高功率因數(shù)感應(yīng)加熱電源的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：針對串聯(lián)諧振式感應(yīng)加熱電源輸入功率因數(shù)低、對電網(wǎng)污染大的缺點，在分析傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本原理的基礎(chǔ)上，利用數(shù)字信號處理器(DSP-TMS320F2812)的高速數(shù)據(jù)采樣和信號處理能力，研制成具有高功率因數(shù)的感應(yīng)加熱電源，給出了基于DSP的有源功率因數(shù)校正原理，控制算法和實現(xiàn)。理論分析和實驗結(jié)果證明了基于DSP的有源功率因數(shù)校正用于感應(yīng)加熱電源的優(yōu)點，高功率因數(shù)的感應(yīng)加熱電源實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)和減少電網(wǎng)污染的控制目標(biāo)。

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關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱電源；諧波污染；功率因數(shù)校正；Boost；DSP

中圖分類號：TM92 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-108-03

Design and Realization of an Induction Heating Power with High Power Factor

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PANG Jingxian，HUI Jing

(School of Communications and Control Engineering，Jiangnan University，Wuxi，214122，China)

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Abstract：To reduce the harmonic pollution and improve the low input power factor of the traditional series resonant induction heating power，a new induction heating power with high input power factor is designed by using a Digital Signal Processor (DSP-TMS320F2812) with very rapid sampling data and processing signals on the basis of analyzing its topology and basic principle.The principle and the method how to achieve Active Power Factor Correction (APFC) is also presented and analyzed.Theoretical analysis and experimental results have shown that DSP-based APFC method applied in the induction heating power is excellent，it makes the input power factor close to unity and reduces the harmonic pollution to power net.

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Keywords：induction heating power;harmonic pollution;active power factor correction;Boost;DSP

1 引 言

目前，感應(yīng)加熱電源已廣泛用于金屬熔煉、透熱、焊接、彎管、表面淬火等熱加工和熱處理行業(yè)^[1]。然而傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源整流變換一般采用晶閘管相控整流或二極管不控整流方式，為獲得較為穩(wěn)定的直流電壓，整流后往往采用大電容儲能兼濾波，導(dǎo)致電網(wǎng)輸入側(cè)功率因數(shù)非常低，電流畸變，對電網(wǎng)造成諧波污染；此外，還對周圍及自身系統(tǒng)的信號產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，系統(tǒng)效率降低。為了減小諧波電流、提高功率因數(shù)，有必要采用功率因數(shù)校正技術(shù)(APFC)^[2]。

有多種實現(xiàn)APFC的方法，目前常采用APFC控制芯片實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)校正^[3]，具有電路簡單、控制方便、成本低的優(yōu)點。但對于已采用功能強大數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制器的感應(yīng)加熱等復(fù)雜電源系統(tǒng)，再使用專用PFC芯片反而會增加系統(tǒng)硬件成本，降低系統(tǒng)的集成度，而且調(diào)試不方便，更不利于系統(tǒng)升級。本文研究在使用DSP控制感應(yīng)加熱電源的基礎(chǔ)上，對輸入系統(tǒng)采取有源功率因數(shù)校正措施。實驗結(jié)果表明，引入APFC技術(shù)后，網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)趨近于單位功率因數(shù)，網(wǎng)側(cè)電流是與電壓同相的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，減少了對電網(wǎng)的污染。

2 傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源及改進

傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱電源的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括四個部分：不控整流、大電容儲能濾波、逆變電路和諧振負載^[4]。圖中通過不可控整流的方式將交流變?yōu)橹绷鳎偻ㄟ^大電容濾波變成比較穩(wěn)定的直流電作為逆變電路的供電電源，在逆變側(cè)部分實現(xiàn)系統(tǒng)的逆變輸出和功率調(diào)節(jié)。

圖1 傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個系統(tǒng)由DSP控制，電壓電流檢測裝置通過檢測直流母線的電壓值和電流值并變送給DSP，以實現(xiàn)功率反饋。負載檢測包括溫度檢測和頻率跟蹤，通過將紅外線傳感器檢測到的溫度值變送給DSP，以實現(xiàn)溫度反饋；通過檢測負載的諧振電流和電壓信號反饋給DSP以實現(xiàn)頻率跟蹤。在DSP內(nèi)部對電壓、電流等反饋信號分別A/D變換、保持，通過數(shù)字乘法運算求出實際輸出功率與數(shù)字給定功率比較，對偏差進行數(shù)字PID控制，可實現(xiàn)電源輸出功率的閉環(huán)控制和DPLL頻率跟蹤^[5]，故障檢測保護電路對缺水、過熱、過壓、過流等故障實時監(jiān)控，由DSP故障處理子程序比較判斷后，以中斷方式處理各類故障、并報警顯示。

這種傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源由于采用大電容無源濾波，造成輸入電流畸變，對電網(wǎng)造成諧波污染，輸入功率因數(shù)降低，而且不利于節(jié)約用電成本。為了提高能源利用率，減少感應(yīng)加熱裝置對電網(wǎng)的污染，必須采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)。

由于系統(tǒng)已采用DSP作為主控制器，使用專用PFC芯片反而會增加系統(tǒng)硬件成本，降低系統(tǒng)的集成度，而且調(diào)試不方便，更不利于系統(tǒng)升級，所以本文研究在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用DSP實現(xiàn)功率因數(shù)校正。

