压平均值是可以控制的，从而可以控制输出功率大小。由于PI调节器是调节静态误差，因此只能在静态时进行反馈。当设备的负载变化时，双闭环PI调节器以采样电流和采样电压作为反馈信号，用来调节闭环电路电压和电流大小，从而确保电流和电压输出值不超过该设备的电流和电压的极限值，实现对电流和电压的精确限制。

当工作电流值超过相关值，由于设备过载，作为电流反馈的效果，触发晶闸管整流桥的延迟角α增大，平均直流电压降低，工作电流被限制在最大设定值以内，以此达到限制电流的作用。同样，在电压调节过程中会测试输出电压值，PI调节器自动调节延迟角α的大小，使输出电压保持稳定，最大输出电压将根据额定电压的反馈值而变化，以此达到限制电压的作用。

3 逆变器的控制

逆变器控制的主要功能是实现对负载频率的自动跟踪，逆变器启动后，当内部或外部装置发生故障时，对逆变器功率器件和整流桥输出电压控制器提供触发脉冲以确保设备的安全。

逆变器控制的核心技术是相位锁定[4]，本研究采用固定值的锁相控制方案，即负载电流超出负载电压一个固定角度，使器件在小容量的状态下持续工作。锁相控制模块如图3所示。在此模块中，锁相环是由专用异或鉴相器、低通滤波器、PI控制器、电压控制振荡器和分频器等组成。

由于开始之前负载端没有输出，即没有信号，IGBT逆变器也得不到脉冲，因此有必要使用附加的启动控制电路。基于此，设计了分激向自激转换的模块。当该模块启动时，系统在分激的状态下进行工作，当负载电压达到一定值时，将会转换到自激模式，这种方法要求分激频率接近或略高于负载的振动频率，否则将无法启动。以这种模式来启动逆变器是最佳方法。

首先，负载侧的电压由电压互感器获得，此电流将通过零检测电路进入相位检测器。相位检测器使用异或门相位，要求两个输入信号均为含有50%工作周期的方波。当两个信号被锁定，相位差为90°。从分配器中经过相位补偿之后输出的信号被输入到相位检测器另一侧。相位检测器输出结果代表了水平信号的相位关系，通过比较经过低通滤波器的滤波可以得到相位误差，然后通过PI调节器进行相位锁定。使用积分器保证无偏差的调节，即可以精确定位到已经设置好的相位。PI控制器的输出电平进入压控振荡器来控制变频器的频率。

因为滤波电抗器的电流是连续的，为了实现可靠的循环，上下两个边的逆变器都应先打开再关闭。IGBT驱动脉冲有足够的重叠时间来转换。本研究设计了重叠时间的组成形式，重叠时间可调，这样就可以适应于不同的工作状态。

图3 逆变器侧角度控制原理

4 电源保护设计

4.1 逆变器的过电压和过电流保护

因为IGBT是全控器件，所以逆变桥可以在不同条件下工作，在电容模式下，后续的FRD将负担起转换之后的反向电压；而在电感模式下，IGBT将会立即关闭。因为导线环路存在电感，IGBT将负担一个尖峰脉冲[5]。针对上述问题，本研究应用改进的相位追踪技术来调节电源，并使其在电容模式下工作，同时检测二极管两端的反向电压并进行抑制。通过此方法，有效控制了串联二极管的反向电压，提高了电源的可靠性。此外，缓冲电路可以用来吸收IGBT和二极管的尖峰脉冲以保护装置，如图4所示。

图4 吸收缓冲电路

过电压保护电路如图5所示，当变频器出现过压时，将会提供触发脉冲信号从而使IGBT从整流模式改变为逆变模式。晶闸管的传输协议开始运行，这种由晶闸管造成的循环为滤波电感器不断地提供能量，同时阻碍了逆变器输入端的电压上升率。逆变器的输入端也被限制在一个较低水平，IGBT便得到了过电压保护。

