面向铁氧体裂纹检测的感应加热电源研制

何 昕,唐 波,王晓娜,叶树亮

(中国计量大学 计量测试工程学院 工业与商贸计量技术研究所,浙江 杭州 310018)

面向铁氧体裂纹检测的感应加热电源研制

何 昕,唐 波,王晓娜,叶树亮

(中国计量大学 计量测试工程学院 工业与商贸计量技术研究所,浙江 杭州 310018)

针对常规感应加热电源对铁氧体加热时存在加热均匀性差和负载回路谐振频率漂移的问题,提出了一种全桥逆变拓扑结构的串联谐振式数字感应加热电源.基于负载串联谐振回路换流时电压和电流的相位差特性,通过PSPICE软件分析了阻性、感性和容性三种换流状态,仿真结果表明，串联谐振回路工作于弱感性状态,可以保证电路安全可靠运行;基于电磁耦合原理,对比分析了原边补偿和副边补偿两类负载匹配变压器,通过匹配负载等效电阻实现电源系统最大能效输出;采用Fuzzy-PI频率跟踪技术实现负载谐振频率实时跟踪.最后，将研制的数字感应加热电源成功地应用于铁氧体裂纹检测实验.

铁氧体;裂纹检测;串联谐振;感应加热电源;热成像

铁氧体器件广泛应用于仪器仪表和直流电源中,是导航、雷达、通信等电子设备的关键磁性材料,而铁氧体裂纹缺陷的存在严重影响了产品的质量与寿命[1].因此对铁氧体裂纹缺陷检测的研究显得尤为重要和迫切.

传统的铁氧体检测方法主要有听音法、渗透法和磁粉法等,严重依赖检测员的主观判断,检测效率较低[2].感应热成像作为一种新型的铁氧体裂纹检测手段,具有非接触、检测效果直观、易实现自动化、检测效率高等优点[3].叶树亮等人[4]提出可以利用磁滞损耗等致热方式使铁氧体发热,并根据铁氧体裂纹处表现出的温度异常现象,采用感应热成像技术实现铁氧体裂纹检测.而在铁氧体裂纹检测的过程中,感应加热电源的加热效果是保证检测效果的重要因素.

常规感应加热电源加热铁氧体时,存在负载回路谐振频率漂移的问题,且加热均匀性差.本文针对这个问题提出了一种全桥逆变结构的串联谐振式数字感应加热电源,能使负载始终工作在安全的弱感性状态,从而保证了加热效率,满足了感应热成像检测铁氧体裂纹的应用需求.

1 感应热成像检测原理

感应热成像检测系统如图1.U型激励探头与被检铁氧体试样构成闭合磁路,在感应加热电源的正弦交变电流激励作用下铁氧体近表面产生交变磁场,由于存在磁滞损耗、涡流损耗等因素,铁氧体温度升高,尤其在铁氧体裂纹处会产生温度异常现象,通过红外热像仪拍摄铁氧体试样表面的温度分布,经过相关的特征提取算法处理实现裂纹检测.

图1 感应热成像检测系统Figure 1 Inductive thermography detection system

其中,感应加热电源的性能与被检测对象的加热效率、均匀性、缺陷检出率密切相关.

2 感应加热电源系统

感应加热电源的系统框图如图2.主要包括全桥逆变电路、负载电路、相位检测电路、控制电路、驱动电路、阻抗匹配变压器.其中,全桥逆变电路主要用于将直流信号转换为交流信号;负载电路采用串联谐振拓扑结构,包括等效电阻R,补偿谐振电容C,以及由电磁激励探头与被检铁氧体共同构成的电感L;相位检测电路基于异或门鉴相器实现,主要用于检测负载电压、电流相位差,并将其送于AVR处理;控制电路包括AVR和FPGA两部分,AVR主要用于实现系统的频率跟踪控制,FPGA主要通过DDS技术输出PWM信号,用于给驱动电路提供控制信号;驱动电路采用隔离式半桥栅极驱动器ADUM7234实现,提供足够大的驱动电压和电流用于驱动MOS管;阻抗匹配变压器用于调节负载等效电阻,改善电源系统输出功率,实现最大能效输出.