在原有主電路的整流和逆變部分加入Boost電路，如圖2所示，Boost電路是用來改善網(wǎng)側(cè)電流波形，提高電源功率因數(shù)的DC/DC變換器；在直流母線側(cè)，通過檢測Boost電路的輸入電壓、電感電流和輸出電壓，通過DSP的軟件控制算法，控制Boost開關(guān)管的通斷來達到功率因數(shù)校正的目的。

圖2 具有APFC的感應(yīng)加熱電源主電路結(jié)構(gòu)圖

3 基于DSP的APFC實現(xiàn)

圖3給出基于DSP-TMS320F2812的APFC控制原理圖。TMS320F2812芯片是TI公司推出的32位定點數(shù)字信號處理器^[6]，具有強大的控制和信號處理能力，是用于數(shù)字電力電子變換與控制的高性價比DSP芯片。

APFC控制原理如下：Boost電路的輸出電壓，即直流母線電壓V0經(jīng)傳感器采樣、隔離后送入DSP的ADCIN2口，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，與參考數(shù)字電壓Vref比較，其偏差值送入電壓控制器Gv，通過糾偏控制使V0與Vref相等，Gv采用數(shù)字PI控制，有：

式中，TSv為電壓環(huán)路的采樣時間。

電壓控制器Gv的輸出信號B與Boost變換器的輸入電壓Vin經(jīng)隔離、A/D變換后的數(shù)字信號A相乘，乘積作為電感電流Iin的參考信號Iref。電感電流Iin與參考信號Iref比較后，差值送入電流控制器Gc，Gc也采用數(shù)字PI控制，有：



Gc(s)=KPc+KIcs=Uc(s)Ec(s)

式中，TSc為電流環(huán)路的采樣時間。

最后，電流調(diào)節(jié)器的輸出Uca在TMS320F2812的PWM模塊中與一個固定頻率的鋸齒波Vramp相比較：

當(dāng)Uca>Vramp時，開關(guān)管導(dǎo)通；

當(dāng)Uca

這樣便輸出脈寬調(diào)制波，經(jīng)驅(qū)動器隔離、放大后驅(qū)動開關(guān)管高頻導(dǎo)通/關(guān)斷，以實現(xiàn)電感電流Iin實時跟蹤Iref。

圖3 基于TMS320F2812的APFC控制原理圖

實現(xiàn)式(2)和式(4)時，為了防止Uv(n)，Uc(n)過大造成系統(tǒng)失控，還必須將他們限定在合適的范圍內(nèi)。對此，可按以下方法實現(xiàn)離散控制。

對于電壓環(huán)，有：



Uv(n)=K0*Ev(n)+Iv(n－1)

(5)

Iv(n)=Iv(n－1)+K1*Ev(n)+Kcorrv*Epiv

(6)

Epiv=Uvs－Uv(n)

(7)



式中，K0=KPv，K1=KIvTSv，Kcorrv=K1/K0。

當(dāng)Uv(n)≥Uvmax時，Uvs=Uvmax；

當(dāng)Uv(n)≤Uvmin時，Uvs=Uvmin；

否則，Uvs=Uv(n)。

電流環(huán)同理，當(dāng)開關(guān)管工作在很高的頻率時(比如f=100 kHz)，電壓環(huán)調(diào)節(jié)器Gv的輸出基本不變，所以乘法器輸出的Iref基本上是和輸入電壓成比例的波形，就可實現(xiàn)輸入電流對輸入電壓的實時跟蹤，且保持二者相位相同，使輸入功率因數(shù)接近于1。

4 實驗研究

根據(jù)以上理論，設(shè)計一臺單相輸入220 V、功率4 kW、諧振頻率30 kHz的超音頻感應(yīng)加熱電源樣機，并且對加入APFC電路前后的網(wǎng)側(cè)電壓、電流進行對比分析，實驗結(jié)果分別如圖4，圖5所示。圖4為傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源網(wǎng)側(cè)的電壓、電流波形，從圖中可以看出，電壓雖是正弦波，但由于直流側(cè)中間儲能大電容的存在，致使電流導(dǎo)通角只有90°，網(wǎng)側(cè)電流波形嚴重畸變，呈一系列斷續(xù)的尖峰脈沖，在同等功率條件下，電流的峰值成倍提高、諧波分量加大、電源功率因數(shù)降低(cos φ07)。圖5為引入APFC以后的感應(yīng)加熱電源網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形，從圖中可以看出，引入APFC技術(shù)后，電流波形與電壓波形是同相位的正弦波，感應(yīng)加熱電源有接近于1的輸入功率因數(shù)和很低的電流總畸變率，減少了對電網(wǎng)的污染。

圖4 傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源網(wǎng)側(cè)電壓與電流波形

5 結(jié) 語

本文將基于DSP的APFC技術(shù)引入到傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱電源中，對輸入電源的功率因數(shù)進行有源校正。在傳統(tǒng)感應(yīng)加熱電源的基礎(chǔ)上，加入了Boost電路，利用DSP的超高速數(shù)據(jù)采樣和信號處理能力，設(shè)計出包含有源功率因數(shù)校正 (APFC)器的超音頻感應(yīng)加熱電源，并對感應(yīng)加熱電源引入APFC前后進行了對比實驗和分析。實驗結(jié)果表明：APFC技術(shù)的引入使電源的輸入功率因數(shù)接近于單

位功率因數(shù)，減少了諧波對交流電網(wǎng)的污染，使感應(yīng)加熱電源的效率顯著提高。

圖5 引入APFC校正后的電網(wǎng)電壓與電流波形

參 考 文 獻

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作者簡介 龐敬賢 男，1984年出生，江蘇贛榆縣人，江南大學(xué)信控學(xué)院碩士研究生。研究方向為電力電子與電力傳動。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。