图5 过压保护电路

当发生过电流时：

（1）所有的IGBT都投入运行，两个桥能在很短时间内分担短路电流。

（2）一旦发生过电流，传输协议应该马上被触发。因为传输协议开始运行后电压下降速度比IGBT桥开始运行后电压下降速度慢很多。由于分流，IGBT的电流会立即转移到传输协议，因此IGBT不会出现过载电流。同时，信号被输送到整流器，整流器也从整流模式转变成逆变模式，能量释放后电源应关闭。

4.2 综合保护

为了提高保护的可靠性，设计了相位锁定保护电路，这是一个集成的保护。相位锁定保护电路原理如图6所示。当负载发生异常情况时，例如，输出被打开、输出短路或者传感器短路，此时负载电压和负载电流之间的相位差会发生很大变化。这种电路可以使用相位锁定保护电路。当负载电压和负载电流之间的相位差快速变化时，鉴相器的输出电压也会随之发生快速变化，当超过设置的保护值时，将会发出启动保护电路工作的信号。

图6 相位锁定保护电路原理

5 实验与结论

基于理论分析和大量实验，设计了一种100 kW/ 8 kHz的中频感应加热电源。其规格为：输入电压380 V，输出功率100 kW，共振频率8 kHz。当样机在空载状态下运行时，测得数据如表1所示，IGBT重叠时间的驱动脉冲波形如图7所示。

表1 实验数据

图7 重叠时间的驱动脉冲波形

逆变器的输出电压和输出电流波形如图8所示，电压波形是正弦波，电流波形是方波。该装置在完成从分激到自激的转变后，将会在小电容器模式下工作。根据实验数据和波形，说明电源工作原理的设计是正确的，特别是逆变器的锁相控制，可以使装置在固定角的小电容模式下工作。

图8 逆变器输出电压和输出电流波形

电源的成功设计，大幅提升了设备的自动化运行水平，使现场编辑和操作更加方便灵活，节省了大量的人力和物力资源，同时可以减少事故的发生。本研究的原理设计和电路结构设计还可以应用于其他具有不同频率和功率值的感应加热电源的设计。

[1]王娅琦，周伟松，赵前哲.同步双频感应加热电源的研究[J].电力电子技术，2013（1）：18-20.

[2]刘力涛.IGBT驱动电路研究[J].电焊机，2011，41（6）：83-86.

[3]张燕宾.变频器的内部控制电路（四）——IGBT的驱动电路[J].电气时代，2011（6）：48-52.

[4]李黎，李杨，罗洋.一种馈能式IGBT串联动态均压电路[J].低压电器，2013（20）：38-42.

[5]黄星星，蒋友成.一种简单实用的IGBT驱动电路设计[J].电气工程应用，2011（1）：13-14.

Page 97步的研究。

参考文献：

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[3]党向盈，杨莉.基于图像处理的高精度激光-MIG复合焊焊缝跟踪系统[J]，热加工工艺，2012，23（41）：176-178.

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[5]龚烨飞，戴先中.一种基于结构光视觉的焊缝跟踪特征提取方法[J].电焊机，2004，34（4）：51-55.

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[7]王小平，曹立明.遗传算法[M].西安：西安交通大学出版社，2002：73-75.

Medium frequency induction heating power supply design based on phase lock loop（PLL）and fixed angle control technology

LIU Dapeng
（Siping Vocational College，Siping 136001，China）

This paper introduces a kind of new method by using PLL and the fixed angle control to track the converter frequency automatically.Based on the analysis of the parallel inverter working status,this technique uses the voltage and current double closedloop rectifier control.Failure of IGBT medium frequency induction heating power supply that often occur are analyzed，and put forward corresponding protective measures，the corresponding protection circuit is designed.100 kW/8 kHz parallel induction heating power is developed，the designed control method is proved to be scientific and effective.

induction heating；IGBT；overvoltage protection

TG439.9

：A

：1001-2303（2015）10-0104-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.22

2015-04-05

刘大朋（1963—），男，吉林四平人，硕士，副教授，主要从事电工电子技术、电气控制、机电设备原理在电气控制自动化方面的应用技术研究。