图2 感应加热电源系统Figure 2 Induction heating power supply system

2.1 主电路换流过程分析

在本系统中,负载电感由电磁激励探头与被检铁氧体共同构成,相当于一个铁氧体磁芯的电感,其电感量受温度、电流、磁导率等影响产生非线性变化[5-6],故负载串联谐振电路有三种可能的工作状态:阻性、容性和感性.在不同工作状态下负载电压与电流的相位关系如图3,图中U为负载电压波形,I1为谐振时的负载电流波形,I2为容性时的负载电流波形,I3为感性时的负载电流波形.

图3 不同工作状态下负载电压电流波形图Figure 3 Load voltage and current waveforms in different operating condition

使用PSPICE软件对三种工作状态下的电流换流过程进行分析.

1)谐振换流过程

谐振条件下,负载回路存在两个换流状态,如图4.

图4 阻性状态下电流换流过程Figure 4 Current converter process in impedance state

状态1,开关管Q1、Q4导通,Q2、Q3关断,电流经Q1和Q4从左往右流经负载;状态2,当电流为零时,Q1、Q4完全关断,Q2、Q3开始导通,电流方向改变,电流经Q2和Q3从右向左流经负载.

2)感性换流过程

在感性状态下,电流相位滞后于电压相位,在一个周期中电流经历6种变化状态,具体换流过程如图5.

图5 感性状态下电流换流过程Figure 5 Current converter process in inductive state

状态1,Q1、Q4导通,Q2、Q3关断,电流由Q1和Q4流经负载,方向为从左向右;状态2,由于电压过零点时电流尚未过零点,Q1、Q4硬关断,电流方向保持不变,电流由Q2、Q3体二极管及续流二极管D2、D3续流;状态3,此时Q2、Q3零电压开通,电流路径不变;状态4,电流过零点,方向变为由右向左,由已导通的Q2和Q3流经负载;状态5和状态6与状态2和状态3电流变化情况对应相同.

3)容性换流过程

在容性状态下,电流相位超前于电压相位,在一个周期中电流同样需经历6种变化状态,具体换流过程如图6.

图6 容性状态下电流换流过程Figure 6 Current converter process in capacitive state

状态1,Q1、Q4导通,Q2、Q3关断,电流由Q1和Q4流经负载,方向为由左向右;状态2,由于电流过零点先于电压过零点,Q1、Q4关断之前,电流方向变为由右向左,电流由开关管Q1、Q4的体二极管和续流二极管D1和D4流经负载;状态3,Q1、Q4零电流关断,电流流经路径不变;状态4,Q2、Q3硬开通,电流由Q2和Q3流经负载,方向为由右向左,但是此时Q1、Q4的体二极管具有较大的反向恢复电流,容易导致上下管直通;状态5和状态6与状态2和状态3电流变化对应相同.

根据以上分析,串联谐振电路的阻性换流只是理想工作状态,在实际中很难实现;容性换流时容易导致同臂的功率管直通,引起电源短路,导致功率器件损坏,因此换流过程应处于感性状态下;需要对负载谐振频率进行实时跟踪确保换流过程始终处于弱感性状态下,以保证电源安全可靠运行.

2.2 阻抗匹配变压器

负载回路由电磁激励探头和被测铁氧体构成,可以将其等效为电感和电阻的串联模型.为了提高电源系统的功率因数,通过增加补偿谐振电容构成RLC串联谐振电路.对于串联谐振逆变电路,为了能使逆变器输出更大功率,通常需要引入阻抗匹配变压器使电源的输出阻抗与负载达到匹配.

图7 两类阻抗匹配变压器Figure 7 Two kinds of impedance matching transformers

根据补偿电容配置的不同位置,阻抗匹配变压器类型可分为原边补偿和副边补偿两种,如图7.图7(a)为原边补偿负载匹配,图7(b)为副边补偿负载匹配,变压器原副边变比为n∶1.基于折算前后原边与副边功率和磁动势不变的原则,可以将副边上的电阻、电感和电容折算到原边上,得到串联谐振等效电路模型.

对于图7(a)所示的原边补偿负载匹配的变压器,由于补偿电容在原边,变压器需要传递大量的无功功率,因此需要设计体积更大的空心变压器以满足要求.这样的变压器由于变比与匝比相差较大,工程实现不易把握,所以一般不采用.对于图7(b)所示的副边补偿负载匹配的变压器,工作时,负载回路在变压器副边谐振,变压器只传递有功功率,因此可以设计体积更小的磁芯变压器.

基于以上分析,本文采用副边补偿的阻抗匹配变压器实现电源功率的最佳传输.

2.3 频率跟踪控制策略

在实际应用中,在电源启动时可能初始激励频率距离谐振频率较大,在加热过程中负载也存在不同程度的谐振频率漂移现象,故系统需要具有在大范围内快速、准确的频率跟踪能力.本系统采用Fuzzy-PI结合的复合频率跟踪技术来实现频率跟踪功能,整体的控制程序流程图如图8.

图8 系统控制程序流程图Figure 8 Flow chart of the control system

设置系统的加热时间与初始激励频率后,启动电源,将AVR单片机A/D接口读取到的相位值与设定的控制目标相位值作比较得到相位偏差.当|e|>ξ时,采用基于查询模糊控制表的方法来实现模糊控制,快速调整激励频率.模糊控制是一种模拟人思维的智能控制方法,易于处理复杂的非线性系统,但存在固有的稳态误差[7-9];当|e|≤ξ时,通过增量式PI控制调整激励频率,由于引入了积分环节,能有效消除系统的稳态误差[10].其中,阈值的选取是关键,该值选取过大,不能充分发挥模糊控制快速性的优势,而选取过小,容易造成超调,ξ值应至少大于模糊控制固有的稳态误差,并结合实际情况来选取.

为了对系统的大范围频率跟踪能力进行仿真分析,简化分析条件,忽略实际工作中相位检测延时等影响,仅先对复合频率跟踪控制本身的优越性进行分析.将负载电阻、负载电容视为不变量,通过MATLAB编程对负载电感发生突变情况时的频率跟踪过程进行仿真分析,该仿真过程同样也可以说明在电源启动时激励频率与谐振频率偏差较大时电源的频率跟踪效果,并引入了模糊控制以及PI控制进行对比.

仿真的参数设置如下:C=0.002 μF,R=10 Ω,采样周期为1 ms,初始激励频率设为300 kHz,即谐振频率L的初始值为140.72 μF,在5 ms时刻,突变为120 μF,且规定负载电压相位超前负载电流相位时相位差为正,得到三种控制方式在各自控制参数下的负载电压、电流相位差随时间变化曲线如图9.图中kp、ki为PI控制中的比例系数与积分系数,ku为模糊控制中的比例系数.

图9 负载电压与电流相位差变化曲线Figure 9 Phase difference change curve of the load voltage and current

从图9可以看出,采用模糊控制时频率跟踪速度快,但存在7°左右的稳态误差;采用PI控制时,可以具有较高的控制精度,但难以兼顾快速性与超调量;采用Fuzzy-PI复合控制时,综合了二者的优势,频率跟踪速度快、精度高、超调量小,在较短的时间内便能跟踪上负载谐振频率.

3 实验结果与分析

3.1 电源频率跟踪效果测试实验

在上述研究基础上,研制出了一套全桥逆变结构的串联谐振式数字感应加热电源,电源系统样机如图10.

图10 感应加热电源系统样机Figure 10 Prototype of induction heating power supply system

选取锰锌铁氧体材料为测试对象,设定电源的输出电压为40 V,采用固定频率激励与复合频率跟踪技术两种频率控制方式进行对比实验,通过示波器实时采样变压器副边的负载电压u、负载电流i的波形.根据模糊控制稳态误差的计算公式[11],本系统的稳态误差大约为7.5°,为了避免系统超调,留取了一定余量,将ξ设定为了15°.另外,在检测到相位角为3°～6°时,不调整激励频率,使负载处于安全的弱感性状态.图11示出采用谐振频率作为固定频率激励时的实验波形,图12示出采用复合频率跟踪技术控制时的实验波形.

图11 谐振频率激励时实验波形Figure 11 Experiment waveforms of exciting under resonant frequency

图12 复合频率跟踪技术控制时实验波形Figure 12 Experiment waveforms of composite frequency tracking control technology

由图11、图12可见:在加热过程中,如不进行频率跟踪,负载的工作状态会由初始的谐振状态向危险的容性状态偏移,负载电流波形开始慢慢失真;采用复合频率跟踪技术控制后,可以快速搜索到负载的谐振频率,加热过程中的频率跟踪效果良好,使电源始终处于安全的弱感性状态.

3.2 铁氧体裂纹检测实验

选取了一块带有天然裂纹的铁氧体试样进行检测实验,铁氧体实物如图13(a).激励功率为150 W,激励频率为150 kHz,激励时间为5 s,实验中所用热像仪为美国FLIR A35型,像素分辨率320×256,帧频60 Hz,选取最高温帧时的热图像进行拉普拉斯算子处理,对温度的特征信息进行提取,得到的检测效果图如图13(b).

图13 铁氧体实物与裂纹检测效果图Figure 13 Picture of ferrite and crack detection effect

从实验结果可以看出,铁氧体试样受磁滞损耗等因素的影响,温度升高,而试样上存在的裂纹阻碍了其热传递,在裂纹处表现出温度异常,通过对最高温帧的热图像进行相关处理,能清晰判别出存在的裂纹,研制的感应加热电源能很好地满足铁氧体裂纹检测的应用需求.

4 结 语

本文提出一种全桥逆变结构的串联谐振式数字感应加热电源,对负载串联谐振回路的阻性、感性和容性三种换流状态，原边补偿和副边补偿的两类负载匹配变压器以及Fuzzy-PI频率跟踪技术进行了分析与优化,并将优化结果应用于研制的感应加热电源系统中.实验结果表明:在对铁氧体加热过程中电源系统始终稳定工作于弱感性状态,红外热像仪观察到铁氧体裂纹尖端的温度异常现象,从而实现对铁氧体裂纹的无损检测.

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Development of an induction heating power supply for detecting ferrite surface cracks

HE Xin, TANG Bo, WANG Xiaona, YE Shuliang
(Institute of Industry and Trade Measurement Technique, College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Aiming at the problems of the non-uniform heating distribution and the resonanted frequency drifting of load in ferrite heating using the conventional induction heating power, a series resonant digital induction heating power with a full bridge inverter structure was proposed. Based on the characteristics of phase difference between voltage and current during the commutation of series resonant circuits, the resistive, inductive and capacitive states were simulated with PSPICE. The result show that the circuit operated reliably when the series resonant circuit ran in the weakly inductive state. Based on the principle of electromagnetic coupling, primary compensation and secondary compensation load matching transformers were analyzed; and the latter was applied to the power supply by matching the load equivalent resistance to realize maximized energy efficiency output. The Fuzzy-PI frequency tracking technology was applied to the power supply to realize real-time frequency tracking. Finally, the digital induction heating power was successfully used for the ferrite crack detection experiment.

ferrite; crack detection; series resonance; induction heating power supply; thermal imaging

2096-2835(2017)01-0051-06

10.3969/j.issn.2096-2835.2017.01.009

2016-12-09 《中国计量大学学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

国家重大科学仪器设备开发专项(No.2013YQ470767).

何 昕(1991- )，男，浙江省杭州人，硕士研究生，主要研究方向为无损检测技术与设备.E-mail:18767159668@163.com. 通信联系人：叶树亮，男，教授.E-mail:itmt_paper@126.com.

TN86;TG115.28

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